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).
Method for producing a flowing liquid-gas mixture
The present invention relates to a method for producing a flowing liquid-gas mixture, an atomizer for carrying out the method and an application of the method.
Liquid-gas mixtures are usually produced by directing a liquid flow into contact with a gas flow that is as turbulent as possible and atomizes the liquid into innumerable small droplets. The liquid can also be injected into the gas stream under pressure through an atomizer nozzle. An essential factor for the quality of such a mixture is in many applications the average size of the droplets and efforts are made to keep this size as small as possible so that, among other things, the mixture can be transported over greater distances and / or periods of time without danger to run for the liquid to settle, d. H. condensed, so to speak.
It has been found that the size of the droplets is strongly related to the energy expended for atomization in the sense that the larger the energy, the smaller the droplet tends to be. This is not surprising when you consider that atomization amounts to overcoming the cohesive force present in any liquid.
Both when atomizing in a gas stream and when injecting into a gas stream, however, the reasonable justifiable expenditure of energy is subject to relatively low limits. When atomizing in the gas flow, this energy is applied by the gas flow itself, when injecting by the injection pump.
The present invention now aims to provide a method which allows a significant reduction in the size of the droplets without supplying the energy necessary for this via the gas flow in the form of higher speed (and therefore turbulence) or the injection pump in the form of higher injection pressures.
For this purpose, the method according to the invention is characterized in that the liquid is exposed to ultrasound when or after it enters a gas flow.
To carry out the method, an atomizer with a liquid line which opens into a mixture channel, which connects to a line carrying a moving gas stream, is proposed which, according to the invention, is characterized in that at least one ultrasonic transmitter is provided, which is located in the area of the mouth of the liquid line or is effective downstream of this on the interior of the mixture channel.
According to the invention, the particular application of the method consists in preparing a fuel-combustion air mixture. The droplet size has been shown to play a particularly important role in relation to the exhaust gases produced during the subsequent combustion of the fuel.
An exemplary embodiment of the method according to the invention is described in more detail below using an exemplary embodiment of the nebulizer according to the invention. It shows:
1 shows a schematic, partially cut-away view of a mixture preparation device for an Otto engine and
FIG. 2 shows a detail of FIG. 1 on an enlarged scale.
One recognizes in FIG. 1 a conventional carburetor 1 with a float housing 2 into which a gasoline line 4 opens. The float housing is connected to a carburetor chamber 3 into which an air intake line 4 beginning in an air filter 5 opens. In Fig. 1 one can still see the inlet connection 7 for the main nozzle of the carburetor and the idle mixture regulating screw 6 and the idling nozzle regulating screw 6 '. A person skilled in the art recognizes the carburetor 1 as a so-called Solex downflow carburetor.
A more detailed description is therefore unnecessary, although it should be noted that the carburetor shown is only an example and could just as easily be replaced by a double or quadruple carburetor, a register carburetor or an injection pump that injects into the outlet line.
A pipe section 11 is built into the suction line 8 connected to the carburetor 1 via a flexible hose section 10 fastened with clamps 9, to which the continuation 12 of the suction line connects, again via another hose section 10 fastened with clamps 9.
An ultrasonic transducer 13 is attached to the pipe section 11. This consists of a housing 14, which in its interior z. B. contains a piezoelectric or magnetostrictive transducer 15, which is rigidly connected to the bottom of the housing 14 on one side (on the left in FIG. 1), but carries a membrane 16 on its other side. The membrane 16 is supported on the housing 14 in an elastically flexible manner via sealing elements 17, and penetrates an opening 24 formed in the pipe section 1 in such a way that the membrane 16 forms a direct continuation of the inner wall of the pipe section with practically no transition.
An isolated electrical connection 18 leads from the converter 15 through the bottom of the housing 14 and this connection is connected via a line 19 to an excitation circuit 20, which in turn is connected via a switch 21, e.g. B. can be connected to a power source 22 via the ignition lock.
The other electrical connection of the converter 15 leads via ground directly to the other terminal of the power source 22, which is connected to ground.
In the energized state, the transducer irradiates an area designated by 23 inside the pipe section 11.
As shown in an exaggerated manner in FIG. 2, the gasoline droplets 25 generated in the carburetor 11 flow to this area 23. The ultrasonic field US present in this area 23, indicated with light hatching, now acts on the droplets 25 and causes them to burst. The mixture generated by the ultrasonic field 26 no longer has the original droplet size, but is a finely distributed mist, regardless of whether the downstream engine is idling, in the partial load range or under full load, i. H. regardless of the flow rate through the carburetor.
The droplet size of the mixture 26 can even be so fine that the fuel evaporates while absorbing the heat of evaporation necessary for this from the surroundings, which brings about a strong cooling. This cooling could then bring about condensation again and thus another increase in the size of the fuel droplets.
In order to remedy this situation, the mixture can be preheated immediately before or after passing through the ultrasonic field US. In Fig. 1 and 2, a heating jacket 27 is placed around the pipe section 11 immediately after the ultrasonic field US for this purpose.
This can be heated electrically, by warm exhaust gases or by cooling water or air.
On the other hand, the ultrasonic generator 13 does not need to be connected directly downstream of the carburetor. After the carburetor (s) in every Otto engine, there is the mixture intake line, from which a branch leads to each cylinder of the engine. One can thus arrange an ultrasonic transducer in each of these branches directly in front of the entry into the cylinder. As a result, each cylinder is fed with a freshly sonicated mixture, i. H. with a mixture in such a fine distribution that there is a guarantee that the subsequent combustion is complete and accordingly delivers a minimum amount of toxic exhaust gases.
Tests have shown that an ultrasonic transmitter with a few watts of electrical connection power is completely sufficient to achieve the specified effect.
This power consumption, which corresponds approximately to the power consumption of a control lamp, is reasonable for any electrical system in a conventional vehicle.
The embodiments described above, i. H. with one or more ultrasonic transducers connected downstream of the carburettor are particularly suitable for retrofitting in existing mixture preparation systems. However, the method can also be carried out with carburetors specially designed with a view to sound reinforcement. For example, the mixing tube of a carburetor can be coupled directly to an ultrasound transmitter with the outlet openings for the fuel at its end. The mixing tube then serves not only as a supply line for the fuel, but also as a transmission element for the ultrasonic vibration.
Another possibility is to couple the throttle valve to an ultrasonic transmitter. This possibility also offers the advantage that the ultrasonic field can propagate upstream and downstream from the throttle valve and also changes its direction according to the position of the throttle valve.
In this case, when the throttle valve is fully open, the ultrasonic field is directed transversely to the direction of flow, and when the throttle valve is closed (i.e. at idle), practically along the main flow direction. In addition, in this case the throttle valve can be designed as a diaphragm and tuned to the ultrasonic frequency in such a way that this frequency corresponds approximately to one of the natural frequencies of the diaphragm. This gives you more intensive sound reinforcement without any additional effort.
While the method was described above using the example of mixture preparation for a gasoline engine, it goes without saying that it can also be applied to liquids other than gasoline. Further examples are: The atomization of heating oil in combustion air, the atomization of paints, varnishes and varnishes in compressed air and the atomization of liquid chemicals in air (e.g.
for pest control).