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Verfahren zum Betriebe von Brennkraftmaschinen mit Brennstoffeinspritzung
Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen, die mit Brennstoffeinspritzung
arbeiten, wie insbesondere Dieselmaschinen. Die bekannten Brennkraftmaschinen mit
Brennstoffeinspritzung arbeiten entweder mit direkter Brennstoffeinspritzung in
den Zylinder oder mit Brennstoffeinspritzung in eine dem Arbeitszylinder vorgelagerte
Vorkammer. In beiden Fällen gelangt der Brennstoff in zerstäubter, aber in flüssiger
Form in den Arbeitszylinder. Diese Art der Brennstoffeinspritzung hat Übelstände,
die die Anwendung solcher Maschinen, insbesondere kleiner Maschinen, für große Drehzahlen
unmöglich machen. Diese Übelstände bestehen hauptsächlich darin, daß einerseits
die Zerstäubung und Regelung der einzuführenden Brennstoffmengen insbesondere bei
kleinen Motoren mit hoher Drehzahl schwer durchführbar ist und andererseits darin,
daß Zündv erzüge auftreten. Man muß bei den hohen Drücken und den großen Brennstoffeinspritzungsgeschwindigkeiten,
die für die Brennstoffzerstäubung erforderlich sind, den Brennstoff durch kleine
öffnungen bzw. Löcher hindurch in den Zylinder einspritzen; solche kleine Löcher
verstopfen sich sehr leicht und nützen sich auch sehr rasch ab, was zu Betriebsstörungen
führt. Die Zündverzüge haben ihre Ursache darin, daß der Brennstoff, bevor er verbrennt,
aus der flüssigen Form in Dampfform übergeführt werden muß, wobei die hierfür erforderliche
Wärmemenge der im Zylinder hochkomprimierten Luft entzogen wird.
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Es ist nun schon vorgeschlagen worden, den Brennstoff vor seinem Eintritt
in den Zylinder unter größeren Druck zu setzen, als im Zylinder herrscht, und ihn
so auf eine solche Temperatur vorzuwärmen, daß er durch Druckentlastung beim Eintritt
in den Zylinder vollständig oder teilweise verdampft.
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Eine solche Erwärmung hat hauptsächlich folgende Vorteile: z. Es wird
durch die Erwärmung das Flüssigkeitsvolumen vergrößert, wodurch sowohl die Brennstoffpumpen
als auch die Löcher der Einspritzdüsen vergrößert werden und der Betrieb sowohl
in bezug auf die genaue Funktion der Pumpe als auch in bezug auf die Verstopfung
der Düsenlöcher günstiger gestaltet wird; 2. es wird dadurch, daß beim Einspritzen
in den Zylinder ein Teil des Brennstoffes infolge der bei der Einspritzung entstehenden
Druckverminderungen verdampft, die Zerstäubung verbessert; 3. es wird durch die
Dampfbildung und auch durch die bessere Zerstäubung die Verbrennung begünstigt und
die Verbrennungsdauer verkürzt.
Durch ein solches Verfahren wird
auch erreicht, daß die mit Brennstoffeinspritzung arbeitenden Motoren (Dieselmotoren)
mit einer höheren Tourenzahl betrieben werden können als ohne Vorwärmung.
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Die "genannten Vorteile können um so stärker zur Geltung gebracht
werden, je höher die einzuspritzende Flüssigkeit unter Druck vorgewärmt wird. Die
Grenze der Vorwärmung ist durch die kritische Temperatur gegeben, da die Brennstoffeinspritzpumpe
nur Flüssigkeit ansaugen darf, da sonst, wenn auch Brennstoffdampf angesaugt wird,
die Dosierung unsicher wird, weil der Dampf ein viel größeres Volumen als die Flüssigkeit
hat und bei einer Erwärmung über die kritische Temperatur hinaus auch die beliebig
hohe Drucksteigerung das Verdampfen der Flüssigkeit nicht vermieden werden kann.
Die Vorwärmung des Brennstoffes auf die kritische Temperatur bei kritischem Druck,
also unter Vermeidung von Dampfbildung, ist bekannt.
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Die Vorwärmung des Brennstoffes gestattet auch schwer verdampfbare
Brennstoffe mit Erfolg zum Betriebe -von Brennkrafteinspritzmaschinen zu benutzen,
indem die zur Dampfbildung erforderliche Wärmemenge dem Brennstoff schon vor dem
Einspritzen zugeführt wird.
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Bei den bekannten Ausführungen mit Vorwärmung des Brennstoffes sind
jedoch keinerlei Vorkehrungen getroffen worden, um den angestrebten Druck und die
angestrebte Temperatur mit Sicherheit zu erreichen und um eine Verdampfung des Brennstoffes
vor der Einspritzung zu verhüten. Die Verhinderung der Dampfbildung vor der Einspritzung
ist aber, abgesehen von anderen Miß,@ ständen, schon aus dem Grunde von allergrößter
Wichtigkeit, weil sonst eine genaue Dosie-4 rung des Brennstoffes ganz unmöglich
ist.
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Zweck der Erfindung ist es nun, diese Übelstände sicher zu vermeiden
und zu bewirken, daß die Erwärmung des unter Druck gesetzten flüssigen Brennstoffes
auf dem Wege zum Arbeitszylinder unter solchen Umständen erfolgt, daß sich die Vorwärmetemperatur
der Verdampftemperatur bei dem betreffenden Druck auf das möglichste annähert, diese
jedoch nicht übersteigen kann, so daß die tunlichst höchste Vorwärmung des Brennstoffes
ohne Gefahr einer Verdampfung vor der Einspritzung erreicht wird.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Heizung, durch
welche die Erwärmung des Brennstoffes unter Druck erfolgt, selbsttätig so geregelt
wird, daß die Verdampfungstemperatur, welche dem Brennstoffdruck entspricht, angenähert
erreicht, aber nicht überschritten wird. Die Dampfbildung kann gemäß der Erfindung
selbsttätig dadurch sicher vermieden werden, daß die Heizung der Brennstoffflüssigkeit
nicht direkt, sondern mit Hilfe einer Heizflüssigkeit erfolgt, deren Siedetemperatur
niedriger als die höchstzulässige Brennstofftemperatur ist. Als Heizflüssigkeit
können entweder die Brennstoffflüssigkeit oder andere Flüssigkeiten verwendet werden,
deren den verschiedenen Drücken entsprechende Verdampfungstemperaturen bekannt sind.
Wenn zur Vermittlung der Heizung die Brennstoffflüssigkeit selbst verwendet wird
und dieselbe unter dem gleichen oder unter einem etwas kleineren Drucke steht als
der zu erwärmende Brennstoff, kann die Verdampfung des letzteren dadurch sicher
vermieden werden, daß die Verdampfung der als Heizflüssigkeit verwendeten Flüssigkeit
- also in diesem Falle der dem Brennstoff gleichen Flüssigkeit - zur Regelung der
Heizung (elektrische Heizung, Lampenheizung usw.) benützt wird, wodurch eine weitere
Steigerung der Temperatur verhütet bzw. die Verdarnpfungstemperatur der vermittelnden
Heizflüssigkeit und gleichzeitig dadurch die etwas niedrigere Temperatur der Brennstoffflüssigkeit
ständig gesichert wird, wenn nur die Heizung genügend Wärme abgibt, also wenn die
Heizung für die größte Belastung bemessen wird.
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Die Regelung der Heizung durch die Verdampfung der Heizflüssigkeit
kann sowohl durch die Verwendung des Dampfes selbst zur Bewegung einer Reguliervorrichtung
oder auch derart erfolgen, daß der bei der Verdampfung der vermittelnden Heizflüssigkeit
entstehende Dampf kondensiert wird. Durch diese Kompensation der Dampfbildung kann
ebenfalls die Steigerung der Temperatur über das Höchstmaß verhindert bzw. die Verdampfungstemperatur
ständig eingestellt werden. Da die Dampfbildung infolge des großen Unterschiedes
der Dampf- und Flüssigkeitsvolumen große Bewegungsmöglichkeiten gibt, kann diese
gut zur Regelung der Heizung ausgenützt werden. Da die Dampfbildung große Wärmemengen
beansprucht, können durch die Kondensation des infolge der Überheizung gebildeten
Dampfes große Wärmemengen gebunden werden, wodurch die Regelung leicht durchführbar
wird.
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In der Zeichnung sind Ausführungsformen des Verfahrens gemäß der Erfindung
beispielsweise veranschaulicht.
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Abb. i zeigt -die bekannte Brennstoffeinspritzung in den Arbeitszylinder.
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Die Abb. a bis 7 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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Bei der bekannten Brennstoffeinspritzung nach Abb. i wird der flüssige
Brennstoff mittels
der Brennstoffpumpe i durch das Saugventil z
hindurch angesaugt und durch das Druckventil 3 und die Leitung 4 über die Zerstäuberöffnung
5 in den Zylinder 6 gespritzt, in welchem sich der Kolben 7 bewegt.
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Die Einspritzöffnung 5 ist z. B. durch ein Ventil 9 gesteuert, welches
auch als Druckventil der Pumpe ausgebildet sein kann. Das Einspritzventil kann aber
auch ungesteuert sein. Im wesentlichen ist dieselbe Anordnung im Falle der Vorkammereinspritzung
anwendbar.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der Abb.2 wird das von der Pumpe i in
den Zylinder führende Rohr .., in welchem der Brennstoff unter Druck gesetzt ist,
mittels einer Heizvorrichtung, z. B. auf elektrischem Wege mittels einer Heizspirale
8, so stark vorgewärmt, daß bei einer durch öffnen des Einspritzventils 9 eintretenden
Druckentlastung eine vom Druckabfall und von der Vorwärmung abhängige Verdampfung
des flüssigen Brennstoffes herbeigeführt wird.
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Zweckmäßig ist die Einrichtung so getroffen, daß das Druckventil 3
der Pumpe die Leitung 4 an der Eintrittsstelle abschließt und die Einspritzöffnung
durch ein besonderes Ventil 9 gesteuert wird. Dadurch wird vermieden, daß bei einer
evtl. zu starken Vorwärmung des flüssigen Brennstoffes in der Brennstoffpumpe Störungen
entstehen.
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Die Heizvorrichtung 8 ist regelbar eingerichtet, um die Vorwärmungstemperatur
den jeweiligen Erfordernissen entsprechend regeln zu können. So z. B. kann, wenn
elektrische Heizung angewendet ist, die Intensität der Heizung mit dem Regulator
des Motors derart verbunden werden, daß die Heizung bei höheren Reglerstellungen,
also bei kleineren Belastungen, weniger wirksam ist als bei niedrigeren Reglerstellungen,
also größerer Belastung, da im ersten Falle weniger Brennstoffflüssigkeit vorgewärmt
werden muß als im letzteren Falle. Auch ist die Anwendung einer Pumpe i zweckmäßig,
deren Druck von Hand aus oder automatisch regelbar ist. Zwischen Brennstoffpumpe
i und Zylinder 6 ist eine Pumpe 12, 13 (Kompressor o. dgl.) angeordnet, in welcher
der in der unter Druck stehenden Leitung 4 vorgewärmte flüssige Brennstoff durch
das Ventil i o als Flüssigkeitsdampfgemisch eintritt, indem durch die Druckentlastung
in der Offenstellung des Ventils io ein Teil des Brennstoffes verdampft.- Dieses
Flüssigkeitsdampfgemisch wird durch den Kompressorkolben 12 einer Verdichtung unterworfen,
durch welche dem Flüssigkeitsdampfgemisch so viel Wärme zugeführt wird, daß die
in dem Flüssigkeitsdampfgemisch noch enthaltene Flüssigkeit bei Druckentlastung
ganz oder wenigstens zu einem weiteren Teile verdampft wird. Der Kompressorkolben
12 fördert den Brennstoff über die als Druckentlastungsöffnung wirkende öffnung
des Ventils 5 in den Zylinder 6.
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Abb.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Verdichtung der
durch die Flüssigkeitserwärmung und Druckentlastung bereits teilweise verdampften
Flüssigkeit, also eines Flüssigkeitsdampfgemisches im Verdichter 13 durch den Kolben
12 nicht allein, sondern mit Luft gemischt erfolgt. Dabei kann die Luft entweder
durch das automatische Saugventil 14 aus der Atmosphäre oder durch das Ventil 15
aus dem Zylinder, im vorverdichteten Zustand, entnommen werden. Bei dieser Ausführungsform
strömt beim Herabgang des Kompressorkolbens 12 zuerst Luft durch das Rohr 16 in
den Zylinder und dann, wenn der Kolben den zum Ventil io führenden Anschluß freigibt,
Brennstoffflüssigkeitsdampfgemisch ein, welches dann durch den Kolben 12 verdichtet
und durch Ventil 17 und Rohranschluß i i durch die Einspritzöffnung 5 in den Zylinder
6 befördert wird. Ventil 17 kann auch wegbleiben und durch Ventil 5 in seiner Wirkung
als Druckventil des Kompressors ersetzt werden.
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Abb.4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit mittelbarer Heizung des Brennstoffes
durch Vermittlung einer Flüssigkeit als Zwischenheizmittel.
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Die elektrische Heizung 8 wirkt hier nicht unmittelbar auf die Brennstoffflüssigkeit,
welche, wie bei den früher angeführten Beispielen, durch das Rohr 4 zur Einspritzöffnung
5 strömend unter hohem Druck vorgewärmt werden soll, sondern unter Vermittlung einer
Flüssigkeit, die sich in einem das Rohr 4 umfassenden Raume 17 befindet. Diese Flüssigkeit
kann zweckmäßig die gleiche Flüssigkeit sein wie der verwendete Brennstoff. Sollte
eine andere Flüssigkeit als vermittelnde Heizflüssigkeit verwendet werden, so müssen
die den verschiedenen Drücken entsprechenden Siedepunkte dieser Flüssigkeit bekannt
sein.
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Der Raum 17 ist oben durch einen Kolben 18 oder ein anderes bewegliches
Organ abgeschlossen, welches unter Federdruck 18a steht und durch den Hebel i g,
welcher sich um den Punkt 2o drehen kann, eine Regelvorrichtung 21 betätigt, mit
welcher die Intensität der Heizung 8 beeinflußt wird. Am Raume 17 ist unten ein
Absperrorgan 22 angebracht, durch welches die evtl. durch Undichtigkeiten entweichende
Heizflüssigkeit ersetzt werden kann. Der Kolben i der Brennstoffpumpe ist so ausgeführt,
daß er
während des Saughubes durch die Nocke i11 der Nockenscheibe
1c und den Hebelib bewegt wird, während des Druckhubes jedoch unter dem Einfluß
der Feder i11 steht, der erzeugte Flüssigkeitsdruck also durch diese Feder eindeutig
bestimmt wird. Diese Feder wird mit der Feder i811 des Kolbens 18 so zusammengestimmt,
daß die dem herrschenden Drucke entsprechende Siedetemperatur des Brennstoffes dieselbe
oder eine höhere ist als die, dem im Raume 17 herrschenden Drucke entsprechende
Siedetemperatur der Heizflüssigkeit.
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Wenn die durch die Heizung an die Heizflüssigkeit abgegebene Wärme
größer ist als diejenige, welche von der durch das Rohr 4 zum Zylinder strömenden
Brennstoffflüssigkeit bei Erwärmung bis zu einem nahe am Siedepunkt liegenden Temperatur
aufgenommen wird, so entsteht in dem Raume 17 bei dem durch den Federdruck 18a bestimmten
Flüssigkeitsdruck Dampf, der den Kolben 18 bewegt und die Intensität der Heizung
vermindert, so daß die Temperatur der vermittelnden Heizflüssigkeit im Raume 17
ständig auf der Höhe der Verdampfungstemperatur gehalten wird. Diese Temperatur
wird also im Raume 17 ständig erhalten, unabhängig davon, ob durch das Rohr 4 mehr
oder weniger Brennstoff zum Zylinder strömt. Dieser Brennstoff wird also immer angenähert
bis auf jene Temperatur erwärmt, welche der Verdampfungstemperatur der Heizflüssigkeit
(evtl. des Brennstoffes) bei dem im Raume 17 herrschenden Druck entspricht.
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Abb. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Überhitzung
des Brennstoffes bzw. eine Verdampfung desselben dadurch verhindert wird, daß die
durch übermäßige Heizung an die vermittelnde Heizflüssigkeit übertragene Wärme Dampf
erzeugt, welcher an einer gekühlten Fläche 23a kondensiert wird.
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Die Heizung 8 ist hier auch elektrisch gedacht und wird durch die
Heizflüssigkeit im Raume 17 die Wärme an die durch das Rohr ,4 strömende Brennstoffflüssigkeit
Übertragen. Der Druck im Raume 17 wird durch den Kolben 18 und die Feder 18a, so
wie im vorigen Beispiel ausgeführt wurde, eingestellt und mit der Feder i11 zusammengestimmt.
Die durch Überheizung an die vermittelnde Heizflüssigkeit übertragene Wärme wird
hier dadurch abgeführt, daß der durch Überheizung entstandene Dampf durch das Rohr
17a in ein Kühlgefäß 23 gelangt, wo der Dampf kondensiert wird. Es wird also im
Raume 17 immer die Siedetemperatur herrschen, welche der Heizflüssigkeit bei dem
im Raume 17 herrschenden Druck entspricht, trenn nur die Heizung 8 der maximalen
Belastung entsprechend bemessen wird. Dementsprechend wird der Brennstoff im Rohr
4 ebenfalls ganz unabhängig von der Belastung immer auf eine und dieselbe Temperatur
erwärmt.
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Abb. d zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem bei Anwendung des
Brennstoffes selbst als Heizflüssigkeit der Druck im Raume i7 mit demjenigen im
Rohr 4 durch Vermittlung des Kolbens 18 derart verbunden ist, daß auf eine Seite
des Kolbens i8 der Druck im Raume 4, auf die andere Seite des Kolbens der Druck
im Raume 17 und die Feder 1811 wirken, wodurch der Druck im Raume 17 höher als derjenige
im Rohr 4 gehalten wird.
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Abb. 7 zeigt eine Lösung, bei welcher im Raume 17 und im Raume 4 der
gleiche Druck durch Verbindung dieser beiden Räume hergestellt wird, indem die Pumpe
in einen Raum 24 liefert, aus welchem die Rohre 4, 17b und 23a abzweigen. Der in
dem Raume 17 entstehende Dampf wird hier im Rohre 17a und 23 kondensiert. In diesem
Falle kann die Pumpe i auch während des Druckhubes zwangsläufig statt durch Feder
bewegt werden.