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Kreislaufbetrieb für Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich
auf eine Verbesserung des Kreislaufbetriebes von Brennkraftmaschinen, bei welchem
die Auspuffgase als nicht brennbarer Gasanteil der Aufladung, zusammen mit einem
Sauerstoff tragenden Gas oder zugesetztem reinen Sauerstoff als brennbarer Gasanteil
der Brennkraftmaschine wieder zugeführt werden, und bei welchem die überschüssigen
Verbrennungsprodukte in geregelterMenge aus dem Kreislauf abgeführt werden.
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Die Erfindung besteht darin, daB die Sauerstoffzuführung bei überkritischem
Druckverhältnis in Abhängigkeit von der Kraftstoffzufuhr erfolgt. Im einzelnen kann
sie hierbei wiederum durch ,eine Änderung des Druckes bei gleichbleibendem Querschnitt
der Sauerstoffzuleitung erfolgen, oder es bleibt der Druck gleich, und es wird der
erwähnte Leitungsquerschnitt verändert. Ist das Verhältnis zwischen Sauerstoff-
und Kreislaufdruck überkritisch, so tritt der Sauerstoff unabhängig vom eingestellten
Druck mit gleichbleibender Geschwindigkeit (Schallgeschwindigkeit) aus der Sauerstoffleitung
aus. Das austretende Volumen ist daher auch stets dasselbe. Da aber bei gleicher
Temperatur sich die Dichten umgekehrt wie die Drücke verhalten, ist das ausströmende
Sauerstoffgewicht dem jeweils eingestellten Druck verhältig. Die Regelung erfolgt
entweder von Hand oder automatisch mit Hilfe eines in der Brennstoffzuzuleitung
angeordneten Durchfluf5mengenmessers, der vorzugsweise in einem Leitungsabschnitt
zwischen einer Einspritz- und Förderpumpe angeordnet ist. Es wird also, auf eine
bestimmte 'Zeiteinheit bezogen, jeder KraftstoffdurchfluBmenge durch die Leitung
eine entsprechende Sauerstoffmenge sofort durch die erwähnte Druck- oder Querschnittsänderung
zugeregelt. Änderungen des einmal vorgesehenen Sauerstoffüberschusses treten bei
Belastungsänderungen nicht auf. Auch die Änderung der Fördermenge je Hub der Einspritzpumpe
mit der Drehzahl spielt keine Rolle, da die
Sauerstoffzumessung
an sich nicht allein auf Grund der Regelstangenstellung und Drehzahl der Pumpe,
sondern auf Grund des jeweiligen Kraftstofmengenzuflusses erfolgt. Durch eine Änderung
der übersetzung bei der Übertragung des Regelimpulses auf die Regelvorrichtung,
z. B. durch eine Kurvenscheibe anstatt eines linearen Übertragungsmittels, kann
der Sauerstoffüberschuß, den Betriebsanforderungen entsprechend verändert, z. B.
bei kleinerer Belastung größer gehalten werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt Fig. t das Schema einer im Kreislauf betriebenen Brennkraftmaschine
mit einer von Hand zu betätigenden Regeleinrichtung für die Sauerstoffzufuhr, Fig.
2 ein Kreislaufschema mit einer automatisch wirkenden Sauerstoffzufuhrregelung in
Abhängigkeit von der verbrauchten Kraftstoffmenge, Fig.3 das Schema eines druckverändernden
Reglers und Fig.4 das Schema eines querschnittverändernden Reglers.
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In Fig. i bezeichnet i de'n Motor, 2 dessen Ansaugeleitung und 3 seine
Auspuffleitung, die als Kreislaufleitung 4 wieder zum Ansaugerohr 2 der Brennkraftmaschine
zurückführt. In die Kreislaufleitung 4 mündet die Einblasedüse 5 einer Sauerstoffleitung
6 ein, die über einen Druckminderer 7 zu einer Sauerstoffflasche 8 führt.
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Als Druckminderer kann im Rahmen der Erfindung jedes bekannte, im
Handel befindliche Gerät verwendet werden. Das Ausführungsbeispiel der Zeichnung
zeigt ein solches'mit Hilfssteuerung und wirkt auf folgende Weise: Das hochgespannte
Gas tritt aus der Flasche 8 durch ein Filter 9 in den Hauptdruckminderer io ein.
Dieser besteht aus einem vor einem Drosselquerschnitt i i gleitenden Kolben 12,
der auf der einen Seite durch eine Biegehaut 13 und auf der anderen Seite durch
eine Feder 14 belastet ist. Ein Nebenstrom des Gases fließt durch eine Leitung 15
einem ähnlich gebauten Hilfsdruckminderer 16 zu '.und wird dort auf einen etwa 3oo;'e
über dem Arbeitsdruck liegenden Druck entspannt. Der entspannte Hilfsdruck wird
durch das Hilfssteuerventil 17 geregelt und durch die Leitung 18 unter die Biegehaut
13 des Hauptdruckminderers io geführt. Durch eine kleine, in die Biegehaut 13 des
Hauptdruckminderers i o eingesetzte Dosierungsdüse i 9 entweicht im Betrieb stetig
eine ganz geringe Menge Gas in den Arbeitsdruckraum io. Die Biegehaut 13 des Hauptdruckminderers
wird durch den auf ihre Unterseite einwirkenden Gasdruck belastet und öffnet dadurch
den Drosselquerschnitt i i durch Anheben des Kolbens 12. Der Arbeitsdruckraum i
o des Hauptdruckminderers ist außerdem durch eine Leitung 2o mit dem Raum 2 i über
der Biegehaut 22 des Hilfssteuerventils 17 verbunden. Fällt der Arbeitsdruck in
diesem Raum, 21, dann biegt sich die Haut 22 des Hilfssteuerventils 17 weiter nach
oben durch und öffnet dadurch den Steuerventildurchlaß 23 weiter, so daß ein stärkerer
Druck unterhalb der Biegehaut 13 des -Hauptdruckverminderers io auftritt. Steigt
dagegen der Arbeitsdruck im Raum 21, so wird im umgekehrten Sinne das Hilfssteuerventil17
mehr geschlossen und damit auch der unter der Biegehaut 13 wirkende Druck kleiner.
Durch dieses Spielen der Biegehaut 22 des Hilfssteuerventils 17 wird der Arbeitsdruck
gegenüber allen Einflüssen der Entnahmemenge gleich stark gehalten. Der Vordruckeinfluß
wird durch die Hintereinanderschaltung des Hilfsdruckverminderers 16 und Hilfssteuerventils
17 praktisch ganz ausgeschaltet und als größte Druckschwankung tritt der statisch-dynamische
Druckabfall des Hilfsventils 17
auf.
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Die Spannung der Feder 24 des Hilfssteuerventils 17 kann durch einen
Druckkolben 25 vor. außen her verändert werden, und z-##@-ar beeinflußt den Kolben
25 z. B. eine mit dem Brennstoffregelgestänge 25 starr verbundene Querstrebe 27,
in die ein mit einem Handrad 28 axial verstellbarer Druckstift 29 eingeschraubt
ist. Die Querstrebe 27 mit der Regelstange 26 ist ebenfalls durch ein Handrad 3o
verstellbar, das auf eine Schraubspindcl einwirkt. Das Ende der Regelstange 26 greift
an einem Winkelhebe132 an, der wiederum die eigentliche Regelstange 33 der z. B.
vom Motor i angetriebenen BrennstoffeinspritzpumPe 34 verstellt. Der Pumpe 34 fließt
der Brennstoff durch eine Leitung 35 unter dem Druck einer Förderpumpe 36 zu, die
den Brennstoff aus einem Behälter 37 ansaugt.
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In die Brennstofförderleitung 35 ist ein Durchflußmengenmesser 39
beliebiger Bauart, z. B. ein Ovalrad- oder Flügelradmesser angeordnet. Dieser steuert
in an sich bekannter Weise über eine Achse 40 einen Zeiger 41, der z. B. vor einer
Skala 42 spielt und die jeweilige Durchflußmenge anzeigt. Weiterhin spielt in Nachbarschaft
des Zeigers 42 ein zweiter Zeiger 43 eines Druckmessers 44, für den ebenfalls eine
Skala 45 vorgesehen sein kann. Die Skala 42 zeigt zweckmäßigerwcise den Brennstoffdurchfluß
in Liter pro Stunde. Auf der Skala 45 des Druckmessers ist zweckmäßig der dem Sauerstoffdruck
proportionale Saucrstoffdurchfluß in Kubikmeter pro Stunde angegeben. Der Druckmesser
selbst ist durch eine Leitung 46 an die zur Düse 5 führende Sauerstoffleitung 6
angeschlossen. In der Kreislaufleitung 4 liegt weiterhin, und zwar zweckmäßig unmittelbar
hinter dem Ende der Auspuffleitung 3, ein Sauerstoff- oder Gasprüfer 47 zu Kontrollzwecken.
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Die Wirkungsweise der Erfindung ergibt sich aus der Zeichnung ohne
weiteres. Die Auspuffgase der Brennkraftmaschine i strömen durch das Auspuffrohr
3 und die Kreislaufleitung; 4 (nach erfolgter Kühlung und Reinigung durch aus der
Zeichnung nicht ersichtliche Filter und Kübler) dem Ansaugerohr 2 der Brennkraftinaschine
i wieder zu, als nicht brennbarer Gasanteil der Aufladung. Die Zuführung des Sauerstoffes
als notwendiger brennbarer Gasanteil der Ladunerfolgt durch die Düse 5 über die
Leitung 6 und den Druckminderer 7 von der Flasche 8 aus. Die Vorrichtung zur
Abführung
der überschüssigen Verbrennungsprodukte, die nicht Gegenstand der Erfindung ist,
ist nicht eingezeichnet. In der Flasche 8 und in der Leitung 9 vor dem Druckminderer
7 steht der Sauerstoff z. B. unter einem Druck von 40o atü. Im Druckminderer 7 wird
der Sauerstoff auf einen bestimmten Arbeitsdruck entspannt, wie bereits oben angegeben,
und eine bestimmte Druckeinstellung erfolgt durch eine Veränderung der Federspannung
24 des Hilfssteuerventils 17. Eine grobe Einstellung des Druckes erfolgt zusammen
mit der Brennstoffregelung, also mit der Bewegung des Regelgestänges 26 durch den
Arm 27. Die Bewegung des Regelgestänges erfolgt durch Betätigen des Handrades 3o
bzw. Drehen der Gewindespindel 3 i. Die Feineinstellung erfolgt durch Drehen des
Handrades 28 bzw. durch Ein- oder Ausschrauben des Druckstiftes 29, und zwar unter
Beobachtung der beiden Zeiger 41, 43, die in Deckung gebracht werden müssen. Dieser
zuletzt erwähnten Maßnahme liegt folgende Überlegung zugrunde: Der Sauerstoffbedarf
ist dem Kraftstoffdurchfluß durch den Mengenmesser direkt proportional. Der Sauerstoffdurchfluß
durch den Druckminderer 7 ist dem auftretenden Arbeitsdruck proportional und damit
der Sauerstoffdruck ebenfalls dem Kraftstoffdurchfluß. Das heißt, es gehört zu einem
bestimmten Kraftstoffdurchfluß oder -verbrauch ein bestimmter Sauerstoffdruck, und
die beiden Werte können an den Zeigern 4t, 43 abgelesen werden. Die Skalen 42 und
45 sind jedoch an sich entbehrlich und dienen nur zur Anzeige des augenblicklichen
Brennstoff-und Sauerstoffverbrauches. Es genügt, die beiden Zeiger durch Drehen
des Handrades 28 bzw. durch die Druckregelung zur Deckung zu bringen. Soll der Sauerstoffanteil
des Kreislaufgases nicht über den ganzen Betriebsbereich gleich groß sein, sondern
sich ändern, so kann dies durch ein nicht lineares Anzeigen des Sauerstoffdruckes
oder -verbrauches bzw. durch eine entsprechende Einteilung der Skala erreicht werden.
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Man kann die Sauerstoffregelung auch automatisch gestalten, indem
man auf den Kolben 25 des Druckminderers z. B. das Schubglied eines Fliehkraftpcndels
o. dgl. drehzahlansprechenden Impulsgebers einwirken läßt, das von dem Durchflußmnengenmesser
39 angetrieben wird. Ein solches Ausführungsbeispiel zeigt die Fig.2, und zwar zur
Vereinfachung des Ausführungsbeispiels an einem Flügelradmengenmesscr, mit einem
einstufigen Druckminderungsventil ohne Hilfssteuerung, nach Fig.3. In Wirklichkeit
wird man auch in diesem Fall einen mehrstufigen Druckminderer im Sinne des in Fig.
i gezeigten anwenden. Im übrigen weist die Fig. 2 für die der Fig. i wesensgleichen
Teile die gleichen Bezugzeichen auf. Was den Mengen-und Druckregler nach Fig.3 im
einzelnen betrifft, mündet die von der Gasflasche 8 konunende Leitung in eine Kammer?
ein, in der ein doppelarmiger Hebel 48, 49 bei 5o drehbar gelagert ist. Der kürzere
Hebelarm 48 steuert ein Absperrventil 5 t an der Einmündung der Flaschenleitung
in die Kammer 7. Der längere Hebelarm 49 ist durch einen Lenker 52 mit einer Biegehaut
53 verbunden. Die Biegehaut 53 steht unter dem Einfluß einer Reglerdruckfe.der 54,
deren Spannung durch das Fliehkraftpendel 55 mittels einer die hohle Reglerwelle
56 durchsetzenden, von der Reglermuffe 55' betätigten Stange geändert werden kann,
und zwar derart, daß sich der Federdruck auf die Biegehaut 53 mit wachsendem Reglerausschlag
verstärkt. Die Reglerwelle 56 wird durch das Rad 57 des Flüssigkeitsmengenmesser.s
39 angetrieben.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 2 gleicht im wesentlichen
derjenigen nach Fig. i, nur mit dem Unterschied, daß bei dem Beispiel nach Fig.2
die Sauerstoffregelung vollautomatisch erfolgt. In der Flasche 8 steht der Sauerstoff
z. B. wiederum unter einem Druck von etwa 4oo atü, und durch die Wirkung der Regierfeder
54 wird der den Regler verlassende Sauerstoff auf einen bestimmten Arbeitsdruck
entspannt, wobei der Druck durch eine Änderung der Federspannung,54 geändert wird.
Nach dem gewählten Ausführungsbeispiel erfolgt die Regelung durch Druckänderung
bei gleichbleibendem Querschnitt unter dem Einfluß der durch den Mengenmesser 39
strömenden Flüssigkeitsmenge. Dabei strömt das Gas aus der Flasche 8 zunächst über
das Ventil 5 i der Kammer 7 gedrosselt zu, entspannt sich in dieser und entweicht
mit niedrigerem Druck durch die Leitung 6 nach der Düse 5, und von dä in die Kreislaufleitung
4. Gleichzeitig wirkt der Druck in der Kammer 7 auf die Biegehaut 53 ein, die außen
von der Feder 54 belastet wird, und deren Druck für die Steuerung des Ventils 51
entscheidend ist, von der also der Druck in der Kammer 7 abhängt. Verbraucht die
Maschine mehr Brennstoff, dann läuft das Meßrad 57 mit denn Fliehkraftpendel 55
rascher um, mit der Wirkung, daß das Reglergestänge auf die Feder 54 drückt, damit
deren Spannung auf die Biegehaut 53 verstärkt und das Ventil 51 sich weiter öffnet.
Dementsprechend wird das der Kammer 7 und der Leitung 6 zuströmende Gas weniger
gedrosselt, und der Druck in der Kammer 7 sowie in der Leitung 6 steigt. Es strömt
der Kreislaufleitung 4 bei gleichbleibendem Leitungsquerschnitt durch die Düse 5
also mehr Sauerstoff unter höherem Druck zu. Die bei der Verbrennung von Brennstoff
und Sauerstoff anfallenden überschüssigen Produkte, insbesondere Wasserdampf und
Kohlensäure, werden in an sich bekannter Weise entweder durch ein gesteuertes überdruckventil
in der Kreislaufleitung oder durch einen Kompressor in geregelter Menge abgeführt.
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;Man kann, wie bereits eingangs erwähnt, bei gleichbleibendem Druck
auch eine Regelung durch eine Querschnittsveränderung vornehmen. In diesem Fall
kann die Flasche 8 bis zu einem kleineren Druck, etwa dem doppelten Kreislaufdruck,
leer gefahren werden. Sie ist außerdem zweckmäßig bei der Verwendung von verdampftem
Flüssigsauerstoff. Die Querschnittsregelung erfolgt einfach dadurch, daß das von
dem ,Mengenmeßrad 57 angetriebene Fliehkraftpendel 5 5 nach Fig. ¢ einfach ein in
der Leitung 6 angeordnetes Absperrglied 58
beeinflußt, derart, daß
bei steigendem Brennstoffverbrauch der Schieber 58 den Durchlaß durch die Leitung
6 mehr freigibt. In diesem Fall bleibt der Gasdruck unverändert, und nur der Durchflußquerschnitt
in der Leitung 6 wird größer bzw. bei umgekehrter Schieberbewegung kleiner.
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Im Rahmen der Erfindung können die automatische und die willkürlich
zu betätigende Sauerstoffregelvorrichtungen auch an einer im Kreislauf zu betreibenden
Brennkraftmaschine kombiniert angeordnet sein. Ebenso kann auch die Querschnittsregelung
der Sauerstoffzufuhr allein von Hand erfolgen. An Stelle eines mechanischen Durehflußmessers
kann auch ein elektrisches oder rein hydraulisch wirkendes Meßgerät verwendet werden.
Als elektrische Einrichtung dient vorzugsweise eine elektromagnetische Anzeigevorrichtung,
z. B. zueinander veränderliche Kondensatorplatten, ein in eine Spule eintauchender
Eisenkern o. dgl. Zur hydraulischen Messung dient zweckmäßig die Druckdifferenz
an einem Venturirohr oder an einer Meßblende.
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Der Abgasprüfer 47 kann außerdem als Sicherheitsvorrichtung gegen
zu hohen Sauerstoffanteil verwendet werden für den Fall, daß die Brennstoffzufuhr
aus irgendeinem Grunde, z. B. durch Leitungsundichtheiten, größer als der Verbrauch
durch den Motor ist. In diesem Fall ist z. B. der Zeiger des Prüfers oder ein sonstiger
von diesem becinflußter beweglicher Teil als Steuerglied für ein Absperrglied in
der Sauerstoffleitung ausgebildet. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. i ist zu diesem
Zweck in der Nebenleitung 18 des Druckminderers 7 ein Absperrventil 59 vorgesehen,
das auf eine beliebige, geeignete Weise durch den Auspuffgasprüfer 47 gesteuert
wird, derart, daß bei zu groß werdendem Sauerstoffanteil die Sauerstoffzufuhr durch
Schließen des Ventils 59 abgestellt wird.
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Das Ventil 59 kann auch als Sicherheitseinrichtung beim Anlassen
dienen. Normalerweise läßt man den Motor mit Preßluft und gleichzeitiger Brennstoffzufuhr
anlaufen. Wird während des Anlassers gleichzeitig Sauerstoff zugeführt, entsprechend
der Grobeinstellung durch das Regelgestänge 26, 29, so besteht bei nicht sofortigem
Anspringen des Motors infolge zu starker Sauerstoffkonzentration Explosionsgefahr.
Um diese zu vermeiden, wird Sauerstoff erst zugeführt, wenn sich der Motor durch
eigene Kraft dreht. Es wird deshalb die öffnung des Ventils 59 gleichzeitig drehzahlabhängig
gemacht in der Weise, daß das Ventil erst bei einer Drehzahl öffnet, die über der
höchsten Durchdrehdrehzahl des Anlassers liegt. Für die ersten Zündungen reicht
die beim Anlaßvorgang zugeführte Luftmenge aus. Die Steuerung des Ventils 59 erfolgt
zweckmäßig durch einen Drehzahlregler zusätzlich. Gegebenenfalls kann neben dem
durch den Sauerstoffprüfer gesteuerten Ventil59 ein besonderes, durch die Drehzahl
allein gesteuertes Absperrventil vorgesehen sein.