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Die
Erfindung betrifft ein brennkraftbetriebenes Arbeitsgerät gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Brennkraftbetriebene Arbeitsgeräte werden beispielsweise zum
Eintreiben von Bolzen oder Nägeln
in Oberflächen
verwendet.
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Arbeitsgeräte dieser
Art weisen eine Brennkammer zum Entzünden eines Gasgemisches auf. An
diese Brennkammer schließt
sich ein Zylinder an, in dem ein Kolben geführt wird. Der Kolben wird durch
Zünden
des der Brennkammer zugeführten Gasgemisches
und durch die stattfindende Ausdehnung in dem Zylinder vorgetrieben.
Durch das Vortreiben des Kolbens wird ein vor dem Kolben angeordnetes
Befestigungselement, beispielsweise ein Nagel, in eine vor dem Arbeitsgerät befindliche
Wand oder Oberfläche
hineingetrieben.
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Der
Brennstoff, der in einem Druckbehälter gespeichert ist, muss
zwischen der Entnahme aus dem Druckbehälter und dem Einspritzen in
die Brennkammer durch eine geeignete Einrichtung optimal dosiert
werden, so dass der Brennkammer ein optimales Brennstoff/Luftgemisch
zugeführt
und somit eine gute und optimale Verbrennung realisiert werden kann.
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Für ein effektives
Arbeiten mit einem brennkraftbetriebenen Arbeitsgerät ist es
notwendig, dass die durch das Zünden
des Gasgemisches erzeugte Antriebskraft des Kolbens bei jedem Setzvorgang gleich
ist. Da die für
die Verbrennung zur Verfügung stehende
Sauerstoffmenge stark vom Luftdruck und der Luftfeuchtigkeit abhängt, schwankt
die benötigte Brennstoffmenge
bei den erwähnten
Parametern stark, im Extremfall bis zu 40%. Um diese Schwankungen
auszugleichen, sind Dosiervorrichtungen bekannt, durch die u.U.
eine gleichbleibende Leistung des Arbeitsgeräts gewährleistet werden kann.
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Um
eine gleichbleibende Dosierung zu ermöglichen, sind mehrere im Folgenden
aufgezählte Verfahren
und Dosiervorrichtungen bekannt. Bei der volumetrischen Dosierung
von flüssigen
Brennstoffen mit einem fixen Dosiervolumen wird der flüssige Brennstoff
zuerst in ein Dosierventil eingebracht. Dosierventile weisen ein
vorgegebenes Dosiervolumen auf. Durch einen Auslösemechanismus wird die in dem
Dosierventil befindliche Flüssigkeit
in die Brennkammer überführt. Nachteilig
bei diesem Verfahren ist das fest eingestellte Do siervolumen des
Dosierventils, wodurch die Dosiermenge nicht variabel ist. Damit
lässt sich
die Brennstoffmenge nicht an wechselnde Umgebungs- bzw. Einsatzbedingungen
anpassen. Somit kann bei tiefen Umgebungstemperaturen keine größere Brennstoffmenge
eingebracht werden, ebenso kann bei hohen Temperaturen auch nicht
weniger Brennstoff dosiert werden. Das feststehende Volumen des
Dosierventils kann nur als Kompromiss zwischen den Extremwerten
der Umgebungstemperaturen ausgelegt werden, so dass weder bei tiefen
noch bei hohen Temperaturen eine optimale Verbrennung erzielt werden
kann. Es ist weiterhin auch keine Leistungsregulierung des Arbeitsgerätes über die
Brennstoffmenge möglich.
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Es
sind auch volumetrische Dosierungen mit fest voreingestelltem Dosiervolumen
für gasförmige Dosierungen
bekannt. Dabei wird der Brennstoff nach der Entnahme aus einem Druckbehälter verdampft.
Das Dosiervolumen bei gasförmiger
Dosierung ist ca. 100- bis 300-mal größer als bei einer flüssigen Dosierung,
wobei auch hier das feste Dosiervolumen nachteilig ist. Der Brennstoff
wird durch eine Drosselung vor einer Dosierkammer verdampft. Die dazu
notwendige Verdampfungswärme
wird einem Verdampfer zugeführt.
Dabei wird eine flüssig
vorabgemessene Brennstoffmenge verdampft, die in die Dosierkammer
eingebracht wird. Der Druck in der Dosierkammer wird durch eine
Ablassöffnung
zur Umgebung immer konstant auf Umgebungsdruck gehalten, so dass
hier eine Kompensation des Umgebungsdrucks stattfindet. Da der zugeführte Brennstoff
gasförmig
ist, ändert
sich die Dichte dieses Brennstoffes in gewissen Grenzen proportional
zur Luftdichte, so dass die Brennstoffmenge automatisch an die Schwankungen
der Umgebungstemperatur und an den Umgebungsdruck angepasst wird.
Dafür ist
jedoch Voraussetzung, dass die Lufttemperatur der Dosierkammertemperatur ähnelt, was
bei heißen Arbeitsgeräten selten
der Fall ist. Auch bei diesem Verfahren ist eine Leistungsregulierung
oder eine Kompensation anderer Umgebungsbedingungen, beispielsweise
der Luftfeuchtigkeit, nicht möglich. Eine
Regulierung für
den Druck in der Dosierkammer ist jedoch nicht vorgesehen.
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Es
sind auch Dosierungen mit einer zeitlichen Steuerung der Öffnung eines
Dosierventils, beispielsweise eines Magnetventils, bekannt. Dabei wird
mittels eines elektronisch angesteuerten Magnetventils die eingespritzte
flüssige
Brennstoffmenge abgemessen, indem das Dosierventil nur für eine bestimmte
Zeit geöffnet
wird, um die gewünschte Brennstoffmenge
in die Dosierkammer einströmen
zu lassen. Durch die Zeitsteuerung des Ventils können auch andere Parameter,
die die Brennstoffmenge bzw. das Brennstoffvolumen beeinflussen,
berücksichtigt
werden.
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Ein
derartiges System ist in der
US 6,223,963 beschrieben.
Dort steuert eine Brennstoffeinspritzschaltung die Zeitdauer, in
der das Dosierventil eingangsseitig geöffnet ist. Mittels eines Mikroprozessors
wird das Füllintervall
in Abhängigkeit
der Zeit, der Temperatur des Gases und der Brennkammertemperatur
sowie der Batteriespannung gesteuert. Bei steigender Raumtemperatur
wird das Füllintervall
verkürzt
bzw. bei fallender Raumtemperatur wird es verlängert. Eine Steuerschaltung
steuert die Dosierventilöffnungszeit
in Abhängigkeit
der Umgebungstemperatur und/oder des Umgebungsdruckes.
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Bei
der Dosierung mit zeitlicher Steuerung der Öffnung eines Magnetventils
bei flüssiger
Dosierung wird wie bei der volumetrischen Dosierung mit fixen Dosierungen
für flüssige Dosierungen
der Brennstoff in flüssiger
Form in die Brennkammer eingebracht. Das heißt, der Brennstoff muss auf
dem Weg zwischen Dosiereinrichtung und Brennkammer bzw. in der Brennkammer
verdampfen. Besonders bei kalten Umgebungstemperaturen, wenn ein
niedriger Dampfdruck und eine langsame Verdampfung vorherrschen,
besteht die Gefahr, dass zum Zündzeitpunkt
zu wenig Brennstoff verdampft ist, so dass die Leistung des Arbeitsgeräts stark
zurückgeht
bzw. überhaupt
keine Zündung
erfolgt. Ebenso besteht bei schnellen Setzvorgängen die Gefahr, dass zu wenig Brennstoff
verdampft ist und ebenfalls die Leistung zurückgeht oder keine Zündung stattfindet.
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Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, ein brennkraftbetriebenes Arbeitsgerät anzugeben,
bei dem eine gleichbleibende Brennstoffmenge unter wechselnden Umgebungsbedingungen
in der Dosierkammer dosierbar ist.
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Die
vorrichtungsseitige Lösung
der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den
jeweils nachgeordneten Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die Vorteile der volumetrischen
Dosierung mit den Vorteilen der gasförmigen Dosierung zu verbinden. Dazu wird
vorgeschlagen, die Gasmenge in der Dosierkammer über ein an die Dosierkammer
gekoppeltes Überdruckventil
einzustellen.
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Dies
setzt voraus, dass die der Dosierkammer zugeführte Anfangs-Gasmenge immer
so groß ist,
daß sie
sich in Abhängigkeit
des Umgebungsdrucks bzw. einer gemessenen Temperatur auf einen optimalen
Wert einstellen läßt.
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Die
in der Dosierkammer dosierte Gasmenge wird mit Ansetzen des Arbeitsgeräts an einen
Gegenstand über
einen Auslasskanal der Brennkammer zugeführt. Über diesen Auslasskanal wird
der Brennkammer auch Luft, insbesondere Frischluft, zugeführt. Durch
die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann mit dem einstellbaren Überdruckventil
der Druck in der Dosierkammer geregelt werden. Damit ist auch eine
leistungsgesteuerte Zuführung
des Gasgemisches möglich,
so dass bei einer Anforderung nach hoher Antriebskraft durch Erhöhung des Gasanteils
in dem Gasgemisch auch eine stärkere Antriebskraft
erzielt werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Überdruckventil ein Stellglied
auf, mit dem der Druck in der Dosierkammer einstellbar ist, bei
dem das Uberdruckventil öffnet.
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Das
Stellglied des Überdruckventils
ist dabei in vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung in Abhängigkeit
von einer gemessenen Temperatur, zum Beispiel der Temperatur der
Brennkammer bzw. der Dosierkammer und/oder der Umgebungstemperatur, und/oder
in Abhängigkeit
von dem Umgebungsdruck einstellbar. Je nach Ausgestaltung lässt sich
das Überdruckventil
entweder von nur einem Parameter oder von mehreren Parametern einstellen.
Dies hat den Vorteil, dass eine noch exaktere. Dosierung der Brennstoffmenge
in der Dosiervorrichtung realisiert werden kann. Beispielsweise
hängt die
in der Brennkammer eingeschlossene Sauerstoffmenge von der Temperatur
der Brennkammer ab. Ist die Brennkammertemperatur durch Messung
bekannt, kann man also auf die Sauerstoffmenge in der Brennkammer schließen und
bestimmen, wieviel Brenngas der Brennkammer zugeführt werden
muß, um
ein stöchiometrisches
Gemisch zu erzeugen, das erforderlich ist, damit die Verbrennung
optimal abläuft.
Insofern kann die Menge an in der Dosierkammer zur Verfügung zu
stellendem Brenngas genauer eingestelllt werden.
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Durch
Messen der entsprechenden Parameter kann die Brennstoffmenge zum
Beispiel entsprechend folgender Gleichung berechnet werden. Brennstoffmenge = (Dosierkammerdruck·Dosierkammervolumen)/(Gaskonstante
Dosierkammertemperatur)
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Folgende
Situationen sind dadurch besser einstellbar. Bei hohem Umgebungsdruck
würde ein nichteinstellbares Überdruckventil
eine größere Gasmenge
in der Dosierkammer belassen, als bei einem niedrigeren Umgebungsdruck.
da im letzten Fall das Überdruckventil
durch den geringen Gegendruck des Umgebungsdrucks schneller öffnen würde und
somit in der Dosierkammer vorhandenes Gas entweichen könnte. Da
der Umgebungsdruck mit der Umgebungstemperatur gekoppelt ist, lässt sich
durch Messung der Umgebungstemperatur auf den Umgebungsdruck schließen und
somit der Druck, beim dem das Überdruckventil öffnet, einstellen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Stellglied des Überdruckventils von
einem Steuersignal elektronisch steuerbar.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird
es ermöglicht,
dass die Gasdichte in Abhängigkeit
der oben aufgezählten
Parameter automatisch kompensiert wird. Durch die gasförmige Dosierung wird
erreicht, dass keine Probleme durch zu langsames Verdampfen beim
Einspritzen von flüssigem Brennstoff
in die Brennkammer bei kalten Umgebungsbedingungen auftreten können. Außerdem ist bei
einer gasförmigen
Dosierung das Dosiervolumen viel größer, so dass Fertigungstoleranzen
und eine thermische Ausdehnung des Gehäuses keinen Einfluss auf die
Dosiermenge in der Dosiervorrichtung haben. Ebenso werden Probleme
durch das Verdampfen des Brennstoffes in der Dosiervorrichtung vermieden.
Weiter kann durch die Einstellbarkeit bzw. Regelbarkeit des Überdruckventils
eine Leistungsregulierung des Arbeitsgerätes unter Berücksichtigung
weiterer Umgebungsbedingungen, beispielsweise der Luftfeuchtigkeit.
ermöglicht
werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 einen Axialschnitt durch
ein brennkraftbetriebenes Arbeitsgerät bei aufgespannter Brennkammer;
und
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2 eine Schnittdarstellung
eines Druckbehälters
sowie einer Dosiervorrichtung für
das Arbeitsgerät
nach 1.
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Die 1 zeigt einen Axialschnitt
durch ein brennkraftbetriebenes Setzgeräts für Befestigungselemente im Bereich
seiner Brennkammer 22. Gemäß 1 enthält das Setzgerät eine zylindrisch
ausgebildete Brennkammer 22 mit einer Zylinderwandung 2 und
einer sich daran anschließenden
ringförmigen Bodenwand 3.
Im Zentrum der Bodenwand 3 befindet sich eine Öffnung,
an die sich ein Führungszylinder 5 anschließt, der
eine Zylinderwand 6 und eine Bodenwand 7 aufweist.
Im Führungszylinder 5 ist
ein Kolben 8 gleitend verschiebbar gelagert, und zwar in
Zylinderlängsrichtung
des Führungszylinders 5.
Der Kolben 8 besteht aus einer Kolbenplatte 9,
die zur Brennkammer 22 weist, und einer Kolbenstange 10, die
durch eine Durchgangsöffnung 11 in
der Bodenwand 7 zu einem Teil aus dem Führungszylinder 5 herausragt.
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In
der 1 befindet sich
der Kolben 8 in seiner zurückgeführten Ausgangsstellung, in
der das Setzgerät
nicht in Betrieb ist. Innerhalb der Brennkammer 22 befindet
sich eine Zylinderplatte, die als bewegbare Brennkammerwand 14 bezeichnet
werden kann. Die Brennkammerwand 14 ist in Längsrichtung
der Brennkammer 22 verschiebbar und weist an ihrem äußeren Umfangsrand
eine ringförmige
Dichtung auf, um die Räume
vor und hinter der Brennkammerwand 14 abzudichten. Die
Brennkammerwand 14 wird beim Aufspannen in Längsrichtung der
Brennkammer 22 über
nicht dargestellte Antriebsstangen verschoben. Dabei bewegt sich
die Brennkammerwand 14 der Brennkammer 22 nach oben.
Ferner befinden sich am unteren Ende des Führungszylinders 5 Auslassöffnungen 39 zum
Auslass von Luft bzw. Abgasen aus dem Führungszylinder 5,
wenn der Kolben 8 in Richtung zur Bodenwand 7 bewegt
wird. Überfährt der
Kolben 8 die Auslassöffnungen 39.
so kann das Abgas aus den Auslassöffnungen 39 entweichen.
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In
der Zylinderwandung 2 der Brennkammer 22 befindet
sich eine radiale Durchgangsöffnung.
In diese Durchgangsöffnung
ist ein Auslasskanal 43 von einer hier nicht näher dargestellten
Dosiervorrichtungen 45 eingefügt. Dieser Dosiervorrichtung 45 wird
verflüssigtes
Brenngas aus einem Druckbehälter 46 zugeführt. In
der Dosiervorrichtung 45 wird das Gas dosiert und die Dosiervorrichtung 45 gibt
dann eine dosierte Gasmenge über
den Auslasskanal 43 in die Brennkammer 22 aus,
nachdem die Dosiervorrichtung 45 mittels einer Anpressvorrichtung 51 geöffnet wurde.
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Eine
Zündvorrichtung 15 dient
dem Erzeugen eines elektrischen Funkens zwecks Zündung eines Luft-Brenngasgemisches
in der Brennkammer 22.
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Nachfolgend
soll die Wirkungsweise des Setzgeräts anhand der 1 näher
beschrieben werden.
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In 1 befindet sich das Setzgerät im aufgespannten
Zustand. Der Kolben 8 befindet sich in seiner zurückgezogenen
Ausgangsstellung. Durch Betätigung
eines Abzugshebels bzw. Triggers des Setzgeräts erfolgt zunächst die
Verriegelung der Brennkammerwand 14. In der Brennkammer 22 befindet
sich jetzt ein optimal eingestelltes Gasgemisch. Kurz danach wird
ein Zündfunke
durch die elektrische Zündvorrichtung 15 erzeugt.
Das in der Brennkammer 22 durch Dosierung voreingestellte Gemisch
aus Luft und Brenngas wird gezündet,
wodurch der Kolben 8 beaufschlagt wird und sich mit hoher
Geschwindigkeit in Richtung Bodenwand 7 bewegt, wobei gleichzeitig
die Luft aus dem Führungszylinder 5 durch
die Auslassöffnungen 39 nach
außen
getrieben wird. Die Kolbenplatte 9 überfährt kurzzeitig die Auslassöffnungen 39,
so dass durch sie Abgas entweichen kann. Durch die ausfahrende Kolbenstange 10 wird
jetzt ein Befestigungselement gesetzt. Nach Setzung bzw. nach erfolgter
Verbrennung des Luft-Brenngasgemisches wird der Kolben 8 durch
thermische Rückführung in
seine Ausgangsstellung gemäß 1 zurückgebracht, da durch Abkühlung des
in der Brennkammer 22 und im Führungszylinder 5 verbliebenen
Abgases ein Unterdruck hinter dem Kolben 8 erzeugt wird.
Bis der Kolben 8 seine Ausgangsstellung gemäß 1 erreicht hat, muss die
Brennkammer 22 dicht verschlossen bleiben.
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2 zeigt eine Dosiervorrichtung 45 mit
einem angeschlossenen Druckbehälter 46.
In diesem Druckbehälter 46 ist
das Flüssiggas
gespeichert. Der Druckbehälter 46 ist über ein
Dosierventil 47 mit der Dosiervorrichtung 45 verbunden.
An das Dosierventil 47 schließt sich ein Verdampfer 48 an,
in dem das Flüssiggas
verdampft. Über
ein Rückschlagventil 52 wird
Gas in die Dosierkammer 49 geführt, wobei das Rückschlagventil 52 ein
Zurückströmen des
Gases in Richtung Verdampfer 48 verhindert. Die Dosierkammer 49 weist
einen Kolben 50 auf, der durch die Anpressvorrichtung 51 bewegbar
ist. An die Dosierkammer 49 ist ein Überdruckventil 53 angeschlossen, welches über ein
Stellglied 54 einstellbar ist. Über das Überdruckventil 53 wird
die Verbindung zum Auslasskanal 43 hergestellt, der mit
der Brennkammer 22 des Arbeitsgeräts verbunden ist. Das Dosierventil 47 dient
zur Vordosierung des Flüssiggases, wobei
die Dosiermenge etwas größer als
die maximal zur Verbrennung benötigte
Menge ist. Im Ausgangszustand des Setzgerätes, d.h. wenn das Setzgerät nicht
angepresst ist, ist das Dosierventil 47 geöffnet, d.h.
die abgelassene flüssige
Menge Brennstoff kann in das Verdampfervolumen expandieren. Dort
verdampft der Brennstoff und strömt über das
Rückschlagventil 52 in
die Dosierkammer 49. Solange der Gasdruck in der Dosierkammer 49 höher ist
als der gewünschte
Druck, strömt
das überschüssige Gas über das Überdruckventil 53 ab,
so dass wegen der meist überdimensionierten
Brennstoffmenge das überschüssige Gas
entweichen kann. Ab Erreichen des eingestellten Drucks in der Dosierkammer 49 verschließt sich
das Überdruckventil 53.
Durch das in Abhängigkeit
des Umgebungsdrucks bzw. der -temperatur einstellbare Überdruckventil 53 ist
zu diesem Zeitpunkt die optimale gleichbleibende Gasmenge dosiert.
Beim Anpressen des Setzgeräts
wird über die
Anpressvorrichtung 51 zuerst das Dosierventil 47 geschlossen
und dann durch das Verdichten der Dosierkammer 49 mit dem
Kolben 50 der Druck in der Dosierkammer 49 erhöht, so dass
das in der Dosierkammer 49 vorhandene Gas über das Überdruckventil 53 in
den Auslasskanal 43 strömen
kann. Im Auslasskanal 43 ist eine Klappe 55 angeordnet,
mittels der beim Öffnen
des Überdruckventils 53 das
aus der Dosierkammer 49 strömende Gas entweder der Brennkammer 22 zugeführt werden
kann oder zur Einstellung der optimalen Gasmenge in die Umgebung
entweichen kann. In der Stellung A der Klappe 55 kann das
aus der Dosierkammer 49 entweichende Gas zur Brennkammer 22 strömen. In
der Stellung B der Klappe 55 ist der Weg zur Brennkammer 22 versperrt,
so dass das Gas in die Umgebung entweichen kann.
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Beim
Anpressvorgang wird die Klappe in die Stellung A gebracht, so dass
sich durch das Ausstoßen
der dosierten Gasmenge aus der Dosierkammer 49 das Gas
mit von der Umgebung zugeführter Frischluft
vermischt. Dieses so gebildete Gas/Luftgemisch wird der Brennkammer 22 zur
Zündung
zugeführt.
Das geschlossene Dosierventil 47 wird inzwischen wieder
mit flüssigem
Brennstoff für
den nachfolgenden Setzvorgang gefüllt. Nach dem Setzvorgang wird
das Setzgerät
wieder in seine Ausgangsstellung gebracht. Bei Erreichen der Ausgangsstellung
wird das Dosierventil 47 geöffnet und gibt die nächste Portion
flüssigen
Brennstoff frei, die im Verdampfer 43 verdampfen und die
Dosierkammer 49 füllen
kann. Durch die entsprechende Gestaltung des Überdruckventils 53 können Schwankungen
des Umgebungsdrucks automatisch kompensiert werden. Die automatische
Kompensation der Umgebungstemperatur kann entweder durch bauliche
Maßnahmen
oder durch elektronisches Messen der Dosierkammertemperatur und
der Umgebungstemperatur vorgenommen werden. Die gemessenen Parameter werden
einer nicht dargestellten Steuereinheit zugeführt, die über ein Steuersignal das Stellglied 54 auf den
gewünschten
Wert einstellt.