DE3339759A1 - Verfahren und aufbereitungsanlage zum erzeugen eines zuendfaehigen kraftstoff/luft-gemisches fuer verbrennungskraftmaschinen - Google Patents

Description

• Verfahren und Aufbereitungsanlage zum Erzeugen eines
• zündfähigen l<raftstoff/Luft-Gemisches für Verbrennungskraftmaschinen Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Aufbereitungsanlage zum Erzeugen eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemisches für Verbrennungskraftmaschinen, wobei angesaugte uft vorgewärmt, anschließend in einem Ver;aser Kraftstoff in den Luftstrom eingemischt und die Temperatur des erzeugten Kraftstoff/Luft-Gemisches auf dem Wege durch das beheizte Gemischansaugrohr zu den Verbrennungsräumen in einem vorgegebenen Temperaturbereich gehalten wird.
• Es ist bekannt (GB-PS 222 765), angesaugte Außenluft in einem Vergaser mit Kraftstoff zu beladen und den Gemischstrom mittels eines Hosenrohres in zwei Teilströme aufzuteilen; einen Teilstrom über die Rohrwandung durch heiße Abgase aufzuheizen; beide Teilströme anschließend wieder zusammenzuführen und die Temperatur dieses Gesamtstromes vor Eintritt in den Verbrennungsraum zu messen. In Abhängigkeit dieses Meßwertes wird eine die Aufteilung des Gemischstromes bewirkende Klappe in der Weise beeinflußt, daß - je nach Abweichung vom Sollwert - diese Klappe in der einen oder anderen Richtung verstellt wird, um auf diese Weise durch einen größeren Anteil an nicht vorgewärmtem Gemisch erforderlichenfalls die Temperatur des Gesamtstromes zu verringern oder durch Vergrößerung der vorgewärmten Gemischmenge zu erhöhen, um eine gewünschte Solltemperatur einzuhalten.
• Da der Weg des Gemischstromes zwischen Vergaser und den Verbrennungsräumen möglichst kurz gehalten werden muß, um die Rekondensati-on des Kraftstoffes zu vermeiden, müßte man das Aufheizen des einen Gemischteiles in sehr kurzer Zeit, also unter hohen Temperaturen, durchführen. Bei stark wechselnden Belastungen, wie beispielsweise im Stadtverkehr, würde aber die nachwirkende hohe Heiztemperatur bei niederem Lastbetrieb oder im Leerlauf den Füllungsgrad so sehr verschlechtern, daß beim erneuten Beschleunigen ein Leistungseinbruch des Motors entstünde.
• Es ist weiterhin bekannt, die Ansaugluft auf verschiedene Weisen durch Abgase, Kühlwasser oder elektrische Heizungen zu erwärmen. Diese Heizeinrichtungen sind in der Regel mit einem Thermostat ausgestattet, welches auf einen engen Sollwertbereich eingestellt ist und bei Erreichen eines oberen Grenzwertes die Heizeinrichtung abschaltet und bei Erreichen des unteren Grenzwertes wieder einschaltet. Eine elektrische Dauerheizung ist wegen der starken Batteriebeanspruchung bisher nur in der Theorie möglich. Die motorabhängigen Wärmequellen, wie Abgas und Kühlwasser, sind durch den schon erwähnten unterschiedlichen Lastbetrieb so starken Schwankungen unterworfen, daß das Thermostat bei hohen Wärmestößen seiner Aufgabe nicht mehr gerecht wird und viel zu oft schalten muß, was sich auf die Temperaturführung der Ansaugluft als relativ kurze, periodische Schwankungen auswirkt und die Kraftstoff-Vernebelung nachteilig beeinflußt.
• Das Ziel, durch geeignete Temperaturführung des Gemischstromes im Ansaugrohr das Rekondensieren von Kraftstoff zu vermeiden bzw. rekondensierten Kraftstoff wieder zu verdampfen, hat man dahingehend zu erreichen versucht, daß man auch das Ansaugrohr durch innen oder außen angeordnete Heizungen ausgestattet hat, welche ebenfalls mit den vorerwähnten verschiedenen Wärmequellen betrieben werden können. Innerhalb des Ansaugrohres angeordnete Wärmequellen bergen die Gefahr in sich, daß sie als Strömungshindernisse der Abscheidung des Kraftstoffnebels Vorschub leisten und damit ihrem eigentlichen Zweck, die Rekondensation zu verhindern, zuwiderlaufen. Zugleich mit dem Ansaugrohr zugeordneten Heizeinrichtungen hat man auch bereits in der Sohle der Innenwandung des Ansaugrohres zu den Verbrennungsräumen führende Sammelkanäle für rekondensierten Kraftstoff vorgesehen. Dieser Kraftstoff wird aber von dem Gemischstrom in Form einer Bachströmung in die Verbrennungsräume gefördert, denn zur Verdampfung besteht keine ausreichende Zeit. Er gelangt somit ohne Vermischung mit Luft in den Verbrennungsraum und verbrennt dementsprechend schlecht, wodurch die Abgase auch noch mit hohen Schadstoffanteilen belastet werden.
• Es besteht die Aufgabe, ein Verfahren und eine Aufbereitungsanlage zum Erzeugen eines zündfähigen Kraftstoff/-Luft-Gemisches für Verbrennungskraftmaschinen zu schaffen, womit eine optimale Energieausbeute des Kraftstoffes Dei optimaler Verbrennung, niedriger Abgastemperatur und Schadstofffreiheit der Abgase erzielt wird, indem durch geeignete Temperaturführung der Füllungsgrad des Kraftstoff/Luft-Gemisches optimiert wird und indem vermieden wird, daß rekondensierender Kraftstoff in flüssiger Form, d. h. ohne Vermischung mit Luft, in die Verbrennungsräume gelangt.
• Das neue Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die Temperatur des Kraftstoff/Luft-Gemisches vor dem Eintritt in mindestens einen der Verbrennungsräume der Verbrennungskraftmaschine gemessen und - in Abhängigkeit von diesem Meßwert - vorgewärmte und nicht vorgewärmte Luft bei gleichbleibendem Gesamtströmungsquerschnitt durch reziprokes Verändern der Einzelströmungsquerschnitte in solchem Verhältnis zusammengeführt und anschließend vermischt werden, daß die Temperatur des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Bereich von etwa 45 bis 65 0C - und zwar der 0 idealen Gemischtemperatur von 56 C möglichst nahekommend -gehalten wird, und daß rekondensierender Kraftstoff in in der Innenwandung der Rohrsohle des Gemischansaugrohres angeordneten Verweil-Reservoirs gespeichert wird, welche auf einer mindestens der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes entsprechenden Temperatur gehalten werden.
• Dadurch wird erreicht, daß durch die Einhaltung des besagten Temperaturbereiches ein optimaler Füllungsgrad bei homogener Vermischung von Kraftstoff und Luft eingestellt wird. Von dieser Seite sind also durch das neue Verfahren die besten Voraussetzungen für einen optimalen Verbrennungsablauf gegeben. Neben dem optimalen Füllungsgrad des Kraftstoff/Luft-Gemisches wird durch die besondere Art der Wiederverdampfung des rekondensierten Kraftstoffes im Ansaugrohr dieser Füllungsgrad aufrechterhalten, so daß kein Kraftstoff ohne Vermischung m; t Luft in die Verbrennungsräume gelangt. Es versteht sich dabei von selbst, daß die Heizeinrichtung des Gemischansaugrohres über die Verweil-Reservoirs hinaus keine zu starke Wärmestrahlung in das Innere des Gemischansaugrohres abgeben sollte, um bei durch unterschiedliche Belastungen auftretenden Wärmestößen den Füllungsgrad nicht nachteilig zu verändern.
• Durch entsprechende Gestaltung der Heizeinrichtung oder gegebenenfalls durch Vorkühlung des Heizmittels läßt sich erreichen, daß die Heiztemperatur in vorteilhafter Weise nur unwesentlich über der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes liegt. Dies wird durch eine ausreichend große Wärmeübergangsfläche begünstigt.
• Nach einer Weiterbildung des neuen Verfahrens wird der Feuchtigkeitsgehalt des Luftstromes vor der Vermischung mit dem Kraftstoff durch Zugabe von Wasser in fein verteilter Form auf eine relative Luftfeuchtigkeit von mindestens 80 % angereichert.
• Entgegen den üblichen Bestrebungen, einen größeren Teil des Kraftstoffes durch Wasser zu ersetzen, ist dies hier nicht beabsichtigt. Der Wasseranteil soll unter 5 Gew.-, vorzugsweise um 2 Gew.-%, liegen. Dabei soll eine Obersättigung des Kraftstoff/Luft-Gemisches mit Wasserdampf vermieden werden, um Wasserabscheidungen zu verhindern.
• Die geringe Wassermenge begünstigt den Verbrennungsvorgang. Ein Stottern oder gar Aussetzen des Motors, woran die Zugabe größerer Wassermengen in der Praxis bisher gescheitert ist, tritt hier nicht auf.
• Die neue Aufbereitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem in einem Abschnitt als Doppelrohr ausgebildeten Luftansaugrohr, wobei einem Arm dieses Doppelrohres eine Beheizungseinrichtung zugeordnet ist; einem hinter dem Luftansaugrohr vorgesehenen Vergaser mit Kraftstoffzuführung; einem vom Vergaser zu den Verbrennungsräumen einer Verbrennungskraftmaschine führenden Gemischansaugrohr; einem im Gemischansaugrohr vor dem Eingang mindestens eines der Verbrennungsräume angeordneten Temperaturfühler, welcher einen Teil eines Regelkreises darstellt, dessen Stellglied aus einer in die beiden Strömungsquerschnitte der Arme des Doppelrohres eingreifenden, diese Querschnitte in reziproker Größe freigebenden bzw. abdeckenden Blende besteht; aus als Verweil-Reservoirs ausgebildeten, in der Sohle der Innenwandung des Gemischansaugrohres angeordneten Vertiefungen; und einer sich mindestens über jenen Bereich der Außenwandung des Gemischansaugrohres erstreckenden Beheizungseinrichtung, in welchem in der Innenwandung die Verweil-Reservoirs angeordnet sind.
• Die erfinderische Gestaltung der neuen Gemischaufbereitungsanlage beruht im wesentlichen auf der Kombination einer neuartigen Ausführungsform der Anlage zur Luftaufbereitung und aus einer neuen Ausführungsform des Gemischansaugrohres, um rekondensierenden Kraftstoff zu verdampfen. Die GB-PS 222 765 zeigt zwar hinsichtlich der Luftaufbereitung eine auf den ersten Blick äquivalent wirkende Konstruktion; jedoch ist dort das Gemischansaugrohr als Doppelrohr ausgeführt, wobei der Vergaser vor diesem Doppelrohr angeordnet ist. Wegen der niederen Lufttemperatur bei Vernebelung des Kraftstoffes durch den Vergaser ist dieser Vorgang weniger effektiv als bei der neuen Anordnung des Doppelrohres vor dem Vergaser, denn infolge der höheren Lufttemperatur ist die Kraftstoffverdüsung effektiver, und der Anteil rekondensierenden Kraftstoffes ist wesentlich geringer als bei der vorbekannten Anlage.
• Es ist zwar allgemein bekannt, die angesaugte Luft und/ oder das Kraftstoff/Luft-Gemisch vorzuwärmen. Soweit dabei überhaupt eine Regelvorrichtung vorgesehen ist, arbeitet diese mit Unterbrechung der Wärmezufuhr bei überschreiten eines oberen Grenzwertes. Bei Erreichen eines unteren Grenzwertes wird die Wärmezufuhr wieder geöffnet.
• Dieser Pendel vorgang wirkt sich auf die Verdüsung des Kraftstoffes nachteilig aus.
• Die bisher bekannten Beheizungseinrichtungen für das Gemischansaugrohr haben verschiedene Nachteile. Innerhalb des Gemischansaugrohres vorgesehene Beheizungseinrichtungen haben den Nachteil, daß sich hinter ihnen infolge der dadurch bedingten Strömungsverhältnisse der im Luft- strom vernebelte Kraftstoff leicht abscheidet. In der Rohrsohle der Innenwandung des Gemischansaugrohres vorgesehene, in Richtung der Verbrennungsräume führende Kanäle sind ebenfalls bekannt und dienen zum Sammeln des rekondensierten Kraftstoffes, welcher dann als Bach in die Zylinderräume strömt. Dadurch wird die Verbrennung ungünstig beeinfluß.
• Nach einer besonderen Ausführungsform der Aufbereitungsanlage ist zwischen dem Doppelrohr des Luftansaugrohres und dem Vergaser eine Luftbefeuchtungsstation angeordnet.
• Auf diese Weise wird die Anreicherung des Luftstromes mit Feuchtigkeit ermöglicht, was die Verbrennung begünstigt.
• In der Zeichnung ist die neue Gemischaufbereitungsanlage im Aufbau- und Funktionsschema dargestellt, wobei auf die wirklichen Größenverhältnisse der einzelnen Teile zueinander der besseren Verdeutlichung wegen keine Rücksicht genommen wurde. Es zeigen: Fig. 1 die Aufbereitungsanlage in der Draufsicht, Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie A-B in Fig. 1 und Fig. 3 einen Schnitt gemäß Linie C-D in Fig. 1.
• Das Luftansaugrohr 1 weist einen als Doppelrohr 2 ausgebildeten Abschnitt auf. Durch beide Arme 3, 4 wird frische Außenluft angesaugt. Der Arm 4 ist mit einer Heizvorrichtung 5 versehen, um die durch diesen Arm 4 angesaugte Außenluft aufzuheizen. Ausgangsseitig ist den Armen 3, 4 eine gemeinsame Blende 6 zugeordnet. In einer hinter der Vereinigungsstelle 7 der Arme 3, 4 anschließenden Kammer 8 ist ein Luftfilter 9 vorgesehen, welchem eine Befeuchtungsstation 10 nachgeordnet ist. Sie besteht im einzel- nen aus einem mit einem Heizmantel 11 versehenen Wasservorratsbehälter 12 und einer Zuleitung 13, welche über eine Dosierpumpe 14 zu einer in die Kammer 8 weisenden sprühdüse 15 führt. Unterhalb der Sprühdüse 15 ist ein schräg angestelltes Faservlies 16 angeordnet. Der Luftstrom nimmt beim Darüber- und Hindurchstreichen Feuchtigkeit auf. Die derart mit Wasser angereicherte Luft gelangt nun in einen Vergaser 17, in welchem in üblicher Weise ein Kraftstoff/Luft-Gemisch hergestellt wira. Zwischen Vergaser 17 und einer wassergekühlten Verbrennungskraftmaschine 18 erstreckt sich ein Gemischansaugrohr 19. Dieses ist an der unteren Außenwandung 20 mit einem Heizmantel 21 versehen, welcher über eine Kühlmittel-Zuleitung 22 und -Ableitung 23 mit dem Kühlwasser-Kreislauf der Verbrennungskraftmaschine 18 verbunden ist. In der Kühlmittel-Zuleitung 22 ist ein Absperrhahn 24 angeordnet, welcher gegebenenfalls auch als Regelventil ausgebildet sein kann.
• Die Sohle 25 der Innenwandung 26 des Gemischansaugrohres 19 weist als Verweil-Reservoirs 27 dienende Vertiefungen auf. Ihre verschiedenen Gestaltungsmöglichkeiten in Form von Näpfen oder Staukanälen sind angedeutet. In ihnen sammelt sich rekondensierter Kraftstoff an und wird wieder verdampft, so daß nur mit Luft vermischter Kraftstoff in die Verbrennungsräume 28 gelangt. Vor einem dieser Verbrennungsräume 28 ist im Gemischansaugrohr 19 ein Temperaturmeßfühler 29 vorgesehen. Er steht über einen Meßwertwandler 30, Impulsgeber 31 und Stellmotor 32 mit einem Kurbeltrieb 33 für die Blende 6 in Verbindung. Von den Verbrennungsräumen 28 der Verbrennungskraftmaschine 18 führt ein Abgassammelrohr 34 zu einem anschließenden Auspuffrohr 35 mit Auspufftopf 36. Vor dem Auspufftopf 36 ist ein Frischluft-Aufwärmer 37 angeordnet, in welchen durch nicht dargestellte Oeffnungen Außenluft gelangt, erwärmt wird und über die Leitung 38 sowohl dem Heizmantel 11 des Wasservorratsbehälters 12 als auch der Heizvorrichtung 5 des Armes 4 des Doppelrohres 2 zugeführt wird. Nach der Wärmeabgabe gelangt diese Heizluft durch Stutzen 39 bzw. 40 ins Freie.
• Vergleichsbeispiel Als Fahrzeug fand ein entsprechend der Erfindung umgebauter VW-Jetta Verwendung. Für das serienmäßige Fahrzeug lauten die Werksangaben: Hubraum: 1439 ccm Leistung: 51 kW bei 5600 Upm Höchstgeschwindigkeit: 156 km/h Verbrauch nach DIN 70030, Teil 1 (Ausgabe Juli 1978): bei 90 km/h - 6,5 1/100 km bei 120 km/h - 9,2 1/100 km.
• Mit dem umgebauten Fahrzeug wurden bei einer Zuführung von etwa 2 Gew.-% Wasser zur Ansaugluft folgende Verbrauchswerte erreicht: bei 90 km/h - 5,5 1/100 km bei 120 km/h - 7,6 1/100 km.

Claims (4)

1. Patentansprüche 5 Verfahren zum Erzeugen eines zündfähigen Kraftstoff/Luft-Gemiscnes für Verbrennungskraftmaschinen (18), wobei angesaugte Luft vorgewärmt, anschließend in einem Vergaser (17) Kraftstoff in den Luftstrom eingemischt und die Temperatur des erzeugten Kraftstoff/Luft-Gemisches auf dem Wege durch das beheizte Gemischansaugrohr (19) zu den Verbrennungsräumen (28) in einem vorgegebenen Temperaturbereich gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Kraftstoff/Luft-Gemisches vor dem Eintritt in mindestens einen der Verbrennungsräume (28) der Verbrennungskraftmaschine (18) gemessen und - in Abhängigkeit von diesem Meßwert - vorgewärmte und nicht vorgewärmte Luft bei gleichbleibendem Gesamtströmungsquerschnitt durch reziprokes Verändern der Einzelströmungsquerschnitte in solchem Verhältnis zusammengeführt und anschließend vermischt werden, daß die Temperatur des Kraftstoff/Luft-Gemisches im Bereich von etwa 45 bis 650 C - und zwar der 0 idealen Gemischtemperatur von 56°C möglichst nahe kommend -gehalten wird; und daß rekondensierender Kraftstoff in in der Innenwandung (26) der Rohrsohle (25) des Gemischansaugrohres (19) angeordneten Verweil-Reservoirs (27) gesammelt wird, welche auf einer mindestens der Verdampfungstemperatur des Kraftstoffes entsprechenden Temperatur gehalten werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitsgehalt des Luftstromes vor der Vermischung mit dem Kraftstoff durch Zugabe von Wasser in feinverteilter Form auf eine relative Luftfeuchtigkeit von mindestens 80 % angereichert wird.
3. 3. Aufbereitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, bestehend aus einem in einem Abschnitt als Doppelrohr (2) ausgebildeten Luftansaugrohr (1), wobei einem Arm (4) dieses Doppelrohres (2) eine Beheizungseinrichtung (5) zugeordnet ist; einem hinter dem Luftansaugrohr (1) vorgesehenen Vergaser (17) mit Kraftstoffzuführung und einem vom Vergaser (17) zu den Verbrennungsräumen (28) einer Verbrennungskraftmaschine (18) führenden Gemischansaugrohr (19); einem im Gemischansaugrohr (19) vor dem Eingang mindestens eines der Verbrennungsräume (28) angeordneten Temperaturfühler (29), welcher einen Teil eines Regelkreises darstellt, dessen Stellglied aus einer in die beiden Strömungsquerschnitte der Arme (3, 4) des Doppelrohres (2) eingreifenden, diese Querschnitte in reziproker Größe freigebenden bzw. abdeckenden Blende (6) besteht; aus als Verweil-Reservoirs (27) ausgebildeten, in der Sohle (25) der Innenwandung (26) des Gemischansaugrohres (19) angeordneten Vertiefungen und einer sich mindestens über jenen Bereich der Außenwandung (20) des Gemischansaugrohres (19) erstreckenden Beheizungseinrichtung (21), in welchem in der Innenwandung (26) die Verweil-Reservoirs (27) angeordnet sind.
4. 4. Aufbereitungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Doppelrohr (2) des Luftansaugrohres (1) und dem Vergaser (17) eine Luftbefeuchtungsstation (10) angeordnet ist.