DE861761C - Verfahren zur Gemischbildung in Brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zur Gemischbildung in Brennkraftmaschinen

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DE861761C
DE861761C DED7459A DED0007459A DE861761C DE 861761 C DE861761 C DE 861761C DE D7459 A DED7459 A DE D7459A DE D0007459 A DED0007459 A DE D0007459A DE 861761 C DE861761 C DE 861761C
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fuel
machine
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DED7459A
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Heinz Dipl-Ing Links
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Daimler Benz AG
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Daimler Benz AG
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02MSUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M67/00Apparatus in which fuel-injection is effected by means of high-pressure gas, the gas carrying the fuel into working cylinders of the engine, e.g. air-injection type
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2720/00Engines with liquid fuel
    • F02B2720/25Supply of fuel in the cylinder
    • F02B2720/251Fuel supply by high pressure gas
    • F02B2720/252Fuel supply by high pressure gas with air pump fixed to engine cylinder; high pressure air being taken from the atmosphere or from an engine cylinder

Description

  • Verfahren zur Gemischbildung in Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gemischbildung in Brennkraftmaschinen unter Verwendung von Unterdruck zum Einführen des Brennstoffes in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
  • Die bekannten Verfahren mit Lufteinblasung von Brennstoff, in der Regel mit einem Druck von etwa 6o bis 7o atü, haben im allgemeinen den Vorteil einer feinen Zerstäubung und eines niedrigen Brennstoffverbrauches. Sie haben jedoch infolge der Notwendigkeit eines Luftkompressors den Nachteil eines verhältnismäßig hohen baulichen Aufwandes.
  • Brennkraftmaschinen mit luftloser Einspritzung vermeiden zwar den Nachteil eines hohen Baugewichtes der Maschine dadurch, daß der Luftkompressor in Fortfall kommt, jedoch sind entweder die erforderlichen Drücke zur Zerstäubung des Brennstoffes sehr hoch (bis zu 3oo atü), oder es ist eine Unterteilung des Brennraumes zur Erhöhung der den Brennstoff zerstäubenden Energie erforderlich. Infolge der in jedem Fall verhältnismäßig hohen Drücke sind genau arbeitende, kostspielige Einspritzanlagen notwendig.
  • Demgegenüber weist der übliche mit Leichtbrennstoff betriebene Niederdruck- bzw. Vergasermotor den Vorteil auf, daß das Gemisch unter der Wirkung von außerordentlich geringen Unterdrücken von einigen Zehnteln atü gebildet wird. Für Mehrzylindermotoren ergibt diese Art der Gemischbildung jedoch eine Reihe schwerwiegender Nachteile, insbesondere einer großen Unterschiedlichkeit der Brennstoffverteilung auf die einzelnen Motorzylinder. Besonders im Teillastbereich führt dieses zu bedeutenden Abweichungen im Luft- Brennstoff-Verhältnis und damit indirekt zu einem höheren Verbrauch, da die Größe und Einstellung der Vergaserdüse nach der Zylindereinheit mit magerstem Gemisch bestimmt werden muß.
  • Es werden ferner Verfahren und Maschinen verwendet, bei welchen Leichtbrennstoff in den Zylinderraum oder in die Ansaugeleitung der Maschine eingespritzt wird. Gewöhnlich werden hierbei Einspritzpumpen verwendet, welche den üblichen Einspritzpumpen bei Dieselmotoren nachgebildet sind. Derartige Maschinen ergeben jedoch einen befriedigenden Betrieb nur dann, wenn die Drehzahlen der Maschine nicht allzu hoch liegen, z. B. bis zu etwa i5oo U/min. Mit steigender Drehzahl treten jedoch Schwierigkeiten auf,- die nur schwer zu beherrschen sind. Das Einspritzgesetz von Pumpe und Düse kann den im Brennraum herrschenden thermischen Bedingungen nicht mehr richtig angepaßt werden, und es treten, insbesondere bei Einspritzung in die Ansaugeleitung, ungünstige Schwingungserscheinungen in den letzteren auf, wodurch die gleichmäßige Brennstoffverteilung beeinträchtigt wird. Gleichzeitig unterliegen die Pumpen einem mit der Drehzahl ansteigenden schnellen Verschleiß der mit sehr engen Toleranzen hergestellten Teile des Einspritzaggregates. Die Einspritzmengep weisen infolgedessen Streuungen auf, welche den wesentlichsten Vorteil der Einspritzung gegenüber dem Vergaserbetrieb wieder aufheben. Ein ordnungsgemäßer- Betrieb bei Drehzahlen, die in der Größenordnung von 400o bis 5000 Umdrehungen in der Minute liegen, wie sie z. B. für Kraftfahrzeugmotoren üblich sind, läßt sich jedenfalls mit den bisherigen Verfahren der Leichtbrennstoffeinspritzung -nicht erreichen.
  • Um die erforderliche Zerstäubungsfeinheit zu erreichen, muß bei den üblichen Pumpenkonstruktionen der Einspritzdruck größenmäßig ungefähr in gleicher Höhe liegen wie bei der Dieseleinspritzung. Obwohl die stationären Abspritzdrücke der Einspritzdüsen nur wenige atü zu betragen brauchen (es wird im Saughub oder im beginnenden Verdichtungshub eingespritzt), werden dynamische Drücke von einigen ioo atü erreicht. Damit wiederum ist die Konstruktion an enge Toleranzen gebunden, und das Aggregat bleibt in seiner Fertigung kostspielig. Alle Versuche, die Anzahl der. Pumpenelemente zu verringern, etwa indem man mit einem Element zwei oder mehr Zylindereinheiten bedienen läßt, führen zwar fertigungsmäßig zu einfacheren und billigeren Konstruktionen, aber dafür entweder zu höheren Pumpenkolbenllubzahlen in der Zeiteinheit oder im Fall von Hochdruckverteilerpumpen zu Streuungen der Einspritzmenge. Dieser Nachteil ist tim so schwerwiegender, je kleiner die zu beliefernden Zylindervolumen sind. So beträgt z. B. bei einem Hubvolumen je Zylindereinheit von 0,4 1 die Vollasteinspritzmenge etwa 30 mm3, die Einspritzmenge bei Teillast bis Leerlauf etwa io mm3.
  • Die Erfindung bezweckt die Nachteile der bisberigen Einspritzverfahren zu vermeiden und gleichzeitig deren- Vorteile- weitgehend beizubehalten. Insbesondere wird bezweckt, die beim Vergaserbetrieb durch Unterdruck erzeugte Gemischbildung, jedoch ohne die hauptsächlich durch Luftschwingungen in der gemeinsamen Ansaugeleitung herbeigeführten Mengenstreuungen, mit einer genauen Zumessung der Brennstoffmengen auf die einzelnen Zylindereinheiten mittels Einspritzpumpe und Düsen, jedoch ohne die bisherigen hohen Einspritzdrücke, zu einem neuen Gemischbildungsverfahren zu vereinigen.
  • Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß der Brennstoff in dosierter Menge der Einspritzdüse vorgelagert und hierauf durch den von der Maschine erzeugten Unterdruck in den oder die Maschinenzylinder eingestäubt wird. In besonders zweckmäßiger Ausführung des Verfahrens erfolgt das Einstäuben des Brennstoffes unter der gleichzeitigen Wirkung eines Überdruckes, wobei jedoch der Überdruck nur ungefähr von der gleichen Größenordnung wie der Unterdruck zu sein braucht.
  • Zweckmäßig wird gleichzeitig zur Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades Druckluft gleichzeitig der Ansaugeluft zugeführt, insbesondere derart, daß der Anteil der Druckluft mit steigender Drehzahl der Maschine erhöht wird. Die Druckluft zum Einblasen des Brennstoffes und die der Ansaugeluft zur Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades beigefügte Druckluft können der gleichen Druckluftquelle entnommen werden. Der Brennstoff kann unmittelbar in den Maschinenzylinder oder in die Ansaugeleitung der Maschine eingestäubt werden. Der zum Einstäuben des Brennstoffes dienende zusätzliche Überdruck wird zweckmäßig im Takt der Maschine erzeugt bzw. gesteuert.
  • Die Erfindung ermöglicht es, mit geringenBrennstofförderdrücken und geringen Druckluftüberdrücken auszukommen. Pumpe und Gebläse können daher verhältnismäßig einfach ausgebildet sein und mit verhältnismäßig geringen Kosten hergestellt werden. Gleichzeitig wird eine genaue Dosierung der Brennstoffmenge erzielt. Durch gleichzeitige Einführung der Druckluft in die Ansaugeleitung kann die Füllung der Maschine auch bei hohen Drehzahlen in voller Höhe aufrechterhalten und damit eine sehr hohe Leistung der Maschine erreicht werden.
  • Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine zweckmäßige Vorrichtung zur Ausübung des vorbeschriebenen Verfahrens. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele zu entnehmen, und zwar zeigt Fig. i die schematische Darstellung einer zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienenden Gemischbildungsanlage, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. i und Fig. 3 das Schema einer Druckluftsteuerung bei Zuführung von Druckluft in für jeden Zylinder. gesonderte Einlaßleitungen.
  • In Fig. i bedeutet io den Maschinenzylinder mit dem- Kolben i i, dem Verdichtungsraum 12, dem Einlaßventil13, dein Auslaßventil14 und einer z. B. im Zylinderkopf oder, wie in der Zeichnung dargestellt, seitlich am Zylinder angeordneten Zündkerze 15. Zum Einführen des Brennstoffes in den Maschinenzylinder dient die Brennstoffdüse 16 mit einer oder mehreren engen Düsenöffnungen i7, der oder denen ein Raum 18 vorgelagert ist, welcher gegen die Brennstoffzuführungsleitung ig durch ein unter Federdruck stehendes Rückschlagventil2o abgeschlossen ist. Der Brennstoff wird durch eine z. B. vom Brennstoffbehälter kommende Zuleitung 21 der Brennstoffpumpe 22 zugeleitet, die den Brennstoff auf eine der Anzahl der Maschinenzylinder entsprechende Anzahl von Förderleitungen ig, i j , ig" und ig"' verteilt. Die Pumpe 22 kann in beliebiger Weise ausgebildet sein. Die Förderung, Dosierung und Verteilung des Brennstoffes kann beispielsweise durch einen Pumpenkolben erfolgen, welcher sowohl eine hin und her gehende als auch eine drehende Bewegung ausführt, derart, daß bei jedem Hinundhergang des Pumpenkolbens eine der Leitungen ig bis ig"' vom Pumpenkolben gesteuert und mit Brennstoff beliefert wird. Zur Regelung der Einspritzmenge dient beispielsweise ein Hebel 23, welcher durch Verdrehen des Pumpenkolbens den Pumpenraum bei jedem Auf- und Abwärtsgang des Pumpenkolbens früher oder später mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Rückströmleitung in Verbindung bringt.
  • Zum Antrieb der Pumpe dient beispielsweise eine mit Kurbelwellendrehzahl umlaufende Welle 24, welche durch Zahnräder 25, 26 od. dgl. die Pumpenwelle 27 mit doppelter Kurbelwellendrehzahl antreibt. Von der Welle 24 wird gleichzeitig ein Gebläse, insbesondere ein Rootsgebläse 28, und mittels der Zahnräder 25, 2g ein Drehschieber 3a mit halber Kurbelwellendrehzahl angetrieben. Der Drehschieber 30 ist als .Hohlschieber ausgebildet, dessen Inneres 31 mit der Druckleitung 32 des Gebläses 28 in Verbindung steht. Von dem Innenraum 31 des Drehschiebers zweigen radiale Bohrungen 33, 33', 33" und 33"' ab, welche die Leitungen 34, 34', 34"@ und 34"' nacheinander übersteuern und damit bei jeder Umdrehung des Drehschiebers in der genannten Reihenfolge einmal mit der Druckleitung 32 des Gebläses in Verbindung bringen. Die Leitungen führen, wie für die Leitung 34 gezeigt, in den Raum i8 der jeweiligen Einspritzdüse 16.
  • Des weiteren steht die Druckleitung 32 des Gebläses bzw. das Innere 31 des Drehschiebers 3o über eine z. B. axial zum Schieber angeordnete Leitung 35 mit dem Ansaugerohr 36 der Maschine in Verbindung. Sie mündet hierbei in letztere an der Stelle eines erhöhten Unterdruckes ein, welcher durch die Saugwirkung der Maschinenkolben in der Ansaugeleitung 36 an der Stelle einer Venturidüse 37 erzeugt wird. Im Fall der Fig. i ist die Einlaßleitung 36 gemeinsam für alle Zylinder der Maschine vorgesehen und einem Verteilerrohr 38 vorgeschaltet, für welche die Einlaßleitungen 39 zu den einzelnen Einlaßventilen 13 führen.
  • Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende: Die Brennstoffpumpe 22 wird mit doppelter, das Gebläse 28 mit einfacher und der Drehschieber 30 mit halber Kurbelwellendrehzahl angetrieben. Die Brennstoffpumpe ist derart eingestellt, daß der Brennstoff durch die jeweils gesteuerte Leitung ig bis ig"'kurz vor oder bei Beginn des Ansaugehubes mit verhältnismäßig niedrigem Druck im Raum 18 der Einspritzdüse 16 durch Öffnen des Ventils 2o vorgelagert wird. Beim Abwärtsgang des Kolbens i i wird alsdann der vorgelagerte Brennstoff unter der Wirkung des vom Kolben erzeugten Unterdruckes durch die Düsenöffnung 17 in den Maschinenzylinder eingesaugt. Gleichzeitig wird die zugehörige Druckluftleitung 34 über die Radialbohrung 33 mit der Druckleitung 32 des Gebläses 28 verbunden, wodurch Druckluft über die Leitung 34 in den Raum 18 der Einspritzdüse gelangt und dadurch auf den vorgelagerten Brennstoff einen zusätzlichen Einblasedruck ausübt. Beträgt beispielsweise der vom Maschinenkolben erzeugte Unterdruck o,2 at und der von dem Gebläse erzeugte Überdruck ebenfalls o,2 at, so ergibt sich insgesamt ein Einblasedruck von o,4 at, welcher eine feine Zerstäubung und Gemischbildung des Brennstoffes im Zylinder während des Ansaugehubes der Maschine gewährleistet. Die über die Verbindungsleitung 35 in die Ansaugeleitung 36 eingeblasene Druckluft -bewirkt zugleich eine zusätzliche Füllung des Maschinenzylinders über das Einlaßventil13, wobei die Düse 37 verhindert, daß während des Ansaugens der Maschine die Druckluft nach außen ausbläst. Hierdurch kann erreicht werden, daß auch bei hohen Drehzahlen der Maschine die Füllung derselben voll aufrechterhalten werden kann. Die Drehzahl des Gebläses 28 ist hierbei derart gewählt, daß für je zwei Einblasevorgänge das Gebläse eine Umdrehung ausführt, wodurch die Fördercharakteristik des Gebläses, welche mit jeder Umdrehung zwei Fördermaxima aufweist, dem Einblaseluftbedarf der Maschine angepaßt werden kann. Die Verwendung eines Drehkolbengebläses bewirkt ferner in vorteilhafter Weise, daß die Menge der zusätzlich in dieAnsaugeleitung gefördertenDruckluft mit steigender Drehzahl zunimmt und dadurch eine volle Füllung der Zylinder auch bei hohen Drehzahlen ermöglicht.
  • Beim Aufwärtsgang des Kolbens i i wird das im Zylinder gebildete Gemisch durch die Zündkerze 15 entzündet.
  • Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist für jeden Zylinder eine besondere Ansaugeleitung 36, 36', 36" und 36"' vorgesehen. An Stelle der Zuleitung 35 sind in diesem Fall gesonderte Zuleitungen 35, 35', 35" und 35"' vorgesehen, welche durch eine radiale Bohrung 4o des Steuerschiebers 30 gesteuert werden.
  • Gegebenenfalls kann das Verfahren auch derart ausgeführt werden, daß zunächst der vorgelagerte -Brennstoff durch den Unterdruck aus der Düse herausgerissen wird, wobei bereits eine feine Zerstäubung erfolgt, und erst dann die Druckluft durch die Leitung 34 eintritt, die eine noch innigere Verwirbelung des Gemisches herbeiführt. Eine Schichtbildung in Zündkerzennähe tritt dabei hauptsächlich dann ein, wenn die Düse im Zylinderkopf an-. geordnet ist. Gegebenenfalls kann es ferner zweckmäßig sein, daß durch den Unterdruck zunächst nur reine Luft angesaugt wird und die Druckluft erst möglichst spät im Verdichtungshub den Brennstoff einbläst, wenn sich die Luftwirbelungen im Zylinder soweit beruhigt haben, daß die Druckluft-Brennstoff-Schichtung an einer gewünschten Stelle in der Nähe der Zündkerze liegenbleibt. Dann ergibt sich auch bei kleinster Teillast eine sichere Zündung. Hierzu ist allerdings ein höherer Einspritzdruck von etwa 6 bis 8 atü erforderlich.
  • Eine besondere Bedeutung hat die Erfindung für Zweitaktmotoren. Es besteht hierbei die Möglichkeit, eine Anordnung entsprechend der Erfindung zu treffen, wobei das Gebläse außer für Füllungserhöhung und Zerstäubung zugleich auch für die Spülung verwendet werden kann. Besonders kleine Zylindereinheiten können hierbei zweckmäßig bedient werden, da infolge der Brennstoffeinspritzung der hohe Frischgasverlust fortfällt und der Verbrauch dem des Viertaktmotors nahekommt. Der Brennstoff mußallerdings in diesem Fäll in den Zylinder eingeblasen werden, z. B. unter einem Einblasedruck von 6 bis 8 atü.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Gemischbildung in Brennkraftmaschinen unter Verwendung von Unterdruck zum Einführen des Brennstoffes in den Brennraum der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in dosierter Menge der Einspritzdüse vorgelagert und hierauf durch den von der Maschine erzeugten Unterdruck in den oder die Maschinenzylinder eingestäubt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i; dadurch gekennzeichnet, daß das Einstäuben des Brennstoffes unter der gleichzeitigen Wirkung eines Überdruckes erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, da3 der Überdruck- ungefähr von der gleichen Größenordnung wie der Unterdruck ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß' zur Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades Druckluft gleichzeitig der Ansaugeluft zugefügt wird, insbesondere derart, daß der Anteil der Druckluft mit steigender Drehzahl der Maschine erhöht wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft zum Einblasen des Brennstoffes und die der Ansaugeluft zur Erhöhung des volumetrischen Wirkungsgrades beigefügte Druckluft der gleichenDruckluftquelle entnommen wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff unmittelbar in den Maschinenzylinder eingestäubt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff in die Ansaugeleitung der Maschine eingestäubt wird. B. Verfahren nach Anspruch i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Einstäuben des Brennstoffes dienende zusätzliche Überdruck im Takt der Maschine erzeugt bzw. gesteuert wird. g. Verfahren nach Anspruch i oder 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgelagerte Brennstoff in den Maschinenzylinder angesaugt und erst hierauf Druckluft zur Verwirbelung des Gemisches im Zylinder in diesen eingeblasen wird. io. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i bis g, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckluft von einem den Druck im Takt der Maschine erzeugenden Gebläse, insbesondere Drehkolbengebläse, einerseits zu den einzelnen Einbläsedüsen und anderseits in die Ansaugeleitung der Maschine, vorzugsweise an einer Stelle erhöhten Unterdruckes, gefördert wird. ii. Vorrichtung nach Anspruch i bis io, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Druckluft ein Verteilerorgan, z. B. ein Drehschieber, vorgesehen ist, welcher die Druckluft im Takt der Maschine den einzelnen Einblasedüsen zuleitet. i2. Vorrichtung nach Anspruch i bis ii, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dosierung und Vorlagerung des Brennstoffes unter niedrigem Druck eine Pumpe mit gleichzeitig dosierendem und verteilendem Pumpenkolben liegt. 13. Vorrichtung nach Anspruch i bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Gebläse, Verteilerschieber und Brennstoffpumpe ihren Antrieb von einer gemeinsamen Antriebswelle erhalten. 14. Vorrichtung nach Anspruch i bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder insgesamt oder gruppenweise eine gemeinsame Ansaugeleitung mit gemeinsamer zusätzlicher Belieferung durch Druckluft besitzen. 15. Vorrichtung näch Anspruch i bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zylinder eine gesonderte Ansaugeleitung mit gesonderter, gesteuerter zusätzlicher Belieferung durch Druckluft besitzt.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3617604A1 (de) * 1985-05-24 1986-12-04 Orbital Engine Co. Pty. Ltd., Balcatta, Westaustralien Verfahren und vorrichtung zur zufuehrung von fluessigem brennstoff zu einem motor mit innerer verbrennung
DE3634509A1 (de) * 1985-10-07 1987-04-09 Orbital Eng Pty Verfahren zur lieferung von kraftstoff in einen verbrennungsmotor
US4841942A (en) * 1984-08-01 1989-06-27 Orbital Engine Company Proprietary Limited Method and apparatus for metering fuel
DE19519689A1 (de) * 1995-05-30 1996-12-05 Ruediger Ufermann Druckluftbetriebene DI- oder IDI-Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit optionaler Luftunterstützung und Einspritzdüsen ohne bewegliche Mechanik
DE19800878A1 (de) * 1998-01-13 1999-07-15 Georg Fritz Zweitakt-Motor

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