Verfahren zum Herstellen eines strömenden Flüssigkeits-Gas-Gemisches
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines strömenden Flüssigkeits-Gas-Gemisches, einen Zerstäuber zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Anwendung des Verfahrens.
Flüssigkeits-Gas-Gemische werden in der Regel hergestellt, indem ein Flüssigkeitsstrom in Berührung mit einem möglichst turbulenten Gasstrom geführt wird, der die Flüssigkeit in unzählige kleine Tröpfchen zerstäubt. Auch kann die Flüssigkeit unter Druck durch eine Zerstäuberdüse in den Gasstrom eingespritzt werden. Ein wesentlicher Faktor für die Güte eines solchen Gemisches ist in vielen Anwendungsfällen die durchschnittliche Grösse der Tröpfchen und man ist bestrebt, diese Grösse so klein als möglich zu halten, damit unter anderem das Gemisch über grössere Distanzen und/oder Zeiträume transportiert werden kann, ohne Gefahr zu laufen, dass die Flüssigkeit sich absetzt, d. h. sozusagen kondensiert .
Es ist festgestellt worden, dass die Grösse der Tröpfchen stark mit der für die Zerstäubung aufgewendeten Energie in dem Sinne zusammenhängt, dass mit grösserer Energie die Tröpfchengrösse dazu neigt, kleiner zu werden. Dies ist nicht erstaunlich, wenn man bedenkt, dass das Zerstäuben auf die Überwindung der in jeder Flüssigkeit vorhandenen Kohäsionskraft hinausläuft.
Sowohl beim Zerstäuben im Gasstrom wie auch beim Einspritzen in einen Gasstrom sind aber dem sinnvoll vertretbaren Aufwand an Energie verhältnismässig niedrige Grenzen gesetzt. Beim Zerstäuben im Gasstrom wird diese Energie durch den Gasstrom selbst aufgebracht, beim Einspritzen durch die Einspritzpumpe.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun, ein Verfahren zu schaffen, das eine bedeutende Verkleinerung der Tröpfchengrösse gestattet, ohne die dazu notwendigerweise erforderliche Energie über den Gasstrom in Form höherer Geschwindigkeit (und mithin Turbulenz) oder der Einspritzpumpe in Form höherer Einspritzdrücke zuzuführen.
Zu diesem Zweck ist das Verfahren erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit bei oder nach ihrem Eintritt in einen Gasstrom Ultraschall ausgesetzt wird.
Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Zerstäuber mit einer Flüssigkeitsleitung, welche in einen Gemischkanal mündet, der an eine einen bewegten Gasstrom führende Leitung anschliesst, vorgeschlagen, welche erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein Ultraschallgeber vorgesehen ist, der im Bereich der Mündung der Flüssigkeitsleitung oder stromabwärts davon auf das Innere des Gemischkanals wirksam ist.
Die besondere Anwendung des Verfahrens besteht erfindungsgemäss im Aufbereiten eines Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisches. Die Tröpfchengrösse spielt nachgewiesenermassen eine besonders wichtige Rolle in bezug auf die bei der nachfolgenden Verbrennung des Kraftstoffes entstehenden Abgase.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens ist nachstehend anhand einer beispielsweisen Ausführungsform des erfindungsgemässen Zerstäubers näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische, teilweise angeschnittene Ansicht einer Gemischaufbereitungsvorrichtung für einen Ottomtor und
Fig. 2 ein Detail der Fig. 1 in vergrössertem Massstab.
Man erkennt in Fig. 1 einen herkömmlichen Vergaser 1 mit einem Schwimmergehäuse 2, in das eine Benzinleitung 4 mündet. Das Schwimmergehäuse ist an eine Vergaserkammer 3 angeschlossen, in die eine in einem Luftfilter 5 beginnende Luftansaugleitung 4 mündet. In Fig. 1 erkennt man noch den Einführungsstutzen 7 für die Hauptdüse des Vergasers sowie die Leerlaufgemisch-Regulierschraube 6 und die Leerlaufdüsen Regulierschraube 6'. Der Fachmann erkennt den Vergaser 1 als sogenannter Solex -Fallstrom-Vergaser.
Eine weitergehende Beschreibung erübrigt sich deshalb, wobei aber zu bemerken ist, dass der dargestellte Ver gaser lediglich ein Beispiel ist und ebensogut durch einen Doppel- oder Vierfach-Vergaser, einen Registervergaser oder durch eine in die Ausgangsleitung einspritzende Einspritzpumpe ersetzt werden könnte.
In die an den Vergaser 1 anschliessende Ansaugleitung 8 ist über einen mit Briden 9 befestigten biegsamen Schlauchabschnitt 10, ein Rohrabschnitt 11 eingebaut, an den, wiederum über einen weiteren, mit Briden 9 befestigten Schlauchabschnitt 10 die Fortsetzung 12 der Ansaugleitung anschliesst.
An dem Rohrabschnitt 11 ist ein Ultraschallgeber 13 angebaut. Dieser besteht aus einem Gehäuse 14, das in seinem inneren z. B. einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Wandler 15 birgt, der auf der einen Seite (in Fig. 1 links) starr mit dem Boden des Gehäuses 14 verbunden ist, auf seiner anderen Seite dagegen eine Membrane 16 trägt. Die Membrane 16 ist einerseits über Dichtelemente 17 auf elastisch nachgiebige Weise am Gehäuse 14 abgestützt, und durchdringt eine im Rohrabschnitt 1 ausgebildete Öffnung 24 derart, dass die Membrane 16 praktisch übergangslos eine unmittelbare Fortsetzung der Innenwand des Rohrabschnittes bildet.
Vom Wandler 15 aus führt ein isolierter elektrischer Anschluss 18 durch den Boden des Gehäuses 14 und dieser Anschluss ist über eine Leitung 19 an eine Erregerschaltung 20 angeschlossen, die ihrerseits über einen Schalter 21, z. B. über das Zündungsschloss, an eine Stromquelle 22 anschaltbar ist.
Der andere elektrische Anschluss des Wandlers 15 führt über Masse direkt an die an Masse gelegte andere Klemme der Stromquelle 22.
In erregtem Zustand beschallt der Geber einen mit 23 bezeichneten Bereich im Innern des Rohrabschnittes 11.
Diesem Bereich 23 fliessen, wie in Fig. 2 übertrieben gross dargestellt ist, die im Vergaser 11 erzeugten Benzintröpfchen 25 zu. Das in diesem Bereich 23 vorhandene, mit einer leichten Schraffur angegebene Ultraschallfeld US wirkt nun auf die Tröpfchen 25 ein und veranlasst sie zum Platzen. Das durch das Ultraschall feld erzeugte Gemisch 26 hat nun nicht mehr die ursprüngliche Tropfengrösse, sondern ist ein feinst verteilter Nebel, und zwar unabhängig davon, ob der nachgeschaltete Motor im Leerlauf, im Teillastbereich oder unter Vollast läuft, d. h. unabhängig von der Durchströmgeschwindigkeit durch den Vergaser.
Die Tröpfchengrösse des Gemisches 26 kann sogar so fein sein, dass der Kraftstoff verdampft, dabei von der Umgebung die hiezu notwendige Verdampfungswärme aufnimmt, was eine kräftige Abkühlung mit sich bringt. Diese Abkühlung könnte anschliessend wieder eine Kondensation mit sich bringen und damit eine abermalige Vergrösserung der Kraftstofftröpfchen.
Um diesem Umstand abzuhelfen, kann man das Gemisch unmittelbar vor oder nach dem Durchlauf des Ultraschallfeldes US vorwärmen. In Fig. 1 und 2 ist zu diesem Zweck um den Rohrabschnitt 11 unmittelbar nach dem Ultraschallfeld US ein Heizmantel 27 gelegt.
Dieser kann elektrisch, durch warme Abgase oder durch Kühlwasser oder -Luft beheizt sein.
Anderseits braucht der Ultraschallgeber 13 nicht unmittelbar dem Vergaser nachgeschaltet zu sein. Nach dem bzw. den Vergasern folgt bei jedem Ottomotor die Gemischansaugleitung, von der ein Zweig zu jedem Zylinder des Motors führt. Man kann somit in jeden dieser Zweige je ein Ultraschallgeber unmittelbar vor dem Eintritt in den Zylinder anordnen. Dies hat zur Folge, dass jeder Zylinder mit frisch beschalltem Gemisch gespiesen wird, d. h. mit einem Gemisch in einer derart feinen Verteilung, dass Gewähr dafür besteht, dass die nachfolgende Verbrennung vollständig ist und dementsprechend ein Mindestmass an giftigen Abgasen liefert.
Versuche haben gezeigt, dass ein Ultraschallgeber mit wenigen Watt elektrischer Anschlussleistung vollständig genügt, um die angegebene Wirkung zu erzielen.
Diese Leistungsaufnahme, die etwa der Leistungsaufnahme einer Kontroll-Lampe entspricht, ist jeder elektrischen Anlage in einem herkömmlichen Fahrzeug zumutbar.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, d. h. mit einem oder mehreren dem Vergaser nachgeschalteten Ultraschallgebern eignen sich besonders für den nachträglichen Einbau in bestehende Gemischaufbereitungsanlagen. Das Verfahren lässt sich aber auch mit speziell im Hinblick auf die Beschallung ausgebildeten Vergasern durchführen. So lässt sich zum Beispiel das Mischrohr eines Vergasers, mit den an dessen Ende angeordneten Austrittsöffnungen für den Kraftstoff unmittelbar an einen Ultraschallgeber ankoppeln. Das Mischrohr dient dann nicht nur als Zufuhrleitung für den Kraftstoff, sondern auch als Übertragungsorgan für die Ultraschallschwingung.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Drosselklappe an einen Ultraschallgeber zu koppeln. Diese Möglichkeit bietet ausserdem den Vorteil, dass das Ultraschallfeld sich stromaufwärts und stromabwärts von der Drosselklappe aus ausbreiten kann und ausserdem seine Richtung nach Massgabe der Stellung der Drosselklappe ändert.
Bei ganz geöffneter Drosselklappe ist in diesem Falle das Ultraschallfeld quer zur Durchströmrichtung gerichtet, bei geschlossener Drosselklappe (d. h. im Leerlauf), praktisch längs der Hauptdurchströmrichtung. Ausserdem kann in diesem Falle die Drosselklappe als Membrane ausgebildet und derart auf die Ultraschallfrequenz abgestimmt werden, dass diese Frequenz etwa einer der Eigenfrequenzen der Membran entspricht. Dadurch erhält man ohne Mehraufwand an Leistung eine intensivere Beschallung.
Während vorstehend das Verfahren anhand des Beispiels der Gemischaufbereitung für einen Ottomotor beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, dass es sich auch auf andere Flüssigkeiten als Benzin anwenden lässt. Als weitere Beispiele seien genannt: Die Zerstäubung von Heizöl in Verbrennungsluft, die Zerstäubung von Farben, Firnissen und Lacken in Druckluft und die Zerstäubung von flüssigen Chemikalien in Luft (z. B.
für die Schädlingsbekämpfung).