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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Kraftstofförderung in einem Verbrennungsmotor
bzw. einer Brennkraftmaschine. Insbesondere sorgen das Verfahren
und die Vorrichtung gemäß dieser
Erfindung für
zumindest einen erwärmten
Kapillarströmungsweg
zum Verdampfen von einem Verbrennungsmotor zugeführtem Kraftstoff.
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Es
ist eine Vielzahl von Systemen konstruiert worden, um Verbrennungsmotoren
feine Tropfen von flüssigem
Kraftstoff und Luft zuzuführen.
Diese Systeme führen
entweder den Kraftstoff direkt in die Verbrennungskammer ein (Direkteinspritzung)
oder verwenden einen Vergaser oder eine oder mehrere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
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.
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Bei
herkömmlichen
Ottomotoren, die das Einspritzen von Kraftstoff durch einen Ansaugschlitz
anwenden, wird der eingespritzte Kraftstoff bei normalen Betriebsbedingungen
verdampft, indem die Tropfen des flüssigen Kraftstoffs auf heiße Komponenten
in der Ansaugöffnung
oder dem Krümmer
gerichtet werden. Der flüssige
Kraftstoff bildet auf den Oberflächen
der heißen
Komponenten einen Film und wird anschließend verdampft. Das Gemisch
aus verdampftem Kraftstoff und Ansaugluft wird dann durch den Druckunterschied
in den Zylinder gesaugt, der entsteht, wenn sich das Ansaugventil öffnet und
der Kolben zum unteren Todpunkt bewegt. Um das Ausmaß der Steuerung
zu sichern, das mit modernen Motoren kompatibel ist, wird dieses
Verdampfungsverfahren typischerweise so optimiert, daß es in
weniger als einem Motorzyklus stattfindet.
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Bei
den meisten Betriebsbedingungen von Motoren reicht die Temperatur
der Ansaugkomponenten aus, um die auftreffenden Tropfen des flüssigen Kraftstoffs
schnell zu verdampfen. Bei Bedingungen, wie dem Kaltstart und dem
Warmlaufen, wird der Kraftstoff jedoch durch das Aufprallen auf
den relativ kalten Motorkomponenten nicht verdampft. Statt dessen
wird der Lauf des Motors unter diesen dadurch Bedingungen gesichert, daß ein Kraftstoffüberschuß zugeführt wird,
so daß ein
ausreichender Anteil durch die Wärme
und den Massentransport verdampft, wenn er durch die Luft strömt, bevor
er auf eine kalte Ansaugkomponente prallt. Die Verdampfungsrate
durch diesen Mechanismus ist eine Funktion der Eigenschaften des
Kraftstoffs, der Temperatur, des Drucks, der relativen Geschwindigkeiten
von Tropfen und Luft und des Tropfendurchmessers. Diese Methode
versagt natürlich
bei Kaltstarts in einer extremen Umgebung, in der die Flüchtigkeit
des Kraftstoffs nicht ausreicht, um Dampf in entzündbaren
Konzentrationen mit Luft zu erzeugen.
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Damit
die Verbrennung chemisch vollständig
ist, muß das
Kraftstoff/Luft-Gemisch zu einem stöchiometrischen Gasphasengemisch
verdampft werden. Ein brennbares stöchiometrisches Gemisch enthält die exakten
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 Verbrennungsverfahrens sind Wasser (H2O)
und Kohlendioxid (CO2). Wenn die Verbrennung
unvollständig
ist, wird ein Teil des Kohlenstoffs nicht vollständig oxidiert, womit Kohlenmonoxid
(CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) erhalten werden.
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Der
Auftrag, die Luftverschmutzung zu verringern, hat zu Versuchen geführt, die
mangelhafte Verbrennung durch eine Vielzahl von Modi fikationen des
Kraftstoffsystems und des Motors zu kompensieren. Wie aus dem Stand
der Technik deutlich wird, der Systeme zur Vorbereitung und Förderung
von Kraftstoff betrifft, haben sich viele Anstrengungen auf eine
Verringerung der Tropfengröße des flüssigen Kraftstoffs,
eine Verstärkung der
Turbulenz im System und die Bereitstellung von ausreichend Wärme zum
Verdampfen der Kraftstoffe gerichtet, um eine vollständigere
Verbrennung zu ermöglichen.
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Eine
unzureichende Vorbereitung des Kraftstoffs bei niedrigeren Motortemperaturen
bleibt jedoch ein Problem, das zu höheren Emissionen führt, womit
eine Nachbehandlungs- und komplexe Steuerungsstrategien erforderlich
sind. 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, um
unverbrannte Kohlenwasserstoffe zu oxidieren und eine exotherme
Reaktion hervorzurufen, die für
das Anspringen des Katalysators von Vorteil ist.
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Zu
viel Kraftstoff für
den Motor beim Kaltstart und Warmlaufen stellt bei herkömmlichen
Motoren eine signifikante Quelle für Emissionen in Form unverbrannter
Kohlenwasserstoffe dar. Ein Kompromiß besteht bei diesem Problem
darin, daß der
Katalysator während
dieses Betriebszeitraumes ebenfalls kalt ist und folglich eine deutliche
Menge der unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die durch den Auspuff
des Motors gelangen, nicht reduziert. Als Ergebnis gelangen die
vom 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 erfolgen, in dem der Motor
mit zuviel Kraftstoff versorgt wird und der Katalysator im wesentlichen
inaktiv ist.
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Angesichts
des relativ großen
Anteils von während
des Starts abgegebenen unverbrannten Kohlenwasserstoffen haben sich
signifikante Anstrengungen bei der Weiterentwicklung dieser Technologie
auf diesen Aspekt des Betriebs eines Kraftfahrzeugmotors konzentriert.
Da ferner immer strengere Emissionsstandards in kraft treten und
die Verbraucher weiterhin für
den Preis und die Leistung empfindlich sind, bleiben diese Entwicklungsversuche
von größter Bedeutung.
Diese Versuche, die Emissionen herkömmlicher Motoren beim Start
zu verringern, gehören
im allgemeinen in zwei Kategorien: 1) die Verringerung der Aufwärmzeit für Dreiwegekatalysatorsysteme
und 2) die Verbesserung der Verfahren zum Verdampfen des Kraftstoffs.
Zu den Versuchen, die Aufwärmzeit
für Dreiwegekatalysatoren
zu verkürzen,
gehören
gegenwärtig:
eine Verzögerung
der zeitlichen Steuerung der Zündung,
um die Abgastemperatur 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 betreffen die
HC-Emissionen beim oder unmittelbar nach dem Kaltstart nicht.
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Es
ist eine Vielzahl von Verfahren vorgeschlagen worden, die sich dem
Problem des Verdampfens des Kraftstoffs zuwenden. Zu US-Patenten,
die Verfahren zum Verdampfen des Kraftstoffs 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, veröffentlicht
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.
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Zu
anderen vorgeschlagenen Vorrichtungen für die Förderung von Kraftstoff gehört US-Patent
Nr. 3,716,416, das eine Kraftstoffdosiereinrichtung für die Verwendung
in einem Brennstoffzellensystem offenbart. Das Brennstoffzellensystem
soll selbstregulierend sein, wobei es eine Leistung mit einem vorbestimmten
Wert erzeugt. Das vorgeschlagene Brennstoffdosiersystem schließt eine
Regeleinrichtung für
die Kapillarströmung ein,
um den Brennstoffstrom als Reaktion auf die von der Brennstoffzelle
abgegebene Leistung zu drosseln, statt daß für eine bessere Vorbereitung
des Brennstoffs für
die anschließende
Verbrennung gesorgt wird. Der Brennstoff soll statt dessen der Brennstoffzelle
für die
Umwandlung in H2 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 zunimmt.
Zu den für
die Verwendung vorgeschlagenen Brennstoffen gehört irgendein Fluid, das leicht
aus der flüssigen
in die dampfförmige
Phase 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.
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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 Ot tomotoren mit einem niedrigen Kompressionsverhältnis ermöglichen,
die typischerweise Benzin verbrennen. Der Zerstäuber soll einen Sprühnebel aus
feinen Tropfen von flüssigen
oder einer Flüssigkeit ähnelnden
Kraftstoffen erzeugen, indem die Kraftstoffe im Phasendiagramm,
das mit diesen Kraftstoffen verbunden ist, im Gasstabilitätsbereich
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 für Anwendungszwecke,
wie Verbrennungsmotoren, einer wissenschaftlichen Ausrüstung, der
chemischen Behandlung, der Kontrolle der Entsorgung von Abfällen, dem
Reinigen, dem Ätzen, der
Insektenkontrolle, der Modifizierung von Oberflächen, dem Befeuchten und Verdampfen,
offenbart.
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Um
die Zersetzung zu minimieren, 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 erforderlich, genau 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 legt nahe, 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 sie anscheinend die Verwendung einer verhältnismäßig teureren Kraftstoffpumpe,
sowie auch von Kraftstoffleitungen, Paßstücken und dergleichen, die bei
diesem erhöhten Druck
arbeiten können.
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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 aufweist, durch die ein Kraftstoffauslaßloch verläuft, wobei sie ferner aus einem
Einspritzrohr besteht, das die Spitze dieser Einspritzeinrichtung
verlängert
und dessen Kanal sich in einer Linie mit dem Auslaßloch befindet,
wobei das Einspritzrohr einen freitragenden Bereich, der sich in
den Einlaßkrümmer erstreckt,
sowie auch Einrichtungen aufweist, mit denen die Eisbildung auf
diesem Einspritzrohr zumindest teilweise verhindert wird.
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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. Es wird ferner
vorgeschlagen, daß der
im Kraftstoffverdampfer erzeugte Kraftstoffdampf der Ansaugluft
für die
Verbrennungskammern stromabwärts
der Dosiereinrichtung für
die Ansaugluft zugesetzt werden kann, um Verschmutzungsemissionen
während
der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors nach dem Start zu verringern.
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Nach
einem Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
zum Verdampfen eines flüssigen
Kraftstoffs für
die Verwendung in einem Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung
ein Kraftstoffsystem für
die Verwendung in einem Verbrennungsmotor nach Anspruch 10.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die vorliegende Erfindung
ein Verfahren, um einem Verbrennungsmotor Kraftstoff zuzuführen, nach
Anspruch 13.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
und ein Fördersystem
bereit, das verdampfen Kraftstoff liefern kann, wobei eine minimale
Leistung und Warmlaufzeit erforderlich sind, ohne daß ein Hochdruck-Kraftstoffördersystem
erforderlich ist, das in einer Anzahl von Konfigurationen 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.
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Die
Erfindung wird nunmehr anhand der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, die nur als Beispiel aufgeführt sind, und unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen ausführlicher
beschrieben, welche zeigen:
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1 eine
modifizierte Kraftstoffeinspritzvorrichtung, teilweise im Querschnitt,
die einen Kapillarströmungsweg
einschließt,
gemäß einer
bevorzugten Form;
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2 eine
Seitenansicht einer Ausführungsform
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten
Form;
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2A eine
maßgleiche
Ansicht des Auslasses der Kapillare der in 2 gezeigten
Ausführungsform;
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3 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
weiteren bevorzugten Form;
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3A eine
maßgleiche
Ansicht einer anderen Gestaltung des Auslasses der Kapillare der
in 3 gezeigten Ausführungsform;
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4 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Form;
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4A eine
maßgleiche
Ansicht einer anderen Gestaltung des Auslasses der Kapillare der
in 4 gezeigten Ausführungsform;
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5 eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Form;
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6 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Form;
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7 einen
Querschnitt einer weiteren Ausführungsform
der Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß einer weiteren bevorzugten
Form;
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8 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform, die zwei Einspritzvorrichtungen
verwendet, gemäß einer
weiteren bevorzugten Form;
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9 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Form, die teilweise im Querschnitt dargestellt ist;
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9A eine
vergrößerte Darstellung
des gekennzeichneten Bereichs der in 9 gezeigten
Ausführungsform;
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10 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gemäß einer
bevorzugten Form, die teilweise im Querschnitt dargestellt ist;
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10A eine vergrößerte Darstellung
des gekennzeichneten Bereichs der in 10 gezeigten
Ausführungsform;
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11 eine
Seitenansicht einer weiteren bevorzugten Form einer entsprechenden
Kraftstoffeinspritzvorrichtung;
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11A eine maßgleiche
Ansicht einer anderen Gestaltung des Auslasses der Kapillare der
in 11 dargestellten Ausführungsform;
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12 eine
Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit einem Kapillarströmungsweg,
der mit rezirkuliertem Abgas erwärmt
wird;
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13 eine
schematische Darstellung des Kraftstofförder- und Steuersystems gemäß einer
bevorzugten Form;
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14 eine
graphische Darstellung der Motorparameter während der ersten 20 Sekunden
des Starts bei einem Motor, der die erfindungsgemäßen Kraftstoffördervorrichtung
verwendet;
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15 eine
graphische Darstellung eines Vergleichs der Motoremissionen der
erfindungsgemäßen Kraftstoffördervorrichtung
mit herkömmlichen
Einspritzvorrichtungen mit einem Ansaugschlitz;
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16 eine
graphische Darstellung des Massedurchsatzes von Benzin als Funktion
der Zeit, die den Vorteil des Betriebes zeigt, der durch die Verwendung
des oxidierenden Reinigungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung
erzielt wird;
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17 eine
graphische Darstellung der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit für
Benzin mit handelsüblicher
Qualität;
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18 eine
graphische Darstellung der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit, die verschiedene Benzinsorten vergleicht;
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19 eine
graphische Darstellung der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit, die einen Düsenkraftstoff
mit Dieselkraftstoff Nr. 2 vergleicht;
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20 eine
graphische Darstellung der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit für
einen Dieselkraftstoff ohne Additive, die die Wirkung der oxidativen
Reinigung zeigt; und
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung gibt die Vorbereitung und Förderung
von Kraftstoff an, die für
den Kaltstart, das Warmlaufen und den normalen Betrieb eines Verbrennungsmotors
nützlich
sind. Das Kraftstoffsystem schließt eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
mit einem Kapillarströmungsweg
ein, die flüssigen
Kraftstoff erwärmen
kann, so daß in
den Zylinder eines Motors im wesentlichen verdampfter Kraftstoff
eingeführt
wird. Der im wesentlichen verdampfte Kraftstoff kann im Vergleich
mit herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzsystemen bei geringeren Emissionen verbrannt
werden. Das erfindungsgemäße Kraftstoffördersystem
erfordert außerdem
weniger Leistung bzw. Strom und hat kürzere Warmlaufzeiten als andere
Verdampfungsverfahren.
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Im
allgemeinen verdampfen Benzine bei niedrigen Temperaturen nicht
leicht. Im Kaltstart- und Warmlaufzeitraum findet ein relativ geringes
Verdampfen des flüssigen
Kraftstoffs statt. Deshalb ist es erforderlich, für jeden
Zylinder des Motors einen Überschuß an flüssigem Kraftstoff
bereitzustellen, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zu erreichen, das
verbrennt. Beim Zünden
des Kraftstoffdampfs, der aus diesem Überschuß an flüssigem Kraftstoff entsteht,
schließen
die aus den Zylindern abgegebenen Verbrennungsgase unverbrannten Kraftstoff
und unerwünschte
gasförmige
Emissionen ein. Beim Erreichen der normalen Betriebstemperatur verdampft
jedoch der flüssige
Kraftstoff leicht, so daß weniger
Kraftstoff erforderlich ist, um ein Luft/Kraftstoff-Gemisch zu erreichen,
das leicht verbrennt. Vorteilhafterweise kann beim Erreichen der
normalen Betriebstemperatur das Luft/Kraftstoff-Gemisch beim oder
nahe beim stöchiometrischen
Verhältnis
gesteuert werden, wodurch Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen
und Kohlenmonoxid vermindert werden. Wenn die Kraftstofförderung
beim oder nahezu beim stöchiometrischen
Verhältnis
gesteuert wird, steht im Abgasstrom außerdem gerade ausreichend Luft
für die
gleichzeitige Oxidation von unverbrannten Kohlenwasserstoffe und
Kohlenmonoxid und für
die Reduktion von Stickoxiden über
den Dreiwegekatalysator (TWC) zur Verfügung.
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Durch
das System und das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung wird Kraftstoff, der im wesentlichen verdampft worden
ist, in den Ansaugströmungsweg
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 im
Kaltstart- und Warmlaufzeitraum praktisch der gesamte Kraftstoff
verbrannt wird.
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Beim
herkömmlichen
Einspritzen von Kraftstoff durch einen Ansaugschlitz ist zu viel
Kraftstoff erforderlich, um robuste schnelle Motorstarts zu sichern.
Unter 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 in der Verwendung
einer Luftpumpe, um zusätzliche
Luft in den Abgasstrom stromaufwärts
des Katalysators einzuführen.
Die Aufgabe besteht darin, einen stöchiometrischen oder leicht kraftstoffarmen
Abgasstrom zu erzeugen, der auf der Katalysatoroberfläche reagieren
kann, wenn der Katalysator einmal die Temperatur erreicht hat, bei
der er anspringt. Demgegenüber
ermöglichen
es das System und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung,
daß der
Motor im Kaltstart- und Warmlaufzeitraum bei stöchiometrischen oder sogar leicht
kraftstoffarmen Bedingungen arbeitet, womit sowohl der Bedarf nach
einem Kraftstoffüberschuß als auch
die Notwendigkeit einer zusätzlichen
Luftpumpe für
das Abgas entfallen, wodurch die Kosten und die Komplexität des Nachbehandlungssystems
für das
Abgas abnehmen.
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Wie
erwähnt
ist der Dreiwegekatalysator im Kaltstart- und Warmlaufzeitraum zuerst
kalt und kann keine signifikante Menge von unverbrannten Kohlenwasserstoffen
reduzieren, die durch den Kataly sator strömen. Man hat sich stark bemüht, die
Aufwärmzeit
für Dreiwegekatalysatoren
zu verringern, so daß ein
größerer Anteil
der beim Kaltstart- und Warmlaufzeitraum abgegebenen unverbrannten
Kohlenwasserstoffe umgewandelt wird. Ein solches Konzept besteht
darin, den Motor während
des Kaltstart- und Warmlaufzeitraums bewußt sehr kraftstoffreich zu
betreiben. Mit einer Luftpumpe für
das Abgas, um Luft in diesen kraftstoffreichen Abgasstrom einzuführen, 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.
Unter Anwendung des Systems und des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Motor so gesteuert werden, daß er die Zylinder im Wechsel
kraftstoffreich und kraftstoffarm betreibt, so daß die gleiche
Wirkung erzielt wird, ohne daß jedoch
eine Luftpumpe erforderlich ist. Bei einem Vierzylindermotor können z.B.
zwei Zylinder während
des Kaltstart- und Warmlaufzeitraums kraftstoffreich betrieben werden,
so daß im
Abgas unverbrannte Kohlenwasserstoffe erzeugt werden. Die zwei restlichen
Zylinder können
während
des Kaltstarts und des Warmlaufens kraftstoffarm betrieben werden,
so daß Sauerstoff
im Abgasstrom bereitgestellt wird.
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Das
System und das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung können
auch bei Benzinmotoren mit Direkteinspritzung (GDI) verwendet werden.
Bei GDI-Motoren wird in den Zylinder Kraftstoff als fein zerstäubter Sprühnebel direkt
eingespritzt, der verdampft und sich mit Luft mischt, wodurch vor
der Zündung
eine vorgemischte Füllung
aus Luft und verdampftem Kraftstoff erzeugt wird. Heutige GDI-Motoren
erfordern einen hohen Druck des Kraftstoffs, um den Kraftstoff zu
einem Sprühnebel
zu zerstäuben.
GDI-Motoren arbeiten im Schichtladebetrieb bei einer Teillast, um
die Pumpverluste zu ver ringern, die herkömmlichen Motoren mit indirekter
Einspritzung eigen sind. Ein Ottomotor mit Schichtladebetrieb bietet
die Möglichkeit,
für eine
bessere Kraftstoffökonomie
und geringere Emissionen arme Gemische zu verbrennen. Vorzugsweise
wird in der Verbrennungskammer ein insgesamt armes Gemisch erzeugt,
zum Zeitpunkt der Zündung
in der Nähe
der Zündkerze
jedoch als stöchiometrisch
oder leicht kraftstoffreich gesteuert. Der stöchiometrische Teil wird folglich leicht
gezündet,
und dies zündet
wiederum das restliche arme Gemisch. Obwohl Pumpverluste verringert
werden können,
ist das Arbeitsfenster, das gegenwärtig für den Schichtladebetrieb zur
Verfügung
steht, auf geringe Geschwindigkeiten des Motors und relativ geringe
Lasten des Motors begrenzt. Die einschränkenden Faktoren schließen eine
unzureichende Zeit zum Verdampfen und Mischen bei höheren Motorgeschwindigkeiten und
ein unzureichendes Mischen oder eine schlechte Ausnutzung der Luft
bei höheren
Lasten ein. Durch die Bereitstellung von verdampftem Kraftstoff
können
das System und das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung das Arbeitsfenster für
den Schichtladebetrieb erweitern, womit das Problem gelöst wird,
das mit einer unzureichenden Zeit zum Verdampfen und Mischen verbunden
ist. Vorteilhafterweise kann im Gegensatz zu herkömmlichen
GDI-Kraftstoffsystemen der in der Praxis dieser Erfindung angewendete
Kraftstoffdruck verringert werden, womit die Gesamtkosten und die
Komplexität
des Kraftstoffsystems abnehmen.
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Die
Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Förderung von Kraftstoff für einen
Verbrennungsmotor bereit, die folgendes einschließt: eine
Quelle von komprimiertem flüssigem
Kraftstoff, die flüssigen
Kraftstoff unter Druck zuführt,
zumindest einen Kapillarströmungsweg,
der mit der Quelle für
flüssigen
Kraftstoff verbunden ist, und eine Wärmequelle, die entlang des
zumindest einen Kapillarströmungswegs
angeordnet ist. Die Wärmequelle
kann so betätigt
werden, daß sie
den flüssigen
Kraftstoff in dem zumindest einen Kapillarströmungsweg ausreichend erwärmt, so
daß ein
Strom von im wesentlichen ver dampftem 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
kann der zumindest eine Kapillarströmungsweg dazu dienen, dem Motor
unter normalen Betriebsbedingungen flüssigen Kraftstoff zuzuführen.
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Die
Erfindung gibt auch ein Verfahren an, um einem Verbrenuungsmotor
Kraftstoff zuzuführen,
das die folgenden Schritte einschließt: der komprimierte flüssige Kraftstoff
wird zumindest einem Kapillarströmungsweg
zugeführt,
und der komprimierte flüssige
Kraftstoff in dem zumindest einen Kapillarströmungsweg wird ausreichend erwärmt, so
daß bewirkt
wird, daß während des
Starts, des Warmlaufens und anderer Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors
zumindest einer Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors ein Strom
von verdampften Kraftstoffs zugeführt wird.
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffördersystem
schließt
zumindest einen Strömungsweg
mit Kapillargröße ein,
durch den komprimierter Kraftstoff strömt, bevor er für die Verbrennung
in einen Motor eingespritzt wird. Ein Strömungsweg mit Kapillargröße hat einen
hydraulischen Durchmesser, der weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger
als 1 mm und stärker
bevorzugt weniger als 0,5 mm beträgt. Der hydraulische Durchmesser
wird bei der Berechnung des Fluidstroms durch ein Fluid beförderndes
Element benutzt. Der hydraulische Durchmesser wird als Strömungsfläche des
Fluid befördernden
Elementes, geteilt durch den Umfang der durchgängigen Grenze des Kontaktes
mit dem Fluid (allgemein als "benetzter" Umfang bezeichnet)
definiert. Im Falle eines Fluid befördernden Elementes mit kreisförmigem Querschnitt
beträgt
der hydraulische Radius, wenn das Element voll durchströmt wird,
(πD2/4)/πD
= D/4. Für
den Strom von Fluiden in nicht-kreisförmigen, Fluid befördernden
Elementen wird der hydraulische Durchmesser verwendet. Anhand der
Definition des hydraulischen Radius beträgt der Durchmesser eines Fluid
befördernden
Elementes mit kreisförmigen
Querschnitt das Vierfache seines hydraulischen Radius. Somit wird
der hydraulische Durchmesser als das Vierfache des hydraulischen
Radius definiert.
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Entlang
des Kapillarströmungswegs
wird Wärme
angewendet, was dazu führt,
daß zumindest
ein Teil des flüssigen
Kraftstoffs, der in den Strömungsweg
gelangt, in Dampf ungewandelt wird, wenn er durch den Strömungsweg
fließt.
Der Kraftstoff verläßt den Kapillarströmungsweg
als Dampf, der gegebenenfalls einen geringen Anteil an erwärmtem flüssigem Kraftstoff
enthält,
der nicht verdampft worden ist. "Im
wesentlichen verdampft" bedeutet,
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 stattfindenden komplexen
physikalischen Effekte problematisch sein kann, eine 100%ige Verdampfung
zu erreichen, wäre
trotzdem ein vollständiges
Verdampfen erwünscht.
Diese komplexen physikalischen Effekte schließen Schwankungen des Siedepunktes
des Kraftstoffs ein, da der Siedepunkt druckabhängig ist und sich der Druck
im Kapillarströmungsweg 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,
als Ergebnis davon gelangt ein Teil des flüssigen Kraftstoffs zusammen
mit dem verdampften Fluid durch den Auslaß des Kapillarströmungswegs.
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Der
Fluidströmungsweg
mit Kapillargröße wird
vorzugsweise in einem Kapillarkörper,
wie einem ein- oder mehrschichtigen Metall-, Keramik- oder Glaskörper, ausgebildet.
Der 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, das in oder auf dem Kapillarkörper enthalten ist. Der Fluidströmungsweg
kann irgendeine Form haben, die ein eingeschlossenes Volumen umfaßt, das
sich zu einem Einlaß und
einem Auslaß hin öffnet und
durch den ein Fluid strömen
kann. Der Fluidströmungsweg
kann irgendeinen gewünschten Querschnitt
haben, 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. Viele Kombinationen aus
einer einzigen oder mehreren Kapillaren, unterschiedlichem Druck,
unterschiedlichen Längen
der Kapillaren, der Kapillare zugeführten Wärmemengen und unterschiedliche
Querschnittsflächen
eignen sich für
einen gegebenen Verwendungszweck.
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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 der Kapillarströmungsweg vom
Inneren 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 wird, wird der Kraftstoff dem Kapillarströmungsweg
vorzugsweise mit einem Druck von 7 kg/cm2 (100
psig) oder weniger zugeführt,
um den Massedurchsatz zu erreichen, der für den stöchiometrischen Start eines
Zylinders mit typischer Größe eines
Kraftfahrzeugmotors erforderlich ist (in der Größenordnung von 100 bis 200
mg/s). Der zumindest eine Kapillarströmungsweg sorgt 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 unerwünschte große Mengen an unverbrannten
Kohlenwasserstoffen oder anderen Emissionen erzeugt werden. Das
Kapillarröhrchen
ist auch dadurch gekennzeichnet, daß es eine geringe Wärmeträgheit aufweist,
so daß der
Kapillarströmungsweg
sehr schnell, vorzugsweise innerhalb von 2,0 Sekunden, stärker bevorzugt
innerhalb von 0,5 Sekunde und besonders bevorzugt innerhalb von
0,1 Sekunde, auf die für
das Verdampfen erwünschte
Temperatur gebracht werden kann, was bei Anwendungszwecken von Vorteil
ist, die den Kaltstart eines Motors beinhalten. Die geringe Wärmeträgheit kann auch
beim Normalbetrieb des Motors Vorteile bieten, indem z.B. die Reaktionsfähigkeit
der Kraftstofförderung auf
plötzliche Änderungen
der geforderten Motorleistung verbessert wird.
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Beim
Verdampfen des flüssigen
Kraftstoffs in einem erwärmten
Kapillarströmungsweg
können
sich Ablagerungen von Kohlenstoff und/oder hochsiedenden Kohlenwasserstoffen
auf den Kapillarwänden
sammeln, und der Strom des Kraftstoffs kann deutlich 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 Kraftstoffsorte. 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.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10 zum
Verdampfen eines flüssigen Kraftstoffs,
der aus einer Quelle für
flüssigen
Kraftstoff abgezogen worden ist. Die Vorrichtung 10 schließt einen
Kapillarströmungsweg 12 ein,
der eine Einlaßseite 14 und
eine Auslaßseite 16 aufweist.
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.
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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 30 verbunden
sind. Wenn die Wicklungen 32 stromführend sind, wird das Solenoidelement 36 in
die Mitte der Wicklungen 32 gezogen. Wenn die Elektrizität von den
Wicklungen 32 abgeschaltet wird, führt eine Feder 38 das
Soleniodelement wieder in seine ursprüngliche Position zurück. Ein
Düsenzapfen 40 ist
mit dem Solenoidelement 36 verbunden. Die Bewegung des
Solenoidelementes 36, die durch die Zuführung von Elektrizität zu den
Wicklungen 32 verursacht wird, bewirkt, daß der Düsenzapfen
aus dem Loch 42 gezogen wird, womit Kraftstoff durch das
Loch 42 strömen
kann.
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Entlang
des Kapillarströmungswegs 12 ist
eine Wärmequelle 20 angeordnet.
Es ist besonders bevorzugt, die Wärmequelle 20 zu bilden,
indem der Kapillarströmungsweg 12 aus
einem Röhrchen
aus einem Material mit einem elektrischen Widerstand hergestellt
wird, wobei ein Teil des Kapillarströmungswegs 12 ein Heizelement
bildet, wenn eine Stromquelle an den Verbindungen 22 und 24 mit
dem Röhrchen
verbunden ist, um Strom hindurchzuleiten. Die Wärmequelle 20 kann
dann selbstverständlich
so betätigt
werden, daß der
flüssige
Kraftstoff im Kapillarströmungsweg 12 auf
einen ausreichenden Wert erwärmt
wird, so daß zumindest
ein Teil davon aus dem flüssigen
Zustand in den dampfförmigen
Zustand überführt wird
und aus der Auslaßseite 16 des
Kapillarströmungswegs 12 ein
Strom von im wesentlichen verdampftem Kraftstoff abgegeben wird.
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Die
Vorrichtung 10 schließt
auch eine Einrichtung zum Entfernen von Ablagerungen ein, 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 das
Oxidationsmittel ein, womit der Kapillarströmungsweg 12 in Fluidverbindung
mit einer Quelle des Oxidationsmittels C gebracht wird. Es kann
selbstverständlich
sein, daß sich
das Regelventil für
das Oxidationsmittel an jedem Ende oder in der Nähe von jedem Ende des Kapillarströmungswegs 12 befinden
kann oder so gestaltet sein kann, daß es in Fluidverbindung mit
jedem Ende des Kapillarströmungswegs 12 steht.
Wenn sich das Regelventil für
das Oxidationsmittel an der oder nahe der Auslaßseite 16 des Kapillarströmungswegs 12 befindet,
dann 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 auf einen
ausreichenden Wert zu erwärmen,
damit die während
des Erwärmens
des flüssigen
Kraftstoffs F gebildeten Ablagerungen oxidieren. Um vom Kraftstofffördermodus
in den Reinigungsmodus umzuschalten, kann das Regelventil 26 für das Oxidationsmittel
nach einer Ausführungsform
so betätigt
werden, daß zwischen
der Einführung
von flüssigem
Kraftstoff F und der Ein führung
des Oxidationsmittel C in den Kapillarströmungsweg 12 gewechselt
wird und das Reinigen des Kapillarströmungswegs 12 in situ
möglich
wird, wenn das Oxidationsmittel in den zumindest einen Kapillarströmungsweg
eingeführt
wird.
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Ein
Verfahren zum Oxidieren von Ablagerungen schließt das Leiten von Luft oder
Dampf durch die Kapillare ein. Der Strömungsweg wird während des
Reinigungsverfahrens vorzugsweise erwärmt, so daß der Oxidationsprozeß eingeleitet
und beibehalten wird, bis die Ablagerungen aufgebraucht sind. Um
dieses Reinigungsverfahren zu verbessern, kann eine katalytische
Substanz entweder als eine Beschichtung auf der oder als eine Komponente
der Kapillarwand verwendet werden, um die Temperatur und/oder die
Zeit zu verringern, die für
die Durchführung
der Reinigung erforderlich sind. Für den kontinuierlichen Betrieb
des Kraftstoffördersystems
kann mehr als ein Kapillarströmungsweg
verwendet werden, so daß der
Kraftstoffstrom, wenn z.B. durch Verwendung eines Sensors ein Verstopfungszustand
erfaßt
wird, zu einem anderen Kapillarströmungsweg umgeleitet werden
kann und der Strom des Oxidationsmittels durch den zu reinigenden,
verstopften Kapillarströmungsweg
eingeleitet werden kann. Als ein Beispiel kann ein Kapillarkörper im
Inneren eine Vielzahl von Kapillarströmungswegen einschließen, und
es kann eine Ventilsteuerungsanordnung vorgesehen sein, um jedem
Strömungsweg
selektiv flüssigen
Kraftstoff oder Luft zuzuführen.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
kann der Kraftstoffstrom in vorher festgelegten Abständen von einem
Kapillarströmungsweg
umgeleitet und ein Oxidationsmittelstrom eingeleitet werden. Die
Kraftstofförderung
zu einem Kapillarströmungsweg
kann von einem Regler bewirkt werden. Der Regler kann z.B. die Kraftstofförderung
für einen
vorgegebenen Zeitraum aktivieren und die Kraftstofförderung
nach einem vorgegebenen Zeitraum deaktivieren. Der Regler kann auf
der Basis von einer oder mehreren festgestellten Bedingungen auch eine
Einstellung des Drucks, des flüssigen
Kraftstoffs und/oder der dem Kapillarströmungsweg zugeführten Wärmemenge
vornehmen. Zu den erfaßten
Bedingungen gehören
unter anderem: der Kraftstoffdruck; die Temperatur der Kapillare;
und das Luft/Kraftstoff-Gemisch. Der Regler kann auch mehrere Kraftstoffördervorrichtungen
steuern, die mit dieser Anwendung verbunden sind. Der Regler kann
auch einen oder mehrere Kapillarströmungswege steuern, um Ablagerungen
oder Verstopfungen daraus zu entfernen. Das Reinigen eines Kapillarströmungswegs
kann z.B. erfolgen, indem dem Kapillarströmungsweg Wärme zugeführt wird und der Kapillarströmungsweg
mit einem Strom aus einer Oxidationsmittelquelle versorgt wird.
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Der
erwärmte
Kapillarströmungsweg 12 kann
gemäß dieser
Erfindung einen Strom von verdampftem Kraftstoff erzeugen, der in
Luft kondensiert, wodurch 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 liefert, der aus Tropfen
mit einem mittleren Durchmesser nach Sauter (SMD) im Bereich von
150 bis 200 μm
besteht, hat das Aerosol eine mittlere Tropfengröße SMD von weniger als 25 μm, vorzugsweise weniger
als 15 μm.
Der größte Teil
der gemäß dieser
Erfindung durch die erwärmte
Kapillare erzeugten Kraftstofftropfen kann folglich unabhängig vom
Strömungsweg
von einem Luftstrom in die Verbrennungskammer befördert werden.
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Der
Unterschied zwischen der Tropfengrößenverteilung einer herkömmlichen
Einspritzvorrichtung und dem erfindungsgemäßen erwärmten Kapillarströmungsweg
ist unter 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 Komponen ten des Einlaßkrümmers zu
viel Kraftstoff, damit ein ausreichender Teil der großen Kraftstofftropfen,
die auf die Krümmerkomponenten
prallen, verdampft, so daß ein
zündbares
Kraftstoff/Luft-Gemisch erzeugt wird. Umgekehrt werden der verdampfte
Kraftstoff und die feinen Tropfen, die durch die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung
erzeugt werden, im wesentlichen nicht von der Temperatur der Motorkomponenten
beim Start beeinflußt,
und somit entfällt
die erforderliche übermäßige Kraftstofförderung
während
der Startbedingungen des Motors. Der Wegfall der übermäßigen Kraftstoffzufuhr
in Kombination mit einer genaueren Steuerung des Kraftstoff/Luft-Verhältnisses
für den
Motor, die durch die Verwendung der erfindungsgemäßen erwärmten Kapillareinspritzvorrichtung
erzielt wird, führt
zu deutlich geringeren Emissionen beim Kaltstart im Vergleich mit
denen, die von Motoren erzeugt werden, die herkömmliche Kraftstoffeinspritzsysteme
verwenden. Zusätzlich
zu einer Verringerung der übermäßigen Kraftstofförderung
sollte auch betont werden, daß die
erfindungsgemäße erwärmte Kapillareinspritzvorrichtung
ferner beim Kaltstart und beim Warmlaufen einen kraftstoffarmen
Betrieb ermöglicht,
was zu einer stärkeren
Verringerung der Emissionen am Auspuffrohr führt, wenn sich der Katalysator
erwärmt.
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Siehe
weiterhin 1; der Kapillarströmungsweg 12 kann
ein Metallröhrchen,
wie ein Kapillarröhrchen
aus rostfreiem Stahl, und die Heizeinrichtung umfassen, die eine
Länge des
Röhrchens 20 ausmacht, durch
die elektrischer Strom geleitet wird. Nach einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Kapillarröhrchen mit
einem Innendurchmesser von etwa 0,051 bis 0,076 cm (0,020 bis 0,030
in), einer erwärmten
Länge von etwa
5,08 bis 25,4 cm (2 bis 10 in) ausgestattet, 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 bevorzugter weniger als 3,1 kg/cm2 (45
psig) oder weniger zugeführt werden.
Es hat sich gezeigt, daß diese
Ausführungsform
ver dampften Kraftstoff produziert, der eine Verteilung von Aerosoltropfen
bildet, deren Größe SMD weitestgehend
im Bereich von 2 bis 30 μm
liegt, wobei die mittlere Tropfengröße SMD etwa 5 bis 15 μm beträgt, wenn
der verdampfte Kraftstoff bei Umgebungstemperatur in Luft kondensiert.
Die bevorzugte Größe der Kraftstofftropfen,
um ein schnelles und nahezu vollständiges Verdampfen bei Kaltstarttemperaturen
zu erreichen, beträgt
weniger als etwa 25 μm.
Dieses Ergebnis kann erreicht werden, wenn elektrischer Strom mit
10,2 bis 40,8 kg/s (100 bis 400 W), z.B. 20,4 kg/s (200 W), was
2 bis 3% des Energieinhalts des verdampften Kraftstoffs entspricht,
an ein Kapillarröhrchen
aus rostfreiem Stahl mit 6 inch angelegt wird. Der elektrische Strom
kann an das Kapillarröhrchen
angelegt werden, wenn das Röhrchen
vollständig
aus einem elektrisch leitenden Material, wie rostfreiem Stahl, hergestellt
ist oder ein leitfähiges
Material auf zumindest einem Teil eines nicht elektrisch leitenden
Röhrchens
oder Laminats mit einem Strömungsweg im
Inneren vorgesehen wird, indem z.B. ein Material mit einem elektrischen
Widerstand laminiert oder aufgetragen wird, so daß auf dem
Röhrchen
oder Laminat eine Widerstandsheizeinrichtung gebildet wird. Elektrische
Leitungen können
mit dem elektrisch leitenden Material verbunden werden, um der Heizeinrichtung
elektrischen Strom zuzuführen,
damit 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 sind, daß die
Länge des
Strömungswegs
durch Konduktions-, Konvektions- oder Strahlungswärmeübertragung
oder irgendeine Kombination davon erwärmt wird.
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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 von Kapillaren
eine akzeptable Dampfqualität.
Der Innendurchmesser kann z.B. im Bereich von 0,05 bis 0,08 cm (0,02
bis 0,03 in) liegen, und der erwärmte
Bereich des Kapillarröhrchens
kann im Bereich von 2,5 bis 25,4 cm (1 bis 10 in) liegen. Es ist
nicht erforderlich, das Kapillarröhrchen nach dem Kaltstart und
dem Warmlaufen zu erwärmen,
so daß das
nicht erwärmte
Kapillarröhrchen
verwendet werden kann, um einem bei Normaltemperatur arbeitenden
Motor angemessen flüssigen
Kraftstoff zuzuführen.
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Der
verdampfte Kraftstoff, der die erfindungsgemäße Kraftstoffkapillare verläßt, kann
an der gleichen Stelle wie vorhandene Einspritzvorrichtungen für 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
verdampften Kraftstoff direkt in jeden Zylinder des Motors liefert.
Die Kraftstoffkapillare bietet gegenüber Systemen einen Vorteil,
die größere Kraftstofftropfen
produzieren, die beim Starten des Motors auf die Rückseite
eines verschlossenen Ansaugventils gesprüht werden müssen. Ähnlich wie bei der Anordnung
der Auslässe
von herkömmlichen
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen befindet sich der Auslaß des Kraftstoffkapillarröhrchens
vorzugsweise bündig
mit der Wand des Einlaßkrümmers.
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Etwa
20 Sekunden (oder vorzugsweise weniger) nach dem Start des Motors
können
die Wärme
für den
Kapillarströmungsweg 12 abgeschaltet
und das Einspritzen von Flüssigkeit
für den
Normalbetrieb des Motors begonnen werden, wobei herkömmliche
Kraftstoffeinspritzvorrichtung verwendet werden. Der Normalbetrieb
des Motors kann alternativ durch Einspritzen von flüssigem Kraftstoff
mittels kontinuierlichem Einspritzen oder möglicherweise pulsierendem Einspritzen
durch einen nicht erwärmten
Kapillarströmungsweg 12 erfolgen.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 100 weist
einen Kapillarströmungsweg 112 auf.
Der Kapillarströmungsweg 112 wird
entlang der erwärmten
Länge 120 erwärmt. 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 dargestellt ist. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 100 kann
ein Flüssigkeitsregelventil,
wie ein Solenoidventil des vorstehend beschriebenen und in 1 gezeigten
Typs, einschließen,
das die Förderung
von komprimiertem flüssigem
Kraftstoff zum Kapillarströmungsweg 112 ermöglicht.
Nachdem der Motor ausreichend erhitzt ist, kann das Erwärmen des
Kapillarströmungswegs 112 beendet
werden, und flüssiger
Kraftstoff kann durch den Kapillarströmungsweg 112 zugeführt werden.
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In 3 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 200 gezeigt,
die einen Kapillarströmungsweg 212 aufweist.
Der Kapillarströmungsweg 212 wird
entlang der erwärmten
Länge 220 erwärmt. 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, einschließen,
das die Förderung
von komprimiertem flüssigem
Kraftstoff zum Kapillarströmungsweg 212 ermöglicht.
Wie vorstehend beschrieben kann, nachdem der Motor unter Verwendung
einer Vielzahl von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 200 gestartet
worden ist, das Erwärmen
des Kapillarströmungswegs 212 beendet
werden, und durch den Kapillarströmungsweg 212 kann
flüssiger
Kraftstoff zugeführt
werden. Die Einspritzvorrichtung 200 kann vorteilhafterweise
durch die Verwendung der vorstehend beschriebenen Oxidationstechnik
gereinigt werden.
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In 4 ist
ein viertes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Es ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 300 dargestellt,
die einen Kapillarströmungsweg 312 aufweist.
Der Kapillarströmungsweg 312 wird
entlang der erwärmten
Länge 320 erwärmt. 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 Förderung
von komprimiertem flüssigem
Kraftstoff zum Kapillarströmungsweg 312 ermöglicht.
Wie vorstehend beschrieben kann, nachdem der Motor unter Verwendung
einer Vielzahl von Kraftstoffeinspritzvorrichtungen 300 gestartet
worden ist, das Erwärmen
des Kapillarströmungswegs 312 beendet
werden und durch den Kapillarströmungsweg 212 kann
flüssiger
Kraftstoff zugeführt
werden. Die Einspritzvorrichtung 300 kann vorteilhafterweise
durch die Verwendung der vorstehend beschriebenen Oxidationstechnik
gereinigt werden.
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In 5 ist
eine doppelte Kraftstoffeinspritzvorrichtung 400 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt. 5 zeigt die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 400 mit
doppelter Funktion, die eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 460 vom
herkömmlichen
Typ und eine erwärmte
Kapillareinspritzvorrichtung 410 umfassen kann. Bei dieser
Ausführungsform
ist ein erwärmter
Kapillarströmungsweg 412 in
die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 400 integriert. Etwa
20 Sekunden nach dem Start des Motors, oder vorzugsweise weniger,
kann die Kapillareinspritzvorrichtung 410 durch einen von
einem Solenoid betätigten
Kolben 436 deaktiviert werden und für den weiteren Betrieb des
Motors die herkömmliche
Einspritzvorrichtung 460 durch einen anderen von einem
Solenoid betätigten
Kolben 470 aktiviert werden.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist in 6 gezeigt.
Wie dort gezeigt, können
an eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 500 ein erwärmter Kapillarströmungsweg 512 und
eine Einspritzdüse 560 für flüssigen Kraftstoff
angebracht sein. Der Kraftstoffstrom kann selektiv zum erwärmten Kapillarströmungsweg 512,
so daß verdampfter
Kraftstoff bereitgestellt wird, oder zur Düse 560 ausgerichtet
werden, so daß flüssiger Kraftstoff
bereitgestellt wird, indem die Ventilsteuerungsanordnung 540 angewendet
wird, wie sie in 6 dargestellt ist. Etwa 20 Sekunden
nach dem Start 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 darstellt.
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In 7 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 600 weist
einen schraubenförmigen
erwärmten
Kapillarströmungsweg 612 auf,
der im Inneren der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 600 als
Wicklung verläuft,
wie es in 7 dargestellt ist. Bei dieser Ausführungsform
ist der Kapillarströmungsweg 612 um
die Solenoidanordnung 628 gewickelt und wird entlang der
erwärmten
Länge 620 erwärmt, die
durch die elektrischen Verbindungen 622 und 624 definiert
wird. Diese Ausführungsform
ist in einem Fall nützlich,
bei dem der Raum begrenzt ist 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 unter normalen Betriebsbedingungen Kraftstoff zuzuführen.
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Siehe
nunmehr 8; an eine Ansaugöffnung 700 des
Motors sind eine erwärmte
Kapillareinspritzvorrichtung 10 (des anhand von 1 beschriebenen
Typs) und eine herkömmliche
Einspritzvorrichtung 750 für flüssigen Kraftstoff angebracht.
Bei dieser Ausführungsform
wird der Kraftstoff während
des Kaltstarts und des Warmlaufens des Motors dem Motor durch den
Kapillarströmungsweg 12 zugeführt, der
entlang seiner Länge 20 erwärmt wird.
Nach den ersten etwa 20 Sekunden ab dem Start des Motors, oder vorzugsweise
weniger, werden die erwärmte
Kapillareinspritzvorrichtung 10 deaktiviert und die herkömmliche
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 750 für den normalen Betrieb des
Motors aktiviert.
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Es
ist selbstverständlich,
daß die
Vorrichtung und das System zum Vorbereiten und Zuführen von Kraftstoff,
die in den 1 bis 4 und 7 dargestellt
sind, auch im Zusammenhang mit einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. Siehe erneut 1;
die Einrichtung zum Entfernen von Ablagerungen schließt folgendes
ein: ein Flüssigkeitsregelventil 28,
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 (das
Regelventil für
das Oxidationsmittel in der bevorzugten Form, das das Oxidationsreinigungsverfahren anwendet,
wie es vorstehend beschrieben ist) so betätigt werden, daß zwischen
dem Einführen
von flüssigem Kraftstoff
und dem Einführen
von Lösungsmittel
in den Kapillarströmungsweg 12 gewechselt
wird, wodurch das Reinigen des Kapillarströmungswegs 12 in situ
möglich
ist, wenn das Lösungsmittel
in den Kapillarströmungsweg 12 eingeführt wird.
Obwohl eine Vielzahl von Lösungsmitteln
Verwendung finden kann, kann das Lösungsmittel flüssigen Kraftstoff
aus der Quelle für
flüssigen
Kraftstoff umfassen. Wenn das der Fall ist, ist kein Lösungsmittelregelventil
erforderlich, da kein Bedarf besteht, zwischen Kraftstoff und Lösungsmittel
umzuschalten, und die Wärmequelle
sollte beim Reinigen des Kapillarströmungswegs 12 deaktiviert
werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 9 teilweise
im Querschnitt gezeigt. In 9 ist eine
Kraftstoffeinspritzvorrichtung 800 mit einem erwärmten Kapillarströmungsröhrchen 812 für die Förderung
von Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor dargestellt. Einzelheiten
des Röhrchens
für die Förderung
von Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor sind in 9A gezeigt.
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 ist konisch, so daß ein Ventil 854 gebildet
wird, bei dem 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 erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gebildet worden sind.
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In 10 ist
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung teilweise im Querschnitt dargestellt.
In 10 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 900 mit
einem erwärmten
Kapillarströmungsröhrchen 912 für die Förderung
von Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor gezeigt. Einzelheiten
des Röhrchens
für die Förderung
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 ist konisch, so daß ein Ventil 954 gebildet
wird, bei dem 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 erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung
gebildet worden sind.
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In 11 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel
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 während
bestimmter Zeiträume
des Betriebs des Motors durch einen oder mehrere Kapillarströmungswege 1012,
die entlang ihrer Länge 1020 erwärmt sind,
zugeführt
(z.B. Kaltstart-, Warmlauf- und Beschleunigungsbedingungen). Da
weniger verdampfter Kraftstoff erforderlich ist, um die unverbrannten
Kohlenwasserstoffe zu verringern, kann in dieser Konfiguration die
Wärme für eine oder
mehrere Kapillaren abgeschaltet werden.
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12 zeigt
in vereinfachter Form, wie eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 10,
die einen Kapillarströmungsweg 12 aufweist,
so angeordnet werden kann, daß der
flüssige
Kraftstoff, der durch diesen strömt,
durch Verwendung von rezirkuliertem Abgas (EGR) auf eine erhöhte Temperatur
erwärmt
werden kann, wodurch 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 anfangs
verdampft. Nach einem etwa 20 Sekunden langen Betrieb kann der Kapillarströmungsweg 12 durch
die Wärme
des EGR erwärmt
werden, wodurch der sonst von der Widerstandsheizeinrichtung 20 für das kontinuierliche
Verdampfen des Kraftstoffs erforderliche Strom vermindert wird. Folglich
kann der Kraftstoff im Kapillarströmungsweg 12 verdampft
wer den, ohne daß die
Widerstandsheizeinrichtung 20 verwendet wird, so daß Strom
gespart werden kann.
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13 zeigt
ein Beispiel eines Steuerungssystems 2000 schematisch,
das dazu verwendet wird, einen Verbrennungsmotor 2110 zu
betätigen,
der ein Ventil 2220 für
die Zufuhr von flüssigem
Kraftstoff in Fluidverbindung mit einer Quelle 2010 für flüssigen Kraftstoff
und einen Einspritzweg 2260 für flüssigen Kraftstoff, ein Ventil 2210 für die Zufuhr
von verdampftem Kraftstoff in Fluidverbindung mit einer Quelle 2010 für flüssigen Kraftstoff
und Kapillarströmungswegen 2080 und
ein Ventil 2020 für
die Zufuhr von oxidierendem Gas in Fluidverbindung mit einer Quelle 2070 für oxidierendes
Gas und Kapillarströmungswegen 2080 enthält. Das
Steuerungssystem schließt
einen Regler 2050 ein, der typischerweise eine Vielzahl
von Eingangssignalen aus einer Vielzahl von Sensoren des Motors
empfängt,
wie vom Sensor 2060 für
die Motorgeschwindigkeit, dem Thermoelement 2062 für die Luft
des Einlaßkrümmers, dem
Sensor 2064 für
die Temperatur des Kühlmittels, dem
Sensor 2150 für
das Verhältnis
von Luft/Kraftstoff im Abgas, der Kraftstofförderdruck 2012 usw.
Beim Betrieb führt
der Regler 2050 einen Steueralgorithmus auf der Basis von
einem oder mehreren Eingangssignalen aus und erzeugt anschließend ein
Ausgangssignal 2024 für
das Ventil 2020 für
die Zufuhr des Oxidationsmittels, um verstopfte Kapillarströmungswege
gemäß dieser
Erfindung zu reinigen, ein Ausgangssignal 2040 für das Ventil 2220 für die Zufuhr
von flüssigem
Kraftstoff, ein Ausgangssignal 2034 für das Ventil 2210 für die Zufuhr
von verdampftem Kraftstoff und einen Befehl 2044 für die Heizleistung
an die Stromquelle, die die Wärme
für die
Kapillaren 2080 liefert.
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Beim
Betrieb kann das erfindungsgemäße System
so konfiguriert sein, daß die
bei der Verbrennung erzeugte Wärme
durch Anwendung des Erwärmens
mittels des Abgasumlaufes zurückgeführt wird,
so daß der flüssige Kraftstoff
ausreichend erwärmt
wird, um den flüssigen
Kraft stoff im wesentlichen zu verdampfen, wenn er durch die Kapillarströmungswege 2080 gelangt,
womit die erforderliche elektrische oder anderweitige Erwärmung der
Kapillarströmungswege 2080 vermindert
oder eliminiert oder ergänzt
wird.
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BEISPIELE
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BEISPIEL 1
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Es
wurden Tests durchgeführt,
bei denen Düsentreibstoff
JP 8 verdampft wurde, indem der Treibstoff mit einem Mikrodiaphragma-Pumpensystem bei
konstantem Druck einem erwärmten
Kapillarströmungsweg 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 einem Innendurchmesser (ID) und einem Außendurchmesser
(OD) in cm (in) wie folgt.: 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 elektrischer Strom durch einen
Teil des Metallröhrchens
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, dessen Oberfläche/Volumen-Verhältnis gleich
dem des gesamten Sprühnebels
ist, und betrifft die Massentransporteigenschaften des Sprühnebels.
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BEISPIEL 2
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Es
wurden erneut Tests mit Benzin durchgeführt, der verdampft wurde, indem
der Kraftstoff mit einem Mikrodiaphragma-Pumpensystem bei konstantem
Druck einem erwärmten
Kapillarströmungsweg
zuge führt wurde.
Bei diesen Tests wurden Kapillarströmungswege mit unterschiedlichem
Durchmesser und unterschiedlicher Länge verwendet. Die folgende
Tabelle zeigt die empirischen Erkenntnisse für verschiedene Konfigurationen
der Kapillarröhrchen.
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BEISPIEL 3
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Bei
Tests mit einem 4,6 l V8 Motor von Ford wurde eine Gruppe von vier
Zylindern so modifiziert, daß sie
die erfindungsgemäßen Kraftstoffördervorrichtungen
enthielt, wie sie in 1 dargestellt sind. Die Kapillarheizelemente
wurden angebracht, wobei die Spitze der Kapillare bündig mit
der Wand der Ansaugöffnung war,
das ist die Stelle der Einspritzdüse des Kraftstoffvorrats. Diese
Tests erfolgten bei kontinuierlichem Einspritzen (Zyklus mit 100%
Leistung), und folglich diente der Kraftstoffdruck dazu, die Strömungsrate
des Kraftstoffdampfs zu regeln.
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Siehe 14;
die Graphik zeigt die Ergebnisse der Kapillarvorrichtung für die Förderung
von Kraftstoff 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 steht für den Kraftstoffstrom in Gramm
pro Sekunde, 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 das stöchiometrische
Verhältnis
zwischen Luft und Kraftstoff angibt. Die eingezeichnete Linie 4 steht für die gesamten
abgegebenen Kohlenwasserstoffemissionen, in Äquivalent-Teilen Methan pro
Million, vom Abgas eines Motors, wenn die Zeit entlang der x-Achse
abläuft.
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Wie
die eingezeichnete Linie 3 in 14 zeigt,
wurde der anfängliche
zu viele Kraftstoff, der für
die Grundbauelemente eines Motors und die Steuerungsstrategie erforderlich
ist, durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Kraftstoffördervorrichtung
eliminiert. Das heißt,
daß die
erfindungsgemäße Kraftstoffördervorrichtung
während
des ersten Startzeitraums wirksam flüssigen Kraftstoff 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 erfindungsgemäßen Kraftstofffördervorrichtung
erreicht wurde (eingezeichnete Linie 6), im Vergleich mit der
herkömmlichen
Startstrategie mit zu viel Kraftstoff (eingezeichnete Linie 5)
erläutert.
Insbesondere zeigen die Ergebnisse in 15, daß die erfindungsgemäße Kraftstoffördervorrichtung
die zugehörigen
Kohlenwasserstoffemissionen während
der ersten 10 Sekunden des Kaltstarts im Vergleich mit der Grundkonfiguration, die
zu viel Kraftstoff erfordert, um 46% verringert. Die mit dem Kreis 7 angegebene
Fläche
zeigt die deutliche Verringerung der Kohlenwasserstoffemissionen
während
der ersten 4 Sekunden des Starts des Motors.
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BEISPIEL 4
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Es
wurden Tests durchgeführt,
um die Vorteile des oxidativen Reinigungsverfahrens bei einem erwärmten Kapillarströmungsweg
nachzu weisen, wobei ein schwefelfreies Grundbenzin ohne Additive
verwendet wird, das bekanntlich große Mengen von 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
0,058 cm (0,023 in). Der Kraftstoffdruck wurde bei 0,7 kg/cm2 (10 psig) gehalten. Der Kapillare wurde
Strom zugeführt,
um unterschiedliche Werte von R/R0 zu erreichen,
wobei R der Widerstand der erwärmten
Kapillare ist und R0 der Widerstand der
Kapillare bei Umgebungsbedingungen ist.
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16 zeigt
eine graphische Darstellung der Strömungsrate des Kraftstoffs gegenüber der
Zeit. Wie deutlich wird, trat bei diesem Benzin, das kein Detergenz-Additiv
enthielt, innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums eine deutliche Verstopfung
auf, wobei in nur 10 Minuten eine 50%ige Abnahme der Strömungsrate
beobachtet wurde.
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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 erreicht worden, wobei die Strömungsraten
zu den vorherigen Werten zurückkehrten.
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BEISPIEL 5
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Dieses
Beispiel zeigt, daß das
Verstopfen im erwärmten
Kapillarströmungsweg
von Beispiel 4 weit weniger problematisch ist, wenn eine handelsübliche Benzinsorte
verwendet wird, die eine effektive Additivpackung benutzt. Wie in 17 gezeigt,
trat nach dem Betrieb der Vorrichtung für nahezu 5 Stunden eine Verringerung
der Strömungsrate
des Kraftstoffs von weniger als 10% auf.
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BEISPIEL 6
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Um
verschiedene Benzine und den Einfluß der Detergenz-Additive auf
das Verstopfen zu vergleichen, ließ man 5 Testkraftstoffe im
erwärmten
Kapillarströmungsweg
von Beispiel 4 fließen.
Zu den getesteten Kraftstoffen gehörten ein Grundbenzin ohne Additive,
das 300 ppm Schwefel enthält,
ein Grundbenzin ohne Additive, das keinen Schwefel enthält, das
schwefelfreie Grundbenzin mit einem zugegebenen handelsüblichen Additiv
(Additiv A) und das schwefelfreie Grundbenzin mit einem anderen
zugegebenen handelsüblichen
Additiv (Additiv B).
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Wie
in 18 gezeigt, wirkten die mit Additiven versehenen
Kraftstoffe ähnlich,
wohingegen bei den Kraftstoffen ohne Additive bei einem Betrieb
von weniger als 1 Stunde eine deutliche Verstopfung auftrat.
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BEISPIEL 7
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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, beim Betrieb
in einem Kapillarströmungsweg
mit einem ID von 0,036 cm (0,014 in) und einer Länge von 5,1 cm (2 in). Der
Kraftstoffdruck wurde bei 1,1 kg/cm2 (15
psig) festgelegt. Der Kapillare wurde Strom zugeführt, um
einen Wert für
R/R0 von 1,19 zu erreichen, wobei R der
Widerstand der erwärmten
Kapillare ist und R0 der Widerstand der
Kapillare bei Umgebungsbedingungen ist.
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Wie
in 19 gezeigt, arbeiteten die Kraftstoffe während der
ersten 10 Minuten des Betriebs ähnlich, wobei
der Dieselkraftstoff danach ein deutlicheres Verstopfen zeigte.
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BEISPIEL 8
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Es
wurden Tests durchgeführt,
um die Wirksamkeit des oxidativen Reinigungsverfahrens bei einem
erwärmten
Kapillarströmungsweg
einzuschätzen,
wobei der Dieselkraftstoff Nr.2 ohne Additive verwendet wurde, der
bekanntlich große
Mengen von Ablagerungen bildet. Der für diese Tests verwendete Kapillarströmungsweg
war ein 5,1 cm (2 in) langes erwärmtes
Kapillarröhrchen,
das aus rostfreiem Stahl aufgebaut war, 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,
um einen Wert für
R/R0 von 1,19 zu erreichen, wobei R wiederum der
Widerstand der erwärmten
Kapillare ist und R0 der Widerstand der
Kapillare bei Umgebungsbedingungen ist.
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20 zeigt
eine graphische Darstellung der Strömungsrate des Kraftstoffs gegenüber der
Zeit. Wie deutlich wird, trat bei diesem Kraftstoff, der kein Detergenz-Additiv
enthielt, innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums eine deutliche Verstopfung
auf, wobei bei einem kontinuierlichen Betrieb von etwa 35 Minuten
eine Abnahme der Strömungsrate
von 50% beobachtet wurde.
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Bei
einem zweiten Versuch wurde nach einem fünfminütigen Betrieb der Kraftstoffstrom
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 tatsächlich in
jedem Fall und neigte dazu, die gesamte Verringerung der Strömungsrate
des Kraftstoffs im Verlauf der Zeit zu verlangsamen. Die Wirksamkeit
des Verfahrens war jedoch etwas geringer als die, die mit Benzin
ohne Additive erzielt worden war, wie es in Beispiel 4 beschrieben
ist.
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BEISPIEL 9
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Es
wurden Tests durchgeführt,
um den Einfluß eines
handelsüblichen,
Verschmutzungen verhindernden Detergenz-Additivs, das mit dem Dieselkraftstoff
Nr. 2 von Beispiel g gemischt ist, auf die Strömungsrate des Kraftstoffs im
Verlauf der Zeit in einem erwärmten
Kapillarströmungsweg
einzuschätzen.
Der für
diese Tests verwendete Kapillarströmungsweg war wiederum ein 5,1
cm (2 in) langes erwärmtes
Kapillarröhrchen, das
aus rostfreiem Stahl aufgebaut war, mit einem Innendurchmesser von
0,036 cm (0,014 in). 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.
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21 zeigt
einen Vergleich der Strömungsrate
des Kraftstoffs gegenüber
der Zeit für
den Dieselkraftstoff Nr. 2 mit Additiven und einen Dieselkraftstoff
ohne Additive. Wie gezeigt trat bei dem Kraftstoff, der kein Detergenz-Additiv
enthielt, innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums eine deutliche Verstopfung
auf, wobei bei einem kontinuierlichen Betrieb in 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.
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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 eine Vielzahl von Kapillarströmungswegen
vorgesehen werden, wobei der Kraftstoff parallel durch die Strömungswege
geleitet wird, wenn ein höherer
volumetrischer Durchsatz erwünscht
ist.