DE2449848C3

DE2449848C3 -

Info

Publication number: DE2449848C3
Application number: DE2449848A
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr.Rer.Nat. 7300 Esslingen Saeufferer; Karl Dr.Rer. Nat. 7301 Aichwald Willmann
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1974-10-19
Filing date: 1974-10-19
Publication date: 1978-09-21
Also published as: DE2449848A1; DE2449848B2; US4082070A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Zerstäubungseinrichtung für flüssigen Brennstoff zur Speisung von Brennkraftmaschinen, nach dsm Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine solche Einrichtung geht beispielsweise aus der US-PS 32 66 783 als bekannt hervor.

Bei der elektrostatischen Flüssigkeitszerstäubung oder Vernebelung wird durch Anlegen eines hohen elektrostatischen Feldes die Oberflächenspannung der an der Zerstäuberdüse zutage tretenden Flüssigkeit in ihrer Auswirkung nicht nur beseitigt, sondern es werden den Flüssigkeitspartikelchen gleichgepolte elektrische Ladungskräfte eingeprägt, die die Flüssigkeitsteilchen aus einem geschlossenen Flüssigkeitsverbund auseinandertreiben und zu vielen kleinen Einzeltröpfchen vernebeln. Der Tröpfchenzerfall geht so weit, bis die Oberflächenspannung eines kleinen Tröpfchens gegenüber den elektrostatischen Zerteilungskräften überwiegt und eine geschlossene Flüssigkeitskügelchen zusammenzuhalten vermag. Je größer das elektrostatische Feld im Bereich der Zerstäubungsdüse ist, um so feiner sind die entstehenden Tröpfchen.

Grundsätzlich kann die Zerstäubung bei Gegendruck oder auch ohne Gegendruck erfolgen, so daß auch eine Zerstäubung in dem Verbrennungsraum einer Verbrennungskraftmaschine erfolgen kann. Hier geben sich lediglich gewisse praktische Schwierigkeiten, die in einem betriebssicheren Arbeiten und in einer Betätigung einer dann zu verwendenden Zerstäuberdüse, nämlich eines sogenannten Zerstäuberventils liegen. Bei fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen oder bei Verbrennungskraftmaschinen mit kontinuierlicher Verbrennung oder bei Feuerungen wird jedoch meist in einen Raum geringen Druckes eingespritzt, so daß die Verwendung einer mechanisch ständig offenen Zerstäuberdüse ohne Antriebsprobleme möglich ist

Nachteilig bei bekannten Zerstäubungseinrichtungen der zugrunde gelegten Art ist, daß die zu zerstäubende Kraftstoffmenge nur in recht unvollkommener Weise unter Einhaltung einer guten Zerstäubungsqualität den

ίο Erfordernissen angepaßt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die zugrunde liegende elektrostatische Zerstäubungseinrichtung dahingehend zu verbessern, daß die zu zerstäubenden Mengen auch über größere Steuerbereiche hinweg besser beherrsch-

ts bar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst

Eine bekannte Zerstäubereinrichtung, bei der ebenfalls elektrostatische Kräfte zur Gemischverbesserung

ausgenützt werden, ist in der DE-OS 23 19 544 gezeigt Bei dieser Einrichtung wird in einem herkömmlichen Strömungsvergaser zunächst ein nebeiförmiges Luft/ Kraftstoffgemisch erzeugt, welches dann durch zwei elektrisch gegeneinander isolierte und auf möglichst große Potentialdifferenz gebrachte flächige Elektroden hindurchgeschickt wird. Auf dem Weg durch das zwischen den Elektroden gebildete elektrostatische Feld sollen die bereits gebildeten Kraftstofftröpfchen aufgrund elektrostatischer Kräfte weiter zerteilt und ein feineres Gemisch gebildet werden. Nach den Erfahrungen der Anmelderin ist jedoch zur Erzielung eines Tröpfchenzerfalles innerhalb der Ausgangsgröße eines Flüssigkeitspartikelchens ein spürbarer Feldstärkegradient erforderlich. Es erscheint kaum möglich, in einem quasi-homogenen elektrostatischen Feld innerhalb eines kleinen Bruchteiles eines Millimeters einen solchen Feldstärkegradienten aufzubauen, ohne daß nicht mit Funkenüberschlägen zwischen den Elektroden zu rechnen ist. Nach den Erfahrungen der Anmelderin ist dieses lediglich in einem inhomogenen Feld mit einer punktförmigen exponiert angeordneten Elektrode, an der der Kraftstoff austritt, möglich. An der Spitze der exponierten Elektrode kommt es zu einer starken Feldlinienverdichtung und dementsprechend zu einem hohen Feldstärkegradienten, der auch bei einer Gesamtpotentialdifferenz, die unterhalb der Durchschlagsgrenze liegt, zu ausreichend hohen Feldstärkegradienten führt.

Die Erfindung kann auch mehrzylindrischen Brennkraftmaschinen in der Weise zugeordnet werden, daß an je einem Zylinder eine elektrostatische Zerstäubungseinrichtung angeordnet ist, und zwar entweder unter Anwendung der Direkteinspritzung oder mit Saugrohreinspritzung. In solchen Anwendungsfällen kann es zweckmäßig sein, synchron zum Ansaugtakt des jeweiligen Zylinders die elektrostatische Zerstäubungseinrichtung intermittierend an Spannung zu legen.

In der US-PS 25 78 145 ist eine Einrichtung für mehrzylindrige Brennkraftmaschinen gezeigt, welche unter Ausnützung elektrischer Spannung das Verbrennungsverhalten des Kraftstoffes verbessern soll. Je einem Zylinder der Brennkraftmaschine ist eine derartige Einrichtung zugeordnet und jede wird synchron zum Arbeitstakt des zugeordneten Zylinders

bs während des Zündzeitpunktes vorübergehend mit Spannung beaufschlagt Diese bekannte Einrichtung hat den Zweck, innerhalb der Kraftstoffflüssigkeit einen Funkenüberschlag hervorzurufen, welcher Veränderun-

gen in dem Kraftstoff hervorruft, die für eine anschließende Verbrennung günstig sind. Außerdem wird durch den Funkenüberschlag örtlich kurzzeitig ein hoher Druckanstieg in der Kraftstoffflüssigkeit hervorgerufen, der eine selbsttätige Einspritzung des durch die elektrische Entladung behandelten Kraftsioffvolumens in den Verbrennungsraum bewirkt

Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt

F i g. 1 eine Teildarstellung im Schnitt von e'her Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von flüssigem Brennstoff und

Fig.2 und 3 in vergrößerter Einzeldarstellung im achsparallelen (F i g. 2) bzw. im achssenkrechten Schnitt (Fig.3) die Zerstäuberdüsen mit davor angeordneter Gegenelektrode.

Zu der in F i g. 1 dargestellten Brennkraftmaschine gehört eine Gemischaufbereitungseinrichtung mit Ansaugkanal 5, Luftansaugfilter 14, Drosselklappe 15 und Zerstäubungseinrichtung, die im dargestelilen Ausführungsbeispiel in einer einen Zerstäubungsraum 16 bildenden Erweiterung des Ansaugkanals angeordnet ist. Die Zerstäubungseinrichtung besteht aus einem Düseneinsatz 17 mit mehreren gruppenweise angeordneten Zerstäuberdüsen 33, die als erste Elektrode dienen und die von dem als Schwimmerkammer ausgebildeten Brennstoffvorratsbehälter 19 aus mit Kraftstoff versorgt werden können, ferner aus einer im Abstand davor angeordneten Gegenelektrode 18 und aus einer Gleichspannungsquelle. Der Brennstoffvorratsbehälter 19 mit dem Schwimmer 20, der Schwimmernadel 21, dem Kraftstoffspiegel 22 und der Zulaufdüse 23 ist geodätisch oberhalb der Zerstäuberdüsen (Höhendifferenz Λ) angeordnet. Der weiter unten noch näher zu erläuternde Düseneinsatz 17 ist hinsichtlich seines offenen Mündungsquerschnittes bzw. dessen Aufteilung auf die einzelnen Zerstäuberdüsen so gestaltet, daß die Oberflächenspannung der an den Zerstäuberdüsen anstehenden Flüssigkeitsoberfläche im Fall stagnierender Luft im Ansaugkanal und abgeschalteter elektrischer Spannung an den Elektroden so groß ist, daß sie dem Zulaufdruck h sicher standzuhalten vermag. Dadurch kommt eine selbsttätige Kraftstoffabschaltung beim Motorstillstand zustande.

Wie die vergrößerten Detaildarstellungen in den F i g. 2 und 3 erkennen lassen, weist der Düseneinsatz 17 einen Isolierkörper 30 aus Kunststoff auf, der unter Vorspannung dichtend in die Brennstoffzuführung 31 eingepreßt ist. In dem Isolierkörper sind im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Düsengruppen 32 zu je vier Zerstäuberdüsen 33 eingebettet. Die Düsengruppen sind aus elektrisch leitendem Material und mit einem nach außen geführten Leitungsanschluß 34 versehen. Dank der isolierten Anordnung der Düsengruppen und dank der einzeln nach außen geführten Anschlüsse lassen sich die Düsengruppen einzeln auf ein bestimmtes elektrostatisches Potential, z. B. auf F'otential Null legen oder von einem bestimmten Potential trennen. Hierzu dient der stellvertretend als ein Beispiel für die hi mehreren Düsengruppen dargestellte Schalter 44. Die Zerstäuberdüsen 33 der Düsengruppen sind als dünnwandige Hohlkörper ausgebildet und ragen mit ihrem Düsenrand gegenüber der elektrisch leitenden Umgebung in Richtung auf die Gegenelektrode hervor. Diese h^r> exponierte Lage der schmalen Düsenränder in einem zwischen Düse und Elektrode sich aufbauenden elektrischen Feld führt zu einer Feldinhomogenität und einer starken Feldlinienverdichtung, d. h. Feldstärkeerhöhung im Bereich der Zerstäuberdüsen, was — wie noch zu erläutern sein wird — sehr wichtig ist

Durch Abstandsarme 35 und einen Ring 36 gehalten ist die als Lochplatte 37 aus elektrisch leitendem Material gebildete Gegenelektrode 18 isoliert und in definierten Abstand zu den Zerstäuberdüsen angeordnet. Über einen mit der Gegenelektrode 18 elektrisch leitend verbundenen Leitungsanschluß 38 läßt sich die Gegenelektrode auf ein bestimmtes elektrostatisches Potential legen. Ein Schalter 45 erlaubt es, das Potential kurzzeitig zu- oder abzuschalten. Es kann sich dabei um einen mechanischen oder auch um einen kontaktlosen Schalter handeln. Die Schalterbetätigung kann je nach Auslegung der Anlage als Dauereinspritzung oder als taktweise wirksame intermittierende Einspritzung entweder als einmalig oder als taktweise im Arbeitstakt der Brennkraftmaschine zu betätigender Schalter ausgelegt werden.

Als Spannungsquelle zum Aufbau eines elektrischen Feldes zwischen Zerstäuberdüsen und Gegenelektrode bzw. um der Gegenelektrode ein genügend hohes elektrisches Potential gegenüber den Zerstäuberdüsen zu geben, dient der elektrisch parallel zur Funkenstrekke der Zündkerze 7 liegende durch die Zündspannung stoßweise aufgeladene bzw. geladen gehaltene Kondensator 39 hoher Kapazität und hoher Durchschlagsspannung. Die Masse- und Gehäuseteile der Brennkraftmaschine sind über Masseleitungen 43 untereinander und mit dem Rahmen und der Karosserie des nicht dargestellten zugehörigen Fahrzeugs auf gleiches Potential Null gelegt. Elektrisch parallel zum Kondensator 39 ist ein Potentiometer 40 gelegt, dessen eines Ende ebenfalls auf Potential Null gelegt ist. Dadurch können an dem Potentiometer unterschiedliche Potentiale abgegriffen werden (Schleifkontakt 41). Der Schleifkontakt 41 ist über einen strombegrenzenden Hochohmwiderstand 42 (z. B. 20 M 52) mit dem Anschluß 38 (Schirmkabel) der Gegenelektrode 18 der Zerstäubungseinrichtung verbunden. Dieser Widerstand dient dazu, Funkenüberschläge von den Zerstäuberdüsen zur Gegenelektrode zu verhindern.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist nun kurz folgende: Durch Anlegen einer hohen Spannung an die Gegenelektrode 18 (z. B. im Bereich zwischen 5 bis 10 kV) und durch die exponierte Lage der Düsenränder der Zerstäuberdüsen im elektrostatischen Feld kommt es im Mündungsquerschnittsbereich der Zerstäuberdüsen zu Feldstärkeunterschieden von spürbarem Ausmaß. Diese Feldstärkeunterschiede im Bereich des Flüssigkeitsspiegels bewirken ein Versprühen der Flüssigkeit in kleinste Tröpfchen. Die Oberflächenspannung vermag hierbei nicht mehr, die trotz ihrer Kleinheit relativ großen freien Düsenquerschnitte mit einem glatten Flüssigkeitsspiegel zu überspannen. Durch die Potentialdifferenz innerhalb des Mündungsquerschnittsbereiches kommt es ständig zu einem intensiven Aufreißen der Flüssigkeit und einer intensiven Tröpfchenzerstäubung. Da die Rückha'tekraft der Oberflächenspannung gegenüber dem Nachlaufdruck aufgehoben ist, kommt es im Maße des Tröpfchenzerfalls zu einem Flüssigkeitsnachlaufen.

Für die Zerstäubungsmenge ist die Höhe der Potentialdifferenz und die insgesamt zur Verfügung gestellte Fläche an wirksamen Zerstäuberdüsen maßgebend. Aus diesem Grunde ist die Einstellmöglichkeit der Potentialhöhe der Elektrode und eine Veränderbarkeit der Anzahl der wirksamen Düsengruppen vorgesehen.

Mit zunehmender Potentialdifferenz wird im übrigen nicht nur die Zerstäubungsmenge gesteigert, sondern auch die Tröpfcheneinheit. Ist die maximale Potentialdifferenz ausgesteuert, so kann zur weiteren Steigerung der Zerstäubungsmenge durch Schließen eines Schalters 44 eine weitere Düsengruppe zugeschaltet und mit geringerer Potentialdifferenz aber gleicher Zerstäubungsmenge weitergefahren werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrostatische Zerstäubungseinrichtung für flüssigen Brennstoff zur Speisung von Brennkraftmaschinen, mit in den von der Ansaugluft durchströmten Ansaugkanal weisenden, durch elektrisch leitenden Werkstoff gebildeten ersten Elektrode, die als Brennstoffzuführung dient und die mit einem Brennstoffvorratsbehälter sowie mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden ist und mit einer im Abstand vom Mündungsquerschnitt der Brennstoffzuführung angeordneten, vom, von der Brennkraftmaschine angesaugten Gemisch durchströmten, an den anderen Pol der Gleichspannungsquelle angeschlossenen Gegenelektrode, die gegenüber der ersten Elektrode elektrisch isoliert gelagert ist, wobei die erste Elektrode von einem im Mündungsquerschnittsbereich dünnwandigen Hohlkörper gebildet ist, der in Richtung zur Gegenelektrode hin aus seiner Halterung hervorsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzuführung im Mündungsquerschnittsbereich von einer Vielzahl von einzelnen Zerstäubungsdüsen (33) gebildet ist, die in Gruppen (32) oder einzeln gegeneinander elektrisch isoliert in der Brennstoffzuführung (31) gelagert sind und wahlweise einzeln oder zusammen an Spannung legbar sind.

2. Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 1 an je einem Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die jedem Zylinder zugeordnete Einrichtung synchron zum Ansaugtakt dieses Zylinders an Spannung gelegt ist.