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Kraftstoffversorgungsanlage für Verbrennungskraftmaschinen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Anlage zur Versorgung von Verbrennungskraftmaschinen mit aus
hochsiedenden Kohlenwasserstoffen bestehenden Treibstoffen und betrifft eine Anordnung,
durch die die hochsiedenden Kohlenwasserstoffe in der kurzen, für die Umwandlung
zur Verfügung stehenden Zeit in Kohlenwasserstoffe aufgespalten werden, die einen
Siedepunkt aufweisen, bei dem eine Kondensation und ein Treibstoffverlust beim Aufgeben
in den Verbrennungsraum nicht eintritt.
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Zum Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen sind Kraftstoffe mit einem
innerhalb enger Grenzen relativ niedrig liegenden Siedepunkt und einer hohen Oktanzahl
bzw. Cetanzahl erforderlich. Bei ungeeigneten Kraftstoffen tritt das bekannte Klopfen
des Motors auf, und bei in einem zu hohen oder in einem zu weiten Bereich liegenden
Siedepunkten tritt eine unvollständige Verbrennung und dadurch bedingt ein Verkoken
des Verbrennungsraumes und ein erheblicher Leistungsabfall ein. Insbesondere in
sogenannten Entwicklungsländern ist die Versorgung mit geeigneten Kraftstoffen oft
schwierig.
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Es ist bekannt, Kraftstoffe mit hohem Siedepunkt in Krackanlagen unter
Einfluß von Wärme und eventuell katalytisch wirkenden Stoffen und Druck in niedrigsiedende
Kohlenwasserstoffe aufzuspalten. Es ist ferner bekannt, diese Krackanlagen so auszubilden,
daß sie im Fahrzeug am Motor angebaut werden können, wobei durch eine Pumpe ein
meist überfettes, d. h. einen erheblichen Überschuß an Kraftstoff im Verhältnis
zum Suspendierungsgas aufweisendes Gemisch durch die vorzugsweise durch die Abgase
des Motors beheizte Krackanlage angesaugt und in die Verbrennungsluft aufgegeben
wird.
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Die Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe erfordert eine bestimmte Reaktionszeit,
die von Temperatur, Druck und Katalysator abhängig ist. Da sowohl Temperatur als
insbesondere auch Druck und Größe der Katalysatoroberfläche bei am Motor angebauten
Krackanlagen begrenzt sind, erfolgt bei den bekannten Anlagen nur eine unvollständige
Aufspaltung der Kohlenwasserstoffe. Bei Verwendung einer mit hoher Verdichtung arbeitenden
Gemischpumpe erfolgt daher bei dem durch die Expansion beim Ausstoß aus der Pumpe
auftretenden Temperaturabfall eine Kondensation des nicht völlig aufgespaltenen
Kraftstoffes und damit nur eine ungenügende Energieausnutzung und eine rasche Verkokung
des Verbrennungsraumes.
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Die Erfindung hat zur Aufgabe, diese Nachteile der bekannten Anlagen
zu vermeiden und mit einer Anlage mit relativ kleinen Abmessungen und geringem Gewicht
eine vollständige Aufspaltung der hochsiedenden Kohlenwasserstoffe sicherzustellen
und ferner eine Kondensation eventuell noch vorhandener Anteile an höhersiedenden
Kraftstoffen bei dem Ausstoß aus der Gemischpumpe in den Verbrennungsraum zu verhindern.
Gemäß der Erfindung wird dies erstens dadurch erreicht, daß die Kraftstoffversorgungsanlage
eine durch die Abgase des Motors beheizte Krackanlage zum Aufspalten der hochsiedenden
Kraftstoffe in niedrigsiedende aufweist, daß zweitens eine Gemischpumpe vorgesehen
ist zum Ansaugen eines überfetten Kraftstoff-Gas-Gemisches durch die Krackanlage
sowie zum Komprimieren und gleichzeitigen Aufspalten des Restes an höhersiedenden
Kraftstoffen unter Zuhilfenahme von Katalysatoren und zum- Aufgeben in den Verbrennungsraum
des Zylinders durch eine Verbindungsleitung und daß drittens diese Verbindungsleitung
so wärmeisoliert ist, daß eine Abkühlung des Kraftstoff-Gas-Gemisches, insbesondere
durch die Expansion, unter den Taupunkt der Kohlenwasserstoffe vermieden wird. Die
Erfindung besteht nicht in nur einem der genannten drei Merkmale oder nur in deren
zwei, wohl aber in deren vollständiger Vereinigung.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung wird ein wesentlicher Anteil
der hochsiedenden Kraftstoffe bereits in der Krackanlage aufgespalten. Durch die
weitere Verdichtung des bereits auf hohe Temperatur gebrachten Gemisches in der
Gemischpumpe erfolgt unter Zuhilfenahme von Katalytisch wirkenden Überzügen od.
dgl. einer weitere schlagartig einsetzende Aufspaltung des Restes an nicht aufgespaltenen
Kohlenwasserstoffen. Durch die Isolierung der Verbindungsleitung zwischen Gemischpumpe
und Verbrennungsraum wird eine Abkühlung unter den Taupunkt des Kraftstoffes bei
der Überleitung mit Sicherheit auch dann vermieden, wenn der Kraftstoff in
Kohlenwasserstoffe
mit noch einem relativ hohen Siedepunkt aufgespalten ist, d. h., bei der erfindungsgemäßen
Anordnung muß durch Anordnung der wärmeisolierten Verbindungsleitung der Krackprozeß
nicht so weitgehend durchgeführt sein, wie dies bei den bekannten Anlagen zu einem
einigermaßen sicheren und wirtschaftlichen Arbeiten notwendig ist.
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Zur katalytischen Unterstützung des N achkrackprozesses, die bei der
Erfindung nicht fehlen darf, ist die Gemischpumpe z. B. auf ihren im Verdichtungsraum
liegenden Flächen; insbesondere auf dem Kolbenboden und dem Zylinderboden, aus Katalysatorstoffen
hergestellt oder mit diesen überzogen. Zur Vergrößerung der Oberfläche kann der
Kolbenboden und der Zylinderboden z. B. kegelförmig ausgebildet sein und dadurch
die katalytisch wirksame Oberfläche erheblich vergrößert werden.
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Die Verbindungsleitung besteht vorzugsweise aus einem korrosionsfesten
Metall und ist mit einer hochhitzebeständigen, wärmedämmenden Schicht umgeben. Durch
diese Anordnung tritt nach kurzer Betriebszeit eine Aufheizung der Verbindungsleitung
durch die Wärme des überströmenden Kraftstoffes und durch die Wärmeausstrahlung
aus dem Verbrennungsraum auf, wodurch in Verbindung mit der sich auf der Innenfläche
der Leitung immer niederschlagenden dünnen Ölkoksschicht eine weitere Aufspaltung
eventuell sich niederschlagender Kraftstoffe in niedrigsiedende erfolgt. Durch die
erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungsanlage ist es möglich, bekannte Bauarten von
Verbrennungskraftmaschinen auch mit an sich für ihren Betrieb ungeeigneten Kraftstoffen
zu betreiben, ohne eine über das vertretbare Maß hinausgehende Gewichtserhöhung
der Anlage und ohne die Gefahr einer über das auch bei Betrieb mit normalen Kraftstoffen
auftretende Maß an Wartungsaufwand und bei einer maximalen Ausnutzung der im Kraftstoff
enthaltenen Energie. Der Aufbau und der Betrieb der Krackanlage, ebenso wie die
Zusammensetzung des überfetten Kraftstoffgemisches und die Art und die Zusammensetzung
des gasförmigen Suspendierungsmittels kann auf jede bekannte Weise erfolgen: Ebenso
richten sich Katalysatorstoffe, Temperatur und eventuell Druck in der Krackanlage
und in der Gemischpumpe in bekannter Weise nach dem aufzuspaltenden Kohlenwasserstoffgemisch.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es stellt .dar: Abb.1 einen mehr oder weniger schematischen Vertikalschnitt,
welcher links bis zur Zylinderachse (x-y) und unten (mit einer Unterbrechung) bis
zur Achse (v-z) der Kurbelwelle des Zweitaktmotors geführt ist, Abb.2 und 3 den
Kolben der Ladepumpe in geänderter Ausführung im Vertikal- bzw. Querschnitt auf
der Ebene 3-3 der Abb. 2 und in einem größeren Maßstab, Abb. 4 und 5 zwei verschiedene
Ausführungen der als Hilfszylinder ausgebildeten Ladepumpe im Vertikalschnitt und
größeren Maßstab.
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Abb. 6 und 7 Querschnitte durch die Ladepumpe entlang der Linien 6-6
und 7-7 in Abb. 5.
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In Abb. 1 ist ein erfindungsgemäßer Zweitaktmotor dargestellt, bei
dem der Arbeitskolben 1 in bekannter Weise über die Pleuelstange 2 mit der Kurbel
3 d der Welle 3 verbunden ist. Bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle 3 durchläuft
der Arbeitskolben 1 im Arbeitszylinder 4 den Hubweg H, bei dem sich kurz vor dem
unteren Totpunkt zuerst die Auspuffschlitze 5 und dann die Einlaßschlitze 6 öffnen.
Über die Einlaßschlitze 6 strömt reine Luft in den Zylinder 4. Im Zylinderkopf ist
eine Wälzkammer 8 angeordnet, in die eine Zündkerze 7 ragt. Der Zylinderkopf besteht
aus zwei Teilen 9 und 9 a, zwischen denen eine Dichtung 10 liegt. Bei selbstzündenden
Motoren kann der Teil 9 a als Glühkopf ausgebildet sein und dabei die Zündkerze
entfallen.
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Die Wälzkammer 8 ist mit dem Zylinderraum 4 über einen venturirohrförmigen,
tangential in die Wälzkammer 8 mündenden Durchlaß 11 verbunden. An der engsten Stelle
des venturirohrförrnigen Durchlasses 11 mündet der Überstromkanal der Gemischpumpe,
der aus einem Röhrchen 12 aus hochhitzebeständigem Metall besteht, welches mit einer
wärmeisolierenden Umhüllung 13 im Zylinderkopf 9 eingebettet ist.
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Die Gemischpumpe besteht aus einem im Zylinderkopf 9 angeordneten
Zylinder, in dem. ein Kolben 14 gleitet. Der Kolbenboden ist kegelförmig vertieft,
und an der Spitze des Kegels mündet der Auslaßkanal 15, durch den bei entsprechender
Stellung des Kolbens 14 das verdichtete Gemisch in den Überströmkanal 12 überströmt.
Der Zylinderboden der Ladepumpe wird durch eine Schraube 16 gebildet, welche entsprechend
der kegelförmigen Ausbildung des Kolbenbodens einen vorspringenden Kegel 17 aufweist.
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Der Kolben 14 der Gemischpumpe wird über die Kolbenstange 19, die
Pleuelstange 18 a und den Exzenter 18 von der Kurbelwelle 3 so angetrieben, daß
er den Hubweg h ausführt. Der Exzenter 18 ist im Verhältnis zur Kurbel 3 a der Kurbelwelle
so eingestellt, daß der Kolben der Gemischpumpe seinen oberen Totpunkt etwa 30 bis
110° vor dem Arbeitskolben 1 erreicht.
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Der Zylinder der Gemischpumpe steht über eine Einlaßöffnung 31, die
im Bereiche des unteren Totpunktes des Kolbens durch diesen geöffnet wird, mit einer
Krackanlage 36 und der Mischkammer 37 eines Vergasers 30 in Verbindung. Die Mischkammer
37 steht über ein Rohr 39 mit der Auspuffleitung 40 in Verbindung und wird so durch
die Auspuffgase des Motors beaufschlagt. Durch entsprechende Regeleinrichtungen
kann Frischluft zugeführt und das Verhältnis von Frischluft zu Auspuffgasen zur
Beaufschlagung des Vergasers beliebig eingestellt werden. Ferner kann über die Leitung
42 Wasserdampf aus dem Kühler des Motors oder von einer anderen beliebigen Stelle
zugeführt werden. In die Mischkammer 37 ragt die Kraftstoffdüse 43 der Schwimmkammer
38 hinein. Die zugeführte Kraftstoffmenge kann dabei durch die vom Gashebel aus
betätigte Nade144 geregelt werden. Durch diese Anordnung kann unter Umständen die
übliche Drosselklappe entfallen.
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Die Krackanlage 36 besteht aus einem Gehäuse 45, welches über die
Anschlußstutzen 46, 47 in das Auspuffrohr 40 des Motors eingeschaltet ist, so daß
die Abgase das Gehäuse 45 auf dem durch Pfeile angedeuteten Weg durchströmen müssen.
Dabei umströmen die Auspuffgase den inneren Raum 48, der an seinem oberen Ende durch
die Wand 49 geschlossen und durch eine vertikale Wand 50 in zwei Krackkammern 51,
52 unterteilt ist. Das untere Ende der beiden Krackkammern 51 und 52 ist durch die
Koks- oder Kohlenfüllung 56 in dem auswechselbaren Behälter 55 so verschlossen,
daß ein Übertritt von der einen der Kammern in die andere nur durch diese Kohlenfüllung
möglich ist. Die Krackkammer 51 ist an ihrem oberen Ende durch eine Leitung 53 mit
der
Mischkammer 37 und die Krackkammer 52 an ihrem oberen Ende über
eine Leitung 54 mit der Ansaugleitung 31 der Gemischpumpe verbunden. Die Innenwände
der Krackkammern sind mit einer Schicht von einem bekannten katalytischen Material
zur Förderung des Krackvorganges bedeckt.
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Durch die oben beschriebene Anordnung der Krackanlage wird das Gemisch
aus der Mischkammer 37 durch die Krackkammer 51, die Kohlen- oder Koksfüllung 56
und die Krackkammer 52 in die Gemischpumpe angesaugt. Auf diesem Wege wird es durch
Wärmeübergang aus den Auspuffgasen erwärmt und dabei unter Einfluß der an den Wandflächen
liegenden Katalysatoren und des Koks- oder Kohlebettes 56 zum großen Teil verkrackt.
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Die Gemischpumpe kann gleichzeitig als Schmierpumpe dienen. In diesem
Falle steht der unter dem Kolben liegende Raum über die Öffnungen 23 mit einer Ölnebelquelle
in Verbindung. Im Bereich des oberen Totpunktes wird durch diese Öffnung 23 unter
den Kolben Ölnebel angesaugt. Die Kolbenstange 19 weist eine Kerbe 21 auf, die im
Bereich des unteren Totpunktes den Raum unter dem Kolben 14 mit der Austrittsöffnung
22 verbindet. Die Schmierung der Zylinderwandung kann durch eine Ringnut 25 im Kolben
verbessert sein, der über die Kanäle 26 bis 28 Ölnebel zugeführt wird. Die Austrittsöffnung
22 kann durch eine nicht dargestellte Leitung mit dem Kurbelgehäuse des Motors in
Verbindung stehen, so daß durch diese Anordnung nicht nur die Gemischpumpe selbst,
sondern auch der Motor geschmiert wird.
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Zur Verkrackung von in der Krackanlage nicht oder nicht ausreichend
verkrackten Brennstoffanteilen unter Ausnutzung des Kompressionsdruckes und der
Kompressionstemperatur in der Gemischpumpe ist deren Arbeitsraum teilweise oder
ganz, wenigstens an seiner Oberfläche, aus katalytischen Stoffen hergestellt. So
kann z. B. der Kegel 17 einen Überzug aus katalytischen Stoffen aufweisen oder auch
ganz aus derartigen Stoffen hergestellt sein.
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In Abb.4 ist eine Abwandlungsform der Ladepumpe gezeigt, bei der der
Kolben als zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist. In Abb. 5 ist eine weitere
Abwandlungsform der Ladepumpe gezeigt, bei der die Auslaßöffnung 12 nicht vom Kolben,
sondern von der Kolbenstange 14a geschlossen oder über einen in der Kolbenstange
angeordneten Schlitz 33 geöffnet wird. Zum Druckausgleich ist der Raum oberhalb
der Kolbenstange 14a über eine Bohrung 35 mit der Atmosphäre verbunden.
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In den Ausführungsbeispielen ist die erfindungsgemäße Kraftstoffversorgungsanlage
für Verbrennungskraftmaschinen in ihrer Anwendung bei einem Zweitaktmotor beschrieben,
sie läßt sich jedoch ebenso auf Viertaktmotoren anwenden. In diesem Falle wird der
Kolben 14 der Ladepumpe nur mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 3, z. B. von
der Nockenwelle aus, angetrieben. Es ist beabsichtigt, mit der erfindungsgemäßen
Kraftstoffversorgungsanlage beliebige Kraftstoffe, d. h. nicht nur hochsiedende,
sondern auch normale niedrigsiedende Kraftstoffe zu verwenden. Insbesondere beim
Zweitaktmotor soll jedoch eine ganz erhebliche Einsparung an Brennstoff erzielt
und= eine beachtliche Leistungssteigerung durch die Vermeidung von Spülverlusten,
eine wesentliche Verbesserung der Durchmischung des Gemisches mit der Verbrennungsluft
und eine Verringerung des Kraftstoffanteils im Kraftstoff-Luft-Gemisch erreicht
werden. Das Verdichtungsverhältnis soll unabhängig von den Eigenschaften des Kraftstoffs
erhöht werden.