DE2950126A1

DE2950126A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines definierten kraftstoffdampf-luft-gemisches fuer ottomotoren

Info

Publication number: DE2950126A1
Application number: DE19792950126
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Dr. Klaus 7000 Stuttgart Lindenmaier
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1979-12-13
Filing date: 1979-12-13
Publication date: 1981-06-19
Also published as: US4388911A; BR8008163A; DE2950126C2

Description

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 12

12.12.1

EPT Dr.Am/pfn

Stuttgart 12.12.1979

"Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines definierten Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches für Ottomotoren"

Zum Betrieb von Ottomotoren sind Kraftstoff-Luft-Gemisehe mit im gesamten Arbeitsbereich des Motors nahezu festem Kraftstoff-Luft-Verhältnis erforderlich. Die Gemischaut bereitung mit Vergasern oder Einspritzanlagen liefert im wesentlichen Kraftstofftropfchen-Luftgemische, wobei im Saugrohr nur ein kleiner Kraftstoffanteil als Dampf vorliegt und die überwiegende Kraftstoffmenge erst in den Zylindern während des Ansaug- und Verdichtungstaktes verdampft und zusammen mit der Luft ein zündfähiges Gemisch bildet. Diese Zweiphasigkeit des Gemisches hat zur Folge, daß sich ein Teil des Kraftstoffs an den Saugrohrwänden niederschlägt, was einmal zu einer ungleichen Verteilung des Kraftstoffs auf die einzelnen Zylinder führt (verschiedene Lui'tvorhä'ltniszahlen in den einzelnen Zylindern) und zum anderen starke Schwankungen des Kraftstoffs-Luftverhaltnisses im Instationärbetrieb (z.B. Abdampfen des Kraftstoffs von dun Saugrohrwänden durch den Unterdruck im Schiebebetrieb) bewirkt .

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Insbesondere in der Start- und Warmlaufphase bei tiefen Umgebungstemperaturen reicht die aus den niedrigsiedenden Anteilen der normalen Kraftstoffmenge entstehende Dampfmenge nicht zur Bildung eines zündfähigen Gemisches aus (Magergrenze). Der Motor ist dann ohne zusätzliche Maßnahmen, wie Gemischanreichung ( Anfettung), nicht betriebsfähig. Diese Maßnahmen erhöhen jedoch den Anteil unerwünschter Bestandteile im Abgas und treiben den Kraftstoffverbrauch in die Höhe. Verstärkt treten diese Probleme bei der Verwendung alternativer Kraftstoffe wie Methanol auf, dessen Dampfdruck bei tiefen Temperaturen so niedrig ist, daß in keinem Falle ein zündfähiges Gemisch entstehen kann. Hier muß z.B. der Motor mit einem Starttreibstoff gestartet und auf eine Mindest temperatur gebracht werden, ehe auf den Methanolbetrieb umgeschaltet werden kann.

Wesentliche Verbesserungen sowohl der Gleichverteilung des Kraftstoffs auf die einzelnen Zylinder als auch des Instationärverhaltens sowie des Abgasverhaltens des Motors sind bein Betrieb des Motors mit einem einphasigen homogenen Kraftstoff-Luftgemisch zu erwarten. Zur Aufbereitung des Gemisches ist dazu anstelle des "Vergasers" oder der Einspritzanlage eine Einrichtung zur Erzeugung eines einphasigen Gemisches aus Luft und echtem Kraftstoffdampf mit definierter Luftverhältniszahl nötig, d.h. im gesamten Durchsatzbereich muß sowohl der Kraftstoff verdampft als auch dosiert werden.

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Verschiedene derartige Verfahren bzw. Vorrichtungen sind bekannt. Grundsätzlich sind zwei Ausführungsformen zu unterscheiden:

1. Die Dosierung und mechanische Zerstäubung des Kraftstoffs erfolgt in einem herkömmlichen Vergaser, anschließend wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Wärmetauscher aufgeheizt , wobei der Kraftstoff verdampft. Da in diesem Falle auch der Luftanteil mit erhitzt wird, nimmt das Gasvolumen stark zu, was zu einer schlechteren Füllung der Zylinder und damii zu einer Abnahme der Maximalleistung des Motors führt.

2. Der Kraftstoff wird in einem Siedegefäß (Verdampferknmmor) verdampft. die Dosierung des Dampfes erfolgt durch einen Gasmischer mit Druckregler, wie er grundsätzlich von den Gasmotoren her bekannt ist. Es ist auch bekannt, den Ki¹Hl t -stoff über eine geregelte Düse auf eine Heizplatte zu geben (DE-OS 21 08 5?8). Nachteilig bei diesem Verfahren sind Schwankungen des Kraft stoff-Luft-Verhältnisses bei schnellen Durchsatzänderungen im Instationärbetrieb.

Allen bisher ausgeführten Anlagen gemeinsam ist im Vergleich zu den bisher praktisch ausschließlich benutzten Vergasern oder Einspritzanlagen eine sehr voluminöse und aufwendige Bauweise .

Es besteht daher die Aufgabe, ein einfaches Verfahren sowie eine einfache kompakte Anlage zur Erzeugung von definierten Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen mit großem Durchsatzbereich

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zu finden, die anstelle des normalen Vergasers eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene Verfahren bzw. die beschriebene Vorrichtung gelöst .

Funktion und Aufbau der Erfindung werden anhand des in der Abbildung 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Luft wird dem Motor 1 über das Saugrohr 2 mit der Drosselklappe 3 zur Leistungsregelung zugeführt. Der flüssige Kraftstoff wird von der Kraftstoffpumpe über eine Leitung k zur Schwimmerkammer 5 gefördert, wo der Schwimmer (> mit Zulaufventil 6a wie beim normalen Vergaser für die Einstellung eines gleichbleibenden Kraft stoffniveaus sorgt (Kraftstoffspül- und Rücklaufeinrichtungen sind nicht eingezeichnet). Der Gasraum der Schwimmerkammer 5 ist über eine Druckausgleichsleitung 7 mit dem Saugrohr 2 und der Flüssigkeitsraum der Schwimmerkammer ist durch eine untere kraft stoffgefüll te Leitung 5a mit der Verdampferkammer 8 verbunden. Schwimmerkammer 5 und Verdampferkammer 8 bilden eil so kommunizierende Röhren, in denen sich bei Motorstillst.'ind das Kraftstoffniveau A auf gleiche Höhe einstellt, dio durch Schwimmer 6 mit Zulaufventil 6a bestimmt ist. In der Verdampferkammer 8 ist über dem Kraftstoffniveau A die Vä'rmetauscherf lache 9 angeordnet, die durch Wärmezufuhr W auf einer Temperatur über der oberen Siedetemperatur des Kraftstoffs bei 1 bar gehalten wird. Der Gasraum der Verdampferkammer 8 ist über eine Dampfleitung 10 mit dem Saugrohr 2 verbunden. In der Dampfleitung 10 ist eine Blende 11 angeordnet. Zwischen den Einmündungen der Druckausgleichs-

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leitung 7 und Dampfleitung 10 liegt eine Blende 12 im Saugrohr .

Bei stillstehendem Motor 1 treten an den Blenden 11 und keine Druckgefälle auf, so daß sich - wie bereits erwähnt in der Verdampferkammer 8 dasselbe Kraftstoffniveau einstollt wie in der Schwimmerkammer 5i das knapp unter der unteren Kante der Wärmetauschflächen 9 liegen soll. Damit ist gewährleistet, daß bei stillstehendem Motor 1 auch bei heißen Wärmetauscherflächen 9 kein Kraftstoff verdampft wird.

Bei laufendem Motor erzeugt die angesaugte Luft an der Blende 12 im Saugrohr 2 ein D^ruckgefälle Δρ , das im Qunrlrat mit zunehmendem Luftdurchsatz ansteigt. Dieses Druckgefii.ll«· Δρ wirkt über die Leitungen 7 und 10 auf die Kraftstoffniveaus in der Schwimmerkammer 5 bzw. Verdampferkammer H ein, so daß sich aufgrund des niedrigeren Drucks der Kraft stoffspiegel in der Verdampferkammer auf ein höheres Niveau B einstellt, als es durch den Schwimmer 6 bestimmt in der Schwimmerkammer 5 herrscht. Dazu ist die Druckdifferenz Δρ., notwendig. Die Wärmetauscherflächen 9 sind also teilweise von flüssigem Kraftstoff bedeckt, der an diesen vordainpit und als Kraftstoffdampf über Dampfleitung 10 mit DJ ende Il zum Saugrohr 2 strömt, wo er sich mit der Luft vermischt . Je höher nun das Kraftstoffniveau im Verdampfer ansteigt, um so größer wird die bedeckte Verdampferfläche und um so mein Kraftstoff wird je Zeiteinheit verdampft. Der Kraftstoffdampfstrom erzeugt an Blende 11 ein Druckgefälle Δρ_ο , das analog dem Druckgefälle Ap₁ im Quadrat mit dem Kraftstoff-

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dampfdurchsatz ansteigt. Insgesamt rauß dann die Druckdifferenz Δρ an Blende 12 im Saugrohr stets gleich der Summe der Druckdifferenzen Δρ₂ und Ap- sein. Sorgt man nun mittels der Blende 11 dafür, daß im Gasraum des Verdampfers ein Unterdruck herrscht, der lediglich 0,01 bis 'iO%, vorzugsweise 0,5 bis 5% des im Ansaugrohr hinter der Blende 12 herrschenden Unterdrucks beträgt, (d.h., im Gasraum des Verdampfers herrscht ein Druck, der 6θ bis 99.99%, vorzugsweise 95 bis 99.5% des im Ansaugrohr vor der Blende 12 herrschenden Drucks entspricht), sovird insbesondere im bevorzugten Bereich Δρ praktisch gleich i ρ und die durch die Blende 11 strömende Kraftstoffmenge wird proportional zur im Saugrohr 2 strömenden Luftmenge. Dc'utiit ergibt sich die gewünschte feste Luftverhältniszahl des Gemisches auch bei wechselnden Durchsätzen über einen großen Bereich. Gleichzeitig sorgt das Zusammenspiel von ^p. und 4p„ und dem kleinen -Ip., dafür, daß sich das Kraftstoffniveau in der Verdampferkammer und damit die von Kraftstoff bedeckte Wärmetauscherfläche immer so einstellt, dnß pro Zeiteinheit gerade die Kraftstoffmenge verdampft, die nötig ist, um die pro Zeiteinheit zum Saugrohr abströmende Kraft stoffdampfmenge zu ersetzen, also um Δρ_ρ konstant zu halten. Es ergibt sich damit eine automatische Selbstregelung der verdampfenden Kraftstoffmenge, wodurch die Anlage von Schwankungen der Betriebsparameter des Verdampfers wie der Temperatur des Heizmediums und damit der Verdampfertemperatur, der Wärmeübergangszahl sowie vom Durchsatz unabhängig wird.

Obwohl die Abweichung des Mischungsverhältnisses für die Luft-Kraftstoffdampf-Mischung von dem idealen Mischungs-

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Verhältnis um so geringer wird, je näher man sich der angegebenen unteren Prozentgrenze nähert, sollte die untere Grenze von 0,01% nicht unterschritten werden, da sich sonst im Verhältnis zur Breite unverhältnismäßig niedrige Verdampferflächen ergeben, was bei Schräglagen oder HorizontnJ-beschleunigungen der Anlage extreme Abweichungen des Mischung*· Verhältnisses zur Folge hat. Ebenfalls sollte eine obere Grenze von kO% nicht überschritten werden, weil sonst das Gemisch so stark abgemagert wird, daß der einwandfrei ο Hetrieb des Motors in Frage gestellt ist (Erreichen der ma.cr·- ren Laufgrenze). Für die Praxis als besonders vorteilhaft hat sich der Bereich von 0,5 bis 5% erwiesen, da in diesem Bereich die Schwankungen der Luftverhältniszah1 unter U, ^r>".· bleiben und das Verhältnis von Höhe zu Breite der Verdninp l er~ flächen für den Betrieb in Fahrzeugen eine genügende I nempf indlichkei t gegen Schräglagen oder Hori 70111 a J hescli I elin i gütigen gewährleistet. Im Xormalbetrieb entsteht πJ.so ίιΐπτ einen weiten Durchsatzbereich ein Kraltstoffdampf-Lui t-Cu misch praktisch konstanter Zusammensetzung.

Steigt z.B. wegen einer Störung das Kraftstoffnivoau im Verdampfer 8 zu hoch, wird also infolge der zu großen mil K1 a I 1 stoff bedeckten Verdampferfläche 9 zuviel Kraftstoff verdampft , so müßte dei" Druck in der Verdampferkammer iiiisi ciiii-n , also über Blende 11 mehr Kraftstoffdampf abströmen. Dies hätte aber eine Zunahme von Δρ₉ zur Folge. Da nun der kleine Druck ΔΡο, der den Kraf tstof f spiegel im Verdampfer- 8 regelt durch die Differenz von Δρ (durch die Luftmenge lest vorgegeben) und Δρ,₃ erzeugt wird, kann ^p₀ nur auf Koston von

Δ p_ steigen, d.h. es erfolgt eine Absenkung des Kraft stolfspiegels mit einer Abnahme der pro Zeiteinheit verdampfonden Kraftstoffmenge. Da ^p~ sehr klein ist gegen Δ p,,, hat eine auch große Änderung von Δρ eine nur kleine Schwankung von Δρ₂ ^zur Folge. Sinkt umgekehrt das Kraftstoffniveau in

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der Verdampferkammer durch eine Störung ab, so bewirkt der abnehmende Dampfstrom eine kleine Abnahme von Δρ_?, was wegen des unveränderten Δρ.. eine große Zunahme von Δρ., , d.h. ein kompensierendes Ansteigen des Kraftstoffniveaus und damit der verdampfenden Kraftstoffmenge zur Folge hat.

Bei schnellen Lastwechseln am Motor, d.h. schnellen Durchsnt^änderungen, kann die Anlage aufgrund dieses Regeleffektes ebenfalls schnell folgen, da die mit der Verdampferknmmer 8 kommunizierende Schwimmerkammer 5 als Ausgleichsgefäß wirkt. Vorbindung la muß deshalb mit genügend großem Querschnitt vorsehen worden, um einen schnellen Ausgleich der Kraftstoffmongen zu gewährleisten. Nimmt z.B. der Durchsatz rasch ab. 50 wird infolge des abnehmenden Drucks 4p.. Kraftstoff" fins der Verdampferkammer in die Schwimmerkammer strömen iinc) dort das Kraft stoff niveau kurzzeitie über Niveau A

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iiiis 1 o i gen , z.B. auf Niveau C in\Abb. 1^. Sorgt man nun durch <lii· Wahl eines geeigneten Größenverhältnisses zwischen Schwimmerkammer und Verdampferkammer dafür, daß eine Änderung dos Fiüssigkeitsniveaus in der Verdampferkammer nur eine geringe Änderung des Flüssigkeitsniveaus in der Schwimmerkammer bewirkt, so kann sichergestellt weiden, daß bei abgestelltem Motor und heißen Verdampfer flächen kein Kraftstoff mehr verdampft, da der nach Abstellen des Motors aus der Verdampferkammer von dem Niveau B zurücksinkende Kraftstoff nur eine so geringe Gesamt-Niveauerhöhung in dem niis Schwimmerkammer und Verdampferkammer bestehenden kommunizierenden System hervorruft, daß der Flüssigkeitsspiegel die iloiz.f Lache nicht mehr berührt.

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Die Beheizung der Heizfläche kann während des laufenden Hctriebes durch die Motorabwärme erfolgen. Je nach dem Siedepunkt des Kraftstoffs (z.B. Benzin oder ein alternativer Kraftstoff wie Methanol) kann die Beheizung mitteis warmen Kühlwassers oder mit Abgas vorgenommen werden, jig f. unter Zwischenschaltung eines Wärmerohres (heat pipe). Erfolgt die Wärmezufuhr zum Verdampfer durch Motorabgas, so können die Wärmetauscherflächen mit kleiner Wärmekapazität ausgefiihrt werden. Damit wird es u.U. möglich, den Wurmet ,iuschcr vor dem Start des Motors elektrisch aufzuheizen und nut Urtriebstemperatur zu bringen. Wird anschließend der Motor mit dem Anlasser gestartet, so liefert der Verdampfer sofort Kraftstoffdampf, so daß der Motor auch während des Startvorganges mit einem Kraft stoffdampf-Luft-Gemisch \vrsorgi herden kann. Sobald der Motor zündet, übernimmt sein Abgas die Nachlieferung der Verdampfungswärme, so daß die elektrische Heizung bereits während des Hochlaufens des Motor.« abgeschaltet werden kann.

Statt den in dem Saugrohr und der Verbindungsleitung von Saugrohr und Gasraum der Verdampferkammer eingebauten Bleu- . den können auch andere Elemente Verwendung finden, die in Abhängigkeit vom Gasdurchsatz eine definierte Dinckdi I fcii'ii/ erzeugen, z.B. Düsen. Selbstverständlich müssen die im Saugrohr und in der Verbindungsleitung eingebauten Elemente dieselbe Durchsatzabhängigkeit besitzen, da sonst bei wechselndem Durchsatz kein konstant zusammengesetztes Kraft s t offdampf-Luft-Gemisch entsteht.

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Die Größe bzw. die Temperatur der Heizfläche wird so bemessen, daß bei der durch den im Ansaugrohr herrschenden Unterdruck hervorgerufenen Steighöhe des Kraftstoffs im Verdampfergefäß unter Einhaltung der Druckbedingungen für (lon Gnsraum des Verdampfers der Kraftstoff verdampft werden kann. Do die Verdampfungswärme der Kraftstoffe bekannt ist bzw. leicht gemessen werden kann, bietet die Auslegung der Heizfläche hinsichtlich Größe und Temperatur keinerlei Schwierigkeiten für den Fachmann. Weiterhin kann durch eine geeignete Gestaltung der Verdampferkammer, z.B. durch nach unten halbkugelförmige Begrenzung der Verdampferflächen, die von oben in die ebenfalls halbkugelförmige Verdampferkamnier hineinragen. Unregelmäßigkeiten, die ggf. im Betrieb im Kraftfahrzeug durch Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgätige oder durch unebenes Gelände auftreten können, entgegengewirkt werden. Ferner ist es zweckmäßig, das Flüssigkeitsvolumen im Bereich der Heizflächen klein zu halten, um Verv.ögeruiigserschei nungen bei Lastwechseln, bedingt durch das Aufheizen großer Flüssigkeitsmengen, gering zu halten. Weiterhin ist es nicht unbedingt erforderlich, die Schwimmerkammer in das Saugrohr zu entlüften.

Die lint lüftung der Schwimmerkammer in das Saugrohr hat gegenüber der an sich möglichen Entlüftung in die Atmosphäre den Vorteil, daß der hinter dem Luftfilter bestehende, nach Filtermaterial und Verschmutzungsgrad des Filters schwankende gelinge Unterdruck bei der Gemischerzeugung automatisch mit berücksichtigt wird.

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Wird der Querschnitt einer der beiden Blenden oder Düsen verstellbar ausgeführt, so kann durch diese VerstolImögIichkeit die Luftverhältniszahl variiert werden. Die Anlage wird damit für den Einsatz in Verbindung mit einer λ-Sonde geeignet, wenn dieser Blendenquerschnitt durch ein von der Λ-Sonde gesteuertes Stellglied so variiert wird, daß st el.« ein stöchiometrisches Gemisch entsteht.

Weiterhin kann die Anlage in Verbindung mit einem Gasgenerator oder einer Flammstartanlage betrieben werden. Ks isl dabei möglich, die zur Aufheizung und Verdampfung des Ki.iM-stoffs nötige Wärme dem warmen Spaltgas des Gasgenerators oder dem heißen Abgas der Flaramstartanlage zu ent ziehen :m<l so die Ef.-ergi ebi lnnz der Gesamt anlege bereits während rl«-i Andrehphase dt-s Motors ^u decken.

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•/Η.

Leerseite

Claims

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daitn. 12 /

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Stuttgart „»,„, „ . ι ^

• ^b EPT Dr.Am/pfa

Patentansprüche

{ \J Verfahren zum Erzeugen eines definierten KraftstoffdnmpJ-Luftgemisches für Ottomotoren durch Verdampfen von Kraft stoff an einer beheizten Verdampferfläche in einer Verdampferkammer und Mischen des Kraftstoffdampfstromes mit einem Luftstrom,

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Luftstrom ein der Luftmenge gleichsinnig analoger Unterdruck erzeugt wird, daß der Unterdruck die Größe der wirksamen Verdampferfläche entsprechend beeinflußt und daß die Verdampfung bei einem Unterdruck stattfindet, der 0.01 bis 4o% des im Luftstrom erzeugten Unterdrucks beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung bei einem Unterdruck erfolgt, der 0,5 bis 5% des im Luftstrom erzeugten Unterdrucks beträgt.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruck das Flüssigkeitsniveau in der Verdampferkammer beeinflußt.

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Vorrichtung zur Erzeugung eines definierten Kraftstoff dampf -Luftgemisches für Ottomotoren mit einem Ansaugrohr, einer Schwimmerkammer und einer Verdampferkammer mit be heizter Verdampferfläche,

dadurch gekennzeichnet, daß das Ansaugrohr mit einer ersten festen Blende oder Düse versehen ist,

daß der Flüssigkeitsraum der Schwimmerkammer und der Flüssigkeitsraum der Verdampferkammer durch eine Leitung miteinander verbunden sind,

daß der Gasraum der Schwimmerkammer in Strömungerichtung gesehen vor der Blende oder Düse und der Gasraum der Verdampferkammer in Strotnungsrichtung gesehen hinter der Blende oder Düse jeweils durch Leitungen mit dem Ansaugrohr verbunden sind.

daß die Leitung vom Gasraum der Verdampferkammer in das Ansaugrohr mit einer zweiten festen Blende oder Düse versehen ist, die einen Druckabfall von 85 bis 99,9996 der ersten Blende oder Düse hervorruft, daß die Verdampferfläche oberhalb des durch die Schwimmerkammer eingestellten Fliissigkeitsniveaus derart angeordnet ist, daß mit steigendem Flüssigkeitsniveau die benetzte Verdampferfläche sich vergrößert.

Vorrichtung nach Anspruch k,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schwimmerkammer durch eine niveauregulierte Ausgleichskammer /Flüssigkeitsüberlauf ersetzt ist.

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OR₁GlNAt INSPECTED