DE102019125569B3 - Device and method for providing a water-fuel emulsion - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung (10) zum Bereitstellen einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion umfasst eine Hochdruckpumpe (12), eine Druckkammer (26) und zumindest eine der Druckkammer (26) zugeordnete Ultraschalleinheit (34), wobei die Druckkammer (26) der Hochdruckpumpe (12) nachgeschaltet ist. Die Druckkammer (26) Strömungsverbindung steht mit der Hochdruckpumpe (12) in Strömungsverbindung, um eine von der der Hochdruckpumpe (12) erzeugte Wasser-Kraftstoff-Emulsion und/oder ein Gemisch aus Wasser und Kraftstoff an die Druckkammer (26) zu leiten. Die Druckkammer (26) ist in Längsrichtung (L) größer als in einer zur Längsrichtung (L) senkrechten Querrichtung (Q). Die zumindest eine Ultraschalleinheit (34) ist an einer sich in Querrichtung (Q) erstreckenden Seite (36) der Druckkammer (26) angebracht und erstreckt sich in Längsrichtung (L) in die Druckkammer (26) hinein.
Ferner wird ein Verfahren zum Bereitstellen einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion angegeben.
A device (10) for providing a water-fuel emulsion comprises a high pressure pump (12), a pressure chamber (26) and at least one ultrasonic unit (34) assigned to the pressure chamber (26), the pressure chamber (26) of the high pressure pump (12) is downstream. The pressure chamber (26) is in flow connection with the high pressure pump (12) in order to convey a water-fuel emulsion generated by the high-pressure pump (12) and / or a mixture of water and fuel to the pressure chamber (26). The pressure chamber (26) is larger in the longitudinal direction (L) than in a transverse direction (Q) perpendicular to the longitudinal direction (L). The at least one ultrasound unit (34) is attached to a side (36) of the pressure chamber (26) extending in the transverse direction (Q) and extends in the longitudinal direction (L) into the pressure chamber (26).
A method for providing a water-fuel emulsion is also specified.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion.The invention relates to a device and a method for providing a water-fuel emulsion.
Im Bereich der Motorenentwicklung sind die Leistungssteigerung der Verbrennungskraftmaschine sowie die Abgasreduktion zwei der wichtigsten Zielgrößen. Eine Möglichkeit zur Leistungssteigerung und/oder Abgasreduktion stellt die Verwendung einer Wassereinspritzung dar.In the area of engine development, increasing the performance of the internal combustion engine and reducing exhaust gas are two of the most important target variables. One possibility for increasing performance and / or reducing exhaust gas is the use of water injection.
Bei der Wassereinspritzung erfolgt eine Kühlung des Motors, beispielsweise durch Einspritzen von einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion direkt in die Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine.In the case of water injection, the engine is cooled, for example by injecting a water-fuel emulsion directly into the combustion chamber of an internal combustion engine.
Durch das Absenken der Temperatur können die Bereiche des Kennfeldes des Motors erweitert werden, in denen ein Verbrennungsluftverhältnis Ä von 1 gefahren wird, also eine stöchiometrische beziehungsweise vollständige Verbrennung des Kraftstoffs erfolgt. Dadurch können Grenzwerte bezüglich der CO-Emissionen unter realen Fahrzeugbedingungen eingehalten werden, also auch außerhalb der im Zulassungsverfahren genutzten Testzyklen.By lowering the temperature, the areas of the engine characteristics map can be expanded in which a combustion air ratio λ of 1 is used, i.e. stoichiometric or complete combustion of the fuel takes place. This means that limit values for CO emissions can be adhered to under real vehicle conditions, i.e. outside the test cycles used in the approval process.
Die Verbrennung eines stöchiometrischen Gemisches aus Kraftstoff und Luft erzeugt höhere Temperaturen als ein angefettetes Gemisch, also ein Gemisch, das ein Mangel an Luft und damit einen Sauerstoffmangel aufweist. Diese höhere Temperatur würde jedoch zu hohe NOx-Emissionen verursachen. Die Emissionsreduktion müsste daher in diesem Fall über eine Leistungsreduktion erfolgen.The combustion of a stoichiometric mixture of fuel and air generates higher temperatures than a rich mixture, i.e. a mixture that has a lack of air and thus a lack of oxygen. However, this higher temperature would cause excessively high NO x emissions. The emission reduction would therefore have to take place in this case via a power reduction.
Aus diesem Grund ist die Zugabe von Wasser notwendig, die das Gemisch aus Kraftstoff und Luft abkühlt, wodurch bei Erhalt der für den Kunden gewohnten Leistung eine ausreichende Abgasreduktion erzielt werden kann. Dadurch sind Motoren realisierbar, die eine gesteigerte Leistung und/oder geringere Emissionen aufweisen.For this reason, the addition of water is necessary, which cools the mixture of fuel and air, whereby a sufficient reduction in exhaust gas can be achieved while maintaining the usual performance for the customer. This makes it possible to implement engines that have increased performance and / or lower emissions.
Entsprechend muss vor der Einspritzung eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion hergestellt und über Injektionsdüsen in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden. Das Wasser-Kraftstoffverhältnis der erhaltenen Emulsion muss immer an das gewählte Leistungsfenster der Verbrennungskraftmaschine angepasst sein. Darüber hinaus ist insbesondere die Güte, auch als Mischungsgüte oder Emulsionsgüte bezeichnet, entscheidend für die Optimierung des Brennverfahrens.Accordingly, a water-fuel emulsion must be produced before the injection and injected into the internal combustion engine via injection nozzles. The water-fuel ratio of the emulsion obtained must always be adapted to the selected power window of the internal combustion engine. In addition, the quality, also known as the quality of the mixture or the quality of the emulsion, is crucial for optimizing the combustion process.
Da sich Wasser und Kraftstoff nicht ohne weitere Zusätze zu einer stabilen Emulsion oder Mischung verbinden, kann es bei zeitlichen Verzögerungen zwischen Herstellung der Emulsion und Einspritzung in die Brennkammer zur teilweisen oder vollständigen Entmischung der Emulsion kommen. Dadurch können beim Motorstart Probleme auftreten, beispielsweise Startverzögerungen oder Wasserschlag.Since water and fuel do not combine to form a stable emulsion or mixture without further additives, delays between the production of the emulsion and the injection into the combustion chamber can result in partial or complete separation of the emulsion. This can cause problems when starting the engine, such as starting delays or water hammer.
Die
Aus der
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion einer ausreichenden Güte zuverlässig und insbesondere zeitnah bereitgestellt werden kann.The object of the invention is to create a possibility with which a water-fuel emulsion of sufficient quality can be provided reliably and in particular promptly.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion, umfassend eine Hochdruckpumpe, eine Druckkammer und zumindest eine der Druckkammer zugeordnete Ultraschalleinheit, wobei die Druckkammer der Hochdruckpumpe nachgeschaltet ist. Die Hochdruckpumpe umfasst zudem einen Kraftstoffeingang und einen Wassereingang sowie einen Ausgang, der mit der Druckkammer in Strömungsverbindung steht. Somit kann die in der Hochdruckpumpe erzeugte Wasser-Kraftstoff-Emulsion und/oder ein Gemisch aus Wasser und Kraftstoff in die Druckkammer geleitet werden. Die Druckkammer ist in einer Längsrichtung größer als in einer zur Längsrichtung senkrechten Querrichtung und die zumindest eine Ultraschalleinheit ist an einer sich in der Querrichtung erstreckenden Seite der Druckkammer angebracht und erstreckt sich in Längsrichtung in die Druckkammer hinein.The object is achieved by a device for providing a water-fuel emulsion, comprising a high-pressure pump, a pressure chamber and at least one ultrasonic unit assigned to the pressure chamber, the pressure chamber being connected downstream of the high-pressure pump. The high-pressure pump also includes a fuel inlet and a water inlet and an outlet that is in flow connection with the pressure chamber. The water-fuel emulsion generated in the high-pressure pump and / or a mixture of water and fuel can thus be passed into the pressure chamber. The pressure chamber is larger in a longitudinal direction than in a transverse direction perpendicular to the longitudinal direction and the at least one ultrasound unit is attached to a side of the pressure chamber extending in the transverse direction and extends in the longitudinal direction into the pressure chamber.
Die innerhalb der Druckkammer angeordnete Ultraschalleinheit dient dazu, die Emulsionsgüte der in die Druckkammer eingeführten Wasser-Kraftstoff-Emulsion zu erhalten, eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion aus einem in die Druckkammer eingeführtem Gemisch aus Wasser und Kraftstoff herzustellen und/oder bei längeren Standzeiten, die zur Trennung der Phasen von Wasser und Kraftstoff führen können, wieder herzustellen.The ultrasound unit arranged inside the pressure chamber serves to maintain the emulsion quality of the water-fuel emulsion introduced into the pressure chamber, to produce a water-fuel emulsion from a mixture of water and fuel introduced into the pressure chamber and / or, in the case of longer idle times, the can lead to the separation of the phases of water and fuel.
Derartige Ultraschalleinheiten sind auch unter dem Begriff Sonotrode bekannt und weisen zumindest eine Frontfläche auf, die in hochfrequente mechanische Schwingungen versetzt werden kann. Diese Schwingungen können anschließend als Schallwellen in das die Ultraschalleinheit umgebende Medium übertragen werden, in diesem Fall in die Wasser-Kraftstoff-Emulsion und/oder das Gemisch aus Wasser und Kraftstoff. Durch die Schallwellen werden die Bestandteile des Mediums miteinander vermengt bzw. vermischt, sodass im vorliegenden Fall eine Wasser-Kraftstoff-Emulsion ausreichender Emulsionsgüte resultiert.Such ultrasonic units are also known by the term sonotrode and have at least one front surface that can be set into high-frequency mechanical vibrations. These vibrations can then be transmitted as sound waves into the medium surrounding the ultrasonic unit, in this case into the water-fuel emulsion and / or the mixture of water and fuel. The components of the medium are blended or mixed with one another by the sound waves, so that in the present case a water-fuel emulsion of sufficient emulsion quality results.
Somit dient die Ultraschalleinheit zum Energieeintrag in die Wasser-Kraftstoff-Emulsion bzw. in das Gemisch aus Wasser und Kraftstoff. Derartige Ultraschalleinheiten weisen dafür nur einen geringen Energieverbrauch auf und sind gleichzeitig in kompakter Bauform erhältlich.The ultrasonic unit thus serves to introduce energy into the water-fuel emulsion or into the mixture of water and fuel. For this purpose, such ultrasonic units only have a low energy consumption and at the same time are available in a compact design.
Mit anderen Worten ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, auch nach einer ursprünglichen Vermischung von Wasser und Kraftstoff eine ausreichende Durchmischung der beiden Komponenten sicherzustellen. Auf diese Weise kann eine erste Durchmischung durch die Hochdruckpumpe erfolgen, ohne zu riskieren, dass bei zeitlichen Verzögerungen zwischen Herstellung der Emulsion und Einspritzen in eine an die Druckkammer angeschlossene Verbrennungskraftmaschine, insbesondere die Brennkammer eines Motors, eine teilweise oder vollständig entmischte Wasser-Kraftstoff-Emulsion eingespritzt wird. Zusätzlich muss die Hochdruckpumpe nicht alleine eine ausreichende Emulsionsgüte bereitstellen, sodass sich die Auslegung der Hochdruckpumpe vereinfacht. Hierdurch können die Kosten entsprechend gesenkt werden.In other words, with the device according to the invention, it is possible to ensure adequate mixing of the two components even after the original mixing of water and fuel. In this way, a first thorough mixing by the high-pressure pump can take place without the risk of a partially or completely separated water-fuel emulsion in the event of time delays between production of the emulsion and injection into an internal combustion engine connected to the pressure chamber, in particular the combustion chamber of an engine is injected. In addition, the high pressure pump does not have to provide sufficient emulsion quality on its own, so that the design of the high pressure pump is simplified. This allows the costs to be reduced accordingly.
Verzögerungen können bereits durch den Transport der Wasser-Kraftstoff-Emulsion zwischen Hochdruckpumpe und Druckkammer sowie durch den Transport innerhalb der Druckkammer entstehen. Auch kann eine Verzögerung den Zeitraum zwischen einem Stopp und der erneuten Inbetriebnahme der Verbrennungskraftmaschine bezeichnen, beispielsweise bei einer Start- und Stopp-Automatik.Delays can arise from the transport of the water-fuel emulsion between the high pressure pump and the pressure chamber as well as from the transport within the pressure chamber. A delay can also refer to the period between a stop and the restart of the internal combustion engine, for example in the case of an automatic start and stop.
Übliche Druckkammern weisen eine längliche Bauform auf, d.h. die Längsrichtung der Druckkammer ist größer als eine zur Längsrichtung senkrechten Querrichtung. Durch die Anbringung der Ultraschalleinheit an einer sich in Querrichtung erstreckenden Seite der Druckkammer, also senkrecht zur Längsrichtung, ergibt sich eine besonders einfache Möglichkeit die Ultraschalleinheit innerhalb der Druckkammer anzubringen. Zudem wird eine gute Übertragung der Schwingungen der Ultraschalleinheit in das Medium innerhalb der Druckkammer ermöglicht.Usual pressure chambers are elongated, i.e. the longitudinal direction of the pressure chamber is larger than a transverse direction perpendicular to the longitudinal direction. Attaching the ultrasound unit to a side of the pressure chamber that extends in the transverse direction, ie perpendicular to the longitudinal direction, results in a particularly simple possibility of attaching the ultrasound unit within the pressure chamber. In addition, a good transmission of the vibrations of the ultrasound unit into the medium within the pressure chamber is made possible.
Durch die längliche Form, insbesondere eine längliche und zylindrische Form, der Druckkammern eignen sich die in Querrichtung erstreckenden Seiten der Druckkammer besonders zur Anbringung des Drucksensors, beispielsweise über eine Schraubverbindung. An der zur Ultraschalleinheit gegenüberliegenden Seite kann in diesem Fall ein Drucksensor angebracht sein, beispielsweise ebenfalls über eine Schraubverbindung. Der Drucksensor dient zur Überwachung des Drucks innerhalb der Druckkammer.Due to the elongated shape, in particular an elongated and cylindrical shape, of the pressure chambers, the sides of the pressure chamber extending in the transverse direction are particularly suitable for attaching the pressure sensor, for example by means of a screw connection. In this case, a pressure sensor can be attached to the side opposite the ultrasound unit, for example likewise via a screw connection. The pressure sensor is used to monitor the pressure inside the pressure chamber.
An die Hochdruckpumpe können ein Kraftstofftank und ein Wassertank angeschlossen sein, die die beiden Komponenten zur Herstellung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion durch die Hochdruckpumpe bereitstellen.A fuel tank and a water tank, which provide the two components for producing the water-fuel emulsion by the high-pressure pump, can be connected to the high-pressure pump.
Der Kraftstoff kann auch Ethanol umfassen.The fuel can also include ethanol.
Die Druckkammer kann einen Einlass haben, über den die Druckkammer die Wasser-Kraftstoff-Emulsion und/oder das Gemisch aus Wasser und Kraftstoff aus einer Zufuhrleitung der Hochdruckpumpe erhält. Somit ist ein einfaches Überführen der/des von der Hochdruckpumpe erzeugten Wasser-Kraftstoff-Emulsion und/oder Gemisches aus Wasser und Kraftstoff in die Druckkammer möglich.The pressure chamber can have an inlet via which the pressure chamber receives the water-fuel emulsion and / or the mixture of water and fuel from a supply line of the high-pressure pump. A simple transfer of the water-fuel emulsion and / or mixture of water and fuel generated by the high-pressure pump into the pressure chamber is thus possible.
In einer Ausgestaltung ist der Druckkammer zumindest eine Injektionsdüse zugeordnet, die eingerichtet ist, die Wasser-Kraftstoff-Emulsion aus der Druckkammer zu entfernen. Insbesondere ist die Injektionsdüse mit einer Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine verbunden. Somit wird über die Injektionsdüse ein Einspritzen der erzeugten Wasser-Kraftstoff-Emulsion der gewünschten Emulsionsgüte in die Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Die Wasser-Kraftstoff-Emulsion wird demnach aus der Druckkammer entfernt, indem die Wasser-Kraftstoff-Emulsion in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird.In one embodiment, the pressure chamber is assigned at least one injection nozzle which is set up to remove the water-fuel emulsion from the pressure chamber. In particular, the injection nozzle is connected to a combustion chamber of an internal combustion engine. This enables the water-fuel emulsion produced with the desired emulsion quality to be injected into the internal combustion engine via the injection nozzle. The water-fuel emulsion is accordingly removed from the pressure chamber in that the water-fuel emulsion is injected into the internal combustion engine.
Durch das Erzeugen der gleichmäßigen Wasser-Kraftstoff-Emulsion kann ein optimaler Betrieb und eine saubere Verbrennung innerhalb der Verbrennungskraftmaschine sichergestellt werden.By generating the uniform water-fuel emulsion, optimal operation and clean combustion within the internal combustion engine can be ensured.
Die zumindest eine Injektionsdüse kann einer sich in der Längsrichtung erstreckenden Seite der Druckkammer zugeordnet sein. Entsprechend hat die zumindest eine Injektionsdüse eine Ausrichtung, die senkrecht zur Ausrichtung der Ultraschalleinheit ist. Auf diese Weise beschränkt die Anbringung der Ultraschalleinheit nicht die zum Anbringen von Injektionsdüsen zur Verfügung stehenden Bereiche der Druckkammer.The at least one injection nozzle can be assigned to a side of the pressure chamber extending in the longitudinal direction. Accordingly, the at least one injection nozzle has an orientation which is perpendicular to the orientation of the ultrasound unit. In this way, the attachment of the ultrasound unit does not limit the areas of the pressure chamber available for attachment of injection nozzles.
Zudem kann eine Vielzahl von Injektionsdüsen entlang der sich in Längsrichtung erstreckenden Seite der Druckkammer vorgesehen sein. In diesem Fall handelt es sich bei der Druckkammer um eine sogenannte Common-Rail.In addition, a plurality of injection nozzles can be provided along the side of the pressure chamber extending in the longitudinal direction. In this case, the pressure chamber is a so-called common rail.
In einer solchen Ausgestaltung ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrichtung, dass über die gesamte Länge der Druckkammer eine gleichmäßige Emulsionsgüte erzielt werden kann. Der Betrieb der Ultraschalleinheit kann in diesem Fall so geregelt werden, dass Unterschiede in der Emulsionsgüte aufgrund unterschiedlich langer Zeiträume zwischen Durchmischung in der Hochdruckpumpe und Einspritzung durch eine spezifische Injektionsdüse ausgeglichen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient somit auch zur Synchronisation der Einspritzung und zum gleichmäßigen Betrieb der Common-Rail.In such a configuration, the device according to the invention enables a uniform emulsion quality to be achieved over the entire length of the pressure chamber. In this case, the operation of the ultrasonic unit can be regulated in such a way that differences in the quality of the emulsion due to different periods of time between mixing in the high-pressure pump and injection through a specific injection nozzle are compensated for. The device according to the invention thus also serves to synchronize the injection and to operate the common rail evenly.
Die zumindest eine Ultraschalleinheit kann sich ausgehend von der Seite der Druckkammer zu einer in das Innere der Druckkammer weisenden Frontfläche verjüngen. Auf diese Weise ist eine besonders einfache Montage der Ultraschalleinheit innerhalb der Druckkammer bei geringem Bauraumbedarf möglich. Zudem sind derartige Ultraschalleinheiten kostengünstig verfügbar.The at least one ultrasound unit can taper from the side of the pressure chamber to a front surface pointing into the interior of the pressure chamber. In this way, a particularly simple assembly of the ultrasonic unit within the pressure chamber is possible with little space requirement. In addition, such ultrasonic units are available inexpensively.
Um die Durchmischung senkrecht zur Erstreckungsrichtung der zumindest einen Ultraschalleinheit weiter zu erhöhen, kann an der Frontfläche der zumindest einen Ultraschalleinheit eine Verdickung ausgebildet sein.In order to further increase the intermixing perpendicular to the direction of extent of the at least one ultrasonic unit, a thickening can be formed on the front surface of the at least one ultrasonic unit.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Vorrichtung zwei Ultraschalleinheiten, wobei eine zweite Ultraschalleinheit an einer zur ersten Ultraschalleinheit gegenüberliegenden Seite der Druckkammer angebracht ist. Somit wird die/das innerhalb der Druckkammer vorhandene Wasser-Kraftstoff-Emulsion und/oder Gemisch aus Wasser und Kraftstoff gleichmäßig von beiden Seiten durchmischt. Es lässt sich so eine noch gleichmäßigere Wasser-Kraftstoff-Emulsion erhalten. Ferner ist die Vorrichtung dadurch redundant ausgebildet, sodass eine gleichmäßige Wasser-Kraftstoff-Emulsion weiterhin erzeugt werden kann, auch wenn eine Ultraschalleinheit ausfallen sollte. In einer solchen Ausgestaltung ist ein gegebenenfalls erforderlicher Drucksensor insbesondere an einer Position außerhalb der Seiten der Druckkammer angebracht.In a further embodiment, the device comprises two ultrasonic units, with a second ultrasonic unit being attached to a side of the pressure chamber opposite to the first ultrasonic unit. The water-fuel emulsion and / or mixture of water and fuel present within the pressure chamber is thus mixed evenly from both sides. An even more uniform water-fuel emulsion can be obtained in this way. Furthermore, the device is designed redundantly so that a uniform water-fuel emulsion can continue to be generated even if an ultrasonic unit should fail. In such an embodiment, a possibly required pressure sensor is attached in particular at a position outside the sides of the pressure chamber.
Auch die zweite Ultraschalleinheit kann sich ausgehend von der ihr zugeordneten Seite der Druckkammer zur ersten Ultraschalleinheit hin verjüngen, also ebenfalls entlang der sich in Längsrichtung erstreckenden Seite der Druckkammer. Somit wird auch für die zweite Ultraschalleinheit nur wenig Bauraum innerhalb der Druckkammer benötigt.Starting from the side of the pressure chamber assigned to it, the second ultrasound unit can also taper towards the first ultrasound unit, that is to say likewise along the side of the pressure chamber that extends in the longitudinal direction. This means that only a small amount of installation space is required within the pressure chamber for the second ultrasonic unit.
Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch ein Verfahren zum Bereitstellen einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion, umfassend folgende Schritte:
- a) Bereitstellen einer Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art;
- b) Einspeisen der Wasser-Kraftstoff-Emulsion und/oder des Gemischs aus Wasser und Kraftstoff in die Druckkammer über die Hochdruckpumpe; und
- c) Herstellen der gleichmäßigen Wasser-Kraftstoff-Emulsion durch Erzeugen von Schallwellen innerhalb der Druckkammer mittels der zumindest einen Ultraschalleinheit.
- a) providing a device of the type described above;
- b) feeding the water-fuel emulsion and / or the mixture of water and fuel into the pressure chamber via the high-pressure pump; and
- c) Producing the uniform water-fuel emulsion by generating sound waves within the pressure chamber by means of the at least one ultrasonic unit.
Durch die zumindest eine Ultraschalleinheit kann entsprechend die Qualität der Emulsion erhöht werden oder überhaupt eine Emulsion erzeugt werden. Gleichzeitig wird die Emulsion auch durch die erzeugten Schallwellen innerhalb der Druckkammer verteilt.By means of the at least one ultrasonic unit, the quality of the emulsion can be increased accordingly or an emulsion can be generated at all. At the same time, the emulsion is also distributed within the pressure chamber by the generated sound waves.
Die Schallwellen werden insbesondere mit einer Frequenz im Bereich von 10 bis 20 kHz erzeugt. Derartige Frequenzen gewährleisten eine gute Durchmischung und sind mit kostengünstigen Ultraschalleinheiten zuverlässig zu erzeugen. Eine Anpassung des jeweils genutzten Frequenzbereichs kann in Abhängigkeit der verwendeten Ultraschalleinheit sowie der eingesetzten Wasser-Kraftstoff-Emulsion bzw. des eingesetzten Gemischs aus Kraftstoff und Wasser erfolgen.The sound waves are generated in particular with a frequency in the range from 10 to 20 kHz. Such frequencies ensure thorough mixing and can be reliably generated with inexpensive ultrasonic units. The frequency range used in each case can be adapted depending on the ultrasonic unit used and the water-fuel emulsion used or the mixture of fuel and water used.
Die Amplitude der erzeugten Schallwellen kann an die Dichte und/oder die Temperatur der Wasser-Kraftstoff-Emulsion bzw. des eingesetzten Gemischs aus Kraftstoff und Wasser angepasst werden. Dies ermöglicht einen besonders effizienten Betrieb der zumindest einen Ultraschalleinheit.The amplitude of the generated sound waves can be adapted to the density and / or the temperature of the water-fuel emulsion or the mixture of fuel and water used. This enables particularly efficient operation of the at least one ultrasonic unit.
Zwischen den oben genannten Schritten b) und c), also zwischen dem Einspeisen einer Emulsion oder eines Gemisches und dem Herstellen der gleichmäßigen Emulsion, und/oder zwischen dem Schritt c), also dem Herstellen der Emulsion, und einem Einspritzen der Wasser-Kraftstoff-Emulsion kann ein Zeitraum von mehr als 30 Sekunden liegen, insbesondere von mehr als 5 Minuten.Between the above-mentioned steps b) and c), i.e. between feeding in an emulsion or a mixture and producing the uniform emulsion, and / or between step c), i.e. producing the emulsion, and injecting the water-fuel Emulsion can be a period of more than 30 seconds, in particular more than 5 minutes.
Entsprechend stellt das erfindungsgemäße Verfahren sicher, dass auch bei Auftreten von Verzögerungen die in die Verbrennungskraftmaschine eingespritzte Wasser-Kraftstoff-Emulsion eine ausreichende Emulsionsgüte aufweist. Insbesondere erfolgt die Herstellung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion auch sofort nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine, sodass eine teilweise oder vollständige Entmischung der Komponenten der Wasser-Kraftstoff-Emulsion sofort behoben werden kann.Correspondingly, the method according to the invention ensures that the water-fuel emulsion injected into the internal combustion engine has a sufficient emulsion quality even when delays occur. In particular, the water-fuel emulsion is also produced immediately after the internal combustion engine has been started, so that partial or complete separation of the components of the water-fuel emulsion can be remedied immediately.
Zugleich kann die Emulsionsgüte der unter Schritt c) hergestellten Wasser-Kraftstoff-Emulsion so hoch sein, dass auch bei geringen Verzögerungen zwischen der Herstellung und dem Einspritzen der Wasser-Kraftstoff-Emulsion eine ausreichende Emulsionsgüte gewährleistet bleibt.At the same time, the emulsion quality of the water-fuel emulsion produced under step c) can be so high that sufficient emulsion quality is guaranteed even with slight delays between the production and the injection of the water-fuel emulsion.
Grundsätzlich kann bei Bedarf der Schritt c) auch (mehrfach) wiederholt werden, wenn die Verzögerungen bis zum Einspritzen der Wasser-Kraftstoff-Emulsion zu lang werden.In principle, if necessary, step c) can also be repeated (several times) if the delays up to the injection of the water-fuel emulsion become too long.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In diesen zeigen:
- -
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bereitstellen einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion, - -
2 eine Seitenansicht einer Druckkammer der Vorrichtung aus1 , - -
3 eine Draufsicht auf die Druckkammer aus2 , - -
4 eine Schnittansicht der Druckkammer aus2 , - -
5 die Schnittansicht der Druckkammer aus4 während des Betriebs einer Ultraschalleinheit, - -
6 eine alternative Ausführungsform der Ultraschalleinheit aus5 , - -
7 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens, - -
8 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der Druckkammer aus1 , - -
9 eine Draufsicht auf die Druckkammer aus8 , - -
10 eine Schnittansicht der Druckkammer aus8 , und - -
11 die Schnittansicht der Druckkammer aus10 während des Betriebs der Ultraschalleinheiten.
- -
1 a schematic representation of a device according to the invention for providing a water-fuel emulsion, - -
2 a side view of a pressure chamber of the device1 , - -
3 a top view of the pressure chamber2 , - -
4th a sectional view of the pressure chamber2 , - -
5 the sectional view of the pressure chamber4th during operation of an ultrasound unit, - -
6th an alternative embodiment of the ultrasound unit5 , - -
7th a schematic representation of the method according to the invention, - -
8th a side view of a second embodiment of the pressure chamber1 , - -
9 a top view of the pressure chamber8th , - -
10 a sectional view of the pressure chamber8th , and - -
11 the sectional view of thepressure chamber 10 during operation of the ultrasonic units.
In
Die Vorrichtung
Die Hochdruckpumpe
Die Druckkammer
Die Verbrennungskraftmaschine
Innerhalb der Druckkammer
Die Druckkammer
Die Ultraschalleinheit
In
Die Druckkammer
In der gezeigten Ausführungsform sind insgesamt vier Auslassstutzen
Die Auslassstutzen
Die Druckkammer
Dies wird in
Die Ultraschalleinheit
In der gezeigten Ausführungsform weist die Ultraschalleinheit
Ausgehend von der Frontfläche
In
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen einer Wasser-Kraftstoff-Emulsion erläutert.The method according to the invention for providing a water-fuel emulsion is explained below.
Zunächst wird die Vorrichtung
Zum Betrieb der Vorrichtung
Diese wird von der Hochdruckpumpe
Wird die eingespeiste Wasser-Kraftstoff-Emulsion nicht direkt über eine der Injektionsdüsen
Ein solcher Fall ist in
In dem gezeigten Beispiel bildet das Wasser größere, kreisförmige Kugeln, die sich innerhalb des Kraftstoffs beziehungsweise innerhalb der restlichen Wasser-Kraftstoff-Emulsion verteilen. Dieses Verhalten ist auch unter dem Begriff Flockung bekannt.In the example shown, the water forms larger, circular spheres that are distributed within the fuel or within the remaining water-fuel emulsion. This behavior is also known as flocculation.
Je nach Ausmaß der ursprünglichen Durchmischung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion, Standzeit sowie Temperaturen, kann es auch zur vollständigen Entmischung der zwei Komponenten Kraftstoff und Wasser kommen. Das Wasser sammelt sich in diesem Fall aufgrund seiner im Vergleich zum Kraftstoff höheren Dichte unten und der Kraftstoff oben an, sodass sich eine horizontale Grenzfläche ausbildet. Dieser Vorgang wird auch als „Brechen“ der Emulsion bezeichnet.Depending on the extent of the original mixing of the water-fuel emulsion, the service life and temperatures, the two components fuel and water can also completely separate. In this case, due to its higher density than fuel, the water collects at the bottom and the fuel at the top, so that a horizontal interface is formed. This process is also known as “breaking” the emulsion.
Eine vollständige Entmischung ist vor allem bei langen Verzögerungen zwischen Einspeisen und Entfernen der Wasser-Kraftstoff-Emulsion aus der Druckkammer
Weist die Wasser-Kraftstoff-Emulsion zusätzlich Ethanol auf kann es vorkommen, dass sich die Wasser-Kraftstoff-Emulsion auch nach längerer Zeit nicht vollständig entmischt. Nichtsdestotrotz kann es innerhalb dieser Wasser-Kraftstoff-Emulsion zu ungleichmäßigen Verteilungen kommen, beispielsweise durch Dichteunterschiede der Komponenten der Wasser-Kraftstoff-Emulsion. In diesem Fall ist eine erneute Durchmischung der Wasser-Kraftstoff-Emulsion wünschenswert, um eine ausreichende Emulsionsgüte zu gewährleisten.If the water-fuel emulsion also has ethanol, it can happen that the water-fuel emulsion does not separate completely even after a long period of time. Nonetheless, uneven distributions can occur within this water-fuel emulsion, for example due to differences in density of the components of the water-fuel emulsion. In this case, it is desirable to mix the water-fuel emulsion again in order to ensure a sufficient quality of the emulsion.
Durch Erzeugung von Schallwellen
Es werden insbesondere Schallwellen
Die Emulsionsgüte der Wasser-Kraftstoff-Emulsion
Die Ultraschalleinheit
In den
In der zweiten Ausführungsform weist die Druckkammer
Die zweite Ultraschalleinheit
Die beiden Ultraschalleinheiten
Die Verwendung von zwei Ultraschalleinheiten
Zudem ist eine Systemredundanz geschaffen, wodurch die Vorrichtung
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