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Verfahren und Vorrichtung zum Einspritzen von Zusatzstoffen in Dieselmotoren
Bei schnell laufenden Dieselmotoren besteht die Schwierigkeit, den Verbrennungsvorgang
in dem Weise zu steuern, daß übermäßige Spitzendrücke und ein zu 'harter Gang des
Motors vermieden werden. Die Erfindung bezweckt, @die Gangruhe eines Dieselmotors
zuerhöhen und die Verbrennung dahingehend zu beeinflussen, daß eine anfänglich zu
schnelle Reaktion vermieden wImd zugunsten eines schnelleren Abschlusses der Verbrennung.
Während bisher in D:ieselmotoiren der Ve hrennwngsverlauf seine höchste Geschwindigkeit
zu Beginn der Verbrennung hat, wird angestrebt, die höchste Brenngeschwindigkeit
möglichst weit nach dem Ende der Verbrennung hin zu verschieben. Die Erfindung geht
dabei von folgender Erkenntnis aus.: Um ein schnelles Zünden dies eingespritzten
Brennstoffes zu erreichen, ruß bei Dieselmotoren ein Stoff mit einer hohen Zerfallneigung
benutzt werden. Der Zerfall findet dabei um so, schneller statt, je höher die Temperatur
ist, auf die der Brennstoff erwärmt wird. Während bes einem genügenden Mischungszustand
zwischen Luft und Brennstoff dieser Zerfall zu einer Zündung führt, erleidet das
B!rennstoffmolekür bei ungenügender Mischung, d. h. bei Sauerstoffmangel in der
Nähe der erhitzten Brennstoffmoleküle, Veränderungen vermutlich der Art, daß sich
der Wasserstoff aus dem Molekülverband löst und dadurch kohlenstoffrei;chere Moleküle
entstehen, die wesentldeh reaktionsträger s,ind als ,das Ausgangsprodukt.
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Man kann auch vermuten, daß durch einen Aufheizungsvorgang bei mangelnder
Mischung Vorreaktionen aiblaufen, durch die eine weitere Reiaktion in Bahnen geleitet
wird, diie eine übermäßig
schnelle anfängliche WäTmeentrovicklung
.bei langsumem Naohbmennen reaktionsträger Reste hervorrufen, so wie es in der heutigen
schnell laufenden D,ieseltmasclhine zu beobachten isst.
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Die reute für die Dieselmaschine zur Verfügung stehenden Brennstoffe
höherer Cetanzahl sind: wohl geeignet, genügend kleine Zümdverzüge zu erzeugen,
nicht aber geeignet, die verbrennurngstechndsehen Möglichkeiten des Dieselverfahrens
auszunutzen, die in einer thermodynamisch günstigen Steuerung der Verbrennungsgeschw@in,d-igkeit
liegen. Wenn die Reaktion angelaufen ,ist, dann ist man nicht mehr in der Lage,
wesentliche Korrekturen am Ablauf der Reaktion ,durch die. Gemischbildungsorgane
vorzunehmen; die Verbrennung läuft so: aib, wie -es der Eigenart des Brennstoffes
gefällt.
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Selbst wenn ,es igelänge, :durch die Einsp#rntzvorrichtung die Brennstoffzufuhr
und Vermischung mit ider Verbrennun@g.sluft in einer geeigneten Gesetzmäßigkeit
stattfinden zu lassen, würde ein gvwün@schteT gesteuerter Verhrennungsverlauf nicht
entstehen. Denn reit Einsetzender ersten Zündung ist ,eine erhebilIohe Temperatu:rerhöhunb
ä.m Br.en:nraum verbunden. Die Folge .davon ist eire weitere Erhöhung,dier Geschwindigkeit,
mit :der die ohie-miischen Vorgänge ,ablaufen. Die physikalischen Vorgänge, vor
allem der Miechungsvorgan!g, werden durch die Erhöhung der Temperatur nur weniiig
beschleunigt. Im Verhältnis zu ,dar physikalischen Mischungsverzug wird also mit
wachsender Temperatur dier chemische Verzug bis zum Eintritt von Vomreaktionen :immer
kleiner. Die Gefahr also-, daß Vorreaktionen der Art eintreten, wie sie für mangelnde
Vermischung charakteristisch sind, wird mit dem weiteren Verlauf der Verbrennung
.infolge der -stark anwachsenden Temperatur immer größer.
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Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, in dien zeitlichen
Ablauf dieser Vorgänge .in der Weise einzugreifen, daß die Zerfallneigung des Brennstoffes
wohl zur Zündung benutzt wird, nicht aber ihren ungünstigen Einfluß auf den weiteren
Verlauf der Verbriennung ausüben kann.
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Durch Kühlung in einem erntspirechendien Zeitpunkt sohl vermieden.
werden, daß die noch nicht reagierten Brennstoffteile unzulässig überhitzt verdien,
wodurch ihnen die Möglichkeit gegeben wird, dien physikalischen Mischungsvorgang
ohne thermischen Zerfall zu itb@erwindien.
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Dieser zeitlich gesteuerte Aufschub für die Erhitzung,des Brennstoffes
kann nun in verschiedener Weise vorgenommen werden.
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Eis ist möglich, den physikalischen Mischungsvorganig :beträähtlich
zu beschleunigen, jedocih untrer Benutzung nicht der heißen Luft im Brennraum, sondern
von kühler Luft, ähnlich wie _ es bei der Luftei:nbilasiung der früheren Dieselmasthine
der Fall war. Andererseits läßt sich die Kühilung herbeiführen, indem Gase in den
Zylinder eingeführt werden oder Flüssigkeiten, die eine hohe Verdampfungswärme besitzen.
Es i!st beispielsweise bekannt, daß Wasser bzw. ein Wasser-Meth@anol-Gemi:sch in
dieser Beziehung eine hervorragende Wirkung aufweist. Demgemäß besteht die Erfindung
darin, da.ß zeitlich vor, während oder nach der BTennstoffeinspri.tzung mdier zwischen
Teileinspritzungen von Brennstoff ein Zusatzstoff, z. B. Wasser, Wasserm.ethanol
oder Wasserstoffsuperoxyd, .in den Zyl.indier eingespritzt -#vimd., der eine örtliche
Kühlung des Zylinderinhaltes und dadurch eine Verzögerung des thermisclhlen Zerfallis
der Kraftstoffmoleküle bewirkt.
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Zweckmäßig wird zunächst eine kleine BTennstoffmenge :in den Zylinder
-eingebracht, dis zu, einer schnellen Überwindung des Zündverzuges unter Benutzung
der möglichst hohen Temperaturen der Verbrennungsluft dient. Im Anschluß an diese
Voreinspritz-ung erfolgt die Einspritzung beispielsweise vom Wasser bzw. Wassermethanol,
1väb;rend auf die, Wessermethanoleinsp.rntzwng die Hauptbrennstofmenge in den Zylinder
eingebracht wird. In diesem zeitlichen Ablauf können Änderungen in der Weise auftreten,
.daß sich die Wassereinspritzung j e nach der Art des Brennstoffeis und nach ,der
Bineninir-aiumgestaltunig .des Motors und seiner Schnelläufigkeit an die Spitze
der gesamten Einsp,ritzumg schiebt oder die Einspriitzung in beliebiger Weise teilt
und sogar runter Umständen an ihr Ende zu liegen kommt.
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Gegenüberr der bekannten Einführung des Zusatzeinsp,ritzxnittels während
des Saugihübes vermeidet dieses Einspritzverfahren, d@aß die Kühlung der Verbrennungsluft
durch die Verdampfung des Zusatzeins.p#ritzmittels schon während der Verdichtung
wirksam wird und dadurch das gesamte Temperaturniveau der Ladung abgesenkt -#vi#rd.
Dadurch würden größere Zündverzüge auftreten und der Zweck, die Verbrennung vor
allem anfänglich weicher zu gestalten, verfehlt. Durch die erfindungsgemäße Einspritzart
wird die Kühlung im gegebenen Zeitpunkt auf die Zonen beschränkt, in denen sich
der Brennstoff gerade befindest.
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An Stelle von Wasser können auch Flüssigkeiten verwendet werden, die
Sauerstoffträger sind (H2 02) und diie eine bedeutende Abkürzung des Mischungsverzuges
durch ,unmittelbare Anlagerung des S,awerstoffes an dein Brennstoff ermöglichen.
Es lassen sich aber auch beispielsweise Luft oder andere Gase sin die Brennstoffleitung
einführen, ohne den Einspriitzvoirgang als solchen zu stören. Denn trotz .dieser
Luftüinführung bleibt dine. Einspritzung regelmäßig, da, sich der dafür wesentlnc@he
Füllungsvorgang dier Brennstoffpumpe ganz unaibhängig von ,der Lufteinführung abspielt.
Die B,rennstoffeinsp,nitzpumpe hat nun allerdings auch die Verdichtungsarbeit für
die Luft in -d-er Brennstoffleitung aufzubringen, was aber andererseits durch die
Expansion der Luft in der Düsenmündung.eine weit größere Vertei@lwngslenergie an
diel Düse verfügbar smacht. Die Luft in der Brennstoffleitung erfiihrtbei Beginnader
Einspritzung eine sehr starke Verdichtung, ohne jedoch infolge der starken Abkühlung
diurch die Wandlung .eine wesentliche TemperatuTerhöhung zu erfahren. Bei ihrer
Expansion in d!er Mündung wird somit einesteils die Zerstäubung dies Brennstoffies
wesentlich verbessert,
arndiererseits durch die starke Temperatursenkung
der Luft bei der Expans,ica eine örtliche Kühlung herbeigeführt.
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Die Durchführung der Erfindung sieht nun vor, d:aß vorhanden shi-n:d:
i. Zwei Pumpen und zwei Düsen, nämlich eine Wasserei:nspritzpumpe mit Düse und eine
Br@ennstoffeinspr:itzpumpe mit Düse, oder 2. eine gemeinsame Einspritzdüse, die
jedoch von zwei Pumpen, die wie die üblichen Einspritzpumpen inbermittierend arbeiten,
bedient wird, teils mit Zusatzstoff, teils mixt Brennstoff, oder 3. eine Einspritzpumpe
für den Brennstoff und Zusatzstoff, wobehi eine kontinuierlich arbeitende Zubringerpumpe
bzw. ein Druckbehälter für den Zusatzstoff diesen zur Einspritzdüse fördert.
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Die Arbeitsweise der unter i und 2 genannten Anordnungen ist verständlich
durch dien Zweck, den @die Anordnungen gemäß der vorhandenen Erklärung haben sollen.
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Dias im folgenden beschriebene Ausführuingsbeispiel erläutert deshalb
die unter 3 genannte Anordnung. Es zeigt Fig. i eine- scheimati-scihe Anordnung
der konstruktiven Ausführung der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt gemäß A-B der Fihg.
i, Fig. 3 eine Ausführung für eine kleine Vorspritzmenge, Fig. 4 einte Ausführung,
bei welcher der Zusatzstoff in den Düsenvorraum eingeführt wird, und Fig. 5 eine
andere Ausbildung des Entlastungsventils, bei der die Menge des Zusatzstoffes in
Ab-
hängigkeit von der eingespritzten Brennstoffmenge geregelt wird.
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Mit i ist die Brennstoffein.spritzpumpe bezeichnet, ideren
Kolben 2 den Brennstoff durch das Entlastungsventil 34 nach der Rrenustoffleitung
5 fördert. Der zylindrische Teil 4. am Ventilkörper 3 des Entlastungsventils 34
trennt die Brennstoffleitung 5 von dem Saugraum 33 der Pumpe i, bevor der Ventilkörper
3 auf seinem Sitz aufsitzt. Es ist auch eine Ausführungsart .des Ventils 34 denkbar,
bei der der zylindrische Teil 4. auf der Seite des Puimpenraurnes liegt und die
Dichtung geigenüber der Brennstoffleitung 5 oberhalb. 4 duirdh eine konische Erweiterung
von 4 stattfindet. Um das von dem zylindrischen Teil 4 verdrängte Volumen wird @die
Brennstoffleitung 5 am Ende der Einspritzung @entlastet. Am Ventilkörper 3 sitzt
ein zylindrischer Zapfen 24, der einen Ansehliag 25 des Pumpenkolbens berühren kann.
6 ist der Düsenkörper mit der Düsennadel 7. Vom der Brennistoffleitunig 5 gelangt
der Brennstoff durch einen ringförmiigen Kanal 8 und einte Bohrung9 in den Düsenvorraum
io. Der ringförmige Kanal 8 ist durch zwei Verscihlüsse i i und 12 teilweise abgeschlossen,
wod,urch ein Teil des ringförmigen Kanalfis tot liegt. Eine unter Überdruck stehende
Leitung 13 für den Zus@atzs-toff ist über die Leitung 14 und das Rückschlagventil15
an den Brennstoffkanal 8 angeschlossen. Mit der Brennstoffleitung 5 ist ein Ausgleichzylinder
21 verbunden, dessen Volumen durch Verstellung des Kolbens 22 mittels der Schraube
23 verändert lverden kann. In Fig. 3 bedeutet 18 einen ringförmigen Kanal, der bei
19 in die Bremistoffl.eitung 9 mündet und über eine 2o mit dem Düsenvorraum io verbrunden
ist.
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In Fig. 4. taucht ein zylindrischer Zapfen 16, der an der Düsennadel
7 sitzt, in eine Bohrung 17 im Düsenkörper 6 ein. Der Düsenvorraum wird dadurch
in die beiden Teile io und ioo geteilt. Die Bohrung i4o dient der Zuführung des
Zusatzstoffes zum Vorraum io.
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In Fig. 5 b@es-itzt der Ventilkörper 3 eine Verlängerung 26, die an.
ihrem unteren Ende einen Vierkant trägt. Dieser gleitet in einem Vierkantloch
30 eines Gleitstückes 27, das fest mit dem Kolben 2 verbunden ist und eine
Verdrehung des Ventilkörpers 3 bewirkt, wenn der Pumpenkolben2 zwecks Regelung der
Einspritzmenge gedreht wird. Die Förderbewegung dies Pumpenkolbens 2 bleibt ohne
Ei@nfluß auf dien Ventilkörper 3, da, der Ramm 3o unterhalb- des Vierkants durch
eine Bohhrung 31 entlastet ist. Die untere Kante 29 des zylindrischen Teiles, 4
des Ventilkörpers 3 liegt schräg zur Mittelachse. In dem Entlastungsventilgehäuse
34 befindet s:i@cih eine schräge Nut 28, durch die der Beginn des Entlastungsvorganges
gesteuert ist.
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Die Vorrichtung arbeitet nun folgendermaßen: Wenn am Ende der Einspritzung
der Druck in der Einspritzpumpe i sinkt, beginnt das Entlastungsventil 34 zu schließen,
und der zylindrische Teil 4 des Ventilkörpers 3 saugt aus der Brennstoffleitung
5 ein seinem Querschnitt und seinem Wege entsprechendes Volumen zurück. Damit fällt
der Druck in der Einspritzleitung 5, und die Düse 6, 7 .schließt ab. Üblicherweise
ist das Entlastungsventil 34,so bemessen, daß gerade noch ein kleiner Überdruck
in der Brennstoffleitung 5 verbleibt. Erfindungsgemäß ist jedoch das von dein Entlaistungskolb:en
3 zurückgesaugte Volumen viel größer, so d@aß sich ein Hohlraum bilden müßte, wenn
nicht das Rückschlagvent.il 15 in der Zusatzstoffleitung 14 sich öffnete und der
unter Druck in den ringförmigen Kanal 8 einströmende Zusatzstoff den Brennstoff
in Richtung auf .die Pumpe i zurückschöbe. Der in der Bohrung 9 bzw. im Düsenvorraum
io befindliche Brennstoff wird von dem Vorgang nicht berührt. Beim Saughub der Pumpe
i ,saugt das als Saugkoil.ben ausgebildete Entlastungsventi14 einen Teil des Brennstoffes
aus der Düse zurück, wobei im Ringraum io Brennstoff verbleibt. Durch den Unterdruck
wird Zusatzstoff aus der Leitung 14 angesaugt, wobei zur Beschleunigung des Vorganges
die Leitung 13 bzw. i4 unter Druck gesetzt ist. Im Druckhub ,des Kolbens wird der
Reihe nach dier Brennstoff im Raum io, dann der angesaugte Zusatzstoff und schließlich
die Hauptbrennsto@ffmenge d urch die Pumpe 1, 2 einsgespritzt, .die hierbei für
beide Stoffe den Einspritzdruck liefert.
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Der Zusatzstoff wird nun der Brennstoffleitung an einer solchen Stelle
und in einer solchen Menge zugeführt, daß beim folgenden Einspritzvorgang die gewünschte
zeitliche Einspritzfolge von Brennstoff und Zusatzstoff erreicht wird. Will man
eine kleine Vorspritzmengeerzielen, dann Biegt die
Einführung des
Zusatzstoffes in der Nähe des Vorraumes io, bei Vorausspritzung unmittelbar im Vorraum
io. Die Menge des eingeführten Zusatzstoffes hängt ab von der Größe der zusätzlichen
Entlastung durch das Entlastungsventil 34 und ist ausschlaggebend für die zeitliche
Verzögerung zwischen Voreinspritzung und- Haupteinspritzung. Die Fördermenge der
Einspritzpumpe i muß dabei um die Menge des zwischengelagerten Zusatzstoffes vergrößert
werden; durch die Wirkung des Entlastungsventils 34 wird jedoch der Teil, der der
Menge des Zusatzstoffes entspricht, durch den Schließvorgang des Entlastungsventils
34 in die Pumpe i zurückgeschoben.
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Um eine saubere und reproduzierbare Trennung zwischen Brennstoffvoreinspritzung,
Zusatzstoff und Haupteinspritzung zu haben, muß die Leitungsführung eindeutig sein.
Zu diesem Zweck ist beispielsweise der ringförmige Kanal 8 durch zwei Verschlüsse
i i und 12 einseitig verschlossen und teilweise totgelegt (Fig.2), so daß der bei
9 (Fig.2) eintretende Zusatzstoff den Brennstoff nur in Richtung auf die Brennstoffleitung
5 verdrängen kann.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführung für eine kleinere Vorspritzmenge. Der
Zusatzstoff tritt durch die Bohrung 140 in den Ringkanal 18 ein und gelangt bei
ig in die Brennstoffbohrung B. Der in der Verbindungsbohrung ao und in dem Vorraum
io befindliche Brennstoff wird von dem in der Bohrung 9 befindlichen getrennt und
bildet die Vorspritzmenge. Das Rückschlagventil 15 befindet sich an der gleichen
Stelle wie vorher.
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Fig. 4 gibt ein Beispiel für die Einführung des Zusatzstoffes in den
Düsenvorraum io an. Die Bohrung 140 geht bis in den Vorraum io. Die Düsennadel 7
besitzt einen zylindrischen Zapfen 16, der in eine Bohrung 17 um einen kleinen Betrag
eintaucht und die sehr kleine Vorspritzmenge im Teil ioo während des Zurückschiebens
des Brennstoffes vor Vermischung bewahrt. Wird der zylindrische Teil 16 der Düsennadel
fortgelassen, so wird der Zusatzstoff vorgelagert. Der Vorraum io wird zweckmäßig
kleiner ausgeführt als bisher üblich, um kleine Vorspritzmengen zu .erreichen.
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Die Menge des Zusatzstoffes ist erfahrungsgemäß nicht nur von dem
Querschnitt und dem Hub des zylindrischen Teiles 4 des Entlastungskolbens 3, sondern
auch bis zu einem gewissen Grade von der Einspritzmenge, dem Einspritzdruck und
der Drehzahl abhängig. An die Brennstoffleitung 5 ist zum Ausgleich ein Ausgleichzylinder
21 angeschlossen, dessen Volumen durch den Kolben 22 geändert werden kann. Bei kleinen
Einspritzdrücken wird das Volumen vergrößert und damit das zur Entspannung der Brennstoffleitung
erforderliche Volumen auf den gleichen Wert gebracht wie bei hohem Druck und kleinem
Leitungsvolumen. Die Vorrichtung dient damit auch zur Anpassung an die verschiedenen
praktisch vorkommenden Leitungslängen. Zur Regulierung der Vorrichtung ist eine
Schraube 23 vorgesehen, die entweder von Hand oder durch die Füllungsregelung der
Einspritzpumpe betätigt wird. Auch eine unmittelbare Beeinflussung der Stellung
des Kolbens 22 durch den mittleren Druck in der Brennstoffleitung 5 ist möglich.
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In manchen Fällen ist es erforderlich, die Menge des Zusatzstoffes
in Abhängigkeit von der eingespritzten Brennstoffmenge zu regeln. Dazu dient eine
Ausbildung des Entlastungsventils 34 gemäß Fig. 5. Der Ventilkörper 3 läßt sich
hier mit dem Pumpenkolben 2 drehen. Die untere Steuerkante 29 des zylindrischen
Teiles 4 des Entlastungskolbens 3 ist schräg und besitzt die gleiche Neigung wie
die Nut 28 im Ventilgehäuse 34. In der gezeichneten Stellung wird das größtmögliche
Volumen aus der Brennstoffleitung 5 zurückgesaugt, was zu einer entsprechend großen
Menge des Zusatzstoffes führt, da die gesamte Höhe des zylindrischen Teiles zur
Wirkung kommt. Wird der Entlastungskolben 3 nunmehr beispielsweise um i8o° gedreht,
so tritt der zylindrische Teil 4 erst dann in Wirksamkeit, wenn die Kante 29 bei
32 die Schrägnut 28 abschließt. Durch beliebige Formgebung der Kante 29 im Verhältnis
zur Schrägnut 28 läßt sich nun die Menge des Zusatzstoffes im Verhältnis zur Brennstoffmenge
verändern. Es ist auch möglich, die Drehung des Entlastungskolbens 3 von außen vorzunehmen,
wenn eine beliebige Veränderung der Menge des Zusatzstoffes erwünscht ist.
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Zur Durchführung des beschriebenen Einspritzvorganges ist nicht unbedingt
ein Ventil 34 mit einem Entlastungskolben 3 erforderlich. Wenn beispielsweise der
Ventilkörper 3 einen zylindrischen Zapfen 24 hat, der den Anschlag 25 des Pumpenkolbens
2 berührt, so hält der letztere im oberen Teil seines Hubes das Ventil 34 offen.
Während des ersten Teiles des Saughubes des Kolbens 2, vor allem in der Periode,
in der die Überström- und Saugbohrungen in der Pumpe geschlossen sind, kann dadurch
die gewünschte Menge des Brennstoffes aus der Brennstoffleitung zwangläufig zurückgesaugt
werden, die dann durch den Zusatzstoff ersetzt wird. Die oben beschriebene Vorrichtung
kann auch mit einem Entlastungsventil zusammen arbeiten, indem dann der Entlastungsvorgang
durch den Kolben am Ventil durch die Geschwindigkeit des Pumpenkolbens beim Beginn
des Saughubes bestimmt wird.