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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.
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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 Vertrennungsvorgang
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.
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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.
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Die Aufgabe wierd gelist durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
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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 0,005 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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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Ausführungsbeispiele sind ind den
Zeichnungen dargestellt.
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Diese Methode der Verbesserung der
Flüssigkeitszerteilung
lässt sich
mit einfachen technischen Maßnahmen
umsetzen. Das Grundprinzip ist in 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 (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 Abscheidebehältem, 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 Mengenvefiältnis 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 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.
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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.