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Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Gasgemisch für Brennkraftmaschinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Betriebsgas für Brennkraftmaschinen
durch Zerstäubung und nachfolgende Verdampfung eines flüssigen Brennstoffes und
t`berhitzung des Dampfes unter Verwendung der heißen Abgase der 'Maschine und besteht
darin, daß der durch Zerstäubung gewonnene, z. B. von einem Spritzvergaser gelieferte
Brennstoffnebel zunächst in an sich bekannter Weise durch schrittweise Temperaturerhöhung
in ein trockenes, homogenes Brennstof@dampf-Luft-Gemisch umgewandelt wird, wobei
durch Anwendung einer entsprechend niedrigen Temperatur ein . Aufspalten des müssigen
Brennstoffes oder eine vorzeitige Verdampfung in der Düse des Spritzvergasers vermieden
wird, daß alsdann dem trockenen, homogenen Gemisch heiße frische Abgase der Maschine
zugemischt werden. Bei der Weiterleitung des Gemisches wird dessen Temperatur über
dein Taupunkt. erhalten, so daß das Gemisch in die Verbrennungskammern der Maschine
gelangt, ohne sich an den Wandungen der augleitung niederzuschlagen.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß durch völlige Trocknung
des Gemisches und durch die Beimischung von frischen Abgasen ein besonders hoher
Kompressionsdruck ermöglicht wird, ohne daß hierbei die Gefahr von Frühzündung eintritt.
Dies ist für schnellaufende Fahrzeugmotoren von besonderer Bedeutung, bei denen
die Erhöhung des Kompressionsdruckes eine Steigerung des Wirkungsgrades und der
Leistung ermöglicht.
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Die vorteilhafte Wirkung der Beimischung heißer Abgase kann folgendermaßen
erklärt werden: Frische Abgase von Verbrennungsmotoren sind bekanntlich ionisiert,
und durch Zumischung dieser Gase zu dem Gemisch, mit dem die Maschine gespeist wird,
wird daher die Ladung ionisiert. Hierdurch wird offenbar der Verbrennungsvorgang
vorteilhaft beeinflußt.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, in die Saugleitung von Vergasermaschinen
heiße Abgase einzuleiten. Hierbei besteht jedoch. die Gefahr, daß durch die hohe
Temperatur der eingeleiteten Abgase der Brennstoff gespalten wird, wodurch schwer
siedende Stoffe entstehen, die sich an den Wandungen der Saugleitung niederschlagen
und außerdem ein Klopfen des Motors herbeiführen. Die Erfindung macht Gebrauch von
der bekannten Tatsache, daß die Temperatur, bei der Kohlenwasserstoffe aufgespalten
werden, bei dampfförmigem Aggregatzustand höher liegt als bei flüssigem. Während
bei dem bekannten Verfahren die heißen Abgase in das nicht erwärmte, nasse Gemisch
geleitet werden, wird erfindungsgemäß das Brennstoffdampf-Luft-Gemisch zunächst
so weit getrocknet, so daß es im wesentlichen keine
Brennstofftröpfchen
mehr enthält, und sodann erfolgt erst der Zusatz der frischen Abgase.
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Gleichzeitig mit oder nach der Zuinischung wird zweckmäßig die Temperatur
des trokkenen Brennstoffdampf-Luft-Gemisches durch weitere Wärmezufuhr weiter crhüht.
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Zur Ausführung des Verfahrens dient vorztrgsweise eine Brennkraftmaschine
mit Spritzvergaser, vor den ein Luftvorwärmer -eschaltet ist und dessen Saugleitung
zwischen Vergaser und -%"erbrennungskaminer mit einem Heizmantel versehen ist.
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Erfindungsgemäß führen hierbei kurze Verbindungskanäle vom Auspuffkanal
der Maschine zu einem Abschnitt der Saugleitung, dem ein Teil des Heizmantels vorgeschaltet
ist, so daß er mit einer trockenen lirennstoffdampf-Luft-i@Iischung erfüllt ist.
Die durch die Verbindungskanäle in die Saugleitung eingeleiteten heißen Abgase treffen
daher auf keine Brennstofftröpfchen mehr auf und rufen daher kein Aufspalten des
Brennstoffes hervor.
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Bei dieser Anordnung wird die Menge der Abgase, die in das Gemisch
eingeführt wir'.d, durch das in der Saugleitung herrschende Vakuum bestimmt und
daher selbsttätig den Betriebsbedingungen, insbesondere der Geschwindigkeit der
Maschine, angepaßt. Um so höher die Geschwindigkeit und damit die tlie Saugleitung
durchströmende Gasmenge ist, um so mehr Abgase werden zugemischt. so daß das Mischungsverhältnis
für alle Geschndndigkeiten ungefähr gleichbleibt. L',nterstützt wird diese Wirkung
durch den mit der Belastung der. Maschine wechselnden Druck in der Auspuffleitung.
Die- Einfüh-rung der heißen Abgase erfolgt vorzugswcise an verschiedenen
hintereinanderliegenden_Stellen der Saugleitung, so daß die Temperatur des Gemisches
schrittweise erhöht wird. Auch die Temperatur bleibt' hierbei für alle Geschwindigkeiten
im wesentlichen unveränderlich, so daß eine besondere Temperaturüberwachung bei
der Bedienung der \laschine erübrigt werden kann.
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Abb.1 zeigt in Seitenansicht eine Ausführungsform der Vorrichtung
für eine Sechszvlinrdermaschine. Der untere Teil ist im Schnitt gezeichnet. Abb.2
ist ein Querschnitt nach einer unregelmäßigen Linie der Abb. i, die dem Einlaßrohr
folgt und den Zvlinder der Maschine teilweise gebrochen zeigt. Abb.3 ist eine Oberansicht
des Erhitzers und Mischers in Abb.2 und zeigt die Einspritzlöcher. Abb. 4 ist ein
Teilschnitt durch eine Ausführungsform, bei der durch entsprechende Rohrverbindungen
die Abgase in die Mischkammer über der Vergaserdrossel eingeführt «-erden. Abb.
5 ist eine Oberansicht von Abb.4; Abb.6 stellt eine andere Ausführungsform dar.
Abb.7 stellt eine andere Ausführungsform des Einlaßrohres dar, das seiner ganzen
Länge nach ab- flacht und vom Auslaßrohr umschlossen i>t. Abb.8 gibt dann einen
unregelmäßigen senkrechten Schnitt durch das Einlaßrohr vier Abb.7, und Abb.9 ist
ein Querschnitt des aufsteigenden Teiles des Einlaßrohres nach Abb. 7 nach der Linie
12-i2 genominen.
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!n Abb. i ist i die Schwimmerkammer eines Vergasers von der üblichen
Ausführungsform. Sie steht durch die Leitung 2 in @'cnbindung mit der Hauptdüse
3 und der .H ilfsdüse 4. Die Hauptdüse ragt in das V enturirohr 5 hinein, ' durch
das hocherhitzte Luft streicht und den Brennstoff aus der Hauptdüse entnimmt. Der
untere Teil der Lufteinlaßkammer 6 des Vergasers ist mit einer Drosselklappe 7 versehen
und durch ein Rohr 8 mit dem Heizmantel 9 für einen Teil des Auslaßrohres io umgeben.
Die Hilfsdüse 4 ragt in eine Hilfsluftkammer i i hinein, die durch ein federbelastetes
Ventil 12 abgeschlossen ist und selbsttätig geöffnet wird, wenn der Vakuumdruck
einen im voraus bestimmten Wert annimmt. Alsdann tritt hocherhitzte Luft ein, die
den Brennstoff von der Nebendüse 4 entnimmt. Beide Gemischströme vereinigen sich
dann in der Kammer 13 über dem Venburirohr. Die Hilfsluft wird durch ein
Rohr 14 angesaugt, das durch ein Rohr i4a mit dem Mantel i5 des Auslaßrohres io
verbunden ist. Die Bohrungen der Düsen 3 und .4 sind bei Anwendung der Erfindung
zweckmäßig von kleinerem Querschnitt als bei Verwendung des üblichen nassen Gemisches.
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Das durch die Kammer 13 strömende Gemisch tritt weiter in ein Venturirohr
16 ein. Dieses ist mit einem einstellbaren Drossel 17 verseben und mündet in eine
Kammer 2o mit einem sich drehenden Mischer 21, der auf einem Konso122 gelagert ist.
Das in der Kammer 20 eintretende und nach aufwärts strömende Gemisch setzt den Mischer
21 mit Hilfe von Flügeln 23 (Abb.2) in schnelle Umdrehung, wodurch eine weitgehende
Verteilung oder Atomisierung und Homogenisierung des Gemisches erreicht wird. Zugleich
wird die Kammer 2o durch die Abgase hocherhitzt. Sie eröffnet sich dann in eine
Kammer 2q., die zwischen einem inneren kugelförmigen Behälter 25 und einem äußeren,
ihn unter .Belassung eines Abstandes, eben der Kammer 24, umfassenden ebenfalls
kugelförmigen Behälter 26 verbleibt. Der äußere Behälter 26 wieder ist von einem
Mantel 27 umgeben, während der innere durch Rohre 28 und 29 mit dem Auslaßrohr
3o
in Verbindung steht, so daß lebendige Abgase unmittelbar aus dem Auslaßrohr der
Maschine in das Innere des Behälters 25 gelangen können. Nachdem diese Abgase den
Behälter durchströmt haben. treten sie durch ein kurzes Rohr 31 in den Heizmantel
27 ein und heizen so die Außenseite des äußeren Behälters 26. Der Mantel 27 erstreckt
sich nach abwärts und überdeckt hier die Kammer 2o des Mischers. so daß auch diese
von den schließlich durch ein Rohr 32 austretenden Abgasen geheizt wird. Die Anordnung
ist also so, daß das Gemisch in eine verhältnismäßig dünne Lage ausgebreitet wird
zwischen den beiden kugelförmigen Behältern und hier von innen sowohl wie von außen
geheizt wird. Diese -Anordnung ermöglicht eine außerordentlich schnelle Temperaturerhöhung.
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Das Einlaßrolir umfaßt einen gebogenen Rohrabschnitt 34 (Abb. 2),
der den eintretenden Gasgemischstront um einen Winkel von etwa 9o° aus der früheren
Richtung ablenkt. Au das entgegengesetzte Ende 35 des gebogenen Rohrabschnittes
34 schließen zwei abgeflachte, schräg nach unten sich erstreckende Kanäle 36 sich
an, die am unteren Ende in eine Kammer 37 auslaufen. jede dieser Kammern überdeckt
drei der Einlaßöffnungen 38 der Maschine. Vermöge der Abflachung der Kanäle 36 wird
hier wieder das Gemisch in verhältnismäßig dünnen Schichten gebracht, :o daß es
bis über den Taupunkt erhitzt erhalten wird und die Eigenschaften eines homogenen
Gases nicht verliert.
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Dieses Auslaßrohr 3o ist zur Erreichung des erwähnten Zweckes ebenfalls
als flache Kammer mit den Wänden 39 ausgebildet, die parallel mit den flachen Gas:getnischkammern
P laufen. .Das Auslaßrohr läuft in eine enge Kammer 40 aus, die sich quer
zu den Maschinenzylindern erstreckt und die Auslaßöfinungen 41 abdeckt (Abb. i).
Die Gestalt der Auslaßöffnungen und ihre Verbindungen mit der erwähnten Kammer sind
in Abb. 2 punktiert dargestellt. Das obere Ende der Auslaßkammer 3o hat einen nach
auswärts sich erstreckenden Tei142, der den oberen, abgebogenen Abschnitt 34 des
Gemischeinführungsrohres umgibt, so daß auch dieser durch die Abgase geheizt wird.
Durch eine Öffnung 43 steht diese Kammer 42 in Verbindung mit einem Ende des halbkreisförmigen
Abschnittes 44 des Auslaßrohres, dessen elitgegengesetztes Ende 45 mit dem nach
ab-%@-:irts sich erstreckenden Rohrkanal io verhunden ist. Dieser ist, wie schon
oben erwähnt, mit dem Lufterhitzungsmantel9 und i; ausgerüstet (Abb. i).
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Die Einlaßrohre samt Heizer und Mischer sowohl als auch der obere
Abschnitt 44 des Attslaßrohres sind vorzugsweise mit einer warmhaltenden Haube 46,
47 umgeben.
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Erfindungsgemäß ist nun das obere Ende des inneren kugelförmigen Behälters
25 finit kleinen Löchern 52 (Abb. = und 3) versehen. cl:e einen bestimmten Teil
der Abgase in da; G=emisch austreten lasen, nachdem dieses den baum 24 zwischen
dein inneren und dein äußeren kugelförmigen Behälter durchströmt hat und im wesentlichen
getrocknet ist. Zahl und Querschnitt der Löcher 5= können der Art der benutzten
Brennstoffe und .der Größe c:ur Maschine angepaßt werden, mit dein Ziel. dien Grad
der erforderlichen Verdünnung und Druck und Temperatur des Gemisches bei seinem
Einströmen in - das Einlaßrolir zu regeln. Anstatt der einfachen Löcher 52 kan:1
man auch eine Düse verwenden, wie sie bei :;3 in Abb. i dargesetellt ist.
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Wie schon erwähnt, können Abgase an verschieden gelegenen Punkten
- eingeführt und vorzugsweise ein gewisser Anteil der ver-, tliinnten Abgase auch
unmittelbar in die vorerhitzte Luft eingeführt werden in den Rohreif 8 und 14.9
(Abb. i). Es ist hierbei jedoch darauf zu achten, daß die Lufttemperatur nicht diejenige
Grenze erreicht, bei der der flüssige Brennstoff gespalten würde. Zu diesem Zweck
ist die Wandung des Auslaßrohres io gegenüber den Rohren 8 und 14" ungefähr in der
Achsenrichtung dieser Rohre mit Löchern versehen, und durch diese sind kurze Rohrstücke
54 und 55 eingerührt, durch die ein gewisser Teil der Abgase in die vorerhitzte
Verbrennungsluft eingeführt und mit dieser vermischt wird, bevor er die Zerstäuberdüse
erreicht.
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Versuche haben ergeben, daß -die Einführung von hocherhitzten Abgasen
in die vorerhitzte Luft namentlich dazu beiträgt, die Temperatur der letzteren sehr
schnell zu erhöhen.
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Es findet stets ein starker Temperaturabfall im Gemisch statt, nachdem
die vorerhitzte Luft den Brennstoff aus dem Vergaser oder der sonstigen Gasabmessungsvorrichtung
aufgenommen hat, insbesondere über dem Drosselventil 17 (Abb. i). Das beruht auf
dem Wärmeverbrauch infolge der Verdampfung und während der Expansion nach dein Passieren
des Drosselventils. Demgemäß empfiehlt es sich, einen Teil der Verbrennungsgase
in der V entilkaminer 16 in das Gemisch einzuspritzen, wie in den Abb.4 bis 6 angedeutet
ist. In Abb. 4 ist das Auslaßrohr mit einer Düse 56 versehen, die durch ein Rohr
57 mit Verzweigungen 5` (Abb. 5 i mit der Kammer 16 verbunden ist. Die Düse 56 zapft
daher Abgase aus dein Auslaßrohr ab, die sich zunächst in dein Rohr 57, 58 abkühlen
und dann in die Kammer 16 eingeführt
werden und daher gerade an
dieser Stelle die Temperatur des Gemisches wieder erhöhen, ohne aber den noch flüssigen
Brennstoff zu spalten. Die Einführung von bereits abgekühlten Abgasen in den oberen
Teil des Vergasers oder in die Ventilkammer 16 ist auch unmittelbar aus dem Heizmantel
2; möglich, wie in Abb. 6 dargestellt. Hier sind von dem erwähnten Heizmantel zwei
Rohre 9 und 6o abgezweigt, die in die Ventilkammer 16 münden und in diese einen
Teil der Abgase aus dem Heizmantel einführen.
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Es empfiehlt sich, die Düsen 54 und 55, ebenso wie diejenige 53 oder
die Löcher 52, einstellbar zu machen.
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Zur Einführung der Verdünnungsgase an verschiedenen Stellen entlang
dem Einlaßrohr dienen Löcher oder Düsen 61. Hierdurch wird eine weitere Temperaturerhöhung
herbeigeführt, die an dieser Stelle deswegen besonders nützlich ist, weil der Gasgemischstrom
sich in zwei Zweige teilt (da er die beiden flachgedrückten Teile des Einlaßrohres
.durchströmt) und hierbei eine geeignete Temperaturerhöhung und die Hervorrufung
von Wizbelbewegungen ein gleichmäßiges Durchfließen beider Zweige erfordert.
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Schließlich empfiehlt sich unter Umständen die Einführung eines Teiles
der Abgase in das Gasgemisch auch noch beim Eintritt in die Ventilkammer 38 (Abb.
i und 2). Diesem Zweck dienen Düsen 62 (Abb. a), die die Abgase wiederum aus dem
Heizmantel 30
entnehmen. Die Folge davon ist eine neue Tomperaturerhöhung
an dieser Stelle, die den Temperaturabfall ausgleicht, der beim Übertreten des Gemisches
aus dein Einlaßrohr durch die Ventilkammer in den Verbrennungsraum des Zylinders
vor sich geht.
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In -den Abb. 7 bis 9 ist die Anwendung der Erfindung bei einer besonderen
Bauart des Einlaßrohres erläutert, bei der das Rohr abgeflacht und das Gemisch dadurch
sowohl im aufsteigenden Ast wie in den Zweigleitungen in die Form einer verhältnismäßig
dünnen Schicht gebracht ist. Das Einlaßrohr besteht hier aus dem aufsteigenden Ast
75 und den Zweigästen 76, die zusammen in das Gehäuse 77 eingeschlossen sind, das
überall in gleichem Abstand die abgeflachten Seitenwände des Einlaßrohres umgibt.
Abb. 8 zeigt einen Ouerschnitt durch den aufsteigenden Ast und einen der Seitenäste.
Die Abgase treten durch eine öffnung 78 ein und streichen an den Wandungen des Einlaßrohres
vorüber in entgegengesetzter Richtung wie die Strömungsrichtung des Gemisches. Infolge
der Wärmeübertragung durch die Wandung hindurch wird daher der Gemischstrom im Gegenstromprinzip
erhitzt. Die Einlaßkanimer 77 setzt sich nach abwärts um den aufsteigenden Ast 75
des Einlaßrohres fort und ist bei 79 nach auswärts gewölbt, wo sie an das Auslaßrohr
8o angeschlossen ist (Abb. 7). Das untere, oben offene Ende Si des aufsteigenden
Astes 75 des Einlaßrohres schließt an den Vergaser 16 an. Die Zweigäste 76 sind
nach seitwärts ausgezogen, wie bei 8a in Abb.7 punktiert angedeutet. und überdecken
die Einlaßöffnungen 83. Es ist ersichtlich, daß die flache Form des Einlaßrohres
7 5 und der Zweigrohre 7 6 eine schnelle Wärmeübertragung von den Auslaßgasen in
das Gemisch befördert.
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In Anwendung der Erfindung werden bei dieser Bauart durch Bohrungen
85 in den Trennungswänden heiße Abgase in das Einlaßrohr eingeführt, da's an dieser
Stelle von bereits getrocknetem Gemisch durchströmt wird. Weiter unten sind Bohrungen
84 vorgesehen, durch die bereits erheblich gekühlte Abgase, die kein Spalten des
flüssigen Brennstoffes herbeiführen können, in den Gemischstrom eingeblasen werden,
um dessen Trocknen zu beschleunigen.
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Schließlich kann auch' hier wieder die Einführung von Abgasen in die
Ventilkammer vorgenommen werden, z. B. durch Bohrungen 86 (Abb. 8).