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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen feiner Tropfen in
Gasen, speziell zum Erzeugen feiner Tropfen von Kraftstoffen in
Verbrennungskraftmaschinen.
Stand der Technik
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Bei Verbrennungskraftmaschinen wird der flüssige Kraftstoff zur Verbesserung des
Verbrennungsvorgangs vor Einleiten in den Verbrennungsraum oder im Verbrennungsraum
in feine Tropfen zerteilt. Diese Zerteilung in feine Tropfen begünstigt die Einleitung des
Verbrennungsvorgangs, die Geschwindigkeit des Verbrennungsvorgangs sowie die
Vollständigkeit der Verbrennung und verringert die Schadstoffbildung, wie die Bildung von
Rußpartikeln.
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Bisherige Verfahren zur Zerteilung von flüssigem Kraftstoff in feine Tröpfchen sind
beispielsweise Vergaserkonstruktionen, bei denen die Flüssigkeit durch mit hoher
Geschwindigkeit vorbeiströmende Verbrennungsluft zerstäubt wird. Neuere Methoden sehen
die Verdüsung des Kraftstoffs unter hohem Druck vor, bei denen der Kraftstoff über Düsen
verschiedener geometrischer Formen, beispielsweise Vollkegeldüsen in 2-Loch-, 4-Loch-
oder Mehrlochausführung, eingedüst wird. Bei der Kraftstoffeinspritzung in Kolbenmotoren
werden zudem aufwändig und kompliziert gestaltete Geometrien der Kolben und der
Zylinderköpfe vorgesehen, die eine gleichmäßige und feine Verteilung des Kraftstoffs sowie
seine teilweise Verdampfung fördern. Der Zerteilungsvorgang kann dadurch noch verbessert
werden, dass diese vorverteilten Tropfen unter hoher Geschwindigkeit auf heiße
Oberflächen, beispielsweise Ventile oder Kolben, auftreffen. Durch diese Maßnahmen wird
neben der mechanischen Zerteilung der Flüssigkeit zusätzlich eine gewünschte teilweise
Verdampfung des Kraftstoffs erreicht.
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In US 5 025 769 ist eine Methode zur Verbesserung des Verbrennungsvorgangs in
Kraftmaschinen beschrieben, bei der der Kraftstoff zusammen mit verdichtetem Gas in den
Verbrennungsraum eingespritzt wird. Die hierdurch bereitgestellte höhere Energie soll den
Verdüsungsvorgang und den Verbrennungsvorgang verbessern. WO 9939095 beschreibt
eine Vorverdüsung des Kraftstoffs in Gegenwart von verdichtetem Gas. Auf eine
Beeinflussung der Stoffeigenschaften des flüssigen Kraftstoffs, speziell der
Oberflächenspannung, wird bei diesen Maßnahmen nicht abgezielt.
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Zur Verminderung des technischen Aufwands wird teilweise vorgeschlagen, anstelle der
Hochdruckpumpen für die Kraftstoffförderung auf die Nutzung von verdichteten Gasen
zurückzugreifen, mit denen der Kraftstoff gefördert wird. Eine einfache Möglichkeit,
verdichtete Gase zu nutzen, besteht beispielsweise darin, die unter Druck stehenden Abgase
der Verbrennungskraftmaschine heranzuziehen. Eine teilweise Einlösung des unter Druck
stehenden Gases ist nicht nachteilig, da es zumindest tendenziell die Zerstäubung des
flüssigen Kraftstoffs fördern sollte, indem sich das gelöste Gas bei der Verdüsung unter
Blasenbildung löst. In der Praxis ist dieser theoretische Effekt nicht von Bedeutung, da eine
Blasenbildung eine Mindestzeit benötigt, die im Bereich von Zehntel- bis
Hundertstelsekunden liegt. Der Grund für diesen Zeitbedarf ist physikalisch erklärbar, da der
Diffusionsvorgang des gelösten Gases zu einer Gasblase so langsam verläuft, dass er für
den Einspritzvorgang in einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine praktisch nicht
nutzbar ist.
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RU 2141053 beschreibt das Einlösen von verdichtetem Gas in einen separaten
Treibstoffbehälter mit einem Inhalt von mindestens 0,8 Liter pro Liter Hubraum. Über die freie
Oberfläche dieses zusätzlichen Treibstoffbehälters soll Gas zumindest teilweise eingelöst
werden und den Verbrennungsvorgang verbessern. Wegen des begrenzten Stoffübergangs
an der wenig bewegten Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit ist die Wirksamkeit dieser
Maßnahme begrenzt und es wird ein groß dimensionierter unter Druck stehender
Zusatzbehälter erforderlich.
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In US 4 376 423 wird eine Methode beschrieben, in der der flüssige Kraftstoff gezielt mit
unter einem nicht genannten Druck stehendem Sauerstoff, Luft oder anderen die
Verbrennung fördernden Gasen gesättigt wird, um den Verbrennungsprozess zu verbessern.
Gas und Kraftstoff werden in einem ungeregelten Mengenverhältnis über einen porösen
Stein, wie er in der Getränkeindustrie eingesetzt wird (brewer stone) im Gegenstrom geleitet,
die Flüssigkeit mit dem Gas gesättigt und überschüssiges nicht eingelöstes Gas vor der
Kraftstoffeinspritzung abgetrennt. Die Vorgehensweise entspricht dem Sättigen von
Getränken mit Kohlendioxid. Über eine mechanische Verbesserung der Verdüsung von
Kraftstoff wird in der Anmeldeschrift nichts mitgeteilt. Zweck der Maßnahme ist das
Einbringen von Gasen, die den Verbrennungsvorgang fördern.
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Eine spezielle Methode zur Verbesserung der Kraftstoffeindüsung und der Verminderung
von unerwünschten Schadstoffen, die insbesondere in der Kaltstartphase verstärkt gebildet
werden, wird in US 6 119 637 geschildert. Ein Teil des Kraftstoffs wird abgedampft bzw.
destilliert und separat gespeichert. Das so gewonnene leichtflüchtige Destillat besitzt
bessere Verdüsungs- und Ausbrandeigenschaften und wird in der Kaltstartphase eingesetzt.
Diese Verbesserung des Verbrennungsvorgangs kann mengenbedingt natürlich nur
vorübergehend wirksam werden.
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Die technische Aufgabenstellung der Verdüsung von flüssigem Kraftstoff trifft sowohl für
Kolbenkraftmaschinen verschiedener Prinzipien, beispielsweise der Otto- und
Dieselmotoren, zu als auch für Verbrennungsturbinen.
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Weitere technische Aufgabenstellungen der Verdüsung von Flüssigkeiten betreffen auch
Vorgänge außerhalb des Gebietes von Verbrennungskraftmaschinen, beispielsweise
Lackiervorgänge.
Aufgabenstellung
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Es stellt sich die Aufgabe, die Zerteilung von Flüssigkeiten in feine Tropfen weiter zu
verbessern, insbesondere im Hinblick auf Verbrennungskraftmaschinen, um deren
Wirkungsgrad zu verbessern, den Kraftstoffausbrand zu erhöhen und damit die
Schadstoffbelastung zu verringern.
Lösung der Aufgabe
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Es wurde gefunden, dass sich die Zerteilung von Flüssigkeiten in Gasen durch einen bisher
nicht genutzten physikalischen Effekt massiv verbessern lässt, indem die Flüssigkeiten vor
und/oder während des Zerteilvorgangs mit Gasen und/oder leichtflüchtigen Flüssigkeiten
unter einem hohen Druck von etwa 10 bis 5000 bar, bevorzugt 50 bis 500 bar, beaufschlagt
und zumindest teilweise gesättigt werden, bis sich eine Oberflächenspannung von weniger
als 0,015 N/m, bevorzugt weniger als 0,005 N/m einstellt.
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Der genutzte physikalische Effekt ist die massive Absenkung der Oberflächenspannung der
Flüssigkeit um einen Faktor von etwa 2 bis 20 infolge der unter hohem Druck eingelösten
Gase. Da die für den Zerfall von Flüssigkeitsstrahlen oder Flüssigkeitsfilmen maßgebliche,
üblicherweise als KF bezeichnete Kennzahl proportional zur dritten Potenz der
Oberflächenspannung ist, wird der enorme Effekt einer Verminderung der
Oberflächenspannung auf die Flüssigkeitszerstäubung erklärbar.
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Wie Messungen zeigen, zerfällt bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise selbst ein frei
ablaufender gasgesättigter Flüssigkeitsstrahl ohne Anfangsgeschwindigkeit bereits nach
einer Fallhöhe von nur etwa 3 cm spontan in feinste Tropfen. Durch das Eindüsen unter
Druck und damit das Aufprägen einer Anfangsgeschwindigkeit wird der Zerfallsvorgang noch
stark verbessert.
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Dieser physikalische Effekt wird bisher technisch nicht genutzt. Es ist lediglich bekannt, dass
er bei der Fluidextraktion mit überkritischen Gasen, die beispielsweise bei der schonenden
Abtrennung und Feinreinigung einiger Naturstoffe, wie Vitaminen und Aromastoffen,
technisch angewandt wird, in unerwünschter Weise die Stofftrennung stört. So ist in
Chemical Engineering Science 55 (2000), S. 4189-4208 beschrieben, dass der
Stoffaustausch in Trennkolonnen ab bestimmten Druckbereichen behindert wird und sogar
ganz zum Erliegen kommen kann, wenn die Oberflächenspannung des Flüssigkeitsfilms
bestimmte Werte unterschreitet. Der Flüssigkeitsfilm zerfällt bereits nach kürzesten
Lauflängen spontan in feine Tropfen, die mit der Gasphase mitgerissen und ausgetragen
werden.
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Als Gase für die erfindungsgemäße Anwendung kommen beliebige Gase, beispielsweise
Luft, Abgas der Verbrennungskraftmaschinen, Mischungen davon oder Anreicherungen
bestimmter Stoffe, wie Kohlendioxid, in Frage. Es ist auch möglich, Bestandteile zu wählen,
die den Verbrennungsvorgang unterstützen, wie beispielsweise Methan, Ethan, Propan oder
Butan.
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Diese Methode der Verbesserung der Flüssigkeitszerteilung lässt sich mit einfachen
technischen Maßnahmen umsetzen. Das Grundprinzip ist in Abb. 1 dargestellt.
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Die zu zerteilende Flüssigkeit 1 wird über die Pumpe 3 geführt. Das Gas 2 wird in dem
Verdichter 4 auf den gewünschten Druck verdichtet. Der Flüssigkeitsstrom und der dazu
mengengeregelte Gasstrom werden in einer Mischvorrichtung 5, bevorzugt einem statischen
Mischer, in Kontakt gebracht und das Gas in die Flüssigkeit eingelöst. Die mit Gas
angereicherte Flüssigkeit 6 wird zur Verteilvorrichtung geführt. Durch Einhalten eines festen
Mengenverhältnisses zwischen dem Flüssigkeitsstrom und dem Gasstrom durch eine
Regelung kann eine vollständige Einlösung erreicht und auf eine separate Gasabscheidung
nach der Einmischung verzichtet werden (Abb. 3).
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Der Effekt der verbesserten Flüssigkeitszerteilung tritt bereits bei niedrigen Temperaturen,
beispielsweise bei Raumtemperatur auf. Zur Verbesserung des Zerstäubungsvorgangs ist es
jedoch günstig, bei möglichst hohen Temperaturen zu arbeiten, da die Oberflächenspannung
und die Viskosität der Flüssigkeit bei erhöhten Temperaturen verringert werden und kleinere
Flüssigkeitstropfen erzeugt werden können. Im Extremfall kann eine überkritische Mischung
erzeugt werden, mit der sich bei der Entspannung in einer Düse besonders feine Tropfen
erzeugen lassen. Mit einer Mischung von Methan und Heptan lässt sich beispielsweise
bereits bei einer Temperatur von 40°C und einem Druck von 250 bar eine überkritische
Mischung erzeugen.
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Mit zunehmendem Druck können ebenfalls feinere Tropfen erzeugt werden. Technisch
brauchbare Verbesserungen der Zerstäubung treten insbesondere bei Drücken oberhalb von
50 bar, insbesondere oberhalb von 100 bar auf.
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Die Mischvorrichtung 5 kann im einfachsten Fall als statischer Mischer ausgebildet werden.
Es eignen sich verschiedene gebräuchliche Bauarten von statischen Mischern. Es ist
günstig, wenn zwischen der Gasphase und der Flüssigkeit kein oder nur wenig Schlupf
auftritt. Daher sind Kontaktapparate nach Bauart von leeren Rohren oder monolithische
Strukturen weniger geeignet.
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Die Länge des Mischers wird nach den Regeln der Technik so bemessen, dass das Gas in
dem gewünschten Ausmaß eingelöst wird. Sie beträgt etwa das 10-fache bis 10 000-fache,
bevorzugt das 20- bis 100-fache des Durchmessers der Leitung 6. Die Auslegung ist dem
Fachmann geläufig und wird durch die Herstellerangaben des statischen Mischers
unterstützt.
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Statische Mischer werden von verschiedenen Herstellerfirmen, beispielsweise Fa. Sulzer,
CH-8401 Winterthur, Striko Verfahrenstechnik, D-51658 Wiehl und Koch Engineering, USA-
4111 Wichita, geliefert. Üblicherweise werden sie in gerader Ausführung hergestellt. Bei
beengten Einbauverhältnissen, wie sie im Automobilbau gegeben sind, können statische
Mischer auch in gekrümmten Rohrleitungen eingebaut werden (Fa. Striko). Als einfachste
Ausführungsform von statischen Mischern können mit Füllkörpern, beispielsweise mit
Kugeln, gefüllte Rohrleitungsabschnitte dienen. Diese Füllkörper können auch durch
Sintervorgänge miteinander mechanisch fest verbunden sein.
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Anstelle eines statischen Mischers sind grundsätzlich auch andere
Gas-/Flüssigkeitskontaktapparate einsetzbar, beispielsweise Füllkörperkolonnen mit nachgeschalteten
Abscheidebehältern, um nicht eingelöste Gasphase von der gesättigten Flüssigkeit
abzutrennen. Diese Bauformen sind jedoch aufwändiger als statische Mischer. Ihre
Zweckmäßigkeit ist im Einzelfall zu prüfen.
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Die einfachste und insbesondere für den Einsatz bei Verbrennungskraftmaschinen geeignete
Bauform stellt ein statischer Mischer dar, bei dem die Gasmenge so geregelt wird, dass sie
komplett in die Flüssigkeit eingelöst wird. Über die Löslichkeitsdaten von Gas und
Flüssigkeit, die experimentell ermittelt werden können, lässt sich das passende
Mengenverhältnis von Gas und Flüssigkeit bestimmen.
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Da die Stoffeigenschaften von Gemischen, wie Kraftstoff/Gas-Gemischen, unter hohen
Drücken nur ungenau bekannt sind, empfiehlt es sich, eine experimentelle Bestimmung des
geeigneten Druckbereichs und des geeigneten Mengenverhältnisses von Gas und
Flüssigkeit für eine vorgegebene Temperatur durchzuführen. Dabei ist es grundsätzlich nicht
erforderlich, die Oberflächenspannung zahlenmäßig zu bestimmen. Es kann beispielsweise
ausreichend sein, zur Charakterisierung des Flüssigkeitszerfalls Versuche in einer einfachen
Hochdrucksichtzelle durchzuführen. Eine mögliche einfache Bauart ist in der oben
genannten Literaturstelle beschrieben. Es genügt in der Regel, den spontanen Zerfall eines
ablaufenden Flüssigkeitsstrahl nach kurzer Fallhöhe oder eines ablaufenden
Flüssigkeitsfilms nach kurzer Laufstrecke visuell zu beobachten. Der erfindungsgemäße
spontane Flüssigkeitszerfall zeigt sich dadurch, dass der Innenraum der Hochdrucksicht
lichtundurchlässig wird.
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Wie in Abb. 2 dargestellt, kann die Gesamtanordnung durch einen Wärmetauscher 7 zur
Kühlung des verdichteten Gasstroms ergänzt werden, der hinter den Verdichter 4 geschaltet
ist. Dadurch kann im Falle einer Verdichtung von Luft, bei der die Zündtemperatur erreicht
würde, eine vorzeitige Zündung vermieden werden. Im einfachsten Fall besteht der
Wärmetauscher 7 aus einem nicht isolierten Stück Rohrleitung. Dieses kann zur
Verbesserung der Wärmeabfuhr auch mit Kühlrippen ausgestattet sein.
Beispiel
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In der Leitung 1 wird Otto-Kraftstoff in einer Menge von 10 kg/h zugeführt und in der Pumpe
2 auf einen Druck von 250 bar gebracht. Über die Leitung 3 wird Stickstoff mit einem Druck
von 1 bar und einer Temperatur von 20°C in einer Menge von 460 Nl/h zugefahren, in dem
mehrstufigen Verdichter 4 auf einen Druck von 250 bar verdichtet und im Kühler 7 auf eine
Temperatur von 50°C abgekühlt. Der Otto-Kraftstoff und der Stickstoff werden dem
statischen Mischer 5 kontinuierlich zugefahren und über die Leitung 6 als homogene
Flüssigkeit der Einspritzdüse zugeführt. Der statische Mischer besteht aus einem Rohr mit
einem Innendurchmesser von 10 mm, der über eine Länge von 0,5 m mit Edelstahlkugeln
mit einem Durchmesser von 3 mm gefüllt ist.