DE2610690A1

DE2610690A1 - Brennkraftmaschine mit einer vorrichtung zum zufuehren von brennstoff

Info

Publication number: DE2610690A1
Application number: DE19762610690
Authority: DE
Inventors: Allan Victor Little; Ronald Albert Wilkinson
Original assignee: LITTLE ANNA
Current assignee: LITTLE ANNA
Priority date: 1975-03-14
Filing date: 1976-03-13
Publication date: 1976-09-23
Also published as: US4168685A; CA1042294A; GB1547251A

Description

Dipl.-Ing. H. Sauerland ■ Dr.-Ing. Π. König . Oipl.-Ing. K. Bergen Patentanwälte · 4ddo Düsseldorf 30 · Cecilienallee 76 ■ Telefon 435732.*^

12. Harz 1976 30 672 B

Ronald Albert Wilkinson, 7 Balcombe Street,

Mornington, Victoria (Australien)

Anna Little, 2 Shadwell Street, Cheltenham, Victoria (Australien)

"Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Zuführen von Brennstoff"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Zuführen von Brennstoff.

Die zunehmende Beteiligung von Kraftfahrzeugen an der Umweltverschmutzung hat zu umfangreichen Untersuchungen hinsichtlich der Kontrolle und Zusammensetzung der Abgase der benzinbetriebenen Brennkraftmaschinen geführt. Die mangelnde Kontrolle der chemischen Reaktionen während des Verbrennungsablaufs hat auf Seiten der Automobilhersteller zu Hilfsmaßnahmen geführt_o Es ist seit langem bekannt, daß bei schneller Erhöhung der Leistungsabgabe während der normalen Fahrt auch eine Erhöhung im Brennstoff-Luft-Verhältnis auftritt.

Das Brennstoff-Luft-Verhältnis (Gemischanreicherungsgrad) ist zu jeder Zeit in erster Linie von der Ausbildung der Brennstoffzuführeinrichtung abhängig. Die Kontrolle über die chemischen Reaktionen ist jedoch in der Hauptsache

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mehr von physikalischen und physikalisch-chemischen Faktoren als von mathematischen Faktoren abhängig. Die bei den in Massenproduktion hergestellten Kraftfahrzeugen verwendeten Zuführvorrichtungen genügen nicht den erforderlichen Bedingungen, um bei den heute zur Verfügung stehenden flüssigen Brennstoffgemischen eine wirksame Verbrennung zu gewährleisten.

Die heutzutage verwendeten Vergaser für flüssigen Brennstoff lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen, nämlich

1. Vergaser mit unter Atmosphärendruck-erfolgender Einspritzung mit zweifacher Flüssigkeitseinspritzung, welche noch nach statischen und dynamischen Gesichtspunkten unterschieden werden kann,

2. mit über dem Atmosphärendruck liegendem Druck arbeitende Einspritzsysteme als einfache Flüssigkeitseinspritzung, bekannt als Brennstoffeinspritzung.

Bei weitem der häufigste Nachteil bei allen Einspritzvergasern besteht darin, mit den großen Unterschieden in der Dichte und Viskosität fertigzuwerden, die zwischen den zugeführten Flüssigkeiten, nämlich Luft und Brennstoff besteh-t» Vergaser sind Mengenzuteilvorrichtungen. Somit sind sehr kleine Mengen Brennstoff (mit hoher Dichte) für große Mengen Luft (mit geringer Dichte) erforderlich, insbesondere, da Stickstoff, der mehr als 80% der angesaugten Luft ausmacht, nicht zu den exothermen Reaktionen beiträgt. Bei einem stöchiometrisehen Reaktionsgemisch sind nur ungefähr 2% des insgesamt angesaugten Volumens Brennstoff, wenn das Volumen auf einer Basis berechnet wird,

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"bei dem der Brennstoff sich im Dampfzustand befindet. Somit sind zum Zuführen von kleinen Volumina des flüssigen Brennstoffs kleine Zumeßöffnungen erforderlich, die sorgfältig konstruiert sein müssen, um den Viskositätseigenschaften der Flüssigkeitsströmung gerecht zu werden.

Statisch arbeitende Vergaser verwenden überflutete Düsen mit einer erforderlichen Luftkorrektur bei hohen Gasgeschwindigkeiten durch das Chokerohr. Dynamisch arbeitende Vergaser benutzen eine kreisförmige Zumeßöffnung, die auch die Auslaßöffnung darstellt und schwierig zu beherrschende Auslaßcharakteristiken aufweist. Solche Vergaser erfordern eine Korrektur mithilfe einer komplizierten Profilgestaltung der Düsennadel.

Mit zwei Flüssigkeiten arbeitende Vergaser besitzen ebenfalls den Nachteil, daß

a) Brennstoffstrahlen in das Einlaßröhrenwerk austreten, was oft durch Aufschlagen auf die Drosselklappe erschwert wird und

b) aufgrund der Belastung der Brennkraftmaschine unterschiedliche Vakua im Einlaßröhrenwerk herrschen.

Bei kleinen Drosselöffnungen ist das Vakuum-Verdampfen (flash-off) maximal und die Gasgeschwindigkeit minimal. Bei großen Drosselklappenöffnungen tritt tatsächlich kein Vakuum-flash-off auf und eine Verdampfung des Brennstoffs kann nur über Wärmestrahlung und -leitung sowohl in bezug auf den mitgerissenen Brennstoffstrahl als auch den ausgeschiedenen Brennstoff stattfinden. Da aber die Geschwindigkeiten im Einlaßrohr hoch sind, steht nur

wenig Zeit zum Verdampfen zur Verfügung, welches jedoch vor dem Eintritt in die Verbrennungskammer beendet sein muß. Dies führt insbesondere zur Anwendung von einen höheren Verdampfungspunkt aufweisenden Fraktionen des Brennstoffs. Bei den Brennstoffeinspritzsystem^erfolgt das Verdampfen durch Wärmestrahlung auf die mehr am Ende ausgebreiteten Brennstofftropfen.

Für die exotherme Reaktion von kohlenstoffhaltigen Brennstoffen mit Sauerstoff müssen diese in einem gasförmigen oder dampfförmigen Zustand sein. Jedoch hängen die Geschwindigkeit und der Verlauf, wie der Brennstoff abbrennt, u.a. davon ab, ob das gesamte Brennstoff-Luftgemisch sich physikalisch in einem homogenen oder heterogenen Zustand befindet.

Wenn das Gemisch physikalisch homogen ist, findet die Verbrennung durch eine unkomplizierte Hydroxilierung mit freien Radikalen zu den Endprodukten Kohlendioxyd (CO₂) und Wasser (H₂O) statt. Sofern flüssige und/oder feste Bestandteile vorhanden sind, und die Geschwindigkeit der Flammenausbreitung hoch ist, wird einige Wärmeenergie zum thermischen Kracken des Brennstoffs benutzt. Während dieses thermischen Krackens können

a) kleinere molekulare Fragmente, einschließlich Radikale, in einer komplexeren Weise als oben im Zusammenhang mit der Hydroxylaktion erwähnt wurde, mit O₂ reagieren. Instabile Peroxyde können sich bilden und in unkontrollierbarer Weise zerfallen und eine Vielzahl von organischen Endprodukten bilden, wie z.B. Äther, Säuren und Ester. Während des Krackens· können

b) die kleinen Molekularfragmente auch zu Produkten mit

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einem höheren Molekulargewicht polymerisieren, wie z.B. zu großen Kohlenwasserstoff molekülen;

c) ferner mit anderen radikalen Zwischenelementen wieder zu den verschiedensten organischen Endprodukten reagieren und

d) dehydrogenieren zum Bilden von Kohlenstoff.

Wo immer es zu einem thermischen Kracken von Brennstoffen mit einem hohen Yerdampfungspunkt innerhalb der Verbrennungskammer einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine kommt, steht in den Bereichen einer hohen Konzentration von Kohlenwasserstoff zwecks einer kompletten Verbrennung innerhalb der zur Verfügung stehenden Zeit nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung.

Eine saubere vollständige Verbrennung ist somit nicht bei hohen Geschwindigkeiten in Brennkraftmaschinen möglich, die einen Spritzvergaser verwenden.

Aus obigem ergibt sich, daß die meisten Nachteile des Einspritzvergasers bei einem Saugrohrvergaser nicht vorhanden sind. Jedoch haben haben sie den offensichtlichen Nachteil, daß sie bei geringem Druck einen Brennstofftank oder einen großen Tank benötigen, der viel Platz beansprucht.

Es besteht daher das Bedürfnis, eine Brennkraftmaschine mit einer Brennstoffzuführung zu schaffen, die die Vorteile der beiden oben genannten Systeme in sich vereinigt und deren Nachteile vermeidet.

Weiterhin wird angestrebt, die chemische Zusammensetzung

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des Benzin-Brennstoffs sowie den physikalischen Zustand für die Verbrennung zu verbessern. Die für die Automobilhersteller maßgebenden Gesetzesvorschriften hinsichtlich der Umweltverschmutzung legen ihnen bei der Verwendung von bleifreien Brennstoffen eine Begrenzung in der Oktanzahl der Brennstoffe oder aber erhöhte Raffineriekosten auf, um die Begrenzung bei der Benutzung einer vergrößerten Menge von umgebildeten Kohlenwasserstoffen einzuhalten.

Diese Begrenzungen und Kosten können jedoch beim Aufbereiten des bleifreien Brennstoffs durch Verwendung von Abgaswärme vermieden werden. Dies wird durch thermisches Kracken in Reaktorkammern erreicht, bevor der Brennstoff in den Luftstrom eingeführt wird.

Während des Krackens werden kurze Ketten von Kohlenwasserstoff einschließlich Methan (CH,) erzeugt.

Zusätzlich wird elementarer Wasserstoff gebildet, der drei Aufgaben zu erfüllen hat.

1. Er stellt hydroxyle Radikale für die fortschreitende Verbrennungsreaktion des kohlenstoffhaltigen Brennstoffs zu Kohlendioxyd zur Verfügung. Im einzelnen kann Kohlenmonoxyd nur in größerem Umfang zu Kohlendioxyd gemäß der Hydroxyl-Radikal-Reaktion oxydieren. CO + .0H >C0₂ + H·

Dabei stellt H. + 0_£ ^ -OH + 0·

die sauerstoffverbrauchende Reaktion dar.

Die Wirksamkeit dieser Umwandlung ist primär nicht von der Zuführung von Sauerstoff abhängig, sondern von der Fähigkeit des Verbrennungsgemischs, Hydroxyl-

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radikale von Wasser oder Sauerstoff zur Verfügung zu stellen, wobei Wasser als Endprodukt der fortschreitenden Wasseroxydation entsteht. Die von Wasser abgeleiteten Hydroxylradikale müssen über eine endotherme Rückreaktion Zustandekommen.

M* + H₂O ^ ⁰OH + H⁰ + M*

oder wahlweise sind sie abhängig von der vorhergehenden Herstellung 0° oder H° Radikalen

H° + H₂O H₂ + ⁰OH

und 0° + H₂O 2°0H

Das Hinzufügen von Wasserstoff zum Brennstoff erzeugt andererseits eine rein exotherme Produktion von °0H-Radikalen, um die Wirksamkeit von Kohlendioxyd zu verbessern.

2. Die weiten Flammgrenzen und die höhere Flammengeschwindigkeit des Wasserstoffs unterstützen das Zünden und die Flammenausbreitung von mageren Gemischen; das sind solche, deren Luft-Brennstoff-Verhältnisse oberhalb des stöchiometrischen Verhältnisses liegen. Ferner nimmt aufgrund der bekannten Zusammenhänge die Bildung von Stickstoffoxyd (NOx) mit zunehmender Abmagerung ab unter der Voraussetzung, daß eine fortschreitende Flammenfront erhalten bleibt.

3. Einiger elementarer Wasserstoff ist in der Lage, wahlweise mit katalytischen Abgasreaktoren zu diffundieren, um jegliche Oxyde des Stickstoffs zu reduzieren, die während der Verbrennung wieder zu elementarem Stickstoff rückverwandelt werden.

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Wie bereits erwähnt, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, insbesondere ein verbessertes Zuführsystem zu schaffen, das die Vorteile der bekannten Einrichtungen in sich vereinigt und deren Nachteile vermeidet.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, eine Zuführvorrichtung für gasförmigen Brennstoff zu schaffen wie z.B. verdampftes oder gekracktes Benzin und/oder heißes oder gekühltes Flüssiggas (liquified petroleum gas) = LPG. Die Vorrichtung hat eine doppelte Aufgabe zu erfüllen, insbesondere sicherzustellen, daß gasförmiger und flüssiger Brennstoff einem System zugeführt werden können, das ein Umschalten oder Einstellen des Verhältnisses zwischen den verschiedenen Brennstoffen ermöglicht, beispielsweise durch einen bestimmten Betriebsparameter, wie z.B. die Temperatur.

Die Erfindung befaßt sich generell auch mit einem verbesserten Brennstoffsystem, das diese Zündvorrichtung enthält.

Die Zuführvorrichtung kann ein bewegliches Zumeßelement enthalten, das die Zuführung des gasförmigen Brennstoffs zu verändern erlaubt. Im einzelnen besteht die Erfindung in einer benachbart dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine angeordneten Zuführeinheit mit einer ersten und zweiten Kammer, deren Einlasse mit einer Quelle flüssigen Brennstoffs und einer Quelle gasförmigen Brennstoffs und deren beiden Auslässe mit dem Ansaugsystem in Verbindung stehen, sowie mit einer beiden Kammern zugeordneten Düsennadel, die sich wenigstens zwischen dem Auslaß der ersten Kammer und dem Einlaß und Auslaß der zweiten Kammer erstreckt, sowie mit einer die Brennstoffversorgung zum Ansaugsystem steuernden Ventilsteuerung.

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Die Kammern können in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und durch einen Trennkolben voneinander getrennt sein, der mit der sich durch ihn erstreckenden Düsennadel verbunden ist und mit dieser zwecks gleichzeitigem Öffnen oder Schließen der Verbindungen am Auslaß der ersten Kammer und dem Einlaß und Auslaß der zweiten Kammer durch Ventilelemente der Ventilsteuerung hin- und herbewegbar ist.

Die sich zwischen dem Auslaß der ersten Kammer und dem Einlaß der zweiten Kammer erstreckende Düsennadel besitzt an ihren Enden die Ventilelemente, die zu dem jeweiligen Ende hin konisch ausgebildet sind.

Vorzugsweise ist der Auslaß der zweiten Kammer über eine Auslaßleitung mit dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine verbunden. Weiterhin ist der Einlaß der zweiten Kammer von einer Längsbohrung gebildet, in der das als Bund auf der Düsennadel angeordnete Ventilelement verschiebbar gelagert ist. Durch axiales Verschieben der Düsennadel und dem dadurch bedingten Öffnen der Ventilelemente in bezug auf den Einlaß der zweiten Kammer kann die Düsennadel um einen bestimmten Betrag angehoben werden, bis der Einlaß der zweiten Kammer mit dessen Auslaß in Verbindung steht. Vorzugsweise ist die Bohrung zwischen ihren Enden mit einem eine Verbindung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß herzustellen erlaubenden Längsschlitz versehen. Auf diese Weise kann beim axialen Bewegen der Düsennadel eine mehr oder weniger große progressive Verbindung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Kammer hergestellt werden.

Zwischen dem Längsschlitz und dem Auslaß der zweiten Kammer kann eine Expansionskammer zum Expandieren und einem dadurch möglichen adiabatischen Abkühlen der gas-

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förmigen Brennstoffe angeordnet sein₀ Die Expansionskammer liegt hinter dem Auslaß der zweiten Kammer in Richtung auf das Ansaugsystem der Brennkraftmaschine zu.

Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist ein eine Umgehung der durch das Ventilelement erfolgenden Absperrung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der zweiten Kammer bildender Kanal. Durch diesen Kanal kann vor der Bewegung des Ventilelementes ein Bypaß zwischen der zweiten Kammer, nämlich deren Einlaß und Auslaß hergestellt werden, so daß eine geringe Menge an Brennstoff durch die zweite Kammer strömen kann, auch wenn das Ventilelement auf seinem Ventilsitz sitzt. Zur Einstellung der Strömung innerhalb des Kanals ist vorzugsweise eine in den Kanal hineinreichende Einstellschraube vorhandene Damit kann die Strömung für die geschlossene Drosselklappenstellung der Brennkraftmaschine eingestellt werden. Bei einer Brennkraftmaschine mit einem Brennstoffansaugsystem und einer Zündeinrichtung der beschriebenen Art kann die Düsennadel sich über den Auslaß der ersten Kammer erstrecken und dabei in Abhängigkeit von dem Druck im Einlaßröhrenwerk der Brennkraftmaschine axial verstellbar sein₀ Der Auslaß der Kammer ist benachbart dem Einlaßröhrenwerk gelegen bzw. in einem Düsenblock des Einlaßrohrs. Auf diese Weise kann die Düsennadel beispielsweise durch die Verbindung mit einem Luftventil des Einlaßröhrenwerks axial verstellt werden.

Eine solche Brennkraftmaschine kann den Brennstoff von der Quelle flüssigen Brennstoffs über entsprechende Leitungskreise erhalten, die mit den Einlassen der ersten und zweiten Kammer in Verbindung stehen. Der Leitungskreis für die zweite Kammer enthält vorzugsweise eine Verdampf ungs- und/oder Krackvorrichtung zum thermischen Kracken des Brennstoffs, der der zweiten Kammer zugeführt

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wird. Die Verdampfungs- und/oder Krackvorrichtung besitzt ein von außen beheizbares Gehäuse mit einer einen Einlaß und Auslaß für flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff aufweisenden Kammer, in der ein dem Brennstoff auf seinem Weg vom Einlaß zum Auslaß einen gewundenen oder labyrinthartigen Strömungsweg aufzwingendes Führungselement angeordnet ist.

Das Gehäuse kann im Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordnet sein, so daß ein Erhitzen des Gehäuses möglich ist. In diesem Fall kann das Gehäuse in Längsrichtung in einem Teil eines Abgaskanals angeordnet sein und der mit der Brennstoffquelle verbundene Einlaß des Gehäuses mit dem Auslaß des Abgaskanals über eine Leitung in Verbindung stehen, die sich seitlich durch eine den Teil des Abgaskanals begrenzende Wand erstreckte

Die Verdampfungs- und/oder Krackvorrichtung kann wahlweise oder zusätzlich ein mit einem Einlaß oder Auslaß für flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff versehenes Gehäuse aufweisen, das durch direkte Flammeneinwirkung erhitzbar ist. Dadurch wird der dem Einlaß zugeführte Brennstoff verdampft und/oder thermisch gekrackt. Dieses flammenerhitzbare Gehäuse kann im Auslaßröhrenwerk der Brennkraftmaschine angeordnet sein und dort direkt von den Flammen beheizt werden. In diesem Fall erstreckt sich die Kammer des zweiten Gehäuses wenigstens einmal quer zu den Einlaßkanälen des Auslaßröhrenwerks, wobei der Auslaß der länglichen Kammer in Verbindung mit einer Leitung steht, die sich durch die begrenzende Wand des Auslaßröhrenwerkes erstreckt und mit dem Einlaß der zweiten Kammer in Verbindung steht.

Die Verdampfungs- und/oder Krackvorrichtung kann wahlweise

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oder zusätzlich ein drittes Gehäuse mit einem Katalysator sowie einem Einlaß zum Zuführen von Brennstoff und einem mit dem Einlaß der zweiten Kammer in Verbindung stehenden Auslaß aufweisen.

In einer Ausfiihrungsform dieser Vorrichtung steht das weitere Gehäuse an seinem Einlaß mit der flammenerhitzbaren Kammer in Verbindung, während sein Auslaß mit dem Einlaß der zweiten Kammer verbunden ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein dickwandiger metallener Einsatz für den Katalysator mit einem in der Wandung des Einsatzes befindlichen und mit dem Inneren des Röhrenwerks in Verbindung stehender Kanal vorhanden sein, der durch ein die Abgasströmung vom Auslaßröhrenwerk durch den Kanal steuerndes, bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur ansprechendes Ventil absperrbar ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch ein Vergasersystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Anwendung bei einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 einen Teil einer Zündvorrichtung für gasförmigen Brennstoff in vergrößertem Maßstab,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Brennstoffsystems mit dem Vergasersystem nach Fig. 1,

Figo 4 ein Schaltbild für ein Zündsystem für das Brennstoffsystem nach Fig. 3 und

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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform des in Fig. 3 dargestellten Systems.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte System 9 weist einen SU-Vergaser, z.B. des Η-Typs, auf, obwohl andere Vergaser im System und der Vorrichtung nach der Erfindung benutzt werden können«, Eine ZumeßTorrichtung 10 für Brennstoff im genannten System umfaßt eine Zumeßvorrichtung 12 für gasförmigen Brennstoff und eine Zumeßvorrichtung 14 für flüssigen Brennstoff. In der dargestellten Ausführung besitzen beide Zündvorrichtungen zwei getrennte Gehäuse 16, 18. Die beiden Vorrichtungen besitzen eine gemeinsame Düsennadel 20, welche sich durch Kammern 22, 24 der Zumeßeinheiten erstreckt. Die Einheiten sind durch miteinander in Eingriff stehende röhrenförmige Verlängerungen 26, 28 der Gehäuse 16, 18 miteinander gekuppelt. Innerhalb der Verlängerungen 26, 28 ist ein Trennkolben 29 angeordnet, durch den sich die Düsennadel 20 erstreckt und der die Kammern 22, 24 voneinander trennt.

Das Gehäuse der Zumeßeinheit 12 für den gasförmigen Brennstoff besitzt eine sich dadurch erstreckende Bohrung 30, die auch die Kammer 22 enthält. Diese Bohrung 30 erstreckt sich bis zu einer separaten Platte 32, die mittels Schrauben 34 am Gehäuse befestigt ist und von der sich ein rohrförmiger Anschlußnippel 36 erstreckt, der eine Bohrung 31 von geringerem Durchmesser als die damit in Verbindung stehende Bohrung 30 aufweist. Der Anschlußnippel 36 ist für die Verbindung mit einer nicht dargestellten Quelle von gasförmigem Brennstoff verbunden und seine Bohrung 31 ist zwischen deren Enden stufenförmig ausgebildet, um einen konischen Sitz 38 zu bilden.

Innerhalb der Kammer 22 ist eine Düse 40 für den gasför-

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migen Brennstoff angeordnet. Die Düse 40 ist kreisförmig ausgebildet und besitzt einen Teil 42 mit vergrößertem Durchmesser, mit dem sie in der Bohrung 30, benachbart der Platte 32, dicht eingesetzt ist. Der Teil 42 endet an dem einen Ende der Düse 40 in einem Ringflansch 44, welcher zwischen einer Ausnehmung 46 in der inneren Fläche der Platte 32 und der zugewandten Endwand 48 des Gehäuses befestigt ist.

Eine Bohrung 50 der Düse 40 ist über den größten Teil ihrer Länge von konstantem Querschnitt, endet jedoch innerhalb des Ringflansches 44 in einem nach außen konischen Teil 51. Die Bohrung 50 ist zwischen ihren Enden mit einem Längsschlitz 52 versehen, der einen Auslaß für die Kammer 22 bildet und eine Verbindung zwischen letzterer und einer Expansionskammer 54 für den gasförmigen Brennstoff bildet, der durch den Schlitz 52 dosiert zugeführt wird. Die Expansionskammer 54, in der eine Expansion und ein adiabatisches Abkühlen des gasförmigen Brennstoffs möglich ist, befindet sich innerhalb der Wand des Gehäuses 16 und ist mit einem Auslaß versehen, über den Brennstoff in genau dosierter Menge über eine Auslaßleitung 56 zu einem konstanten Unterdruckbereich 57 des Vergasers geleitet werden kann, um sich dort mit der Luft zu vermischen.

Die Düsennadel 20 erstreckt sich durch die Bohrung der Düse 40. In der einen extremen Endstellung, nämlich der dargestellten unteren Stellung drückt die Düsennadel 20 ein Ventilelement 58 in dichte Anlage auf den Sitz 38, und zwar entgegen dem Druck des durch die Bohrung 31 zugeführten gasförmigen Brennstoffs. Das Ventilelement 58 wird unterhalb der Düsennadel 20 in einer schwimmenden Lage gehalten, ausgenommen, wenn die Brennkraftmaschine stillsteht, da dann das entsprechend des konischen Sitzes 38

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ausgebildete Ende der Düsennadel 20 auf dem Sitz 38 aufsitzt.

Die Düsennadel 20 ist an ihrem innerhalb der Bohrung 30 liegenden Teil mit einem Ventilelement 60 in Gestalt eines entsprechend dem Querschnitt der Bohrung 30 ausgebildeten Kragens versehen, welcher vorzugsweise eingeläppt ist, um mit der Bohrung 30 einen engen Sitz zu bilden. Bei Stellung der Düsennadel 20 in ihrer einen extremen Stellung befindet sich das Ventilelement 60 zwischen dem längsschlitz 52 und dem Ventilelement 58. Bei einer axialen Bewegung der Düsennadel 20 zu ihrer anderen Endstellung, nämlich der oberen Stellung wird das Ventilelement 60 längs des Schlitzes 52 vorbeibewegt, um so zunehmend mehr gasförmigen Brennstoff von der Kammer 22 zu dem Unterdruckbereich 57 strömen zu lassen, wobei das Ventilelement 58 unter dem Druck des Brennstoffs der Ventilnadel 20 folgt und vom Sitz 38 abgehoben hat, so daß eine Gasströmung um das Ventilelement 58 und entlang darin befindlicher Nuten 58a möglich ist.

Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, ist in dem Gehäuse 16 ein einstellbares Umgehungsventil 61 angeordnet, welches einen Überlauf der Drossel ermöglicht. Das Umgehungsventil 61 besitzt einen Kanal 63, der an seinen beiden Enden im Bereich des verdickt ausgebildeten Teils 42 der Düse 40 derart mit der Kammer 22 in Verbindung steht, daß bei fast in ihrer Endstellung befindlicher Düsennadel 20, bei der sich das Ventilelement'58 gerade von dem Sitz 38 abgehoben hat, unter Umgehung des Ventilelements 60 eine geringe Flüssigkeitsströmung des Brennstoffs zu dem Längsschlitz möglich ist. Eine durch das Gehäuse 16 in den Kanal 63 sich erstreckende Einstellschraube 65 erlaubt eine feine Einstellung der Bypaßströmung. Die Auslaßleitung 56 endet im Unterdruckbereich 57 in einen Auslaßkanal 62, der sich

durch die Wand eines Lufteinlaßrohres 64 erstreckt, welches den Unterdruckbereich 57 bildet. Der Auslaßkanal 62 ist vorzugsweise wärmeisoliert.

Das Gehäuse 18 der für den flüssigen Brennstoff vorgesehenen Zumeßeinheit 14 besitzt eine sich dadurch erstreckende und die Kammer 24 aufweisende Bohrung 70, welche an einem Düsenblock 72 endet und einen Auslaß 74 der Kammer 24 begrenzt. Ein konisch zulaufender Teil 76 der Düsennadel erstreckt sich durch die Bohrung 70 und durch den Auslaß 74. Der konische Teil 76 und die Bohrung 70 begrenzen einen veränderbaren Flüssigkeitsdurchlaß 78 zwischen der Kammer 24 und dem Auslaß 74. Die Konizität ist derart gewählt, daß eine Bewegung der Düsennadel 20 von ihrer ersten in ihre zweite Endstellung eine zunehmende Strömung an flüssigem Brennstoff zuläßt.

Im Bereich zwischen den Enden des konischen Teils 76 ist im Gehäuse ein Einlaß 80 der Kammer 24 angeordnet. Der Einlaß 80 steht über eine Terbindungsleitung 82 mit der nicht dargestellten Quelle flüssigen Brennstoffs in Verbindung.

Innerhalb des Einlaßrohrs 64 ist ein luftventil 86 angeordnet, hier in der Form eines quer zum Einlaßrohr 64 und in einer Saugkammer 90 verschiebbar gelagerten Kolbens 88. Das über den Auslaß 74 hervorstehende Ende der Düsennadel 20 ist mit dem Kolben 88 zwecks gemeinsamer Bewegung in Abhängigkeit der Bewegung einer Drosselklappe 92 verbunden. Somit wird beim öffnen der Drossel die Düsennadel 20 von ihrer unwirksamen ersten Extremstellung im Vergasersystem gemäß den Fig. 1 und 2 angehoben, um gasförmigen Brennstoff zu der Kammer 22 und/oder flüssigen Brennstoff zu der Kammer 24 strömen zu lassen und zwar in Abhängigkeit von der ausgewählten Betätigung von

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Bauteilen, die die Strömung des gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs zu den zugehörigen Kammern steuern.

In Fig. 3 ist ein Brennstoffsystem mit einem Benzintank dargestellt, der über eine Brennstoffleitung 102 und ein magnetbetätigtes Ventil 105 ein schwimmergesteuertes Gefäß 106 und ein magnetbetätigtes Nadelventil 108 mit einem Vergasersystem 104 verbunden ist. Die Brennstoffleitung ist an der Verbindungsleitung 82 der Zumeßeinheit 14 angeschlossen, um flüssigen Brennstoff zu der Kammer 24 zu führen. Eine in der Brennstoffleitung 102 angeordnete Niederdruckbrennstoffpumpe 110 saugt Benzin von dem Benzintank 100 an.

Die Brennstoffleitung 102 ist stromabwärts der Brennstoffpumpe 110 über eine Zweigleitung 114 mit einem Benzinverdampfer und/oder einer Krackvorrichtung 112 verbunden. Der Auslaß der Krackvorrichtung 112 ist über eine Leitung 117 und ein Thermostatventil 116 mit dem Anschlußnippel der Zumeßeinheit 12 verbunden. Bei der Krackvorrichtung handelt es sich um einen dreistufigen, katalytisch umwandelbaren Brennstoffkracker, wie er in der Parallelanmeldung U₀Z₀ 30 617 B beschrieben ist. Es können auch andere Verdampfer und/oder Krackvorrichtungen verwendet werden.

Die erste Stufe 118 der Krackvorrichtung 112 umfaßt eine Kammer 120 mit einem darin angeordneten Leitkörper 122, der z.B. in Schraubenlinienform ausgebildet ist, um einen gewundenen Strömungsweg für den Brennstoff zu bilden. Die Hauptaufgabe der Stufe 118 besteht darin, Benzin zu verdampfen, obwohl sie auch als Mittel zum thermischen Kracken dienen kann. Zu diesem Zweck erfolg ein Erhitzen durch heißes Abgas, das sich in einem Abgasauslaß 119 befindet. Die zweite Stufe 124 der Krackvorrichtung 112 umfaßt einen beheizbaren Leitungskanal 128, der über einen

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Druckregler 126 von der ersten Stufe 118 verdampften Brennstoff erhält. Der verdampfte Brennstoff wird in dem Leitungskanal 128 weiter erhitzt und zwar dadurch, daß der Leitungskanal 128 in einem Auslaßröhrenwerk 130 angeordnet ist und somit eine direkte Flammenerhitzung erhält.

Eine dritte Stufe 132 der Krackvorrichtung 112 erhält gekrackten Dampf von der zweiten Stufe. Die dritte Stufe besitzt ein Gehäuse 133 mit einer Kammer 134, um die Abgase geführt werden, beispielsweise durch Kanäle in den Wänden des Gehäuses 133, wenn die Brennkraftmaschine kalt ist, die jedoch kurzgeschlossen werden, wenn die Brennkraftmaschine warm ist. Die Kammer 134 besitzt einen Krack-Katalysator und ein Filter 136, durch das der teilweise gekrackte Dampf von der Kammer 134 hindurchgeführt wird. Die Kammer 134 besitzt ferner eine nicht dargestellte Einheit, die einen aus Palladium bestehenden Zerstäuber zum selektiven Trennen von Wasserstoff umfaßt, ferner ein Drosselventil, von dem aus Wasserstoff zugeführt werden kann und schließlich einen katalytischen Reaktor, der beispielsweise im Auslaßsystem angeordnet ist und zur Entfernung von Stickstoffoxyden aus dem über die Drosselventile zugeführten Wasserstoff dient.

Zum Erhitzen des Gehäuses 133 durch die Abgase befindet sich in der die Kammer 134 bildenden Wand ein Leitungssystem, das sich um die Kammer herum erstreckt und über einen Einlaß und einen Auslaß mit dem Inneren des Auslaßröhrenwerks 130 in Verbindung steht, so daß die Abgase in dem Auslaßröhrenwerk um die Kammer 134 strömen können. Ein auf einer Welle drehbar gelagertes und unter der Wirkung einer Thermostatfeder stehendes Ventil kann in der Weise betätigt werden, daß die Leitung im Gehäuse 133 in bezug auf das Innere des Auslaßröhrenwerks 130 geöffnet

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und geschlossen werden kann, um auf diese Weise eine Strömung von Abgasen rund um die Kammer 134 zu ermöglichen oder zu verhindern. Die Anordnung ist dabei derart getroffen, daß bis zum Erreichen einer vorbestimmten Temperatur in der Kammer. 134, von der an gasförmiger Brennstoff vom Auslaß strömt, die Feder derart arbeitet, daß das Ventil offengehalten wird, so daß Abgase in die Leitung strömen können, um ein schnelles Erhitzen des Gehäuses zu ermöglichen (ein Erhitzen kann auch durch den in den Einlaß der Kammer 134 einströmenden Brennstoff erreicht werden), wonach dann durch die Feder das Yentil geschlossen wird.

Nach Erreichen der gewünschten Temperatur wird ein weiteres Erhitzen des Gehäuses 133 infolge durch Strahlung und Leitung bedingter Verluste ausgeglichen, so daß das Gehäuse 133- als Wärmeabzug für den durch die Kammer 134 durch die Brennkraftmaschine geführten Brennstoff dient. Auf diese Weise kann der Brennstoff auf einer geeigneten Temperatur gehalten werden, beispielsweise für die Verwendung in einer Brennkraftmaschine auf 200⁰G. Wird aufgrund des Betriebsverhaltens die gewünschte Temperatur· überschritten, kann die Strömungsmenge der durch die Kammer strömenden Brennstoffmenge reduziert werden, wobei der Brennstoff direkt von der ersten Stufe 118 zum Ventil (Fig. 3) mit Umgehen der dritten Stufe 132 der Brennkraftmaschine zugeführt wird.

Das Benzin wird mithilfe einer Hochdruckpumpe 138 in die Zweigleitung 114 gesaugt und über ein elektromagnetisch betätigtes Ventil 14O und einen auf die Belastung der Brennkraftmaschine ansprechenden Strömungsregler 142 zu der Krackvorrichtung 112 gefördert.

Zu der dritten Stufe 132 gehört ein thermoelektrischer

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Schalter 144, der, wie in Fig. 3 mit gestrichelten Linien dargestellt ist, über das Solenoid-Ventil 105 mit dem elektromagnetisch betätigten Nadelventil 108 und mit dem Solenoid-Ventil 14O verbunden ist. Für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit flüssigem Brennstoff, wie das vor Erreichen der durch den Schalter 144 festgestellten gewünschten Betriebstemperatur ist, betätigt der Schalter 144 die Ventile 105 und 108, um eine Strömung von flüssigem Benzin zum Gefäß 106 und von diesem zu der Kammer 24 des Vergasersystems zu ermöglichen, von wo aus das Benzin dann direkt über ein elektrisch oder mechanisch betätigtes Starterventil 146 dem Lüfteinlaßrohr 64 des Vergasersystems zugeführt wird. Für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit gekracktem Benzindampf, nach Erreichen der vorbestimmten Brennkraftmaschinentemperatur, betätigt der Schalter 144 die elektromagnetisch betätigten Ventile 105 und 108, um die Flüssigkeitsströmung zu der Kammer 24 zu beenden. Gleichzeitig wird das Ventil 140 betätigt, um den Strömungsweg zu der Krackvorrichtung 112 zu öffnen, um gekrackten Benzindampf zu erzeugen, der dann zu der Kammer 22 des Vergasersystems geführt wird. Die elektromagnetisch betätigten Ventile 105, 108 und 140 trennen somit die Teile des Systems voneinander, die für den Betrieb mit flüssigem Brennstoff oder gasförmigen Brennstoff erforderlich sind und die nicht zu einer bestimmten Zeit notwendig sind, d.h. während der Anwärmzeit oder im Falle einer Betriebsstörung, um den defekten Teil zu trennen.

In einer abgewandelten Ausführungsform kann der Schalter 144 in Abhängigkeit des Druckes des der Kammer 22 zugeführten gasförmigen Brennstoffes betätigbar sein, um die Ventile 105, 108 und 140 zu steuern, die elektrisch, elektromechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigbar sind. Wenn somit der zur Verfügung stehende Druck des gasförmigen Brennstoffs unterhalb eines vorbestimmten Wertes

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2 61 η 6 9 η

liegt, beispielsweise innerhalb einer in Fig. 5 dargestellten Sammelkammer 14O', wird durch den Schalter 144 das Ventil 14O geschlossen und die Ventile 105 und 108 für den Betrieb der Brennkraftmaschine mit in die Kammer 24 eingeleitetem flüssigem Brennstoff geöffnet, während beim Überschreiten des Druckes des gasförmigen Brennstoffs über den vorbestimmten Wert durch den Schalter 144 die Ventile 105 und 108 geschlossen und das Ventil 140 geöffnet werden, so daß die Brennkraftmaschine mit in die Kammer 22 eingeleitetem gasförmigem Brennstoff betrieben werden kann.

Die Betriebsweise des Systems wird nun anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben:

Das Vergasersystem 9 kann auf einem normalen Brennkraftmaschinen-Einlaßröhrenwerk angeordnet sein. Vorzugsweise erfolgt jedoch die Anordnung im Gegensatz zu einem Einspritzsystem auf einem nur für den Gasstrom alleine vorgesehenen Einlaßröhrenwerk. Das Einlaßröhrenwerk sollte vorzugsweise von dem Auslaßsystem und dem Wasserkühlsystem der Brennkraftmaschine getrennt sein, d.h. keine erhitzten Flächen oder Kanäle und so kühl wie möglich.

Im Vergasersystem wird das Gefäß 106 zum Starten und Aufwärmen benutzt, währenddessen das Nadelventil 108, das auf dem Gefäß angeordnet sein kann, die Zuführung des Benzins zu dem Düsenblock 72 und das Umwandeln des gasförmigen Brennstoffs steuert.

Die Hochdruckpumpe 138 sollte mit einem Einwegrückschlagventil ausgestattet sein,und vorzugsweise mit einem Druckregler ρ im Auslaß der Pumpe, um eine Gasabfuhr durch die Pumpe zu vermeiden, wenn diese aufhört zu arbeiten, während der Zündschalter und die Hochdrucksolenoide aktiviert bzw. betätigt werden.

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Der auf die Last ansprechende Strömungsregler 142 kann an jeder beliebigen Stelle angeordnet sein, vorzugsweise wird er jedoch entfernt vom Wärmeauslaß angeordnet. Eine Membrankammer des Strömungsreglers 142 ist vorzugsweise direkt mit dem Einlaßröhrenwerk verbunden, um die Brennkraftmaschinenbelastung zu überwachen, indem der Druck im Röhrenwerk angezeigt wird, um die Strömung von der Hochdruckpumpe 138 zu der Krackvorrichtung 112 und der für den gasförmigen Brennstoff vorgesehenen Kammer 22 zu steuern.

In dem Schaltbild gemäß Fig. 4 sind Kontrollampen 148, 150 angeordnet, um anzuzeigen, welches Brennstoffsystem arbeitet oder in Betrieb gesetzt wird, wenn der Schalter 152 des Zündkreises geschlossen ist.

Zum Starten und Abfahren in kaltem Zustand ist der Zündschalter 152 geschlossen. Ein für den Choke vorgesehener Schalter 154 ist geschlossen oder das mechanische Starterventil 146 wird betätigt und ein manuell in Aus-Stellung bringbarer Schalter 156 wird geschlossen, wonach die Kontrollampe 148 aufleuchtet. Befindet sich ein manuell betätigbarer Schalter 160 in der Aus-Stellung, so wird ein Schalter 161 der Hochdruckpumpe 138 betätigt. Danach wird die Brennkraftmaschine durch den Anlasser angelassen und nachdem die Brennkraftmaschine gezündet hat, wird der Schalter 154 geöffnet. Die Brennkraftmaschine läuft nun in üblicher Weise aufgrund der Einspritzcharakteristik des Vergasers, der über die elektromagnetisch betätigten Ventile und das Nadelventil von der Niederdruckpumpe mit flüssigem Brennstoff versorgt wird. Die genannten Ventile werden durch den Schalter 144 aktiviert, der beispielsweise im Auslaßröhrenwerk sitzt.

Das Fahrzeug kann nun angefahren werden. Vom Augenblick

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2 610 6 9

des Startens an erhitzen sich die drei Stufen der Krackvorrichtung 112 sehr schnell, insbesondere unter Belastung der Brennkraftmaschine. Während dieser Aufwärmperiode wird in der Krackvorrichtung 112 von dem vorhergehenden Betrieb befindlicher kondensierter Brennstoff verdampft und durch den Auslaßkanal in den Vergaser ausgestoßen, da, so lange die Brennkraftmaschine arbeitet, das Ventilelement 58 sich frei von seinem Sitz 38 abheben kann. Bei einer vorbestimmten Temperatur, die beispielsweise durch die Kata-Iysation in der Kammer und durch den Verdampfungsbereich des Brennstoffs bestimmt ist, schaltet der Schalter 144 die Zuführung von Brennstoff ab; gleichzeitig wird Brennstoff zu der ersten Stufe 118 geführt, in der der Brennstoff verdampft wird. Der Druck steigt im gesamten System sehr schnell an, worauf der gekrackte gasförmige Brennstoff beginnt, zu der Kammer 22 zu strömen und zwar genau in der gewünschten Menge, was durch die Stellung des Luftventils 86 vorbestimmt ist, welches die Brennkraftmaschinengeschwindigkeit und Belastung zu allen Zeiten überwacht und somit bestimmt, wann das Ventilelement 60 zusammen mit der Düsennadel 20 längs des Längsschlitzes 52 bewegt wird. Es ist daher nicht von Bedeutung, ob der Umschaltpunkt bei Leerlauf, leichter Belastung oder hoher Belastung erreicht wird. In jedem Fall ist die Temperatur der Parameter, der das Umschalten bestimmt. Auf diese Weise wird ein weiches Umschalten ohne Leistungsverlust oder Fehlzündung erreicht.

Um eine Kondensation und damit eine unkontrollierte Anreicherung des Gemische zu verhindern, kann eine Heizung (beispielsweise mit einer Leistung von 100 - 150 Watt), wie z.B. eine Widerstandsheizung in Form eines mineralisolierten, kupferbeschichteten Kabels (z.B. Pyrotenax) um die Kammer für den gasförmigen Brennstoff herumgelegt sein und durch den Thermoschalter während der Anwärm- und

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Aufheizperiode, in welcher Brennstoff zu dem Tergaser geführt wird, betätigt werden. Beim Umschalten auf den Betrieb mit gasförmigem Brennstoff kann die Heizvorrichtung abgeschaltet werden.

Solange die Hauptteile im wesentlichen die Hitze behalten, bleibt auch der Druck des Gaseinspritzsystems erhalten. Die den beiden Kammern 22 und 24 gemeinsam zugeordnete Düsennadel 20 zwingt das Ventilelement 58 auf seinen Sitz 38 am Einlaß der Kammer 22 und alle elektrisch betätigten Ventile werden beim Zündabschluß geschlossen. Bei Heißstart wird beim Anlassen der Brennkraftmaschine das Luftventil 86 angehoben, und dadurch das Ventilelement 58 entlastet. Der Druck des gekrackten gasförmigen Brennstoffs innerhalb des Systems hebt die Düsennadel 20 von ihrem Sitz ab, so daß gasförmiger Brennstoff in die angesaugte Luft im Einlaßrohr 64 gefördert wird und dadurch die Brennkraftmaschine unmittelbar zündet.

Bei einem warmen Wiederholstart mit einem Druckverlust innerhalb des gasförmigen Brennstoffsystems kann der Thermoschalter das System auf Einspritzen umgeschaltet haben. In diesem Fall sind die nachfolgenden Abläufe die gleichen wie beim Kaltstart, mit Ausnahme, daß eine Choke-Betätigung nicht erforderlich ist, d.h. die Brennkraftmaschine sollte im Einspritzverfahren zünden.

Wenn jedoch der Schalter nicht auf den Betrieb im Einspritzverfahren umgeschaltet hat, kann das Einspritzverfahren für eine kurze Zeit durchgeführt werden und zwar durch Verwenden des manuell zu betätigenden Schalters 160, der in Fig. 4 dargestellt ist. Sobald der volle Druck des gasförmigen Brennstoffs erreicht ist, kann der Schalter in seine Aus-Stellung zurückgedreht werden.

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Es sind keine besonderen Maßnahmen zum Stillsetzen erforderlich. Die Brennkraftmaschine kann angehalten werden ohne daß der Brennstoffdruck abgesenkt wird. Die in der Krackvorrichtung 112 auftretende Kondensation infolge des Abkühlens kann nach einem kalten wiederholten Start das Abfahren des Fahrzeugs unterstützen, da dieser Brennstoff während der Warmlaufphase verdampft und das Einspritzgemisch anreichert. Diese Maßnahme erlaubt die ■Verwendung eines geneigten Profils im Bereich des Düsenblocks 72 am konischen Teil 76 der Düsennadel 20.

In einer Ausführungsform des Systems nach Fig. 3 fördert die Niederdruckpumpe 110 Benzin mit einem (gegenüber dem Atmosphärendruck) Druckunterschied von 0,0014 kp/mm oder einem höheren Druck. Sie kann von einer herkömmlichen elektrischen oder mechanischen Brennstoffpumpe eines herkömmlichen, an der Brennkraftmaschine befestigten Vergasers gebildet sein. Die Hochdruckpumpe 138 kann ebenfalls elektrisch oder mechanisch ausgebildet sein; vorzugsweise besitzt sie ein Einwegrückschlagventil in ihrem Auslaß. Sie fördert Benzin mit einem (gegenüber dem Atmosphärendruck) Druckunterschied von 0,02 kp/mm oder höherem Druck. Der Strömungsregler 142 ist vorzugsweise als Yakuum-Membranventil ausgebildet, welches eine volle Brennstoffströmung erlaubt, ausgenommen zu jenen Zeiten, wenn mit geschlossener Drosselklappe gearbeitet wird, d.h. im Leerlauf oder bei geschlossenem Drosselüberlauf, wobei im letzteren Fall der Brennstoffstrom durch das einstellbare Umgehungsventil 143 begrenzt wird.

Das Brennstoffsystem kann der Brennkraftmaschine über den gesamten Geschwindigkeitsbereich und unter allen BeIastungszuständen im wesentlichen ein konstantes Brennstoff-Luft- Verhältnis zuführen, da das Brennstoffsystem als Gas-Zumeßsystem anstelle des üblichen Gas-Flüssigkeitssystems ausgebildet ist,

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Der Betrieb des Systems kann ohne den Druckregler 126 erreicht werden, jedoch infolge des schnellen Wechsels der Menge des in den Verdampfer eintretenden Brennstoffs nicht ohne Schwingung bzw. Selbstregelung bei weiter Drosselklappenöffnung. Druckschwankungen werden dadurch gedämpft, daß die Hochdruckpumpe 138 mit einem Druck betrieben wird, der oberhalb des Druckes liegt, für den die Zündvorrichtung ausgelegt ist, wonach eine Reduzierung auf einen gewünschten Druckunterschied von ungefähr 0,01 kp/mm erfolgt.

Das Thermostatventil 116 besitzt eine kleine Kammer mit einer darin untergebrachten Bimetallspirale zur Betätigung eines Drehventils. Dieses ist zwischen der dritten Stufe 132 und dem Vergasersystem angeordnet, beispielsweise oberhalb von 200⁰C erlaubt das Ventil den Einlaß von gasförmigem Brennstoff direkt von der ersten Stufe 118, um das Auftreten eines mageren Gemisches zu verhindern und dem volumetrischen Wirkungsgrad entgegenzuwirken, und zwar durch Umgehen der zweiten und dritten Stufe 124 und 132.

Das in Fig. 3 dargestellte System kann für die Verdampfung und das thermische Kracken von Brennstoffen minderer Qualität mit wesentlich höherem Zündpunkt und anfänglichem Verdampfungspunkt verwendet werden. Dies ist für solche Fälle von Vorteil, wo aufgrund von Vorschriften die Verwendung von mit Benzin betriebenen Brennkraftmaschinen verboten ist und für Kraftanlagen Brennkraftmaschinen auf Dieselbetrieb beschränkt sind.

Wenn solche Brennstoffe bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen verwendet werden, kann es zu Schwierigkeiten kommen, wenn für einen Wiederholstart kein geeignetes verdampftes Brennstoff-Luft-Gemisch aufrechterhalten wird.

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Eine Lösung kann darin "bestehen, daß elektrische Heizelemente, z.B. im Starterteil des Tergasers angeordnet sind; jedoch wird Torzugweise eine zusätzliche Kammer benutzt, die parallel zwischen der zweiten und dritten Stufe der Krackrorrichtung oder zwischen der dritten Stufe und der Zumeßeinheit angeordnet ist, so daß das System zum Wiederholstart unter normalen Temperaturbedingungen anlaufen kann. Ein solch abgeändertes System wird anhand der Fig. 5 im folgenden beschrieben, wobei gleiche Teile die gleichen Referenznummern wie bei der Ausführung in-Fig. 3 besitzen.

Die Funktion der Kammer und die Mittel, mit der sie in das System nach Fig. 3 integriert ist, ist wie folgt:

Heißer gasförmiger Brennstoff wird unter normalem Betriebsdruck in die Sammelkammer i40^f geleitet. Die Sammelkammer kann entweder mit durch Wasser oder Luft betriebenen Kühlelementen 142¹ versehen sein, so daß •verdichtbare Masseteilchen über geeignete Ventile 144' zu der ersten Stufe des Verdampfers zurückkehren können. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine sammeln sich nicht verdichtbare Gase innerhalb der Sammelkammer bis zu einem Punkt, wo kein weiterer gekrackter Brennstoff in die Sammelkammer eintritt, d.h. so lange bis der Druck der nicht verdichtbaren Gase den Betriebsdruck ausgleicht.

Beim Abschalten der Brennkraftmaschine können Sperrventile 146', die an der Sammelkammer 14O^! befestigt sind, geschlossen werden, beispielsweise elektromagnetisch, so daß in dem System für einen neuen Start gasförmiger Brennstoff enthalten bleibt.

Ein neuer Kaltstart erfordert eine Abänderung gegenüber der Maßnahme, wie sie für die verdampfbaren Brennstoffe

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vorgesehen ist, insbesondere in der Weise, daß (nach einem Anfangsstart mit Akkumulatorgas) eine kurzzeitige Zuführung von verdampftem Brennstoff direkt von der Stufe 2 zu einer Zumeßöffnung auf der Brennkraftmaschinenseite der Drosselklappe erfolgt.

Die Steuerung für die Ventile bei dieser Verfahrensweise kann durch den Thermoschalter in genau der gleichen Weise erfolgen, wie das im Zusammenhang mit dem Einspritzvorgang bei Verwendung von verdampfbaren Brennstoffen in Fig. 3 beschrieben worden ist.

Abgesehen von der sehr kurzen Kohlenwasserstoffkette, wie Methan und Ethan entstehen bei dem thermischen Krackvorgang eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen. Die durch die Verbrennung der gekrackten Produkte zur Verfügung stehende Energie ist höher als die durch die Verbrennung der ursprünglich ungekrackten Brennstoffe mit insgesamt gleicher Kohlenstoff- und Wasserstoffzusammensetzung. Dies ist ein direkter Zusammenhang bezüglich der chemischen Verbindungsenergie der ansonsten äquivalenten Brennstoffe und ist ein direktes Ergebnis der endothermen Rückführung einiger der nutzlosen Abgashitze in den einströmenden Brennstoff.

Weiterhin können durch den großen Anfall der Abgashitze weitere Mengen von Wasserstoff durch die Reaktion von Wasser mit Kohlenwasserstoff unter der wärmegesteuerten katalytischen Bedingung gemäß der folgenden Gleichung erzeugt werden.

+ n^H2° ^ η Co + 2n + 1 H₂ + Δ H°

Wie sich aus der vorstehenden Gleichung ergibt, hat die ses Verfahren jedoch den Nachteil, daß sich ein sehr

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_ ₂₉ _ 2610G90

hohes Molverhältnis von Wasser zu Kohlenwasserstoff ergibt, so daß für Brennstoffe sogar mit einer mittleren Kohlenstoffzahl "n" der Katalysator sehr wirksam sein muß.

Gemäß dem Gesetz der Massewirkung ist oft ein Wasser-Kohlenwasserstoff-Yerhältnis erforderlich, das weit über dem stöchiometrischen Wert liegt, um die Reaktion in hinreichendem Maße von der linken zur rechten Seite ablaufen zu lassen. Die Trennung von nach der Reaktion '^¹ überschüssigem Wasser bringt für den praktischen Einsatz bei Automobilen einen Nachteil. Ferner ist gewöhnlich eine Regeneration mit geeigneten Katalysatoren erforderlich, die sich mit Kohlenstoff zusetzen können. Unter Berücksichtigung dieser Probleme hat sich herausgestellt, daß es im praktischen Einsatz sehr schnell zu einem vollständigen Auslöschen der Flamme kommt.

Das proportionale Zumessen von Wasser zu Brennstoff mithilfe von Pumpen bei Brennstoffpumpen ist teuer und es besteht das Problem, wie es oben in Zusammenhang mit den flüssigen Brennstoffsystemen beschrieben worden ist, Flüssigkeiten in geringen Mengen mit sehr hoher Genauigkeit zuzuführen.

Dennoch ist es wünschenswert, daß Wasser zusätzlich zu dem als veränderbare Komponente in die normale Brennkraftluft angesaugten Wasser in dem kohlenwasserstoffhaltigen Brennstoff enthalten ist. Es wurde festgestellt, daß es einfacher, billiger und vergleichweise genauer ist, es direkt in den Brennstoff einzulagern, beispielsweise durch Auflösung mittels geeigneter Additive, wie z.B. Alkohole.

Solche Gemische können vorteilhaft direkt in die thermi-

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sehen Krackvorrichtungen der beschriebenen Art eingebracht werden. Während des thermischen Krackens wird weniger Kohlenstoff gebildet, was das Arbeiten bis zu einem gewissen Grade gemäß der oben genannten Reaktion und/oder der folgenden Wasser-Gas-Reaktion

C + H₂O ^ CO + H₂ + A H *

anzeigt.

Das beschriebene Brennstoffsystem kann ohne wesentliche Änderungen für mit Flüssiggas (LPG) betriebene Vergaser benutzt werden. Die übliche Drucksteuereinrichtung (Membranregler und Antifrost-Wärmeaustauscher) kann verwendet werden und damit das IPG direkt zu dem Ventilelement 58 geleitet werden. Wahlweise kann das Gas auch direkt zum Einlaß der Krackvorrichtung 112 geleitet werden.

Weiterhin kann das System mit einem Benzin- und/oder LPG-System benutzt werden, wobei die folgenden vier Arbeitsverfahren möglich sind.

1. Einspritzung flüssigen Brennstoffs,

2. heiß gekrackter (abgeänderter) Brennstoff,

3. heißes LPG oder

4. kaltes (direktes) LPG.

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Claims

2 6 1 Π R 9 Γ)

Ronald Albert Wilkinson, 7 Balcombe Street,

Hornington, Victoria (Australien)

Anna Little, 2 Shadwell Street,

Cheltenham, Victoria (Australien)

Patentansprüche:

Brennkraftmaschine mit einer Vorrichtung zum Zuführen von Brennstoff, gekennzeichnet durch eine benachbart dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine angeordnete Zuführeinheit mit einer ersten'und zweiten Kammer (22, 24), deren Einlasse mit einer Quelle flüssigen Brennstoffs und einer Quelle gasförmigen Brennstoffs und deren beide Auslässe mit dem Ansaugsystem in Verbindung stehen, sowie mit einer beiden Kammern (22, 24) zugeordneten Düsennadel (20), die sich wenigstens zwischen dem Auslaß der ersten TCgTTiTTiRT (24) und dem Einlaß und Auslaß der zweiten Kammer (22) erstreckt sowie mit einer die Brennstoffversorgung zum Ansaugsystem steuernden Ventilsteuerung (58, 60, 76) versehen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kammern (22, 24) in einem gemeinsamen Gehäuse (16, 18) untergebracht und durch einen Trenrikolben (29) voneinander getrennt sind, der mit der sich durch ihn erstreckenden Düsennadel (20) verbunden ist und mit dieser zwecks gleichzeitigem Öffnen oder Schließen der Verbindungen

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am Auslaß der ersten Kammer (24) und dem Einlaß und Auslaß, der zweiten Kammer (22) durch Ventilelemente (60, 76) der Ventilsteuerung hin- und herbewegbar ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ventilelemente (60, 76) an den Enden der Düsennadel (20) angeordnet und zum jeweiligen Ende hin konisch ausgebildet sind.

4. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Auslaß der zweiten Kammer (22) über eine Auslaßleitung (56) mit dem Ansaugsystem der Brennkraftmaschine verbunden ist.

5. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Einlaß der zweiten Kammer (22) von einer Längsbohrung (50) gebildet ist, innerhalb der das als Bund auf der Düsennadel (20) angeordnete Ventilelement (60) verschiebbar gelagert ist.

6. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß durch die Bohrung (50) auch ein Teil der zweiten Kammer (22) gebildet ist und die Bohrung (50) zwischen ihren Enden bzw. eine die Bohrung aufweisendes Düsenstück (40) mit einem eine Verbindung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der Kammer (22) herstellenden Längsschlitz (52) versehen ist,

7. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch

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261069Π

eine zwischen dem Längsschlitz (52) und dem Auslaß der zweiten Kammer (22) angeordnete und einen Teil dieser Kammer bildende Expansionskammer (54).

8. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen eine Umgehung der durch das Ventilelement (60) erfolgenden Absperrung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß der zweiten Kammer (22) bildenden Kanal (63).

9. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine in den Kanal (63) hineinreichende, zur Regelung der Brennstoffströmung durch den Kanal (63) dienende Einstellschraube (65).

10. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Zuführeinheit aus zwei ZumeßeiniBiten (12, 14) besteht.

11. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge k« η η ζ e i c h net , daß die Düsennadel (20) in Abhängigkeit vom Druck im Einlaßröhrenwerk der Brennkraftmaschine axial verstellbar ist und sich über den Auslaß (74) der ersten Kammer (24) erstreckt, der in einem Düsensteg (72) des Einlaßrohrs (64) angeordnet ist.

12. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Düsennadel (20) mit einem beweglichen Luftventil (86) des Einlaßrohrs (64) verbunden ist.

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15. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Kammer (22) mit einer Vorrichtung (112) zum Verdampfen und/oder thermischen Kracken des der Kammer (22) zugeführten Brennstoffs verbunden ist.

14. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Verdampfungs- und/oder Krackrorrichtung (112) ein von außen beheizbares Gehäuse mit einer einen Einlaß und Auslaß für flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff aufweisenden Kammer (120) besitzt, in der ein den Brennstoff auf seinem ¥eg vom Einlaß zum Auslaß einen gewundenen oder labyrinthartigen Strömungsweg aufzwingendes Führungselement (122) angeordnet ist.

15. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse im Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordnet ist.

16. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse in Längsrichtung in einem Teil eines Abgaskanals (119) angeordnet ist, und daß der mit der Brennstoffquelle verbundene Einlaß des Gehäuses mit dem Auslaß des Abgaskanals (119) über eine Leitung in Verbindung steht, die sich seitlich durch einen Teil des Abgaskanals (119) begrenzende ¥and erstreckt.

17. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet , daß der Auslaß des Gehäuses mit einer sich längs des Abgaskanals erstreckenden Auslaßleitung und

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letztere mit dem Einlaß einer zweiten Kammer (22) -verbunden ist und daß die Strömungsrichtung des Brennstoffs zwischen dem Auslaß und dem Einlaß entgegengesetzt zur Strömungsrichtung der durch den Abgaskanal strömenden Abgase ist.

18. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse eine äußere ¥and und eine eine Bohrung bildende innere Wand sowie einen zwischen den Wänden befindlichen Behandlungsraum aufweist.

19. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet , daß der Behandlungsraum ringzylinderförmig ausgebildet ist und darin das als schraubenlinienförmig ausgebildeter Leitkörper ausgebildete Führungselement untergebracht ist, an dessen Enden der Einlaß und Auslaß des Gehäuses liegen.

20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Verdampfungs- und/oder Krackvorrichtung (112) ein weiteres, mit einer einen Einlaß und einen Auslaß für flüssigen Kohlenwasserstoff-Brennstoff versehenes Gehäuse aufweist, das durch direkte Flammeneinwirkung erhitzbar ist.

21. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß das erste und zweite Gehäuse hintereinander ge schaltet sind und in dem zweiten Gehäuse durch Erhitzen der Brennstoff verdampfbar und/oder thermisch krackbar ist.

22. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche

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1 bis 21, dadurch gekennzeichnet , da? das weitere Gehäuse zur direkten Erhitzung innerhalb des Auslaßröhrenwerks (130) der Brennkraftmaschine angeordnet ist,

23. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Kammer des zweiten Gehäuses wenigstens einmal quer zu den Einlaßkanälen des Auslaßröhrenwerks (130) erstreckt.

24. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 23, gekennzeichnet durch ein drittes Gehäuse (133) mit einem Katalysator sowie einem Einlaß zum Zuführen von Brennstoff sowie einem mit dem Einlaß der zweiten Kammer (22) in Verbindung stehenden Auslaß.

25. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (133) an seinem Einlaß mit der Kammer des zweiten Gehäuses in Verbindung steht.

26. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 25, gekennzeichnet durch einen im dritten Gehäuse (133) untergebrachten, dickwandigen metallenen Einsatz für den Katalysator und einen in der Wandung des Einsatzes befindlichen und mit dem Inneren des Röhrenwerks in Verbindung stehenden Kanal, der durch ein die Abgasströmung vom Auslaßröhrenwerk (130) durch den Kanal steuerndes, bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur ansprechendes Ventil absperrbar ist.

27. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche

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1 bis 26, gekennzeichnet durch im der ersten Kammer (24) zugeordneten Leistungskreis angeordnete, auf die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine oder den Druck des der zweiten Kammer (22) zugeführten gasförmigen Brennstoffs ansprechende Schaltelemente, die bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur oder des zur Verfügung stehenden Brennstoffdruckes den ersten Leitungskreis abschließen und den der zweiten Kammer (22) zugeordneten Leitungskreis mit dem Ansaugsystem in Verbindung bringen.

28. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 27» gekennzeichnet durch in jedem Leitungskreis angeordnete Steuerventile (105, 108, 14O) mit einem zugeordneten Schalter (144), durch den das im der ersten Kammer (24) zugeordneten Leitungskreis liegende Ventil in seine Offen- und Schließstellung und daß im der zweiten Kammer (22) zugeordneten Leitungskreis liegende Ventil (14O) in seine Schließ- und Offenstellung bringbar ist, sobald die Temperatur der Brennkraftmaschine die vorbestimmte Temperatur erreicht hat oder darunter liegt.

29. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 28, gekennzeichnet durch ein im ersten Leitungskreis angeordnetes schwimmergesteuertes Gefäß (166) mit dem auf dessen Zulaufseite angeordneten Ventil (105) und dem auf dessen Ablaufseite befindlichen Ventil (108), das beim Öffnen und Schließen des ersten Ventils (105) gleichfalls in seine Offen- und Schließstellung gelangt.

30. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeich-

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net , daß im ersten leitungskreis zwischen dem Gefäß (106) und dem Ansaugsystem über eine Leitung eine Verbindung besteht, in der ein Starterventil (146) angeordnet ist.

31. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 30, gekennzeichnet durch eine Sammelkammer (140'), die an ihrem Einlaß mit der Verdampf ungs- und/oder Erackvorrichtung (112) und an ihrem Auslaß mit dem Ansaugsystem in Verbindung steht.

32. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet , daß die Sammelkammer (140 *) einen weiteren Auslaß aufweist, der über eine Rückführleitung mit der Verdampf ungs- und/oder Erackvorrichtung (112) in Verbindung steht.

33. Brennkraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet , daß die Sammelkammer (140¹) von einem Eühlelement (142¹) umgeben ist.

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