DE202020001914U1

DE202020001914U1 - Einspritzdüse und Vorrichtung zur Beladung eines Kraftstoffes mit Gas

Info

Publication number: DE202020001914U1
Application number: DE202020001914.3U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Schiefer Felix Dr Ing De
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2020-05-05
Publication date: 2020-06-15
Anticipated expiration: 2030-05-06

Abstract

Einspritzdüse für Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusionsvorrichtung, die dem Kraftstoff durch Diffusion Gas zuführt mit der Düse unmittelbar oder mittelbar verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse und eine mit ihr unmittelbar oder mittelbar verbundene Apparatur/Vorrichtung zur Beladung des Kraftstoffes durch Diffusion/Permeation mit Gas, im Folgenden als Diffusionsvorrichtung bezeichnet, vorzugsweise Luft bzw. Luft und Abgas.
Stand der Technik
Im Patent DE 314252 wird eine offene Düse beschrieben, in welcher der Brennstoff durch Luft über einen Vorratsraum und Zerteilbereich in den Zylinderraum befördert wird. Die Luft wird dabei zum Austragen des Brennstoffes benutzt.
Des Weiteren ist aus US 5150836 eine offene Einspritzdüse bekannt, in der mittels einer individuellen Gasmenge der Kraftstoff durch einen Impuls zum Motor gefördert wird. Der Druck und die Gasmenge sind dabei ausreichend, den Kraftstoff mit nahezu Schallgeschwindigkeit aus der Düse zu befördern.
In GB 1459097 wird eine Gaszerstäubungsdüse aufgeführt, in der die Flüssigkeit und Gas über spiralförmige Kanäle in einem Brennpunkt zusammengeführt werden.
Auch ist bekannt aus DE 19815042 , dass insbesondere zum Betrieb eines Starthilfesystems für Motoren, die insbesondere mit Pflanzenölen arbeiten, Dieselkraftstoff über ein Verdampferrohr, das einen Glühstift enthält, verdampft und mit Ansaugluft vermischt wird. Dabei soll der Dieselbetrieb nur bis zum Erreichen der Motor-Betriebstemperatur stattfinden.
DE 19713377 führt eine Düse auf, bei der ein Fluid, insbesondere Brennstoff so durch Kanäle geführt wird, dass ein drallbehafteter Fluidstrom entsteht, der in ein zweites Fluid, insbesondere Verbrennungsluft eintritt und dabei zu einer Feinverteilung des Brennstoffes führt.
Den vorgenannten Vorrichtungen und Verfahren ist gemeinsam, dass entweder Luft zum Austragen des Kraftstoffes verwendet wird oder Dieselkraftstoff durch Kollision der Fluide zerstäubt wird.
In DE 213349 wird eine Brennkraftmaschine beschrieben, die in einem ersten Betriebszustand mit unterschiedlichen Flüssigbrennstoff (Diesel u.a.) und in einem zweiten Betriebszustand mit Gas betrieben wird.
DE 809 beschreibt einen Injektor, der in zwei Ebenen Öffnungen aufweist, wobei der Kraftstoff durch diese Öffnungen ausgestoßen wird und sich dadurch vermischt.
In EP 3058208 wird ein Flüssigkeitsinjektor zur Erzeugung von atomisierter Flüssigkeit beansprucht, wobei die unter Druck stehende Flüssigkeit sowie das Gas zu nebeneinander liegenden Fokalpunkten gelenkt werden und kollidieren.
Bei den drei vorgenannten Schutzrechten wird jeweils Brennstoff und Gas in unterschiedlicher Weise so geführt, dass sie aufeinander einwirken und dadurch die Verteilung des Treibstoffes verbessert wird.
Weiterhin ist bekannt DE 60110544 , DE 17561 und DE 100107 den Verbrennungsmotor (Dieselmotor) im Mischbetrieb mit Gaskraftstoff und Dieselkraftstoff derart zu betreiben, dass beide Energielieferanten gemischt verwendet werden. Dabei werden die positiven Eigenschaften homogener Verbrennung von Gaskraftstoff mit der inhomogenen Verbrennung von Dieselkraftstoff kombiniert.
Bekannt ist auch EP1647685 eine Brennkraftmaschine, die mit zwei Kraftstoffsorten arbeitet, wobei zumindest eine erste Kraftstoffsorte, dann durch Wechsel eine zweite Kraftstoffsorte zugeführt und abhängig vom gefördertem Kraftstoffvolumen ein Kraftstoffmischverhältnis eingestellt wird.
Auch die konkrete Formulierung der Anwendung von Diesel und Benzin ist bekannt DE1 12337 , wobei zuerst der Kraftstoff Benzin in klassischer Weise geladen wird und nach Kompression Diesel-Kraftstoff eingespritzt wird.
Diese Systeme benötigen zwei Kraftstoffe, um die Verbrennung mit gewünschten Eigenschaften herzustellen. Bei allen diesen Ausführungen sind die Aufwendungen erheblich und es müssen stets zwei Kraftstoffe mitgeführt werden. Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren führen nicht zu einer vollständigen Verbrennung des Kraftstoffes, weshalb Abgasreinigungsanlagen erforderlich sind.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, die Kraftstoffverteilung und die Verteilungsdichte im Dieselprozess so zu homogenisieren und dadurch den Verbrennungsprozess so zu beeinflussen, dass der Kraftstoff vollständig verbrennt, kein Ruß entsteht. Damit wird gleichzeitig der Kraftstoff besser in mechanische Energie umgesetzt.
Erfindungsgemäße Lösung
Die Erfindung besteht aus einer Einspritzdüse und einer mit ihr unmittelbar oder mittelbar verbundenen Diffusionsvorrichtung zur Beladung des Kraftstoffes, üblicherweise Dieselkraftstoff mit Gas, vorzugsweise mit Luft oder Abgas sowie auch Luft und Abgas. Die Beladung des Kraftstoffes mit Gas erfolgt in der Diffusionsvorrichtung über Gasfilter, vorzugsweise Membranen aus Sintermetall (Sintermetallfilter) oder keramische Filter. Die Membran (semipermeable Membran) hat dabei eine Porengröße, die es ermöglicht das Gas durchzuleiten und den Kraftstoff im Ruhezustand zurückzuhalten. Im Arbeitszustand wird dem Gas ein höherer Druck als der Druck im Kraftstoff vorgegeben.
Der Strömungswiderstand der Membran ist abhängig von der Porengröße und Porenlänge. Bei den vorgenannten Kraftstoffen und Gas liegt nahezu ein rein viskoses Verhalten vor. Damit ist das Viskositätsverhältnis bestimmend für die Durchströmung der jeweiligen Komponenten. Unter gleichen Druckbedingungen ergibt sich ein Viskositätsverhältnis von Diesel zu Luft bei Normalbedingungen größer als 10⁴. Unter diesen Bedingungen wird kein Diesel durch die Membran fließen.
Da das Viskositätsverhältnis von Dieselkraftstoff zu Luft sehr groß ist, kann über die semipermeable Wand dem Dieselkraftstoff Luft/Gas durch Diffusion zugeführt werden.
Die Parameter Permeationsfläche und -dicke, Gasdruck und Kraftstoffdruck werden so ausgelegt, dass die erforderliche Menge Gas durch Diffusion vom Kraftstoff aufgenommen wird.
Das gelöste Gas führt nach dem Einspritzen des beladenen Dieselkraftstoffes dazu, dass nach der Druckentspannung im Verdichtungsraum die aus der Einspritzdüse austretenden Tröpfchen durch den tropfeninternen Gasdruck spontan zerplatzen, was zu einer sehr feinen und gleichmäßigen Verteilung des Kraftstoffes führt.
Bei der nachfolgenden Verbrennung entsteht dadurch eine homogene Temperaturverteilung, womit der Rußanteil bei der Verbrennung minimiert wird. Durch die homogene Verbrennung kann des Weiteren der Luftüberschuss bei der Verbrennung und durch Abgasrückführung die Entstehung von NO_x verringert werden.
Die Diffusion des Gases in den Kraftstoff ist ein Oberflächen- und Zeitprozess, deshalb wird das Oberflächen-Volumen -Verhältnis des Kraftstoffes beim Durchströmen der Diffusionsvorrichtung möglichst groß gestaltet.
Der erforderliche Gasdruck bestimmt sich aus dem Druckverlust für den Gasdurchtritt durch die Membran (viskoser Druckverlust) und dem erforderlichen und vorgegebenen Druck für die Diffusion des Gases (Diffusions-Druckgradient). Das Sättigungsvolumen für Gas ist in einem weiten Bereich proportional dem Diffusionsdruck (Daltonsches Gesetz). Je nach Gasbedarf im Kraftstoff wird der Überdruck zum Einspritzdruck gewählt.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den zugehörigen, sich auf das Ausführungsbeispiel beziehenden Zeichnungen näher beschrieben.

1 zeigt in schematischer Darstellung die Einspritzdüse mit unmittelbar verbundener Diffusionseinheit.
2 zeigt ebenso in schematischer Darstellung die Einspritzdüse mit mittelbarer Anbindung der Diffusionseinheit.
3 zeigt in schematischer Darstellung den Schnitt durch die Diffusionsvorrichtung bei Diffusion des Gases in den Kraftstoff von einer Seite.
4 zeigt den Schnitt durch einen Bereich der Diffusionsvorrichtung mit Zuführung des Gases in den Kraftstoff von zwei Seiten.

Wie aus 1 zu ersehen, ist die Düse 1 unmittelbar mit der Diffusionsvorrichtung 2 verbunden, sie bilden eine konstruktive Einheit. Die Zuleitung 3 liefert das Gas mit dem erforderlichen Druck und Leitung 4 führt den Kraftstoff über die Diffusionsvorrichtung 2 der Düse zu. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist, dass die Beladung des Kraftstoffes mit Gas bestimmter Anforderungen dynamisch angepasst werden kann.
2 zeigt die Einspritzdüse 5, die über eine Leitung 9 mit der Diffusionsvorrichtung 6 verbunden ist. Die Zuleitungen 7 und 8 an der Diffusionsvorrichtung 6 stellen das Gas und den Kraftstoff bereit. Die Leitung 9 führt den mit Gas angereicherten Kraftstoff der Düse zu. Vorteilhaft dabei ist, dass sich in der Leitung 9 eine größere Menge des mit Gas angereicherten Kraftstoffes befindet, wodurch bei dynamischen Kraftstoffbedarf stabile Zufuhr zur Düse gesichert ist.
Die Versorgung der Düse mit Kraftstoff durch eine Diffusionsvorrichtung, in der Gas durch Diffusion zugeführt wird, kann auch dergestalt erfolgen, dass mehr als eine Diffusionsvorrichtung, in 1 und 2 nicht dargestellt, die Düse mit gasangereichertem Kraftstoff versorgen und in gleicher Weise kann auch eine Diffusionsvorrichtung mehrere Düsen mit dem mit Gas angereichertem Kraftstoff versorgen.
In 3 ist schematisch die aufgeschnittene Diffusionsvorrichtung 10 dargestellt.
Im Inneren dieser Vorrichtung wird im Bereich 12 das Gas eingeleitet. Die rohrförmige Geometrie 11 zeigt die mikroporöse Wand (semipermeable Wand). Um dieses Rohr ist die äußere rohrförmige Geometrie 14 angeordnet, wobei im Zwischenraum 13 zwischen äußerer Wand 14 und äußerer Geometrie der mikroporösen Wand der Kraftstoff fließt. Die mikroporöse Wand, im Beispiel aus gesintertem Edelstahl, Cr Ni- Stahl, hat je nach Dimensionierung und Betriebsbedingungen eine Porösität, welche die erforderlichen Gasbestandteile hindurchlässt, anderseits verhindert, dass der Kraftstoff, bevorzugt Dieselkraftstoff durch die mikroporöse Wand diffundiert. Durch den höheren Gasdruck gegenüber dem Kraftstoffdruck und die wesentlich höhere Viskosität des Kraftstoffes gegenüber den diffundierenden Gasen Luft bzw. Abgas ist dies ausgeschlossen.
Zur Erhöhung der Diffusion in den Kraftstoff kann auch, wie in 4 gezeigt, die Gaszufuhr in den Kraftstoff im Bereich 18 jeweils über die mikroporösen Wände 17 und 19 erfolgen. Die Bereitstellung des Gases für die Diffusion wird durch die Bereiche 16 und 20 realisiert.
Um ein möglichst günstiges Verhältnis von Oberfläche zum Volumen des Kraftstoffes für die Diffusion herzustellen, wird die Dicke des strömenden Kraftstoffes klein gehalten, wobei sich der Druckverlust der Strömung erhöht. Allerdings ist die Geschwindigkeit der Strömung in der Dissipationsvorrichtung relativ gering, so dass die Strömungsdruckverluste klein sind. Zur Optimierung der Diffusion kann auch die mikroporöse Wand so gestaltet werden, dass durch eine gewählte Topographie beispielsweise bei gleichem Radius die Oberfläche größer wird, dadurch erreicht, dass die Oberfläche gewellt, verzahnt oder in anderer Weise die Oberfläche vergrößernd gestaltet wird.
Die Ausführung der Dissipationsvorrichtung ist nicht an rohrförmige Geometrien gebunden, vielmehr können auch andere Querschnitte, wie zum Beispiel rechteckige Geometrien oder ellipsenförmige Querschnitte angewendet werden.
Bezugszeichenliste

(1): Einspritzdüse
(2): Diffusionsvorrichtung
(3): Zuleitung für Gas
(4): Zuleitung für Kraftstoff
(5): Einspritzdüse
(6): Diffusionsvorrichtung
(7): Zuleitung für Gas
(8): Zuleitung für Kraftstoff
(9): Leitung für Kraftstoff mit Gas
(10): Diffusionsvorrichtung
(11): Mikroporöse Wand
(12): Bereich Gas
(13): Bereich Kraftstoff
(14): Zylinderwand
(15): Zylinderwand
(16): Bereich Gas
(17): Mikroporöse Wand
(18): Bereich Kraftstoff
(19): Mikroporöse Wand
(20): Bereich Gas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 314252 [0002]
US 5150836 [0002]
GB 1459097 [0002]
DE 19815042 [0002]
DE 19713377 [0002]
DE 213349 [0002]
DE 809 [0002]
EP 3058208 [0002]
DE 60110544 [0003]
DE 17561 [0003]
DE 100107 [0003]
EP 1647685 [0003]
DE 112337 [0003]

Claims

Einspritzdüse für Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusionsvorrichtung, die dem Kraftstoff durch Diffusion Gas zuführt mit der Düse unmittelbar oder mittelbar verbunden ist.
Einspritzdüse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse und die Diffusionsvorrichtung eine konstruktive Einheit bilden.
Einspritzdüse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse und die Diffusionsvorrichtung konstruktiv getrennt sind.
Einspritzdüse nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftstoff Gas durch Diffusion über semipermeable Bereiche (semipermeable Membran) zugeführt wird.
Einspritzdüse nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der semipermeable Bereich der Diffusionsvorrichtung aus Sintermetall besteht.
Einspritzdüse nach Anspruch 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, dass der semipermeable Bereich der Diffusionsvorrichtung aus CrNi-Stahl besteht.
Einspritzdüse nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der semipermeable Bereich der Diffusionsvorrichtung aus Keramik besteht.
Einspritzdüse nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass in der Diffusionsvorrichtung dem Kraftstoff Luft oder Abgas sowie Luft und Abgas unterschiedlicher Zusammensetzung zugeführt wird.
Einspritzdüse nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass Gas unterschiedlicher Zusammensetzung dem Kraftstoff zugeführt wird.