DE2527533A1

DE2527533A1 - Kombinierte brennstoffdampf-einspritz- und zuendeinrichtung fuer verbrennungsmotor sowie verfahren zur anwendung derselben

Info

Publication number: DE2527533A1
Application number: DE19752527533
Authority: DE
Inventors: Ervin Leshner; Michael David Leshner
Original assignee: FUEL INJECTION DEV CORP
Current assignee: FUEL INJECTION DEV CORP
Priority date: 1974-06-21
Filing date: 1975-06-20
Publication date: 1976-01-08
Also published as: JPS5353226U; IN144608B; FR2275661B1; US3926169A; CA1034448A; GB1519514A; FR2275661A1; AR208915A1; IT1039185B; JPS5114543A; USRE29978E

Description

PATENTANWÄLTE

Dipi. ing. Klaus Westphal

7/30 »'ILLlfM CHWENNINGEN

dtadtbei""!' Villingen Seb.-Kneipp-Straße 14 Telefon 07721-55343 Telegr.: Westbuch Villingen

Dr.rer.nat. OttO Büchner

8000 MÜNCHEN 60 (Pasing) Floßmannstraße 30 a Telefon 089-832446 Telegr.: Weetbuch München

Unser Zeichen: 825.30

Fuel Injection Development Corp.
Corner of Delaware Avenue and
Broad Street, Palmyra, New Jersey,
V.St.A.

Kombinierte Brennstoffdampf-Einspritz-
und Zündeinrichtung für Verbrennungsmotor
sowie Verfahren zur Anwendung derselben

Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Brennstoffdampf -Einspritz- und Zündeinrichtung und auf ein Verfahren zum Betreiben von Zweitakt-, Viertakt- und Rotationskolben-Verbrennung smo toren.

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Poetecheckkonto: Karlsruhe 76979-754 Bankkonto: Deutsche Bank AG Villingen (BLZ 69470039) 146332

Die meisten Kraftfahrzeuge werden durch die als Otto-Motor bekannte Funkenzündanlage mit Vergaser betrieben. Bei einer solchen Anlage werden Luft und Brennstoff im Vergaser vermischt und durch die Ansaugleitung in die Einlaßöffnungen des Motorzylinders geleitet, die während des Saughubes geöffnet sind. Während des folgenden Kompressions- oder Druckhubes wird das Brennstoff-Luftgemisch verdichtet und zur Erzeugung des Leistungshubes entzündet. Die Leistungsabgabe des Motors wird durch ein Drosselventil im Vergaser gesteuert.

Die Eigenschaften eines Verbrennungsmotors hinsichtlich Brennstoff Wirtschaftlichkeit und Emissionen hängen weitgehend vom Luft-BrennstoffVerhältnis ab. Ein ausgeglichenes oder stöchiometrisches Verhältnis sieht eine genau ausreichende Menge Sauerstoff vor, so daß aller Brennstoff verbrannt wird. Ein fettes Gemisch läßt rückständigen Brennstoff zurück, nachdem die Oxidationsreaktion (Verbrennung) beendet ist, und ein mageres Gemisch läßt rückständige Luft nach der Reaktion zurück. Um die Brennstoffwirtschaftlichkeit zu erhöhen und schädliche Emissionen zu verringern,list es zweckmäßig, Motoren mit magereren als stöchiometrisehen Luft-BrennstoffVerhältnissen zu betreiben·

Die Zündeigenschaften von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen, wie Leichtbenzin (Gasolin), hängen ebenfalls stark vom Brennstoff-Luftverhältnis ab. Zur Erzielung der Zündung muß Wärme, Sauerstoff und Brennstoffdampf vorhanden sein. Wenn ein heterogenes Gemisch von Brennstofftröpfchen, Brennstoffdampf und Luft in Anwesenheit einer Zündeinrichtung vorhanden ist, kann sich der Teil des Brennstoffs, der in Tröpfchenform vorhanden ist, nicht innig mit der Luft vermischen, was zu einem Gemisch von flüssigen Brennstofftröpfchen und einem mageren Brennstoff-Luftdampf führt, der magerer ist als das gesamte Brennstoff-Luftgemisch, das in den Motor eingeströmt ist. Der restliche Brennstoff verdampft nach der Zündung.

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Wenn das Gesamtgemisch in einem Motor magerer gemacht wird, ist der Anteil des Gemischs in Dampfphase oft zu. mager, um zuverlässig zu zünden. Aus diesem Grund wird in gebräuchlichen Motorbauarten kein Brennstoff-Luftverhältnis angewendet, das magerer ist als stöchiometrisch.

Die Bauart mit geschichteter Füllung wendet das Mittel an, daß ein fettes Gemisch in der Nähe der Zündeinrichtung und ein magereres Gemisch im restlichen Teil der Füllung vorhanden ist. Dies ermöglicht die Anwendung eines Gesamtgemischs, das magerer als stöchiometrisch und dennoch leicht entzündbar ist.

In dieser Hinsicht sieht die vorliegende Erfindung einen Betrieb von Verbrennungsmotoren mit geschichteter Füllung vor.

Es gibt einen großen Stand der Technik in bezug auf Verbrennungsmotoren mit Anwendung der geschichteten Füllung, wobei anerkannt wird, daß diese Lösung eine Anzahl von theoretischen Vorteilen ergibt, wie z.B. eine im wesentlichen vollständige Verbrennung mit darauf beruhender Verringerung von Verunreinigungen in den Abgasen sowie einer Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades.

Das Prinzip der geschichteten Füllung ist in einer Anzahl von verschiedenen Anwendungen niedergelegt. So zeigen die US*-PSen 3 718 425, 3 665 902,, 3 173 409, 3 661 125, 2 391 220,

1 310 970, 2 008 803 und 2 795 214 kombinierte Brennstoff-Einspritz- und Zündeinrichtungen zum Ersatz üblicher Zündkerzen. Die US-PSen 3 696 798, 3 315 650, 2 469 448, 2 484 009,

2 595 914 und 2 534 346 zeigen getrennte Zündeinrichtungen und Brennstoffeinspritzeinrichtungen, wobei der Brennstoff als wirbelnde Füllung auf die Zündelektroden gerichtet wird. Die US-PSen 3 508 530, 3 154 058, 3 124 113, 3 406 667,

3 359 958 und 3 661 125 zeigen die Verwendung von Hilfs- oder Vorbrennkammern zur anfänglichen Verbrennung eines Teils des

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Brennstoffs mit einem Brennstoffeinspritz- und Funkenzündzyklus.

Eine weitere Schwierigkeit, die beim Betrieb von Motoren mit mehreren Brennkammern angetroffen wird, ist die ungleiche Verteilung von Brennstoff und L_uft auf die Brennkammern. Es wurde außerordentliche Mühe angewendet, um diese Schwierigkeit zu überwinden, wie z.B. komplizierte Brennstoff-Einspritzanlagen, Mehrfachvergaser und ausgefallene Bauweisen.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung zur individuellen Einstellung der Brennstoffeinströmung in jede Brennkammer, welche einen Ausgleich der Leistungsabgabe zwischen den Brennkammern ermöglicht, wodurch diese Schwierigkeit in einer wirtschaftlichen Weise ausgeschaltet wird.

Hauptsächlich sollen durch die Erfindung der Brennstoffverbrauch verringert und die schädlichen Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren vermindert werden. Dies wird durch Betreiben des Motors bei Brennstoff-Luftverhältnissen erreicht, die magerer sind als stöchiometrisch.

Ferner soll durch die Erfindung eine zuverlässige Zündung erreicht werden, die gewöhnlich ein Problem darstellt, wenn Motoren bei magereren als stöchiometrischen Luft-Brennstoffverhältnissen betrieben werden.

Magerere als stöchiometrische Brennstoff-Luftgeroische verbrennen zwar vollständig und neigen daher nicht zur Bildung von Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Verunreinigungen in den Abgasen, Sie sind trotzdem schwierig zu zünden und erlöschen leicht. Außerdem findet die Verbrennung bei Temperaturen statt, die für die Bildung von Stickstoffoxiden hoch genug sind, welche in den Abgasen als Verunreinigungen austreten. Wichtig ist bei der Erfindung ferner die Schaffung einer kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung zum

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Ersatz für die übliche Zündkerze sowie eines Verfahrens zum Betreiben des Motors mit dieser Einrichtung, welche ein magereres als stöchiometrisches Brennstoff-Luftgemisch verwendet, während das Auslöschen verringert und niedrigere Temperaturen erzeugt werden, als sie für die Erzeugung von Stickstoffoxiden erforderlich sind.

Die Erfindung schafft ferner eine kombinierte Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung zum Ersatz der üblichen Zündkerze sowie ein Verfahren zum Betreiben eines damit ausgestatteten Verbrennungsmotors, das in einigen Hinsichten vielseitig ist. Erstens kann die Leistungsabgabe durch Veränderung des Brennstoffdrucks zur Einspritzeinrichtung ohne Luftdrosselung gesteuert werden. Zweitens kann der ganze oder ein Teil des vom Motor für irgendeinen gegebenen Belastungs- oder Drehzahlzustand erforderlichen Brennstoffs zugeführt werden, indem der Brennstoffdruck und die Geometrie der erfindungsgemäßen Einspritz-Zündeinrichtung geändert wird, wodurch sowohl Leerlauf- als auch Hauptdosieranlagen nicht mehr erforderlich sind, wie sie bei üblichen Vergasern angewendet werden. Drittens kann die erfindungsgemäße Einspritz-Zündeinrichtung mit einem üblichen Vergaser verwendet werden, ermöglicht jedoch dem Motor, mit magereren Brennstoff-Luftgemischen zu laufen als sie bisher mit einem üblichen Vergaser verwendet werden.

Die Erfindung schafft ferner eine Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung und eine Anlage zur Verwendung derselben in einem Verbrennungsmotor, in_dem der Brennstoff in der Einspritzeinrichtung sich selbst dosiert, wodurch kostspielige und oftmals Schwierigkeiten bereitende Dosierpumpen, volumetrische Brennkammer-Dosiereinrichtungen u.dgl. unnötig werden, die heute in den meisten Brennstoff-Einspritzanlagen verwendet werden.

Weiter schafft die Erfindung eine kombinierte Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung sowie eine Anlage zum Betreiben

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eines Verbrennungsmotors mit derselben, wodurch die Zuverlässigkeit der Zündung gewährleistet wird und Unausgeglichenheiten in den Brennstoff-Luftverhältnissen in den verschiedenen Zylindern ausgeglichen werden, die durch die Bauweise der Verteilerleitung hervorgerufen werden, indem die in jeden Zylinder eingespritzte Brennstoffmenge variiert wird.

Schließlich schafft die Erfindung eine kombinierte Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung sowie eine Anlage zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit derselben, wobei unterschiedliche Arten von Brennstoff oder Zusätzen verwendet werden können, wie Leichtbenzin (Gasolin), Alkohol, Kerosin, Propan, Butan, Wasserstoff, Wasser, Methan, Abgas u.dgl., wodurch die Verwendung von Brennstoffen mit niedriger Oktanzahl möglich wird, was die Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses ohne Erhöhung der Möglichkeit von Frühzündung oderlKlopfen ermöglicht und die Bildung von Kohlenstoff in der Einspritz-Zündeinrichtung minimal macht.

Ferner wird durch die Erfindung der Motorwirkungsgrad und die Arbeitsweise desselben durch Einleitung von Brennstoffdampf in das heterogene Geraisch von flüssigen Brennstofftröpfchen, Brennstoffdampf und Luft verbessert, wodurch der Anteil von Brennstoff in der Dampfphase vergrößert wird, was die Gleichförmigkeit der Verbrennungswelle in der Brennkammer verbessert und eine vollständigere Verbrennung fördert.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung wird ein heißer metallischer Katalysator in Form eines Wärmeaustauschers innerhalb der Einspritz-Zündeinrichtung zu dem Zweck eingebracht, die Antiklopfeigenschaften des Brennstoffs zu verbessern.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird eine Anlage zum Betreiben von Verbrennungsmotoren unter Verwendung von gasförmigen Brennstoffen geschaffen.

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Schließlich sollen alle oben geschilderten Vorteile bei Verwendung einer einfachen und wenig kostspieligen Einrichtung erzielt werden, die leicht herzustellen und an Motoren neuer oder vorhandener Bauweise einzubauen ist.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig· 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung;

Fig. 2 einen der Fig. 1 ähnlichen Schnitt einer anderen Ausführungsform der Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform des Brennstoffverdampfer-Einspritzrohres an sich;

Fig. S einen der Fig. 1 ähnlichen Schnitt einer weiteren Ausführungsform der Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Viertaktmotors mit

Anwendung der vorliegenden Erfindung; t

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Zweitaktmotors mit Anwendung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Arbeitsweise eines Viertakt-Testmotors mit und ohne Anwendung der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Rotationskolbenmotors mit Anwendung der vorliegenden Erfindung.

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Es wird zunächst auf die Form der Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung gemäß Fig. 1 Bezug genommen. Die Einrichtung soll übliche Zündkerzen ersetzen und besitzt daher einen langgestreckten Isolierkörper 10 mit allgemein kreisförmigem Querschnitt und eineMetallgehäuse 12, das am unteren Abschnitt des Isolators befestigt ist und diesen umfaßt, wobei das Gehäuse hohl ist, wie bei 14 gezeigt, so daß der Isolator 10 sich mit dem unteren freien Ende 16 durch dasselbe bis unterhalb den unteren Rand 18 des Gehäuses erstreckt. Der untere Teil des Gehäuses 12 ist mit Außengewinde 20 versehen, so daß er in die mit Innengewinde versehene Öffnung 22 in der Wandung oder im Kopf 24 eines Zylinders eines Verbrennungsmotors geschraubt werden kann, die normalerweise für die Aufnahme und Halterung einer üblichen Zündkerze dient. Einstückig mit oder betriebsmäßig verbunden mit dem unteren Rand des Gehäuses erstreckt sich eine Zündelektrode 28 in den Verbrennungsraum 26 des Zylinders, die zur Mitte des Isolators 10 hin gekrümmt ist und unter der Mitte endet.

In Längsrichtung oder axial durch den Isolator 10 erstreckt sich ein metallisches Brennstoffverdampferrohr 30 mit einer inneren Bohrung 32. Das untere Ende 34 des Rohrs erstreckt sich in den Verbrennungsraum 26 und unterhalb des unteren Endes 16 des Isolators und ist oberhalb und nahe der Elektrode 28 angeordnet. Das Rohr 30 ist mit der elektrischen Spannungsquelle verbunden und dient als die andere Elektrode der Zündeinrichtung, wobei der Elektrodenabstand der Zwischenraum zwischen der Elektrode 28 und dem unteren Ende 34 des Metallrohrs 30 innerhalb des Verbrennungsraums ist.

Das obere Ende des Rohrs 30 ist mit Außengewinde 36 zur Aufnahme des mit Innengewinde versehenen Ansatzes 38 eines metallischen Organs 40 mit in Längsabständen um den Umfang verlaufenden Kühlrippen versehen. Das Organ 40 ist hohl und an seinem oberen Ende mit einem Innengewinde 42 zur Aufnahme

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des mit Außengewinde versehenen Ansatzes 44 eines hohlen Anschlußstücks 46 versehen, das zum Anschluß an eine Brennstoffpumpe geeignet ist.

Auf dem oberen Rand 46 des metallischen Brennstoffverdampferrohrs 30 liegt eine Scheibe 48 mit einem Durchbruch oder einer Brennstoffeinlaßöffnung 50 mit vorbestimmtem Durchmesser auf, wobei der Durchmesser dieser Öffnung durch Einsetzen von Scheiben mit vorbestimmten Öffnungsdurchmessern verändert werden kann. Die Brennstoffdampf-Auslaßöffnung 52 des Brennstoffverdampferrohrs 30 liegt am entgegengesetzten Ende des Rohrs und ihre Größe kann ebenfalls durch Änderung des Durchmessers der Rohrbohrung 32 oder durch andere in den Fig. 2 und 4 dargestellte Mittel variiert werden.

Wie weiter unten näher erläutert, muß zur Erzielung einer geschichteten Füllung, die nur verdampften Brennstoff und Luft in einer verhältnismäßig homogenen Mischung am Elektrodenabstand unmittelbar vor dem Zünden aufweist, die Brennstoffeinströmung in das Verdampferrohr beim Saug- oder Einlaßhub eines Viertaktmotors oder beim Kompressionshub eines Zwei takt-oder Rctetionkdbenmotors stattfinden, in welchem Falle ein Sperrventil in die Anordnung eingebaut ist, das öffnet, wenn der von der Brennstoffpumpe ausgeübte Druck den Druck im Zylinder übersteigt. Es kann jede beliebige Bauart eines Sperrventils angewendet werden, wie ein federbelastetes Ventil gemäß Fig. 1 oder ein lose geführtes oder Kugelventil gemäß Fig. 4 oder ein Tellerventil, wodurch eine einseitig gerichtete Strömung von der Brennstoffquelle zum Verdampferrohr erzielt wird.

Das in Fig. 2 gezeigte federbelastete Ventil weist einen Ventilkörper 54 auf, der in seiner Lage gegen die Scheibenöffnung 50 gehalten wird, wenn das Anschlußstück 46 eingeschraubt ist, da dann dessen unterer Rand auf der oberen Wand 56 des Ventilkörpers aufliegt. Der Ventilkörper 54 weist einen inneren

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konischer\Ventilsitz 58 auf. Ein Ionischer Ventilschieber 60 ist am Ende eines Ventilschaftes 62 befestigt, der sich durch eine Bohrung 64 erstreckt, die durch die obere Wand 56 des Ventilkörpers führt. Der Schaft erstreckt sich in eine Ausnehmung 66 im Anschlußstück 46 und ist an seinem freien Ende mit einem Gewinde 68 zur Aufnahme einer Mutter 70 versehen. Um den Schaft ist eine Feder 72 gewunden, die gegen die Mutter 70 und die Wand 56 des Ventilkörpers drückt und normalerweise den Ventilschieber 60 gegen den Sitz 58 hält, um das Ventil zu sperren, wenn der Druck im Zylinder den Brennstoffdruck übersteigt.

Beim Einlaß- oder Saughub des Kolbens eines Viertaktmotors oder bei der Kompressionsphase eines Zweitakt- oder Rotationskolbenmotors öffnet das Sperrventil und es strömt Brennstoff durch die Bohrung 74 des Anschlußstücks 46 in die Ausnehmung 66, durch die Bohrung oder Durchführung 64 des Ventilkörpers um den Ventilschieber 60, durch die Öffnung 50 und in das metallische Rohr 30, wo er verdampft wird und aus der Öffnung 52 in den Verbrennungsraum 26 austritt, wo er sich mit Luft vermischt und am oberen Ende des Kompressionshubes in einer weiter unten zu beschreibenden Weise gezündet wird. Um sicherzustellen, daß der Ventilschieber 60 die Öffnung 50 nicht verschließt, wenn er vollständig geöffnet ist, sind Querkanäle 76 in die untere Fläche des Ventilschiebers geschnitten. Bevor weiter unten die Anlage mit der Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung im einzelnen beschrieben wird, wird bemerkt, daß zur Veränderung der im Rohr 30 zurückgehaltenen Wärme dessen Länge und Dicke wie auch die Einlaß- und Auslaßöffnungen 50 und 52 desselben geändert werden können, und die Kühlrippen am Sperrventil werden verwendet, um zu gewährleisten, daß der Brennstoff in dieser Zone relativ kühl ist.

Aus den Fig. 2 und 3 ist zu entnehmen, daß die darin gezeigte Brennstoffdarapf-Einspritz-Zündelnrichtung mit Ausnahme der folgenden Merkmale die gleiche Bauweise besitzt wie die in

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Fig. 1 gezeigte. Die Wand des in Längsrichtung verlaufenden metallischen Brennstoffverdampferrohrs ist dünner und endet mit ihrem unteren Ende 77 unterhalb des unteren Endes 16 des Isolators 10 im Verbrennungsraum 26 des Zylinders. Das Ende

77 ist eingezogen, so daß eine Brennstoffdampf-Auslaßöffnung

78 entsteht, die schmäler ist als der Durchmesser der Bohrung 32 des Brennstoffverdampferrohrs. Durch Veränderung des unteren Endes 77 des Brennstoffverdampferrohrs lassen sich so Brennstoff dampf -Auslaßöffnungen unterschiedlicher Größe vorsehen, welche ermöglichen, einen als Strömungssteuerung dienenden Rückdruck zu erzeugen.

Ferner ist das Metallgehäuse 80 zur Befestigung der Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung in der Zylinderwand unterschiedlich. Wie das Gehäuse 12 umfaßt es einen mit Außengewinde versehenen unteren Abschnitt 82, der in einem mit einem entsprechenden Innengewinde versehenen Durchbruch 84 in der oberen Wand 24 des Zylinders aufgenommen ist, der normalerweise die übliche Zündkerze aufnimmt und festhält, welche die erfindungsgemäße Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung ersetzt.

Das untere Ende des Gehäuses 80, das sich in den Verbrennungsraum 26 erstreckt, ist mit einer verjüngten Abschirmung oder Ummantelung 86 versehen, die um den Umfang verteilte Durchlässe oder Öffnungen 88 unmittelbar oberhalb der Auslaßöffnung 78 enthält, um eine Venturiwirkung zu erzielen, wenn der Brennstoffdampf odea das Gas aus der Öffnung 78 austritt und sich mit der durch die Öffnungen 88 strömenden Luft vermischt. Da die Venturiabschirmung 86 eine Zündelektrode und das Rohr 30 die andere Elektrode darstellt, ist der Bereich 90 in der Venturiabschirmung der Elektrodenabstand, wo die fette Brennstoffdampf -Luftmischung gezündet wird.

Diese Abschirmung oder Ummantelung 86 kann in verschiedenen Formen ausgebildet werden und sogar keine Öffnungen 88 enthalten,

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in welchem Fall die öffnungslose Abschirmung dazu dient, den Arbeitswärmebereich des Einspritzrohrs 30 in Abhängigkeit von der Bauweise des Verbrennungsraumes zu steuern. So kann beispielsweise in Abhängigkeit von der Bauweise des Verbrennungsraumes die Abschirmung die ankommenden kühlen Gase vom Einspritzrohr 30 weglenken und Verbrennungswärme absorbieren, um ein zu schnelles Abkühlen des Einspritzrohrs zu verhindern und dadurch zur Brennstoffverdampfung beizutragen. Die Abschirmung dient auch zum Einschließen der austretenden Brennstoffdämpfe aus dem Einspritzrohr in den Elektrodenabstand.

In Abhängigkeit von der Belastung und von den Betriebsbedingungen des Motors gibt es Zeiträume, in denen eine höhere Brennstoffdampf-Ausströmung erforderlich ist, in welchem Fall das Brennstoffverdampferrohr eine größere Wärme übertragen muß, und dies kann durch irgendeine Einrichtung zur Erhöhung der Oberfläche im Rohr erzielt werden, welcher die Verbrennung ausgesetzt ist. Eine solche Einrichtung ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt und besteht aus einem rohrförmigen Organ 92, das innerhalb des Brennstoffverdampferrohrs 30 über irgendeine vorgegebene Länge desselben enthalten ist. Das innere rohrförmige Organ 92 ist ein zylindrisches Organ 94, dessen Durchmesser etwas geringer ist als der Durchmesser der Bohrung 32 des Brennstoffdampf-Einspritzrohrs, wobei das Organ 94 in in vertikalen Abständen angeordneten Bereichen entlang der Längserstreckung desselben abgeflacht ist, so daß Abschnitte 96 erzeugt werden, deren längere Abmessung den Durchmesser der Bohrung 32 annähert und unter Reibung an der Wand derselben anliegt, während der Brennstoff im Brennstoffverdampferrohr 30 einer größeren Oberfläche ausgesetzt wird.

Da der Brennstoff im Rohr 30 infolge der im Rohr enthaltenen Wärme verdampft wird, die dadurch entsteht, daß die Verbrennungsprodukte im Verbrennungsraum 26 und im Rohr 30 in direkter Berührung mit dem Brennstoffverdampferrohr 30 stehen, kann

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die Geschwindigkeit, mit der der Brennstoff im Rohr verdampft, eine veränderliche Einstellung in Abhängigkeit von der Belastung und den Betriebsbedingungen des Motors erfordern. Außer einer Veränderung der Größe der Einlaßöffnung 50 und der Auslaßöffnung 52 oder 78 kann durch Veränderung der Anordnung der Lösch-.zone entlang der Längserstreckung des Brennstoffverdampferrohrs 30 ebenfalls eine bestimmte Geschwindigkeit der Brennstoffverdampfung eingestellt werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann der Rohrdurchmesser der Bohrung 32 an irgendeiner Stelle entlang der Längserstreckung des Rohrs 30 eingeschnürt werden, so daß sich eine engere Bohrung 98 ergibt, deren Länge eine Löschzone Q zwischen der Brennstoffeinlaßöffnung 50 und der Brennstoffdampf-Auslaßöffnung 52 oder 78 bildet. Eine Veränderung der Anordnung der .Lösch zone entlang des Rohrs 30 steuert die Brennstoffverdampfungsgeschwindigkeit im Rohr. Bei den in den Fig. 1 bis 3 und 5 gezeigten Ausführungsformen der Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung wird die Brennstoffverbrennung im Rohr 30 am oberen Ende gelöscht, wo das Sperrventil angeordnet ist.

Die Anordnung gemäß Fig. 5 unterscheidet sich von der -oben beschriebenen kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung in folgender Weise. Wie bei der Einrichtung gemäß Fig. 1 weist das untere Ende des metallischen Verdampferrohrs 30, das sich in den Verbrennungsraum erstreckt, keine Abschirmung auf. Jedoch ist das untere Ende 100 des Rohrs 30 unmittelbar oberhalb der anderen Zündelektrode 28 geschlossen, aber darüber sowie unterhalb des unteren Endes 16 des Isolators ist die Wand des Rohrs 30 in Abständen um den Umfang mit Öffnungen oder Mündungen 102 versehen, aus denen der Brennstoffdampf derart austritt, daß eine Gasströmung aus dem Zylinder um die Elektroden 100 und 28 erzeugt wird, wo die Zündung stattfindet.

Ferner erstreckt sich in Fig. 5 das Rohr 30 durch das obere

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Ende des Isolators 10 und es ist ein Anschlußstück mit einem Sechskantmutter-Abschnitt 104 daran befestigt, der auf den oberen Rand des Isolators drückt, wobei ein Organ 106 von da nach oben steht, welcher den oberen Abschnitt 108 des Rohrs umfaßt und eine seitliche Durchführung 110 enthält, die mit dem oberen Abschnitt 108 des Rohrs in Verbindung steht und als Brennstoffeinlaßöffnung dient.

Das obere Ende des Organs 106 enthält eine mit Innengewinde versehene Bohrung 112 in axialer Ausrichtung mit dem Rohr 30 oberhalb dessen oberem Abschnitt 108, in welche ein Nadelventil 114 zur Veränderung der Größe der Brennstoffeinlaßöffnung und infolgedessen der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs geschraubt ist. Ein seitliches Organ 116 ist vorgesehen, das einen Ring 118 aufweist, der über das Organ 106 gleitet und in seiner Lage durch eine Kappe 120 mit Innengewinde 122 gehalten wird, das am Außengewindeabschnitt 124 des Organs 106 eingreift. Um ein Lecken um das Nadelventil zu verhindern, wird ein O-Ring 126 in der Kappe 120 um das obere Ende des Nadelventils gehalten.

Das seitliche Organ 116 ist rohrförmig und an seinem Ende mit einem Innengewinde zur Aufnahme eines Gewindeteils 128 zur Ankuppung an die Brennstoffleitung versehen. Die Bohrung 130 des Organs 116 enthält einen Körper 132 mit einem konischen Ventilsitz 134 und einer davor liegenden Ausnehmung 136, die mit der Einlaßdurchführung 110 in Verbindung steht und eine lose geführte Kugel 138 enthält, welche als Sperrventilkörper dient. Die Ausnehmung 136 weist einen hinterschnittenen Abschnitt 140 gegenüber dem Ventilsitz 134 auf, um ein Zusetzen der Durchführung 110 zu verhindern, wenn während des Ansaughubes bei Druckabfall im Zylinder das Sperrventil öffnet.

Nachfolgend wird das Verfahren zum Betreiben von Zweitakt- und Viertaktmotoren und von Rotationskolbenmotoren unter

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Verwendung der erfindungsgemäßen kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz— und Zündeinrichtung beschrieben, wobei zu bemerken ist, daß zwar in den Figuren eine Funkenzündung dargestellt ist, die Brennstoffdampf-Einspritzeinrichtung jedoch auch mit anderen Zündanlagen, wie Glühkerzen, statischer und Hochfrequenz-Zündung u.dgl., kombiniert werden kann.

Es wird zuerst der in Fig. 6 schematisch dargestellte Viertaktmotor betrachtet, wobei die Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung mit FVI bezeichnet und über die Leitung 142 und eine fernsteuerbare veränderliche Öffnung 144 mit einer konstanten oder veränderlichen Druckpumpe 146 verbunden ist, die einen geringen Überdruck von etwa 0,2 bis 0,5 at (3-7 psi) erzeugt und flüssigen Brennstoff von einer Brennstoffquelle oder einem Brennstoffbehälter 148 zum Einspritzrohr 30 ohne Dosierung oder nachfolgende Verteilung des Brennstoffs pumpt. Der Brennstoff wird ferner durch eine konstante oder veränderliche Druckpumpe 150 in einen Vergaser 152 mit einem Drossel- oder DrosselKlappenventil^! 154 gepumpt, um dort mit Luft vermischt und an den Zylinder 156 über ein Einlaßventil 158 abgegeben zu werden, wobei der Zylinder außerdem mit einem Auslaßventil 160 versehen ist. Ein Verteiler 162 ist mit dem Brennstoffverdampf errohr 30 elektrisch verbunden, während die andere Elektrode 28 mit Erde verbunden ist.

Während des Einlaß- oder Saughubes fällt der Druck im Zylinder unter 1 at und daa Sperrventil 60 oder 138 öffnet, so daß flüssiger Brennstoff in das Einspritzrohr 30 strömt. Gleichzeitig öffnet das Einlaßventil 158 und läßt Luft-Brennstoffgemisch in den Zylinder ein, das magerer ist als beim stöchiometri· sehen Verhältnis. Der Brennstoff im Einspritzrohr wird unter verringertem Druck erhitzt und verdampft und dehnt sich gegebenenfalls aus, aber es gibt eine Zeitverzögerung beim Hervorrufen der Phasenänderung von flüssig zu gas- oder dampfförmig, zum Teil aufgrund der latenten Verdampfungswärme und des Temperaturgradienten im Rohr 30, das an der Einlaßöffnung

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kühler ist als an der Auslaßöffnung.

Atmosphären Wenn der Druck im Zylinder über /.-Druck oder über den Punkt ansteigt, an dem kein Druckunterschied zwischen ihm und dem Brennstoffdruck am Sperrventil besteht (im allgemeinen gegen das Ende des Ansaughubes oder kurz nach dem Beginn des Verdichtungshubes), sperrt das Sperrventil die Brennstoffzuführung zum Einspritzrohr ab·

Infolge der erwähnten Zeitverzögerung erfolgt nach dem Beginn des Ansaughubes das Austreten des Brennstoffs aus der Auslaßöffnung 52, 78 oder 102 in den Zylinder als Gas oder Dampf und seine Vermischung im Zylinder mit magerem Luft-Brennstoffgemisch oder Luft. Wenn sich der Kolben bei etwa 40° bis 10° vor dem oberen Totpunkt befindet, zündet die Zündeinrichtung und entflammt den Brennstoff im Bereich des Elektrodenabstands des Verbrennungsraumes, welcher in diesem Bereich ein fettes homogenes Brennstoffdampf-Luftgemisch enthält, wodurch eine Flamme erzeugt wird, die sich im Zylinder zur Erzielung des Leistungshubes ausbreitet»

In diesem Zeitpunkt steigt der Druck im Zylinder an und drückt einen Teil des Brennstoff-Luftgemischs nach oben in das Einspritzrohr 30, wodurch das letztere erhitzt wird und die Flamme tatsächlich in das Rohr eintritt, bis sie gelöscht wird.

Während des Auslaßhubes werden die vollständig verbrannten Gase durch die Auslaßöffnung aus dem Innenraum des Zylinders 156 und des Einspritzrohrs 30 herausgedrückt, wobei das letztere einen großen Teil der während des Leistungshubes aufgenommenen Wärme zurückhält.

Wenn bei dem in Fig. 7 gezeigten Zweitaktmotor die Auslaßöffnung 172 öffnet und der Druck im Zylinder 164 fällt, öffnet das Sperrventil 60 der Einrichtung FVI und es strömt flüssiger

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Brennstoff in das Einspritzrohr aus der Leitung 166, die über eine veränderliche Druckpumpe 168 mit einer Brennstoffquelle oder einem Behälter 148 verbunden ist. Der zum Betrieb des Zweitaktmotors mit der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung erforderliche Brennstoffdruck ist höher als der für einen

er Viertaktmotor erforderliche. Daher muß/bei einer gegebenen Drehzahl mit etwa der zweifachen Geschwindigkeit des Viertaktmotors ansaugen, verdampfen und einspritzen und es wird infolgedessen bevorzugt, daß das Verdampferrohr 30 eine große innere Oberfläche wie bei der Einspritzeinrichtung gemäß Fig. 2 oder durch Füllung des Rohrs mit porösen hochtemperaturbeständigen Metallen oder Keramikstoffen oder durch irgendeine andere geeignete Maßnahme aufweist.

Während des Kolbenabfalls sind die Luft- und Auslaßöffnungen 170 und 172 geöffnet. Wenn sich der Kolben nach oben bewegt und diese Öffnungen absperrt.(Druckhub), so strömt Brennstoff als Dampf aus der Auslaßöffnung des Einspritzrohrs 30 in den Verbrennungsraum des Zylinders und bildet ein homogenes Brennstoffdampf-Luftgemisch im Bereich des Funkens, welches entzündet wird und eine Flamme bildet, die sich durch den Zylinder zur Erzeugung des Leistungshubes fortpflanzt. Das weitere thermodynamische und physikalische Verhalten der Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung beim Zweitaktmotor ist im wesentlichen das gleiche, wie es oben in bezug auf den Viertaktmotor beschrieben wurde.

Die Anwendung der Erfindung auf einen Zweitaktmotor überwindet viele bekannte Nachteile desselben. Obwohl der Zweitaktmotor leichter ist, weniger Teile aufweist, geringere Kosten verursacht und ein hohes Leistungs-Gewichtsverhältnis aufweist, hat er einen schlechten spezifischen Brennstoffverbrauch und eine unvollständige Verbrennung, wodurch freie Kohlenwasserstoffe in den Abgasen erzeugt werden. Die vorliegende Erfindung ergibt einen niedrigen spezifischen Brennstoffverbrauch und

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eine vollständige Verbrennung, wodurch die Verunreinigungen in den Abgasen vermindert werden.

Bei dem schematisch in Fig. 9 dargestellten Rotationskolbenmotor handelt es sich wiederum um einen Motor, dessen Drehgeschwindigkeit im allgemeinen höher ist als diejenige eines Viertaktmotors, und zwar gewöhnlich etwa 20 % höher in U/min als bei dem Viertaktmotor. Der Läufer 174 ist in einem feststehenden Gehäuse 176 derart exzentrisch drehbar gelagert, daß die Scheitel des Läufers stets in Berührung mit der Innenfläche des Gehäuses stehen. Das Brennstoff-Luftgemisch tritt in das Gehäuse vom Vergaser 152 durch eine Öffnung 178 ein, die im wesentlichen diametral gegenüber der Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung angeordnet ist. Da in dieser Ansaugphase der Druck an der Einspritzeinrichtung etwa 1 - 3 at beträgt, arbeitet die Brennstoffpumpe mit veränderlichem Druck bei einem höheren Druck, um das Sperrventil zu zwingen, sich zu öffnen. Sodann geht der Läufer durch eine Druckphase, in der der Brennstoff in Dampfform aus der Öffnung des Rohrs 30 in den Verbrennungsraum austritt, wo er ein homogenes Dampfgemisch mit der Luft an der Zündeinrichtung bildet, welches sodann zur Erzeugung der Leistungsphase gezündet wird, und die Abgase treten aus einer geeigneten Öffnung 180 aus. Im Hinblick auf die hohe Drehzahl des Rotationskolbenmotors muß der Brennstoff im Rohr 30 schnell verdampft werden, in welchem Fall das Rohr mit einer geeigneten Einrichtung versehen wird, um seine Oberflächenberührung mit dem durchströmenden Brennstoff zu vergrößern, wie beispielsweise mit der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung oder durch Verwendung von hochtemperaturbeständigen porösen Metallen oder Keramikstoffen im Rohr u.dgl.

Die graphische Darstellung der Fig. 8 vergleicht den Brennstoffluß mit Belastung und Leistung eines Testmotors bei Verwendung einer unveränderten üblichen Zündkerze und Arbeitsweise und den gleichen Motor ausgestattet mit der erfindungsgemäßen

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kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung, wobei als Testmotor ein einzylindriger Viertaktmotor mit einem Hubraum von 213 ecm (13 cu. in.) verwendet wurde. Luft- Brennstoffgemische von 10,5:1 bis 22:1 wurden mit üblichen Zündkerzen verwendet, wobei das beste spezifische Brennstoffverbrauchsverhäl tnis des Testmotors bei etwa 16:1 lag.

Der mit den verschiedenen kombinierten Brennstoffdampf-Einspritzr und Zündeinrichtungen gemäß der Erfindung anstelle der üblichen Zündkerzen ausgestattete Testmotor wurde mit Luft-Brennstoff-Verhältnissen von 10:1 bis zu einem mageren Verhältnis von 45:1 betrieben. Bei 1000 U/min lief der Testmotor mit teilweise geschlossener bis vollständig geöffneter Drossel und Luft-Brennstoff-Verhältnissen von etwa 15:1 bis 45:1. Bei höheren Drehzahlen betrug das angewendete durchschnittliche Verhältnis etwa 18:1, was das beste spezifische Brennstoffverbrauchsverhältnis zu sein schien. Etwa 15% bis 30% Verbesserung gegenüber der bekannten Funkenzündung wurde mit der kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung bei gleichen U/min und gleicher Belastung erzielt. Beispielsweise ergab sich eine durchschnittliche Verbesserung von 29% bei einer Belastung von 30% (800 Watt). Das Ergebnis wird der schnellen Verteilung der erhitzten Brennstoffdämpfe durch den ganzen Verbrennungsraum 26 vor der Zündung und einer positiven Zündung bei jedem Zyklus zugeschrieben, wodurch eine zyklische Druckverteilung ausgeschlossen wird, die man ge-

wohnlich antrifft, wenn ein Motor mit mageren Luft-Brennstoffgemischen betrieben wird.

Die Zündung wurde zur Erzielung des besten Betriebes des Testmotors auf etwa 6 bis 12° vor dem oberen Totpunkt bei Verwendung der üblichen Zündkerze und auf 18 bis 32° vor dem oberen Totpunkt bei Verwendung der erfindungsgemäßen kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung vorgestellt, da das langsamere Verbrennen von mageren Luft-

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Brennstoffgemischen eine frühere Zeitsteuerung zur Erzielung eines maximalen mittleren effektiven Bremsdrucks (BMEP) erfordert.

Als Brennstoff wurde aufgebleites Kraftfahrzeugbenzin mit einer Oktanzahl von 90-93 verwendet. Bei einer Belastung von 30%, 3 000 U/min und einer Leistung von 800 Watt und Verwendung von üblichen Zündkerzen klopfte der mit einem Luft-Brennstoffverhältnis von 16:1 laufende Testmotor bei Zündvorstellung von 6° vor dem oberen Totpunkt und bei einem Luft-Brennstoffverhältnis von 14-15:1 klopfte er bei 10-12° vor dem oberen Totpunkt. Bei Verwendung der kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz-und Zündeinrichtung gemäß der Erfindung trat kein Klopfen bei Luft-Brennstoffverhältnissen von 20:1 oder magerer bis 32° Zündvorstellung vor dem oberen Totpunkt auf und in allen Fällen war der mit der erfindungsgemäßen kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz— und Zündeinrichtung ausgestattete Motor schwieriger zum Klopfen zu bringen als der mit üblichen Zündkerzen ausgestattete Motor.

Bei Verwendung von üblichen Zündkerzen betrug die durchschnittliche Konzentration von unverbrannten Kohlenwasserstoffverschmutzungen in den Abgasen etwa 400 Teile pro Million bei Luft-BrennstoffVerhältnissen von 13:1 und etwa 65 Teile pro Million bei Luft-BrennstoffVerhältnissen von 20:1 und die Kohlenmonoxid-Konzentration in den Abgasen betrug etwa 0,2% bei einem Luft-Brennstoffverhältnis von 20:1.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung hat sich herausgestellt, daß die Konzentration von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Abgasen etwa 100 Teile pro Million bei einem Luft-Brennstoffverhältnis von 20:1, 70 Teile pro Million bei einem Luft-Brennstoffverhältnis von 25:1 und die Konzentration von Kohlenmonoxid etwa 0,1 bis 0,3% bei allen Luft-Brennstoff-

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Verhältnissen betrug, die magerer waren,als das stöchiometrische Verhältnis (15:1).

Was die Konzentration von Stickstoffoxiden Ν0_χ in den Abgasen betrifft, so wurde dieselbe nicht direkt gemessen, aber es ist zu erwarten, daß die Abgase des Motors mit der erfindungsgemäßen kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung weniger NO_Y-Emissionen erzeugt, da derselbe mit einer magereren Füllung arbeitet, wobei die Abgastemperatur 56-111 C (100-200⁰F) niedriger ist als die Abgastemperatur bei einem stöchiometrischen Luft-Brennstoffgemisch. Dieser Temperaturabfall sollte die Bildung von Ν0_χ verhindern oder minimal machen.

Der im Viertakt-Testmotor verwendete Brennstoffdruck betrug 0,35-0,70 at (5-10 psi). Für einen Zweitakt- oder .Rotationskolbenmotor würde der erforderliche Brennstoffdruck etwa 10,55-14,06cfc( 150-200 psi) betragen und infolgedessen wird das Sperrventil in der erfindungsgemäßen Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung geöffnet, wenn der Zylinderdruck unterhalb 10,55 - 14,06 at (150-200 psi) abfällt.

Das beim Testmotor verwendete Brennstoffverdampferrohr 30 bestand aus rostfreiem Stahl mit hohem Nickelgehalt und besaß einen Außendurchmesser von 2,39 mm (0,094 inch), einen Innendurchmesser von 1,83 mm (0,072 inch) und eine. Länge* von 5,1 cm (2 inch). Rohre mit einem Einsatz 92 (Fig. 2> Vergrößerung der Innenfläche desselben wurden verwendet su* Rohre mit festen Einlaß- und Auslaßöffnungen unterschiedlicher Größe und einer veränderlichen Einlaßöffnung gemäß Fig. 5 sowie Rohre unterschiedlicher Dicken, um die Masse und somit die Wärmeaufnahme in denselben in Abhängigkeit von der gewünschten Strömung von flüssigem Brennstoff in das Rohr und die Strömungsgeschwindigkeit von verdampftem Brennstoff aus der Auslaßöffnung in bezug auf die Drehzahl des Motors und

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die Belastung desselben zu verändern. Beispielsweise erfordert ein Zylinder mit einem Hubraum von 492ccm (30 cu.in.) eines Viertaktmotors im Vergleich zu dem 2i3ccm (13 cu.in.)-Testmotor ein Rohr mit etwa 3,05 mm (0,120 inch) Außendurchmesser χ 2,34 mm (0,092 inch) Innendurchmesser χ 6,35 cm (2,5 inch) Länge und mit einer auf 15,75 mm (0,062 inch) verkleinerten Auslaßöffnung und zusätzlich einem inneren Wärmeaustauscherrohr 92 gemäß Fig. 2.

Beim Testmotor hat sich gezeigt, daß der für den Leerlauf erforderliche Brennstoff etwa 1,81 x 10~⁶ kg (4 χ 10"⁶)lbs.) Brennstoff je Leistungshub betrug. Dies ist eine kleine Menge, die etwa 7 Millisekunden braucht, um zu verdampfen in einem Einspritzrohr mit einem Außendurchmesser von 2,46 mm (Q,097 inch), einem Innendurchmesser von 1,88 mm (0,074 inch) und einer Länge von 5,1 cm (2 inch) und einem Temperaturgradienten entlang des Rohrs von etwa 121°C (250⁰F) am Eintritt oder an der Einlaßöffnung auf etwa 649⁰C (1 200⁰F) an der Auslaßöffnung. Durch die Verbrennungswärme im Zylinder und im Einspritzrohr wird das Einspritzrohr so erhitzt, daß der Brennstoff verdampft.

Die graphische Darstellung der Fig. 8 zeigt zusammenfassend die Versuchsergebnisse bei Verwendung des Testmotors mit einer üblichen normalen Zündkerze und mit der an die Stelle derselben gesetzten kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung. Die Kurve A zeigt die verwendete Brennstoffmenge bei verschiedenen Belastungen des Motors und Motordrehzahlen für den Motor mit normalen Zündkerzen. Die Kurve B zeigt die Gesamtmenge des verwendeten Brennstoffs, d.h. den Brennstoff aus dem Vergaser und von der Einspritzeinrichtung, in dem Motor, der mit der erfindungsgemäßen Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung bei verschiedenen Belastungen des Motors und Motordrehzahlen betrieben wurde. Die Kurve C zeigt die im Motor durch die Einspritz-Zündeinrichtung allein bei verschiedenen Belastungen des Motors und verschiedenen Motordrehzahlen verbrauchte

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Brennstoffmenge.

Man kann aus Fig. 8 entnehmen, daß bei Leerlauf (bis zu 1 500 U/min) der ganze vom Motor verbrauchte Brennstoff durch die Einspritzeinrichtung geht. Bei etwa 3 000 U/min und 800 Watt Leistung geht etwa 1/3 des Brennstoffs durch die Einspritzeinrichtung und etwa 2/3 durch den Vergaser. Der Motor ohne die kombinierte Brennstoffdampf-Einspritzzündeinrichtung, jedoch mit der normalen Zündkerze, konnte nicht unter etwa 1 800wU/min im Leerlauf betrieben werden. Mit der kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz-Zündeinrichtung wird ein zuverlässiger Leerlauf des Motors bei etwa 900-1 ü/min erzielt, was eine verbesserte Verbrennung bei niedrigen Drehzahlen anzeigt, und bei diesen niedrigen Drehzahlen ist das Luft-Brennstoffverhältnis ziemlich mager, d.h. etwa 45:1.

Bei Betrieb eines üblichen Verbrennungsmotors müssen sowohl die Luft als auch der Brennstoff erhitzt werden, um den Brennstoff zu verdampfen, da der Brennstoff im flüssigen Zustand nicht brennt. Versuche zum Vorerhitzen des aus dem Vergaser kommenden Luft-Brennstoffgemischs, um die Brennstofftröpfchen zu verdampfen, dehnen die Luft aus, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad des Motors verringert wird.

Bei Betrieb eines Verbrennungsmotors mit der erfindungsgemäßen kombinierten Einspriitz-Zündeinrichtung wird der Brennstoff im Einspritzrohr vor dem Eintritt in den Verbrennungsraum des Zylinders verdampft, während die durch die Ansaugleitung eintretende Luft kühl ist. Eine sehr zweckmäßige homogene Mischung von Brennstoff und Luft wird im Brennraum ohne Verminderung des volumetrischen Wirkungsgrades erzeugt. Frühere Versuche zur Anwendung einer geschichteten Füllung im Motor hatten im großen und ganzen das Ergebnis, ein heterogenes Gemisch von flüssigem Brennstoff und Luft zu erzeugen, das in der kurzen

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für die Verbrennung zur Verfugung stehenden Zeit nicht vollständig verbrennen kann.

Bei der vorliegenden Erfindung diffundiert der in den Zylinder vor der Zündung eintretende Brennstoff schnell durch die ganze Brennkammer. Der Brennstoff aus dem Einspritzrohr tritt in die Kammer als Dampf ein und vermischt sich mit der Luft am Elektrodenabstand im Zündzeitpunkt. Der fette Anteil des geschichteten Gemischs ist sehr klein und nur im Bereich des Elektrodenabstandes vorhanden. Die Zündung erfolgt gegen das Ende des Druckhubes, wodurch dort eine Flamme entsteht, die sich schnell durch die Brennkammer ausbreitet, um den Druckhub hervorzurufen. Das Ergebnis ist ein besserer Motorwirkungsgrad, die Möglichkeit der Verwendung von sehr mageren Luft-Brennstoffgemischen, eine vollständige Verbrennung und infolgedessen geringe Emission von Verunreinigungen, niedrige, mittlere und maximale Verbrennungstemperaturen, was der Bildung von Stickstoffoxiden entgegenwirkt, und eine zuverlässige Zündung.

Darüberhinaus können die verschiedenen Faktoren, welche diese günstige Betriebsweise mit eingespritztem Brennstoffdampf in zeitlicher Abstimmung mit und in der Nähe der Zündeinrichtung im Verbrennungsraum steuern, leicht geändert werden, indem die Masse des Einspritzrohrs 30, die Größen der Brennstoffeinlaßöffnung 50 oder 110, die Oberfläche des Einspritzrohrs 30 und die Anordnung des Flammenloschbereichs Q in bezug auf die Bauweise des Motors und die gewünschten Arbeitscharakteristi· ken geändert werden. Diese Faktoren tragen dazu bei, die in die Einspritzeinrichtung gehende Brennstoffmenge mit der im Rohr 30 zurückgehaltenen restlichen Wärmemenge auszugleichen, die zum Verdampfen des Brennstoffs erforderlich ist, so daß dieser im Zeitpunkt der Funkenzündung im Verbrennungsraum in einem gasförmigen Zustand vorhanden ist, d.h., wenn der Druck im Verbrennungsraum beim Druckhub ansteigt.

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Wie oben erwähnt, ist die vorliegende Erfindung besonders nützlich beim Ausgleich der Leistungsabgabe von Verbrennungsmotoren mit mehreren Zylindern. Wenn daher jeder Zylinder mit der erfindungsgemäßen kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung versehen und die Brennstoffströmung in jedes Einspritzrohr verändert wird, wird die jedem Zylinder zugeführte Brennstoffmenge individuell derart gesteuert, daß jede fehlende Gleichförmigkeit des Gemische, des Verhältnisses oder der Menge des Luft-Brennstoffgemischs zwischen den Zylindern ausgeglichen wird.

Die Erfindung ist ferner anwendbar auf Brennstoffe, welche dem Einspritzrohr bereits in gasförmigem Zustand zugeführt werden, beispielsweise Wasserstoff, Methan, Propan u.dgl.. In diesem Fall bewirkt das Einspritzrohr nicht eine Verdampfung des Brennstoffs, sondern eine Erhitzung und Ausdehnung des in dasselbe zugeführten gasförmigen Brennstoffs und die erhitzten ausgedehnten Brennstoffgase strömen in die Brennkammer durch die Auslaßöffnung, um sich mit der darin enthaltenen Luft zu vermischen und in der oben beschriebenen Weise entzündet und verbrannt zu werden. Der Testmotor zeigte unter Anwendung der vorliegenden Erfindung sowie Propan eine sehr glatte und empfindliche Betriebsweise durch alle Drehzahlbereiche.

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Claims

Patentansprüche

I./Kombinierte Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Isolierkörper, einem elektrisch leitenden Organ zur Befestigung des Isolierkörpers an einer eine Kammer des Verbrennungsmotors bildenden Wand, einer ersten Elektrode, die sich in die Kammer erstreckt, und einer zweiten Elektrode, die sich durch den Isolierkörper und in die Kammer erstreckt und mit einem Ende nahe der ers Elektrode endet, so daß dazwischen ein Elektrodenabstand gebildet ist, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Elektrode (30) ein : elektrisch leitendes Verdamp rohr mit einer Brennstof f dampf-Auslaßöffnung (52, 78, 102) u·.-dem genannten Ende des Rohrs ist, eine Brennstoffeinlaßöffnung (50, 108) nahe dem anderen Ende des Rohrs angeordnet ist, eine Leitung (74, 130) für die Zuführung von Brennstoff zu dem Rohr durch die Einlaßöffnung vorgesehen ist und daß ein Sperrventil (60, 138) zwischen die Einlaßöffnung und die Brennstoffzuleitung eingeschaltet ist, wobei das Sperrventil nur in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Druckabfall in der Brennkammer öffnet, so daß Brennstoff in die Einlaßöffnung einströmen kann, und wobei das Verdampferrohr durch die Verbrennung in der Kammer und im Rohr erhitzt wird, so daß der erhitzte Brennstoff aus dem Rohr als Dampf herausgedrückt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein einstellbares Ventil (114) zur Veränderung der Größe der Brennstoffeinlaßöffnung.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das einstellbare Ventil ein Nadelventil (114) ist, welches am Isolierkörper (10) befestigt ist und sich veränderlich quer über die Einlaßöffnung (110) erstreckt.

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4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffeinlaßöffnung eine Scheibe (48) ist, die auf dem anderen Ende des Verdampferrohrs aufliegt und eine Öffnung (50) bestimmter Größe aufweist, die mit dem Rohr in Verbindung steht.
5· Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine Venturiabschirmung (86) ist, welche die Brennstoffdampf-Auslaßöffnung (78) umgibt, wobei die Abschirmung um den Umfang verteilte Öffnungen (88) enthält, um die Luft durch dieselben zu saugen und die Vermischung von Brennstoffdampf und Luft in der Abschirmung zu vergrößern, die als Elektrodenabstandsbereich dient.
6· Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode eine Abschirmung (86) ist, die zur Steuerung des Wärmebereichs im Einspritzrohr (30) und zur Einschließung des auftretenden Brennstoffdampfs in derselben dient, um das Verhältnis von Brennstoffdampf zu Luft innerhalb der Abschirmung zu erhöhen, die als Elektrodenabstandsbereich dient.
7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Organ (92) zur Steuerung des Wärmeaufnahmevermögens des Rohrs £30) zur Veränderung der Geschwindigkeit der Brennstoffverdampfung in demselben.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Organ (92) ein wärmeleitendes Organ ist, welches in das Rohr eingesetzt ist und eine vergrößerte innere Oberfläche desselben sowie einen gewundenen Weg für die Brennstoffströmung durch dasselbe von der Einlaß- zur Auslaßöffnung bildet.

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9· Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Organ (98) zur Veränderung der Lage der Flammenlöschzone entlang der Längserstreckung des Rohres zur Veränderung der Geschwindigkeit der darin stattfindenden Brennstoffverdampfung .
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Organ (98) eine Einschnürung darstellt, welche die Bohrung des Rohrs selektiv an einer vorbestimmten Stelle entlang der Längserstreckung desselben verengt.
11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein Viertaktmotor mit einem in der Kammer (26) hin- und herbewegbaren Kolben, Einlaßt und Auslaßventilen (158, 160) und einer Zuführung von Luft oder einem Brennstoff-Luftgemisch durch das Einlaßventil ist, wobei das Sperrventil (60, 138) in Abhängigkeit von einem Druckabfall in der Kammer öffnet, so daß Brennstoff in die Einlaßöffnung (50, 104) während des Ansaughubes des Motors einströmen kann, die Luft oder das Brennstoff-Luftgemisch in die Kammer in diesem Zeitpunkt eingesaugt wird, das Sperrventil (60, 138) schließt, wenn der Druck im Zylinder auf einen Wert oberhalb desjenigen des in die Einlaßöffnung einströmenden Brennstoffs steigt und wobei der Funke am Elektrodenabstand in zeitlicher Abstimmung mit dem in den Elektrodenabstandsbereich aus der Auslaßöffnung (52, 78, 102) eintretenden Brennstoffdampf erzeugt wird, so daß sich der Brennstoffdampf mit der dort befindlichen Luft vermischt und ein leicht brennbares Gemisch von Brennstoffdampf und Luft am Elektrodenabstand zur Auslösung des Leistungshubes erzeugt.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein Zweitaktmotor mit einem in der Kammer hin- und herbewegbaren Kolben und Lufteinlaß- und Auslaßöffnungen (170, 172) ist, wobei das Sperrventil (60, 138)

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in Abhängigkeit von einem Druckabfall in der Kammer öffnet, so daß Brennstoff in die Einlaßöffnung (50, 108) einströmen kann, wenn der Kolben fällt und die Luft- und Auslaßöffnungen freigibt, das Sperrventil schließt, wenn sich der Kolben nach oben bewegt und der Druck in der Kammer während des Druckhubes steigt und wobei der Funke am Elektrodenabstand in zeitlicher Abstimmung mit dem Eintreten des Brennstoffdampfes in den Elektrodenabstandsbereich aus der Auslaßöffnung (52, 78, 102) erzeugt wird, so daß sich der Brennstoffdampf mit der dort befindlichen Luft vermischt und ein entzündliches Gemisch von Brennstoffdampf und Luft und dadurch eine Flamme erzeugt wird, die sich durch den ganzen Zylinder zur Auslösung des Leistungshubes fortpflanzt.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor ein Rotationskolbenmotor mit einem die Brennkammer bildenden feststehenden Gehäuse (176), einem Läufer (174) mit im wesentlichen dreieckigem Querschnitt, der exzentrisch drehbar in demselben gelagert ist, einer Brennstoff-Lufteinlaßöffnung (178) und einer Auslaßöffnung ist, wobei die kombinierte Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung an dem Gehäuse befestigt ist, das Sperrventil (60, 138) während der Druckphase des Motorbetriebs öffnet, so daß Brennstoff in die Einlaßöffnung des Rohrs eintreten kann, das Sperrventil vor dem Ende der Druckphase schließt und wobei der Funke am Elektrodenabstand gegen Ende dieser Druckphase in zeitlicher Abstimmung mit dem Eintreten des Brennstoffdampfes in den Elektrodenabstandsbereich aus der Auslaßöffnung (52,78,102) erzeugt wird, so daß sich der Brennstoffdampf mit der dort befindlichen Luft vermischt und ein brennbares Gemisch von Brennstoffdampf und Luft zur Auslösung der Leistungsphase erzeugt wird.

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14. Einrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsmotor mehrere Brennkammern aufweist und eine kombinierte Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung für jede Brennkammer vorgesehen ist.
15. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff ein flüssiger Brennstoff ist.
16. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors unter Anwendung der kombinierten Brennstoffdampf-Einspritz- und Zündeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Brennstoff in das Einlaßende des Rohrs nahe dessen anderem Ende bei einer Temperatur eingeleitet wird, die geringer ist als die in der Brennkammer erzeugte, daß man den Brennstoff nur dann in das Rohr strömen läßt, wenn der Druck in der Brennkammer geringer ist als derjenige des Brennstoffs, und bis der Druck in der Kammer denjenigen der Brennstoffzuführung im Rohr übersteigt, daß daselbe abgesperrt wird, daß der Brennstoff in dem Rohr eine ausreichende Zeit zurückgehalten wird, um der im Rohr gespeicherten Wärme, die aus der Verbrennungswärme in der Brennkammer und im Rohr aufgenommen wurde, zu ermöglichen, sich auf den Brennstoff zu übertragen, so daß dieser sich im Rohr ausdehnt und als Dampf in die Luft oder ein Luft-Brennstoffgemisch enthaltende Brennkammer gedrückt wird, und daß das Brennstoffdampf-Luftgemisch am Auslaßende.des Rohrs zur Erzeugung des Leistungshubes entzündet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenvolumen der rohrförmigen Elektrode so ausgewählt wird, daß die Wärmeaufnahmefähigkeit desselben festgelegt wird, um dadurch die Zeit zu bestimmen, welche der flüssige Brennstoff darin braucht, sich in den dampfförmigen Zustand umzuwandeln.

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18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der rohrförmigen Elektrode so ausgewählt wird, daß die Wärmeaufnahmefähigkeit desselben festgelegt wird, um dadurch die Zeit zu bestimmen, die der Brennstoff darin braucht, um sich in den dampfförmigen Zustand umzuwandeln.
19. Verfahren nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Oberfläche der rohrförmigen Elektrode so ausgewählt wird, daß die Zeit bestimmt wird, die zurVVerdampfung des darin enthaltenen Brennstoffs erforderlich ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs in der rohrförmigen Elektrode verändert wird, um die Brennstoffmenge zu steuern, die als Dampf in den Elektrodenabstand austritt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der rohrförmigen Elektrode an ausgewählten Stellen entlang seiner Längserstreckung eingeschnürt wird, um Lösdnzonen zu bilden und dadurch die Wärme ausreichend zu steuern, damit der Brennstoff als Dampf in die Brennkammer austreten kann.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein mageres Luft-Brennstoffgemisch in die Brennkammer mit einem Verhältnis eingeleitet wird, das 15:1 Gewichtsteile Luft zu Beenηstoff übersteigt.

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