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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erwärmung und
doppelten elektromagnetischen Polarisation von flüssigen und
gasförmigen Brennstoffen
sowie eine hierzu geeignete Vorrichtung.
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Eines
der hauptsächlichen
Probleme, die mit der Verwendung von flüssigen und gasförmigen Brennstoffen
sowohl für
Heizzwecke als auch für
den Antrieb von Kraftfahrzeugen verbunden sind, besteht in der unvollständigen Verbrennung
des Gemisches aus Kraftstoff und Sauerstoffträger. Dieses Phänomen verringert
den Wirkungsgrad der Verbrennung dadurch, daß es eine Verbrauchserhöhung und
die Emission von stark umweltbelastenden Substanzen verursacht,
die für
die Gesundheit des Menschen gefährlich
sind, beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe oder andere
Produkte, die sich durch die unvollständige Verbrennung des Brennstoffgemisches
ergeben.
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Die
unvollständige
Verbrennung tritt insbesondere im unteren Teillastbereich auf, beispielsweise
beim Betrieb der Kraftfahrzeuge im Stadtverkehr, wobei der Motor
mit sehr geringen Drehzahlen und über kurze Zeitperioden mit
häufigem
Anlassen und Abschalten des Motors betrieben wird.
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Gegenwärtig werden
in Motoren, die flüssige oder
gasförmige
Kraftstoffe verwenden, verschiedene konstruktive Maßnahmen
und Vorrichtungen eingesetzt, um die Wirksamkeit der Verbrennung
zu verbessern, den Verbrauch zu verringern und die Erzeugung von
die Umwelt belastenden Substanzen zu reduzieren. Hier werden insbesondere
Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt, die so ausgelegt sind, daß sie der
Brennkammer ein weitgehend homogenes Kraftstoffgemisch zuführen, um
die Flammenausdehnung zu erleichtern und eine vollständige Verbrennung
zu erreichen, ohne daß unverbrannte
Kraftstoffrückstände zurückbleiben.
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In
diesem Zusammenhang werden auch Polarisationsverfahren angewandt,
bei denen der Brennstoff über
geeignete Vorrichtungen einem magnetischem Feld mit bestimmter Feldstärke unterworfen
wird, um die Kraftstoff-Moleküle
in geeigneter Weise auszurichten und auf diese Weise die Verbrennung
zu erleichtern. So werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen mit
Motoren mit innerer Verbrennung Vorrichtungen eingesetzt, die auf
dem Einlaßkanal
für den
Brennstoff angebracht werden und in denen der Brennstoff durch ein
magnetisches Feld geschickt wird, das im allgemeinen von einer Spule erzeugt
wird, durch die elektrischer Strom fließt.
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Die
britische Patentschrift
GB 806
230 beschreibt eine Vorrichtung zur Verbesserung der Verbrennungseigenschaften
von flüssigen
oder gasförmigen
Kraftstoffen, die im wesentlichen eine Spule aufweist, die mit einer
elektrischen Stromquelle verbunden werden kann und um einen nicht
magnetischen Körper
oder eine solche Rohrleitung gewickelt ist. Auf diese Weise wird
der Brennstoff, der durch die Vorrichtung fließt, einem intermittierenden
elektromagnetischen Feld ausgesetzt, das durch den elektrischen
Strom erzeugt wird, der durch die Spulenwindungen fließt.
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Die
bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Polarisation des Brennstoffes
haben allerdings eine Reihe von Nachteilen.
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Einer
dieser Nachteile besteht darin, daß die Wirksamkeit der Polarisation
von der Temperatur abhängt,
auf die der Kraftstoff durch die Vorrichtung erwärmt wird. Die gegenwärtig eingesetzten
Vorrichtungen erreichen ihren höchsten
Wirkungsgrad erst nach einer bestimmten anfänglichen Aufheizzeit, so daß sie keine
optimale Wirkung im intermittierenden Betrieb und bei Teillast haben.
So erfordern beispielsweise die Polarisationsvorrichtungen, die
in Kraftfahrzeugen mittlerer Leistung eingesetzt werden, eine Aufheizphase
von etwa 30 Minuten, so daß sie bei
Gebrauch des Kraftfahrzeugs im städtischen Kurzstreckenverkehr
nicht effizient sind.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, daß aufgrund der Tatsache, daß der Wirkungsgrad
des Verfahrens und der Vorrichtungen zur Polarisation von der Temperatur
des Kraftstoffs abhängig
ist, die konstant sein müßte. Allerdings
ist im Gegenteil die Temperatur besonders niedrig in den ersten
Minuten nach dem Kaltstart der Vorrichtung oder im intermittierenden
Betrieb.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erläuterten Nachteile zu vermeiden
oder zu reduzieren.
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Eine
Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erwärmung auf
eine bestimmte Temperatur zwischen 30° und 65°C und eine doppelte elektromagnetische
Polarisation für
flüssige und
gasförmige
Brennstoffe zu entwickeln, um deren vollständige Verbrennung zu unterstützen, damit
ein erhöhter
und konstanter Wirkungsgrad bei allen Betriebsbedingungen gewährleistet
wird, so daß das Problem
der Rauchentwicklung bei der Emission der Abgase und in der Umgebung
gelöst
wird.
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Eine
weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Verfügung zu
stellen, die für
die Durchführung
des Verfahrens bei hohem Wirkungsgrad geeignet ist, wirtschaftlich
arbeitet und einfach hergestellt und eingebaut werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Ziel der Erfindung soll die Vorrichtung zur Durchführung des
angegebenen Verfahrens besonders geeignet sein, den Verbrauch und
die Emission von verunreinigenden Stoffen bei Motoren zu reduzieren,
die mit Benzin, Dieselöl
oder Flüssiggas
betrieben werden, insbesondere bei kurzen Stadtfahrten.
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Diese
und weitere Aufgaben werden mit der vorliegenden Erfindung gelöst, die
aus einem Verfahren zur Erhitzung und doppelten elektromagnetischen
Polarisation für
flüssige
und gasförmige Brennstoffe
besteht und gekennzeichnet ist durch die folgenden Phasen:
- – gesteuertes
Erwärmen
des Brennstoffes auf eine Temperatur zwischen 30° und 65°C,
- – Durchströmung des
Brennstoffstromes entlang der Achse eines elektromagnetischen Feldes,
- – Rückführung des
Brennstoffes durch das elektromagnetische Feld im Gegenstrom und
koaxial zu der vorangegangen Strömung
und außerhalb zu
dieser.
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Die
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens ist gekennzeichnet durch:
- – einen
hydraulischen Modul, der von einem Kollektor getragen wird und von
dem Brennstofffluß durchströmt wird,
umfassend zwei koaxiale Rohrleitungen, von denen die innere Rohrleitung
von dem in die Vorrichtung eintretenden Strom durchflossen wird,
während
die äußere Rohrleitung,
die an ihrem Ende, in das die erste Rohrleitung mündet, geschlossen
ist, von dem Ausgangsfluß durchströmt wird,
- – Heizmittel
zur Erzeugung eines Wärmestroms zum
Aufheizen des Brennstoffstromes,
- – Polarisationsmittel
zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes konstanter Feldstärke, dessen
Achse zur Achse der koaxialen Rohrleitungen ausgerichtet ist.
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Um
den Wirkungsgrad der Vorrichtung zu verbessern und konstant zu halten,
haben die Heizmittel einen elektrischen Widerstand, der im Querschnittsbereich
des Eingangs des Kraftstoffes in den hydraulischen Modul angeordnet
ist und von einem Thermostaten gesteuert wird; weiterhin haben die Heizmittel
eine Vorwärmkammer,
in der der Brennstoff vorgewärmt
wird, bevor er durch die koaxialen Rohrleitungen strömt.
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Die
Polarisationsmittel bestehen aus einer Spule mit einer geeigneten
Windungszahl, die an einen Gleichstromgenerator oder alternativ
an einen Permanentmagneten angeschlossen ist, der ein Magnetfeld
erzeugt, das äquivalent
zu demjenigen der Spule ist.
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Die
durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen im Wesentlichen
darin, daß aufgrund
der Erwärmung
und Polarisation des Brennstoffes eine Zerstäubung und Homogenisierung des
Kraftstoffes erreicht wird, der mit vollständiger Verbrennung der Mischung
und daraus folgender Verringerung des spezifischen Verbrauchs und
der Abgabe von Schadstoffen verbrennt, was sich vorteilhaft auf
die Lösung ökologischer
Probleme auswirkt. Beim Einsatz in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren
liegen die Vorteile insbesondere in der Verringerung des Verbrauchs
und der Rauchentwicklung der Abgase, in der Verbesserung der Leistung
und in der größeren Lebensdauer
des Motors aufgrund der geringeren Ablagerung von verbrannten Schlackenstoffen
in den Einspritzventilen, den Kerzen, Kolben und Brennkammern. Darüber hinaus
wird der Einbau der Vorrichtung in jedem beliebigen Motor erleichtert,
seien es Otto- oder
Dieselmotoren oder Motoren, die mit Benzin, Diesel oder Flüssiggas
betrieben werden.
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Die
Aufheizphase erlaubt es dem Kraftstoff, in kurzer Zeit die Temperatur
zu erreichen, die einen maximalen Wirkungsgrad des Verfahrens gewährleistet,
wodurch bei allen Betriebsbedingungen ein hoher Wirkungsgrad erzielt
werden kann, und insbesondere die Realisierung von effizienten Vorrichtungen
auch für
Fahrzeuge, die auch im Stadtverkehr nur auf Kurzstrecken eingesetzt
werden.
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Die
Aufwärmphase
kann auch mittels einer Heizvorrichtung erzeugt werden, die beispielsweise aus
einem elektrischen Widerstand besteht, der von einem Thermostaten
gesteuert wird, so daß die
Temperatur des Kraftstoffs konstant gehalten wird, was günstig für einen
konstanten Wirkungsgrad ist.
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Durch
geeignete Veränderung
der Feldstärke
des Magnetfeldes, beispielsweise durch Veränderung der Windungszahl der
Spule, die das Feld erzeugt, ist es möglich, den Wirkungsgrad des
Verfahrens in Abhängigkeit
von der Art des Brennstoffes zu optimieren, so daß Vorrichtungen
zur Verfügung
stehen, die spezifisch für
Antriebsmotoren kleiner oder höherer
Leistung geeignet sind und die mit Benzin, Dieselöl oder Flüssiggas
betrieben werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung der Zeichnungen; es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Verfahrens zur Erwärmung und elektromagnetischen Polarisation
für flüssige oder
gasförmige
Brennstoffe gemäß der Erfindung,
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2 einen
Längsschnitt
durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der
Erfindung,
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3 einen
Längsschnitt
durch eine abgeänderte
Ausführungsform
der 2,
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4 und 5 jeweils
im Längsschnitt eine
vereinfachte Variante der Vorrichtungen der 2 und 3 und
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5 einen
Längsschnitt
durch eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung gemäß 2.
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Wie
sich aus 1 ergibt, besteht das Verfahren
zur doppelten elektromagnetischen Polarisation eines flüssigen oder
gasförmigen
Brennstoffes aus den folgenden Phasen:
- – Erwärmen des
Kraftstoffs 1 durch einen Wärmestrom 2, der von
einer geeigneten Wärmequelle erzeugt
wird, beispielsweise einem elektrischen Widerstand,
- – Durchströmen des
Kraftstoffstromes durch ein Magnetfeld 3, das zur Achse
des Kraftstoffstromes ausgerichtet ist und von einem Permanentmagneten
oder einem geradlinigen Solenoid erzeugt wird, das mit Gleichstrom
gespeist wird,
- – Rückströmung des
Kraftstoffes durch das elektromagnetische Feld 3 im Gegenstrom 4 und
koaxial, jedoch außerhalb
des vorangegangenen Stromes.
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Bei
einer vereinfachten, jedoch weniger wirkungsvollen Version des zuvor
beschriebenen Verfahrens wird das Magnetfeld 3 von einem
geradlinigen Solenoid erzeugt, das mit Gleichstrom gespeist wird,
wobei der Wärmestrom 2 nur
auf der Erwärmung
des Solenoids aufgrund der Durchströmung des elektrischen Stroms
in diesem beruht.
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Die 2 bis 6 zeigen
in mehreren Varianten nicht einschränkende Ausführungsbeispiele für eine Vorrichtung,
die zur Durchführung
des Verfahrens zum Erwärmen
und Polarisieren des Brennstoffes gemäß der Erfindung geeignet ist.
Bei einer ersten Ausführungsform,
die in 2 gezeigt ist, hat die Vorrichtung im Wesentlichen
eine Vorwärmkammer 5,
die mit einem hydraulischen Modul 6 und einer Wicklung 7 verbunden
ist, welche das magnetische Feld erzeugt. Ferner hat die Vorrichtung
eine äußere Hülse 8 mit
einem Verschlußstopfen 9.
Die Vorwärmkammer 5 ist
mit einem elektrischen Widerstand 10 versehen, der von
einem Thermostaten 11 gesteuert wird, welcher in der Vorwärmkammer 5 angeordnet oder
alternativ im Querschnittsbereich des Ausgangs des Kraftstoffs der
Vorrichtung angebracht werden kann. Der elektrische Widerstand 10 besteht
in vorteilhafter Weise aus einem nicht ferromagnetischen Material,
damit er nicht durch das Magnetfeld 3 magnetisiert wird
und ein anderes Magnetfeld erzeugt, das mit dem Magnetfeld 3 interferieren
würde.
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Der
hydraulische Modul 6 hat einen Sammler 12, ein
erstes „Vorlaufrohr" 13, das
mit der Vorwärmkammer 5 verbunden
ist, sowie ein zweites „Rücklaufrohr" 14, das
koaxial zu dem ersten Rohr verläuft. Auf
den Abschnitt des Rücklaufrohres 14 außerhalb des
Sammlers 12 ist eine Spule 15 aufgesetzt, auf welche
die Windungen 16 der Wicklung 7 gewickelt sind.
Die Wicklung 7 ist über
elektrische Leitungen mit einem geeigneten Spannungserzeuger verbunden,
beispielsweise der Batterie eines Kraftfahrzeugs.
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Der
Verschlußstopfen 9 ist
auf das geschlossene Ende der Rohrleitung 14 aufgeschraubt
und hält die äußere Hülse 8,
welche die Wicklung 7 schützt, in ihrer Position.
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Die
Verbindung für
die Zuführung
des Kraftstoffes besteht aus einem Schlauchanschlußstück 17,
das unmittelbar an der Vorwärmkammer 5 angebracht
ist, während
für den
Austritt des Kraftstoffes ein Schlauchanschlußstück 18 dient, das im
Bereich des Ausgangsquerschnittes des Rücklaufrohres 14 an
dem hydraulischen Modul 6 befestigt ist. Die nicht gezeigten
Kraftstoffleitungen sind an den Schlauchanschlußstücken über bekannte Schlauchschellen befestigt.
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Die
Gesamtlänge
des Vorlaufrohres 13 vom Eingangsquerschnitt des Sammelrohres 12 bis
zum anderen Ende beträgt
vorzugsweise etwa 75 mm, während
sein Innendurchmesser bei etwa 6 mm liegt. Für Vorrichtungen, die an Dieselmotoren
hoher Leistung angebracht werden sollen, betragen die Länge bzw.
der Innendurchmesser des Vorlaufrohres 13 etwa 95 mm bzw.
8 mm.
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Die
Gesamtlänge
des Rücklaufrohres 14 von dem
geschlossenem Ende bis zum Eingangsquerschnitt des Sammelrohres 12 liegt
vorzugsweise bei etwa 60 mm, während
dessen Innendurchmesser etwa 10 mm beträgt. Für Vorrichtungen, die zum Einbau
in Dieselmotoren hoher Leistung geeignet sind, betragen die Gesamtlänge bzw.
der Innendurchmesser des Rücklaufrohres 14 etwa
85 mm bzw. 12 mm.
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Der
Sammler 12 ist vorzugsweise aus einem prismatischen Körper mit
sechseckigem Querschnitt hergestellt, wobei der Durchmesser des
umschreibenden Kreises bei etwa 32 mm liegt und die Länge etwa
diesem Durchmesser entspricht.
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Die äußere Hülse 8 besteht
in vorteilhafter Weise aus einem Hohlzylinder mit einem Außendurchmesser
von 32 mm und einer Länge
von etwa 60 mm. Für
Vorrichtungen zum Einbau in Dieselmotoren hoher Leistung beträgt die Länge der äußeren Hülse 8 etwa
85 mm.
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Der
Verschlußstopfen 9 ist
vorteilhafter Weise aus einem Prisma mit einem Querschnitt hergestellt,
der identisch mit demjenigem des Sammlers 12 ist und eine
Höhe von
etwa 11 mm hat.
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Die
Spule 15 hat einen Innendurchmesser von etwa 12 mm und
eine Länge
von etwa 55 mm. Für
Vorrichtungen, die für
Dieselmotoren hoher Leistung bestimmt sind, betragen der Durchmesser
der Spule 15 etwa 14 mm und die Länge etwa 80 mm.
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Die
Windungen 16 sind vorzugsweise aus Kunststoffdraht mit
einem Durchmesser von 0,35 mm hergestellt und mit einem doppelten
Isolierdecklack ummantelt.
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Der
hauptsächliche
Vorteil dieser konstruktiven Lösung
besteht darin, dass der Kraftstoff in der Vorwärmkammer 5 rasch auf
eine für
den Wirkungsgrad der Vorrichtung optimale Temperatur erwärmt wird.
Weiterhin kann die Temperatur des Kraftstoffes konstant gehalten
und dank der Vorwärmkammer und
des von dem Thermostaten 11 gesteuerten elektrischen Widerstandes 10 gesteuert
werden.
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Bei
einer Variante der Vorrichtung, die in 3 gezeigt
ist, ist die Wicklung 7 durch einen Permanentmagneten 19 ersetzt,
der das Rücklaufrohr 14 einschließt und dazu
dient, ein Magnetfeld zu erzeugen, das mit dem von der Wicklung 7 erzeugten Feld übereinstimmt.
Der Permanentmagnet 19 kann eine hohle Ringform haben oder
alternativ aus einer Mehrzahl von Elementen zusammengesetzt sein,
die um die Außenfläche des
Rücklaufrohres 14 gelegt sind.
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Die
Vorteile dieser konstruktiven Variante bestehen darin, dass der
Permanentmagnet 19 keine Wärme erzeugt und damit die Temperatur
des Kraftstoffes nicht verändert
und innerhalb der Vorrichtung im Wesentlichen konstant bleibt. Damit
ist eine genaue Steuerung der Temperatur des Kraftstoffes durch
den elektrischen Widerstand 10 und den Thermostaten 11 möglich, was
sich vorteilhaft auf den Gesamtwirkungsgrad auswirkt.
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Bei
einer vereinfachten Version der Vorrichtung ist keine Vorwärmkammer 5 vorgesehen,
wobei der elektrische Heizwiderstand 10, der mit dem Thermostaten 11 verbunden
ist, am Eingang des Vorlaufrohres 13 angeordnet ist. Der
elektrische Widerstand 10 kann auch in dem Schlauchanschlußstück 17 eingebettet
sein.
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Die
Zahl der Windungen und die Versorgungsspannung für die Wicklung 7 werden
vorzugsweise in Abhängigkeit
von der Versorgungsspannung und dem eingesetzten Kraftstoff gewählt.
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Bei
Vorrichtungen für
den Einbau in Fahrzeugen mit Benzinantrieb hat die Wicklung 7 vorzugsweise
etwa 1020 Windungen und wird mit einem Gleichstrom von 12 V versorgt.
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Bei
Vorrichtungen für
mit Flüssiggas
betriebene Kraftfahrzeugen hat die Wicklung 7 vorzugsweise
980 Windungen und wird mit Gleichstrom von 12 V betrieben.
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Vorrichtungen,
die in Diesel-Kraftfahrzeugen eingebaut werden, hat die Wicklung 7 vorzugsweise 920
Windungen und wird von einem Gleichstrom von 12 V gespeist.
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Vorrichtungen,
die zum Einbau in Dieselmotoren hoher Leistung vorgesehen sind,
beispielsweise Arbeitsmaschinen, hat die Wicklung 7 vorzugsweise
2040 Windungen und wird mit Gleichstrom von 24 V versorgt.
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Die
angegebene Windungszahl gewährleistet
aufgrund des elektrischen Stromes, der durch die Windungen fließt, einen
Aufheizeffekt, der bei einer vereinfachten Ausführungsform der gezeigten Vorrichtung
dazu dient, auf den Einsatz eines elektrischen Heizwiderstandes
zu verzichten. Bei einer solchen vereinfachten Ausführungsform,
die in 6 gezeigt ist, hat die Vorrichtung weder eine
Vorwärmkammer 5 noch
einen elektrischen Heizwiderstand 10, wobei die Aufwärmung des
Kraftstoffes durch die Wärme
erzeugt wird, die beim Durchfluss des elektrischen Stromes in der
Wicklung 7 entsteht. Diese Variante ist besonders einfach
und wirtschaftlich, erlaubt es jedoch nicht, die Temperatur des
Kraftstoffes zu steuern und mit absoluter Sicherheit konstant zu halten.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Erwärmen
und elektromagnetischen Polarisieren wird der Strom des flüssigen oder
gasförmigen
Kraftstoffes 1 durch einen Wärmestrom 2 auf eine
Temperatur von etwa 30°C
bis 65°C
erwärmt,
worauf er entlang der Achse des elektromagnetischen Feldes 3 von
einem Pol zum anderen strömt,
um dann im Gegenstrom zum Eingangsquerschnitt zurückzukehren, wobei
er erneut im Gegenstrom 4 durch den koaxialen Ringquerschnitt
außerhalb
des ersten Stromes durch das Magnetfeld 3 hindurchläuft.
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Auf
diese Weise wird der Kraftstoff erwärmt und zweimal polarisiert,
so dass die Ionen bei ihrer Wanderung auf der Grundlage der Polarität des elektromagnetischen
Feldes ausgerichtet werden, so dass die Zerstäubung und Verbrennung in der
Brennkammer erleichtert werden.
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Bezüglich der
Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens gemäß der Erfindung
ist zu bemerken, dass diese an der Einlaßleitung des Kraftstoffs in
den Vergaser oder an der Einspritzpumpe befestigt wird. Die Versorgungskabel
für die
Wicklung und den Heizwiderstand für den Brennstoff müssen mit
der Steuerschaltung des Fahrzeugs so verbunden werden, dass die
Vorrichtung ihre Funktion beginnt, wenn die Steuerschaltung eingeschaltet
wird.
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Der
Strom des flüssigen
Kraftstoffs 1, der von dem Kraftstoffbehälter kommt,
wird in das innerste Vorlaufrohr 13 eingespeist, durchströmt dieses
bis zum Ausgang und kehrt schließlich durch den Raum mit ringförmigem Querschnitt
zurück,
der zwischen dem äußersten
koaxialen Rücklaufrohr 14 und
dem Vorlaufrohr 13 ausgebildet ist, um am Ende durch das
Schlauchanschlußstück 18 am
Sammler 12 auszuströmen.