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Kraftstoffzerstäuber mit selbsttätiger Regelung des Mischungsverhältnisses
Es ist bisher noch nicht gelungen, das Mischungsverhältnis eines von einem Kraftstoffzerstäuber
gelieferten Kraftstoff-Luft-Gemisches bei allen Betriebszuständen ganz oder annähernd
konstant zu halten. Die Unterschiede im Mischverhältnis sind unter wechselnden Betriebsbedingungen
sogar sehr beträchtlich. Bei leichten Kraftstoffen wird ein zu reiches Gemisch im
allgemeinen von der '.Maschine störungsfrei verarbeitet, während ein zu armes Gemisch
leicht Schwierigkeiten macht. Deshalb stellt man regelmäßig die Zerstäuber, im üblichen
Sprachgebrauch als Vergaser bezeichnet, so ein, daß sie auf 'keinen Fall ein zu
armes Gemisch liefern. Bei wechselnder Drehzahl und Belastung ist dann das Gemisch
sehr oft zu reich und der Kraftstoffverbrauch entsprechend 'höher als notwendig.
Mit diesem Mangel einer verminderten Wirtschaftlichkeit hat man sich abgefunden,
weil er, ganz besonders z. B. bei Kraftfahrzeugen mit ihren sehr oft und rasch wechselnden
Betriebsbedingungen, immer noch leichter zu ertragen ist als die durch ein zeitweilig
zu armes Gemisch bedingten Nachteile.
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Die gebräuchlichen Zerstäuber (Spritzvergaser) arbeiten nach einem
sehr einfachen, hinsichtlich der Konstanz des Mischverhältnisses aber sehr unvollkommenen
Verfahren, das durch - verschiedene Korrekturmittel wenigstens so weit verbessert
wurde, daß unter allen Umständen ein hinsichtlich Leistung befriedigender Betrieb
möglich ist. Ein wirtschaftlicher Betrieb konnte aber bisher nicht erzielt werden,
so daß man für besonders sparsame Motoren mit Erfolg dieZumessung des Kraftstoffes
durch kleine Kolbenpumpen vorgenommen hat, ähnlich den bei Dieselmotoren benutzten
Einspritzpumpen. Leider sind diese Pumpen so teuer, daß sie bis 'heute eine allgemeine
Anwendung nicht finden konnten.
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Die Schwierigkeiten im Betrieb herkömmlicher Spritzvergaser rühren
wesentlich daher, daß weder
die aus der D:is: strömende Kraftstoffmenge
dein dort herrschenden Unterdruck noch dieser Unterdruck der tatsächlich angesaugten
Luftmenge proportional ist. Infolgedessen liefert ein einfacher Spritzvergaser bei
steigender Drehzahl und steigendem Unterdruck an der Düse ein immer fetteres Gemisch.
Diesen Fehler versucht man durch Beimischung von mit dem Unterdruck wachsenden Mengen
von Zusatzluft zu korrigieren, die hierfür benutzten Mittel sind außerordentlich
mannigfaltig. Auch Einrichtungen, die bei geringem Unterdruck eine Anreicherung
d-es Gemisches bei plötzlich zunehmender Belastung bewirken, z. B. sog. Beschleunigungspumpen,
werden angewendet. Ungewöhnlich niedere Betriebstemperaturen werden durch vorübergehende,
sehr starke Gemischüberfettutig berücksichtigt.
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Besondere Erwähnung verdienen die zählreichen Versuche, durch einen
vom Saugunterdruck beeinflußten Koll)en entweder die Bemessung der Zusatzluft oder
z. B. mittels Nadeldüse von veränderlichem Querschnitt die Kraftstoffmenge zu regulieren.
=Zuch diesen Bemühungen blieb ein Erfolg versagt, denn die Beziehungen zwischen
dein Unterdruck in der Ansaugleitung., der abgesaugten Luftmenge und der ausströmenden
Kraftstoffmenge sind weder eindeutig noch überhaupt hinreichend einfach, um mit
den ausgegebenen Mitteln auch nur in rohester Annäherung berücksichtigt werden zu
können. Hierauf gerielitete Verfahren scheinen grundsätzlich verfehlt, und alk Bemühungen,
sie rechnerisch zu unterbauen, sind gekennzeichnet durch eine Anzahl vereinfachter
:\ittialimen von strittiger Zulässigkeit und durch verwickelten Aufbau der schließlich
erhaltenen mathematischen Beziehungen, die mit einfachen mechanischen Mitteln niemals
darstellbar sind. Schließlich sind alle solche Einrichtungen schwierig zu justieren
und ändern sich durch natürliche Abnutzung (Ausschlagen von Schiebern und Nadeldüsen).
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Die Erfindung erzielt ein unter allen Betriel>sberlingungen ganz oder
sehr angenähert konstantes Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine z.13, die Düsenweite
regelnde Vorrichtung, welche gesteuert wird durch die den Zerstäuber passierenden
Mengen an Kraftstoff und Luft. Besonders vorteilhaft 1ä ßt sich fiu solcher Mischungsregler
erfindungsgemäß in der Weise aufbauen, daß zwischen den das Regelorgan verstellenden
Kräften dann Gleichgewicht besteht, tvenn die in einer beliebigen Weise zu irressenden
Kraftstoff- und Luftmengen in dem gewünschten Verhältnis stehen. Sobald dieses Verhältnis
gestört wird. überwiegt eine der Verstellkräfte, das Regelorgan schlägt aus und
verkleinert oder vergrößert z. 13. die Durchflußöffnung für den Kraftstoff so lange,
bis das vorgeschriebene \lengenverhältnis und damit das Gleichgewicht der Verstellkräfte
wieder erreicht ist.
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Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren hat für sich alle Vorteile
der in der M.eßtechnik häufig angewendeten Nullmethoden. Die justage ist besonders
einfach, und die Funktion steuert unmittelbar den gewollten Zustand, ein bestimmtes
Mengenverhältnis, an. Fabrikationstoleranzen, Abnutzungen und ähnliche Fehl-°r haben
mithin auf das Resultat der Regelung ebensowenig Einfluß wie etwa Schwankungen der
Betriebsspannung einer `Vheatstoneschen Brücke 1ifini Messen ein2s`N'iderstandes.
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Die Figur zeigt, schematisch vereinfacht und alle wichtigen 1?inzel-lifiten
;i eine gemeinsame Schnittebene gelegt, den Schnitt einer beispielsweisen Ausführungsform
der Erfindung. In der 1#vIischkainmer i liegt das =lusströinrohr 2, das durch einen
mit Schlitzen versehenen Zerstäuberkopf 3 verschlossen ist. Der Kraftstoff tritt
infolge des in der Misclikaninier herrschenden Unterdruckes aus den Schlitzen 3a
aus. Die nachfließende Kraftstoffmenge wird dosiert durch die Öffnung .I° des Düsenkörpers
.I, in «-elche da: z. B. kegelige En-de einer Reglernadel 5 eintritt, deren Stellung
die Größe des zwischen 1 find 5 frei bleibenden Ringspaltes bestimmt. Die Reglernadel
hängt an einer vorzugsweise richtkraftlosen Membran 6. Die :lassen von Nadel und
Membran können in an sich bekannter Weise kompensiert werd:n, z. B. durch ein Gegengewicht.
Zu der Regeldüse 4, 5 gelangt der Kraftstoff durch deti Kanal 7. in den ein Stauröhr
8 eingesetzt ist. Zwischen Kanal 7 und Kraftstoffzuleitung io kann fiiil den Kraftstoffspiegel
regelnde Einrichtung bekannter Art, etwa ein durch Schwimmer 12 beeinflußtes Ventil
i i geschaltet seid. Die Druckleitung 9 des Staurohres 8 führt zu dem Raum 6a oberhalb
der Membran 6.
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An die Mischkammer i schließt sich in Richtung zur Ansaugleitung die
Drossel 14 o. (!g1. Vor der Mischkammer i ist ein sich vorzugsweise düsenartig erweiterter
Stutzen 15 angebracht. An seinem oberen Ende ],--,findet sich ein Staurohr
16, dessen Druckleitung 17 in den Raum 66 unterhalb der :Membran 6 mündet.
I)er statische Druck bei 16 ist im allgemeinen gleich dein Druck der Außenluft,
also gleich dem auf dein Kraftstoftslü°gel ruhenden Druck. Unter Umständen kann
es zweckmäßig sein, durch eine gestrichelt angedeutete Verbindungsleitung
13 den Druck im Schwinitnergehäuse an den statischen Druck bei 16
-anzugleichen.
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Die Arbeitsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende: Die vom
Motor angesaugte Luft passiert &n freien Querschnitt FL der Öffnung des Stutzens
1,5 mit einer GeschNvindigkeit vL, die der in der Zeiteinheit durchströmenden Luftmenge
streng oder sehr angenähert proportional ist. Im Staurohr 16 tritt dabei der dynamische
Druck pL proportional v y auf, der auf die Unterseite der Membran 6 einwirkt
und bestrebt ist, die Membran mit Reglernadel 5 anzuheben. Gleichzeitig wird in
bekannter Weise durch den Unterdruck in der M ischkainmer i Kraftstoff aus den Schlitzen
3a des Zerstäuberkopfes 3 angesaugt. Der nachströmende Kraftstoff erzeugt in dein
Statirolir 8 einen Staudruck pR, der dem Quadrat v B) der bei 8 herrschenden Strönigeschwindigkeit
proportional ist und di-e Membran 6 von der Oberseite her belastet, also Membran
mit Reglernadel Bach unten drückt.. Der Querschnitt des Kraftstoffkanals 7 hat an
der Offnun,
des Stauröteres R die Größe FR, die dort in der Zeiteinheit
dtlrchtllel.ieri(le Kraftstoffmenge ist F33 ' z'33.
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Mit den spezifischen Maßen rL für Luft und yB für Kraftstoff erhält
man als Drucke, die auf die @lembran wirken, für Luft
und filr Kraftstoff
wobei die in der Zeiteinheit fließenden Volumina QL = FL # vL und QB
= FB # VB sind. Die Reglernadel kommt zur Ruh.,-, wenn die Drücke
auf beiden Seiten der Membran gleich sind, wenn also
ist. Mit gL und gB für die spezifischen Gewichte ergibt sich
Für diesen Zustand soll das Mischverhältnis einen bestimmten Wert, beispielsweise
in Gewichtsteilen B : L haben, das heißt
Es genügt also, die beiden Querschnitte FB und hl, in dem richtigen Verhältnis
zu dimensionieren, dann kommt die Reglernadel zur Ruhe, sobald das _N1 ischverhältnis
B : I_ erreicht ist. Ändert sich der Betriebszustand z. B. insolcher Weise,
daß das Gemisch kraftstoffreicher wird, dann tritt durch (las gleichzeitige, unverhältnismäßige
Wachstum von v8 eine Störung des Gleichgewichtes pB = pL ein, der Druck pB
übersteigt pL, und die Reglernadel senkt sich, bis infolge der dadurch bewirkten
X'erkleinerung des Querschnittes F8 ,eine :\1 iuderung der liraftstoffmeng.- auf
das richtige Verhältnis B : L wieder erreicht und das Gleichgewicht wiederhergestellt
ist. Der Regelvorgang vollzieht sich sehr rasch, da die Staudrücke sich mit dem
Quadrat der Strömgeschwindigkeiten, d. h. der Nlen gen, ändern und beispielsweise
eine Abweichung von to °/o eines der Mischungsteile eine Druckänderung 11111 21%
des zugehörigen Staudruckes hervorruft. Das läßt eine genaue und sehr sichere Regelung
erwarten.
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Ati sich ist bei Anordnungen wie der gezeichneten ein Flattern nicht
zu befürchten. lin übrigen läßt sich eine etwa erwünschte zusätzliche Dämpfung sehr
leicht bewirken, etwa durch eine solche Unterbringung der Membrandose, daß sie sich
ganz oder teilweise mit Kraftstoff füllt, oder durch Verbindung der Re.glertiadel
mit einem im Kraftstoff liegenden Dämlifungskolben.
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Bei herkömmlichen Spritzvergasern ist es üblich, Einrichtungen zur
vorübergehenden Überfettung des (Gemisches vorzusehen. Es soll dadurch z. 13. erreicht
werden, daß auch dann noch ein gut zündfähiges Gemisch in den :Motor gelangt, wenn
bei zu niederer Betriebstemperatur oder bei infolge niederer Gasgeschwindigkeit
mangelhafter Zerstäubung ein erheblicher Teil des Kraftstoffes in der Ansaugleitung
ausfällt und das Gemisch auf diese Weise verarmt. Entsprechende Einrichtungen lassen
sich selbstverständlich auch an einem erfindungsgernäßen Vergaser anbringen. Da
sie aber die Ursache unikontrollierbarer Kraftstoffvergeudung sein können, während
der Sinn der Erfindung auf einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb gerichtet ist,
erscheint es richtiger, ,die ungünstigen Betriebsbedingungen selber, hier zu niedere
Temperatur oder schlechte Z-erstäubung, durch geeignete' Mittel auszugleichen, so
daß der Betrieb mit normalem Mischverhältnis möglich bleibt. Erfindungsgemäß kann
deshalb der Kraftstoff in an sich nicht neuer Weise vor dem Ausströmen in die Mischkammer
kräftig, möglichst bis nahe an die Siedetemperatur, angewärmt werden. Selbst bei
sehr kalter Ansaugluft tritt dann in dem niederen Druck der Mischkammer eine spontane
Verdampfung wesentlicher Kraftstoffmengen ein. Dies und die durch ,die Erwärmung
bedingte Herabsetzung der Viskosität des Kraftstoffes bewirken eine feine Vernebelung
des Kraftstoffes und eine gute Vermischung mit der angesaugten Luft. Die Gefahr
der Tropfenbildung und des Ausfallens von Kraftstoff aus dem Gemisch kann auf diesem
Wege ziemlich sicher vermieden werden,-dasMischverhältnis bleibt bis zum Eintritt
in die Maschine erhalten.
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Besonders vorteilhaft geschieht die Vorwärmung des Kraftstoffes z.
B. durch eine elektrisch beheizte Wendel 18, deren eines Ende an Masse liegt, während
das andere mit dem isoliert eingesetzten Anschlußbolzen t9 verbunden ist. Eine solche
erfindungsgemäße Einrichtung ist auch eine vorzügliche Anlaßhilfe bei kühler Witterung.
Wird der Heizstrom einige Zeit vor -dem Anlassen eingeschaltet, dann 'kann der den
Heizkörper umgebende Kraftstoff bis zum Sieden erhitzt werden, und für die
ersten
Arbeitstakte steht unter allen Umständen zündfähiges Gemisch zur Verfügung.
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Trotzdem kann es zweckmäßig sein, das Mischverhältnis während des
Betriebes zu ändern. Zum Beispiel kann ein Wechsel des Kraftstoffes einen Wechsel
des Mischverhältnisses wünschenswert machen; auch ist das Mischverhältnis für 'höchste
Maschinenleistung ein anderes als das für beste Wirtschaftlichkeit, so daß etwa
beim Befahren einer Steigung oder bei häufigem Beschleunigen im Stadtverkehr ein
reicheres Gemisch angebracht ist als auf langen Überlandstrecken, insbesondere Autostraßen,
mit einer mittleren Geschwindigkeit.
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Die Erfindung ermöglicht eine Anpassung des Mischverhältnisses an
die jeweiligen Anforderungen in besonders einfacher und vollkommener Weise. Da das
Mischverhältnis bestimmt ist durch das Flächenverhältnis FB : FL, ergibt eine Änderung
von FB oder v6n FL sofort auch eine entsprechende ÄnderungdesMis,chverhältnissesB:
L. Erfindungsgemäß kann deshalb mindestens einer dieser Querschnitte, vorzugsweise
vom Führersitz aus,, veränderbar sein, etwa durch Schieber 2o, 2 t" deren Verstellung
den freien Querschnitt um das Luftstaurohr ändert. Ähnliche Wirkungen lassen sich
erzielen, wenn man durch geeignete Mittel die gleichmäßige Strömung in FL derart
stört, daß die Geschwindigkeit am Stauröhr größer oder kleiner als die in FL herrschende
mittlere Geschwindigkeit wird.
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Es kann vorteilhaft sein, die das Mischverhältnis ändernden Einrichtungen
mit der Drossel zu koppeln. Etwa in der Weise, daß bei voll geöffneter Drossel das
Mischverhältnis für höchste Leistung, bei wenig geöffneter Drossel das Verhältnis
für niedersten Kraftstoffverbrauch eingestellt ist.
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Vorrichtungen, die dem Kraftstoff vor dem Eintritt in die Mischkammer
Luft beimengen, 'können auch bei der Erfindung mit Erfolg verwendet werden, da der
auf diese Weise erzeugte Brennstoffschaum eine feine Vernebelung unterstützt. Im
Gegensatz zu den. bisherigen Verfahren ist aber darauf zu achten, daß diese Bremsdüsen
o. ä. schon bei niederen Luftgeschwindigkeiten zu arbeiten beginnen, wo eine feine
Zerstäubung schwierig ist. Die sonst von Bremsdüsen verlangte Dosierung der Zusatzluft
spielt bei der Erfindung keine Rolle, die Luft wird zweckmäßig -dem bereits gemessenen
Strom innerhalb des Stutzens 15 entnommen.
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Das Wesen der Erfindung liegt in der Verwendung eines Mengenreglers"
der durch Kräfte, die von Mengenmessern für Kraftstoff und Luft ausgeübt werden,
so lange verstellt wird, bis ein bestimmtes Mischverhältnis erreicht ist. Das gezeichnete
und beschriebene Ausführungsbeispiel erscheint besonders einfach und vorteilhaft.
Ohne das Wesen der Erfindung zu berühren, können aber statt der Staurohre auch Mengenmesser
anderer Art, etwa Prallkörper, Woltmannflügel, Venturidüsen u. a. m., und statt
einer Nadeldüse andere Regeleinrichtungen benutzt wenden, z. B., Mittel, die den
auf den Kraftstoffspiegel wirkenden Druck beeinflussen.