DE2500205A1 - Verfahren und anordnung zum umsetzen eines teils der verbrennungswaerme eines verbrennungsmotors - Google Patents

Description

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Herr Peter James William AYRES, 4 Nightingale Crescent, West Horsley, Leatherhead, Surrey, England

Verfahren und Anordnung zum Umsetzen eines Teils der Verbrennungswärme eines Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umsetzen eines Teils der Verbrennungswärme, die von einem bei einem Verbrennungsmotor benutzten Kraftstoff entwickelt wird, zu einem Massenvolumenprodukt und eine Anordnung zum Zuführen einer Kraftstoffmischung zu einem Verbrennungsmotor zwecks Durchführung des genannten Verfahrens.

Es ist bekannt, daß der handelsübliche Verbrennungsmotor einen Wirkungsgrad von 26-28 % bei der Umsetzung von Kohlenwasserstoffverbrennungsprodukten zu mechanischer Bewegungsenergie hat. Die Abgase solcher Motoren oder Maschinen^^nthalten unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid als Ergebnis einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffs/Außerdem enthalten die Abgase Stickstoffoxide aufgrund der während dieses Verbrennungsvorgangs entstehenden Dissoziationstemperaturen. Diese Stickstoffoxide vermindern ferner den für eine vollständige Verbrennung der Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe erhältlichen Sauerstoff. Bei Verwendung

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optimaler Brennstoff-Luft-Gemische tritt eine Motorüberhitzung aufgrund der schlechten Wärmeaustausch- und -abführungssysteme auf. Aus diesem Grunde ist es üblich, daß die Mischungen mit dem Ergebnis eines verminderten Wirkungsgrades kraftstoffangereichert sind.

Unter idealen Bedingungen führen die chemischen Reaktionen bei der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen in Luft dazu, daß der Wasserstoff in sein Oxid Wasser und der-Kohlenstoff in sein Oxid Kohlendioxid umgesetzt werden. Zum Erzielen dieser Bedingungen muß ausreichend Sauerstoff für den vollständigen Verbrennungsvorgang erhältlich sein. Die unter diesen Bedingungen erreichten hohen Temperaturen neigen zu einer Dissoziation des in der Luft befindlichen Stickstoffs und zu einem Erzeugen von Stickstoffoxiden. Es ist das vergrößerte Volumen an Verbrennungsprodukten bei der erhöhten Temperatur, was zur Umsetzung in mechanische Bewegungsenergie führt. Mehr als 45 % der Kraftstoff-Nutzwärme gehen in bzw. mit den Abgasen verloren.

Wenn ein Teil dieser Wärme zu einem vergrößerten Massenvolumenprodukt des Verbrennungsvorgangs umgesetzt werden könnte, ergäbe sich eine verbesserte Gesamtumsetzung der Kraftstoffverbrennung zu mechanischer Energie. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Verfahrens und einer Anordnung der genannten Art zur Lösung dieses Problems.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird bei einem Verfahren der genannten Art vorgeschlagen, daß als Kraftstoff eine Emulsion eines Kohlenwasserstoffs benutzt wird, der Wasser als Tröpfchendispersion enthält, die durch zumindest ein Surfactant-Mittel stabilisiert ist, wodurch der Kohlenwasserstoff als kontinuierliche bzw. ständige Phase der Emulsion beibehalten wird.

Nach der Erfindung wird Wasser in Kohlenwasserstoff-Kraftstoffen in Form von Tröpfchen, die mittels eines Surfactant-Mittels stabilisiert sind, suspendiert. Der Prozentanteil des zugefügten Wassers kann 25 Volumenprozent betragen. Wenn diese Suspension in die

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Verbrennungskammer des Motors bzw. der Maschine gesprüht oder gestäubt wird, befinden sich darin von brennbarem Kohlenwasserstoff-Kraftstoff umgebene Wassertröpfchen. Dieses System führt zu einer wirkungsvollen Wärmeübertragung vom gezündeten Brennstoff zu den Wassertröpfchen, die verdampfen und ein zusätzliches Massenvolumen zu den Verbrennungsprodukten bilden. Zusätzlich vermindert die Verdampfungswärme die Verbrennungstemperatur, wodurch die Bildung von Stickstoffoxiden reduziert wird.

Ferner zeichnet sich zur Lösung der gestellten Aufgabe eine Anordnung zum Zuführen einer Kraftstoffmischung zu einem Verbrennungsmotor zwecks Durchführung des obigen Verfahrens aus durch Mittel zum Zuführen von drei Komponenten der Kraftstoffmischung, nämlich von Wasser, einem Kohlenwasserstoff und einem Surfactant-Mittel, durch eine zum Zuteilen der drei Komponenten in einem vorbestimmten Volumenverhältnis geeignete Dosierpumpe, ferner durch einen geeigneten Emulgator zum Beibehalten des Kohlenwasserstoffs als kontinuierliche bzw. beständige Phase mit Wasser als Tröpfchendispersion in der Zweiphasenmischung und durch Mittel zum Sprühen oder Stäuben der entstehenden Emulsion in die Verbrennungskammer der Maschine. Eine abgewandelte Ausführungsform enthält Mittel zum Kühlen der Maschinen- bzw. Motorabgase und Mittel zum Rückführen des Wassergehaltes der sich ergebenden kondensierten Gase zu den Zuführungsmitteln für die Wasserkomponenten der Kraftstoffmischung

Die vorliegende Erfindung führt im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors zu folgenden Vorteilen: Verbesserter Verbrennungswirkungsgrad mit abgesenktem Restkohlenwasserstoff- und -kohlenmonoxidgehalt der Abgase; verminderte Verbrennungskammertemperaturen, die das Bilden von Stickstoffoxiden reduzieren; verstärkte übertragung bzw. Umsetzung von Wärr meenergie zu mechanischer Bewegungsenergie und Kraftstoffersparnis von 25 %.

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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert,und zwar zeigt

Fig. 1 eine Schemazeichnung der einzelnen Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Dosierpumpe,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Emulgators,

Fig. 4 ein anderes Ausführungsbeispiel des Emulgators,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel des Abgaskühlers und

Fig. 6 eine Zusammenbauzeichnung der Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 sind drei Behälter A, B und C für V/asser, einen Kohlenwasserstoff-Brennstoff und einen Oberflächenbildner vorgesehen. Diese Behälter sind an eine Dosier- und Druckpumpe angeschlossen, welche diese drei Komponenten in einem vorbestimmten Verhältnis zugemessen zu

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einem Emulgator E pumpt. Das Emulgieren kann durch mechanisches Mischen oder durch eine Ultraschalldispersion bzw. -zerstäubung erreicht werden. Der emulgierte Kraftstoff gelangt in einen Vergaser oder in eine für den betreffenden Motor geeignete Kraftstoffeinspritzvorrichtung F. Bei"bestimmten Anwendungen können die Abgase des Motors G durch einen Abgaskühler H geleitet werden, in welchem ein Teil des im Abgas befindlichen Wassers kondensiert und dann zum Behälter A zurückgeführt werden kann.

Das im Kraftstoffgemisch enthaltene Wasser ist destilliertes V/asser, durch Austausch^ntionisiertes V/asser oder durch Kondensation der Abgase gewonnenes Wasser.

Der Kohlenwasserstoff-Brennstoff kann eine niedrige, mittlere oder hohe Oktanzahl haben und ist für fremdgezündete Verbrennungsmotore geeignet. Für Motore bzw. Maschinen mit Verdichtungs- oder Eigenzündung können als Dieselkraftstoffe bekannte Schwerölprodukte verwendet werden. Auch sind Kerosin/Paraffin-Erdölprodukte als Kraftstoffe für Gasturbinen und Strahltriebwerke mit kontinuierlicher Kraftstoffeiftspritzungsverbrennung verwendbar.

Der Oberflächenbildner kann ein Lipophil eines komplexen Esters oder Ester-Äthers sein. Diese werden unter der Handelsbezeichnung SPANS von der Atlas Chemical Corporation,USA, vertrieben. "V

Der Oberflächenbildner kann auch ein Hydrophil sein. Solche Verbindungen sind die verschiedenen oben genannten Lipophile mit Zusatz anPolyöxyäthylenketten

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zu den nichtveresterten Hydroxlen. Diese Stoffe werden von der Atlas Chemical Corporation,USA, unter der Handelsbezeichnung TV/EENS vertrieben.

Die oben beschriebenen Oberflächenbildner v/erden dem V/asser-Brennstoff-Gemisch in einer Konzentration von 0,5 bis 2,0# zugegeben,was vom Emulgierverfahren abhängt. Vorzugsv/eise werden die Hydrophile und Lipophile zum Erzielen eines Hydrophil/Lipophil-Gleichgewichts (HLB) von 4,8 bis 5,2 vorgemischt. Es wurde festgestellt, daß dieser Bereich zum Aufrechterhalten eines stabilen Systems mit dem Kohlenwasserstoff-Brennstoff als kontinuierliche bzw. beständige Phase am meisten geeignet ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Dosierpumpe besitzt drei zylindrische, konzentrische Kammern A¹,B' und C. Die Volumina dieser Kammern sind so gewählt, daß sie Verdrängungsvoluciina für das jeweils richtige Verhältnis für Kohlenwasserstoff-Brennstoff (Kammer A')> V/asser (Kammer B¹) und Oberflfchenbildner (Kammer C) bilden. Für den Oberflächenbildner ist ein Einlaß D¹, für den Kohlenwasserstoff-Brennstoff ein Einlaß E' und für V/asser ein Einlaß F' vorgesehen. Außerdem ist jede Kammer der Dosierpumpe mit einem Auslaß G',H¹ und I* versehen. Der obere Zylinderteil der Dosierpumpe wird von einem Elektromotor J^! über einen Zahnstangen-Ritzel-Trieb K¹ mit vorgeschalteter Schlupfkupplung L^f angetrieben. Der Schlupfdruck und daher der Förderdruck der Dosierpumpe wira mi+.tels einer Rändelmutter K¹ und einer Feder N' eingestellt. Ein aux (jeweils eine Endlage vorzuspannender Schalter O¹ bestimmt die iiotordrehrichtung, νσDei sein Schalterhebel P' durch Begrenzungsstifte Q¹ verstellbar ist. Rückschlagventile R¹ gewährleisten, daß die Störungsmittel nur in einer Richtung strömen. Diese

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Dosierpumpe liefert die Komponenten des Kraftstoffgemisches nach Bedarf der Maschine im richtigen Volumenverhältnis. Nach dem Abschalten stehen die Strömungsmittel nicht langer unter Druck, so daß keine nichtemulgierten Flüssigkeiten in das Kraftstoffsystem der Maschine gelangen können.

Der in Fig. 3 dargestellte mechanische Emulgator besitzt einen Elektromotor A^M, der mit einer Emulgierkammer B" verbunden ist und einen Flügelrotor C" mit 8.000 bis 10.000 Umdrehungen pro Minute antreibt. Einlasse D^M,E» und F^M sind mit den Auslassen G¹, H¹ bzw. I¹ der Dosierpumpe verbunden, so daß die von der Dosierpumpe geförderten Komponenten in eine Kammer G" und zum Flügelrotor Cⁿ strömen, wo ein Mischen und Emulgieren stattfindet. Das emulgierte Gemisch gelangt in eine Kammer Hⁿ mit einem Auslaß I*. An die Karcner H¹¹ ist außerdem ein Rückführkanal J" angeschlossen,/bei geringem Kraftstoffbedarf einen Drückaufbau verhindert. Aufgrund des schlechten Umsetzungswirkungsgrades ist der mechanische Emulgator nicht für den Durchstrom großer Kraftstoffmengen geeignet (Motorantrieb mit 60 Watt für einen maximalen Kraftstoffdurchstrom von ungefähr 14 Liter/Stunde).

Der in Fig. 4 dargestellte Ultraschall-Emulgator besitzt innerhalb einer aus Kunststoff bestehenden Kammer B^BI einen hohlen Halbwellen-Exponential-Trichter Aⁿⁱ aus einer Titan-Aluminium^yanadium-Legierung. Der Trichter A"¹ ist mit einem silberbelaaenen Epoxyharz mit zwei piezoelektrischen keramischen Blei-Zirkon-Titanat-Ringen C"¹ verklebt, wobei sich eine Knotenplatte Dⁿⁱ zwischen diesen Ringen befindet. Ein Viertelwellen-rBlock E"¹ aus Edelstahl bildet einen akustischen

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Reflektor. Die Auslässe G¹,H¹ und I' der Dosierpumpe münden in Einlasse F^llf,G^tM und H"¹. Die Komponenten des Kraftstoff-Gemisches strömen durch den Trichter A"¹, v/o die Emulgierung unter Einfluß von Ultraschallv/ellen stattfindet, die von den piezoelektrischen keramischen Ringen C^IM erzaigt werden, v/enn diese durch einen an Klammern J"¹ und K"' angeschlossenen transistorisierten Oszillator erregt werden. Der nicht dargestellte Oszillator v/ird auf die maximale Amplitude des mit dem Trichter A¹" ausgerüsteten Umwandlers abgestimmt. Das emulgierte Produkt fließt durch einen Ausfluß I·" ab.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Abgaskühler v/erden die Abgase durch eine Kammer A"" geleitet, in der ein Teil der Abgaswärme zum Verdampfen des in einer Kammer B"" befindlichen Kühlmittels benutzt wird. Das Kühlmittel wird nach Kondensation in einer Rohrschlange C¹¹" zum Entspannen in eine Rohrschlange D"" geführt, mit deren Hilfe die in der mit Leitblechen versehenen Kammer E"" befindlichen Abgase weitergekühlt werden. Das dabei aus den Motorabgasen gewonnene kondensierte Wasser v/ird durch einen Auslaß F"" in den Wasserbehälter A (siehe Figur 1) geleitet.

Der Kühlungswärmetauscher hat eine für Wärmebetrieb übliche ,Bauweise.

Aus Fig. 6 ist zu erkennen, v/ie die einzelnen Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur einer Baueinheit zusammengebaut sind.

Die Vorrichtung besitzt eine Dosierpumpe D, an deren eine Ende ein Antrieb D.1 und an deren anderes Ende ein Emulgator E angebaut ist. An den Ultraschall-Emulgator E ist/nicht dargestellter Wei*° ^ci" ADgaskühler -bei-

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spielsweise gemäß Fig. 5 - und eine ebenfalls nicht dargestellte Einspritzeinrichtung angebaut.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist der Antrieb D.1 der Dosierpumpe D ein Solenoidantrieb mit einem feststehenden Y/eicheisen-Gehäuse D.1.1, einer an diesem angebrachten Spule D.1.2 und einem axial verschiebbaren Y/eicheisen-Kern D.1.3, der mit dem bewegbaren Teil D.1.4 der Dosierpumpe D aus^inem Stück besteht. Auf dem verschiebbaren Weicheisen-Kern D.1.3 ist eine konische Spiral-Druckfeder D.1.5 angeordnet, welche den Y/eicheisen-Kern D.1.3 gewöhnlich aus der Spule D.1.2 herausschiebt. Daher genügt es, für einen Saughub der Dosierpumpe D die Spule D.1.2 zu erregen und für die Gegenbewegung die Erregung der Spule D.1.2 aufzuheben, weil die Druckfeder D.1.5 nach Beenigung der Erregung der Spule/von der Spule zunächst angezogenen Y/eicheisen-Kern D.1.3 aus dieser wieder herausschiebt.

Aufgrund dieser Bewegungen werden die Komponenten des Kraftstoff-Gemisches in der in Verbindung mit Fig. 2 erläuterten Y/eise durch die Rückschlagventile R¹ angesaugt bzw. an den Emulgator E weitergegeben und schließlich als Kraftstoffgemisch in die Brennkammer des Verbrennungsmotors eingespritzt.

Die Dosierpumpe D enthält drei Saug- und Druck-Bälge D.1.6, D.1.7 und D.1.8, deren Verdrängungsvoluraina sich so zueinander verhalten .wie das, gewünschte gegenseitige Verhältnis des Oberflächenbildners, Brennstoffs und Y/assers.

Die drei so abgemessen geförderten Komponenten strömen zum piezoelektrischen Ultraschall-Enulgator E, in dem

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die Emulgierung erzielt wird. Das emulgierte Kraftstoffgemisch verläßt die Kammer B"¹ des Emulgators E durch den Auslaß I"¹ und gelangt schließlich in die nicht dargestellte Einspritzeinrichtung.

Die Dosierpumpe D wird mittels sich wiederholender rechteckiger Impulse angetrieben, die von einem üblichen integrierten Schalt—kreis geliefert v/erden, wobei die Spiral-Druckfeder D.1.5 für den Gegenhub sorgt. Die Hublänge ist mit der von Verbrennungsmotor G benötigten Menge Kraftstoffgemisch veränderbar.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 6 hat den Vorteil, daß sie kompakt und klein ist und nur wenige und einfache bewegbare Teile besitzt. Die gesamte Vorrichtung kann mittels gedruckter integrierter Schaltungen verläßlich für lange Zeit bei einfacher Unterhaltung betrieben v/erden. Eine Sicherheitsblockierung der Schaltung kann gegen Fehler bei der Brennstoffzufuhr und gegen ein Ausfallen des Emulgators schützen.

Das folgende Beispiel illustriert die automatische Betriebsfolge bei Anwendung üblicher Detektoren und digitaler Steuersignale:

Während der ersten zwei Minuten Betriebszeit wird Brennstoff allein gefördert, woraufhin die Vorrichtung auf die Abgabe eines Kraftstoff-Gemisches umschaltet. Falls die Zufuhr von Brennstoff oder Oberflächenbildner ausfällt, wird die weitere Zufuhr von V/asser unterbrochen und für zwei Minuten, nachdem die Zufuhr von Brennstoff oder Oberflächenbildner wieder in Ordnung gebracht worden ist, wiederum nur Brennstoff zugeführt. Die Antriebsimpulse für die Dosierpumpe werden nur er-

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zeugt, wenn der Umwandler des Emulgators in Resonanz schv/ingt. Falls der Umv/andler ausfällt, wird die Wasserzufuhr unterbrochen. Die Wasserzufuhrsteuerung ist mit einem Warnlicht versehen, das zwei Minuten nach Abschalten der Wasserzufuhr an der Steuertafel der Vorrichtung aufleuchtet oder zu blinken beginnt. Diese Zeitverzögerung ermöglicht normale Wasser-Abschaltzeiten nach dem Einschalten der Vorrichtung.

Beispiel eines Kraftstoffgemisches;

Lipophil 1,8 56;

Hydrophil ·.-..·.0,2 #; Wasser 25,096;

Kohl env/a s s e r s t ο f f-

Brennstoff hoher

Oktanzahl ......73,0#.

Die lipophilen und hydrophilen Ester werden getrennt voneinander gemischt und die sich dadurch ergebenen Lösungen mittels eines mechanischem Emulgators kombiniert. Das entstandene Gemisch wurde auf -15°C abgekühlt, ohne daß sich ein Anzeichen für eine physikalische Trennung zeigte. Dieses Gemisch wurde in einem Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor von 1598 ecm Hubraum verwendet. Nach Versuchsläufen ergaben sich folgende Vergleichsversuchs-Betriebswerte:

Hochoktaniger Brennstoff ......33*4 m.p.g.; 25% Wasser/Oberflachen-

bildner/hochoktaniger

Brennstoff ......36,6 m.p.g..

In der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck "Massenvolumenprodukt" die gesamte Molekularmasse der

gasförmigen Verbrennungsprodukte.Der Ausdruck "Oberflächenbildner" oder "Surfactant" bezeichnet ein Mittel, das das Einhüllen von Wassertröpfchen mit Brennstoff begünstigt.

Patentansprüche

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Claims (11)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Umsetzen eines Teils der Verbrennungswärme, die von einem bei einem Verbrennungsmotor benutzten Kraftstoff entwickelt wird, zu einem Massenvolumenprodukt, dadurch gekennzeichnet, daß als Kraftstoff eine Emulsion eines Kohlenwasserstoffs benutzt wird, der Wasser als Tröpfchendispersion enthält, die durch zumindest ein Surfactant-Mittel stabilisiert ist, wodurch der Kohlenwasserstoff als kontinuierliche bzw. ständige Phase der Emulsion beibehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff ein Oktanerdölkraftstoff ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff eine Schwerölfraktion ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff eine Kerosin/Paraffin-Erdölfraktion ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Surfactant-Mittel ein Lipophil und/oder ein Hydrophil ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Surfactant-Mittel in einer Konzentration von o,5-2 % der Kohlenwasserstoff- und Wassermischung zugesetzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Surfactant-Mittel eine Mischung eines Hydrophils und eines Lipophils in einem cleichgewicht von Hydrophil zu Lipophil von 4,8-5,2 ist.

8. Anordnung zum Zuführen einer Kraftstoffmischung zu einem Verbrennungsmotor zwecks Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch Mittel (A, B, C) zum Zuführen von drei Komponenten der Kraftstoffmischung, nämlich

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von Wasser, einem Kohlenwasserstoff und einem Surfactant-Mittel, durch eine zum Zuteilen der drei Komponenten in einem vorbestimmten Volumenverhältnis geeignete Dosierpumpe (D), ferner durch einen geeigneten Emulgator (E) zum Beibehalten · des Kohlenwasserstoffs als kontinuierliche bzw. beständige Phase mit Wasser als Tröpfchendispersion in der Zweiphasenmischung und durch Mittel (F) zum Sprühen oder Stäuben der entstehenden Emulsion in die Verbrennungskammer der Maschine (G).

9. Anordnung nach Anspruch 8/ gekennzeichnet durch Mittel (H) zum Kühlen der Abgase der Maschine (G) und durch Mittel zum Rückführen des Wassergehaltes des sich ergebenden kondensierten Gases zu den Zuführungsmitteln (A) für öle Wasserkomponente der Kraftstoffmischung.

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen mechanischen Emulgator (Figur 3).

11. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Ültraschall-Emulgator (Figur 4).

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