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Verfahren zur Heizung und Förderung flüssigen Brennstoffes in einen
Druckbehälter Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Heizung und Förderung flüssigen
Brennstoffes in einen unter federndem Gasdruck stehenden Speicher durch Anwendung
einer Kolbenpumpe, welche außer Brennstoff auch ein zur Erzeugung und Aufrechterhaltung
des Speichergaskissens dienendes Gas liefert.
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Bei bekannten Brennstoffheizvorrichtungen erfolgt die Heizung durch
eine unter Überdruck stättfindende Verbrennung einer Teilbrennstoffmenge unter Zuführung
von Druckluft in einem geschlossenen Behälter. Derartige Vorrichtungen arbeiten,
abgesehen von der in der Verbindung von Brennstoff- und Druckluftbehältern liegenden
Explosionsgefahr, sehr unwirtschaftlich, da die unter großem Brennstoffaufwand gebildeten
Verbrennungsprodukte zum größten Teil mit Abgasen ungenützt abgeführt werden.
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Bei anderen Brennstoffheizvorrichtungen wird Brennstoff und Druckluft
einem Behälter 'zugeführt, um den Wärmeinhalt der Luft an den Brennstoff überzuführen.
Es wurde auch schon vorgeschlagen, Brennstoff und Luft gemeinsam durch ein Gebläse
anzusaugen, das Gemisch durch Verdichtung vorzuwärmen und in einen Behälter überzuschieben,
in dem die Trennung von Luft und Brennstoff erfolgt, die 'alsdann je durch eine
Leitung einem Brenner zugeführt werden. Bei allen diesen Einrichtungen lassen sich
aber wegen der Explosionsgefahr nur ganz mäßige Drücke und Temperaturen erzielen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis der Bedeutung der Anwendung hoher
Gasdrücke und Temperaturen zur Erzielung einer namentlich im Brennkraftbetrieb,
d. h. beim Betrieb von Brennkraftmaschinen, Brennkraftwerkzeugen, Feuerungsanlagen
aller Art, sowie von Schweißbrennern erwünschten Vorheizung des Brennstoffes auf
hohe Temperatur unter Vermeidung vorgenannter Mängel zugrunde.
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Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß. die Heizgasmenge
bei großem Wärmeinhalt auch hohe Temperatur besitzen muß, damit durch ein hohes
Wärmegefälle zwischen Gas und Brennstoff ein rascher, verlustloser Wärmeübergang
an den Brennstoff ermöglicht wird.
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Auch empfiehlt sich die Anwendung hoher Drücke deshalb, weil bei einer
vor oder hinter einer Düse, z. B. in einem Brennraum, bewirkten Druckentlastung
eine plötzliche Verdampfung des unter Druck geheizten Brennstoffs durch frei werdende
Flüssigkeitswärme erzielt wird.
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Um nun die mit der Anwendung so hoher Verdichtungsdrücke und Temperaturen
bei unmittelbarer Berührung von Gas und Brennstoff in der Pumpe auftretenden Gefahrmomente
auszuschalten, wird gemäß der Erfindung als Gas ein solches benutzt, welches wenig
oder gar keinen Sauerstoff enthält, .z. B. Motorauspuff- oder Kraftgase z. B. aus
Sauggasanlagen, aus Luftschiffzellen, ferner Wasserstoffgas aus Gaserzeugern oder
Gasflaschen.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß Gas und Brennstoff
auf getrennten
Wegen in den Arbeitsraum der Pumpe gefördert werden
und das Druckventil der Pumpe, durch welches beide Stoffe nach dem Speicher gefördert
werden, im höchsten Punkt des schädlichen Raums der Pumpe angeordnet ist, so daß
am Ende des Druckhubes das gesamte Gas aus dem Arbeitsraum der Pumpe entfernt und
der verbleibende schädliche Raum nur von Brennstoff ausgefüllt ist. Es soll damit
vor allem eine Gemischbildung von Gas und Brennstoff in der Pumpe vermieden werden.
Durch Vermeidung der Gemischbildung in der Pumpe und durch Anordnung des 1_Tberschubventils
im höchsten Punkt des schädlichen Raums bei an sich beliebiger Pumpenanlage, können
die verdichteten Gase vor dem Brennstoff restlos in den Speicher übergeschoben werden.
Erst dann wird der über dem Kolbenboden lagernde Brennstoff übergeschoben, und zwar
derart, daß bei Kolbenumkehr, wir- zuvor erwähnt, ein Brennstoffrest den schädlichen
Raum völlig ausfüllt. Da keine Gasreste vorhanden sind, so ist eine Rückexpansion
ausgeschlossen. _ Die Pumpe arbeitet demzufolge als reine Flüssigkeitspumpe. Damit
entfallen auch die bei Verdichtern wegen knapper Bemessung der Entfernung zwischen
Kolben- und Zylinderboden auftretenden Schwierigkeiten. Auch-hat das Überschubv
entil statt gegen Gase nur gegen Flüssigkeit abzudichten.
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Bei der Pumpe nach der Erfindung wird ein Teil des geförderten Öls
dazu.benutzt, um den schädlichen Raum auszufüllen. Diese Ölmenge wird während des
Betriebs dauernd erneuert, so daß dieses Öl trotz der hohen Drücke, die in der Pumpe
erzeugt werden, sich nicht so stark erwärmen kann, daß eine Verdampfung stattfindet,
was dem Zweck widersprechen würde.
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Die Ausfüllung des schädlichen Raums mit Öl und die Anordnung des
Druckventils einer Pumpe im höchsten Punkt des schädlichen Raums ist bei Entlüftungspumpen
bereits bekannt.
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Abgesehen davon, daß diese Merkmale nur im Zusammenhang mit der Art
der verwendeten Gase unter Gas- und Brennstofführung in der Pumpe Gegenstand der
Erfindung sind, ermöglicht die Erfindung erstmals die Anwendung einer Ölfüllung
im schädlichen Raum bei hohen Pumpendrücken und Temperaturen, da der Ölinhalt des
schädlichen Raums durch Frischöl dauernd gekühlt -und ergänzt wird.
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Für dieses Merkmal als solches wird kein Schutz begehrt, sondern nur
im Zusammenhang mit der beschriebenen Brennstofförderpumpe.
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Die Verwendung von Motorauspuffgasen setzt voraus, daß sich die Maschine
im Betriebe befindet. Im Anfahrzustand sind diese Gase nicht vorhanden. Außerdem
bedingt die Anheizung des Brennstoffs beim Anfahren auf die erforderliche hohe Temperatur
eine besonders große Wärmemenge in kurzer Zeit.
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Beiden Anforderungen trägt die Erfindung dadurch Rechnung, daß beim
Anlassen der Brennkraftmaschine oder bei Inbetriebnahme der Pumpe, der Pumpe zur
Verbrennung einer Teilbrennstoffmenge in der Pumpe eine je Hub regelbare Luft- oder
Sauerstoffmenge zugeführt wird. Die durch die Verbrennung einer diesem Luftgewicht
entsprechenden Teilbrennstoffmenge gebildeten Verbrennungsgase werden in den Brennstoffspeicher
übergeschoben, hierauf die restliche Brennstoffmenge, welche im Speicher die Wärme
aus den Verbrennungsgasen aufnimmt. Durch die Anwendung,der je Hub regelbaren Luft-
oder Sauerstoffmenge sind beim Anfahren bereits bei den ersten Kolbenhüben unbrennbare
Gase von entsprechend hohem Wärmeinhalt vorhanden, so daß also schon vor der eigentlichen
Inbetriebnahme des Motors Brennstoff von hoher Temperatur und hohem Druck durch
die Pumpe erzeugt und in die Speicherräume geliefert wird. Auch hier bleibt trotz
Anwendung von Luft öder Sauerstoff jegliche Explosionsgefahr vermieden.
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Um den, die mechanische Energie aufnehmenden gasförmigen Wärmeträger
nach Erfüllung seiner Aufgaben ausscheiden zu können, d. h: um ihn nicht in gasförmigen
Zustand zum Verbraucher fördern zu müssen, können in weiterer Ausbildung der Erfindung
der Pumpe an Stelle von Gasen Dämpfe, z. B. Wasserdampf, zugeführt werden, die unter
Abgabe ihres Wärmeinhalts mit wachsendem Verdichtungsdruck kondensieren. Das gebildete
Kondensat wird mit dem Brennstoff fein vermischt dem Verbraucher zugeleitet und
verdampft bei Druckentlastung, z. B. im Brennraum eines Brennkraftmotors unter zusätzlicher
Wärmeaufnahme aus den Verbrennungsgasen, wodurch die Temperatur im Brennraum herabgesetzt
wird.
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Es kann aber gemäß der Erfindung außer gasförmigem und flüssigem Brennstoff
mit letzterem zusammen auch fester Brennstoff; z. B. Kohlenstaub, in den Speicher
gefördert werden.
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Um die Brennstofftemperatur während der Betriebspause nicht unter
einen gewissen Grad sinken zu lassen oder um für das Wiederanfahren .eine gegenüber
Normalbetrieb erhöhte Brennstofftemperatur zu erzielen, werden gemäß der Erfindung
dem Gaskissen des Speichers Gase entnommen, -entspannt und alsdann der Pumpe zugeführt.
In dieser wird durchAufwand von mechanischer Energie den Gasen Wärme zugeführt,
welche, wie beschrieben, an den Brennstoff abgegeben
wird. Hierdurch
entsteht ein geschlossener Gaskreislauf im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen,
bei denen Brennstoff umgepumpt und fortwährend Frischgas angesaugt werden muß,-
welches dann mit einer erheblichen Restwärme als Abgas verlor engeht.
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Zur Begrenzung des Speicherdruckes dienen in bekannter Weise in der
Speichervorrichtung vorgesehene einstellbare Überdruckventile.
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U m ein günstiges Volumenverhältnis zwischen der, dem Pumpenzvlinder
zugeführten Gasmenge und der Brennstoffmenge herbeizuführen, werden gemäß der Erfindung
die der brennstoffördernden Stufe (Hochdruckstufe) zugeleiteten Gase in einer oder
mehreren Stufen mit reiner Gasverdichtung vorverdichtet.
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Die Bemessung der Gas- und Brennstoffzufuhr kann durch Drosselung
erfolgen. Die Gasfüllung je Hub kann aber auch gemäß der Erfindung durch den Arbeitskolben,
durch Schieber oder Ventile stufenweise oder stetig veränderbar geregelt werden.
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Um Gase aus dem Speicher ausscheiden zu können, ist gemäß der Erfindung
ein dem Speicher nachgeschalteter, ganz mit Brennstoff gefüllter Behälter angeordnet.
Dieser ist mit dem Speicher durch eine Leitung verbunden, die an dem Speicher in
einer Höhe befestigt ist, welche die untere Grenze des Gaskissens darstellt. Dehnt
sich das Gaskissen z. B. durch zu starke Gaszufuhr zum Speicher oder Absinken des
Speicherdruckes weiter aus, so gelangt das überschüssige Gas in den flüssigkeitsgefüllten
Behälter. An dessen höchstem Punkt befindet. sich :ein Ventil, durch welches die
Gase zusammen mit einer geringen Brennstoffmenge ausgeschieden werden.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Abb. z den grundsätzlichen Aufbau der Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens
nach der Erfindung, Abb. 2 eine Vorrichtung zur stufenweisen Regelung der Gaszufuhr,
Abb. 3 eine Vorrichtung zur stetigen Regelung der Gaszufuhr, Abb. q. eine Brennstoffpumpe
mit Vorv erdichtungsstufe für reine Gasverdichtung. Die Brennstoffpumpe b (Abb.
z) saugt z. B.
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über Leitung dl und Regel- bzw. Absperrventil b1 Motorabgase und getrennt
davon über das Regelventil c Brennstoff an. Im höchsten Punkt des schädlichen Raumes
ist das Überschubventillal angeordnet. Infolge dieser Anordnung des Druckventils
hl werden zuerst die verdichteten Gase und dann der Brennstoff über Leitung
h in den Speicher a
übergescholten.
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Beim Anlassen einer Brennkraftmaschine oder bei Inbetriebnahme der
Pumpe wird Luft durch das Auspuffrohr des Motors z und die Leitung dl. aus dem Freien
angesaugt. Diese, ein anderes Gas oder Dämpfe können auch durch Leitung c1 zugeführt
«erden.
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Um die Gasfüllung je Hub in den weiten Grenzen, welche die Aufrechterhaltung
des Gaskissens im Speicher a als Ausgleich für die vom Brennstoff absorbierte.Gasmenge
und die Erzeugung einer hohen BrennstGfftemperatur erfordert, regeln zu können,
ist die Pumpe mit Steuereinrichtungen versehen, welche die Gasfüllung je Hub stufenweise
oder stetig zu verändern gestatten. Eine dieser Möglichkeiten ist auf der Zeichnung
in drei Varianten dargestellt.
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Abb. r -zeigt eine Steuerung durch den Arbeitskolben mit unveränderlicher
Hubstrecke für Gas- bzw. Brennstoffzufuhr, wobei auf der Hubstrecke d zunächst Brennstoff
über Ventil c, auf der Hubstrecke i Gase über den Kolbenkanal f, die Leitung g und
das Ventil lt angesaugt und dem zuerst angesaugten Brennstoff vorgelagert
werden. Bei Kolbenumkehr werden die Gase verdichtet und, wie bereits beschrieben,
vor dem Brennstoff in die Leitung h übergeschoben.
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Abb. z zeigt eine Steuerung durch den Arbeitskolben mit stufenweise
veränderbarer Hubstrecke für Gas- bzw. Brennstoffzufuhr. Die Strecke, auf welcher
Gasansaugung erfolgt, kann durch Verschiebung des Kolbens o so geändert werden,
daß die Gaszufuhr beginnt, wenn die Kolbenkanalkante na wahlweise über die Zylinderkanalkante
ra bzw. ?i' überschleift.
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Abb.3 zeigt eine Steuerung durch den Arbeitskolben mit stetig veränderbarer
Hubstrecke für Gas- bzw. Brennstoffzufuhr. Zu diesem Zweck ist im Pumpenzylinder
ein axial beweglicher Kolbenschieber p angeordnet. Je nach der Höhenlage der steuernden
Schieberkante des Kolbenschiebers p gelangen die Gase früher oder später aus der
Leitung e durch die Schieberöffnung -n in den Kolbenkanal f und von da durch die
Schieberöffnung q, Leitung g und das Einst-römventil h in die Pumpe.
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Abb. q. zeigt die Anordnung einer Vorv erdichtungsstufe gemäß der
Erfindung. Beim Hochgang des Kolbens werden Gase durch das Ventil y in das Kurbelgehäuse
angesaugt und etwa in der tiefsten Kolbenstellung in vorverdichtetem Zustand über
den Kolbenkanal in in den Zylinderräum übergeschoben, wo sie den um die angesaugte
Brennstoffmenge verminderten Hubraum infolge ihres Verdichtungsdruckes ausfüllen.
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Dem Zwecke des Umpumpens von Gasen in geschlossenem Kreislauf werden
dem Gaskissen des Speichers Gase über die Leitung e1 (_<1bb. r) entnommen und
durch Drosselung
in Ventil e9 unter Beibehaltung ihres Wärmeinhalts
entspannt, worauf sie der Pumpe durch Leitung e, Kanal g und Ventil h zugeführt
werden. Die Rückführung dieser Gase über die Brennstoffpumpe erfolgt unter gleichzeitigem
Überschub einer kleinen Brennstoffmenge.
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Der Vermeidung eines unzulässig hohen Speicherdruckes dient das Sicherheitsventil
a1.
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Die Ausscheidung überschüssiger Gase aus dem System wird dadurch bewirkt,
daß der Brennstoffspiegel im Speicher a durch die nicht absorbierte und nicht zur
Aufrechterhaltung des Gaskissens erforderliche Gasmenge bis auf die Spiegelhöhe
s abgesenkt wird, so daß Gase über Leitung u in den ganz mit Brennstoff gefüllten
Behälter t übertreten und unter Wärmeabgabe an die Flüssigkeit nach oben steigen,
von wo dieselben durch den Kanal v und das Ventil x
zusammen mit einer
kleinen Flüssigkeitsmenge-in den Behälter w entweichen. Vom Behälter w werden die
Gase zu beliebiger Verwendung abgeleitet, während der Brennstoff in den Behälter
f1 zurückfließt.
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Die Räume a, t, zu usw" ferner die dargestellten Leitungen
können selbstverständlich auch durch kleine Bohrungen und Aussparungen im Pumpenkörper
gebildet sein.
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Der durch die Erfindung erreichbare Fortschritt gegenüber den bekannten
Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß hohe Wärmegefälle geschaffen werden,
durch welche ein rascher und unmittelbarer Wärmeübergang selbst an Brennstoff von
hoher Temperatur und damit eine technisch vollkommene und wirtschaftliche Heizung
von Brennstoff auf hohe Temperatur ermöglicht wird.
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Ein weiterer ausschlaggebender Vorteil der Erfindung liegt in der
Vermeidung jeglicher Gefahr bei der Heizung und Speicherung des Brennstoffes durch
Anwendung von Gasen mit geringem oder gar keinem Sauerstoffgehalt. Dies ermöglicht
die Anwendung besonders hoher Drücke, wodurch andererseits die Ansauggasmenge vermindert
wird. Ferner ist, entsprechend dem hohen Pumpendruck, eine äußerst wirksame Strahlzerstäubung
möglich, und schließlich wird bei Druckentlastung während der Einspritzung eine
große Wärmemenge frei, y Durch die besondere Ausbildung des Verfahrens nach der
Erfindung ist die Anwendung von Luft oder Sauerstoff zur Heizung des Brennstoffes
auf die für die Inbetriebnahme eines Motors erforderliche erhöhte Temperatur ohne
jede Gefahr möglich.
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Ein weiterer, namentlich in betriebstechnischer Hinsicht wesentlicher
Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Brennstoffpumpe, trotzdem sie erhebliche
Gasmengen zu verdichten hat, die Eigenschaften einer reinen Flüssigkeitspumpe besitzt.
Durch Vermeidung der Rückexpansion ist ein außerordentlich großer Unterschied zwischen
Anfangs- und Enddruck in dieser Stufe bei gutem volumetrischem Wirkungsgrad möglich.
Ferner kann eine Temperatursteigerung über die durch die Pumpenabmessungen bedingte
Höhe in wirtschaftlicher Weise durch Umpumpen von Gasen in geschlossenem Kreislauf
erfolgen.