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Verfahren und Vorrichtung zur Brennstoffeinführung in Verpuffungskammern,
Die Entwicklung der Brennstoffeinführung bei Verpuffungskammern, insbesondere von
Verpuffungsbrennkraftturbinen, und bei Dieselmotoren, vorzugsweise mit kornpressorloser
Brennstoffeinspritzung, ist nicht gleichartig verlaufen. Während sich für den Dieselmotor
im allgemeinen die kurzzeitig fördernde Brennstoffpumpe eingeführt hat, die für
jeden Zylinder einen besonderen Pumpenstempel besitzt, der die jeweils einzuspritzende
Brennstoffmenge abmißt und zum erforderlichen Zeitpunkt unmittelbar in den Brennraum,
sei es über offene, sei es über geschlossene Düsen fördert, hat sich die Beschreitung
dieses Weges bei der Einführung von Brennstoff in Verpuffungskammern nicht als zweckmäßig
erwiesen. Man hat zwar zu Beginn der Entwicklung von COlturbinen die bewährten Pumpenkonstruktionen
von Dieselmaschinen mit Einspritzdrücken von über ioo atü beibehalten, aber sehr
bald festgestellt, daß es bei Verpuff ungskammern der Anwendung derartig hoher Überdrücke
zur Zerstäubung und Verteilung des Brennstoffes nicht bedarf. Denn im Gegensatz.
zu Dieselmotoren wird bei Verpuffungskammern die bereits auf den Verdichtungsenddruck
vorverdichtete Luft in die Verpuffun_ gskammern eingeführt. Dadurch entsteht die
Möglichkeit, diese Luft unter starker Beschleunigung durch Verengung und entsprechende
Gestaltung der Querschnitte so an den Brennstoffeinführungsmitteln vorbeizuführen,
daß eine weitgehende Zerreißung, Aufteilung und Vernebelung des durch die Brennstoffeinführungsmittel
selbstgegebenenfalls vorzerstäubten Brennstoffes eintritt, wobei die Relativgeschwindigkeiten
zwischen Luft und Brennstoff ohne weiteres erheblich über das Maß gesteigert werden
können, das bei Dieselmaschinen bei Drucksteigerungen des Brennstoffes bis 5oo atü
und mehr erreichbar ist. Dadurch ist es gelungen, bereits bei Einspritzdrücken des
Brennstoffes von io bis 5o atü eine völlig ausreichende Zerstäubung
und
Verteilung des Brennstoffes zu erzielen. Unter diesen Umständen erscheint es nicht
gerechtfertigt, den bei Dieselmaschinen erforderlichen, nicht unerheblichen baulichen
Aufwand für derartige kurzzeitig fördernde Brennstoffpurnpen beizubehalten. Der
Beibehaltung der üblichen Brennstoffpumpenbauart bei Verpuffungsbrennkraftturbinen
steht bereits die Tatsache entgegen,-daß ml Gebiete größerer Einheiten, für die
die Verpuffungsbrennkraftturbine besonders in Betracht kommt und innerhalb dessen
sie die 'größten Vorzüge entwickelt, ihre Brennstoffpumpen bei Übernahme der für
Dieselmaschinen üblichen Bauart nicht nur verhältnismäßig große Abmessungen annehmen,
sondern auch desllelb zu Schwierigkeiten führen, weil die Arbeitsweise der Pumpen
nicht mehr ruhig gehalten «-erden kann. Es treten harte Schläge in der Pumpe und
in den Brennstoffleitungen auf, die noch dadurch gesteigert werden, daß bei Verpuffungskammern
die verhältnismäßig große Brennstoffmenge in einer sehr kurzen Zeit eingeführt werden
muß, um diese Brennstoffmenge über den großen Kammerinllalt gleichmäßig verteilen
zu können.
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Aus den genannten Gründen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, voll
der unmittelbaren Einführung des Brennstoffes in den Brennraum durch Brennstoffpumpen
zur mittelbaren Einspritzung lnit einer Vorrätsspeicherung des Brennstoffes unter
Druck überzugehen. Derartige Versuche sind, insbesondere in Verbindung mit der kompressorlosen
Einführung des Brennstoffes, auch im Diesehnotorenbau gemacht worden, wobei jedoch
weniger von einer ',#'orratsspeicllerung als von einer Füllungsspeicherung Gebrauch
gemacht wurde, bei der nur eine der Last entsprechende Brennstoffmenge für die nächste
Einspritzung unter ausreichendem Druck aufgespeichert wird, um nach Auslösung eines
Sperrorganes in den Brennraum entlassen zu werden.
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Vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Versuch,
bei Dieselmotoren mit einer Vorratsspeicherung des Brennstoffes zum Erfolg zu kommen,
aus einer Reihe von Gründen erfolglos bleiben mußte.
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Auszugehen ist zunächst davon, daß die zeitliche Zuteilung der je
Einspritzvorgang erforderlichen Brennstoffmenge mittels einer vom Einspritzventil
unabhängigen Zuteilvorrichtung unbedingtes Erfordernis für die einwandfreie Arbeitsweise
eines derartigen Verfahrens ist. Denn es ist zu berücksichtigen, daß in sehr kleinen
Zeitspannen kleine Querschnitte eröffnet werden müssen. Wird nun das Einspritzventil
selbst für die zeitliche Eröffnung dieses Querschnittes verwandt, so ergibt sich
der Nachteil, daß die Nadel des Einspritzventils beim Eröffnen und beim Schließen
äußerst schnell von der Geschwindigkeit Null auf die Endgeschwindigkeit beschleunigt
werden muß. Da die insgesamt zu eröffnenden Querschnitte aber sehr klein sind, ist
auch der Hub der Brennstoffnadel entsprechend klein. Er ist also weder so groß,
daß die Brennstoffnadel innerhalb desselben auf die erforderlichen Endgeschwindigkeiten
beschleunigt werden kann, noch ist er so groß, daß die Brennstoffnadel schlagfrei
abgepuffert werden könnte. Wird jedoch eine vonl Einspritzventil unabhängige Zuteilvorrichtung
verwendet, so läßt sich diese insbesondere in weiterer Durchführung des Erärndungsgedankens
so ausbilden, daß den dargelegten Bedingungen Rechnung getragen «-erden kann.
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lrn Zusammenhang hiermit steht der Einfluß der Brennstoffmengen und
Brennstoffdrücke. Erst große Brennstoffmengen, insbesondere von einem Grenzwert
von 5o cm3 ab aufwärts, ergeben die Möglichkeit, den dargestellten Bedingungen zu
genügen. Schließlich muß berücksichtigt werden, daß durch die Mitwirkung der Verbrennungsluft
bei der Zerstäubullg des Brennstoffes die Herabziehung der Ein, spritzdrücke auf
Werte zwischen to und 5o atü möglich geworden ist, so daß dadurch Umstände eingetreten
sind, unter denen sich die Vorratsspeicherung des Brennstoffes ohne große Schwierigkeiten
ausführen läßt.
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Ausgehend von diesen Erkenntnissen kennzeichnet sich das vorgeschlagene
Verfahren zur Brennstoffeinführung in Verpuffungskamrnern, insbesondere von . Verpuffungsbrennkraftturbinen,
bei dem der in die Verpuffungskammern einzuführende Brennstoff einem unter gleichen
oder annähernd gleichen Druck, insbesondere dem Einspritzdruck, stehenden Brennstoffvorrat
entnommen und der Verpuffungskammer durch entsprechend bernessene zeitliche Zuteilung
in der je Einspritzvorgang erforderlichen Menge zugeführt wird, erfindungsgemäß
dadurch, daß dem Brennstoffvorrat die benötigte Brennstoffmenge mittels einer vom
Einspritzventil und von der Brennstoffpumpe unabhängigen Zuteilvorrichtung entnommen
wird, vorzugsweise in Mengen oberhalb eines Grenzwertes von 50 cm', bei Drücken
zwischen zo und 50 atü und unter zusätzlicher Zerstäubung des Brennstoffes
durch gleichzeitig in die Verpuffungskammer eingeführte, unter Überdruck stehende
Luft.
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Es war bereits erwähnt worden, daß der mechanische Aufbau des Brennstoffeinspritzventils
nicht die Möglichkeit gewährt, dieses unter den bei der Vorratsspeicherung des Brennstoffes
aufgetretenen Bedingungen selbst mit Erfolg als Zuteilvorrichtung verwenden
zu
können. Die Einhaltung der gleichen Bedingungen führt in weiterer Durchführung des
Erfindungsgedankens dazu, die zum Brennstoffeinspritzventil führende Brennstoffzuführungsleitung
unter Einleitung der Brennstoffzuteilung mit einer Geschwindigkeit zu eröffnen,
die unabhängig ist von der Geschwindigkeit,' mit der die Brennstoffzuführungsleitung
unter Beendigung der .Brennstoffzuteilung geschlossen wird. Dadurch ergibt sich
die Möglichkeit, diese Eröffnungs-und Verschlußvorgänge mit der gleichen hohen Geschwindigkeit
durchzuführen und dadurch die einzuführende Brennstoffmenge ganz genau auf den Wert
zu bestimmen, der bei der herrschenden Belastung richtig ist. Wird die Brennstoffzuführungsleitung
zwischen Einspritzventil und Abschlußorgan der Zuteilvorrichtung bei Betätigung
dieses Abschlußorganes oder unmittelbar hiernach vom Druck entlastet, so fallen
Nacheinspritzen und Nachtropfen des-Brennstoffes unter Auswirkung seiner Kompressibilität
bzw. der elastischen Nachwirkung der beim Einspritzvorgang beanspruchten Werkstoffe
weg.
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Als ausschlaggebender Vorteil des neuen Verfahrens muß es angesehen
werden, daß es die Möglichkeit gewährt, auf den Brennstoff nach der Unterdrucksetzung
und vorteilhaft noch vor der Zuteilung desselben an die Verpuffungskammer Wärme,
vorzugsweise zur Kühlung von Betriebsmitteln der Turbinenanlage, zu übertragen.
Durch die Speicherung des Brennstoffes bei hohem Druck wird nämlich der Verdampfungspunkt
des Brennstoffes erheblich erhöht, so daß es möglich ist, dem Brennstoff wesentliche
Wärmemengen ohne schädliche Dampfbildung in demselben zuzuführen. Auf diese Weise
kann eine Rückkühlung von Betriebsmitteln mit anderen Kühlmitteln, wenn sie zu Störungen
oder Erschwernissen irgendwelcher Art Anlaß geben würde, vermieden werden. Dieser
Gesichtspunkt trifft beispielsweise für Fahrzeuge zu, bei denen die zur Kühlung
der Betriebsmittel, etwa des Kühlmittels, erforderlichen zusätzlichen Luftkühler
stets zu einer Erhöhung des Fortbewegungswiderstandes führen, so daß es mit erheblichen
Vorteilen verbunden ist, wenn nach der durch vorliegendes Verfahren eröffneten Möglichkeit
die abzuführende Wärme auf den Brennstoff übertragen und dadurch teilweise wieder
für die Zwecke des Fahrzeugbetriebes nutzbar gemacht werden kann.
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Die Vorrichtungen zur Durchführung des, neuen Verfahrens können in
beliebiger Art und Weise ausgebildet sein. Sie kennzeichnen sich vorzugsweise durch
Anordnung einer vom Einspritzventil unabhängigen Brennstoffzuteilvorrichtung zwischen
diesem sich unter dem Brennstoffdruck vorteilhaft selbsttätig öffnenden Ventil und
dem Brennstoffvorrat. Die Zuteilvorrichtung wird dabei vorteilhaft in der Weise
ausgebildet, daß in der Verbindungsleitung zwischen Brennstoffvorrat und Einspritzventil
hintereinander zwei Steuereinrichtungen angeordnet sind, deren eine den Beginn,
deren andere den Schluß der Brennstoffeinführung bestimmt. Dadurch ergibt sich zunächst
die bereits erwähnte Unabhängigkeit der Geschwindigkeit, mit der die zum Brennstoffeinsprizventil
führende Brennstoffzuführungsleitung unter Einleitung der Brennstoffzuteilung eröffnet
wird, von der Geschwindigkeit, mit der die gleiche Leitung unter Beendigung der
Brennstoffzuteilung geschlossen wird. Es können also diese beiden Vorgänge unter
den besten Bedingungen abgewickelt werden. Bildet man die Steuerungseinrichtungen
als Stempel vorzugsweise kleineren Durchmessers aus, deren Steuerkanten eine gekoppelte
hin und her gehende Bewegung ausführen, die je nach der gewünschten Eröffnungszeit
gegeneinander verstellbar- sind, so erreicht man eine besonders wirksame Verminderung
von Leckverlusten. Denn trotz der verhältnismäßig großen Brennstoffmengen, die in
Verpuffungskaminern eingeführt werden müssen, ist in jeder Weise darauf Bedacht
zu nehmen, daß die auftretenden Undichtigkeiten gering sind. Denn die Undichtigkeiten
bzw. die durch sie hervorgerufenen Leckverluste sind Änderungen unterworfen, die
sich im Verhältnis zur abgeteilten Brennstoffmenge fühlbar und störend auswirken
können. Eine mit den obenbenannten Merkmalen ausgebildete Zuteilvorrichtung verringert
derartige Möglichkeiten auf ein Geringstmaß. Überschleifen die Steuerkanten jedes
der Stempel ihre Gegenkanten etwa im Zeitpunkt größter Bewegungsgeschwindigkeit
der Stempel, so erreicht man ein nahezu rechteckiges Füllungsdiagramm, dessen Inhalt
somit-genauestens bestimmt und einstellbar ist. i Um die erforderliche Kühlwärmeübertragung
auf den Brennstoff durchzuführen, ist es' erforderlich, auf dem Wege des Brennstoffes
zwischen einer ihn auf Druck bringenden bzw. ihn auf Einspritzdruck verdichteten
i Förderpumpe und dem Einspritzventil einen Wärmetauscher anzuordnen, in dem diese
Kühlwärmeübertragung erfolgt.
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Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung des Erfindungsgedankens,
und i zwar gibt Abb. a in schematischer Darstellung einen Gesamtüberblick über eine
erfindungsgemäß ausgebildete Ölturbine im Schnitt wieder, Abb. a zeigt in etwas
vergrößerter schema- i tischer Darstellung einen Schnitt durch ein Einspritzventil,
Abb.3
stellt die Brennstoffzuteilvorrichtung im senkrechten Schnitt ebenfalls schematisch
dar, während Abb. 4. schließlich die Zeitwegkurven der Stempel eine Zuteilvorrichtung
nach Abb. 3 veranschaulicht.
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In allen Abbildungen bezeichnet i die Verpuffungskammer mit dem Ladeluftventil
2, den Nachladeluftventilen 3, den Brennstoffeinspritzventilen 4, dem Düsenventil
5 und dem Auslaßventil 6. In an sich bekannter Weise wird die Verpuffungskammer
i, hinter der .sich eine zweite nicht gezeichnete V erpuffungskammer befindet, durch
Öffen des Ladeluftventils 2 über das Auslaßventil 6 von den Restverbrennungsgasen
gereinigt, Nach Schließung der Ventile 2 und 6 wird die Kammer i über die Nachladeluftventile
3 auf höheren Druck nachgeladen, wobei gleichzeitig durch die Ventile 4 Brennstoff
eingespritzt wird. Die Zündkerzen 7 leiten die Verpuffung der so gebildeten zündfähigen
Ladung ein. Nach Öffnung- des Düsenventils 5 beaufschlagen die gebildeten hochgespannten
und hocherhitzten Verbrennungsgase über die Düsen 8 das erste Laufrad 9 der Verpuffungsbrennkraftturbine,
das als zweikränziges Curtis-Rad ausgebildet ist. Nach einem Druckausgleich im Druckausgleichsbehälter
io erfolgt über die Düsen i i eine Beaufschlagung des zweiten Rades 12 der Verpuffungsbrennkraftturbine,
das ebenfalls als Curtis-Rad ausgebildet ist. Auf dieses zweite Curtis-Rad werden
auch die Restverbrennungsgase zur Wirkung gebracht, die nach Eröffnung des Auslaßventils
über die 'Düsen 13 dieses Turbinenlaufrad #beaufschlagen.
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Erfindungsgemäß sind bei einer derartigen an @ sich bekannten Anlage
folgende Maßnahmen verwirklicht worden.
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Der Brennstoffvorrat 1d. befindet sich in einem Brennstoffvorratsbehälter
15, an den die Förderpumpe 16 angeschlossen ist. Die Pumpe 16 fördert den Brennstoff
in einen Speicher 17, in dem der Brennstoff durch einen federbelasteten Kolben 18
auf gleichem bzw. annähernd gleichem Druck gehalten wird. Aus dem Speicherraum i8
wird der benötigte Brennstoff durch eine Zuteilvorrichtung ig entnommen. Leitungen
20 führen die abgemessenen Brennstoffmengen den Einspritzventilen .I zu, die in
Abb. 2 im Schnitt dargestellt sind. In diesen Brennstoffventilen öffnen sich in
an sich.bekannter Weise unter dem Brennstoffdruck die Rückschlagventile 21 gegen
die Wirkung von Federn 22.
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Die Zuteilvorrichtung i9 ist in Abb. 3 in vergrößerter Darstellung
und im Schnitt wiedergegeben. Man erkennt das im wesentlichen H-förmige Gehäuse,
in dessen zylindrischen, zueinander parallelen Bohrungen 23 die Stempel 24,25 eine
hin und her gehende Bewegung ausführen können. Diese Bewegung wird verursacht durch
zwei Nockenscheiben 26-27, an denen die Rollen 28, 29 der Stempel 24., 25
unter dem Druck der Federn 30, 31 zur Anlage gebracht sind. Nocken 26 ist mit einem
Zahnrad 32, Nocken 27 mit einem Zahnrad 33 gekuppelt bzw. starr gek.uppek.
Die Zahnräder 3 2 und 33 besitzen gleiche Zähnezahlen und kämmen miteinander, so
daß sie und die Nocken 26 und 27 entgegengesetzten Drehsinn besitzen. Es wäre ebenso
gut möglich, durch Anordnung eines Zwischenzahnrades den Nocken 26 und 27 gleichen
Drehsinn zu geben. Auch die Ausführung des Antriebes selbst ist durch gleichwertige
kinematische Mittel ersetzbar, also beispielsweise durch Kurbel, Exzenter oder Wälzhebel.
Die Federn 30, 31 könnten demgemäß bei einem Kurbel- oder Exzenterantrieb in Fortfall
kommen.
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Durch Eindrehungen 34, 35 entstehen an den Stempeln 2.1, 25 scharfe
Steuerkanten 36, 37, welche die Ringkanäle 38, 39 bei der Bewegung der Stempel 2d.,
25 überschleifen. Die Ringkanäle 38, 39 sind durch eine Bohrung 40 des Gehäuses
miteinander 'verbunden. Der Brennstoffzufluß vom Speicherbehälter 17 aus erfolgt
durch die Zuleitung 4.1, während sich bei ao die zu den Einspritzventilen .I führenden
Leitungen ansetzen. Bei .12 ist im Gehäuse ig noch eine Bohrung vorgesehen, auf
deren Bedeutung noch zurückzukommen sein wird.
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In Abb. d. bezeichnet der gestrichelt gezeichnete Linienzug 2d' die
Zeit-Weg-Kurve des Stempels 2.I bei den Verhältnissen, die in Abb.3 veranschaulicht
sind. Ebenso bezeichnet der ausgezogene Linienzug 25' die Zeit-Weg-Kurve des Stempels
25. -Man erkennt aus den Abb. 3 und d., daß in dem Zeitpunkt a, in dem die Steuerkante
36 den Ringkanal 38 zu eröffnen beginnt, die Kante 37 des Stempels 25 die untere
Begrenzungskante des Ringkanals 39 gerade überschleift, so daß also keine Möglichkeit
zum Übertritt von Brennstoff aus der Leitung 4 1 in die Leitungen 2o gegeben ist.
Daran ändert sich auch nichts während der nach dem Zeitpunkt a folgenden Nockenumdrehung,
also während des folgenden Arbeitstaktes, da stets einer der beiden Ringkanäle 38,
39 durch einen der kolbenförmigen Stempel 24., 25 geschlossen ist. Ein Übertritt
von Brennstoff aus dem Speicher 17 in die Leitungen 20 ist also ausgeschlossen:
es besteht Nullförderung. Zu einer positiven Förderung kommt es erst dann, wenn
man den Stempel 25 gegenüber dem Stempel 24 nacheilen läßt, so daß seine
Steuerkante 37 beispielsweise die strichpunktiert gezeichnete Linie 25" der in Abb.
.1 wiedergegebenen Zeit-Weg-Kurve beschreibt. Aus der Zeit-Weg-
Kurve
ä5" ergibt sich dabei,daßderRingkanal 39 von der Steuerkante 37 (erst im Zeitpunkt
b geschlossen wird, so daß der Durchfluß des net ist. Durch Vergrößern oder Verkleinern
der Nacheilung des Stempels 25 können die Zeit t und damit die durchfließende Brennstoffmenge
vergrößert oder verkleinert werden. Dieselbe Wirkung ist selbstverständlich auch
durch Voreilung des Stempels 24 gegenüber dem Stempe125 zu erreichen. Schließlich
kann man auch beide Maßnahmen zusammen anwenden.
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Bei der dargestellten Ausführung steuert also der Steuerstempe124
die Eröffnung des Durchflusses und damit den Beginn der Einspritzung, während der
Stempel 25 den Schluß des Durchflusses bzw. das Ende der Einspritzung festlegt.
Der kolbenförmige Stempel 24 ist also der Öffnungsstempel, der kolbenförmige Stempel
25 der Schlußstempel. Um ein möglichst rasches Öffnen bzw. Schließen der Ringkanäle
38, 39 durch diese Öffnungs- bzw. Schlußstempel zu erreichen, sind die Verhältnisse
so gewählt, daß die maßgebende Steuerkante der Ringschlitze 38, 39 gerade von den
Kanten 36, 37 der beiden Stempel überschliffen wird, wenn die Zeit-Weg-Kurve die
größte Steilheit aufweist, womit Beginn und Ende der Brennstoffeinspritzung in das
Gebiet der größten Stempelgeschwindigkeit fallen.
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Das Nacheilen des Schlußstempels 25 bzw. das entsprechende Voreilen
des Öffnungsstempels 24 können durch verschiedene Mittel bewirkt werden. Dem Ausführungsbeispiel
ist eine Schrägverzahnung der Zahnräder 32, 33 zugrunde gelegt worden. Durch axiales
Verschieben des Zahnrades 33 auf Welle 44 gegen das auf der Welle 43 axial festgelegte
Zahnrad 33 erfolgt, erzwungen durch die Schrägverzahnung, eine gegenseitige Verdrehung
der beiden Zahnräder gegeneinander, damit eine entsprechende Verdrehung der Nocken
27 und 26 und dadurch das beabsichtigte Nacheilen oder Voreilen der Stempel 25,
24 gegeneinander. Ein Keil 45 sorgt dafür, daß sich bei der axialen Verschiebung
Zahnrad 33 nicht gegen die Welle 44 verdrehen kann. An die Stelle der Schrägverzahnung
der Zahnräder 32, 33 können natürlich alle anderen gleichwirkenden Mittel treten.
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Die bereits erwähnte Bohrung 42 wird von der Steuerkante 46 des Stempels
25 in dem Zeitpunkt eröffnet, in welchem der Ringkanal 39 von der Steuerkante 37
geschlossen wird, d. h. also unmittelbar nach Beendigung des Einspritzvorganges.
Dadurch kommt es zu einer sofortigen Druckentlastung der Brennstoffzuführungsleitungen
20, so daß der Druck in ihnen unmittelbar bei oder nach Beendigung des Einspritzvorganges
abfällt. Auf diese Weise werden N acheinspritzen und Brennstoffes auf die Zeitdauer
a b = t geöff-Nachtropfen des Brennstoffes völlig beseitigt. Die anfallende
geringe Brennstoffmenge wird über Bohrung 42 abgeführt.
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Wie Abb. i erkennen läßt, ist die Brennstoffleitung 47 zwischen Förderpumpe
16 und Speicher 17 als Kühlschlange eines Wärmetauschers 48 ausgebildet,
der beispielsweise von einem zu kühlenden Betriebsmittel der Turbinenanlage, also
etwa rückzukühlendem Kühlwasser, durchflossen ist. Auf diese Weise kann die abzuführende
Wärme ohne Schwierigkeiten auf den Brennstoff übergeführt werden, da dieser bereits
unter Druck steht, so daß keine schädlichen Verdampfungen eintreten.
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Zur Betätigung des Brennstoffzuteilers bedarf es nur verhältnismäßig
geringer Leistungen, da nur die Beschleunigungskräfte herzugeben sind.