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