DE3901733C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Gattung.

Flüssige Kraftstoffe werden zur Herstellung eines brennfähigen Gemisches aufbereitet, indem sie in möglichst kleine Teilchen zerlegt werden, wobei die Gasform den Idealzustand darstellt. Dazu muß dem flüssigen Kraftstoff die Verdampfungswärme zugeführt werden. Bei üblichen Brennkraftmaschinen geschieht das, wenn der flüssige Kraftstoff sich schon mehr oder weniger fein verteilt in der Verbrennungsluft befindet. Dabei erfolgt die Verdampfung auf einem niedrigen Temperaturniveau des Kraftstoffes und dauert entsprechend lange. Bei hohen Drehzahlen kann es dann zu unvollständiger Verbrennung kommen, mit der Folge erhöhten Kraftstoffverbrauches und verschlechterter Abgasemis­ sion.

Es sind auch Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei welchen der Kraftstoff vor seinem Eintritt in die Verbrennungsluft seine Verdampfungswärme zugeführt bekommt. Dabei wird der Kraftstoff vor Verlassen des Einspritzventils soweit erwärmt, daß er bei der Einspritzung infolge seiner latenten Wärme sofort verdampft. Die Verdampfung ist hier schneller und vollständiger. Die Abgaswerte und der Kraftstoffverbrauch sind günstiger, auch bei hohen Drehzahlen.

Entscheidend für die dampfblasenfreie Erwärmung des Kraftstoffes ist, daß eine bestimmte, vom Druck des Kraftstoffes abhängige Temperatur nicht überschritten wird. Bei einer bekannten Ausführung dieser Art wird der Kraftstoff über eine elektrische Heizwicklung erwärmt, welche an Kraftstoff führenden Teilen angebracht ist. Bei einer elektrischen Heizung läßt sich die gewünschte Temperatur relativ leicht konstant halten. Jedoch ist hier die Menge der benötigten elektrischen Leistung beträchtlich. So muß für eine Motorleistung von ca. 20 kW eine elektrische Leistung von ca. 1 kW aufgebracht werden. Soll die Brennkraftmaschine diese elektrische Leistung selbst erzeugen, wie das bei Fahrzeugen erforderlich ist, so verursacht das ein hohes Gewicht und hohe Kosten.

Eine andere Ausführung der Kraftstoffheizung ist aus DE-OS 32 43 809 bekannt. Sie sieht vor, daß dem Kraftstoff Wärme von den Auspuffgasen zugeführt wird. Dabei fördert die periodisch wirkende Einspritzpumpe zu einem Druckspeicher, welcher stets unter hohem Druck gehalten wird. Von diesem gelangt der Kraftstoff über den Auspuffgas-Wärmetauscher zum Einspritzventil.

Diese Ausführung erreicht das Ziel der dampfblasenfreien Kraftstofferwärmung nur, weil der Kraftstoff unter sehr hohem Druck erwärmt wird. Da die kraftstoffseitigen Temperaturen im Wärmetauscher sehr hoch sein können (z. B. 400 Grad Celsius), wird hier der Kraftstoff auf den hohen Druck von z. B. 120 bar gebracht, damit er bei der Erwärmung flüssig bleibt. Alle beteiligten Bauelemente wie Einspritzpumpe, Einspritzventil etc. sind wegen des hohen Druckes sehr aufwendig. Auch die Pumpenantriebsleistung ist besonders hoch. Daher wird die Wirkungs­ gradverbesserung durch Nutzung der Abgaswärme durch die mechanischen Verluste weitgehend zunichte gemacht. Das Ziel der Verdampfung durch latente Wärme bei Einspritzung könnte auch mit geringeren Drücken z. B. weniger als ¼ des hier benutzten Kraftstoffdruckes erreicht werden, wenn die Wärmezufuhr bei konstanten, niedrigeren Temperaturen erfolgen würde.

In PCT-WO 86/02 978 sind Verfahren und Vorrichtung für flüssige Kraftstoffe beschrieben, welche auf Erhitzung von flüssigem Kraftstoff unter Druck beruhen. Die Anhebung der Wärme des Kraftstoffes erfolgt mit dem Ziel, daß der Kraftstoff sofort verdampft, wenn er über ein Ventil in einen Raum niedrigeren Druckes gelangt. Als Anwendungsgebiete sind Verbrennungsmotoren, Gasturbinen und Feuerungsanlagen vorgeschlagen.

Diese Vorrichtungen enthalten alle eine Pumpe, eine Heizstrecke und ein Einspritzventil, bzw. eine Einspritzdüse. In der PCT-WO 86/02 978 ist die Verwendung einer elektrischen Heizspirale angegeben, welche vollständig von Kraftstoff umgeben ist. Wie dort ausgeführt wird, bleibt der erhitzte Kraftstoff "überwiegend" im flüssigen Zustand, solange er unter Überdruck steht. Mit anderen Worten: selbst unter Überdruck ist dort nicht auszuschließen, daß sich Teile des Kraftstoffes bereits vor Verlassen des Einspritzventiles in Dampf umwandeln.

Es ist aber allgemein bekannt, daß Dampfblasen in einer Einspritzleitung die Funktion einer Einspritzanlage empfindlich stören, wenn nicht sogar verhindern. Die vorgeschlagene technische Lösung besitzt also eine gravierende Schwachstelle. Diese liegt in der Art der Heizung. Die Temperatur einer elektrischen Heizspirale ist eine Funktion von zugeführter und abgeführter Wärme. Geringste Verunreinigungen stören die Wärmeabfuhr. In der Folge kann örtliche Überhitzung zu Dampfblasenbildung führen. Durch Aufschaukeln kann sogar die Schmelztemperatur der Heizspirale erreicht werden. In jedem Falle ist aber bereits das Auftreten von Dampfblasen im flüssigen Kraftstoff für die Gesamtfunktion schädlich. Die o. a. technische Lösung ist selbst dann nur beschränkt einsatzfähig, wenn der flüssige Kraftstoff auf extrem überhöhtem Druckniveau gehalten wird.

Es ist Ziel der Erfindung ein Kraftstoffzuführsystem der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die Wärme aus ungeregelten Wärmequellen hoher Temperatur dem Kraftstoff auf relativ niedrigem Druckniveau bei konstanten, relativ niedrigen Temperaturen zugeführt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Zwischenschaltung eines Hilfmediums bei der Wärmeübertragung auf den Kraftstoff gestattet große Temperaturunterschiede zwischen Wärmequelle und Kraftstoff. Durch die Nutzung der latenten Wärme des Hilfsmediums zur Heizung gelingt es, das Temperaturniveau des Kraftstoffes in engen Grenzen zu halten. Daher kann auch ein günstiges Druckniveau gewählt werden.

In den Ansprüchen 2 bis 16 sind weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung erläutert.

Der Phasenwechsel des Hilfsmediums kann nach dem Prinzip des bekannten Wärmerohres realisiert werden. Dabei wird nur soviel Dampf kondensiert, wie es der Wärmebedarf durch den Kraftstoff erfordert. Die Stabilisierung der Kondensationstemperatur ist über die Stabilisierung des Dampfdruckes mit angeschlossenen Behältern variablen Volumens möglich. Mit den gleichen Mitteln wird auch das schwankende Energieangebot der Quelle über den teilweisen Entzug des Hilfsmediums berücksichtigt. So kann die Wärme der Motorabgase trotz ihrer hohen Temperaturen und starken Temperaturschwankungen für die Erwärmung des Kraftstoffes genutzt werden. Die Erwärmung des Kraftstoffes unter Verwendung der Abgaswärme mit Zwischenschaltung eines Hilfsmediums nach dem Prinzip der Wärmerohre wirkt sich in mehrfacher Hinsicht positiv auf die Verbesserung des Wirkungsgrades aus.

Die Erfindung wird anhand der in den folgenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Vorrichtung für flüssige Kraftstoffe im Schnitt

Fig. 2 ein Schnitt durch den Abgaswärmetauscher mit Wärmerohr

Fig. 3 ein Schnitt durch die Heizstrecke mit angebautem Wärmerohr zur Kühlung der Heizstrecke

Fig. 4 einen Behälter zur Druckregelung mit Kolben im Schnitt

Fig. 5 eine vorteilhafte Ausführung des Einspritzventils und eine elektrische Zusatzheizung im Schnitt

Zur Entnahme von Auspuffwärme ist gemäß Fig. 1 an der Brennkraftmaschine 1 ein Wärmetauscher 2 angebracht. Dieser steht mit dem Auslaßkanal 3 in Verbindung und trägt das Wärmerohr 4. An dessen anderem Ende ist ein Übergangsstück 5 befestigt, welches außerdem die Heizstrecke 6 umgibt. Auf der Austrittsseite der Heizstrecke trägt diese das Ein­ spritzventil 8. Ein Isolierstoff 25 umgibt sowohl das Wärmerohr 4 als auch die Heizstrecke 6. Verbunden mit dessen zuflußseitiger Öffnung ist die Einspritzpumpe 9, welche einen Kolben 10 und einen Antrieb 11 aufweist. Am Einlaß zum Verdrängerraum 12 der Einspritzpumpe ist ein Einwegventil und am Auslaß ein Auslaßventil 14 vorgesehen. Mit dem einlaßseitigen Einwegventil 13 verbunden ist die Vorpumpe 15.

Zur Regelung des Druckes und der aktiven Menge des Hilfsmediums ist das Wärmerohr 4 über eine Leitung 16 mit einem Behälter 17 verbunden, dessen Volumen dank des Balges 18 variabel ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Balg 18 von einer Kapsel 19 umschlossen, so daß zwischen beiden der Druckraum 20 entsteht. Der Behälter 17 ist völlig, die Leitung 16 überwiegend mit dem Kondensat 21 des Hilfsmediums ge­ füllt, während das Wärmerohr 4 überwiegend mit dem Dampf 22 gefüllt ist.

Die Funktion der Kraftstoffzuführvorrichtung nach Fig. 1 ist folgen­ de:

Der Kraftstoff wird von der Vorpumpe 15 auf einen konstanten Druck gebracht und gelangt nach Passieren des Einlaßventils 13 in den Verdrängerraum 12 der Pumpe 9. Bei Aktivierung des Kolbens 10 durch den Antrieb 11 verläßt eine bestimmte Menge Kraftstoff die Pumpe 9 über das Auslaßventil 14 und gelangt schließlich unter erhöhtem Druck in die Heizstrecke 6. Diese reicht bis zum Einspritzventil 8 und hat durch Wärmezufuhr annähernd gleiche Temperatur entlang des Kraftstoffweges. Daher nimmt der Kraftstoff bis zum Erreichen des Einspritzventils 8 nahezu diese Temperatur an. Der erhöhte Druck führt zum Öffnen des Einspritzventiles 8 und es tritt Kraftstoff in den Verbrennungsraum 7 über. Unter dem dort herrschenden niedrigeren Druck geht der erwärmte Kraftstoff sofort in Dampfform über. Bei Ende des Pumpenhubes sinkt der Druck in der Heizstrecke 6 auf den vorhergehenden Wert und das Einspritzventil 8 schließt sich wieder.

Die Wärmeübertragung beginnt, wenn der Abgaswärmetauscher 2 die Verdampferzone 23 auf die Siedetemperatur des im Wärmerohr 4 eingeschlossenen Hilfsmediums erwärmt hat. Der dabei an der Verdampferzone 23 freiwerdende Dampf 22 verteilt sich aufgrund seines Druckes im Wärmerohr 4 und gelangt damit auch in die Kondensatzone 24. Da letztere kälter als die Verdampferzone 23 ist, kondensiert der Dampf 22 im Bereich der Kondensatzone 24. Dabei gibt er seine Wärme ab, welche von der Rohrwand der Kondensatzone 24 über das Zwischenstück 5 in die Heizstrecke 6 gelangt. Die Heizstrecke 6 nimmt die Siedetemperatur des Hilfsmediums bis auf eine kleine Temperaturdifferenz an. Der kälter eintretende Kraftstoff erreicht auf seinem Weg zum Einspritz­ ventil 8 wiederum die Siedetemperatur des Hilfsmediums bis auf eine weitere kleine Temperaturdifferenz. Das in der Kondensatzone 24 in die flüssige Phase übergegangene Hilfsmedium fließt, von der Schwerkraft getrieben, zurück zu Verdampferzone 23, wo der Kreislauf von neuem beginnt.

Bei geringerer Kraftstoffdurchflußmenge wird die Heizstrecke 6 weniger durch Kraftstoff gekühlt. Die Temperaturdifferenz zur Siedetemperatur nimmt ab, es wird weniger Dampf kondensiert. Kommt die Einspritzung ganz zum Stillstand, so reduziert sich die Kondensation auf die zur Deckung der Wärmeverluste notwendige Größe. Umgekehrt kondensiert mehr Dampf, wenn infolge großer Einspritzmengen der Heizstrecke 6 viel Wärme entzogen wird.

Da es zur Vermeidung der Dampfblasenbildung im Kraftstoff wichtig ist, daß die Siedetemperatur und damit der Druck im Hilfsmedium konstant bleibt, ist in der Kapsel 19 ein Regelsystem eingebaut. Steigender Dampfdruck führt zu einer Volumenvergrößerung des Behälters 17, wodurch sich der vorherige Druck wieder einstellt. Die Leitung 16 zum Behälter 17 ist an der tiefsten Stelle der Verdampferzone 23 angebracht. Dort sammelt sich das Kondensat bevor es verdampft und füllt den Behälter 17 ganz. Steigt wie oben beschrieben, der Dampfdruck an, so wird gleichzeitig mit der Volumenvergrößerung des Behälters 17 mehr Kondensat 21 im Behälter 17 aufgenommen. Daher kommt weniger Kondensat zum Sieden und der Druck wird nochmals gesenkt. Diese Regelvorgänge sind reversibel und laufen stetig ab, so daß nach vorübergehenden Druckabweichungen schnell wieder Gleichgewicht eintritt. Da die Heizstrecke 6 als auch das Zwischenstück 5 aus wärmespeicherndem Stoff hergestellt sind, wird eine Schwankung des Druckes und der Siede­ temperatur des Hilfsmediums sich kaum auf die Kraftstofftemperatur auswirken.

Die Einstellung des gewünschten Innendruckes im Wärmerohr 4 erfolgt hier durch ein Gaspolster, welches in der Kapsel 19 auf den Balg 18 von außen wirkt.

Damit Wärme nur geregelt von dem Auspuffwärmetauscher 2 zur Heizstrecke 6 gelangt, ist der Zwischenraum mit dem Isolierstoff 25 ausge­ füllt.

Zur Vermeidung der Überhitzung der Verdampferzone 23 kann der Wärme­ tauscher 2 oder Teile davon aus einem Werkstoff hergestellt sein, der mit zunehmender Temperatur seine Wärmeleitfähigkeit stark verringert. So z. B. halbiert Stahl seine Wärmeleitfähigkeit zwischen 200 und 500 Grad Celsius. Auch kann zwischen der Verdampferzone 23 des Wärmerohres und dem Wärmetauscher 2 ein Stoff eingebracht sein, der bei seinem Phasenübergang fest-flüssig seine Wärmeleitfähigkeit stark ändert.

Wie Fig. 2 zeigt, ist der Behälter 19 zur Druckregelung über die Leitung 16 an der tiefsten Stelle der Siedezone 23 des Wärmerohres 4 ange­ schlossen.

Für den Fall, daß vom Gehäuse 1 des Motors größere Wärmemengen unerwünscht in die Heizstrecke gelangen, muß mit der Gefahr der Dampfblasenbildung gerechnet werden. In Fig. 3 ist ein weiteres Wärmerohr 27 dargestellt, welches an dem Zwischenstück 5 mit seiner Verdampferzone 26 befestigt ist. Seine Kondensatzone 28 trägt Kühlrippen 29. Steigt die Temperatur an seiner Verdampferzone 26 infolge überhöhter Temperatur der Heizstrecke 6 bis auf seine Siedetemperatur an, so beginnt ein Wärmetransport von der Heizstrecke 6 zu den Kühlrippen 29. Es wirkt somit wie eine selbstregelnde Sicherung gegen Übertemperatur.

Wie in Fig. 4 gezeigt, kann der Behälter 17 auch durch einen Kolben 34 verschlossen werden, der von der Feder 25 beaufschlagt wird und über die Federkraft eine Einstellung des Druckes erlaubt.

Eine mögliche Zusatzheizung ist in Fig. 5 angegeben. Um die Heizstrecke 6 ist die Heizspirale 29 vorgesehen. Diese kann notwendig sein, wenn gleich beim Anlassen des Motors die Vorteile des erwärmten Kraftstoffes genutzt werden sollen. Nachdem der Wärmetauscher 2 im Auspuffsystem 3 seine Betriebstemperatur erreicht hat, kann auf die elektrische Zusatzheizung verzichtet werden.

Die hier gezeigten Ausführungen sind Beispiele. So sind zahlreiche andere Ausführungen möglich. Außer der hier dargestellten Zweitaktbauart können auch Motoren in Viertaktbauart mit der Vorrichtung ausgerüstet werden. Auch kann die Zuführung des Kraftstoffes in das Ansaugrohr eines Motors erfolgen. Es kann auch eine größere Anzahl von Wärmerohren mit jeder Heizstrecke zusammenarbeiten. Anstelle des hier dargestellten Gravitations-Wärmerohrs kann auch ein Wärmerohr mit Kapillarsystem Verwendung finden.

Claims (15)

1. Verfahren und Vorrichtung zum Zuführen von erwärmtem flüssigen Kraftstoff mit einer Einspritzpumpe, die Kraftstoff unter erhöhtem Druck einem Einspritzventil zuführt, wobei die Wärmezufuhr nach der Einspritzpumpe erfolgt, bei einem optimalen Druck- und Temperaturniveau, welches gewährleistet, daß der Kraftstoff bis zum Verlassen des Einspritzventiles durch seine latente Wärme in den dampfförmigen Zustand übergeht, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff von der latenten Wärme eines Hilfsmediums erhitzt wird, welche bei der Kondensation des Dampfes des Hilfsmediums frei wird, so daß das Temperaturniveau des Kraftstoffes von der Kondensationstemperatur des Hilfsmediums gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsmedium zwischen der Verdampfungszone (23) und der Kondensationszone (24) nach dem Prinzip der Wärmerohre zirkuliert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Kondensationstemperatur des Hilfsmediums dessen Druck geregelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Wärmeübertragungsleistung die Menge des zirkulierenden Hilfsmediums variiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme zur Verdampfung des Hilfsmediums der Abgaswärme entnommen wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme zur Verdampfung des Hilfsmediums aus elektrischen Heizvorrichtungen stammt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (4) über eine Rohrleitung (16) mit einem Behälter (21) verbunden ist, der das Hilfsmedium in seiner flüssigen Phase ganz oder teilweise speichert und daß der Behälter (21) ein veränderbares Volumen durch Anordnung eines Kolbens (34) oder eines Balges (18) hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Behälters (21) mit dem Wärmerohr (4) in dessen Verdampferzone (23) er­ folgt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Kolben (34) oder Balg (18) eine Stellkraft wirkt, welche von einer Feder (35) oder einem eingeschlossenen Gaspolster (20) erzeugt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationszone (24) vertikal oberhalb der Verdampferzone (23) angebracht ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kraftstoff Wärme zuführenden Teile (5, 6) von der Kondensationszone (24) bis zum Einspritzventil (8) durch Werkstoff und Aufbau hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, daß sie untereinander nur geringe Temperaturunterschiede im Verhältnis zur Kondensationstemperatur des Hilfsmediums aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kraftstoff Wärme zuführenden Teile (5, 6) von der Kondensationszone (24) bis zum Einspritzventil (8) aus gut wärmespeichernden Werkstoffen hergestellt sind, so daß sie nur geringe Temperaturschwankungen aufweisen, bis Schwankungen des Kraftstoffdurchflusses vom Regelsystem des Hilfsmediums verarbeitet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile (6), welche erwärmten Kraftstoff führen, mit der Verdampferzone (26) eines zur Kühlung dienenden Wärmerohres (27) verbunden sind und dessen Kondensationszone (28) mit einem Kühlmittel in Verbindung steht, wobei der Druck in dessen Hilfsmedium so eingestellt ist, daß dessen Siedetemperatur geringfügig über der optimalen Kraftstofftemperatur liegt, so daß dieses Wärmerohr immer dann in Funktion tritt, wenn die genannten Teile durch unerwünschte Motorabwärme zu warm werden.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Wärmequelle (3) und der Wärmesenke (6) Wärmeisolierstoffe (25) angebracht sind, welche den direkten Übergang von Wärme behindern.

15. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile zwischen Wärmequelle (3) und Wärmerohr (4) einen Stoff enthalten, oder daraus hergestellt sind, der variablen Wärmewiderstand aufweist in dem Sinn, daß dieser mit zunehmender Temperatur stark ansteigt.