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Verfahren und Vorrichtung zur luftlosen Einführung flüssigen Brennstoffs
in gasförmigem Zustand in den Arbeitsraum einer Brennkraftmaschine Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine zur Durchführung dieses Verfahrens dienende,
Vorrichtung zur luftlosen Einführung flüssigen Brennstoffs in gasförmigem Zustand
in den Arbeitsraum einer Brennkraftmaschine.
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Es ist bereits bekannt, bei Brennkraftmaschinen flüssigen Brennstoff
durch eine spaltförmige Austrittsöffnung mit einer hohen, 2q.5 m in der Sekunde
überschreitenden Geschwindigkeit in den Verdichtungsraum so einzupressen, daß der
Brennstoff in nahezu gasförmigen Zustand übergeführt ist. Dieses Ziel wird jedoch
bei den bekannten Einrichtungen auf verhältnismäßig umständliche Weise erreicht.
Um die äußerst feine Verteilung des Brennstoffs zu erreichen, wird dieser durch
eine Reihe von Kanälen mit immer kleiner werdenden Ouerschnitten und ferner über
scharfe Kanten geführt. Hierbei ist der Brennstoff noch häufigen Richtungsänderungen
unterworfen. Diese bei den bekannten Verfahren zur Erreichung der äußerst feinen
Brennstoffzerteilung notwendige Brennstoffführung innerhalb des Einspritzventils
macht die Verwendung erheblich verwickelter Ventile erforderlich.
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Dieser Nachteil wird nach der Erfindung dadurch vermieden, daß der
flüssige Brennstoff mit einer bei Dieselmaschinen bekannten hohen, zweckmäßig 245
m in der Sekunde überschreitenden Geschwindigkeit durch eine an sich bekannte Zerstäubereinrichtung
mit feststehender Nadel und unter dem Brennstoffdruck sich durchbiegender, die Spritzöffnung
enthaltender Membranplatte hindurchgepreßt wird. Die Verwendung der wenig empfindlichen
und äußerst widerstandsfähigen Membranventile bei Dieselmaschinen zur Einführung
des Brennstoffs in den Arbeitsraum der Maschine ermöglicht eine sehr einfache Ventilanordnung
bei diesen Maschinen und eine beliebige Verstärkung besonders belasteter Ventilteile.
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Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird in dem Einspritzventil
zweckmäßig eine Membran verwendet, die aus einer Mehrzahl aufeinanderliegender und
mit der Durchtrittsöffnung für den Brennstoff versehener Platten aus nachgiebigem
Baustoff besteht. Hierdurch ist die Durchbiegbarkeit der Membran erheblich verringert,
so daß Spritzöffnungsweiten unter dem Druck des Brennstoffs von nur Bruchteilen
eines Millimeters erzielbar sind. Bei einer Durchtrittsweite der Spritzöffnung von
beispielsweise nur 0,075 mm wird der unter hohem Druck stehende Brennstoff
beim Durchgang durch
diese feine Öffnung so vollkommen zerteilt,
daß er praktisch nicht mehr als Flüssigkeit, sondern als Gas zu betrachten ist.
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Da eine beim Betrieb der Brennkraftmaschine sehr leicht eintretende,
selbst geringfügige Erweiterung der Spritzöffnung infolge Abnutzung ihres Randes
die Vorteile vernichtet, die durch die Verringerung der Durchbiegbarkeit der Membran
erreicht sind, ist nach der Erfindung mit der obersten Membranplatte ein Einsatzkörper
auswechselbar verbunden, der den Ventilsitz und einen sich an diesen anschließenden
Spritzkanal aufweist. Hierdurch ist einerseits die Gefahr der Abnutzung verringert,
da der Einsatzkörper nicht, wie die Membran, nachgiebig ausgebildet zu sein braucht,
anderseits braucht nur der Einsatzkörper ausgewechselt zu werden, wenn sich Betriebsstörungen
bei der Zündung zeigen.
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'Nach der Erfindung wachsen die Durchschnittsquerschnitte der Membranplatten
in Richtung des ausgespritzten Brennstoffstrahles. Es entsteht daher eine trichterförmige
Öffnung, so daß einerseits eine gleichmäßige Verteilung des nahezu in gasförmigen
Zustand übergeführten Brennstoffs gewährleistet ist, anderseits steht hierdurch
dem Brennstoff der zu seiner Ausdehnung erforderliche Raum unmittelbar hinter der
Durchtrittsöffnung der obersten Platte zur Verfügung.
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Zweckmäßig sind die einzelnen Platten der 'Membran aus verschiedenen
Baustoffen hergestellt. Hierdurch ist der Vorteil erreicht, daß die Nachgiebigkeit
der Membran unter Beibehaltung ihrer Stärke beliebig dadurch geändert werden kann,
daß je nach den Erfordernissen einzelne Platten gegen andere der gleichen Stärke,
jedoch verschiedener Nachgiebigkeit, ausgewechselt werden kön-
nen.
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Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt.
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Abb. i stellt einen Längsschnitt und teilweise eine Ansicht des Einspritzventils
dar. Abb. 2 ist ein in- größerem Maßstabe gezeichneter Querschnitt des unteren Teils
des Ventils. Abb. 3 ist ein Querschnitt der Hauptventilscheibe in größerem Maßstabe.
Abb. q. zeigt einen Querschnitt des in den Abb. i und 2 dargestellten Ventilsitzes
in größerem Maßstabe. Abb. 5 stellt eine Abänderungsform des Ventilsitzes nach Abb.
q. dar. Abb. 6 ist eine Abänderungsform der Membranplatte nach Abb. 2. Abb: 7 ist
eine weitere Abänderungsform der Membranplatte.
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Der Maschinenzylinder A weist eine Bohrung Al auf, die mit Gewinde
A2 zur Aufriahme des Ventils versehen ist.
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Ein Ventilgehäuse B trägt an seinem unteren Ende ein Gewinde B1 und
ist zur Aufnahme der Ventilteile und Anordnung in der Bohrung Al der Zylinderwand
A eingerichtet. Das Ventilgehäuse B ist an seinem unteren Ende mit einem nach innen
vorspringenden Flansch BZ versehen, der zur Aufnahme der später zu beschreibenden
Ventilscheibe dient.
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Ein Ventilkörper C ist hohl ausgebildet und an seinem unteren Ende
mit einer Ringnut Cl versehen (Abb. 2). In der Mitte trägt das Gehäuse Gewinde C2
und oberhalb des Gewindes einen verbreiterten Ansatz C3. Mit der Mittelbohrung des
Ventilkörpers ist ein Luftauslaßkanal C6, der mittels eines durch ein gekordeltes
Rad Dl bewegbaren Nadelventils D verschlossen ist, und mit dem Kanal C5 ist ein
in beliebiger Richtung führender Kanal CB verbunden. An seinem oberen Ende trägt
der Ventilkörper C ein Gewinde C7, und seine innere Bohrung ist an ihrem oberen
Ende C$ erweitert und im Innern mit Gewinde C9 versehen. In dieser Bohrung ist Dichtungsmaterial
E angeordnet, das mittels einer Stopfbüchsenschraube El festgehalten wird.
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Auf das obere Ende des Ventilgehäuses ist ein mit Gewinde versehenes
Halsstück F geschraubt. An dieses Halsstück schließt sich nach oben ein Teil F'
an, der an seinem oberen Ende ein seitlich vorragendes Ringstück F2 trägt. Dieses
Ringstück kann gegenüber dem Ventilkörper gedreht werden, um den Ventilschaft zu
heben oder zu senken und in dem Ventil die Einstellung herbeizuführen.
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Innerhalb des Ventilkörpers ist eine vom Flansch B2 getragene, zusammengesetzte
oder aus einzelnen Scheiben bestehende Ventilscheibe G angeordnet. Bei der dargestellten
Ausführungsform sind die einzelnen dünnen Platten, aus denen die Ventilscheibe besteht,
nicht miteinander verbunden, sondern in der dargestellten Lage fest gegeneinander
gehalten. In der Ventilscheibe ist eine Mittelbohrung G1 angeordnet, die sich zweckmäßig
nach unten erweitert. Auf der aus einzelnen Platten zusammengesetzten Ventilscheibe
G ruht eine Hauptventilscheibe H. Diese Scheibe ist mit einer Mittelbohrung, die
von einem senkrechten Hülsenflansch umgeben wird, und an ihrer oberen Fläche mit
einem vorspringenden, ringförmigen Rand H2 versehen, der nach oben zu spitz verläuft.
Ein zweckmäßig aus weichem Metall, wie z. B. Kupfer, bestehender Dichtungsring P
wird durch den ringförmigen Rand H2 in die Ringnut Cl gepreßt.
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In der Bohrung der Ventilscheiben ist ein Ventilsitz I angeordnet.
Dieser Ventilsitz ist mit einem Seitenflansch Il versehen, der verhindert, daß der
Ventilsitz durch die Bohrung der - Ventilscheibe gepreßt wird. Im oberen
Teil
des Ventilsitzes ist gemäß der Ausführungsform nach Abb. i, 2 und 4 eine Bohrung
J angeordnet. Die Bohrung J steht mit einer sich nach unten zu einem Mundstück J-'
öffnenden Bohrung J' von kleinerem Durchinesser in Verbindung.
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In Abb.5 ist in einer anderen Ausführungsform ein Ventilsitz I dargestellt,
der mit einem seitlichen Flansch h und einer einzigen Bohrung J von annähernd gleichbleibendem
Durchmesser mit nach unten geöffnetem Mund .TZ versehen ist.
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Im Innern der Bohrung des Ventilkörpers ist der Ventilschaft L angeordnet,
der zweckmäßig über den größeren Teil seiner Länge im Durchmesser kleiner als die
Ventilbohrung gehalten und mit Führungsstücken L' versehen ist. die sich gegen die
Wand der Bohrung im Ventilgehäuse C abstützen und den Ventilschaft führen. Die Führungsstücke
können auch fortgelassen werden. Am unteren Ende ist der Ventilschaft L mit einem
Gewinde L Z versehen, auf dem ein Nadelstück M angeordnet ist, das in seiner Lage
zum Ventilschaft mittels der Sicherungsmutter M' festgehalten wird. Für gewöhnlich
ruht die Nadel 31 in der Bohrung des Ventilsitzes I, wie in Abb. i und a
dargestellt ist. Das obere Ende Lg des Ventilschaftes L ist im Durchmesser größer
gehalten. Innerhalb dieses verbreiterten Teiles ist eine Bohrung I_' angeordnet,
die durch Kanäle I_5 mit dem Innern des Ventilkörpers verbunden ist. Der Ventilschaft
ist an seinem oberen Ende mit einem im Durchmesser größer gehaltenen Gewindeteil
N und einem Seitenflansch Y" versehen. Dieser Flansch legt sich gegen das Ringstück
F2, so daß das Ringstück sich, wenn es angehoben wird, gegen den Flansch
Y" legt und den Flansch sowie den Ventilschaft mit anhebt. Unterhalb des
Flansches :1 '' ist der Ventilschaft mit Gewinde 0 versehen, auf das zwei Sicherungsmuttern
geschraubt sind. Die Muttern sind unverrückbar gesichert, so daß das Ringstück FZ
sich, wenn es gesenkt wird, gegen die Muttern legt und das Ventil nach unten drückt.
Auf diese Weise dienen das Ringstück FZ und die mit ihm zusammenwirkenden Teile
als Einstellmittel für das Ventil.
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In Abb. 6 ist ein Ventilkörper C dargestellt, der mit einer Bohrung
R' und einem in eine Ventilnadel M auslaufenden Ventilschaft L versehen ist. Ein
Überwurf R4 hält die aus einzelnen Lagen bestehende Feder in fester Lage zum Ventilkörper
C. Die Feder ist aus einzelnen Platten Ra zusammengestellt. Eine als Träger für
den Ventilsitz dienende Scheibe H ist an der Innenseite der aus einzelnen Platten
zusammengesetzten Scheibe angeordnet und trägt einen Anratz R', in dem der mit einer
Öffnung oder Bohrung J' versehene Ventilsitz I auswechselbar gelagert ist. Diese
Bohrung hat, wie dargestellt ist, einen im wesentlichen. gleichbleibenden Durchmesser
und an ihrer nach innen gerichteten Seite eine leicht kegelförmige Sitzfläche; der
übrige Teil der Bohrung hat dagegen einen im wesentlichen gleichbleibenden Durchmesser.
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Die in Abb. 7 dargestellte Bauart ist in der gleichen Weise ausgebildet
wie in Abb. 6, mit dem Unterschied, daß die obere der die Ventilscheibe bildenden
Platten RE selbst den Ventilsitz bildet. Da diese obere Platte R° mit einer Bohrung
Jl versehen ist, in der die Spitze M des Ventilschaftes unmittelbar ruht. ist sie
nachgiebig und biegsam. Sie trägt außerdem unmittelbar den Ventilsitz.
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Gelingt es, eine Flüssigkeit in außerordentlich kleine Teilchen zu
zerstäuben und diesen Teilchen eine außerordentlich große Geschwindigkeit zu erteilen,
so ist es möglich, einen dem gasförmigen Zustand ähnlichen Zustand herbeizuführen,
bei dem die Teilchen eine verhältinsmäßig geringe Zahl von Molekülen enthalten und
bei dem die Neigung der Moleküle, sich in Tropfen bestimmbarer Größe wieder zu sammeln,
stark unterdrückt ist. In diesem Zustand ist der Brennstoff zur sofortigen Verbrennung
bereit.
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Nach dem neuen Verfahren wird dies dadurch erreicht, daß die Flüssigkeit
durch außerordentlich kleine Öffnungen geleitet wird, daß dem hierbei entstehenden
Strahl ferner eine außerordentlich große Geschwindigkeit gegeben und der Strahl
beim Austritt aus der Öffnung zerteilt und abgelenkt wird. Die Flüssigkeit wird
gezwungen, durch eine schlitzartige Öffnung o. dgl. von gerader, ringförmiger oder
anderer Gestalt zu treten, die an ihrer engsten Stelle etwa o,ooz5 inne bis o,o25
mm weit geöffnet ist. In einer bestimmten Zeit wird durch eine derartige Öffnung
eine genügende Menge von Flüssigkeit hindurchgeführt, so daß Geschwindigkeiten erzielt
werden, die sich auf etwa 305 m in der Sekunde belaufen. Die zum Durchtreiben
der Flüssigkeit durch feine Öffnungen mit einer derartigen Geschwindigkeit erforderliche
Energie wird durch hydraulischen Druck mittels einer Pumpe, also durch rein mechanische
Mittel-, erzeugt.
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Der mittels dieses Verfahrens vorbehandelte Brennstoff befindet sich
in einem derartigen Zustand, daß er mit der Luftfüllung einer Maschine augenblicklich
in Reaktion tritt, wenn die Temperatur oberhalb seines Brennpunktes liegt. Die Verbrennung
während der Einspritzdauer entspricht der Einspritzmenge, die genau geregelt werden
kann. Die Verhältnisse sind die gleichen wie in einer
Dieselmaschine,
jedoch ohne die Abkühlwirkung der eingespritzten Luft.
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Die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes ist folgende: Zunächst
soll das allgemeine Verfahren beschrieben werden. Wenn die Pumpe bei gefülltem Zylinder
zu laufen beginnt, drückt der nach innen laufende Pumpenkolben die Flüssigkeit unter
hohem Druck durch die Leitung des Spritzventils. Sobald der Druck hoch genug gestiegen
ist, um die Ventilspritzscheibe durchzubiegen, entsteht eine Öffnung, und die Flüssigkeit
strömt durch die sehr kleine Ventilöffnung zwischen dem Rand der Plattenbohrung
und der Ventilnadel. Im praktischen Betrieb wird diese Öffnung etwa o,oo25 mm bis
0,025 mm groß sein. Die Größe dieses Loches und der Öffnung zwischen der Ventilnadel
und der Ventilscheibe kann sich natürlich je nach der Art der Maschine oder der
Vorrichtung, der Art und der Menge des verwendeten Öles ändern. Unter gewöhnlichen
Verhältnissen sind die einzelnen Teile in Hinblick auf die Pumpenleistung so bemessen,
daß dem Öl Geschwindigkeiten von 305 m bis 61o m in der Sekunde mitgeteilt werden,
wenn es aus dem Ventile strömt.
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Bei dem vorliegenden Verfahren ist es als zweckmäßig festgestellt
worden, Geschwindigkeiten bis 458 m in der Sekunde zu verwenden. Im allgemeinen
wird eine Geschwindigkeit von 305 m in der Sekunde ausreichen. Besonders geeignet
ist eine Ventilöffnung, die nicht größer ist als o,o25 mm; zufriedenstellende Ergebnisse
sind allerdings auch bei Verwendung einer Öffnung erzielt worden, deren Weite zwischen
o,oo25 und 0,075 mm schwankt.
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Bei Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird die Feder
bei genügend hohem hydraulischem Druck nach außen durchgebogen, so daß sich eine
außerordentlich kleine Öffnung zwischen Ventilsitz und Ventilnadel bildet, mittels
deren der Brennstoff zerstäubt und, wie beschrieben, in einen im wesentlichen dampfförmigen
Zustand überführt wird.
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Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung werden zweckmäßig die
aus einzelnen Platten hergestellten in Abb. r und im besonderen in Abb. a dargestellten
Ventile verwendet. Das hat den Vorteil, daß auf diese Weise eine aus einzelnen Teilen
zusammengesetzte Scheibe mit genügender Durc'hbiegungsfähigkeit, aber noch ausreichender
Festigkeit hergestellt wird. Bei einer gegebenen Durchbiegung wird die Beanspruchung
der einzelnen Scheiben um so geringer sein, je dicker die Ventilscheibe ist; bei
Verwendung einer Mehrzahl von Scheiben ist die Beanspruchung in jeder Scheibe im
Verhältnis zu ihrer Elastizitätsgrenze gering. Auf diese Weise halten die zusammengesetzten
Scheiben lange. Bei Verwendung des auswechselbaren Ventilsitzes wird die Scheibe
selbst genügend biegsam gemacht, der Ventilsitz dagegen 'kann aus außerordentlich
hartem Material angefertigt werden. Das ist jedoch außerordentlich schwer durchzuführen,
wenn der Ventilsitz, wie augenblicklich noch, in der Scheibe selbst angeordnet ist,
weil dann ein Härten eines bestimmten Teils der Scheibe erforderlich wird, während
der Rest biegsam bleiben muß.
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Die im besonderen in den Abb. i, 2 und q. dargestellte Ausführungsform
des Ventilsitzes ist unter gewissen Umständen vorteilhaft und im allgemeinen zweckmäßig.
Dieser Teil ist, wie dargestellt, mit einer Bohrung versehen, gegen deren oberes
Ende die Ventilnadel sich legt. Die Bohrung steht an ihrem unteren Ende mit einer
im Durchmesser kleiner gehaltenen Bohrung in Verbindung, die ihrerseits den Kanal
bildet, durch den der zerstäubte Brennstoff aus dem Ventil in den Zylinder geleitet
wird. Die Zerstäubung erfolgt zweckmäßig zwischen der Nadel und dem Nadelsitz, wenn
der Sitz etwas von der Nadel abgehoben wird. Bei Verwendung der im Durchmesser verengten
Bohrung wird der Strahl regelmäßig, und die Tätigkeit des Zerstäubungsgliedes ist
erheblich verbessert. Die zulässige Höchstgrenze für die Änderung des Druckes, der
Abmessung der einzelnen Teile und der Größe der Öffnung ist heraufgesetzt, und bei
Verwendung dieses im Durchmesser enger gehaltenen Kanals kann, wie festgestellt
wurde, selbst mit sehr roh hergestellten Teilen und schlechter Einstellung eine
zufriedenstellende Zerstäubung hervorgerufen werden.