-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Kraftstofförderung bei einem Verbrennungsmotor
bzw. einer Brennkraftmaschine. Insbesondere stellen das Verfahren
und die Vorrichtung gemäß dieser
Erfindung zumindest einen erwärmten
Kapillarströmungsweg
zum Verdampfen von Kraftstoff bereit, der einem Verbrennungsmotor
zugeführt
wird.
-
Es
ist eine Vielzahl von Systemen konstruiert worden, um Verbrennungsmotoren
feine Tropfen eines flüssigen
Kraftstoffs und Luft zuzuführen.
Diese Systeme führen
den Kraftstoff entweder direkt in die Verbrennungskammer ein (Direkteinspritzung)
oder verwenden einen Vergaser oder eine (mehrere) Kraftstoffeinspritzvorrichtung(en)
bzw. Kraftstoffeinspritzventile, um das Gemisch durch einen Einlaßkrümmer in
eine Verbrennungskammer zu leiten (indirekte Einspritzung). Bei
gegenwärtig
verwendeten Systemen wird das Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt, indem ein flüssiger Kraftstoff
zerstäubt
und als feine Tropfen in einen Luftstrom eingeführt wird.
-
Bei
herkömmlichen
Ottomotoren, bei denen Kraftstoff durch einen Ansaugschlitz eingespritzt
wird, wird der eingespritzte Kraftstoff bei normalen Betriebsbedingungen
verdampft, indem die Tropfen des flüssigen Kraftstoffs auf heiße Komponenten
im Ansaugschlitz oder im Krümmer
gerichtet werden. Der flüssige
Kraftstoff bildet auf den Oberflächen
der heißen
Komponenten einen Film und wird anschließend verdampft. Dann wird das
Gemisch aus verdampftem Kraftstoff und Ansaugluft durch den Druckunterschied,
der entsteht, wenn sich das Ansaugventil öffnet und sich der Kolben zum
unteren Todpunkt bewegt, in den Zylinder gesaugt. Damit die Steuerung
soweit ge sichert ist, wie es mit modernen Motoren kompatibel ist,
wird dieses Verdampfungsverfahren typischerweise so optimiert, daß es in
weniger als einem Motorzyklus erfolgt.
-
Bei
den meisten Betriebsbedingungen von Motoren ist die Temperatur der
Ansaugkomponenten ausreichend, um die auftreffenden Tropfen des
flüssigen
Kraftstoffs schnell zu verdampfen. Bei Bedingungen, wie dem Kaltstart
und dem Warmlaufen, verdampft der Kraftstoff jedoch durch das Aufprallen
auf den relativ kalten Motorkomponenten nicht. Statt dessen wird
der Lauf des Motors unter diesen Bedingungen gesichert, indem übermäßig viel
Kraftstoff zugeführt
wird, so daß ein
ausreichender Anteil durch die Wärme
und den Massentransport verdampft, wenn er sich vor dem Aufprall
auf einer kalten Ansaugkomponente durch die Luft bewegt. Die Verdampfungsrate
aufgrund dieses Mechanismus ist eine Funktion der Eigenschaften
des Kraftstoffs, der Temperatur, des Drucks, der relativen Geschwindigkeit
von Tropfen und Luft und des Durchmessers der Tropfen. Diese Methode
versagt natürlich
bei Kaltstarts in einer extremen Umgebung, in der die Flüchtigkeit
des Kraftstoffs für
die Erzeugung von Dampf in entzündbaren
Konzentrationen mit Luft nicht ausreicht.
-
Damit
die Verbrennung chemisch vollständig
ist, muß das
Kraftstoff/Luft-Gemisch zu einem stöchiometrischen Gasphasengemisch
verdampft werden. Ein stöchiometrisch
brennbares Gemisch enthält
die genauen Mengen von Luft (Sauerstoff) und Kraftstoff, die für die vollständige Verbrennung
erforderlich sind. Bei Benzin beträgt dieses Gewichtsverhältnis von
Luft/Kraftstoff etwa 14,7:1. Ein Kraftstoff/Luft-Gemisch, das weder
vollständig
verdampft noch chemisch stöchiometrisch
ist, führt
zu einer unvollständigen
Verbrennung und einem geringeren thermischen Wirkungsgrad. Die Produkte
eines idealen Verbrennungsprozesses sind Wasser (H2O)
und Kohlendioxid (CO2). Wenn die Verbrennung
unvollständig
ist, wird ein Teil des Kohlenstoffs nicht vollständig oxidiert, wobei Kohlenmonoxid
(CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) erhalten werden.
-
Die
Forderung, die Luftverschmutzung zu verringern, hat zu Versuchen
geführt,
Verbrennungsmängel durch
eine Vielzahl von Veränderungen
des Kraftstoffsystems und des Motors zu kompensieren. Wie anhand des
Standes der Technik deutlich wird, der Systeme zur Vorbereitung
und Förderung
von Kraftstoff betrifft, haben sich viele Anstrengungen darauf gerichtet,
die Tropfengröße des flüssigen Kraftstoffs
zu verringern, die Turbulenz im System zu verstärken und ausreichend Wärme zum
Verdampfen der Kraftstoffe bereitzustellen, so daß eine vollständigere
Verbrennung möglich
wird.
-
Eine
unzureichende Vorbereitung des Kraftstoffs bei niedrigeren Motortemperaturen
bleibt jedoch ein Problem, das zu höheren Emissionen führt, die
eine Nachbehandlung und komplexe Steuerungsstrategien erfordern.
Zu solchen Steuerungsstrategien können der Umlauf von Abgas,
eine variable zeitliche Steuerung der Ventile, eine verzögerte zeitliche
Steuerung der Zündung,
geringere Kompressionsverhältnisse,
die Verwendung von Katalysatoren und das Einspritzen von Luft gehören, so
daß unverbrannte
Kohlenwasserstoffe oxidiert werden und eine exotherme Reaktion hervorgerufen
wird, die für
das Anspringen des Katalysators vorteilhaft ist.
-
Eine übermäßige Kraftstoffversorgung
des Motors beim Kaltstart und Warmlaufen bildet bei herkömmlichen
Motoren eine signifikante Quelle für Emissionen aus unverbrannten
Kohlenwasserstoffen. Dieses Problem wird durch die Tatsache beigelegt,
daß der
Katalysator während
dieses Betriebszeitraumes ebenfalls kalt ist und folglich eine deutliche
Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe nicht reduziert, die
durch den Auspuff des Motors strömen.
Als Ergebnis gelangen die aus dem Motor abgegebenen hohen Konzentrationen
von unverbrannten Kohlenwasserstoffen im wesentlichen unreagiert
durch den Katalysator und werden aus dem Auspuffrohr abgegeben.
Es ist geschätzt
worden, daß 80
% der gesamten Kohlenwasserstoffemissionen, die von einem typischen
modernen Kraftfahrzeug erzeugt werden, während des Kaltstart- und Warmlaufzeitraums entstehen,
in dem der Motor zuviel Kraftstoff erhält und der Katalysator im wesentlichen
inaktiv ist.
-
In
Anbetracht des relativ großen
Anteils der beim Starten abgegebenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe
haben sich signifikante Anstrengungen bei der Entwicklung dieser
Technologie auf diesen Gesichtspunkt des Betriebs eines Kraftfahrzeugmotors
konzentriert. Da zudem immer strengere Emissionsstandards in kraft treten
und die Verbraucher für
die Preisgestaltung und die Leistung empfindlich bleiben, haben
diese Entwicklungsversuche weiterhin größte Bedeutung. Diese Versuche,
die Emissionen von herkömmlichen
Motoren beim Starten zu verringern, gehören im allgemeinen in zwei
Kategorien: 1) die Verringerung der Warmlaufzeit für Dreiwegekatalysatorsysteme
und 2) die Verbesserung der Verfahren zum Verdampfen des Kraftstoffs.
Zu den Versuchen, die Warmlaufzeit für Dreiwegekatalysatoren zu
verkürzen,
gehören
gegenwärtig:
eine Verzögerung
der zeitlichen Steuerung der Zündung,
um die Temperatur der Abgase zu erhöhen; das vorzeitige Öffnen der
Abgasventile; das elektrische Erwärmen des Katalysators; das
Erwärmen
des Katalysators mit einem Brenner oder einer Flamme; und das katalytische
Erwärmen
des Katalysators. Insgesamt sind diese Versuche teuer und wenden
sich nicht den HC-Emissionen beim oder unmittelbar nach dem Kaltstart
zu.
-
Es
ist eine Vielzahl von Verfahren vorgeschlagen worden, die das Problem
des Verdampfens des Kraftstoffs betreffen. Zu US-Patenten, die Verfahren
zum Verdampfen von Kraftstoff vorschlagen gehören: US-Patent Nr. 5,195,477,
veröffentlicht
für Hudson,
Jr. et al., US-Patent
Nr. 5,331,937, veröffentlicht
für Clarke, US-Patent
Nr. 4,886,032, veröffentlicht
für Asmus,
US-Patent Nr. 4,955,351, veröf fentlicht
für Lewis
et al., US-Patent Nr. 4,458,655, veröffentlicht für Oza, US-Patent
Nr. 6,189,518, veröffentlicht
für Cooke,
US-Patent Nr. 5,482,023, veröffentlicht
für Hunt,
US-Patent Nr. 6,109,247, veröffentlicht
für Hunt,
US-Patent Nr. 6,067,970, veröffentlicht
für Awarzamani
et al., US-Patent Nr. 5,947,091, veröffentlicht für Krohn
et al., US-Patent Nr. 5,758,826, veröffentlicht für Nines,
US-Patent Nr. 5,836,289, veröffentlicht
für Thring
und US-Patent Nr. 5,813,388, veröffentlicht
für Cikanek,
Jr. et al.
-
Zu
weiteren vorgeschlagenen Kraftstoffördervorrichtungen gehört US-Patent Nr. 3,716,416,
das eine Brennstoffdosiereinrichtung für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem
offenbart. Das Brennstoffzellensystem soll selbstregulierend sein,
wobei es eine bestimmte Energiemenge erzeugt. Das vorgeschlagene Brennstoffdosiersystem
schließt
eher eine Regeleinrichtung für
die Kapillarströmung
zur Drosselung des Brennstoffstroms als Reaktion auf die abgegebene
Leistung der Brennstoffzelle ein, als daß für eine bessere Vorbereitung
des Brennstoffs für
die anschließende
Verbrennung gesorgt wird. Der Brennstoff soll statt dessen einem
Brennstoffreformer für
die Umwandlung in H2 und dann einer Brennstoffzelle
zugeführt
werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Kapillarröhrchen aus
Metall, und die Kapillare selbst wird als Widerstand verwendet,
der mit der abgegebenen Leistung der Brennstoffzelle in elektrischem
Kontakt steht. Da der Strömungswiderstand
von Dampf höher
als der einer Flüssigkeit
ist, wird der Strom gedrosselt, wenn die abgegebene Leistung steigt.
Zu den für
die Verwendung vorgeschlagenen Brennstoffen gehört irgendein Fluid, das leicht
aus der flüssigen
Phase in die Dampfphase übergeht,
wenn Wärme
angewendet wird, und ungehindert durch eine Kapillare strömt. Das
Verdampfen wird anscheinend in einer Art und Weise erreicht, bei
der es bei Kraftfahrzeugmotoren zu einem Dampfblaseneinschluß kommt.
-
US-Patent
Nr. 6,276,347 schlägt
einen superkritischen oder nahezu superkritischen Zerstäuber und ein
Verfahren vor, um das Zerstäuben
oder Verdampfen einer Flüssigkeit
zu erreichen. Der superkritische Zerstäuber von US-Patent Nr. 6,276,347
soll die Verwendung von hochsiedenden Kraftstoffen für den Betrieb
von kleinen leichten Ottomotoren mit einem geringen Kompressionsverhältnis ermöglichen,
die typischerweise Benzin verbrennen. Der Zerstäuber soll aus flüssigen oder
einer Flüssigkeit ähnelnden
Kraftstoffen einen Sprühnebel
aus feinen Tropfen erzeugen, indem die Kraftstoffe in dem Gasstabilitätsbereich
im Phasendiagramm, das mit diesen Kraftstoffen verbunden ist, in
Richtung ihrer superkritischen Temperatur gebracht und in einen
Bereich mit geringerem Druck freigesetzt werden, was zum feinen
Zerstäuben
oder Verdampfen des Kraftstoffs führt. Die Nützlichkeit wird bei Anwendungszwecken,
wie Verbrennungsmotoren, einer wissenschaftlichen Ausstattung, der
chemischen Behandlung, der Kontrolle der Entsorgung von Abfällen, dem
Reinigen, dem Ätzen,
der Insektenkontrolle, dem Modifizieren von Oberflächen, dem
Befeuchten und Verdampfen, offenbart.
-
Für die Minimierung
der Zersetzung schlägt
US-Patent Nr. 6,276,347 vor, den Kraftstoff unter der superkritischen
Temperatur zu halten, bis er das hintere Ende einer Verengung zum
Zerstäuben
durchläuft.
Bei bestimmten Anwendungszwecken ist es erwünscht, nur die Spitze der Verengung
zu erwärmen,
um die Möglichkeit
von chemischen Reaktionen oder Niederschlägen zu minimieren. Das soll
Probleme verringern, die mit Verunreinigungen, Reaktanten oder Materialien
im Kraftstoffstrom verbunden sind, die sonst aus der Lösung getrieben
würden,
wobei sie Leitungen und Filter verstopfen. Das Arbeiten bei oder
nahezu bei superkritischem Druck läßt darauf schließen, daß das Kraftstoffördersystem
im Bereich von 21,1 bis 56,2 kg/cm2 (300 bis
800 psig) arbeitet. Obwohl die Anwendung von superkritischem Druck
und superkritischer Temperatur das Verstopfen des Zerstäubers verringern
kann, erfordert es anscheinend die Verwendung einer ver hältnismäßig teureren
Kraftstoffpumpe, sowie auch von Kraftstoffleitungen, Paßstücken und
dergleichen, die bei diesem erhöhten
Druck arbeiten können.
-
US-Patent
Nr. 5,873,354 schlägt
ein Kraftstoffördersystem
für einen
Verbrennungsmotor vor, das eine Dosiereinrichtung für die Ansaugluft,
die zu einzelnen Verbrennungskammern führt, einige Kraftstoffeinspritzventile,
von denen jedes einer Verbrennungskammer zugeordnet ist, und einen
zentralen Kraftstoffverdampfer aufweist, dem der Kraftstoff durch
eine separate Kraftstoffdosiereinrichtung zugeführt werden kann. Ferner wird
vorgeschlagen, daß der
im Kraftstoffverdampfer erzeugte Kraftstoffdampf stromabwärts der
Dosiereinrichtung für
die Ansaugluft der Ansaugluft für
die Verbrennungskammern zugesetzt werden kann, um Verschmutzungsemissionen
während
der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors nach dem Starten zu verringern.
-
EP 0 915 248 A1 schlägt eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung für
die Verwendung im Einlaßkrümmer eines
Verbrennungsmotors vor, der mit Flüssiggas arbeitet. Die vorgeschlagene
Vorrichtung besteht aus einer Einspritzeinrichtung, deren Körper eine
Spitze hat, durch die ein Kraftstoffauslaßloch verläuft, wobei sie ferner aus einem
Einspritzrohr besteht, das die Spitze dieser Einspritzeinrichtung
verlängert
und deren Kanal sich in einer Linie mit diesem Auslaßloch befindet,
wobei das Einspritzrohr einen freitragenden Abschnitt, der sich
in den Einlaßkrümmer erstreckt,
sowie auch eine Einrichtung aufweist, mit der die Eisbildung auf
dem Einspritzrohr zumindest teilweise verhindert wird.
-
Nach
einem Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
zum Verdampfen einen flüssigen
Kraftstoffs für
die Verwendung in einem Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1.
-
Nach
einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung
ein Kraftstoffsystem für
die Verwendung in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 10.
-
Nach
einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung
ein Verfahren, um Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor zu befördern, nach
Anspruch 11.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
und ein -fördersystem
bereit, die verdampfen Kraftstoff zuführen können, wobei eine minimale Energie
und Warmlaufzeit erforderlich sind, ohne daß ein Hochdruck-Kraftstoffördersystem
nötig ist,
das in einer Anzahl von Gestaltungsformen verwendet werden kann,
wozu herkömmliche
Motoren mit dem Einspritzen von Kraftstoff durch einen Ansaugschlitz,
Hybrid-Elektromotoren, Benzinmotoren mit Direkteinspritzung und
mit Alkohol betriebene Motoren gehören.
-
Die
Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung, die nur als Beispiel aufgeführt sind, und anhand der beigefügten Zeichnungen
ausführlicher
beschrieben, welche zeigen:
-
1 ein
Beispiel einer modifizierten Kraftstoffeinspritzvorrichtung, teilweise
im Querschnitt, die einen Kapillarströmungsweg aufweist;
-
2 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
-
2A eine
maßgleiche
Ansicht des Auslasses der Kapillare der in 2 gezeigten
Ausführungsform;
-
3 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels;
-
3A eine
maßgleiche
Ansicht einer anderen Gestaltung des Auslasses der Kapillare der
in 3 gezeigten Ausführungsform;
-
4 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels;
-
4A eine
maßgleiche
Ansicht einer weiteren Gestaltung des Auslasses der Kapillare der
in 4 gezeigten Ausführungsform;
-
5 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
weiteren Form;
-
6 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
weiteren Form;
-
7 einen
Querschnitt einer weiteren Ausführungsform
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einer weiteren Form;
-
8 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform gemäß einer
weiteren Form, die zwei Einspritzvorrichtungen verwendet;
-
9 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
weiteren Form, die teilweise im Querschnitt dargestellt ist;
-
9A eine
vergrößerte Darstellung
des gekennzeichneten Bereichs der in 9 gezeigten
Ausführungsform;
-
10 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
weiteren Form, die teilweise im Querschnitt dargestellt ist;
-
10A eine vergrößerte Darstellung
des gekennzeichneten Bereichs der in 10 gezeigten
Ausführungsform;
-
11 eine
Seitenansicht einer bevorzugten Form einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß der Erfindung;
-
11A eine maßgleiche
Ansicht einer anderen Gestaltung des Auslasses der Kapillare der
in 11 dargestellten Ausführungsform;
-
12 eine
Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die einen Kapillarströmungsweg
aufweist, der mit rezirkuliertem Abgas erwärmt wird;
-
13 eine
schematische Darstellung des Kraftstofförder- und Steuerungssystems
gemäß einer
bevorzugten Form;
-
14 eine
graphische Darstellung der Motorparameter während der ersten 20 Sekunden
des Starts bei einem Motor, der die Kraftstoffördervorrichtung verwendet,
wie sie in 1 dargestellt ist;
-
15 eine
graphische Darstellung eines Vergleichs der Motoremissionen der
Kraftstoffördervorrichtung,
wie sie in 1 dargestellt ist, mit herkömmlichen
Vorrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff durch einen Ansaugschlitz,
-
16 eine
graphische Darstellung des Masseflusses von Benzin als Funktion
der Zeit, die den Vorteil für
den Betrieb zeigt, der durch die Verwendung des oxidativen Reinigungsverfahrens
gemäß der vorliegenden Erfindung
erzielt wird;
-
17 eine
graphische Darstellung der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit für
eine handelsübliche
Benzinsorte;
-
18 eine
graphische Darstellung der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit, die verschiedene Benzine vergleicht;
-
19 eine
graphische Darstellung der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit, die einen Düsentreibstoff
mit Dieselkraftstoff Nr. 2 vergleicht;
-
20 eine
graphische Darstellung der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit für
einen Dieselkraftstoff ohne Additive, die den Effekt der oxidativen
Reinigung zeigt; und
-
21 eine
graphische Darstellung der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit, die einen Dieselkraftstoff ohne Additive mit einem Dieselkraftstoff
vergleicht, der ein Verschmutzungen verhinderndes Additiv enthält.
-
Nunmehr
wird auf die in den 1 bis 21 dargestellten
Ausführungsformen
Bezug genommen, worin für
die Bezeichnung ähnlicher
Teile durchweg die gleichen Bezugsziffern verwendet werden.
-
Die
vorliegende Erfindung gibt die Vorbereitung und Förderung
von Kraftstoff an, die für
den Kaltstart, das Warmlaufen und den Normalbetrieb eines Verbrennungsmotors
nützlich
sind. Das Kraftstoffsystem schließt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit einer Vielzahl von Kapillarströmungswegen ein, die flüssigen Kraftstoff
erwärmen
können,
so daß im
wesentlichen verdampfter Kraftstoff in einen Zylinder eines Motors
eingeführt
wird. Der im wesentlichen verdampfte Kraftstoff kann im Vergleich
mit herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzsystemen mit weniger Emissionen verbrannt werden.
Das erfindungsgemäße Kraftstoffördersystem
erfordert außerdem
weniger Energie bzw. Strom und hat kürzere Warmlaufzeiten als andere
Verdampfungsverfahren.
-
Benzine
verdampfen im allgemeinen bei niedrigen Temperaturen nicht leicht.
Im Kaltstart- und Warmlaufzeitraum wird relativ wenig flüssiger Kraftstoff
verdampft. Deshalb ist es erforderlich, für jeden Zylinder des Motors
einen Überschuß an flüssigem Kraftstoff
bereitzustellen, damit ein Luft/Kraftstoff-Gemisch erreicht wird, das
verbrennt. Beim Zünden
des Kraftstoffdampfs, der aus diesem Überschuß an flüssigem Kraftstoff erzeugt wird,
schließen
die aus den Zylindern abgegebenen Verbrennungsgase unverbrannten
Kraftstoff und unerwünschte
gasförmige
Emissionen ein. Beim Erreichen der normalen Betriebstemperatur verdampft
der flüssige Kraftstoff
jedoch leicht, so daß weniger
Kraftstoff erforderlich ist, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zu erzielen, das
leicht verbrennt. Vorteilhafterweise läßt sich beim Erreichen der
normalen Betriebstemperatur das Luft/Kraftstoff-Gemisch beim oder nahe beim stöchiometrischen
Verhältnis
steuern, wodurch Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen
und Kohlenmonoxid verringert werden. Wenn die Kraftstoffversorgung beim
oder nahezu beim stöchiometrischen
Verhältnis
gesteuert wird, steht außerdem
im Abgasstrom gerade ausreichend Luft für die gleichzeitige Oxidation
der unverbrannten Kohlenwasserstoffe und des unverbrannten Kohlenmonoxids
und für
die Reduktion von Stickoxiden über
dem Dreiwegekatalysator (TWC) zur Verfügung.
-
Durch
das System und das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird Kraftstoff, der im wesentlichen verdampft ist, in
den Einlaßströmungsweg
oder direkt in einen Zylinder des Motors eingespritzt, wodurch der
Bedarf nach einem Kraftstoffüberschuß während des
Start- und Warmlaufzeitraums eines Motors entfällt. Der Kraftstoff wird dem
Motor vorzugsweise in einem stöchiometrischen
oder kraftstoffarmen Gemisch mit Luft, oder Luft und Verdünnungsmittel,
zugeführt,
so daß praktisch
der gesamte Kraftstoff während
des Kaltstart- und Warmlaufzeitraums verbrannt wird.
-
Beim
herkömmlichen
Einspritzen des Kraftstoffs durch einen Ansaugschlitz ist eine Versorgung
mit zuviel Kraftstoff erforderlich, um robuste schnelle Motorstarts
zu sichern. Bei kraftstoffreichen Bedingungen enthält der den
Dreiwegekatalysator erreichende Abgasstrom nicht ausreichend Luft,
um den überschüssigen Kraftstoff
und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu oxidieren, wenn sich der
Katalysator erwärmt.
Ein Versuch, sich diesem Problem zuzuwenden, besteht darin, eine
Luftpumpe für
die Einführung
von zusätzlicher
Luft in den Abgasstrom stromaufwärts
des Katalysators zu verwenden. Die Aufgabe ist es, einen stöchiometrischen oder
leicht kraftstoffarmen Abgasstrom zu erzeugen, der auf der Katalysatoroberfläche reagieren
kann, wenn der Katalysator einmal seine Anspringtemperatur erreicht.
Andererseits wird es durch das System und das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
daß der
Motor im Kaltstart- und Warmlaufzeitraum bei stöchiometrischen oder sogar leicht
kraftstoffarmen Bedingungen arbeitet, womit sowohl der erforderliche
Kraftstoffüberschuß als auch
die Notwendigkeit einer zusätzlichen
Luftpumpe für
das Abgas entfallen, wodurch die Kosten und die Komplexität des Nachbehandlungssystems
für das
Abgas geringer werden.
-
Wie
erwähnt
ist der Dreiwegekatalysator im Kaltstart- und Warmlaufzeitraum zuerst
kalt und nicht in der Lage, eine signifikante Menge unverbrannter
Kohlenwasserstoffen zu reduzieren, die durch den Ka talysator strömen. Man
hat sich sehr bemüht,
die Aufwärmzeit
für Dreiwegekatalysatoren
zu verkürzen,
so daß ein größerer Anteil
der im Kaltstart- und Warmlaufzeitraum abgegebenen unverbrannten
Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Ein derartiges Konzept besteht
darin, den Motor während
des Kaltstart- und Warmlaufzeitraums bewußt sehr kraftstoffreich zu
betreiben. Mit einer Luftpumpe für
das Abgas, die Luft in diesen kraftstoffreichen Abgasstrom einführt, kann
ein brennbares Gemisch erzeugt werden, das entweder durch Selbstzündung oder
durch irgendeine Zündquelle
stromaufwärts
des Katalysators oder in diesem verbrannt wird. Die durch dieses
Oxidationsverfahren erzeugte Exotherme erwärmt das Abgas deutlich, und
die Wärme
wird weitestgehend auf den Katalysator übertragen, wenn das Abgas durch
den Katalysator strömt.
Mit dem System und dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
kann der Motor so gesteuert werden, daß die Zylinder im Wechsel kraftstoffreich
und kraftstoffarm arbeiten, so daß die gleiche Wirkung erzielt
wird, ohne daß jedoch eine
Luftpumpe erforderlich ist. Bei einem Vierzylindermotor können z.B.
zwei Zylinder im Kaltstart- und Warmlaufzeitraum kraftstoffreich
betrieben werden, so daß im
Abgas unverbrannte Kohlenwasserstoffe erzeugt werden. Die zwei restlichen
Zylinder würden
beim Kaltstart und Warmlaufen kraftstoffarm arbeiten, so daß im Abgasstrom
Sauerstoff bereitgestellt wird.
-
Das
System und das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung können
auch bei Benzinmotoren mit Direkteinspritzung (GDI) verwendet werden.
Bei GDI-Motoren wird der Kraftstoff als fein zerstäubter Sprühnebel direkt
in den Zylinder eingespritzt, der Kraftstoff verdampft und mischt
sich mit Luft, wodurch vor der Zündung
eine vorgemischte Ladung aus Luft und verdampftem Kraftstoff erzeugt
wird. Heutige GDI-Motoren erfordern einen hohen Kraftstoffdruck,
um den Kraftstoffsprühnebel
zu zerstäuben.
GDI-Motoren arbeiten im Schichtladebetrieb bei einer Teillast, um
die Pumpverluste zu verringern, die herkömmlichen Motoren mit indirekter
Einspritzung eigen sind. Ein Ottomotor mit Schichtladebetrieb bietet
die Möglichkeit,
für eine
bessere Ökonomie
des Kraftstoffs und weniger Emissionen arme Gemische zu verbrennen.
Vorzugsweise wird in der Verbrennungskammer ein insgesamt armes
Gemisch erzeugt, dies wird jedoch zum Zeitpunkt der Zündung in der
Nähe der
Zündkerze
als stöchiometrisch
oder leicht kraftstoffreich gesteuert. Der stöchiometrische Teil wird folglich
leicht gezündet,
und dies zündet
wiederum das restliche arme Gemisch. Obwohl Pumpverluste vermindert
werden können,
ist das Arbeitsfenster, das gegenwärtig für den Schichtladebetrieb zur
Verfügung
steht, auf niedrige Geschwindigkeiten des Motors und relativ geringe
Lasten des Motors begrenzt. Zu den einschränkenden Faktoren gehören eine
unzureichende Zeit zum Verdampfen und Mischen bei höheren Motorgeschwindigkeiten
und ein unzureichendes Mischen oder eine schlechte Ausnutzung der
Luft bei höheren
Lasten. Wenn verdampfter Kraftstoff bereitgestellt wird, können das
System und das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung das Arbeitsfenster für
den Schichtladebetrieb erweitern, wodurch das Problem gelöst wird, das
mit der unzureichenden Zeit zum Verdampfen und Mischen verbunden
ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen
GDI-Kraftstoffsystemen kann in der Praxis dieser Erfindung vorteilhafterweise
ein geringerer Kraftstoffdruck angewendete werden, womit die Gesamtkosten
und die Komplexität
des Kraftstoffsystems abnehmen.
-
Die
Erfindung stellt eine Kraftstoffördervorrichtung
für einen
Verbrennungsmotor bereit, die eine Quelle für komprimierten flüssigen Kraftstoff,
die flüssigen
Kraftstoff unter Druck liefert, eine Vielzahl von Kapillarströmungswegen,
die mit der Quelle für
flüssigen
Kraftstoff verbunden sind, und eine Wärmequelle einschließt, die entlang
jedes der Vielzahl von Kapillarströmungswegen angeordnet ist.
Jede Wärmequelle
kann so arbeiten, daß sie
den flüssigen
Kraftstoff in jedem aus der Vielzahl von Kapillarströmungswegen
ausreichend erwärmt, so
daß ein
Strom von im wesentlichen verdampftem Kraftstoff geliefert wird.
Die Kraftstoffördervorrichtung
wird vorzugsweise so betrieben, daß der Strom des verdampften
Kraftstoffs während
des Starts, des Warmlaufens und anderer Betriebsbedingungen des
Verbrennungsmotors einer oder mehreren Verbrennungskammern eines
Verbrennungsmotors zugeführt
wird. Falls erwünscht
können
die Strömungswege
dazu dienen, dem Motor unter normalen Betriebsbedingungen flüssigen Kraftstoff
zuzuführen.
-
Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit, um einem Verbrennungsmotor
Kraftstoff zuzuführen, das
die folgenden Schritte einschließt: Zuführen des komprimierten flüssigen Kraftstoffs
zu den Kapillarströmungswegen
und ausreichendes Erwärmen
des komprimierten flüssigen
Kraftstoffs in den Kapillarströmungswegen,
so daß bewirkt
wird, daß während des
Starts, des Warmlaufens und anderer Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors
zumindest einer Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors ein
Strom von verdampftem Kraftstoff zugeführt wird.
-
Das
erfindungsgemäße Kraftstoffördersystem
schließt
eine Vielzahl von Strömungswegen
mit Kapillargröße ein,
durch die komprimierter Kraftstoff strömt, bevor er für die Verbrennung
in einen Motor eingespritzt wird. Jeder Strömungsweg mit Kapillargröße weist
einen hydraulischen Durchmesser auf, der weniger als 2 mm, vorzugsweise
weniger als 1 mm und stärker
bevorzugt weniger als 0,5 mm beträgt. Der hydraulische Durchmesser
dient der Berechnung des Fluidstroms durch ein Fluidförderelement.
Der hydraulische Radius wird als Strömungsfläche des Fluidförderelementes,
geteilt durch den Umfang der durchgängigen Grenze im Kontakt mit
dem Fluid (allgemein als "benetzter" Umfang bezeichnet)
definiert. Im Falle eines Fluidförderelementes
mit kreisförmigen
Querschnitt beträgt
der hydraulische Radius, wenn das Element voll durchströmt wird,
(πD2/4)/πD
= D/4. Für
den Strom von Fluiden in nicht-kreisförmigen Fluidförderelementen
wird der hydraulische Durchmesser benutzt. Laut der Definition des
hydraulischen Radius beträgt
der Durchmesser eines Fluidförderele mentes
mit kreisförmigen
Querschnitt das Vierfache seines hydraulischen Radius. Folglich
wird der hydraulische Durchmesser als das Vierfache des hydraulischen
Radius definiert.
-
Entlang
des Kapillarströmungswegs
wird Wärme
angewendet, wodurch zumindest ein Teil des flüssigen Kraftstoffs, der in
den Strömungsweg
gelangt, in Dampf ungewandelt wird, wenn er entlang des Strömungswegs
fließt.
Der Kraftstoff verläßt den Kapillarströmungsweg
als Dampf, der gegebenenfalls einen geringfügigen Anteil von erwärmtem flüssigem Kraftstoff
enthält,
der nicht verdampft worden ist. "Im
wesentlichen verdampft" heißt, daß mindestens
50 Vol.-% des flüssigen
Kraftstoffs durch die Wärmequelle
verdampft sind, stärker
bevorzugt sind mindestens 70 % und besonders bevorzugt mindestens
80 % des flüssigen
Kraftstoffs verdampft. Obwohl es aufgrund der auftretenden komplexen
physikalischen Effekte problematisch sein kann, das 100 %ige Verdampfen
zu erreichen, wäre
trotzdem ein vollständiges
Verdampfen erwünscht.
Zu diesen komplexen physikalischen Effekten gehören Schwankungen des Siedepunktes
des Kraftstoffs, da der Siedepunkt druckabhängig ist und sich der Druck
in den Kapillarströmungswegen ändern kann.
Obwohl angenommen wird, daß ein
wesentlicher Teil des Kraftstoffs beim Erwärmen im Kapillarströmungsweg
den Siedepunkt erreicht, kann folglich ein Teil des flüssigen Kraftstoffs
nicht ausreichend erwärmt
werden, damit er vollständig verdampft,
somit strömt
ein Teil des flüssigen
Kraftstoffs zusammen mit dem verdampften Fluid durch den Auslaß des Kapillarströmungswegs.
-
Die
Fluidströmungswege
mit Kapillargröße sind
vorzugsweise in einem Kapillarkörper,
wie einem ein- oder mehrschichtigen Metall-, Keramik- oder Glaskörper, ausgebildet.
Jeder Strömungsweg
weist ein eingeschlossenes Volumen auf, das sich zu einem Einlaß und einem
Auslaß hin öffnet, wobei
irgendeiner davon oder beide zur Außenseite des Kapillarkörpers hin
offen sein kann bzw. können
oder mit einem anderen Strömungsweg
im gleichen Körper
oder einem anderen Körper
oder mit Paßstücken verbunden
sein kann bzw. können.
Die Heizeinrichtung kann von einem Teil des Körpers, wie einem Abschnitt
eines Rohrs aus rostfreiem Stahl, gebildet werden, oder die Heizeinrichtung
kann eine einzelne Schicht oder ein Draht aus einem Widerstandsheizmaterial
sein, die bzw. das in oder auf dem Kapillarkörper enthalten ist. Die Fluidströmungswege können irgendeine
Form haben, die ein eingeschlossenes Volumen aufweist, das sich
zu einem Einlaß und einem
Auslaß hin öffnet und
durch das ein Fluid strömen
kann. Die Fluidströmungswege
können
irgendeinen gewünschten
Querschnitt aufweisen, wobei ein bevorzugter Querschnitt ein Kreis
mit gleichem Durchmesser ist. Andere Querschnitte des Kapillarfluidströmungswegs
schließen
nicht-kreisförmige
Formen, wie dreieckig, quadratisch, rechteckig, oval, oder eine
andere Form ein, und der Querschnitt des Fluidströmungswegs
muß nicht
gleichmäßig sein.
Der Fluidströmungsweg
kann geradlinig oder nicht geradlinig verlaufen und kann ein einziger
Fluidströmungsweg
oder ein Fluidströmungsweg
mit mehreren Wegen sein. Wenn der Kapillarströmungsweg von einem Kapillarröhrchen aus
Metall gebildet wird, kann das Röhrchen
einen Innendurchmesser von 0,01 bis 3 mm, vorzugsweise von 0,1 bis
1 mm, besonders bevorzugt von 0,15 bis 0,5 mm haben. Nach einer
anderen Ausführungsform
kann der Kapillarströmungsweg
durch die Querschnittsfläche
des Strömungswegs
definiert werden, die 8 × 10–5 bis
7 mm2, vorzugsweise 8 × 10–3 bis
8 × 10–1 mm2 und stärker
bevorzugt 2 × 10–3 bis
2 × 10–1 mm2 betragen kann. Für einen gegebenen Verwendungszweck
eignen sich viele Kombinationen von einer einzigen oder mehreren
Kapillaren, unterschiedlichem Druck, unterschiedlichen Kapillarlängen, der
Kapillare zugeführten
Wärmemengen
und unterschiedliche Querschnittsflächen.
-
Der
flüssige
Kraftstoff kann dem Kapillarströmungsweg
mit einem Druck von mindestens 0,7 kg/cm2 (10
psig), vorzugsweise mindestens 1,4 kg/cm2 (20
psig) zugeführt
werden. Wenn die Kapillarströmungs wege von
der Innenseite eines Röhrchens
aus rostfreiem Stahl mit einem Innendurchmesser von etwa 0,051 cm (0,020
in) und einer Länge
von etwa 15,2 cm (6 in) gebildet werden, wird der Kraftstoff den
Kapillarströmungswegen
vorzugsweise mit einem Druck von 7 kg/cm2 (100
psig) oder weniger zugeführt,
so daß Werte
des Massedurchsatz erreicht werden, die für den stöchiometrischen Start eines
Zylinders mit typischer Größe eines Kraftfahrzeugmotors
erforderlich sind (in der Größenordnung
von 100 bis 200 mg/s). Die Kapillarströmungswege sorgen für einen
ausreichenden Strom von im wesentlichen verdampftem Kraftstoff,
so daß ein
stöchiometrisches
oder nahezu stöchiometrisches
Gemisch von Kraftstoff und Luft gesichert ist, das im Zylinder (in den
Zylindern) eines Motors gezündet
und verbrannt werden kann, ohne daß unerwünscht große Mengen von unverbrannten
Kohlenwasserstoffen oder anderen Emissionen erzeugt werden. Jedes
Kapillarröhrchen
ist auch dadurch gekennzeichnet, daß es eine geringe Wärmeträgheit hat,
so daß die
Kapillarströmungswege sehr
schnell, vorzugsweise innerhalb von 2,0 s, stärker bevorzugt innerhalb von
0,5 s und besonders bevorzugt innerhalb von 0,1 s, auf die für das Verdampfen
des Kraftstoffs erwünschte
Temperatur gebracht werden können,
was für
Anwendungszwecke von Vorteil ist, die den Kaltstart eines Motors
beinhalten. Die geringe Wärmeträgheit kann
auch beim Normalbetrieb des Motors Vorteile haben, indem z.B. die
Reaktionsfähigkeit
der Kraftstofförderung
auf plötzliche Änderungen
der geforderten Leistung des Motors verbessert wird.
-
Beim
Verdampfen von flüssigem
Kraftstoff im erwärmten
Kapillarströmungsweg
können
sich Ablagerungen von Kohlenstoff und/oder hochsiedenden Kohlenwasserstoffen
auf den Kapillarwänden
sammeln, und der Strom des Kraftstoffs kann ernsthaft eingeschränkt werden,
was schließlich
zum Verstopfen des Kapillarströmungswegs
führen
kann. Die Rate, mit der sich diese Ablagerungen ansammeln, ist eine
Funktion der Temperatur der Kapillarwand, der Strömungsrate
des Kraftstoffs und der Kraftstoffart. Es wird angenommen, daß Kraftstoffadditive
bei der Verringerung solcher Ablagerungen nützlich sein können. Sollte
sich jedoch eine Verstopfung ausbilden, kann diese Verstopfung durch
Oxidieren der Ablagerungen entfernt werden.
-
1 zeigt
ein Beispiel einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 zum
Verdampfen von flüssigem
Kraftstoff, der aus einer Quelle für flüssigen Kraftstoff abgezogen
wurde. Die Vorrichtung 10 weist einen Kapillarströmungsweg 12 auf,
der eine Einlaßseite 14 und
eine Auslaßseite 16 hat.
Ein Flüssigkeitsregelventil 18 ist vorgesehen,
um die Einlaßseite 14 des
Kapillarströmungswegs 12 in
Fluidverbindung mit einer Quelle F für flüssigen Kraftstoff zu bringen
und den flüssigen
Kraftstoff in einem im wesentlichen flüssigen Zustand in den Kapillarströmungsweg 12 einzuführen.
-
Wenn
es bevorzugt ist, kann das Flüssigkeitsregelventil 18 von
einem Solenoid 28 betätigt
werden. Der Solenoid 28 weist Wicklungen 32 auf,
die mit einem elektrischen Steckverbinder bzw. Anschluß 30 verbunden
sind. Wenn die Wicklungen 32 stromführend sind, wird das Solenoidelement 36 in
die Mitte der Wicklungen 32 gezogen. Wenn der Strom für die Wicklungen 32 abgeschaltet
wird, führt
eine Feder 38 das Soleniodelement wieder in seine ursprüngliche
Position zurück.
Mit dem Solenoidelement 36 ist ein Düsenzapfen 40 verbunden.
Die Bewegung des Solenoidelementes 36, die durch das Anlegen
von Strom an die Wicklungen 32 verursacht wird, bewirkt,
daß der
Düsenzapfen
aus der Öffnung 42 gezogen
wird, womit Kraftstoff durch die Öffnung 42 strömen kann.
-
Entlang
des Kapillarströmungswegs 12 ist
eine Wärmequelle 20 angeordnet.
Die Wärmequelle 20 wird besonders
bevorzugt gebildet, indem der Kapillarströmungsweg 12 aus einem
Röhrchen
aus einem Material mit einem elektrischen Widerstand gebildet wird,
wobei ein Teil des Kapillarströmungswegs 12 ein
Heizelement bildet, wenn eine Stromquelle an den Anschlüssen 22 und 24 mit
dem Röhrchen
ver bunden ist, so daß Strom hindurchgeleitet
wird. Es ist selbstverständlich,
daß die
Wärmequelle 20 dann
so betätigt
werden kann, daß der
flüssige
Kraftstoff im Kapillarströmungsweg 12 ausreichend
erwärmt
wird, so daß zumindest
ein Teil davon aus dem flüssigen
Zustand in den dampfförmigen
Zustand überführt und
aus der Auslaßseite 16 des
Kapillarströmungswegs 12 ein
Strom von im wesentlichen verdampftem Kraftstoff abgegeben wird.
-
Die
Vorrichtung 10 weist auch eine Einrichtung zum Entfernen
von Ablagerungen auf, die während
des Betriebs der Vorrichtung 10 gebildet worden sind. Die
Einrichtung zum Entfernen von Ablagerungen, die in 1 dargestellt
ist, schließt
ein Flüssigkeitsregelventil 18,
eine Wärmequelle 20 und
ein Regelventil 26 für Oxidationsmittel
ein, so daß der
Kapillarströmungsweg 12 in
Fluidverbindung mit einer Quelle des Oxidationsmittels C gebracht
wird. Es ist selbstverständlich,
daß sich
das Regelventil für
Oxidationsmittel an jedem Ende oder nahe jedes Endes des Kapillarströmungswegs 12 befinden
oder so gestaltet sein kann, daß es
in Fluidverbindung mit jedem Ende des Kapillarströmungswegs 12 steht.
Wenn sich das Regelventil für
Oxidationsmittel an der oder nahe der Auslaßseite 16 des Kapillarströmungswegs 12 befindet,
dient es dazu, die Quelle des Oxidationsmittels C in Fluidverbindung
mit der Auslaßseite 16 des
Kapillarströmungswegs 12 zu
bringen. Beim Betrieb wird die Wärmequelle 20 dazu
verwendet, das Oxidationsmittel C im Kapillarströmungsweg 12 ausreichend
zu erwärmen,
damit die beim Erwärmen
des flüssigen
Kraftstoffs F gebildeten Ablagerungen oxidieren. Um vom Kraftstofffördermodus
in den Reinigungsmodus umzuschalten, kann das Regelventil 26 für Oxidationsmittel
nach einer Ausführungsform
so betätigt
werden, daß es
zwischen dem Einführen
von flüssigem
Kraftstoff F und dem Einführen
von Oxidationsmittel C in den Kapillarströmungsweg 12 wechselt
und das Reinigen des Kapillarströmungswegs 12 in
situ möglich
ist, wenn das Oxidationsmittel in den zumindest einen Kapillarströmungsweg
eingeführt
wird.
-
Bei
einem Verfahren zum Oxidieren von Ablagerungen wird Luft oder Dampf
durch die Kapillare geleitet. Der Strömungsweg wird während des
Reinigungsverfahrens vorzugsweise erwärmt, so daß das Oxidationsverfahren eingeleitet
und aufrechterhalten wird, bis die Ablagerungen aufgebraucht sind.
Um dieses Reinigungsverfahren zu verbessern, kann eine katalytische
Substanz entweder als eine Beschichtung auf oder als eine Komponente
der Kapillarwand verwendet werden, so daß die für die Durchführung der
Reinigung erforderliche Temperatur und/oder die Zeit verringert
werden. Für
den kontinuierlichen Betrieb des Kraftstoffördersystems wird mehr als ein
Kapillarströmungsweg
verwendet, so daß der
Kraftstoffstrom, wenn z.B. unter Verwendung eines Sensors ein Verstopfungszustand
erfaßt
wird, zu einem anderen Kapillarströmungsweg umgeleitet und der
Strom des Oxidationsmittels durch den zu reinigenden, verstopften
Kapillarströmungsweg
eingeleitet werden kann. Als ein Beispiel ist im Kapillarkörper eine
Vielzahl von Kapillarströmungswegen
enthalten, und es kann eine Ventilsteuerungsanordnung vorgesehen
sein, um jedem Strömungsweg
selektiv flüssigen Kraftstoff
oder Luft zuzuführen.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
kann der Kraftstoffstrom in vorher festgelegten Intervallen von
jedem Kapillarströmungsweg
umgeleitet und ein Oxidationsmittelstrom eingeleitet werden. Die
Kraftstofförderung
zu einem Kapillarströmungsweg
kann über
einen Regler erfolgen. Der Regler kann z.B. die Kraftstofförderung
für einen
festgelegten Zeitraum aktivieren und die Kraftstofförderung
nach einem festgelegten Zeitraum deaktivieren. Der Regler kann auf
der Basis von einer oder mehreren festgestellten Bedingungen auch
eine Regelung des Drucks, des flüssigen
Kraftstoffs und/oder der dem Kapillarströmungsweg zugeführten Wärmemenge
vornehmen. Zu den erfaßten
Bedingungen können
unter anderem gehören:
der Druck des Kraftstoffs; die Temperatur der Kapillare; und das
Luft/Kraftstoff-Gemisch. Der Regler kann auch mehrere Kraftstoffördervorrichtungen
steuern, die mit diesem Anwendungsbereich verbunden sind. Der Regler
kann auch einen oder mehrere Kapillarströmungswege steuern, um Ablagerungen
oder Verstopfungen daraus zu entfernen. Das Reinigen eines Kapillarströmungswegs
läßt sich
z.B. erreichen, indem dem Kapillarströmungsweg Wärme zugeführt wird und dieser mit einem
Strom aus einer Oxidationsmittelquelle versorgt wird.
-
Gemäß dieser
Erfindung kann jeder erwärmte
Kapillarströmungsweg 12 einen
Strom von verdampften Kraftstoff erzeugen, der in Luft kondensiert,
so daß ein
Gemisch aus verdampften Kraftstoff, Kraftstofftropfen und Luft gebildet
wird, das gewöhnlich
als Aerosol bezeichnet wird. Im Vergleich mit einer herkömmlichen
Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff durch einen Ansaugschlitz
bei Kraftfahrzeugen, die einen Kraftstoffsprühnebel bereitstellt, der Tropfen
mit einem mittleren Durchmesser nach Sauter (SMD) im Bereich von
150 bis 200 μm
umfaßt,
hat das Aerosol eine mittlere Tropfengröße von weniger als 25 μm SMD, vorzugsweise weniger
als 15 μm
SMD. Der größte Teil
der gemäß dieser
Erfindung von der erwärmten
Kapillare erzeugten Kraftstofftropfen kann folglich unabhängig vom
Strömungsweg
von einem Luftstrom in die Verbrennungskammer mitgerissen werden.
-
Der
Unterschied zwischen der Tropfengrößenverteilung einer herkömmlichen
Einspritzvorrichtung und des erfindungsgemäßen erwärmten Kapillarströmungswegs
ist bei den Bedingungen des Kaltstarts und des Warmlaufens besonders
kritisch. Wenn eine herkömmliche
Vorrichtung um Einspritzen von Kraftstoff durch einen Ansaugschlitz
verwendet wird, benötigen
insbesondere die relativ kalten Komponenten des Einlaßkrümmers sehr
viel Kraftstoff, so daß ein
ausreichender Teil der großen
Kraftstofftropfen verdampft, die auf die Einlaßkomponenten prallen, damit
ein zündbares
Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird. Umgekehrt werden der verdampfte
Kraftstoff und die feinen Tropfen, die von der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
erzeugt werden, im wesentlichen nicht von der Temperatur der Motorkomponenten
beim Starten beeinflußt,
und damit entfällt
die erforderliche übermäßige Kraftstofförderung
unter den Bedingungen des Motorstarts. Der Wegfall der übermäßigen Kraftstoffversorgung
in Kombination mit einer exakteren Steuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses
für den
Motor, die durch die Verwendung der erfindungsgemäßen erwärmten Kapillareinspritzvorrichtung
erzielt werden, führt
zu deutlich weniger Emissionen beim Kaltstart im Vergleich mit denen, die
Motoren erzeugen, die herkömmliche
Kraftstoffeinspritzsysteme verwenden. Neben der Verringerung der übermäßigen Kraftstofförderung
sollte ferner auch betont werden, daß die erfindungsgemäße erwärmte Kapillareinspritzvorrichtung
beim Kaltstart und beim Warmlaufen einen kraftstoffarmen Betrieb
ermöglicht,
womit es zu einer deutlicheren Verringerung der Emissionen am Auspuffrohr
kommt, wenn sich der Katalysator erwärmt.
-
Siehe
weiterhin 1; der Kapillarströmungsweg 12 umfaßt ein Metallröhrchen,
wie ein Kapillarröhrchen
aus rostfreiem Stahl, und die Heizeinrichtung weist eine Länge des
Rohrs 20 auf, durch die elektrischer Strom geleitet wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform
weist das Kapillarröhrchen
einen Innendurchmesser von etwa 0,051 bis 0,076 cm (0,020 bis 0,030
in), eine erwärmte
Länge von
etwa 5,08 bis 25,4 cm (2 bis 10 in) auf, und der Kraftstoff kann
dem Röhrchen 12 mit
einem Druck von weniger als 7,0 kg/cm2 (100
psig), vorzugsweise weniger als 4,9 kg/cm2 (70
psig), stärker
bevorzugt weniger als 4,2 kg/cm2 (60 psig)
und noch stärker
bevorzugt weniger als 3,1 kg/cm2 (45 psig)
oder weniger zugeführt
werden. Es hat sich herausgestellt, daß diese Ausführungsform
verdampften Kraftstoff erzeugt, der eine Verteilung von Aerosoltropfen
bildet, deren Größe weitestgehend
im Bereich von 2 bis 30 μm
SMD liegt, wobei die mittlere Tropfengröße etwa 5 bis 15 μm SMD beträgt, wenn
der verdampfte Kraftstoff bei Umgebungstemperatur in Luft kondensiert.
Um ein schnelles und nahezu vollständiges Verdampfen bei Kaltstarttemperaturen
zu erreichen, beträgt
die bevorzugte Größe der Kraftstofftrop fen
weniger als etwa 25 μ.m.
Dieses Ergebnis kann erzielt werden, wenn an ein Kapillarröhrchen aus
rostfreiem Stahl mit 6 inch elektrischer Strom mit etwa 10,2 bis
40,8 kg/s (100 bis 400 W), z.B. 20,4 kg/s (200 W) angelegt wird,
was 2 bis 3 % des Energieinhalts des verdampften Kraftstoffs entspricht. Der
elektrische Strom kann an das Kapillarröhrchen angelegt werden, wenn
das Röhrchen
vollständig
aus einem elektrisch leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, gebildet
ist oder auf zumindest einem Teil eines nicht elektrisch leitenden
Röhrchens
oder Laminats mit einem Strömungsweg
im Inneren ein leitfähiges
Material vorgesehen wird, indem z.B. mit einem Material mit einem
elektrischen Widerstand laminiert oder beschichtet wird, so daß auf dem
Röhrchen
oder Laminat eine Widerstandsheizeinrichtung gebildet wird. Elektrische
Leitungen können
mit den elektrisch leitenden Materialien verbunden werden, um der
Heizeinrichtung elektrischen Strom zuzuführen, so daß das Röhrchen über seine Länge erwärmt wird. Ausführungsformen
zum Erwärmen
des Röhrchens
entlang seiner Länge
können
die Induktionsheizung, z.B. durch eine um den Strömungsweg
herum angeordnete elektrische Spule, oder andere Wärmequellen
einschließen,
die so im Verhältnis
zum Strömungsweg
angeordnet werden, daß die
Länge des
Strömungswegs
durch Konduktions-, Konvektions- oder Strahlungswärmeübertragung
oder irgendeine Kombination davon erwärmt wird.
-
Obwohl
ein bevorzugtes Kapillarröhrchen
eine erwärmte
Länge von
etwa 15,2 cm (6 in) und einen Innendurchmesser von etwa 0,051 cm
(0,020 in) aufweist, liefern andere Konfigurationen der Kapillaren
eine akzeptable Qualität
des Dampfes. Der Innendurchmesser kann z.B. im Bereich von 0,05
bis 0,08 cm (0,02 bis 0,03 in) liegen, und der erwärmte Abschnitt
des Kapillarröhrchens
kann im Bereich von 2,5 bis 25,4 cm (1 bis 10 in) liegen. Nach dem
Kaltstart und dem Warmlaufen muß das
Kapillarröhrchen
nicht mehr erwärmt
werden, so daß das
nicht erwärmte
Kapillarröhrchen
dazu verwendet werden kann, einem bei Normaltemperatur laufenden
Motor angemessen flüssigen
Kraftstoff zuzuführen.
-
Der
verdampfte Kraftstoff, der die erfindungsgemäße Kraftstoffkapillare verläßt, kann
an der gleichen Stelle wie bei vorhandenen Vorrichtungen zum Einspritzen
von Kraftstoff durch einen Ansaugschlitz oder an einer anderen Stelle
entlang des Einlaßkrümmers in
den Einlaßkrümmer eines
Motors eingespritzt werden. Falls es jedoch erwünscht ist, kann die Kraftstoffkapillare
so angeordnet werden, daß sie
den verdampften Kraftstoff direkt in jeden Zylinder des Motors liefert.
Die Kraftstoffkapillare hat Vorteile gegenüber Systemen, die größere Kraftstofftropfen
produzieren, die beim Starten des Motors auf die Rückseite
eines geschlossenen Ansaugventils gesprüht werden müssen. Ähnlich wie bei der Anordnung
der Auslässe
von herkömmlichen Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
ist der Auslaß des
Kraftstoffkapillarröhrchens
mit der Wand des Einlaßkrümmers vorzugsweise
bündig.
-
Etwa
20 Sekunden (oder vorzugsweise weniger) nach dem Starten des Motors
kann der zum Erwärmen
des Kapillarströmungsweg 12 verwendete
Strom abgeschaltet werden und mit dem Einspritzen von Flüssigkeit
für den
Normalbetrieb des Motors begonnen werden, wobei herkömmliche
Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendet werden. Der Normalbetrieb
des Motors kann nach einer anderen Ausführungsform erfolgen, indem flüssiger Kraftstoff
mittels kontinuierlichem Einspritzen oder möglicherweise pulsierendem Einspritzen
durch einen nicht erwärmten
Kapillarströmungsweg 12 eingespritzt
wird.
-
In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gezeigt. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 100 weist
einen Kapillarströmungsweg 112 auf.
Der Kapillarströmungsweg 112 wird
entlang der erwärmten
Länge 120 erwärmt, die
in ähnlicher
Weise wie in 1 dargestellt von elektrischen
Anschlüssen
definiert wird. An den Kapillarströmungsweg 112 ist ein
abgeflachtes Ende 150 mit einer Vielzahl von Perforationen 152 in
einer Platte 154 angebracht, die das abgeflachte Ende 150 bedeckt,
wie es in 2A gezeigt ist. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 100 kann
ein Flüssigkeitsregelventil,
wie ein Solenoidventil des vorstehend beschriebenen und in 1 gezeigten
Typs, einschließen,
das die Zuführung
von komprimiertem flüssigem
Kraftstoff zum Kapillarströmungsweg 112 ermöglicht.
Wenn der Motor ausreichend erwärmt
ist, kann das Erwärmen
des Kapillarströmungswegs 112 beendet
werden, und durch den Kapillarströmungsweg 112 kann
flüssiger
Kraftstoff zugeführt
werden.
-
In 3 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gezeigt. Es ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 200 dargestellt,
die einen Kapillarströmungsweg 212 aufweist.
Der Kapillarströmungsweg 212 wird
entlang der erwärmten
Länge 220 erwärmt, die
in ähnlicher
Weise wie in 1 dargestellt von elektrischen
Anschlüssen
definiert wird. An den Kapillarströmungsweg 212 ist ein
flaches Ende 250 mit einer Vielzahl von Perforationen 252 in
einer Platte 254 angebracht, die das flache Ende 250 bedeckt,
wie es in 3A dargestellt ist. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 200 kann
ein Flüssigkeitsregelventil,
wie ein Solenoidventil des vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten
Typs, aufweisen, das die Zufuhr von komprimiertem flüssigem Kraftstoff
zum Kapillarströmungsweg 212 ermöglicht.
Nachdem der Motor wie vorstehend beschrieben unter Verwendung der
Vielzahl von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 200 ausreichend
erwärmt
worden ist, kann das Erwärmen
des Kapillarströmungswegs 212 beendet
werden, und flüssiger
Kraftstoff kann durch den Kapillarströmungsweg 212 zugeführt werden.
Die Einspritzvorrichtung 200 kann vorteilhafterweise unter
Anwendung des vorstehend beschriebenen Oxidationsverfahrens gereinigt
werden.
-
In 4 ist
ein viertes Ausführungsbeispiel
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gezeigt. Es ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 300 dargestellt,
die einen Kapillarströmungsweg 312 aufweist.
Der Kapillarströmungsweg 312 wird
entlang der erwärmten
Länge 320 erwärmt, die
in ähnlicher
Weise wie in 1 dargestellt von elektrischen
Anschlüssen
definiert wird. An den Kapillarströmungsweg 312 ist ein
konisches Ende 350 mit einer Vielzahl von Perforationen 352 in
einer konischen Platte 354 angebracht, die das konische
Ende 350 bedeckt, wie es in 4A gezeigt
ist. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 300 kann ein Flüssigkeitsregelventil,
wie ein Solenoidventil des vorstehend beschriebenen und in 1 dargestellten
Typs, einschließen,
das die Zufuhr von komprimiertem flüssigem Kraftstoff zum Kapillarströmungsweg 312 ermöglicht.
Wie vorstehend beschrieben kann, nachdem der Motor unter Verwendung
einer Vielzahl von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 300 ausreichend
erwärmt
worden ist, das Erwärmen
des Kapillarströmungswegs 312 beendet
werden und durch den Kapillarströmungsweg 212 kann
flüssiger
Kraftstoff zugeführt
werden. Die Einspritzvorrichtung 300 kann vorteilhafterweise
unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Oxidationsverfahrens
gereinigt werden.
-
In 5 ist
eine duale Kraftstoffeinspritzvorrichtung 400 gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels dargestellt. 5 zeigt
die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 400 mit doppelter Funktion,
die eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 460 vom herkömmlichen
Typ und eine erwärmte
Kapillareinspritzvorrichtung 410 aufweisen kann. Bei dieser
Ausführungsform
ist ein erwärmter
Kapillarströmungsweg 412 in
die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 400 integriert. Etwa 20 Sekunden
nach dem Starten des Motors, oder vorzugsweise weniger, kann die Kapillareinspritzvorrichtung 410 durch
einen von einem Solenoid betätigten
Ventilstößel 436 deaktiviert
und die herkömmliche
Einspritzvorrichtung 460 für den weiteren Betrieb des
Motors durch einen anderen von einem Solenoid betätigten Ventilstößel 470 aktiviert
werden.
-
Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist in 6 dargestellt.
Wie dort gezeigt, können
an eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 500 ein erwärmter Kapillarströmungsweg 512 und
eine Einspritzdüse 560 für flüssigen Kraftstoff
angebracht sein. Der Kraftstoffstrom kann unter Verwendung der in 6 dargestellten
Ventilsteuerungsanordnung 540 selektiv zum erwärmten Kapillarströmungsweg 512,
so daß verdampfter
Kraftstoff bereitgestellt wird, oder zur Düse 560 ausgerichtet
werden, so daß flüssiger Kraftstoff
bereitgestellt wird. Etwa 20 Sekunden nach dem Starten
des Motors, oder vorzugsweise weniger, kann der Kraftstoffstrom
für den
normalen Betrieb des Motors durch die Ventilsteuerungsanordnung 540 vom
Kapillarströmungsweg 512 zur
Düse 560 für den Flüssigkeitsstrom
umgeschaltet werden. Die Ventilsteuerungsanordnung 540 kann
von einem Regler betätigt
werden, der einen Teil des elektronischen Steuerungssystems des
Motors bildet.
-
In 7 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung gezeigt. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 600 weist
einen schraubenförmigen,
erwärmten
Kapillarströmungsweg 612 auf,
der im Inneren der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 600 als
Wicklung verläuft,
wie es in 7 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform
ist der Kapillarströmungsweg 612 um
die Solenoidanordnung 628 gewickelt und wird entlang der erwärmten Länge 620 erwärmt, die
von den elektrischen Anschlüssen 622 und 624 definiert
wird. Diese Ausführungsform
ist in einer Situation nützlich,
in der der Raum begrenzt und ein lineares Kapillarröhrchen nicht denkbar
ist. Außerdem
kann diese Ausführungsform
für die
Verwendung mit einer herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzvorrichtung gedacht sein (siehe 8),
um einem Motor bei normalen Betriebsbedingungen Kraftstoff zuzuführen.
-
Siehe
nunmehr 8; eine erwärmte Kapillareinspritzvorrichtung 10 (des
anhand von 1 beschriebenen Typs) und eine
herkömmliche Einspritzvorrichtung 750 für flüssigen Kraftstoff
sind an eine Ansaugöffnung 700 des
Motors angebracht. Bei dieser Ausführungsform erhält der Motor
während
des Kaltstarts und des Warmlaufens des Motors Kraftstoff über den
Kapillarströmungsweg 12,
der entlang seiner Länge 20 erwärmt ist.
Nach den ersten etwa 20 Sekunden ab dem Start des Motors, oder vorzugsweise
weniger, wird die erwärmte
Kapillareinspritzvorrichtung 10 deaktiviert und die herkömmliche
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 750 für den normalen Betrieb des
Motors aktiviert.
-
Es
ist selbstverständlich,
daß die
Vorrichtung und das System für
die Vorbereitung und Förderung
von Kraftstoff, die in den 1 bis 4 und 7 dargestellt
sind, auch im Verbindung mit anderen Ausführungsbeispielen verwendet
werden können.
Siehe erneut 1; die Einrichtung zum Entfernen
von Ablagerungen weist folgendes auf: ein Flüssigkeitsregelventil 28 und
ein Lösungsmittelregelventil 26 für die Fluidverbindung des
Kapillarströmungswegs 12 mit
einem Lösungsmittel,
ein Lösungsmittelregelventil 26,
das sich an einem Ende des Kapillarströmungswegs 12 befindet.
Nach einer Ausführungsform
der Vorrichtung, die das Reinigen mit einem Lösungsmittel anwendet, kann
das Lösungsmittelregelventil 26 (wobei
das Regelventil für
das Oxidationsmittel in der bevorzugten Form das vorstehend beschriebene
Oxidationsreinigungsverfahren anwendet) so betätigt werden, daß es zwischen
dem Einführen
von flüssigem
Kraftstoff und dem Einführen
von Lösungsmittel
in den Kapillarströmungsweg 12 wechselt,
wodurch das Reinigen des Kapillarströmungswegs 12 in situ
möglich
wird, wenn das Lösungsmittel
in den Kapillarströmungsweg 12 eingeführt wird.
Obwohl eine Vielzahl von Lösungsmitteln
verwendet werden kann, kann das Lösungsmittel flüssigen Kraftstoff
aus der Quelle für
flüssigen
Kraftstoff umfassen. In diesem Fall ist kein Lösungsmittelregelventil erforderlich,
da nicht zwischen Kraftstoff und Lösungsmittel umgeschaltet werden
muß, und
die Wärmequelle sollte
beim Reinigen des Kapillarströmungswegs 12 schrittweise
außer
Betrieb genommen oder deaktiviert werden.
-
Eine
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist in 9 teilweise
im Querschnitt dargestellt. In 9 ist eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 800 mit einem erwärmten Kapillarströmungsröhrchen 812 für die Zuführung von
Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor gezeigt. Einzelheiten des
Röhrchens
für die
Zuführung
von Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor sind in 9A dargestellt.
Wie gezeigt, befindet sich ein axial beweglicher Stab 850 im
Inneren des Kapillarströmungswegs 812.
Das vordere Ende 816 des Kapillarströmungswegs 812 ist
abgeflacht, und das vordere Ende 852 des axial beweglichen
Stabs 850 verläuft
konisch, so daß ein
Ventil 854 gebildet wird, wobei die axiale Bewegung des
Stabs 850 das Ventil 854 öffnet und schließt. Es ist
selbstverständlich,
daß die
wiederholte Bewegung des axial beweglichen Stabs 850 das
Abschleifen von Ablagerungen bewirkt, die während des Betriebs der Kraftstoffeinspritzvorrichtung entstanden
sind.
-
Siehe
nunmehr 10; dort ist ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung teilweise im Querschnitt dargestellt.
In 10 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 900 mit
einem erwärmten Kapillarströmungsröhrchen 912 für die Zuführung von
Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor gezeigt. Einzelheiten des
Röhrchens
für die
Zuführung
von Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor sind in 10A dargestellt. Wie gezeigt, befindet sich ein
axial beweglicher Stab 950 im Inneren des Kapillarströmungswegs 912. Das
vordere Ende 916 des Kapillarströmungswegs 912 ist
abgeflacht, und das vordere Ende 952 des axial beweglichen
Stabs 950 verläuft
konisch, so daß ein
Ventil 954 gebildet wird, wobei die axiale Bewegung des Stabs 950 das
Ventil 954 öffnet
und schließt.
Im Inneren des Kapillarströmungswegs 912 befindet
sich auch eine Vielzahl von Bürsten 960,
die entlang des axial beweglichen Stabs 950 angeordnet
sind, um den Kapillarströmungsweg 912 zu
reinigen. Es ist selbstverständlich,
daß die
wiederholte Bewegung des axial beweglichen Stabs 950 das
Abschleifen von Ablagerungen bewirkt, die während des Betriebs der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
entstanden sind.
-
Siehe
nunmehr 11; dort ist eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung teilweise im Querschnitt dargestellt.
Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 1000 weist eine Vielzahl
von Kapillaren 1012 auf, die parallel angeordnet sind,
um einem Verbrennungsmotor Kraftstoff zuzuführen. Bei dieser Ausführungsform
wird der Kraftstoff dem Motor innerhalb bestimmter Zeiträume des
Betriebs des Motors (z.B. Kaltstart-, Warmlauf- und Beschleunigungsbedingungen)
durch einen oder mehrere Kapillarströmungswege 1012 zugeführt, die entlang
ihrer Länge 1020 erwärmt sind,
die in ähnlicher
Weise wie in 1 dargestellt von Anschlüssen definiert
wird. Da für
eine Verringerung der unverbrannten Kohlenwasserstoffe weniger verdampfter
Kraftstoff erforderlich ist, kann das Erwärmen von einer oder mehreren
Kapillaren in dieser Konfiguration deaktiviert werden.
-
12 zeigt
in vereinfachter Form, wie eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10,
die einen Kapillarströmungsweg 12 aufweist,
angeordnet sein kann, so daß flüssiger Kraftstoff,
der durch diesen strömt,
unter Verwendung von rezirkuliertem Abgas (EGR) auf eine erhöhte Temperatur
erwärmt
werden kann, womit der Strombedarf der den Kraftstoff verdampfenden
Widerstandsheizeinrichtung 20 verringert wird. Wie gezeigt, verläuft der
Kapillarströmungsweg 12 zum
Erwärmen
durch den EGR-Strömungsweg 1100.
Für den
ersten Start des Motors wird die Widerstandsheizeinrichtung 20,
die einen Abschnitt des Kapillarströmungswegs 12 oder
eine separate Widerstandsheizeinrichtung umfaßt, mit einer Stromquelle,
wie einer Batterie, verbunden, damit der flüssige Kraftstoff F erst einmal
verdampft. Nach einem etwa 20sekündigen
Betrieb kann der Kapillarströmungsweg 12 durch die
Wärme des
EGR erwärmt
werden, so daß der
sonst für
das weitere Verdampfen des Kraftstoffs von der Widerstandsheizeinrichtung 20 benötigte Strom
vermindert wird. Somit kann der Kraftstoff im Kapillarströmungsweg 12 verdampfen,
ohne daß die
Widerstandsheizeinrichtung 20 verwendet wird, so daß Strom
gespart werden kann.
-
13 zeigt
ein Beispiel eines Steuerungssystems 2000 schematisch,
das dazu dient, einen Verbrennungsmotor 2110 zu betreiben,
der ein Ventil 2220 für
die Zuführung
von flüssigem
Kraftstoff in Fluidverbindung mit einer Quelle 2010 für flüssigen Kraftstoff
und einem Einspritzweg 2260 für flüssigen Kraftstoff, ein Ventil 2210 für die Zuführung von
verdampftem Kraftstoff in Fluidverbindung mit einer Quelle 2010 für flüssigen Kraftstoff
und Kapillarströmungswegen 2080 und
ein Ventil 2020 für
die Zuführung
von oxidierendem Gas in Fluidverbindung mit einer Quelle 2070 für oxidierendes
Gas und Kapillarströmungswegen 2080 enthält. Das Steuerungssystem
weist einen Regler 2050 auf, der typischerweise eine Vielzahl
von Eingabesignalen von einer Vielzahl von Sensoren des Motors,
wie vom Sensor 2060 für
die Motorgeschwindigkeit, vom Thermoelement 2062 für die Luft
des Einlaßkrümmers, vom
Sensor 2064 für
die Temperatur des Kühlmittels,
vom Sensor 2150 für
das Verhältnis
von Luft/Kraftstoff des Abgases, den Kraftstofförderdruck 2012 usw.,
empfängt.
Beim Betrieb führt
der Regler 2050 einen Steueralgorithmus aus, der auf einem
oder mehreren Eingabesignalen basiert, und erzeugt anschließend ein
Ausgabesignal 2024 für
das Ventil 2020 für
die Zuführung
des Oxidationsmittels, um verstopfte Kapillarströmungswege gemäß dieser
Erfindung zu reinigen, ein Ausgabesignal 2040 für das Ventil 2220 für die Zuführung von
flüssigem
Kraftstoff, ein Ausgabesignal 2034 für das Ventil 2210 für die Zuführung von
verdampftem Kraftstoff und einen Befehl 2044 bezüglich der
Heizleistung für
die Stromquelle, die den Strom liefert, um die Kapillaren 2080 zu
erwärmen.
-
Beim
Betrieb kann das erfindungsgemäße System
so gestaltet sein, daß die
bei der Verbrennung erzeugte Wärme
durch Anwendung des Erwärmens
mit Hilfe des Abgasumlaufes zurückgeführt wird,
damit der flüssige
Kraftstoff ausreichend erwärmt
wird, so daß der
flüssige
Kraftstoff im wesentlichen verdampft, wenn er durch die Kapillarströmungswege 2080 strömt, womit
die Notwendigkeit, die Kapillarströmungswege 2080 elektrisch
oder auf andere Weise zu erwärmen,
geringer oder eliminiert oder ergänzt wird.
-
BEISPIELE
-
BEISPIEL 1
-
Es
wurden Tests durchgeführt,
bei denen Düsentreibstoff
JP 8 verdampft wurde, indem der Treibstoff mit einem Mikromembranpumpensystem
einem erwärmten
Kapillarströmungsweg
mit konstantem Druck zugeführt
wurde. Bei diesen Tests wurden Kapillarröhrchen mit unterschiedlichem
Durchmesser und unterschiedlicher Länge verwendet. Die Röhrchen bestanden
aus rostfreiem Stahl 304 mit einer Länge von 2,5 bis 7,6 cm (1 bis
3 in) und folgenden Innendurchmessern (ID) und Außendurchmessern
(OD) in cm (in): 0,025 ID/0,046 OD (0,010 ID/0,018 OD), 0,033 ID/0,083
OD (0,013 ID/0,033 OD) und 0,043 ID/0,064 OD (0,017 ID/0,025 OD). Die
Wärme zum
Verdampfen des flüssigen
Treibstoffs wurde erzeugt, indem durch einen Teil des Metallröhrchens
elektrischer Strom geleitet wurde. Die Tropfengrößenverteilung wurde mit einem
Laserbeugungssystem Spray-Tech gemessen, das von Malvern hergestellt
wird. Es wurden Tropfen mit einem mittleren Durchmesser nach Sauter
(SMD) von 1,7 bis 4,0 μm
erzeugt. SMD ist der Durchmesser eines Tropfens, bei dem das Verhältnis zwischen
Oberfläche
und Volumen gleich dem des gesamten Sprühnebels ist, und steht mit
den Massentransporteigenschaften des Sprühnebels in Zusammenhang.
-
BEISPIEL 2
-
Es
wurden erneut Tests mit Benzin durchgeführt, das verdampft wurde, indem
der Kraftstoff mit einem Mikromembranpumpensystem einem erwärmten Kapillarströmungsweg
mit konstantem Druck zugeführt
wurde. Bei diesen Tests wurden Kapillarströmungswege mit unterschiedlichem
Durchmesser und unterschiedlicher Länge verwendet. Die folgende
Tabelle zeigt die empirischen Erkenntnisse für verschiedene Gestaltungsformen
des Kapillarröhrchens.
-
-
BEISPIEL 3
-
Bei
Tests mit einem 4,6 l V8 Motor von Ford wurde eine Gruppe von vier
Zylindern so modifiziert, daß sie
die Kraftstoffördervorrichtungen
enthielt, die in 1 dargestellt sind. Die Kapillarheizelemente
wurden so angebracht, daß die
Spitze der Kapillare bündig
mit der Wand der Ansaugöffnung
war, wobei dies die Stelle der Einspritzdüse des Kraftstoffvorrats ist.
Bei diesen Tests erfolgte das kontinuierliche Einspritzen (100 % Auslastungszyklus),
und folglich wurde der Kraftstoffdruck dazu verwendet, die Strömungsrate
des Kraftstoffdampfs zu regeln.
-
Siehe 14;
die graphische Darstellung zeigt die Ergebnisse der Kapillarvorrichtung
für die
Kraftstofförderung
während
der ersten 20 Sekunden des Kaltstarts eines Motors. Die eingezeichnete
Linie 1 steht für die
Geschwindigkeit des Motors in Umdrehungen pro Minute, wenn die Zeit
entlang der x-Achse abläuft.
Die eingezeichnete Linie 2 gibt den Kraftstoffstrom in Gramm pro
Sekunde an, wenn die Zeit entlang der x-Achse abläuft. Die
eingezeichnete Linie 3 steht für
Lambda, wenn die Zeit entlang der x-Achse abläuft, wobei die Einheit Lambda
für das
stöchiometrische
Verhältnis
zwischen Luft und Kraftstoff steht. Die eingezeichnete Linie 4 gibt
die gesamten Kohlenwasserstoffemissionen in Äquivalent-Teilen Methan pro
Million aus dem Abgas eines Motors an, wenn die Zeit entlang der
x-Achse abläuft.
-
Wie
die eingezeichnete Linie 3 in 14 verdeutlicht,
entfiel die anfängliche übermäßige Kraftstoffversorgung,
die für
die Grundbauteile eines Motors und die Steuerungsstrategie erforderlich
war, aufgrund der Verwendung der Kraftstoffördervorrichtung, wie sie in 1 dargestellt
ist. Das heißt,
daß die
in 1 dargestellte Kraftstoffördervorrichtung flüssigen Kraftstoff
während
des ersten Startzeitraums wirksam verdampft, so daß der Motor
mit einem nahezu stöchiometrischen
Kraftstoff/Luft-Verhältnis
gestartet wurde. 15 ist eine graphische Darstellung,
die die Verringerung der Emissionen, die sich durch den nahezu stöchiometrischen Start
ergibt, der mit der in 1 dargestellten Kraftstoffördervorrichtung
erreicht wurde (eingezeichnete Linie 6), im Vergleich mit der herkömmlichen
Startstrategie mit einer übermäßigen Kraftstoffzufuhr
(eingezeichnete Linie 5) erläutert.
Insbesondere zeigen die Ergebnisse in 15, daß die in 1 dargestellte
Kraftstoffördervorrichtung
die entsprechenden Kohlenwasserstoffemissionen während der ersten 10 Sekunden
des Kaltstarts im Vergleich mit der Grundkonfiguration, die eine übermäßige Kraftstoffversorgung
erfordert, um 46 % verringert. Die mit dem Kreis 7 gekennzeichnete
Fläche
erläutert
die deutliche Verringerung der Kohlenwasserstoffemissionen während der
ersten vier Sekunden beim Starten des Motors.
-
BEISPIEL 4
-
Es
wurden Tests durchgeführt,
um die Vorteile des oxidativen Reinigungsverfahrens bei einem erwärmten Kapillarströmungsweg
zu demonstrieren, wobei ein schwefelfreies Grundbenzin ohne Additive
verwendet wurde, bei dem die Bildung großer Mengen von Ablagerungen
bekannt ist. Der für
diese Tests verwendete Kapillarströmungsweg war ein 5,1 cm (2
in) langes erwärmtes
Kapillarröhrchen,
das aus rostfreiem Stahl bestand, mit einem Innendurchmesser von
0,058 cm (0,023 in). Der Kraftstoffdruck wurde bei 0,7 kg/cm2 (10 psig) gehalten. Der Kapillare wurde
Strom zugeführt,
so daß unterschiedliche
Werte von R/R0 erreicht wurden, wobei R
der Widerstand der erwärmten
Kapillare ist und R0 der Widerstand der
Kapillare bei Umgebungsbedingungen ist.
-
16 zeigt
eine graphische Darstellung der Strömungsrate des Kraftstoffs gegenüber der
Zeit. Wie gezeigt, trat bei diesem Benzin, das kein Detergenzadditiv
enthielt, innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums eine deutliche Verstopfung
auf, wobei in nur 10 Minuten eine Abnahme der Strömungsrate
von 50 % beobachtet wurde.
-
Nachdem
eine wesentliche Verstopfung aufgetreten war, wurde der Kraftstoffstrom
unterbrochen und durch Luft mit 0,7 kg/cm2 (10
psig) ersetzt. Während
dieses Zeitraums wurde für
das Erwärmen
gesorgt und nur 1 Minute später
war eine deutliche Reinigung erzielt worden, wobei die Strömungsraten
wieder die vorherigen Werte erreichten.
-
BEISPIEL 5
-
Dieses
Beispiel zeigt, daß das
Verstopfen in dem erwärmten
Kapillarströmungsweg
von Beispiel 4 weit weniger deutlich ist, wenn eine handelsübliche Benzinsorte
benutzt wird, bei der eine effektive Additivpackung verwendet wird.
Wie in 17 gezeigt, trat eine Verringerung
der Strömungsrate
des Kraftstoffs von weniger als 10 % auf, nachdem Vorrichtung nahezu
4 Stunden betrieben worden war.
-
BEISPIEL 6
-
Für den Vergleich
von verschiedenen Benzinen und des Einflusses der Detergenzadditive
auf das Verstopfen ließ man
5 Testkraftstoffe im erwärmten
Kapillarströmungsweg
von Beispiel 4 strömen.
Zu den getesteten Kraftstoffen gehörten ein Grundbenzin ohne Additive,
das 300 ppm Schwefel enthielt, ein Grundbenzin ohne Additive, das
keinen Schwefel enthielt, das schwefelfreie Grundbenzin mit einem
zugesetzten handelsüblichen
Additiv (Additiv A) und das schwefelfreie Grundbenzin mit einem
anderen zugesetzten handelsüblichen
Additiv (Additiv B).
-
Wie
in 18 gezeigt, wirkten die Kraftstoffe mit Additiven ähnlich,
wohingegen bei den Kraftstoffen ohne Additive bei einem Betrieb
von weniger als 1 Stunde eine deutliche Verstopfung auftrat.
-
BEISPIEL 7
-
Dieses
Beispiel vergleicht den Betrieb eines Kapillarströmungswegs
im Verlauf der Zeit, der mit einem Düsentreibstoff ohne Additive
(JP 8) arbeitet, mit dem gleichen Kapillarströmungsweg, der mit Dieselkraftstoff Nr.
2 ohne Additive arbeitet, wobei mit einem Kapillarströmungsweg
mit einem ID von 0,036 cm (0,014 in) und einer Länge von 5,1 cm (2 in) gearbeitet
wurde. Der Kraftstoffdruck wurde bei 1,1 kg/cm2 (15
psig) eingestellt. Der Kapillare wurde Strom zugeführt, so
daß ein
Wert für
R/R0 von 1,19 erreicht wurde, wobei R der
Widerstand der erwärmten
Kapillare ist und R0 der Widerstand der
Kapillare bei Umgebungsbedingungen ist.
-
Wie
aus 19 ersichtlich ist, arbeiteten die Kraftstoffe
während
der ersten 10 Betriebsminuten ähnlich,
wobei der Dieselkraftstoff danach eine deutlichere Verstopfung zeigte.
-
BEISPIEL 8
-
Es
wurden Tests durchgeführt,
um die Wirksamkeit des oxidativen Reinigungsverfahrens bei einem
erwärmten
Kapillarströmungsweg
zu bewerten, wobei der Dieselkraftstoff Nr. 2 ohne Additive verwendet
wurde, der bekanntlich große
Mengen Ablagerungen bildet. Der für diese Tests verwendete Kapillarströmungsweg war
ein 5,1 cm (2 in) langes, erwärmtes
Kapillarröhrchen,
das aus rostfreiem Stahl bestand, mit einem Innendurchmesser von
0,036 cm (0,014 in). Der Kraftstoffdruck wurde bei 1,1 kg/cm2 (15 psig) gehalten. Der Kapillare wurde
Strom zugeführt,
so daß ein
Wert für
R/R0 von 1,19 erreicht wurde, wobei R wiederum
der Widerstand der erwärmten
Kapillare ist und R0 der Widerstand der
Kapillare bei Umgebungsbedingungen ist.
-
20 ist
eine graphische Darstellung der Strömungsrate des Kraftstoffs gegenüber der
Zeit. Wie deutlich wird, trat bei diesem Kraftstoff, der kein Detergenzadditiv
enthielt, innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums eine deutliche Verstopfung
auf, wobei bei einem kontinuierlichen Betrieb von etwa 35 Minuten
eine Verringerung der Strömungsrate
von 50 % beobachtet wurde.
-
Bei
einem zweiten Versuch wurde der Kraftstoffstrom nach einem 5minütigen Betrieb
unterbrochen und für
einen Zeitraum von 5 Minuten durch Luft mit 0,7 kg/cm2 (10
psig) ersetzt. Während
dieses Zeitraums wurde ebenfalls für das Erwärmen gesorgt. Dieses Verfahren
wurde alle 5 Minuten wiederholt. Wie in 20 gezeigt,
erhöhte
das oxidative Reinigungsverfahren die Strömungsrate des Kraftstoffs in
jedem Fall tatsächlich und
zeigte die Tendenz, die gesamte Abnahme der Strömungsrate des Kraftstoffs im
Verlauf der Zeit zu verlangsamen. Die Wirksamkeit des Verfahrens
war jedoch etwas geringer als die mit Benzin ohne Additive erreichte,
wie es in Beispiel 4 beschrieben ist.
-
BEISPIEL 9
-
Es
wurden Tests durchgeführt,
um den Einfluß eines
handelsüblichen
Verschmutzungen verhindernden Additivs, das mit dem Dieselkraftstoff
Nr. 2 von Beispiel 8 gemischt ist, auf die Strömungsrate des Kraftstoffs in
einem erwärmten
Kapillarströmungsweg
im Verlauf der Zeit zu bewerten. Der für diese Tests verwendete Kapillarströmungsweg
war wiederum ein 5,1 cm (2 in) langes erwärmtes Kapillarröhrchen,
das aus rostfreiem Stahl bestand, das einen Innendurchmesser von
0,036 cm (0,014 in) hat. Der Kraftstoffdruck wurde bei 1,1 kg/cm2 (15 psig) gehalten, und der Kapillare wurde
Strom zugeführt,
um einen Wert für
R/R0 von 1,19 zu erreichen.
-
21 zeigt
einen Vergleich der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit für
den Dieselkraftstoff Nr. 2 mit Additiven und einen Dieselkraftstoff
ohne Additive. Wie deutlich wird, trat bei dem Kraftstoff, der kein
Detergenzadditiv enthielt, in sehr kurzer Zeit eine deutliche Verstopfung
auf, wobei bei einem kontinuierlichen Betrieb von etwa 35 Minuten
eine Abnahme der Strömungsrate
von 50 % beobachtet wurde, während der
gleiche Grundkraftstoff, der das Detergenz enthielt, über einen
längeren
Zeitraum eine weit geringere Verstopfung zeigte.
-
Obwohl
die Erfindung in den Zeichnungen und der vorangegangenen Beschreibung
ausführlich
erläutert
und beschrieben worden ist, sind die offenbarten Ausführungsformen
nur erläuternd
und nicht einschränkend.
Alle Änderungen
und Modifikation, die im Umfang der Erfindung liegen, sollen geschützt sein.
Als ein Beispiel kann die erfindungsgemäße Ausführungsform, die eine Vielzahl
von Kapillarströmungswegen
bereitstellt, mit irgendeinem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden,
das in der Beschreibung offenbart oder in den Figuren dargestellt
ist.