DE2706892A1

DE2706892A1 - Vergaser fuer eine brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2706892A1
Application number: DE19772706892
Authority: DE
Inventors: Douglas R Hamburg
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1976-02-23
Filing date: 1977-02-17
Publication date: 1977-08-25
Also published as: AU511072B2; FR2341748B1; GB1568845A; AU2205977A; US4094291A; FR2341748A1; ES456130A1; DE2706892C2; CA1060735A; JPS52102936A

Description

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Anwaltsakte: GFK-2739 FORD-WERKE AKTIENGESELLSCHAFT, OTTOPLATZ 2, 5 KÖLN-DEUTZ Vergaser für eine Brennkraftmaschine

Bei den Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen wird für die Vermischung der Verbrennungsluft mit dem bei Umgebungstemperaturen flüssigen Kraftstoff meistens ein Vergaser eingesetzt, der an einer Stelle stromaufwärts von der Drosselklappe in den AnsaugkrUmmer der Maschine eingebaut ist. Für die Zuleitung des Kraftstoffes werden dabei meistens mechanische oder elektromechanische Dosiereinrichtungen eingesetzt, die häufig den Kraftstoff auch unmittelbar in die Verbrennungskammern der Maschine eintragen oder zumindest in deren unmittelbare Nähe, wobei diese gesamte Technologie in der neueren Entwicklung hauptsächlich nach dem Gesichtspunkt geprüft wird, in welchem Ausmaß die bei der

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Verbrennung anfallenden Schadstoffe auf ein optimales Minimum reduziert werden können.

Bei den herkömmlichen Kraftstoffen, also hauptsächlich Benzin, gehören zu diesen Schadstoffen In erster Linie das Kohlenstoffmonoxld sowie die Kohlenwasserstoffe und die Stickstoffoxide. Nach der neueren Technologie wird versucht, diese Schadstoffe mittels den Auspuffgasen ausgesetzten Katalysatoren zu reduzieren, was aber verhältnismäßig teuere Einrichtungen erfordert und außerdem voraussetzt, daß die Auspuffgase eine bestimmte chemische Zusammensetzung aufweisen, die sich dabei noch innerhalb sehr enger Grenzen halten muß.

Auch in Übereinstimmung mit den Erkenntnissen neuester Versuche auf diesem Gebiet scheint heute allgemein festzustehen, daß die Ursache für den Anfall solcher Schadstoffe bei allen herkömmlichen Kraftstoff-Zuführanlagen zu einem großen Teil in einer ungleichmäßigen Verteilung des Kraftstoffes innerhalb des Ansaugkrümmers der Maschine zu suchen ist, und zwar selbst bei den Systemen, wo der Kraftstoff in der unmittelbaren Nähe der Einlaßventile zu den Verbrennungskammern zugeführt wird. Durch dieses "Nässen¹¹ des Ansaugkrümmers werden von Zylinder zu Zylinder wechselnde Mischungsverhältnisse der Verbrennungsluft mit dem Kraftstoff erhalten, was selbstverständlich entsprechend wechselnde Verbrennungsabläufe auslöst und damit eine ständige Änderung der chemischen Zusammensetzung der Auspuffgase, so daß alle Maßnahmen zum Abbau der darin enthaltenen Schadstoffe zwangsläufig darauf hinauslaufen, daß nur mittlere Voraussetzungen hinreichend berücksichtigt werden, alle Extreme hingegen teilweise weit von einer optimalen Lösung entfernt bleiben.

Bekannt ist, daß diese Problematik hinsichtlich der Schadstoffe in den Auspuffgasen bei den flüssigen Kraftstoffen weniger stark vorherrscht, wenn deren Vermischung mit der Verbrennungsluft in Dampfform geschieht. Hierbei muß aber berücksichtigt werden, daß das herkömmliche Benzin bei etwa

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218° C vollständig verdampft, es aber gleichzeitig Anteile enthält, die bereits bei niedrigeren Temperaturen verdampfen, so daß verschiedene Dampftemperaturen auftreten, die es zweckmäßig erscheinen lassen, den in Dampfform zugeleiteten flüssigen Kraftstoff auf der vorerwähnten Maximaltemperatur von etwa 218° C bis kurz vor der Vermischung mit der Verbrennungsluft zu halten bzw. bis kurz vor dem Einlaß in die einzelnen Verbrennungskammern der Maschine. Bei den bis Jetzt vorliegenden Vorschlägen ist indessen allgemein nachteilig, daß Teilmengen der Dämpfe eine vorzeitige Kondensation erfahren, hauptsächlich durch eine Berührung mit verhältnismäßig kalten Wandflächen entlang ihres Strömungsweges, so daß es damit nicht möglich ist, ein gewünschtes Mischungsverhältnis exakt zu steuern. Für eine solche exakte Steuerungsmöglichkeit ist dabei auch noch nachteilig, daß der Taupunkt der unvermischten Dämpfe gewöhnlich doch wesentlich höher liegt als der Taupunkt des Gemisches der Dämpfe und der Verbrennungsluft, so daß für diese Steuerung eines gewünschten Mischungsverhältnisses auch der bei den bis Jetzt vorliegenden Vorschlägen nicht eindeutig fixierte Ort zu berücksichtigen ist, an welchem diese Mischung einsetzt bzw. hauptsächlich stattfindet.

Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, einen Vergaser bzw. allgemein eine Mischeinrichtung für Verbrennungsluft mit Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, bei dem eine Kondensatbildung des in Dampfform zugeleiteten Kraftstoffes bis zur Einleitung des Gemisches in die einzelnen Verbrennungskammern der Maschine weitgehend bis völlig verhindert wird und somit eine optimale Steuerung eines gewünschten Mischungsverhältnisses mit dem Ziel möglich ist, den Anteil von Schadstoffen in den Auspuffgasen der Maschine auf ein optimales Minimum zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen, die durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 auegewiesen sind.

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Durch das Vorsehen einer solchen Wirbeleinrichtung wird einmal erreicht, daß der aus der Düse austretende Dampf mit einem Luftmantel umhüllt und damit gegen die umgebenden Wandflächen des Lufttrichters abgeschirmt wird, so daß jede Berlihrungsmöglichkeit des Dampfes mit diesen regelmäßig kälteren Wandflächen verhindert wird und damit auch jede Kondensatbildung. Andererseits bewirkt die Wirbeleinrichtung, daß die Über die Engstelle angesaugte Verbrennungsluft eine Verwirbelung erhält, so daß ein Wirbelkern gebildet wird, welcher den aus der Düse austretenden Dampf mit durch die axiale Durchtrittsöffnung der Wirbeleinrichtung hindurchträgt, so daß es dann stromabwärts von der Wirbeleinrichtung zu einer entsprechend starken Durchmischung kommt, die Über eine geeignete Ausbildung dieses Abschnittes des Lufttrichters als eine Art Wirbelkammer auf optimale Werte gefördert werden kann. Eine solche Wirbelkammer hat zweckmäßig eine relativ kurze Länge, damit diese vorteilhafte Durchmischung nicht wieder verloren geht, bis das Gemisch dann anschließend über die Drosselklappe in den einzelnen Verbrennungskammern der Maschine zugeleitet wird.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen erfaßt.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Flg. 1 die gesamte Kraftstoff-ZufUhranlage einer

Brennkraftmaschine, in deren Ansaugkrümmer ein Vergaser mit einer Wirbeleinrichtung für die angesaugte Verbrennungsluft eingebaut ist,

Fig. 2 eine geschnittene Einzelheit dieses Vergasers

und

Fig. 3 eine Perspektivansicht der in den Vergaser

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eingebauten Wirbeleinrichtung.

Die Kraftstoff-ZufUhranlage 10 ist für die Zuführung von Kraftstoff im Gemisch mit Luft an den Ansaugkrümmer 12 einer Brennkraftmaschine 14 ausgebildet. Die Brennkraftmaschine 14 weist eine übliche Auspuffanlage 16 auf und weiter eine in den Ansaugkrümmer 12 eingebaute Drosselklappe 17, stromaufwärts von welcher ein Vergaser 40 angeordnet ist. Die Anlage umfaßt weiter eine Schwimmerkammer 20 mit einem Schwimmerventil 22, das die Zuleitung des flüssigen Kraftstoffes aus einem größeren Vorratsbehälter, wie beispielsweise dem Tank eines Kraftfahrzeuges, über eine Anschlußleitung 18 steuert, in die eine Förderpumpe mechanischer oder elektrischer Ausbildung eingebaut ist. Die Schwimmerkammer 20 dient als ein zwischengeschalteter Sammler für den flüssigen Kraftstoff, der unmittelbar aus dieser Schwimmerkammer mittels einer Pumpe 28 entnommen und dann über ein Steuerventil 30 einer Heizeinrichtung 26 zum Zwecke einer Verdampfung zugeleitet wird.

Mit der Heizeinrichtung 26 ist in einer Verbindungsleitung mit einem Speichergefäß 36 eine weitere Heizeinrichtung 32 in Reihe angeordnet. Diese Reihenanordnung der beiden Heizeinrichtungen 26 und 32 kann gemäß einer alternativen Ausführungsform auch durch eine Parallelanordnung ersetzt sein. Gemäß einer weiteren Alternative kann in dem Leitungsabschnitt zwischen den beiden in Reihe angeordneten Heizeinrichtungen 26 und 32 ein Bypass-Ventil für die Heizeinrichtung 32 eingebaut sein, um so einen unmittelbaren Anschluß des Auslasses der Heizeinrichtung 26 direkt an das Speichergefäß 36 zu ermöglichen.

Das Speichergefäß 36 ist über eine Verbindungeleitung 38 an den Vergaser 40 angeschlossen, der begrifflich als eine Einrichtung verstanden werden soll, die zur Bereitstellung eines verbrennbaren Luft-Kraftstoff-Gemisches ausgebildet ist. Als solche umfaßt der Vergaser eine Engstelle 44, die in seinem

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Lufttrichter ausgebildet ist. In der Achse dieses Lufttrichters ist eine Zapfendüse 42 angeordnet, deren von einer Servo-Einrichtung 48 betätigter Zapfen 46 die damit dosierte Zuleitung der Dämpfe aus der Leitung 38 in die Engstelle 44 steuert. Die Zapfendüse 42 ist im übrigen mit ihrer Windung in der Niederdruckzone der Engstelle 44 angeordnet, stromabwärts von welcher eine Wirbel- bzw. Mischkammer 47 ausgebildet ist, an deren Einlaß eine Wirbeleinrichtung 214 sitzt und die axial bis hin zu der Drosselklappe 17 reicht.

Die Servo-Einrichtung 48, welche die Ausbildung eines herkömmlichen Servo-Motors elektrischer oder elektromechanischer Art haben kann, erhält das für die Bewegung des Zapfens 46 maßgebliche Steuersignal von einer Steuereinrichtung 50. Die Steuereinrichtung 50 spricht auf eine Steuergröße an, die von einem in die Auspuffanlage 16 der Brennkraftmaschine 14 eingebauten Sensor 52 in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Auspuffgase geliefert wird. In die Auspuffanlage 16 ist im übrigen auch noch die Heizeinrichtung 26 so eingebaut, daß die Auspuffgase für die Verdampfung des aus der Schwimmerkammer 20 zugeleiteten Kraftstoffes herangezogen werden, wobei ein durch eine Temperatursteuerung 54 gesteuertes Ventil 56 vorgesehen ist, das die Auspuffgase ins Freie ableitet, sobald die für die Verdampfung des Kraftstoffes benötigte Heizleistung der Heizeinrichtung 26 überschritten wird. Die Temperatursteuerung 54 arbeitet in Abhängigkeit von der mittels eines Temperaturfühlers 58 erfaßten Temperatur des Dampfes in der Verbindungsleitung 38 zwischen dem Speichergefäß 36 und dem Vergaser 40.

/die Steuerung des Mischungsverhältnisses von Luft zu Kraftstoff in dem Vergaser 40 anbetrifft, kann in einer groben Annäherung davon ausgegangen werden, daß die Querschnittsfläche der Engstelle 44 in der Ebene, in welcher die Mündung der Zapfendüse 42 angeordnet ist, zu der Querschnittsfläche der Zapfendüse an dieser Mündung ein Verhältnis haben sollte, das etwas kleiner ist als das Verhältnis, mit dem ein gewünsch-

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tee Mischungsverhältnis von Luft zu Kraftstoff erhalten wird. In dieser Hinsicht wurde gefunden, daß für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein Wert besonders vorteilhaft 1st, der etwa dem 0,7-fachen Wert des Verhältnisses zwischen der für die Anlieferung der Luft maßgeblichen Querschnittsfläche und derjenigen für die Anlieferung des Kraftstoffes entspricht. Bei diesem Annäherungswert 1st für die Luft eine Temperatur von 21° C und als Kraftstoff ein handelsübliches Benzin vorausgesetzt, das bei etwa 205° C verdampft. Sofern die für die Anlieferung des Kraftstoffes maßgebliche Querschnittsfläche, also die Mündung der Zapfendüse 42, mittels des Zapfens 46 oder bei einem Nadelventil mit einer entsprechenden Nadel verändert wird, dann kann das tatsächliche Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einen gewünschten Wert moduliert werden. Indem der aus dem flüssigen Kraftstoff erhaltene Dampf unter Vermittlung des Speichergefäßes 36, In welchem der Dampfdruck in Abhängigkeit von dem über die Zuleitung 39 zugeleiteten Umgebungsdruck eingestellt wird, und weiter unter Vermittlung der Zapfendüse 42 mit einem im wesentlichen konstanten Druck der Verbrennungsluft zugeleitet wird, kann damit im übrigen auch der Massenfluß des Kraftstoff-Dampfes im Verhältnis zu dem Massenfluß der Verbrennungsluft sehr genau gesteuert werden, so daß ein gewünschtes Mischungsverhältnis der Luft mit dem Kraftstoff für alle im praktischen Betrieb der Brennkraftmaschine vorkommenden Ansaugverhältnlsse eingehalten werden kann.

Die in den Vergaser 40 eingebaute Wirbeleinrichtung 214 ist nach Art einer Prallscheibe ausgebildet und umfaßt zwei konzentrisch zueinander angeordnete äußere und innere Ringkörper 216 und 220, zwischen denen radial ausgerichtete und über die eine Scheibenoberfläche fächerartig vorstehende Rippen angeordnet sind. Der innere Ringkörper 220 umgibt eine axiale Durchtrittsöffnung 222, deren Querschnittsgröße so bemessen ist, daß sich im eingebauten Zustand der Wirbeleinrichtung ein ungehinderter Durchtritt für den Dampfstrahl ergibt, der aus der axial fluchtend angeordneten Zapfendüse 42 ausgestos-

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sen wird. Dabei erzeugen dann die fächerartigen Rippen 218 der Wirbeleinrichtung 214 eine Umhüllung dieses Dampf Strahls mit der über die Engstelle 44 des Vergasers 40 angesaugten Luft, so daß keine Möglichkeit einer Berührung des Kraftstoff-Dampfes mit den umgebenden, regelmäßig kälteren Wandflächen des Lufttrichters besteht. Diese Umhüllung besteht auch noch Innerhalb der stromabwärts von der Wirbel einrichtung 214 ausgebildeten Wirbelkammer 215, so daß auch dort eine BerUhrungsmögllchkelt des Dampfes mit den umgebenden Wandflächen verhindet wird, während gleichzeitig der erweiterte Querschnitt dieser Wirbelkammer 215 dafür sorgt, daß dort die Verbrennungsluft intensiv mit dem Kraftstoff-Dampf vermischt wird. Mithin erfolgt diese Vermischung an einer Stelle unmittelbar stromaufwärts von der Drosselklappe 17 der Brennkraftmaschine 14, so daß davon ausgegangen werden kann, daß den einzelnen Verbrennungskammern der Maschine ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zugeleitet wird, bei dem der Kraftstoff anteil noch die ideale Dampfform besitzt und noch keine Kondensation eingetreten ist, so daß auch das gewünschte Mischungsverhältnis dann noch exakt vorliegt.

Bezüglich dieser Verhältnisse, die auch für eine Ausbildung nach Art eines Flachstrom-Vergasers mit einer horizontalen Ausrichtung der Achse des Lufttrichters Gültigkeit haben, kann noch darauf hingewiesen werden, daß der für die Kondensation des Kraftstoff-Dampfes maßgebliche Taupunkt selbstverständlich abhängig ist von den verschiedenen Fraktionen, aus welchen der Dampf gebildet ist. Für handelsübliches Benzin gilt, daß die reine Dampfform bei etwa 218° C vorliegt und mithin die Kondensatbildung beginnt, sobald diese Temperatur unterschritten wird. Der Taupunkt des Gemisches mit Luft liegt hingegen bei Atmosphärendruck bei etwa 52° C und erniedrigt sich noch welter, wenn der Umgebungsdruck auf niedrigere Werte abfällt. Mithin gilt, daß sich der Taupunkt des Kraftstoff-Dampfes nach der Vermischung mit Luft ganz beträchtlich erniedrigt und folglich dann die Gefahr einer Kondensatbildung entsprechend abgeschwächt ist. Sollte es

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mithin nach bewirkter Vermischung zu einer Berührung mit relativ kälteren Wandflächen kommen, dann besteht kaum noch die Gefahr einer Kondensatbildung, ganz abgesehen davon, daß durch die beschriebene Ausbildung der Wirbeleinrichtung und die stromabwärts von dieser angeordnete Wirbelkammer diese Gefahr einer evtl. Kondensatbildung ohnehin auf ein optimales Minimun reduziert ist.

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Claims

.(Vergaser für eine Brennkraftmaschine mit einer durch eine Engstelle im Lufttrichter gebildeten Mischeinrichtung für Luft mit über eine Düse in Dampfform zugeleitetem Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet , daß die Düse (42) mit einer Anordnung ihrer Mündung im wesentlichen in der Niederdruckzone der Engstelle (44) in der Achse des Lufttrichters ausgerichtet ist und daß unmittelbar stromabwärts von der Düse (42) eine in den Lufttrichter eingesetzte Wirbeleinrichtung (214) vorgesehen ist, die eine in der Achsverlängerung der Düse vorgesehene axiale Durchtrittsöffnung (222) für den von der Düse ausgestoßenen Dampfstrahl aufweist und die für eine Verwirbelung der aus der Engstelle zuströmenden Luft zur Umhüllung dieses Dampfstrahls ausgebildet ist.
2. Vergaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbeleinrichtung (214) nach Art einer Prallscheibe ausgebildet ist und zwischen einem die Durchtrittsöffnung (222) umgebenden inneren Ringkörper (220) und einem äußeren Ringkörper (216) im wesentlichen radial angeordnete, fächerartige Rippen (218) aufweist, welche über die eine Scheibenseite vorstehen.
3. Vergaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts von der Wirbeleinrichtung (214) eine zur Vermischung der Luft mit dem Kraftstoff-Dampfstrahl eingerichtete Wirbelkammer (215) ausgebildet ist.
4. Vergaser nach Anspruch 3» dadurch gekennzeich-

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net, daß die Wirbelkammer (215) einen gegenüber dem Austrittsquerschnitt der Engstelle (44) größeren Querschnitt hat.
5. Vergaser nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (218) an der Wirbeleinrichtung (214) nach der zu der Engstelle (44) hin welsenden Richtung vorstehen.

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