DE10150931A1

DE10150931A1 - Verbesserte Gemischbildung in Verbrennungskraftmaschinen

Info

Publication number: DE10150931A1
Application number: DE10150931A
Authority: DE
Inventors: Lueder Gerking
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-11
Filing date: 2001-10-11
Publication date: 2003-04-30
Also published as: WO2003033900A1; ATE290160T1; US20050140031A1; EP1434935B1; DE50202398D1; EP1434935A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Kraftstoff-Gas-Gemischen, bei denen Kraftstoff aus einer Austrittsöffnung in einen Zerstäubungsraum eingeführt und zu feinen Tröpfchen zerstäubt wird, vorgeschlagen. Der aus der Austrittsöffnung austretende Kraftstoffstrahl wird von einer mittels einer Lavaldüse stetig beschleunigten laminaren Gasströmung beschleunigt, bis der im Inneren des Kraftstoffstrahls zunehmende Druck und der in der Gasströmung abnehmende Druck zum Zerplatzen des Kraftstoffstrahls und zur Tröpfchenbildung führt. Auf diese Weise wird eine feine Zerstäubung des Kraftstoffs im Gas erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Kraftstoff- Verbrennungsgas-Gemischen mit dem Ziel, feinere Kraftstoffteilchen in engerer Partikelverteilung und eine homogene Vermischung des Kraftstoffs mit dem Verbrennungsgas zu erzeugen, wobei auch die gezielte Ausbreitung des Gemisches gehört.
Als Verbrennungskraftmaschinen kommen sowohl Otto-Motoren im Zweitakt oder Viertakt und Dieselmotoren, aber auch Gasturbinen und sonstige Kraft aus Verbrennungen erzeugende Apparate wie Schubtriebwerke mit ihren Brennkammern in Frage. Bei den Kraftstoffen handelt es sich um flüssige, bei den Verbrennungsgasen in der Regel um Luft, womit sie im folgenden bezeichnet werden, auch wenn es sich nicht nur um Luft oder deren Mischung mit die Verbrennung unterstützenden Gasen beispielsweise handelt.
In den heutigen Verbrennungskraftmaschinen vom Typ Otto-Motor wird nur noch selten der flüssige Kraftstoff, vornehmlich Benzin, in Vergasern, welche diese Aufgabe in Jahrzehnten zufriedenstellend in vielgestaltiger Bauform vornahmen, zerstäubt, sondern es wird entweder in das Saugrohr der Kraftstoff über Düsen verschiedenster Bauform eingespritzt und mit der angesaugten Luft den Zylindern zugeführt, oder er wird direkt in den Verbrennungsraum des Zylinders eingespritzt. Dieses hat sowohl mit der besseren Nutzung des Kraftstoffes, der Anpassung an die abgeforderte Leistung, als auch mit der Verringerung der Schadstoffe im Abgas zu tun.
Bei Dieselmotoren kommt nur die Direkteinspritzung in den oberen Zylinderteil, häufig in besonders geformten Brennkammern, von seltenen Sonderfällen abgesehen, in Frage. Die Anforderungen an die Gemischbildung aus Kraftstoff und Luft sind in beiden Motortypen die gleichen, wenn dies auch in Einzelheiten unterschiedlich sein kann, nämlich dass der Kraftstoff in möglichst feine Tröpfchen zerstäubt wird, um so eine große Oberfläche für die Verbrennung zu schaffen, dass die Verteilung der Tröpfchengrößen nicht so stark variiert, insbesondere keine zu großen Tröpfchen erzeugt werden (bei Dieselmotoren manchmal durchaus zur unterschiedlichen Reichweite bei der Füllung des Verbrennungsraums gewünscht) und eine möglichst gleichmäßige Vermischung von Kraftstoff und Luft erzeugt wird, im Idealfall überall in den stöchiometrisch angepassten jeweiligen Massen. An die Form des durch die Einspritzung erzeugten Gemischvolumens werden besondere Anforderungen gestellt auf den Idealfall hin, dass der gesamte Verbrennungsraum gleichmäßig vom Gemisch erfüllt ist, mit besonderen Anforderungen wie der Ausbildung der Verbrennung nach der Zündung gegebenenfalls.
Die vorliegende Erfindung folgt diesen Anforderungen durch eine besondere Art der Verdüsung des flüssigen Brennstoffs. Hierbei wird der aus einer Öffnung austretende Flüssigkeitsstrahl von im allgemeinen rundem Querschnitt durch eine konzentrisch angreifende Luftströmung zu geringerem Durchmesser mittels Schubkräften beschleunigt bis er zerplatzt. Dieses besondere, inzwischen auch als Nanoval- Verfahren bezeichnete, Prinzip hat sich bei der Zerstäubung von Metallschmelzen als vorteilhaft erwiesen (DP 33 11 343), in dem feine Teilchen in enger Verteilung entstehen und sich in gut sphärischer Form als Pulver ergeben. Diese Zerstäubung wird von den Massenströmen der beiden Medien Gas und Flüssigkeit und der Oberflächenspannung und Viskosität der Flüssigkeit im Wesentlichen bestimmt. Dabei handelt es sich um Gasströmungen im Bereich der Schallgeschwindigkeit bis in den Überschall hinein, bei Luftströmungen also um und über gut 300 m/s. Die Gasströmung um den Flüssigkeitsstrahl ist laminar und wird stetig beschleunigt. Dazu dient eine um die Einspritzdüse, eher etwas unter ihr angeordnete Lavaldüse von konvergent-divergentem Querschnitt. Durch die Verringerung des Strahldurchmessers steigt in seinem Inneren der Druck gegen die außen wirkende Oberflächenspannung an. Da das Gas beschleunigt wird, nimmt der Druck in ihm ab und es kommt zu einem Aufplatzen des Flüssigstrahles, wenn die Oberflächenkräfte den Strahl nicht mehr zusammenhalten können. Dies geschieht als Kennzeichen des Verfahrens schlagartig und etwa im Bereich des engsten Querschnitts der Lavaldüse oder in Laufrichtung danach. Die flüssigen Tröpfchen breiten sich nach der Seite aus; denn das schlagartige Zerplatzen als Folge des überwiegenden Innendrucks überlagert sich dem Vorwärtsimpuls des Flüssigstrahles.
Steigert man das Verhältnis der Drücke vor und hinter der Lavaldüse, so erhält man im engsten Querschnitt der Lavaldüse beim kritischen Druckverhältnis, welches bei Luft 1,89 beträgt, Schallgeschwindigkeit und bei weiterer Steigerung Überschallgeschwindigkeit im Gas.
Ist der Druck hinter der Lavaldüse höher oder tiefer als es dem Strömungsverlauf nach ihrer Kontur entspricht, also nicht angepasst, so kommt es zu einem Verdichtungsstoß hinter der Lavaldüse oder zu einer weiteren Expansion. Dieses an kann sich wiederholen, so dass Stoßfronten auf Expansionsfächer folgen bis der Druck auf den des anschließenden Raumes, also der Gemischbildungskammer - Saugrohr oder direkt Verbrennungsraum - trifft.
Nach der Erfindung kann die Ausbreitung des aus Luft und Kraftstoff gebildeten Gemisches durch Expansion an einer Ecke, der sog. Prandtl-Meyer-Strömung, genutzt werden, nach der eine Überschallströmung an einer Ecke in den darauffolgenden Raum expandiert, und zwar in starker Aufweitung bis über 90° zur ursprünglichen Strömungsrichtung hinaus. Voraussetzung ist eine Überschallströmung zuvor und eine weitere Expansionsmöglichkeit durch einen nach der Ecke folgenden tieferen Druck. Die Erfindung macht sich die Möglichkeit der schlagartigen Aufweitung eines Überschallstrahles zu Nutze. Durch die Verdünnungs- und Stoßwellen kann zudem die Vermischung von Kraftstoff und Luft verbessert werden.
Wesentlich und von den meisten Einspritzverfahren sich unterscheidend ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Gemischherstellung durch eine begleitende Luftströmung, die einen Teil, in Grenzfällen auch die gesamte Verbrennungsluft darstellt. Diese parallele Strömung zwischen Gas und Flüssigkeit hält den Flüssigstrahl bis zum Aufplatzpunkt zusammen, und zwar länger als dieses bei anderen Zerstäubungsverfahren geschieht. Bei reiner Druckzerstäubung wird die erforderliche Energie durch Druck in die Flüssigkeit eingebracht, wobei der aus einer Öffnung, der Einspritzdüse, austretende Flüssigstrahl in der ihm gegenüber als etwa ruhend anzusehenden Atmosphäre durch ungeordnete Schubspannungswirkung aufreißt und Tröpfchen vermittels der Wirkung der Oberflächenspannung bildet. Dies ist ein wegen der grundsätzlich hohen Geschwindigkeiten in Laufrichtung zunehmend turbulenter Strömungsverlauf. Die Folge sind größere Unterschiede in den Tröpfchengrößen und auch ein höherer Energieaufwand gegenüber dem laminaren parallelen Verlauf beider Strömungsmedien.
Die Vorrichtungen des Verfahrens sind so gestaltet, dass bis zum Zerplatzen in beiden Medien laminare Strömung vorliegt. Diesem dient grundsätzlich eine beschleunigte Gasströmung wie sie hier vorliegt, während verzögerte wie beim Einspritzen in ruhende Luft eine Destabilisierung erleiden und Turbulenz angefacht wird. Erst nach dem Zerplatzen im oder nach dem Schalldurchgang kommt es zu Stoßwellen und Verdünnungswellen und dann auch zu Turbulenzen. Da sind die Tröpfchen aber bereits gebildet. Beides, Stoßwellen im Überschallbereich und Turbulenz, fördert die Vermischung der Kraftstofftröpfchen mit der Verbrennungsluft.
Fig. 1 und 1a zeigen eine Vorrichtung zur Zerstäubung des Kraftstoffes mit rotationssymmetrischem Kraftstoffaustritt im Zentrum und Luftströmung im umgebenden Ringspalt.
Fig. 2 veranschaulicht das strömungsmechanische Geschehen dieser Zerstäubung.
In Fig. 1 sind nur die wesentlichen Merkmale einer Vorrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. In einem Gehäuse 1 befindet sich ein den flüssigen Kraftstoff zuführendes Rohr 2, welches in genauer Zentrierung zum unteren Teil mit der Lavaldüse 3 für die Luftströmung positioniert wird. Es handelt sich grundsätzlich um kleine Dimensionen. So ist der Durchflussquerschnitt 4 des Teils 2 im oberen Teil nur im Millimeterbereich und der Ausfluss 5 je nach Motorleistung bzw. Zylinder, für die das Gemisch hergestellt wird, im Zehntelmillimeterbereich, und entsprechend beträgt der Innendurchmesser für den Ringspaltkanal 6 für die Luftströmung nur wenige Millimeter. Der flüssige Brennstoff wird längs des Pfeiles 7 in den Querschnitt 4 des Teils 2 eingeführt, während die Luft (Gas) längs des Pfeiles 8 in ein Verteilerstück 9 einströmt und von dort sich im Ringraum 10 verteilt und in den Ringspaltkanal 6 einströmt. Im unteren Bereich 11, wo sich dieser verjüngt, nimmt die Luftgeschwindigkeit stetig zu bis sie in den engsten Querschnitt 12 der Lavaldüse 3 gelangt. Wird das kritische Druckverhältnis überschritten, so herrscht hier Schallgeschwindigkeit, aber nie mehr. Im Teil 2 endet der Kanal 4 in einer Kapillare 14, im Regelfall etwas oberhalb des engsten Querschnitts der Lavaldüse 3.
Fig. 1a zeigt die Einheit von oben gesehen, die z. B. an einem Saugrohr des Motors oder direkt am Zylinderkopf oder der Brennkammer einer Gasturbine befestigt ist.
Die Verdüsung wird anhand Fig. 2 näher erläutert. Der Flüssigstrahl des Kraftstoffs tritt bei 15 aus der Kapillare 14 aus. Seitwärts trifft auf ihn die aus dem Raum 6 kommende beschleunigte Luftströmung. Diese hat durch entsprechende Druckeinstellung eine höhere Geschwindigkeit als der Flüssigstrahl und verzieht ihn durch Schubspannungen zu geringeren Durchmessern. Dabei beschleunigt sich die Luftströmung in der Lavaldüse durch den in Strömungsrichtung abnehmenden Querschnitt und es kommt im engsten Querschnitt zur Schallgeschwindigkeit, wenn das kritische Druckverhältnis durch den Ausgangsdruck der Gasströmung und den Gegendruck im Zerstäubungsraum erreicht bzw. überschritten wird. Die sich an den engsten Querschnitt der Lavaldüse 12 anschließende Erweiterung führt zu Überschall, wenn noch genügend Druck vorhanden ist. Dabei verzehrt die Beschleunigung des Flüssigstrahles Energie, die aus der Luftströmung kommt. Während der Druck in der Luftströmung abnimmt, nimmt er im Flüssigstrahl 16 durch Wirkung der Oberflächenspannung im abnehmenden Durchmesser zu und es kommt zum Zerplatzen des Flüssigstrahls zu Tröpchen 17, wenn der Innendruck den Außendruck überwiegt.
Die gebildete Mischung aus Luft und Kraftstoff bewegt sich in einem auseinanderstrebenden Volumen, einer "Fahne" 17, fort.
Die beschriebene starke Expansion an einer Ecke kann sich anschließen an eine Erweiterung der Lavaldüse nach dem engsten Querschnitt, auch durch Rücknahme der Kontur, so dass eine Ecke oder gar ein Rücksprung gebildet wird, der eine schlagartige Ausbreitung des flüssig-gasförmigen Mediums gestattet. Voraussetzung ist eine Überschallströmung zuvor. Auf kurzem Wege lässt sich dadurch eine starke Ausbreitung des Gemisches wie allgemein gewünscht erzielen.
Die Zerstäubung des flüssigen Mediums Kraftstoff gelingt zu sehr kleinen Partikeln im Bereich 2 bis 10 µm, bei höherer Gas-(Luft)Geschwindigkeit noch etwas darunter bis an oder in den Nanobereich. Da zuvor ein Monofil von deutlich kleinerem Durchmesser als der die Kapillare 14 verlassende ursprüngliche Flüssigstrahl verzogen wurde, scheiden grobe Tröpfchen von vornherein aus und allgemein weist die Zerstäubung nach dem Nanoval-Effekt deutlich geringere Streuung in den Partikelgrößen auf. So beträgt das Streumaß d₈₄/d₅₀ - 1 = 1,5 bis 1,9, während es bei üblichen Zerstäubungsverfahren zwischen 2, 3 und 3 in den besseren Fällen liegt. Sieht man von Sonderfällen ab, wo man durchaus ein heterogenes Gemisch herstellen will, so ist die Erzeugung von feinen Kraftstofftröpfchen in nicht stark abweichenden Teilchengrößen für eine Verbrennung von Vorteil.
Bei dieser Zerstäubung durch Aufplatzen, also nicht etwa durch Zerwellen, Zerschlagen oder Abstrippen eines Flüssigstrahls, entsteht eine sehr gute Vermischung mit der umgebenden Luft, weil durch das Zerplatzen die gebildeten Tröpfchen, die sich durch Wirkung der Oberflächenspannung zu kugelähnlichen Gebilden verformen, auseinander streben und damit vorteilhafterweise den Mischraum gleich zu Anfang ihrer Entstehung vergrößern.
Statt der rotationssymmetrische Strömung von Kraftstoff und Luft kann auch aus einem Schlitz verdüst werden, wobei die Lavaldüse dann auch als Schlitz ausgebildet ist. Dies gestattet größere Durchsätze, allerdings streut die Verteilung der Tropfengrößen breiter, weil an den Rändern sich dickere Tropfen bilden. Das mag wie beschrieben in manchen Fällen gewünscht sein.
Die Erzeugung eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft nach der Erfindung bedarf einer Luftströmung und erhöhtem Druck, beim Einspritzen direkt in den komprimierten Verbrennungsraum oberhalb eines Zylinders sogar erheblicher Drücke. Ein zusätzlicher Verdichter für den Teilstrom der Luft zur Verdüsung stellt einen weiteren Aufwand dar, sowohl maschinentechnisch als auch eine weitere Anfälligkeit der Kraftmaschine sowie zusätzlichen Raumbedarf. Bei der Verwendung des neuen Verfahrens und seiner Vorrichtungen wäre also dieser Mehraufwand mit der verbesserten Verbrennungswirkung durch die bessere Zerstäubung abzuwägen. Es sind aber in einem Verbrennungsmotor Zustände erhöhten Druckes in zeitlicher Folge bei Hubkolbenmotoren vorhanden und bei Gasturbinen in den zugehörigen, meist auf einer Welle laufenden Verdichtern. Diese können für den erhöhten Druckbedarf der Zerstäubungsluft genutzt werden, sei es, dass es sich um eine stetige Zerstäubung des Kraftstoffs handelt wie beispielsweise bei Gasturbinen, oder intermittierend wie in den meisten Fällen bei Otto- und Dieselmotoren. Dazu können für die Gemischbildung in einem Zylinder die zuvor erzielten höheren Drücke eines anderen genutzt werden oder es können in Speicherbehältern komprimierte Luft aus Zylindern über öffnende und schließende Ventile eingespeist werden. Derartige Verfahren sind bekannt und werden z. B. in US 2 134 786 oder DE 37 32 259 angegeben.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Kraftstoff-Gas- Gemischen, bei dem Kraftstoff aus einer Austrittsöffnung in einen Zerstäubungsraum eingeführt und zu feinen Tröpfchen zerstäubt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Austrittsöffnung austretende Kraftstoffstrahl von einer mittels einer Lavaldüse stetig beschleunigten laminaren Gasströmung beschleunigt wird, bis der im Inneren des Kraftstoffstrahls zunehmende Druck und der in der Gasströmung abnehmende Druck zum Zerplatzen des Kraftstoffstrahles und zur Tröpfchenbildung führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drücke vor und hinter der Lavaldüse so eingestellt werden, daß sich in ihrem engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit einstellt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströmung als eine Prandtl-Meyer-Strömung am Ende der Lavaldüse ausgebildet wird und der Kraftstoffstrahl in diese Gasströmung austritt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit mindestens zwei Zylindern, in denen das Kraftstoff-Gas-Gemisch verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kraftstoffstrahl begleitende Gasströmung das gesamte Verbrennungsgas darstellt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit mindestens zwei Zylindern, in denen das Kraftstoff-Gas-Gemisch verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als das zur Verbrennung notwendige Gas in den Zylinder eingeströmt wird und der überschüssige Teil zuvor zur Spülung des Zylinders verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit mindestens zwei Zylindern, in denen jeweils das Kraftstoff-Gas-Gemisch verbrannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbedarf für die Beschleunigung der Gasströmung zur Bildung des Gemischs für einen Zylinder aus den zuvor erzielten höheren Drücken eines anderen Zylinders gewonnen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Brennkammer einer Gasturbine und mindestens einem Verdichter, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckbedarf für die Beschleunigung der Gasströmung zur Bildung des Gemischs für die Brennkammer aus den höheren Drücken des Verdichters gewonnen wird.

8. Vorrichtung zur Erzeugung von Kraftstoff-Gas- Gemischen mit einem eine Ausströmöffnung aufweisenden Kraftstoffkanal, der auf einen Zerstäubungsraum hinführt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kraftstoffkanal ein Gaskanal zugeordnet ist, der in eine Lavaldüse mündet, wobei der engste Querschnitt der Lavaldüse um die Ausströmöffnung herum oder etwas unter dieser angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal und die Lavaldüse so ausgeführt sind, daß die in dem Gaskanal und der Lavaldüse geführte Gasströmung stetig beschleunigt wird und laminar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lavaldüse zu ihrem Ausgang hin so erweitert ist, daß sich nach Ausbildung der Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt Überschallgeschwindigkeit einstellt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung und die Lavaldüse kreisförmig sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung und die Lavaldüse schlitzförmig sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskanal den Kraftstoffkanal umgibt und als Ringspalt- oder Schlitzspaltkanal ausgebildet ist.

14. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13 in einem Zweitakt-Motor.