DE956729C

DE956729C - Verfahren und Einrichtung zur Einbringung, Aufbereitung und Verbrennung von Leicht- und Schwerkraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE956729C
Application number: DEH2587A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Habil Eugen Wilhe Huber
Original assignee: HUBER EUGEN W DR ING HABIL
Current assignee: HUBER EUGEN W DR ING HABIL
Priority date: 1950-04-30
Filing date: 1950-04-30
Publication date: 1957-01-24

Description

Verfahren und Einrichtung zur Einbringung, Aufbereitung und Verbrennung von Leicht- und Schwerkraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, zur Einbringung, Vorausbereitung und Verbrennung von Leicht- und Schwerkraftstoffen in Verhrennungskraftmas.chi.nen m-it innerer Gemischbildung und eine zur Durchführung dieses Verfahrens dienende' Einrichtung und verfolgt dias. Ziel, i. den Kraftstoff vor seinem Eintritt in den Zylinder einem gerissen Aufspaltvorgang zu un@terzieheriund ihn damit zu verändern; 2. durch die erzielte Veränderung des Kraftstoffes bzw. durch die Einleitung dieses Vorganges in einem Motor mit Fremdzündung die Verbrennung minderwertiger oder schwersiedender Kraftstoffe zu ermöglichen; 3. in einem Motor mit Selbstzündung durch günstige Gestaltung des Brenngesetzes einen geringeren Druckanstieg als beim klassischen Dieselmotor zu erhalten; die Ansprüche an die Einspritzpumpe dadurch herabzusetzen, daß der notwendige Einspritzdruck wesentlich verringert wird.
Es i,st allgemein üblich, bei innerer Gemischbildung den Kraftstoff durch einen vom Pumpennocken gesteuerten Einspritzpumpenkolben unter Druck zu setzen, ihn über eine Leitung zu einer Einspritzdüse zu fördern und durch eine Düse offener oder geschlossener Bauart die Zerstäubung und Einbringung des Kraftstoffes in den Verbrennungsraum durchzuführen. Um verbrennen zu können, muß der Kraftstoff eine chemische und physikalische Aufbereitung und eine Vermischung mit dem Sauerstoff der Luft durchlaufen, wobei diese drei Vorgänge eine mehr oder minder lange Zeit beanspruchen, die häufig nicht in genügendem Maß zur Verfügung steht. Aus diesem Grund wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Aufbereitungszeit, die insbesondere bei hochsiedenden Kraftstoffen groß ist, dadurch zu verkürzen, daß man den Kraftstoff vor dem Eintritt in den Zylinder ganz oder teilweise verdampft.
So ist z. B. als einziges in Serie angewendetes Verfahren bekannt, den Kraftstoff im Zylinder auf eine glühende Schale aufzuspritzen. Das Verfahren ist aber auf langsam laufende, großvolumige Motoren beschränkt und erfordert einen frühen Einspritzzeitpunkt.
Abgesehen von Kra.ftstoffheizeinrichtungen, die durch Wärmezufuhr den Kraftstoff verdampfen und über vergaserähnliche Mischungseinrichtungen einbringen, hat man auch versucht, den Kraftstoff in einem Kraftstofflagerraum aufzuheizen, der vor oder hinter der Dosierungseinrichtung liegt, man hat mehrstufige Erhitzer gebaut, die teils von den Abgasen, teils vom heißen Gas im Verbrennungsraum aufgeheizt werden und hat zum Teil auch Kraftstoffheizraum und Dos.ierungs@ein-richtung als eine Einheit gebaut. Es ist auch bekannt, den Kraftstoff vor Einbringung zu erhitzen, mit einem Kolben Kraftstoffdampf einzublasen und mit einem anderen Kolben flüssigen aufgeheizten Kraftstoff nachzuschieben.
Es ist bekannt, daß bei Erhitzung von Kraftstoff in Anwesenheit von Luft eine rasche Bildung unerwünschter Reaktionsprodukte entsteht, und es sind' Einrichtungen bekanntgeworden, bei denen dem Kraftstoff unter Druck und unter LuftabschlUß Warme zugeführt wird, wobei der Kraftstoff auf kritischen Druck und kritische Temperatur gebracht werden sollte, und seine Wärmeenergie bei der Entspannung die Zerstäubung unterstützt. Zur Einhaltung der richtigen Kraftstofftemperatur sind Einrichtungen bekanntge,%vorden, die z. B. in einer Kraftstoffheizkammer durch Kühlrippen und Regelung der Wärmezufuhr für die Einhaltung einer bestimmten Temperatur sorgen sollen oder mit Hilfe einer Hilfsflüssigkeit bekannten Siedepunktes die Temperatur regeln sollen.
Diese Verfahren scheiterten daran, daß die als Kraftstoff verwendeten Kohlenwasserstoffe keine einheitlichen Stoffe sind, sondern Gemische, die einer Siedekurve gehorchen. Eine bekanntgewordene Aufheizung des Kraftstoffes durch die beiden beim Hindurchpressen durch enge Leitungen entstehende Reibungswärme allein und automatische Regelung der Wärmezufuhr nach Maßgabe der ausgeschobenen Kraftstoffmenge scheitert an der zu geringen, auf diese Weise zuführbaren Wärmemenge.
Den in diesen Rahmen gehörigen Versuchen sind die Nachteile gemeinsam, daß a) eine größere Menge Kraftstoff relativ längere Zeit der Einwirkung der Wärme unterliegt und wo dies nicht der Fall war, z. B. bei einem Einblaseverfahren, der Kraftstoff in Anwesenheit von Einblaseluft oder Mischungsluft erhitzt wurde; b) das Abspritzgesetz, d. h. der zeitliche Verlauf der austretenden Kraftstoffmenge von der Wärmezufuhr abhängt und nicht mehr in dein notwendigen oder gewünschten Maß von der Erhelbüng des Pumpenstempels allein gesteuert wenden kann.
Es ist weiter ein Verfahren bekanntgeworden, das nach dem Absteuern des Kraftstoffes durch eine normale Düse den Kraftstoff durch einen im Brennraum angeordneten Wärmetauscher aufheizt, wobei vorwiegend Kapillarspalte verwendet werden, durch die der Kraftstoff hindurchgepreßt wird. Die Wärmezufuhr verfälscht auch hier infolge der Zuführung nach dem Absteuern des flüssigen Kraftstoffes das wirkliche Abspritzgesetz und bedarf, weil die Aufheizung nur während der kurzen Eiiispritzzeit erfolgt, sehr hoher Temperaturen der Kapillarspalte, wobei die hohe Oberflächentemperatur, mit der der Kraftstoff in Beriihrung kommt, auch unerwünschte Veränderungen desselben auftreten läßt und durch die im Brennraum befindlichen Teile hoher Temperatur ein in vielen Fällen untragbarer Glühziindungsherd entsteht.
Demgegenüber vermeidet .das erfindungsgemäße Verfahren Nachteile der bisher bekanntgewordenen Lösungen und geht von der neuen Erkenntnis aus, daß die Vorgänge der Einbringung, Aufbereitung und Verbrennung nacheinander ablaufende Vorgänge sind, bei denen der Weg des Kraftstoffes und die Vorgänge im Kraftstoff erfindungsgemäß nach Abb. i wie folgt gesteuert werden: In bereits bekannter Weise wird nach Abb. i der Kraftstoff von dem in der Büchse a gleitenden Pumpenstempel b über Rückschlagventil c und Leitung d zum gesteuerten Austritt e gefördert und tritt in den Zylinder oder Brennraum fein, in dein der Arbeitskolben g die bei der Verbrennung frei «-erdende Energie in mechanische Energie umwandelt. Zwischen c und e befindet sich dabei eine Kraftstoffsäule, die bei jeder Einspritzung ein Stück vorwärts bewegt wird, wobei ein Kraftstoffpfropfen h der Kraftstoffsäule entnommen und in den Brennraum f eingebracht wird.
Erfirndungsgemäß wird nun nur jeweils dieser Kraftstoffly-fropfen, der kurz vor dem Austritt aus der Düse steht, aufgeheizt, wobei dieser Kraftstoffpfropfen in der Größenordnung der für ein Arbeitsspiel benötigten Kraftstoffmenge entspricht.

Neu ist dabei @veiteiJhin, daß die Erhitzung mindestens soweit durchgeführt wird, wie sie zur Einleitung eines Spaltvorganges unter Luftabschluß notwendig ist, d. h., von den ineinander übergehenden Vorgängen der Einbringung und der Aufbereitung wird mindestens ein Teil der chemischen Aufbereitung bereits während der Einbringung durchgeführt, wobei die eingeleitete Aufspaltung des Kraftstoffes während der nachfolgenden Aufbereitung, Vermischung und Ver-

brenn.ung im Brennraum des Motors fortgesetzt

wird. Die vor der Einbringung durchgeführte

Wärmezufuhr an den Kraftstoff ergibt in an sich

bekannter Weise durch das Freiwerden der inneren

Energie bei der Druckabsenkung im Verbrennungs-

raum eine erwünschte Unterstützung der mecha-

nischen Zerreißung des Kraftstoffes in kleine

Teilchen.

Entscheidend ist dabei, daß der zeitliche Verlauf

des Kraftstoffaustrittes aus der Düse, wie er durch

das Erhebungsgesetz des Pumpenförderkolhens

unter Berücksichtigung der Druckausbreitung in

der Leitung gegeben ist, d. h. das Abspritzgesetz,

nicht durch die Wärmezufuhr verändert wird. Dies

ist dadurch gewährleistest, daß die am Düsenende

zu steuernde Kraftstoffsäule auch während der Er-

hitzung des letzten Teiles derselben flüssig bleibt

und keine Dampfblasen auftreten. Das Auftreten

von Dampfblasen wird in an sich bekannter Weise

dadurch vermieden, daß der Druck, unter dem die

Kraftsäule steht, stets höher sein muß als der

Dampfdruck des Kraftstoffes. Erfüllt wird diese

Forderung wieder dadurch, daß nur ein sehr

kleiner Teil der Kraftstoffsäule kurzzeitig aufge-

heizt wird, dabei durch beginnende Luftabschei-

dung die Kraftstoffsäule etwas elastischer wird

und dadurch auch zwischen zwei Einspritzungen

ein über dem Dampfdruck liegender Druck in der

Kraftstoffsäule erhalten bleibt.

Dieser, die erfindungsgemäße -'-Ausbildung mit-

bestimmende Vorgang ist gekennzeichnet durch die

aus entsprechenden Versuchen gewonnene Er-

fahrung, wonach der Kraftstoff eine gewisse Menge

Luft in Lösung hält.

Alle Flüssigkeiten -enthalten eine bestimmte

Menge atmosphärischer Luft gelöst. Das Vermögen,

Luft in Lösung zu halten, nimmt ab mit steigender

Temperatur und nimmt zu mit steigendem Druck.

Wird das Lösungsvermögen für Luft in einem

Zustandspunkt des Kraftstoffes, gegeben durch

Druck und Temperatur, überschritten, dann scheidet

sich die Luft aus, und zwar in Form kleinster

Bläschen, Diese Bläschen schließen sich, wenn Zeit

,genug vorhanden ist, zu größeren Luftblasen zu-

sammen, die die bekannten Störungen in Kraft-

stoffleitungen und Einspritzpumpen hervorrufen.

Durch geeignete zeitliche Begrenzung dieses Vor-

ganges ist es möglich, die Luftausscheidung auf

die Form zu begrenzen, in der nur feinstverteilte,

mikroskopische Luftbläschen vorhanden sind und

der in der Leitung bzw. in der Düse vorhandenen

Kraftstoffsäule zwar die Eigenschaften einer

Flüssigkeit erhalten, dieser Flüssigkeit jedoch im

Gegensatz zu einer reinen Flüssigkeit in physi-

kalischem Sinne, die vollkommen unelastisch ist,

eine gewisse Zusammendrückbarkeit verleihen.

Dies Elastizität der Flüssigkeitssäule zwischen

I.'umpens:tempel bzw. Rückschlagventil und Düsen-

austrittsöffnung bzw. -duerschnitt ist deshalb not-

wendig., um einerseits die Kraftstoffmenge und das

Einspritzgesetz exakt steuern zu können, anderer-

seits trotzdem diese Flüssigkeitssäule auf einem

gewissen Druckniveau halten zu können.

Der Druckverlauf in :einer Einspritzleitung, in

der zwischen zwei Einspritzungen ein Vordruck

erhalten :bleibst, ist in Abb. a mit der Reproduktion

einer Oszillographenaufnahme wiedergegeben.

Aus dem Vorgesagten ergibt sich weiterhin die

Forderung, daß keine örtlich zu hohe Temperatur

auftritt und die Beheizung des Kraftstoffes für

Teillast und Vollast innerhalb geringer Grenzen

annähernd gleichgehalten wird.

Diese Forderung wird bei der Erfindung da-

durch erfüllt, daß durch die Abstimmung der

wärmeaufnehmenden Oberfläche des, Heizraumes,

der :den kleinen Kraftstoffpfropfen aufheizt und

der seine Wärme aus der Verbrennungswärme des

vorhergegangenen Arbeitsspieles entnimmt, in

einem von Fall zu Fall zu ermittelnden Verhältnis

steht zu der wärmeabgebenden Fläche desselben

Raumes, der mit dem aufzuheizenden Kraftstoff-

pfropfen in Berührung steht. Außerdem ist dabei

die Wärmekapazität -der Ummantelung des Kraft-

stoffheizraum.es von Fall zu Fall so zu bemessen,

daß dessen Wärmekapazität ausreicht, um die ge-

wünschte Temperatur trotz Abkühlung durch die

einströmenden kalten Frischgase zu halten.

Entsprechend den*vorerwähnten Gesichtspunkten n

ergibt sich die praktische :@usfü'hrung einer in an

sich bekannter Weise zu einem einzigen Bauteil

vereinigten Kraftstoffdosierungs- und Aufberei-

tungseinrichtung, bei der :die Forderung der gas-

seitigen Oberflächengröße in an sich bekannter

Weise durch Anordnung von Rippen, Nuten.

Wülsten u. dgl. erzielt und die Anweisung befolgt

wird, wonach nur der unmittelbar vor der Ein-

spritzung stehende Pfropfen aufgeheizt werden

darf, dadurch, daß der Aufbereitungsraum der in

offener oder geschlossener Bauweise ausgeführten

Düse als Raum mit :großer Oberfläche mit beson-

derer Ausdehnung in der Strömungsrichtung aus-

',bildet ist.

Z g'

Aus dem vorstehenden Erfindungsgedanken er-

gibt sich für die praktische Ausführung ferner, daß

der Steuerquerschnitt der offenen oder ge-

schlossenen Düse, in Strömungsrichtung des Kraft-

stoffes gesehen, nach dem Aufhereitungsraum ange-

ordnet werden muß.

Zur Beherrschung des Abspritzgesetzes ergibt

sich weiterhin, daß der Aufbereitungsraum bis an

die Kraftstoffaustrittsstelle reichen muß.

Ferner ergibt sich aus dem Vorgesagten für die

praktische Ausführung, daß die 'lasse der Um-

mantelung des Aufbereitungsraumes so groß sein

muß, daß sie trotz der Abkühlung durch ein-

strömende Frischladung mindestens die zur er-

findungsgemäßen Aufbereitung der Kraftstoff-

menge eines Arbeitsspieles erforderliche Wärme-

menge zu speichern vermag.

Schließlich kann in Ausgestaltung der Erfin-

dung noch die zum Anfahren und gegebenenfalls

für Teillastbetrieb mit sehr kleiner Last erforder-

liche Wärme in an sich bekannter Weise auch

durch eine Heizspirale aufgebracht werden.

Als Beispiel, wie eine dem Erfindungsvorschlag

gemäße Einspritzdüse ausgeführt werden kann,

zeigt Abb. 3 eine offene Düse mit relativ kleinem

Strahlwinkel, Abb. 4 eine solche mit relativ großem

Strahlwinkel, wie er zur Verteilung in flachen

Brennräumen notwendig ist. Durch Federbelastung

des Innenkörpers ist die Bauart nach Abb.3 irn

Prinzip selbstverständlich auch als geschlossene

Düse auszuführen.

In Abb. 3 und 4 sind mit i die Heizrippen, mit 2

der Düsenheizkörper, mit 3 der Innenkörper oder

die Düsennadel, mit 4 der Kraftstoffaufbereitungs-

raum Mit großer Ausdehnung in der Strömungs-

richtung, abgestimmter Oberfläche und einen

Inhalt in der Größenordnung der je Arbeitsspiel

benötigten Kraftstoffmenge bezeichnet.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung einer

Einspritzdüse, d ie gleichzeitig eine Voraufbereitu.ng

des Kraftstoffes vornimmt, ist entgegen allen bis-

her bekannten Ausführungen eine einfache, be-

triebssichere Ausführung der Einspritzdüse mög-

lich, die in gleicher Weise in den Brennraum ein-

geschraubt werden kann wie die bisher verwendeten

Düsen, die .das Ab:spritzgesetz vollkommen zu be-

herrschen .gestattet und dazu durch Vorwegnahme

mindestens eines Teiles der Voraufbereitung des

Kraftstoffes eine freizügigere Wahl des Ver-

brennungsverfahrens und bei Fremdzündung die

Verwendung hochsiedender oder minderwertiger

Kraftstoffe und bei Selbstzündung die Steuerung

des Brenngesetzes bzw. des Druckanstieges

gestattet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Einbringung, Aufbereitung und Verbrennung von Leicht- und Schwer- kraftstoff en in Brennkraftmaschinen mit innerer Gemischbildung und Selbst- oder Fremdzün- dung, bei welchem dem Kraftstoff unter Druck in einer Heizeinrichtung Wärme aus dem vor- hergehenden Arbeitsspiel zugeführt wird, der Kraftstoff von einer Einspritzpumpe über eine Druckleitung und eine Einspritzdüse gefördert wird, welche mit der Heizeinrichtung zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt ist, dadurch gekennzeichn,-#t, daß von der zwischen Ein- spritzpumpenstempel und Kraftstoffaustritt be- findlichen Kraftstoffsäule nur während eines Arbeitsspieles und nur jeweils eine solche, kurz vor dem Austritt aus der Düse stehende Menge erhitzt wird, wie sie etwa für ein Arbeitsspiel gebraucht wird, und die Erhitzung so weit durchgeführt wird, wie sie zur Einleitung eines Spaltvorganges unter Luftabschluß für die nachfolgende Verbrennung benötigt wird, wo- bei die Steuerungsmöglichkeit des Abspritz- gesetzes aus dem Verlauf des Pumpenhubes da-

durch ermöglicht wird, daß das Ende der Kraftstoffsäule durch beginnende Verminderungdes Luftlösungsvermögens etwas elastischer wird, Luftabscheidung und Dampfblasenbildung aber durch die Aufrechterhaltung eines Vordruckes und durch die kurze Zeitspanne, in der die zugeführte Wärme auf das Ende der Kraftstoffsäule einwirkt, unterbunden ist, und die Regelung der Kraftstofftemperatur je nach ,der Einspritzmenge in gewissen Grenzen dadurch erfolgt, daß die wärmeaufnehmende Oberfläche des letzten Teiles der Kraftstoffsäule und die aus dem heißen Gas des vorhergehenden Arbeitsspieles Wärme aufnehmende Oberfläche der Heizeinrichtung sowie deren Masse aufeinander abgestimmt sind.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, bei der Dosierungsorgan und Heizeinrichtung zu einer Einheit zusammengebaut sind, welche einen Kraftstoffaufbereitungsraum besitzt, wobei die dem Gas zugewendete Oberfläche der Heizeinrichtung durch Rippen, Nuten, Wülste w. dgl. vergrößert sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbereitungsraum als Raum großer Oberfläche mit besonderer Ausdehnung in der Strömungsrichtung ausgebildet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch :2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerquerschnitt der Düse, in Strömungsrichtung des Kraftstoffes gesehen, nach dem Aufbereitungsraum arngeordnet ist. .
Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbereitungsraum bis an ,die Kraftstoffaustrittsstelle der Düse reicht.
5. Einrichtung nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Ummantelung des Aufbereitungsraumes so groß ist, daß sie trotz der Abkühlung durch einströmende Frischgase mindestens die zur erfindungsgemäßen Aufbereitung der Kraftstoffmenge eines Arbeitsspieles erforderlicheWärmemenge zu speichern vermag.
6. Einrichtung nach Anspruch i bis 5 oder einem oder einigen derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse mit einer Heizspirale versehen ist, die zum Anfahren und gegebenenfalls zum Teillastbetrieb dient. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften N r. 192 625, 374 879, 502 417, 536 391, 555 737, 679 314, 905 902: österreichische Patentschriften N'r. 37 741, 1i4306; französische Patentschrift N r. 889 129.