DE10302881A1

DE10302881A1 - Erzeugung von Dieselkraftstoff-Luft-Aerosol

Info

Publication number: DE10302881A1
Application number: DE2003102881
Authority: DE
Inventors: Marco Gangi; Udo Schulz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-01-25
Filing date: 2003-01-25
Publication date: 2004-08-12

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Kraftstoff-Luft-Aerosols für die Verwendung in Verbrennungskraftmaschinen wird erfindungsgemäß der flüssige Kraftstoff mit einem piezoelektrischen Wandler (20) in Kontakt gebracht, der mit einer derartigen Frequenz und Intensität betrieben wird, dass Teile des Kraftstoffs in Aerosol umgewandelt werden.

Description

Stand der Technik
Bei hybriden Verbrennungsverfahren werden bestimmte ottomotorische und dieselmotorische Merkmale kombiniert, um die jeweils vorteilhaften Eigenschaften in einem Motor zu vereinigen. Dazu werden auch Verfahren gezählt, bei denen die Gemischbildung zweistufig erfolgt. Die ersten Stufe zeichnet sich dadurch aus, dass außerhalb des Brennraumes ein mageres Gemisch aus Dieselkraftstoff und Luft erzeugt wird und während des Ansaugtaktes in den Zylinder eingebracht wird (äußere Gemischbildung, homogenes Gemisch). Die zweite Stufe der Gemischbildung ist identisch mit der vom Dieselmotor her bekannten Hochdruckeinspritzung von Dieselkraftstoff gegen Ende des Kompressionstaktes (innere Gemischbildung, heterogenes Gemisch). Gegenüber klassischen Dieselverfahren, bei denen nur die soeben genannte zweite Stufe der Gemischbildung überhaupt verwendet wird, kann die in den Brennraum einzuspritzende Kraftstoffmenge entsprechend dem bereits extern aufbereiteten Kraftstoffanteil verringert werden. Die Entflammung der Ladung im Zylinder erfolgt durch Selbstzündung im Bereich des heterogenen Gemischanteils. Hybride Verbrennungsverfahren wurden vor allem entwickelt, um eine bessere Luftausnutzung zu erzielen und um die Einspritzdauer zu verkürzen, letzteres in der Absicht, die Drallanforderungen dieses Brennverfahrens zugungsten eines höheren Liefergrades zu reduzieren und den Partikelausstoß zu minimieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Realisierung der äußeren Gemischbildung anzugeben.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine wirkungsvolle äußere Gemischbildung durch Erzeugung eines Aerosols aus dem Dieselkraftstoff, und dieses Aerosol kann in unterschiedlicher Weise dem Motor zugeführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die gleichen Vorteile auf, sie ist zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen und kann mit unterschiedlicher Ausführung der Zumessung des Dieselkraftstoffs zu der Vorrichtung ausgebildet werden. Das Verfahren und die Vorrichtung haben gemeinsam den Vorteil, dass eine hinsichtlich der für die Verstäubung aufzuwendenden Energie wirkungsvolle Zerstäubung möglich ist, und außerdem den der äußeren Gemischbildung ohnehin innewohnenden Vorteil, dass das durch äußere Gemischbildung erzeugte Gemisch nicht unbedingt durch einen Hochdruck-Einspritzvorgang dem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden muß, so dass im Bereich der Einspritzvorrichtung des Motors weniger Leistung verbraucht wird.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Aerosols aus Dieselkraftstoffen wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Aerosols aus Dieselkraftstoff, und
2 zeigt schematisch den Vorgang der Aerosolbildung.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels:
In 1 weist ein Aerosolerzeuger 1 einen wannenförmigen Gehäuseteil 2 mit einer Bodenwand 4 und Seitenwänden 6 auf, der durch einen Deckel 8 dicht verschlossen ist. Der Aerosolerzeuger 1 hat im Beispiel die Gestalt eines Quaders, dessen in 1 von links nach rechts zu messende Länge im Beispiel größer ist als die senkrecht zur Zeichenebene zu messende Breite. Durch eine Einlassöffnung 10 wird bei betriebsbereit montiertem Aerosolerzeuger 1 Dieselkraftstoff zugeführt, und durch eine Auslassöffnung 12 wird Aerosol abgeführt und in geeigneter Weise in den Zylinder eines Dieselmotors eingebracht. Die Aerosoltröpfchen werden aus der Auslassöffnung 12 durch Luft heraustransportiert. Diese Luft wird auf der der Auslassöffnung abgewandten Seite, in 1 auf der linken Seite durch eine Luftzuführöffnung 14 zugeführt. Bei einer Modifikation ist die Anordnung so getroffen, dass die Luft durch die Einlassöffnung 10 zusammen mit dem Dieselkraftstoff zugeführt wird. Im Innenraum des wannenförmigen Gehäuseteils 4 ist ein piezoelektrischer Schwinger oder Wandler 20 befestigt, der in der strichpunktiert angedeuteten Weise ähnlich wie eine an beiden Seiten eingespannte elastische Platte in der Grundschwingung nach oben und unten entsprechend der elektrischen Anregung mit der Schwingungsfrequenz schwingen kann. Bei anderen Ausführungsformen werden andere Schwingungsmoden benutzt.
In Betrieb ist der piezoelektrische Wandler 20 vollständig mit Dieselkraftstoff bedeckt, wie dies in 2 dargestellt ist. In 2 ist im Vergleich zu 1 nicht maßstäblich. Durch die Schwingungen des piezoelektrischen Wandlers, bei dem es sich im Beispiel um einen piezokeramischen Wandler handelt, erzeugt der Wandler 20 Ultraschallschwingungen und diese werden durch den Dieselkraftstoff zur oberen Flüssigkeitsgrenzfläche 24, also zur Grenzfläche Dieselkraftstoff-Luft geleitet. Diese Grenzfläche 14 liegt deutlich unterhalb der Platte 8 in 1. Das ständige Komprimieren und Dekomprimieren der Dieselkraftstoffsäule oberhalb des piezoelektrischen Wandlers 20 durch dessen Schwingungen verursacht Kavitation in unmittelbarer Nähe der Kraftstoffoberfläche. Dadurch bilden sich gekreuzte Kapillarwellen, aus denen sich im Wellenberg kleinste Nebeltröpfchen (= Aerosol) lösen. Dieser Vorgang wird auch als Auslösen oder Auslösung bezeichnet. Durch die maximale Auslösung des Dieselkraftstoffs in der Wanne ist eine Kraftstoff-Zumessung einfach möglich. Bei dem geschilderten Vorgang kann Kraftstoff nach oberhalb der Grenzfläche 24 hochgeschleudert werden, was 2 zeigt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, dass sich in dem wannenförmigen Teil 2 beim Betrieb des Motors ständig Kraftstoff befindet. Der jeweils in Aerosol umgewandelte Kraftstoffanteil, der durch die Auslassöffnung 12 abgeführt wird, wird bei dieser Ausführungsform durch ein in der Einlassöffnung 10 angebrachtes Einspritzventil eingebracht und in die Wanne gespritzt. Auf diese Weise ist eine sehr genaue Bemessung der dem Aerosolerzeuger jeweils zugeführten Kraftstoffmenge möglich. Es versteht sich, dass zweckmäßigerweise eine Füllstandsüberwachung vorhanden ist, die sicherstellt, dass sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Dieselkraftstoffs noch ein ausreichend großes Luftvolumen befindet. Der gebildete sehr feine Aerosolnebel 26 breitet sich sehr schnell aus und kann daher von der die Vorrichtung 1 durchströmenden Luft leicht und schnell mitgenommen werden. Dadurch, dass die Aerosoltröpfchen des Dieselkraftstoffes mindestens teilweise in der Luft verdampfen, wobei ein adiabatisches Befeuchtungsprinzip vorliegt, wird die Temperatur der Ansaugluft, die dem Verbrennungsmotor zuzuführen ist, abgesenkt, wodurch die Verbrennungstemperatur verringert und somit auch der Ausstoß von NOX (Stickstoffoxiden) reduziert wird. Einflüsse wie die Ausbildung eines Kraftstofffilms an der Wand des Ansaugkanals, wodurch also nicht die gesamte Menge des Aerosols sofort ins Innere des Zylinders des Verbrennungsmotors gelangt, können in bekannter Weise rechnerisch unter Berücksichtigung der Temperaturen von Luft und Motorteilen und anderen Einflussgrößen berücksichtigt werden.
Anstatt das Aerosol über die Ansaugluft dem Zylinder zuzuführen, kann dies bei Bedarf auch über ein Ventil während der Ansaugphase erfolgen. Dadurch ist es nicht erforderlich, das Aerosol in den Ansaugluftkanal einzuführen.
Bei Ausführungsformen der Erfindung befindet sich der piezoelektrische Wandler nicht innerhalb des Kraftstoffs, sondern der jeweils zu zerstäubende Kraftstoff wird auf die Oberfläche des Wandlers aufgebracht.
Bei heutigen Dieseleinspritzsystemen mit sehr hohem Einspritzdruck führt dieser dazu, dass die Zerwellung des Kraftstoffmantels des Einspritzstrahls sowie die nachfolgende Bildung von Kraftstofftröpfchen und deren Vermischung mit der Luft mit zunehmender Expansionskraft (= mit zunehmendem Einspritzdruck bei unveränderten Durchmesser der Einspritzdüse) intensiviert wird. Wenn die äußere Gemischbildung durch die Erfindung bereits eine sehr gute Vermischung von Kraftstoff und Luft bewirkt, dann ergibt sich nach der Zuführung des Aerosols in den Zylinder ein etwa vergleichbares Ergebnis, wie es auch durch eine Anhebung des Einspritzdrucks bei Verfahren mit nur innerer Gemischbildung erzielt werden könnte (abgesehen von der unterschiedlichen Füllung des Zylinders durch homogenes Gemisch / inhomogenes Gemisch). Die äußere Gemischbildung erlaubt es daher, extrem hohe Einspritzdrücke zu vermeiden und dadurch die zur Erzeugung derartiger hoher Einspritzdrücke erforderliche Leistung, die im allgemeinen der vom Verbrennungsmotor produzierten mechanischen Leistung entnommen werden muss, zu reduzieren.
Die Erfindung kann auch zum Zerstäuben anderer Kunststoffe als Dieselkraftstoff z. B. Benzin, angewendet werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Kraftstoff-Luft-Aerosols für die Verwendung in Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet dass der flüssige Kraftstoff mit einem piezoelektrischen Wandler (20) in Kontakt gebracht wird, der mit einer derartigen Frequenz und Intensität betrieben wird, dass Teile des Kraftstoffs in Aerosol umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Schwinger in dem flüssigen Kraftstoff untergetaucht ist, und der flüssige Kraftstoff einen freien Oberflächenspiegel gegenüber Luft hat.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der Kraftstoff dem Gehäuse durch die Einspritzdüse zugeführt wird.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Kraftstoff-Luft-Aerosols aus flüssigem Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Gehäuse (2, 8) aufweist, innerhalb von dem ein piezoelektrischer Wandler (20) angeordnet ist, wobei die Anordnung so getroffen ist, dass bei betriebsbereitem Aerosolerzeuger der piezoelektrische Wandler (20) in dem flüssigen Kraftstoff untergetaucht ist.
Aerosolerzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse mindestens eine Zuführöffnung (10) für Kraftstoff und mindestens eine Auslassöffnung (12) für Aerosol aufweist und dass Mittel vorgesehen sind, Luft ins Innere des Gehäuses (2, 8) einzulassen.
Aerosolerzeuger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Wandler ein an seinen Endbereichen gelagerter plattenförmiger Schwinger ist.