-
Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung und ein Einspritzventil zur Einspritzung von Fluiden in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine.
-
Die Geschichte der Wassereinspritzung in Verbrennungsmotoren führt bis auf den Zweiten Weltkrieg zurück. Anfang der 40er Jahre wurde dieses Verfahren zur Leistungssteigerung als MW-50-System (Gemisch aus Wasser und Methanol) im deutschen Jagdflugzeug Messerschmitt Bf 109 G-10 eingesetzt. Mit dieser Technologie konnte dessen Leistung von 1700 PS auf 2400 PS erhöht werden.
-
Die
DE4223434C1 lehrt die spezielle Formung eines Mischwerkzeugs, nämlich einer Scheibe, zum Vermischen von Flüssigkeiten und Gasen. Hierbei soll die Kavitationswirkung, die vorteilhaft für das Vermischen ist, gesteigert werden.
-
Die
EP1482170B1 lehrt eine Einspritzdüse mit einer Wirbelscheibe, die einen optimierten Sprühstrahl des Kraftstoffs einstellen soll. Diese Wirbelscheibe ist am Injektorkopf, zwischen der Nadel und dem Auslass angeordnet.
-
US 2014/0373804 A1 offenbart ein Verfahren, eine Mischvorrichtung sowie Einspritzdüse zur Einspritzung von Fluiden in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Fluide Kraftstoff und Wasser umfassen.
-
In dieser Druckschrift wird auch ein Wirbel für einen kühlenden Effekt beschrieben.
-
Auch
US 7 762 715 B2 offenbart eine Mischvorrichtung für eine Emulsion aus Kraftstoff und Wasser, wobei die Fluide mittels Wirbelkavitation vermischt werden und wobei die Mischvorrichtung eine Wirbelscheibe sowie eine Lavaldüse aufweist.
-
Offenbarung der Erfindung:
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vermischung von Kraftstoff und Wasser vor oder während der Einspritzung zu verbessern.
-
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Es wird ein Verfahren zur Einspritzung von Fluiden in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Die Fluide umfassen wenigstens Kraftstoff und Wasser. Wenigstens eins der beiden Fluide wird mittels Wirbelkavitation vermischt.
-
Verbrennungskraftmaschinen, wie z.B. Turbinen, Otto- oder Dieselmotoren besitzen einen Brennraum, in den Kraftstoff, bzw. Brennstoff, eingebracht wird. Dies geschieht üblicherweise durch eine Einspritzung dieses Kraftstoffs, wie z.B. Benzin, Diesel oder Kerosin. Dieser kann dabei flüssig oder gasförmig, also ein Fluid sein.
-
Als Kavitation bezeichnet man laut Wikipedia die Bildung und Auflösung von dampfgefüllten Hohlräumen (Dampfblasen) in Flüssigkeiten. Man unterscheidet zwei Grenzfälle, zwischen denen es viele Übergangsformen gibt. Bei der Dampfkavitation oder harten (transienten) Kavitation enthalten die Hohlräume hauptsächlich Dampf der umgebenden Flüssigkeit. Solche Hohlräume fallen unter Einwirkung des äußeren Drucks per Blasenimplosion zusammen (mikroskopischer Dampfschlag). Bei der weichen Gaskavitation treten in der Flüssigkeit gelöste Gase in die Kavitäten ein und dämpfen deren Kollaps, bei der stabilen verhindern sie ihn.
-
Die Blasenimplosion führt zu einer sehr guten Vermischung der umgebenden Fluidbestandteile (Tröpfchen). Dies bewirkt, insbesondere auch bei einem einzelnen Fluid, eine feine Zerstäubung.
-
Neben der Kavitation sorgt die Verwirbelung, wie sie in nichtlaminaren Strömungen auftritt für eine zusätzliche Durchmischung. Um die Vermischung zu maximieren bietet sich eine Kombination aus beiden Effekten an, einer Wirbelkavitation. Durch entsprechende Vorrichtungen (z.B. Düsen) kann die Verwirbelung zusätzlich gefördert werden.
-
Als besonders effizient hat sich die Kraftstoffeinspritzung in den hochverdichteten Brennraum, bzw. die Kolbenmulde erwiesen. Dort kann so ein fein zerstäubtes Aerosol entstehen.
-
Die Einbringung von Wasser in den Brennraum öffnet die Möglichkeit, diesen damit zu kühlen. Das Wasser kann dabei mit dem gleichen Einspritzvorgang (zeitlich und räumlich) wie der Kraftstoff in den Brennraum eingebracht werden oder mit verschiedenen Einspritzungen, beispielsweise über zwei unterschiedliche Einspritzsysteme oder dasselbe Einspritzsystem zu unterschiedlichen Zeitpunkten.
-
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens werden beide Fluide, Kraftstoff und Wasser mittels Wirbelkavitation miteinander vermischt.
-
Die Blasenimplosion führt zu einer sehr guten Vermischung der umgebenden Fluidbestandteile (Tröpfchen), insbesondere auch verschiedener Fluide.
-
Die feine Vermischung von Wasser und Kraftstoff kann zu weiteren positiven Effekten führen. So kann der Einschluss von Wassertröpfchen durch umgebenden Kraftstoff zu einer Mini-Explosion des Wassertröpfchens bei Erwärmung im Brennraum führen, die den umgebenden Kraftstoff noch feiner verteilt, wodurch eine sauberere Verbrennung möglich ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform kann die Wassereinspritzung in die vom Turbolader verdichtete Luft erfolgen und führt dort zu einer Temperatur- und Dichteabsenkung, so dass der Wirkungsgrad der späteren Verbrennung erhöht wird. In diesem Fall erfolgt die Einspritzung von Kraftstoff nicht gleichzeitig mit dem Wasser. Der Kraftstoff wird hierbei in den Brennraum eingespritzt, während das Wasser zusammen mit der Luft (als Dampf und/oder zerstäubt) angesaugt wird und so in den Brennraum gelangt.
-
Diese Maßnahme führt einerseits zu einer Leistungserhöhung und andererseits zu einer Verbrauchsreduzierung im Volllastfall. Gleichzeitig werden Ruß- und Feinstaubpartikel reduziert.
-
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird das Wasser in Form einer Emulsion eingespritzt.
-
Die Wassereinbringung in den Kraftstoff kann als Emulsion erfolgen. Hierbei erfolgt die Einspritzung zusammen mit dem Kraftstoff, was ebenfalls zu einer vollständigeren schadstoffarmen Verbrennung führt.
-
Zur Wassereinspritzung mittels Emulsion kann die Emulsion dabei vorgemischt im Kraftstofftank vorrätig sein. Dabei sind keine zwei Zuleitungssysteme für Kraftstoff und Wasser notwendig. Dafür muss das gesamte System, wie Tank, Leitungen, Pumpe und Düse, gegen Korrosion durch das Wasser ausgelegt sein, bzw. das Wasser entsprechend aufbereitet (z. B. destilliert) sein. Zur feineren Verteilung der verschiedenartigen Fluid-Tröpfchen in der Emulsion kann die Emulsion durch die vorgeschlagene Wirbelkavitiation vor oder während der Einspritzung aufbereitet werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens bildet das Gemisch aus Kraftstoff und Wasser eine Emulsion.
-
Da Kraftstoff meist lipophil und Wasser hydrophil ist, werden sich jeweils Tropfen bilden, die sich nicht auf molekularer Ebene vermischen, sondern lediglich eine Emulsion bilden. Ziel ist es hierbei eine möglichst feinverteilte Tropfenstruktur zu erreichen.
-
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens zur Einspritzung von Fluiden beinhaltet das Wasser Zusätze.
-
Somit können neben Kraftstoff und Wasser weitere Fluide in den Brennraum eingebracht werden. Diese können entweder Eigenschaften aufweisen, die der Verbrennung dienen oder ein Funktionieren oder die Pflege des Einspritzsystems bewirken. Letzteres könnten z.B. Antikorrosionsmittel sein, die dem Wasser zugesetzt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Zusatz Ammoniumkarbonat. Aufgrund seiner thermischen Instabilität zerfällt das Ammoniumkarbonat von wenigstens 60°C zu Ammoniak und Kohlendioxid. Das Ammoniak reagiert bei 450°C oder darüber mit NOx zu Stickstoff und Wasser.
-
Mit speziellen Wasserzusätzen, wie z. B. Ammoniumkarbonat kann der Verbrennungsvorgang beeinflusst werden und ein Ausstoß von Stickoxiden vermindert werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens findet eine Wassereinspritzung in die Kraftstoffleitung statt.
-
Die Wassereinspritzung in die Kraftstoffleitung hat sich ebenfalls als besonders effektiv erwiesen, da hier eine kurzzeitige Emulsion entsteht, die über die vorhandenen Düsen, bzw. ein konventionelles Einpritzsystem, eingespritzt werden kann.
-
Bei der Wassereinspritzung in die Ansaugluft, die ggf. vom Turbolader verdichtet ist, oder in die Brennstoffleitung oder in die Einspritzdüse, werden gesonderte Systeme für die Bevorratung von Wasser und für die Einspritzung und die Steuerung benutzt. Das Mischen kann auch im Zulauf (z.B. Ansaugluft) statt, oder im Injektor unmittelbar vor der Einspritzung stattfinden.
-
Der Schutz vor Korrosion muss in der Steuerung und durch die Verwendung geeigneter Materialien in den Wasser führenden Teilen berücksichtigt werden.
-
Es besteht zusätzlich die Möglichkeit, verschiedene Brennstoffe gleichzeitig und unabhängig voneinander zu benutzen. Z.B. Zu Beginn eine Dieselzündung, anschließend Benzin- und Wassereinspritzung (Allstoffmotor).
-
Alternativ kann eine Benzinzündung mittels Zündkerze und eine anschließende Diesel- und Wassereinspritzung (chemischer Dieselmotor) stattfinden.
-
Es wird eine Wirbelscheibe, zur Einspritzung von Fluiden in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Die Fluide umfassen wenigstens Kraftstoff und Wasser. Wenigstens eins der beiden Fluide wird mittels Wirbelkavitation vermischt.
-
Der Effekt der Wirbelkavitation wird hierbei von der Wirbelscheibe erzeugt. Mittels einer Wirbelscheibe wird das diese durchlaufende Fluid derartig bewegt, dass Kavitation entsteht. Dies geschieht durch geeignete Formung und Bewegung (Rotation) der Scheibe. Zusätzlich bewirkt die Bewegung eine Verwirbelung des Fluids, bzw. der Fluide.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Wirbelscheibe werden wenigstens zwei Fluide miteinander vermischt. Weiterhin können diese beiden zu vermischenden Fluide Kraftstoff und Wasser sein, die nach dem Mischen ein Fluidgemisch ergeben.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Wirbelscheibe weist diese mehrere Öffnungen auf, in die Fluide einfließen können.
-
So können pro Öffnung eins von mehreren Fluiden einfließen. Dies umfasst die vorgeschlagene Einspritzung von Kraftstoff und Wasser. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Einspritzung von verschiedenen Kraftstoffen wie z.B. einer Auswahl aus Diesel, Gas und Benzin stattfinden (Allstoffmotor). Dies kann im laufenden Betrieb oder nur zum Starten des Motors umgeschaltet werden.
-
In einer besonderen Ausführungsform der Wirbelscheibe umfasst diese 4, 6 oder 8 Öffnungen für Wege in denen das Fluid fließen kann.
-
Diese bildet damit sogenannte 4-fach, 6-fach oder 8-fach Scheiben aus.
-
Dadurch besteht die Möglichkeit durch Wahl der Wirbelscheibe die Durchsatzmenge zu modifizieren, die sich auf Leistung und Verbrauch auswirkt. Je nachdem, wo die Wirbelscheibe eingebaut ist, ist auch ein leichter Austausch oder Umbau zur Modifizierung möglich. Dies kann ggf. lediglich durch den Austausch der Wirbelscheibe alleine möglich sein.
-
In einer besonderen Ausführungsform der Wirbelscheibe sind die Öffnungen für das Wasser und den Kraftstoff jeweils alternierend angeordnet.
-
Die Zuleitungen des Wassers können alternierend zu denen des Kraftstoffs angeordnet sein. Dadurch leitet jede benachbarte Zuleitung das jeweils andere Fluid zu. Dadurch ist seitens der Zuleitung bereits eine optimale Voraussetzung für eine gute Mischung der Fluide gegeben.
-
In einer weiteren Ausführungsform können die Zuleitungen des Wassers jeweils gegenüber liegend angeordnet sein, ebenso die des Kraftstoffs. Bei symmetrischer Anordnung und geradzahliger Anzahl der Zuleitungen führt dies zu einer alternierenden Zuführung der beiden Fluide.
-
In einer weiteren Ausführungsform ist die Hälfte der Zuleitungen für das jeweilige Fluid vorgesehen, wobei sich zwei Zuleitungen für das gleiche Fluid jeweils gegenüber liegen.
-
Vorgeschlagen wird eine Mischvorrichtung, die geeignet ist zur Einspritzung von Fluiden in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Die Fluide umfassen Kraftstoff und Wasser. Die Mischvorrichtung beinhaltet hierbei eine Wirbelscheibe, die wenigstens eines der beiden Fluide mittels Wirbelkavitation vermischt. Weiter beinhaltet die Mischvorrichtung eine Düse, insbesondere eine Lavaldüse.
-
Zusätzlich zur Wirbelscheibe, die durch Verwirbelung und dem Effekt der Kavität zu einer Vermischung der Fluide führt, wird eine Lavaldüse eingesetzt. Diese führt zu einer weiteren Verwirbelung und einer hohen Austrittsgeschwindigkeit des Fluidgemisches, welches in dieser Form gut in die Brennkammer oder Kolbenmulde eingespritzt werden kann. Insbesondere bei einer Lavaldüse sind hohe Austrittsgeschwindigkeiten (Überschall) möglich.
-
Durch die auftretenden Druckschwankungen und die durch den Wirbel in der Düse erzeugten Tangentialkräfte werden die Tröpfchen zerrissen und dadurch eine feinere Mischung der Fluide erzielt.
-
Diese Wolke aus Dampf und restlichen Teilchen/Tröpfchen bewegt sich mit großer Geschwindigkeit in Richtung Brennraum, bzw. Kolbenmulde, wo die restlichen Teilchen/Tröpfchen verdampfen.
-
In einer besonderen Ausführungsform der Mischvorrichtung sind die Wirbelscheibe und die Düse so abgestimmt, dass Tröpfchen mit einem Durchmesser von 1 bis 20 µm entstehen.
-
In einer besonderen Ausführungsform der Mischvorrichtung sind die Wirbelscheibe und die Düse so abgestimmt, dass Tröpfchen mit einem Schwerpunkt von 3 bis 8 µm Durchmesser entstehen.
-
Durch genaue Abstimmung von Düse und Wirbelscheibe entstehen Tröpfchen in besagter Größe, bzw. mit besagtem Schwerpunkt, die eine solche Feinheit haben, dass sie ein geeignetes Gemisch ergeben können, wie es für eine saubere Verbrennung notwendig ist.
-
Diese Tröpfchenverteilung, bzw. die Verteilung, die mit besagter Tröpfchengröße möglich ist, entspricht in etwa der Wellenlängenverteilung der Infrarotstrahlung im Brennraum. Eine mögliche Brennraumtemperatur bei Volllast beträgt ohne Wassereinspritzung ca. 2000 bis 4000 °C.
-
Dadurch kommt es zu einer schlagartigen, bzw. resonanten Verdampfung sowohl der Wasser- oder Kraftstofftröpfchen oder -teilchen, als auch ggf. der emulgierten Teilchen.
-
In einer besonderen Ausführungsform der Mischvorrichtung weist die Mischvorrichtung ferner eine Deckplatte mit wenigstens einem Einlass für Kraftstoff und wenigstens einem Einlass für Wasser auf.
-
Die Deckplatte kann Öffnungen, z.B. Bohrungen beinhalten, wobei an diese Leitungen angeschlossen sind, durch die beiden Fluide zur Wirbelscheibe hin fließen.
-
Vorgeschlagen wird eine Einspritzdüse, bzw. Injektor, zur Einspritzung von Fluiden in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Die Fluide umfassen wenigstens Kraftstoff und Wasser. Wenigstens eins der beiden Fluide wird mittels Wirbelkavitation vermischt.
-
Die Wirbelkavitation kann von einer vorgeschlagenen Wirbelscheibe erzeugt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform werden beide Fluide, Kraftstoff und Wasser mittels Wirbelkavitation miteinander vermischt. Dies kann in einem Vorgang mittels einer Wirbelscheibe geschehen.
-
In einer besonderen Ausführungsform einer Einspritzdüse ist die Einspritzung von Kraftstoff und Wasser gleichzeitig oder unabhängig voneinander möglich.
-
Je nachdem, welche Leitung angeschlossen wird, kann nur das eine oder nur das andere oder beide Fluide eingespritzt werden. Je nach Einbauort des Einspritzventils ist eine entsprechende Anordnung sinnvoll. In einem Luftansaugtrakt würde demnach bevorzugt ausschließlich Wasser eingespritzt werden. In der Nähe der Auslassnadel eines Einspritzventils/Einspritzdüse würden beide Fluide vermischt und gleichzeitig eingespritzt werden.
-
Figurenbeschreibung
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 eine 4-fach Wirbelscheibe mit einer Deckplatte, einer Düse und einem Düsenhalter,
-
2a eine 4-fach Wirbelscheibe,
-
2b eine 6-fach Wirbelscheibe,
-
2c eine 8-fach Wirbelscheibe,
-
3a die Außenansicht einer Mischvorrichtung,
-
3b einen Querschnitt durch die Mischvorrichtung,
-
3c ein Teil der Wirbelscheibe oder Deckplatte,
-
4a die Außenansicht einer Düse,
-
4b einen Querschnitt durch die Düse 15,
-
4c ein Teil der Düse,
-
5a die Außenansicht einer Anordnung mit Mischvorrichtung,
-
5b einen Querschnitt durch die Anordnung mit Mischvorrichtung,
-
5c einen vergrößerten Querschnitt.
-
In 1 ist eine 4-fach Wirbelscheibe 13 dargestellt, mit 4 Wirbelkanälen 14 als Zuleitungen der Fluide in Richtung des Zentrums der Wirbelscheibe. Je zwei Zuleitungen sind für ein bestimmtes Fluid vorgesehen, wobei sich die für das gleiche Fluid jeweils gegenüber liegen.
-
Die Wirbelscheibe kann gegenüber der Deckplatte 11 rotieren und nimmt dabei das Fluid auf, entweder kontinuierlich oder jedes Mal, wenn eine Öffnung 14 in der Wirbelscheibe eine Öffnung 12 in der Deckplatte überstreicht und das unter Druck stehende Fluid in die Öffnung der Wirbelscheibe gedrückt wird.
-
Diese Öffnungen bilden Wirbelkanäle, die sich verjüngend in einem Bogen auf das Zentrum der Wirbelscheibe zulaufen. Die 4 Wirbelkanäle treffen sich dort und bilden scharfe Kanten an den Stellen, ab denen sich der zentrale Leerraum ausbildet. Hier wird der kavitative Effekt erzeugt und die Fluide vermischen sich.
-
Anschließend wird das Fluidgemisch zu einer Düse 15 geleitet, durch diese verwirbelt und nach dem Austritt ggf. in den Brennraum eingespritzt. Ein Düsenhalter 16 dient dazu die Düse und ggf. den Aufbau der Mischvorrichtung zu halten.
-
In 2a ist eine 4-fach Wirbelscheibe in Drauf- und Schrägansicht gezeigt.
-
Während der Einspritzung mittels einer 4-fach Wirbelscheibe werden durch die sich gegenüberliegenden Einspritzkanäle, bzw. Zuleitungen in der Wirbelscheibe der Kraftstoff und das Wasser inniglich vermischt und in der Düse zusätzlich verwirbelt.
-
In 2b ist eine 6-fach Wirbelscheibe in Drauf- und Schrägansicht gezeigt. Dabei sind 6 Wirbelkanäle 14 vorhanden, die ggf. durch 6 Öffnungen 12 in der Wirbelscheibe gespeist werden.
-
In 2c ist eine 8-fach Wirbelscheibe in Drauf- und Schrägansicht gezeigt. Dabei sind 8 Wirbelkanäle 14 vorhanden, die ggf. durch 8 Öffnungen 12 in der Wirbelscheibe gespeist werden.
-
In 3a ist die Außenansicht einer Mischvorrichtung 31 gezeigt, die um die Mittelachse A-A symmetrisch angeordnet ist. Um diese rotiert auch die innenliegende Wirbelscheibe 13. Sichtbar ist die Deckplatte 11 und der Düsenhalter 16.
-
In 3b ist ein Querschnitt durch die gleiche Mischvorrichtung 31 gezeigt. Hierbei sind neben der Deckplatte 11 und dem Düsenhalter 16 auch die Wirbelscheibe 13 und die Düse 15 sichtbar.
-
In 3c ist ein Teil 31 der Wirbelscheibe oder Deckplatte mit Bohrungen für die Zuleitungen gezeigt.
-
In 4a ist die Außenansicht einer Düse 15 gezeigt, die um die Mittelachse A-A symmetrisch angeordnet ist.
-
In 4b ist ein Querschnitt durch die gleiche Düse 15 gezeigt. Hierbei ist der innenliegende Durchlassbereich wie bei einer Lavaldüse geformt.
-
In 4c ist ein Teil 41 der Düse mit Bohrung für den Auslass gezeigt. Aus diesem tritt das Fluidgemisch aus.
-
In 5a ist die Außenansicht einer Anordnung mit Mischvorrichtung 31 und Kolben 51 gezeigt, beide ebenfalls um die Achse A-A rotationssymmetrisch angeordnet. Der Abstand zwischen beiden variiert natürlich mit dem Kolbenhub.
-
In 5b ist ein Querschnitt durch die gleiche Anordnung mit Mischvorrichtung 31 und Kolben 51 gezeigt. Hierbei sieht man noch die innenliegende Kolbenmulde 52 in die das Kraftstoff-Wasser Gemisch durch die Mischvorrichtung 31 eingespritzt wird.
-
In 5c ist ein vergrößerter Querschnitt aus 5b gezeigt (dort mit B markiert). Hier ist zusätzlich der Einspritzvorgang veranschaulicht, wie das Fluidgemisch 53 aus dem Düsenausgang der Mischvorrichtung 31 in die Kolbenmulde 52 spritzt. Die Mischvorrichtung kann dabei in einem Einspritzventil integriert sein.
