DE2604050A1

DE2604050A1 - Speisungssystem fuer brennkraftmaschinen, denen ein kraftstoff-luftgemisch und wasserdampf zugefuehrt wird

Info

Publication number: DE2604050A1
Application number: DE2604050A
Authority: DE
Inventors: Werner Lohberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-02-03
Filing date: 1976-02-03
Publication date: 1977-08-04
Also published as: JPS567511B2; DE2604050C3; IT1085311B; ES455607A1; US4119063A; DE2604050B2; JPS5294916A

Description

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Fürstenweg

4790 Paderborn 3.Februar 197*

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Speisungssystem für Brennkraftmaschinen, denen ein Kraftstoff-Luftgemisch und Wasserdampf zugeführt wird

Es ist bereits bekannt, der Brennkammer einer Brennkraftmaschine außer einem Kraftstoff-Luftgemisch auch Wasserdampf zuzuführen, um dadurch die abgegebene Leistung zu erhöhen und/oder einen wirtschaftlicheren Kraftstoffverbrauch, verbunden mit einer Verringerung luftverschmutzendi·.■>Anteile in den Abgasen, zu erzielen. Zur Erzeugung des Wasserdampfes kann dabei die Wärme der Abgase genutzt werden.

Ein grundsätzliches Problem bei Systemen dieser Art besteht in der genauen Dosierung der Wasserdampfmenge, die der Brennkraftmaschine abhängig von deren jeweiligem Betriebszustand zuzuführen ist. Man kann den Wasserdampf z.B. in die Speiseleitung der Brennkraftmaschine hinter dem Vergaser bzw. der Einspritzpumpe einführen und zu seinem Transport den beim Ansaughub des Kolbens auftretenden Unterdruck ausnutzen. Dieses Prinzip hat den Vorteil, daß es bis zu einem gewissen Grade eine selbsttätige Dimensionierung der jeweils zugeführten Wasserdampfmenge zuläßt, da der Unterdruck die Menge des durch ihn angesaugten Wasserdampfes bestimmt.

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Bei Brennkraftmaschinen, die in Fahrzeugen als Antrieb eingesetzt sind, erfolgt eine häufige Änderung der Betriebs-zustände infolge wechselnder Belastung. Bekanntlich ist im Hinblick auf diese besonderen Betriebsbedingungen relativ hoher Aufwand zur Steuerung der Speisung derartiger Brennkraftmaschinen unerläßlich, um für jeden möglichen Betriebszustand die Speisung mit einem optimalen Kraftstoff-Luftgemisch zu gewährleisten.

Wird nun noch zusätzlich Wasserdampf in die Speisung der Brennkraftmaschine einbezogen, so wird unmittelbar ersichtlich, daß an die Dosierung des Wasserdampfes entsprechend hohe Anforderungen zu stellen sind, um Betriebsstörungen zu vermeiden. Da mechanische Dosierungselemente, insbesondere Ventile, im Hinblick auf die hohe Temperatur des Wasserdampfes, die in der Größenordnung von 400 bis 500° C liegt, aus kostspieligen Werkstoffen mit hoher Präzision gefertigt sein müssen und andererseits die Steuerung eines Dampfes selbst ohnehin schwieriger als die einer Flüssigkeit ist, wird die Dosierung zweckmäßig durch mechanische Einstellelemente vorgenommen,die in der das Wasser zuführenden Leitung angeordnet sind.

Es hat sich aber gezeigt, daß auch dieser Weg nicht zu der gewünschten Präzision der Einspeisung des Wasserdampfes führt, denn die Wasserzuführungsleitung ist an einen Wärmetauscher angeschlossen und wird durch diesen auf relativ hohe Temperatur erwärmt. Außerdem tritt ein Wärmerückfluß innerhalb des dem Wärmetauscher zugeführten Wassers auf, der je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine und damit verbundener Zuführungsgeschwindigkeit des Wassers zu ziemlich hohen Temperaturen an den Einstellelementen führt und deren Arbeitsweise trotz ihrer Anordnung in der Wasserleitung beeinträchtigt. Dies ist ein Grund dafür, daß die Einspeisung von Wasserdampf in Brenn-

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kraftmaschinen bisher keine weitläufige Anwendung gefunden hat.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Verhältnisse dahingehend zu verbessern, daß mit relativ geringem Aufwand eine nicht durch Erwärmung beeinträchtigte genaue Dosierung von Wasserdampf bei dessen Einspeisung in Brennkraftmaschinen gewährleistet ist.

Für ein Speisungssystem für Brennkraftmaschinen, denen ein Kraftstoff-Luftgemisch und von einem von den Abgasen beaufschlagtfη Wärmetauscher erzeugter Wasserdampf zugeführt wird, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der das Wasser zuführenden Leitung dem Wärmetauscher eine Wasserkammer unmittelbar vorgeordnet ist, deren Eintritt und Austritt mit durch den Ansaugunterdruck der Brennkraftmaschine selbsttätig zu öffnenden V_entilen versehen sind, und daß die Öffnung des Austrittsventils größer und/oder zeitlich länger als die öffnung des Eintrittsventils bemessen ist.

Durch die Erfindung wird eine zuverlässig arbeitende Wärmesperre geschaffen, denn es ist festzustellen, daß bei ihrem Einsatz vor dem Wärmetauscher die mit dem Wasservorrat verbundene Leitung völlig kalt bleibt, so daß in dieser die erforderlichen Einstellelemente vorgesehen sein können, ohne daß deren Beeinträchtigung durch zu hohe Temperaturen zu befürchten ist. Zusätzlich wird dabei der Vorteil geringerer Wärmeverluste erzielt, so daß die gewonnene Wärme eine Erhöhung der Temperatur des im Wärmetauscher erzeugten Dampfes bewirkt und dadurch eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine möglich ist. Die Erfindung macht somit eine Anwendung des Prinzips der Einspeisung von Wasserdampf in Brennkraftmaschinen derart möglich, daß nunmehr auch der weitläufige Einsatz insbesondere im Kraftfahrzeugwesen bei relativ geringem Aufwand denkbar ist.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Speisungssystems für eine Brennkraftmaschine, der außer einem Kraftstoff-Luftgemisch auch Wasserdampf zugeführt wird, und

Fig. 2 den Querschnitt einer bei dem System nach Fig. 1 verwendeten und nach der Erfindung ausgebildeten Wasserkammer.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 dargestellt, die an ihrer Abtriebswelle 11 ein Drehmoment erzeugt und somit zum Antrieb beispielsweise eines Kraftfahrzeugs benutzt werden kann. Diese Brennkraftmaschine 10 wird aus einem Behälter 12 mit Kraftstoff gespeist, der über eine Leitung 13 einem Vergaser bzw. einer Einspritzvorrichtung zugeführt wird. Dem Vergaser 14 wird über eine Leitung ferner Luft zugeführt, die im Vergaser 14 mit dem Kraftstoff vermischt wird, so daß über eine Leitung 16 das Kraftstoff -Luftgemisch der Brennkraftmaschine 10 zugeführt werden kann. Es ist eine weitere Speiseleitung 17 vorgesehen, über die der Brennkraftmaschine 10 Wasserdampf zugeführt wird. Dieser Wasserdampf wird in einem Wärmetauscher 18 erzeugt, der durch die Abgase der Brennkraftmaschine 10 betrieben wird. Diese Abgase werden dem Wärmetauscher 18 über eine Abgasleitung 19 zugeführt und verlassen ihn über eine weitere Abgasleitung 20. Dem Wärmetauscher 18 wird ferner über eine Eingangsleitung 21 Wasser zugeführt, das einer Wasserkammer 22 entnommen wird. Dieser Wasserkammer 22 wird das Wasser aus einem Wasserbehälter 23 über eine Leitung 24 zugeführt, die teilweise gestrichelt dargestellt ist, um anzudeuten, daß in diese Leitung 24 Einstellelemente eingeschaltet sein können, mit denen eine Dosierung der dem Wärmetauscher zugeführten Wassermenge möglich ist.

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Die in Fig. 1 gezeigte Wasserkammer 22 ist dem Wärmetauscher 18 direkt vorgeordnet und verhindert einen Rückfluß der im Wärmetauscher 18 auf das Wasser übertragenen Wärme in die Leitung 24 bzw. zum Wasserbehälter 23. Dadurch werden Betriebsstörungen der im gestrichelten Teil der Leitung 24 angeordneten Einstellelemente vermieden, denn die Leitung 24 bleibt hinter der Wasserkammer 22 praktisch auf Umgebungstemperatur, da die Wasserkammer 22 als Wärmesperre wirkt. Es wird dadurch im Wärmetauscher 18 entsprechend mehr Wärme zur Verdampfung des ihm zugeführten Wassers verfügbar, so daß der •der Brennkraftmaschine 10 zugeführte Wasserdampf höher gespannt ist und in der Brennkraftmaschine 10 eine weitere Leistungserhöhung bewirkt.

Fig. 2 zeigt den Querschnitt der nach der Erfindung ausgebildeten Vfasserkammer. Sie besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 30, das z.B. kreisrund ausgeführt sein kann und den dargestellten rechteckförmigen Querschnitt besitzt. Dieses Gehäuse 30 hat zwei Anschlüsse 31 und 32, der Anschluß 31 dient zur Verbindung mit einer Zuführungsleitung, der Anschluß 32 dient zur Verbindung mit einer Abführungsleitung. Der Anschluß 31 ist dem Eintritt zugeordnet, der durch eine Ventilanordnung 33 gebildet ist. Der Anschluß 32 ist dem Austritt zugeordnet, der durch eine Ventilanordnung 34 gebildet ist.

Beide Ventilanordnun{p33 und 34 bestehen im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse mit seitlichen Durchströmkanälen 35 bzw. 36. Im jeweiligen Ventilgehäuse ist ein Ventilteller 37 bzw. 38 angeordnet, der an einem durch eine Gehäusekante gebildeten Ventilsitz anliegt und durch eine an dem jeweiligen Ventilgehäuse abgestützte Druckfeder 39 bzw. 40 gegen den Ventilsitz gedrückt wird. Die Austrittsventilanordnung 34 ist von einem zusätzlichen Gehäuse 41 umgeben, in das das durch die Durchströmkanäle 36 hindurchströmende Wasser bei Ventil-

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öffnung eintritt und von dem aus es dann über den Anschluß 32 abgeführt werden kann.

Der Anschluß 32 ist über die in Fig. 1 gezeigte Leitung 21 mit dem Wärmetauscher 18 verbunden, während der Anschluß 31 mit der Leitung 24 bzw. mit Einstellelementen verbunden ist, die eine Dosierung des zugeführten Wassers bewirken. Wenn beim Ansaughub der Brennkraftmaschine 10 (Fig. 1) ein Unterdruck im Speiseleitungssystem erzeugt wird, so wirkt dieser Unterdruck innerhalb des in Fig. 1 dargestellten Systems über den Wärmetauscher 18 und die Leitung 21 auf die Austrittsventilanordnung 34 ein, wodurch der Ventilteller 38 von seinem Ventilsitz abgehoben wird und das in dem Gehäuse 30 vorhandene Wasser am Ventilteller 38 vorbei durch die Durchströmkanäle 36 hindurch in das zusätzliche Gehäuse 41 gelangen kann und über den Anschluß 32 bzw. die Leitung 21 (Fig. 1) dem Wärmetauscher 18 zugeführt wird. Der Unterdruck wirkt dabei ferner innerhalb des Gehäuses 30 auch auf die Eintrittsventilanordnung 33 ein, so daß deren Ventilteller 37 von seinem Ventilsitz abgehoben wird und neues Wasser in das Gehäuse 30 eingeführt werden kann.

Bei kontinuierlichem Lauf der Brennkraftmaschine treten Vorgänge der vorstehend beschriebenen Art periodisch auf, so daß die beiden Ventilanordnungen 33 und 34 nach Art von Flatterventilen arbeiten. Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß der Ventilteller 38 der Austrittsventilanordnung 34 einen größeren Durchmesser als der Ventilteller 37 der Eintrittsventilanordnung 33 hat. Diese Bemessung ist gemäß der Erfindung vorgesehen, um die angestrebte Funktion der Wasserkammer 22 als eine'Wärmesperre zu verwirklichen. Zusätzlich können die Ventilfedern 39 und 40 auch unterschiedlich stark bemessen sein, um mit ihnen den Effekt der unterschiedlich großen öffnungen zu unterstützen. So kann beispielsweise die

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Ventilfeder 40 schwächer sein als die Ventilfeder 39, so daß bei vorgegebenem Unterdruck unterschiedlich lange Öffnungszeiten der beiden Ventilanordnungen 33 und 34 entstehen und die Ventilanordnung 34 langer geöffnet ist als die Ventilanordnung 33. Die beiden Ventilanordnungen 33 und 34 können auch übereinstimmend große Ventilteller 37 und 38 aufweisen, dabe£ bewirken dann allein unterschiedlich starke Ventilfedern 39 und 40 die zeitlich längere Öffnung der Ventilanordnung 34.

Eine mögliche Erklärung der Funktion der Wasserkammer 22 als eine Wärmesperre wird darin gesehen, daß durch die unterschiedliche Bemessung der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung des Gehäuses 30 bei kontinuierlichem Betrieb der Brennkraftmaschine 10 im Gehäuse 30 ein Unterdruck entsteht, der das dem Gehäuse 30 zugeführte V/asser bei vergleichsweise niedriger Temperatur zumindest teilweise verdampfen läßt. Dadurch entsteht am Gehäuse 30 ein Temperaturabfall bzw. ein Kühleffekt, durch den verhindert wird, daß Wärme über den Anschluß 31 zur Leitung 24 (Fig. 1) übergeht.

Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel einer Wasserkammer kann auch anders verwirklicht werden, beispielsweise können der Eintritt und der Austritt auch an einander gegenüberliegenden Wandungen vorgesehen sein. Die Anordnung in einer gemeinsamen Wandung hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, hiermit wurde ein sehr guter Kühleffekt erzielt. Dies wird darauf zurückgeführt, daß der im Gehäuse 30 entstehende Wasserdampf bei der in Fig. 2 dargestellten horizontalen Anordnung über dem im Gehäuse 30 vorhandenen Wasserspiegel mit einer sehr großen Gehäusefläche in Berührung kommt.

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Die Dimensionierung der beiden Ventilanordnungen hinsichtlich ihres Größenunterschiedes und/oder der Kraft ihrer Ventilfedern hängt von den jeweiligen Konstruktions- und Leistungsdaten der zugeordneten Brennkraftmaschine ab. Es ist hierbei ferner zu berücksichtigen, daß die beschriebene Arbeitsweise der Ventilanordnungen in der Art von Flatterventilen, die durch den Ansaugunterdruck der Brennkraftmaschine betätigt werden, zu einer selbsttätigen Steuerung der Wasserdampfdimensionierung abhängig vom jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine führt. Die eingangs aufgestellte Forderung nach einem möglichst wirtschaftlichen Betrieb der Brennkraftmaschine wird dann erfüllt, wenn in Zuständen großer Belastung, beispielsweise beim Beschleunigen, die mit dem zugeführten Kraftstoff erzielbare größtmögliche Leistung abgegeben wird und in Zuständen geringer Belastung, beispielsweise im Reisezustand, der Kraftstoffverbrauch durch zusätzliche Ausnutzung des Effektes des eingespritzten Wasserdampfs herabgesetzt wird. Dadurch, daß die beiden Ventilanordnungen durch den Ansaugunterdruck der Brennkraftmaschine betätigt werden, wird diese Forderung bei entsprechender Dimensionierung der Ventilanordnungen selbsttätig erfüllt, denn im Zustand der Beschleunigung herrscht infolge einer großen angesaugten Kraftstoffmenge ein geringer Unterdruck im Speiseleitungssystem, so daß auch nur wenig Wasserdampf in die Brennkraftmaschine eingeführt wird. Die Ventilanordnungen können so dimensioniert sein, daß in diesem Zustand fiborhnupt kr-in Wnnnornnwpf ο)ηιη 1 ^{</ ? *. Wird. Im Reisebetrieb herrscht hingegen bei vergleichsweise geringer angesaugter Kraftstoffmenge ein höherer Unterdruck im Speiseleitungssystem, so daß dann mehr Wasserdampf angesaugt wird und leistungserhöhend zur Wirkung kommt. Dies führt dazu, daß der Kraftstoffverbrauch in einem Betriebszustand, in dem ohnehin nicht die mit dem Kraftstoff erzielbare maximale Leistung erbracht werden muß, herabgesetzt wird.

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Claims

Patentansprüche

M.!Speisungssystem für Brennkraftmaschinen, denen ein Kraftstoff-Luftgemisch und von einem von den Abgasen beaufschlagten Wärmetauscher erzeugter Wasserdampf zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der das Wasser zuführenden Leitung (21, 24) dem Wärmetauscher (18) eine Wasserkammer (22) unmittelbar vorgeordnet ist, deren Eintritt und Austritt mit durch den Ansaugunterdruck der Brennkraftmaschine (10) selbsttätig zu öffnenden Ventilen (33, 34) versehen sind und daß die Öffnung des Austrittsventils (34) größer und/oder zeitlich langer als die öffnung des Eintrittsventils (33) bemessen ist.
2. Speisungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsventil (33) und das Austrittsventil (34) unterschiedlich große Öffnungen und übereinstimmende Rückstellfedern (39, 40) aufweisen.
3. Speisungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittsventil (33) und das Austrittsventil (34) gleich große Öffnungen und unterschiedlich starke Rückstellfedern (39, 40) aufweisen.
4. Speisungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserkammer (22) eine gemeinsame Wand für Eintritt und Austritt aufweist.
5. Speisungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen bzw. die Öffnungszeiten der beiden Ventile (33, 34) so bemessen sind, daß in Zuständen hoher Belastung und damit verbundener starker Kraftstoff-Luftzuführung bzw. geringem Ansaugunterdruck eine wesentlich geringere Wasserdampfmenge als in Zuständen geringer Belastung und damit ver-

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bundener schwacher Kraftstoff-Luftzuführung bzw. hohem Ansaugunterdruck zuführbar ist.
6. Speisungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (33, 34) so bemessen sind, daß bei Abfall des Ansaugunterdrucks unter einen vorbestimmten Wert keine Zuführung von Wasserdampf erfolgt.

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