DE863431C - Verfahren zum klopffreien Betrieb gemischverdichtender Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

• Verfahren zum klopffreien Betrieb gemischverdichtender Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum klopffreien Betrieb gemischverdichtender' Brennkraftmaschinen mit hohem Verdichtungsverhältnis und mit einem Kraftstoff von verhältnismäßig geringer Klopffestigkeit.
• Zur Erhöhung der Klopffestigkeit flüssiger Kraftstoffe werden diesen im allgemeinen Metallverbindungen, wie Bleitetraäthyl, Eisenpentacarbonyl od. dgl., in geringer Menge zugesetzt. Bei diesen Zusätzen handelt es sich durchweg um wenig stabile Verbindungen, -die sich bereits bei verhältnismäßig geringer Temperatur endotherm, :d. h. unter Wärmeverbrauch, wieder zersetzen. Nach neueren Erkenntnissen liegt ihre Wirksamkeit als Klopfbremse gerade in dieser Eigenschaft ihres leichten Zerfalls begründet, indem sie nämlich durch Wärmezufuhr aus der sich während des Verdichtungshubes erhitzenden Verbrennungsluft frühzeitig zersetzt werden und der dabei unmittelbar in jedem Kraftstoffteilchen entstehende Wärmeverbrauch die Verdampfung bzw. Aufspaltung des Kraftstoffes entsprechend verzögert.
• Da aber der Kraftstoff in Gestalt von auch noch so feinverteilter Flüssigkeit niemals brennen kann, sondern hierzu erst in Dampfform übergeführt bzw. in einfachere chemische Verbindungen aufgespaltet werden muß, so wird mit der Verzögerung der Verdampfung bzw. Aufspaltung des Kraftstoffes gleichzeitigauch dessen vorzeitige Selbstentzündung und damit das Klopfen verhindert. Es mag auf den ersten Blick überraschend erscheinen, d aß die Dissoziationswärme so geringer Beimengungen sich überhaupt in so starkem Maße bemerkbar machen soll. Man muß sich jedoch immer vor Augen halten, daß ja nur eine Verzögerung xder Verdanipfun@g bzw. Aufspaltung des Kraftstoffes um wenige Kurbelwinkelgrade, @d: h. um weniger als eine Tausendstelsekunde, erforderlich ist, -um die Selbstentzündung des Kraftstoffes hintanzuhialten. Dazu reicht aber bereits der Entzug ganz geringer Wärmemengen aus.
• Der große Nachteil aller bekannten chemischen Klopfbremsen ist deren Giftigkeit für Mensch und Maschine. Diese unangenehme Eigenschaft ist letzten Endes eine unvermeidliche Begleiterscheinung der leichten Zersetzbarkeit dieser Stoffe. Es ist deshalb müßig, nach chemischen Klopfbremsen, d. h. nach endotherm leicht zersetzbaren Verbindungen, zu suchen, ;die ungiftig sind. Durch die Erfindung wird nun ein neuer Weg aufgezeigt, um auch an sich wenig klopffeste Kraftstoffe ohne jede Beimengung in Maschinen mit hohem Verdichtungsverhältnis anstandslos verarbeiten zu können.
• Dabei wird von der obigen Feststellung ausgegangen, daß es im wesentlichen nur. darauf ankommt, die Verdampfung bzw. Aufspaltung des Kraftstoffes um einen ganz geringen Zeitintervall hinauszuschieben. Gemäß der Erfindung wird idies dadurch erreicht, daß der Kraftstoff vor .seiner Mischung mit ider Verbrennungsluft in geregelter Weise, gegebenenfalls bis unter die Außentemperatur herunter, künstlich vorgekühlt wird, wobei diese Vorkühlung zweckmäßig in Abhängigkeit von einer oder mehreren die Wärmebelastung dei Maschine--beeinflussenden oder für sie kenrizeichnenden Betriebsgrößen, wie Außentemperatur, Ladedruck, Zylindertemperatur usw., erfolgt. Dann muß nach der Einführung des Kraftstoffes in die Zylinder der Maschine eine entsprechend größere Wärmemenge als vorher von der verdichteten Luft bzw. den Zylinderwandungen auf die Kraftstoffteilchen übertragen werden;-um diese zum- Verdampfen bzw. Aufspalten zu bringen. Hierzu ist bei gleichem Wärmegefälle zwischen der Verbrennungsluft bzw. ,der Zylinderwandung einerseits und .den- Kraftstoffteilchen andererseits eine größere Zeitspanne erforderlich. Sobald )der Kraftstoff also entsprechend vorgekühlt in den Zylinder der Masthirne eingeführt wird, kann -die- Verdichtung -der Maschine gegen früher wesentlich erhöht werden, ohne daß Klopferscheinungen auftreten. Der Kraftstoff kann hierbei genau so fein verteilt wie vorher in den Zylinder eingeführt werden und das Temptraturniveau des Verbrennungsvorganges wie die Betriebstemperatur -der Maschine können genau so hoch sein wie bisher, -so daß eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Maschine nicht eintritt.
• Es ist :bereits vorgeschlagen worden, einen klopffreien Betrieb von Brennkraftmaschinen bei hoher Verdichtung des Brenngemisches @dadurch zu erzielen"daß besonders arme Gemische-verwendet und ein höherer Anteil der Verdichtungswärme als bisher zur Aufbereitung des Brennstoffes herangezogen wird. Abgesehen davon, daß in dem Vorschlag nicht gesagt wird, mit welchen Mitteln letzteres erreicht werden soll, sind der Verarmung des Gemisches enge Grenzen gesetzt, außerhalb deren eine Entzündüng ' un,d ein genügend schnelles Abbrennen desselben auch bei hoher Verdichtung nicht mehr erfolgt. Außerdem führt das langsamere Abbrennen ,des ,. Gemisches zu einer stärkeren Erhitzung -der Maschine, die durch vermehrte Kühlung @derselben ausgeglichen werden muß. Hierunter leidet der Wirkungsgrad der Maschine, so daß abgesehen von der , praktischen Undurchführbarkeit des Vorschlages auch die von seiner Verwirklichung' erhoffte Brennstoffersparnis nicht eintreten würde.
• Die Vorkühlung des Kraftstoffes kann der jeweiligen Außentemperatur, der Betriehstemperatur der Maschine und sonstigen Betriebsgrößen leicht än.gepaßt - werdezi, um für jeden Betriebszustand die gerade erforderliche Klopffestigkeit zu erhalten, ohne andererseits die Entflammung des Kraftstoff-Luft-Gemisches unnötig hinauszuzögern. Die Kraftstoffkühlung wird zweckmäßig an solchen Stellen an denen nachträglich keine erhebliche Wiedererwärmung durch heiße Teile der Maschine mehr stattfindet, bei Einspritzmaschinen z. B. in den Zuleitungen zu den Einspritzdüsen oder in den Düsen selbst. Als Kühlmittel kann bei Flugmotoren in größeren Höhen die kalte Außenluft, in Bödennähe und bei Fahrzeugmotoren ein ge-.speichertes bzw. in einer besonderen Anhabe am Fahrzeug erzeugtes Kühlmittel dienen, beispielsweise verdichtete Luft oder Kohlensäure von Normaltemperatur, die sich beim Entspannen entsprechend abkühlt, oder auch Trockeneis. Infolge ,des -verhältnismäßig geringen Anteiles des Brennstoffes an dem Gesamtgewicht des Brenngemische und seines für den Wärmeentzug gut geeigneten flüssigen Zustandes erfordert die Brennstoffkühlung, z. B. gegenüber -der ebenfalls bekannten Vorkühlung der Verbrennungsluft oder des gesamten Gemisches, nur einen geringen, praktisch nicht ins Gewicht fallenden baulichen=und Leistungsauf.#varid. -Wesentlich ist also, daß die Vorkühlung des Kraftstoffs nicht schematisch in gleichbleibender Stärke vorgenommen, sondern dem jeweiligen Betriebszustand der Maschine angepaßt wird. Hierbei kann es je nach der Beschaffenheit des verwendeten Kraftstoffes mitunter zweckmäßig sein, die Kraftstoffkühlung nur @bai .hoher Belastung der Maschine bzw. bei hoher Außentemperatur in voller Stärke anzuwenden, beim Betrieb mit Teillast bzw. bei niedriger Außentemperatur dagegen die Kraftstoffkühlung zu drosseln bzw. ganz abzuschalten, ja gegebenenfalls, - z. B. für das Anlassen der Maschine bei großer Kälte, zeitweise sogar eine Aufheizung des Kraftstoffes vor der Einführung in die. Maschine vorzunehmen, kurz gesagt also eine Einrichtung zu schaffen, welche es ermöglicht, die Kraftstofftemperatur, sei es durch Kühlung oder durch Beheizung des Kraftstoffes, entsprechend den jeweiligen B.etriebsverhältnis@sen so zu regeln, daß einerseits ungewollte Selbstzündungen des Gemisches verhindert, andererseits aber die Entzündun: g im gewollten Zeitpunkt und das rasche Durchbrennen des Gemisches gewährleistet sind.
• In der Zeichnung zeigt Abb. i eine -solche Einrichtung in schematischer Darstellung, während Abb. 2 die vereinigte Kühl- und Heizvorrichtung für den Kraftstoff noch einmal in größerem Maßstab im Längsschnitt zeigt.
• In die Zylinder i einer mit hohem Verdichtungsverhältnis arbeiten.dengemischverdichtendenBrennkraftmaschine 2 wird der flüssige Kraftstoff von verhältnismäßig niedriger Oktanzahl während des Saughubes der Maschine durch die Einspritzpumpe 3 mittels der Einspritzdüsen .4 eingespritzt. Jede der von der Pumpe 3 zu den Düsen .4 führenden Druckleitungen 5 ist von einem Kühlmantel 6 umgeben, durch den nach Bedarf kalte Luft hindurchgeleitet wird, um den Kraftstoff vor seinem Eintritt in die Zylinder i auf die jeweils gewünschte, einen klopffreien Betrieb der Maschine ermöglichende Temperatur herabzukühlen.
• Die Kaltluft wird, soweit sie nicht unmittelbar :der Atmosphäre entnommen werden kann, in der Weise erzeugt, !daß ein von der Maschine 2 angetriebener Verdichter 7 äußere Luft von gewöhnlicher Temperatur ansaugt, diese auf einen Druck an einigen Atmosphären verdichtet und sie im gespannten Zustand durch einen dem freien Außenluftstrom ausgesetzten Luftkühler 9 drückt. Aus dem Kühler 9 strömt die Luft über ein Druckminderventil io, den Verteiler ii und die Zuleitungen 12 zu den Kühlmänteln 6 der Einspritzleitungen 5, wobei sie sich bis auf den äußeren Luft--druck entspannt und sich dementsprechend auf eine erheblich unter der Außentemperatur liegende Temperatur abkühlt. Nach dem Durchgang durch die Kühlmäntel 6 entweicht die Kaltluft durch die offenen Enden der an den Einspritzdüsen .I vorbei ins Freie.
• Die Regelung der Kühlung des Kraftstoffes erfolgt durch Verändern der Temperatur der als Kühlmittel dienenden Kaltluft auf folgende Weise: Das im Ruhezustand durch die Membran 13 auf seinen Sitz gepreßte Druckminderventil ia steht filier Iden Winkelhebel 14 mit einem Thermostaten 15 in Verbindung, der an der Kühlwasseraustrittstelle der Maschine 2 innerhalb des Kühlwasserstromes angeordnet ist. Durch diesen Thermostaten wird die Weite des Ventilspaltes 16 in der Weise geregelt, daß der Spalt bei einer Erhöhung der Kühlwasseraustrittstemperatur, d. h. .bei erhöhter Wärmebelastung der Maschine 2, verengt und bei einer Erniedrigung der Kühlwassertemperatur erweitert wird. Je nach der Weite des Ventilspaltes wird die vom Verdichter 7 geförderte Luft vor dem Spalt, d.11. im wesentlichen innerhalb des Luftkühlers g, auf einen mehr oder weniger hohenDruck aufgestaut. Dementsprechend ändert sich .auch der Grad der Abkühlung, den die Luft bei ihrer Entspannung erfährt, so daß der Kraftstoff also bei höherer Belastung der Maschine stärker, bei geringerer Belastung weniger gekühlt wird.
• Sinkt die Kühlwassertemperatur bei sehr niedriger Außentemperatur. z. B. während des Leer-Laufs oder beim Stillstand der Maschine, unter einen bestimmten, von der Zündwilligkeit (des Kraftstoffes abhängigen Wert, so schließt der Thermostat 15 über das Gestänge 17 einen Schalter 18. Dadurch wird der von einem Sammler ig gelieferte Strom für eine die Kraftstoffleitung 5 innerhalb des Kühlmantels 6 umgebende Heizwendel zo (Abb. 2) eingeschaltet, «-elche nunmehr den vor den Einspritzdüsen befindlichen Kraftstoff auf eine für das Anlassen bzw. für den Leerlauf der Maschine geeignete Temperatur erwärmt. Da der Sammler ig während längerer Betriebspausen sowieso durch den Hauptschalter 2i von sämtlichen Stromverbrauchsstellen getrennt ist, und dieser erst kurz vor dem Anlassen der Maschine wieder eingelegt wird, so ist ein unnötiger Stroznvenbrauch und eine Übermäßige Erhitzung .des Kraftstoffes während längerer Betriebspausen nicht zu befürchten.
• An Stelle des im Kühlwasserkreislauf der Maschine ang:ordneten Thermostaten kann zur Steuerung des Spaltes 16 und des Schalters 18 auch ein Wärmefühler anderer Art, beispielsweise ein Thermoelement mit Kraftverstärker oder eine Bimetallfeder; verwendet werden. Allediese Steuerorgane können auch an anderer Stelle angeordnet werden, beispielsweise in einer Einschrauböffnullg des Zylinders oder Zylinderkopfes der Maschine, wo sie unmittelbar der Temperatur der Zylinderwandung bzw. ,des Brennraumes ausgesetzt sind.
• _ Bei entsprechend feinstufiger Anpassung der Temperatur des Kraftstoffes an den Wä,rme:zustand der Maschine, was hinsichtlich einer etwa erforderlich werdenden Erwärmung des Kraftstoffes durch stufenweises Zu- und Abschalten der hierfür entsprechend unterteilten Heizwendel 2o ohne -weiteres geschehen kann, läßt sich die Zündwilligkeit des Kraftstoff-Luft-Gemisches auch so regeln, 4aß es gegen Ende des Verdichtungshubes im gewünschten Zündzeitpunkt jeweils die Selbstzünduugsgre,nze er reicht hat und sich dann von selbst entzündet, so -daß gegebenenfalls eine elektrische Fre@mndzündung des Gemisches völlig entbehrlich wird. Soweit der Lädedruck bzw. Verdichtungsenddruck der Maschine über seinen Temperatureinfluß hinaus auf die Selbstentzündung des Gemisches einwirkt, kann dies dadurch berücksichtigt -werden, daß ein z. B. dem Ladedruck in der Einlaßleitung der Maschine ausgesetzter Druckgeber zusammen mit dem oben-.erwähnten Wärmefühler über ein Differentialgestänge die Steuerung des Spaltes 16 übernimmt.
• Die vorstehend angegebenen Ausführungsformen der Erfindung stellen nur Beispiele dar, welche das Wesen der Erfindung näher erläutern sollen. Es leuchtet aber ohne -weiteres ein, daß dem Fachmann im Bedarfsfall je nach den gestellten Forderungen und den betrieblichen Gegebenheiten eine große Anzahl weitererAusführungsmöglichkeiten imRahmen der Erfindung zur Verfügung stehen.
• So kann man z. B. insbesondere bei Vergasermaschinen an Stelle der oben beschriebenen mittelbaren Kühlung den Kraftstoff unmittelbar kühlen, indem man ihm das gasförmige Kühlmittel unmittelbar beimischt bzw. anlagert. Ist :das Kühlmittel dabei ein die Verbrennung nicht förderndes Gas, z. B. Kohlensäure, so wirkt diese außer idurch ihren Temperatureinfluß auch bereits durch ihre Anwesenheit ah sich verzögernd auf die Selbstentzündung des Kraftstoffes ein.
• Auch kann man als Kühlmittel einen Teil der in den Zylindern,der Brenukraftmaschine verdichteten Brenngase benutzen, der den Zylindern vor oder nach der Verbrennung mit dem erforderlichen Druck entnommen, auf die Temperatur der Umgebung abgekühlt und darauf in der oben angegebenen Weise durch Entspannen auf den äußeren Luftdruck unter rdie Temperatur der Umgebung herabgekühlt wird.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: .i. Verfahren zum klopffreien Betrieb gemischverdichtender Brennkraftmaschinen mit einem im Verhältnis zur Klopffestigkeit des verwendeten Kraftstoffes an sich zu hohen Verdichtungsverhältnis, dadurch gekennzeichnet; daß (der Kraftstoff vor seiner Mischung mit der Verbrennungsluft in geregelter Weise, gegebenenfalls bis unter die Außentemperatur herunter, künstlich vorgekühlt wird, wobei diese ZTorkühlung zweckmäßig in Abhängigkeit von einer oder mehreren die Wärmebelastung der Maschine beeinflussenden oder für sie kennzeichnenden Betriebsgrößen, wie Außentemperatur, Lediedruck, Zylinrdertemperatur usw. erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkühlung des Kraftstoffes an solchen Stellen erfolgt, hinter denen er bis zu seiner Einführung in die Zylinder der Maschine nicht durch heiße Teile derselben wieder wesentlich aufgeheizt wird, bei Einspritzmaschinen z. B. in den Zuleitungen zu den Einspritzdüsen oder in den Düsen selbst.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen i@ und 2, dadurch gekennzeichnet, daß rdie Vorkühlung des Kraftstoffes ,durch einen gespeicherten Kälteträger, beispielsweise -durch Trockeneis (feste Kohlensäure), erfolgt.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkühlung ,des Kraftstoffes durch ein in verdichtetem Zustand auf die Temperatur .der Umgebung abgekühltes und dann auf atmosphärischen Druck entspanntes Gas erfolgt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel ein Teil der in den Zylindern der Bnennkraftmaschine verdichteten Brenngase dient, welcher den Zylindern vor oder nach seiner Verbrennung entnommen wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Kühlmittel dem Kraftstoff vor dessen Einführung in die Zylinder unmittelbar beigemischt wird.
7. 7. Weitere Ausbildung des Verfahrens nach den Ansprüchen i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kraftstoff während besonderer Betriebszustände, beispielsweise zum Anlassen oder während des Leerlaufs .der Maschine bei großer Kälte, Wärme zugeführt wird. B. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezu- und -abfuhr so geregelt.wind, daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch gegen Ende des Verdichtungshubes im gewünschten Zündzeitpunkt jeweils die Selbstzündungsgrenze erreicht hat. Angezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 823 217; deutsche Patentschriften Nr. 732 908, 465 849, 47e 6o5; ATZ. jg. 1939, Heft i;i S. 3i7.