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Beschreibung
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============ Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Zufuhr flüssiger oder gasförmiger Kraftstoffe oder Brennstoffe aus einem Vorratsbehälter
über eine Kraft- oder Brennstoff leitung zu einem Antriebsaggregat oder einer stationären
Verbrennungsanlage.
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Den Verbrennungsvorgängen von Kraft- oder Brenstoffen in Antriebsaggregaten
oder stationären Verbrennungsanlagen ist gemeisam, daß ein Kraft- oder Brennstoff-
Luft Gemisch in den betreffenden Verbrennungsraum durch Ansaugen, Einspritzen oder
Einpumpen gebracht, dort gezündet und die bei der Zündung des Gemischs freiwerdende
thermische Energie bei Antriebsaggregaten in mechanische Energie und bei stationären
Verbrennungsanlagen wie Kraftwerke in elektrische Energie umgesetzt wird. So wird
beispiels weise beim Ottomotor der flüssige Kraftstoff in einem Vergaser oder mit
einer Einspritzvorrichtung der zu seiner Verbrennung erforderlichen Luft beigemischt,
dann das entstandene brennfähige Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinder verdichtet
und schließlich ,durch den elektrischen Funken einer Zündkerze gezündet. Shnlich
wie bei einem Dieselmotor wird dann der Kolben durch den Druck der bei der Verbrennung
entstehemden Gase im Zylinder abwärts bewegt. Durch die mit dem Kolben verbundene
Pleuelstange wird die Kurbelwelle in Drehung versetzt. Anschließend müssen die verbrannten
Gase aus dem Zylinder und frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder gebracht
werden, um ein neues Arbeitsspiel beginnen zu können.
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In ähnlicher Weise arbeiten andere Verbrennungskraftmaschinen wie
Dieselmotoren, Kreiskolbenmotoren, aber auch Turbinen, Strahltriebwerke oder dgl.
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Während Kraftstoffe solche brennbaren StOffe sind, die zum Betrieb
von Verbrennungskraftmaschinen geeignet sind, deren chemische Energie also durch
Verbrennung in Wärme und anschließend unmittelbar im gleichen Aggregat in mechanische
Arbeit umgewandelt werden kann, dient die Verbrennunq von Brennstoffen lediglich
der Wärmeerzeugung und erst mittelbar zur Erzeugung beispielsweise elektrischer
Energie. Die spezifischen Anforderungen an Kraftstoffe bestehen darin, auf einfache
und zuverlässige Weise ein brennbares Kraftstoff-Luft-Gemisch zu bilden, das leicht
und rasch entzündbar ist und rasch und weitinöglichst rückstandsfrei verbrennt,
daß der Kraftstoff ein geringes Gewicht und einen geringen Raum für die Energie
einhält und für den Kraftstoffbehälter aufweist, daß er betriebssicher fortleitbar
und sofort betriebsbereit ist und eine bequeme und möglichst gefahrlose Unterbringung
und Mitführung im Fahrzeug gestattet. Diesen Bedingungen genügen im wesentlichen
flüssige Kohlenwasserstoffe, aber auch Gase. Als Kraftstoff kommen Benzin, Motorenbenzol,
Äthanol, Methanol, Kerosin, Dieselkraftstoff und dgl. in Frage. Als flüssige oder
gasförmige Brennstoffe kommen im Wesentlichen leichtes und schweres Heizöl und die
verschiedensten brennbaren Gase in Frage.
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Wegen der steigenden Kosten für Kraft- und Brennstoffe ist eine optimale
Ausnutzung und Verwertung der Kraft-und Brennstoffe von besonderer Bedeutung. Dies
gilt
sowohl für den Betrieb von Antriebsaggregaten sowohl zu Lande,
zu Wasser und in der Luft als auch für den Betrieb stationärer Anlaqen und Kraftwerke,
die mit Mineralölprodukten, pflanzlichen Kraftstoffen oder mit Methanol betrieben
werden.
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Aufgabe dvorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Zufuhr
flüssiger oder gasförmiger Xraft- oder Brennstoffe zu schaffen, mit der eine wesentliche
Verringerung des Kraft- oder Brennstoffverbrauchs erielt wird, die somit die Betriebskosten
für das betreffende Antriebsaggregat und die betreffende stationäre Verbrennunqsanlaqe
erheblich senkt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kraft-
oder Brennstoff leitung eine Erwärmungseinrichtung aufweist.
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Durch die Erwärmung des Kraft- oder Brennstoffes mittels der erfindungsgemäßen
Erwärmungseinrichtung wird das Volumen des Kraft- oder Brennstoffes unter Ausnutzung
des betreffenden Raumausdehnungskoeffi--,zienten vergrößert und damit der spezifische
Kraft-oder Brennstoffverbrauch um das Maß der Volumenänderung verringert, so daß
sich die Betriebskosten für das Antriebsaggregat oder die stationäre Verbrennungsanlage
erheblich gesenkt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung sind dadurch
gekennzeichnet, daß die Kraft-oder Brennstoff leitung zumindest im Bereich der Erwäi
-mungseinrichtung
aus einem gut wärmeleitenden Material besteht, das mit einer Heizwendel umgeben
ist oder in das Heizdrähte eingebettet sind oder daß in die Kraft- oder Brennstoffleitung
ein in Längsrichtung der Leitung ausgerichtetUrs mit einer Kunststoffummantelung
versehener Heizdraht eingefügt ist, der allseitig vom Kraftstoff umflossen wird.
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Die Art der Erwärmung des Kraft- oder Brennstoffes kdann unterschiedlich
ausgestaltet sein, die erwähnten Ausführungsbeispiele geben lediglich mögliche Lösungen
an,.die sich auch für eine elektronische Steuerung und Regelung des Erwärmungsvorganges
eignen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung
ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Erwärmung der Kraft- oder Brennstoff leitung
ganz oder teilweise die Abgaswärme genutzt wird. So kann z.B. die Kraft- oder Brennstoffleitung
an der Auspuffanlage verlegt werden, mit dieser zu einer Baueinheit zusammengefaßt,
in diese integriert werden oder aus einer Kombination von elektrisch beheizter Kraftstoffleitung
und Nutzung der Abgaswärme bestehen.
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Diese weiteren Varianten der erfindungsgemäßen Lösung ermöglichen
es, die ohnehin anfallenden heißen Abgase sinnvoll zu nutzen, die sich auf für eine
thermostatische Temperaturregelung eignen, beispielsweise mittels einer bimetallgesteuerten
Regelklappe.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des erwärmten Kraft- oder Brennstoffes
von einem Sensor erfaßt und einer Temperatur-Regeleinrichtung eingegeben wird, an
der über einen Temperatur-Sollwertgeber die optimale Kraft- oder Brennstofftemperatur
einstellbar ist.
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Diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ermöglicht es, den
Erwärmungsvorgang in einen Regelkreis einzubeziehen, wodurch sowohl die Umgebungstemperatur
als auch die optimale Betriebstemperatur berücksichtigt werden und wodurch darüberhinaus
ein sicherer Schutz vor einer Überhitzung des Kraft- oder Brennstoffes gegeben ist.
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Durch entsprechende Anordnung des/der Temperatursensor(en) kann die
Erwärmung des Kraft- oder Brennstoffes beliebig gesteuert werden und beispielsweise
durch Anordnung des/der Temperatursensor(en)an besonders kritischen Stellen gegebenenfalls
eine Gefahrenabschaltung bei der Gefahr des Auftretens von Ubertemperaturen eingeleitet
werden.
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Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll
der der Erfindung zugrunde liegende Gedanke näher erläutert werden.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der- erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Erwärmungseinrichtung
und Fig. 3 ein Blockschaltbild einer die Abgase nutzenden Erwärmungseinrichtung.
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Das in Figur 1 dargestellte Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Erwärmungseinrichtung unter EinbeziehpS eines Regelkreises für die Kraft- oder Brennstofferwärmung
zeigt einen Kraft- oder Brennstoff-Vorratsbehälter 1 beispielsweise einen Kraftstofftank,.
der über eine Kraft- oder Brennstoff leitung 3
mit einem Antriebsaggregat
oder einer stationären Verbrennungsanlage 2 verbunden ist. An oder in der Kraftstoffleitung
ist ganz oder teilweise eine Erwärmungseinrichtung 5 vorgesehen, die im dargestellten
Ausführungsbeispiel aus einer in die Kraft- oder Brennstoffleitung 3 eingebetteten
Heizspirale besteht.
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Kraft- oder Brennstoff leitung 3 im Bereich der Erwärmungseinrichtung,
d.h. im Bereich der Heizwendel 5, aus einem gut.wärmeleitenden Material bestehen,
beispielsweise aus Metall.
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Neben der dargestellten einstufigen Erwärmungseinrichtung ist selbstverständlich
auch eine Mehrstufige Erwärmung des Kraft- oder Brennstoffes in der Kraft- oder
Brennstoff leitung 3 möglich. So bietet es sich beispielsweise insbesondere bei
längeren Kraft- oder Brennstoffzuleitungen an, unmittelbar im Bereich des Austritts
des Kraft- oder Brennstoffes aus dem Vorratsbehälter 1 eine erste Vor-Erwärmung
mittels eines weiteren Heizdrahtes oder einer nachstehend beschriebenen Abgas-Erwärmungseinrichtung
durchzuführen und erst im Bereich unmittelbar vor dem Einspritzen oder Ansaugen
in das Antriebsaggregat oder die stationäre Verbrennungsanlage 2 auf die günstigste
Betriebstemperatur zu erwärmen.
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Die Energieversorgung der Erwärmungseinrichtung 5 kann über eine
Stelleinrichtung 6 erfolgen, die einerseits mit dem Ausgangssignal einer Regeleinrichtung
7 beaufschlagt und andererseits mit einer geeigneten Energiequelle 4 verbunden ist.
Bei Verbrennungskraftmaschinen wird die Energiequelle aus einem mit der Kraftmaschine
gekoppelten Generator, einer entsprechenden Pufferbatterbzw.
einem
Akkumulator und/oder der Abgaswärme bestehen.
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Der Regeleinrichtung 7 wird einerseits der von mindestens einem Temperatursensor
8,9 abgegebene Istwert der Brenn- oder Kraftstofftemperatur und andererseits der
von einem Sollwertgeber 10 abgegebene und mechanisch oder rechnergesteuerte ideale
Sollwert der Kraft- oder Brennstofftemperatur unter Berücksichtigung eines maximalen
Erwärmungsgrades und einer optimalen Volumenausdehnung eingegeben.
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Der oder die Temperatursensoren 8,9 können an beliebiger Stelle in
der Kraft- oder Brennstoff leitung 3 eingebracht oder am äußeren Umfang der Kraft-
oder Brennstoffleitung 3 vorgesehen werden. Der im Bereich der Erwärmungseinrichtung
5 vorgesehene Temperatursensor 8 dient dabei zugleich als Istwertgeber für eine
gegebenenfalls erforderlich werdende Notabschaltung bei drohender Überhitzung des
Kraft- oder Brennstoffes.
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Die Stelleinrichtung 6 kann wahlweise kontinuierlich oder diskontinuierlich
nach Art eines Schalters im Pulsbetrieb arbeiten. Eine kontinuierliche Stelleinrichtung
kann beispielsweise aus einem steuerbaren Widerstand bestehe, während eine diskontinuierliche
Schalteinrichtung beispielsweise unter zu Hilfenahme elektronischer Schalter aufgebaut
werden kann.
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Die in Fig. 3 dargestellte Abgas-Erwärmungseinrichtung besteht aus
einer Baueinheit 5, durch die wendelförmig die Kraft- oder Brennstoffleitung 3 vom
Kraft- oder Brennstoff-Vorratsbehälter 1 zum Antriebsaggregat oder der stationären
Verbrennungsanlage 2 geführt ist.
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Dabei ist die Kraft- oder Brennstoffleitung 3 im Bereich zwischen
der Baueinheit 5 und dem Antriebsaggregat oder der'stationären Verbrennungsanlage
2 zum Schutz gegen Wärmeverluste mit einer ergänzenden Wärmeisolierung versehen.
Die vom Afftriebsaggregat oder der stationären Verbrennungsanlage 2 abgegebenen
Abgase werden unmittelbar oder nach Art eines Bypasses durch die Baueinheit 5 geleitet
und gelangen danach in die Auspuffanlage 13 bzw. einen entsprechenden Schornstein.
Zur Regelung der in die Baueinheit 5 geleiteten heißen Abgase ist am Eingang der
Baueinheit 5 eine mittels eines Thermostaten geregelte Klappe 14 vorgesehen. Anstelle
der thermostatgesteuerten Klappe kann auch ein Bimetallvorrichtung vorgesehen werden.
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Eine Variante dieser Ausführungsform ist dadurch gegeben, daß anstelle
der Baueinheit 5 ein geeignetes Rohrstück der Abgasleitung mit engem thermischen
Kontakt von der Brennstoff leitung umgeben ist, wobei die Brennstoffleitung 3 wahlweise
wendelförmig oder in parallelen Leitungszügen um das betreffende Rohrstück gelegt
ist. Das Rohrstück selbst kann den gleichen Durchmesser wie die Abgasleitung aufweisen,
jedoch nach Bedarf auch einen größeren oder kleineren Durchmesser beinhalten.
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Um zu gewährleisten, daß die Ausdehnung des Kraft-oder Brennstoffes
nur in Richtung ihrer Zuleitung zum betreffenden Antriebsaggregat unter der stationären
Verbrennungsanlage 2 erfolgt, ist in der Zuleitung vom Vorratsbehälter 1 zur Erwärmungseinrichtung
5, 11 eine in den meisten Anwendungsfällen ohnehin vorhandene Rückschlagklappe vorgesehen,
die eine Ausdehnung des Kraftstoffs in Richtung des Vorratsbehälters 1 unterbindet.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Vergrößerung des Volumens
des Kraft- oder Brennstoffes unter Ausnutzung des Raumausdehnungskoeffizienten des
betreffenden Kraft- oder Brennstoffes möglich. Die Raumausdehnung eines flüssigen
oder gasförmigen Stoffes ist durch die folgende Gleichung gegeben: Vt = VO (1 +
ßt), worin Vt das Volumen -des Stoffes bei einer Temperatur von t° Celsius, Vo das
Volumen des betreffenden Stoffes bei Oo Celsius, t die Temperatur in Grad Celsius
und B den Raumausdehnungskoeffizienten, d.h. die Vergrößerung der Raumeinheit bei
1° Celsius Temperaturerhöhung bezeichnet. Der Raumausdehnungskoeffizient beträgt
beispielsweise für Normalbenzin ß = 0,00110 Superkraftstoff B = 0,00114 Dieselkraftstoff
ß = 0,00083 Mittels der erfindungsgemäßen Erwärmungseinrichtung bleibt das dem Antriebs
aggregat oder der stationären Verbrennungsanlage zugeführte Kraft- oder Brennstoffvolumen
unverändert. Infolge der Volumenvergrößerung durch die Erwärmung auf auf dem Wege
vom Vorratsbehälter zum Antriebsaggregat oder der stationären Verbrennungsanlage
wird jedoch dem Antriebsaggregat oder der stationären Verbrennungsanlage eine geringere
Menge des betreffenden Kraft- oder Brennstoffes zugeführt als die dem Vorratsbehälter
entnommene Menge.
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Auf welche Temperatur der jeweilige Kraft- oder Brennstoff
gefahrlos
erwärmt werden kann, hängt von der Art des Kraft- oder Brennstoffes und von der
jeweiligen Betriebsweise des Antriebsaggregates oder der stationären Verbrennungsanlage
sowie den allgemeinen Umgebungsbedingungen ab. Stellvertretend für die in den verschiedenen
Regionen dieser Erde unterschiedlichen Bedingungen soll am Beispiel der in Deutschland
bestehenden Voraussetzungen die sich ergebende Volumenvergrößerung für Kraftfahrzeuge
mit Verbrennungsmotoren beispielhaft erläutert werden.
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Nimmt man die Durchschnittstemperatur in Deutschland im Jahresmittel
mit 150 C an, so läuft der Kraftstoff auch mit dieser Temperatur vom Kraftstofftank
durch die Kraftsoffleitung zum Verbrennungsmotor.
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Eine Erwärmung des Kraftstoffes um.500 C oder mehr wird ohne Beeinträchtigung
der Sicherheit gefahrlos möglich sein. Unter Berücksichtigung des oben erwähnten
Raumausdehnungskoeffizienten entspricht die Erwärmung des Kraftstoffes um 500 C
einer Volumenvergrößerung von 0,00110 X 500C = 0,0550 Ltr. für Normalbenzin = 5,5t
0,00114 X 500C = 0,0570 Ltr. für Super = 5,7% 0,00083 X 500C = 0,0415 Ltr. für Diesel
= 4,15% Zum Zeitpunkt, da das Kraftstoff-Luftgemisch im Verbrennungsmotor zur Verbrennung
zugeführt wird, hat es also eine um 500 C höhere Temperatur als vorher. Das bedeutet,
daß auf diese Weise bei einem angenommen Tankinhalt von 1000 Ltr. im Verbrennungsmotor
a) 1055 Ltr. Normalbenzin b) 1057 Ltr. Superkraftstoff c) 1042 Ltr. Dieselkraftstoff
zugeführt
werden. Diese erwärmte Menge Kraftstoff wird auch eine bessere Verwertung des Energieinhaltes
des Kraft- oder Brennstoffes ermöglichen und deshalb des Wirkungsgrad erhöhen. Das
wird auch durch die Tatsache bestätigt, daß mit sinkenden Außentemperaturen der
spezifische Kraftstoffverbrauch bei Kraftfahrzeugen steigt und zwar auch dann, wenn
keine winterlichen Straßenverhältnisse vorherrschen.
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Eine -ähnlich hohe Vergrößerung des Kraftstoffvolumens wie unter
c) angeführt ist, dürfte auch für Schiffsdieselmotoren erreichbar sein.
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Für Flugzeuge wird in Anbetracht der Tatsache, daS auf Mittel- und
Langstrecken überwiegend in Höhen von 10.000 Meter und höher geflogen wird infolge
der dort heuschenden Aussentemperatur von etwa minus 450 C eine noch erheblichere
Volumenvergrößerung und damit eine noch größere Verbrauchseinsparung möglich sein,
da sich der auf der Erde getankte Kraftstoff je nach Flugdauer zunehmend in Richtung
der herrschenden Aussentemperatur abkühlt.
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Mittels der erfindungsgemäßen Erwärmungseinrichtung im Bereich der
Kraftstoffzueitung können hier Temperaturdifferenzen von mehr als 1000 C~ überbrückt
'werden, die einer Volumenvergrößerung und damit Verbrauchseinsparung von mehr als
dem Doppelten des für Kraftfahrzeuge angeführten Beispiels entsprechen, die also
10% und mehr betragen.
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Ein seitlicher Punkt der erfindungsgemäßen Erwärmungseinrichtung
besteht darin, daß der Kraftstoff möglichst schnell auf den höchstzulässigen Wert
vom Vorratsbehälter zum Antriebsaggregat oder zur stationären Verbrennungsanlage
erwärmt wird, um den zum Zeitpunkt des Ingangsetzens des Antriebsaggregates
oder
der stationären Verbrennungsanlage noch nicht gegebenen Verbrauchsvorteil schnellstmöglich
zu erreichen. Es ist daher wichtig, daß die Erfindungsgemäße Erwärmungseinrichtung
bzw. heizbare Kraftstoffleitung schnell anspricht und auch so ausgelegt wird, daß
die Durchflußmenge entsprechenden Kraft-oder Brennstoffes auf dem Weg vom Vorratsbehälter
zum Antriebsaggregat oder der stationären Verbrennungsanlage die höchst zulässige
Temperatur erreicht.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindunqsgemäßen Erwärmunqseinrichtung
ist in Figur 2 dargestellt und besteht aus einem in die Kraft- oder Brennstoff leitung
3 eingebrachten und Längsrichtung ausgerichteten Heizdraht 11, dessen Heizbereich,
d.h. der Bereich geringeren Widerstandes des Heizdrahtes mit einer Kunststoffummantelung
12 versehen ist. Die Isolierung des Heizdrahtes 11 von der Aussenwand muß selbstverständlich
flüssigkeits- und gasdicht ausgeführt werden. Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung
wird der kunststoffummantelte Heizdraht 11 im Inneren der Kraft- oder Brennstoffleitung
3 allseitig von Kraft- oder Brenn-'stoff umflossen.
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Neben dieser Lösungsvariante sind jedoch auch andere, im Rahmen der
erfindungsgemäßen Lösung liegende konstruktive Ausgestaltungen der Erwärmungseinrichtung
möglich.
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Der Energiebedarf zur Aufheizen der Erwärmungseinrichtung kann vorteilhafterweise
der im allgemeinen vorhandenen bordeigenen Stronquelle (Lichtmaschine)
bei
Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen bzw. der Abgaswärme entnommen werden. Insofern
ist dann also kein nennenswerter zusätzlicher Energieaufwand nötig, allenfalls muß
eine leistungsfähiger,e,, Lichtmaschine installiert werden. Bei stationären Verbrennungsanlagen-
und Kraftwerken hängt der mit der Erwärmung des flüssigen oder gasförmigen Brennstoffes
erzielbare Vorteil im Wesentlichen von der Betriebsweise der stationären Verbrennungsanlage
und der Art des verwendeten Brennstoffes ab. Aber auch hier wird die durch die Erwärmung
zu erzielende Volumenvergrößerung des Brennstoffes den zusätzlichen Energieaufwand
für diese Erwärmung im ållgemeinen rechtfertigen.
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Wie oben ausgeführt wurde,gewährleistet die Anwendung der -erfindungsgemäßen
Vorrichtung in der Praxis eine zusätzliche Kraftstoff-Einsparung in der GröBenordnung
von etwa 4-5% bei' Kraftfahrzeugen und Schiffen und etwa 10% bei Flugzeugen. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt völlig unabhängig von allen anderen Bemühungen
zur Kraftstoffeinsparung, wie beispielsweise Verringerung des Luftwiderstand-Beiwertes,
einer verbesserten Getriebeabstufung, zunehmend verbrauchsorientierter ausgelegten
Kraftfahrzeugmotoren,dem Einsatz der Elektronik usw.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt sich auch völlig unabhängig
von der jeweils herrschenden VerkehKsdichte und der Geschwindigkeit des betreffenden
Fahrzeuges bei bewegten Antriebsaggregaten vorteilhaft aus.