DE3012630C2 - Vorrichtung zur Abgabe von gasförmigem Medium an einen Verbraucher mit veränderlichem Einlaßdruck - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 57 425 bekannt geworden. Sie dient vorwiegend dazu, ein hochwirksames Luft-Brennstoff-Gemisch für Brennkraftmaschinen unter allen Betriebsbedingungen zu erzeugen. Hierzu wird ein Venturi-Rohr im Ansaugkanal angeordnet und so betrieben, daß im Engquerschnitt stets Schallgeschwindigkeitsbedingungen vorliegen. Als willkürlich einstellbares Drosselorgan zur Veränderung des Engquerschnittes kann ein Strömungskörper verwendet werden, der im Engquerschnitt verstellbar angeordnet ist, z. B. in Form einer oder mehrerer verstellbarer Backen. ^b5

Aufgrund der Schallgeschwindigkeit im Engquerschnitt wird eine Schockwelle erzeugt, welche eine gleichmäßig feine Zerstäubung des Brennstoffs bewirkt.

Unter allen Lastbedingungen läßt sich die ausgeprägte Schockwelle indessen nur erreichen, wenn der Divergenzwinkel des Diffusors innerhalb bestimmter Grenzen liegt Bei einem zu kleinen Divergenzwinkel entstehen Energieverluste durch zu große Reibung. Bei einem zu großen Divergenzwinkel entstehen Wirbel und Turbulenzen, welche einer günstigen Zerstäubung entgegenstehen.

Es versteht sich, daß kritische Ansaugdrücke im Leerlaufbetrieb einer Brennkraftmaschine vorliegen. Daher ist die beschriebene Vorrichtung so auszulegen, daß auch im Leerlauf zumindest annähernd eine optimale Schockwelle erreicht wird. Ist dies nicht der Fall, kommt es zu einer Agglomeration von Brennstofftröpfchen, welche eine unvollständige Verbrennung nach sich zieht. Eine Auslegung des Venturi-Rohres im Hinblick darauf bringt jedoch mit sich, daß unter besonderen Lastbedingungen sich die Stoß- oder Schockwelle vom Engquerschnitt in den Diffusor hineinbewegt in Richtung der Austrittsöffnung. Dies ist der Fall, wenn der Druckabfall über das gesamte Venturi-Rohr einen bestimmten Wert überschreitet Im Bereich der Schockwelle besteht dann die Gefahr der Ablösung von den Diffusorwänden, was vor allem dann kritisch wird, wenn die Schockwelle zu weit in die Nähe der Austrittsöffnung wandert und auf den Ansaugstutzen auftrifft. Die Abgabe eines homogenen Gemisches in die Zylinder der Brennkraftmaschine ist dann nicht mehr gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Stoß- oder Schockwelle bei großem Druckabfall in der Vorrichtung nicht in die Nähe der Austrittsöffnung wandert, um dadurch ein Wiederanlegen der Strömung an die divergierenden Wandungen stromabwärts der Stoß- und Schockwelle zu ermöglichen.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Es ist bereits ein Diffusor bekannt geworden, bei dem in der Diffusorwand abströmseitig von der Eintrittszone öffnungen und hinter der Diffiisorwand Kanäle vorgesehen sind, die die öffnungen mit dem Ausgang des Diffusors zur Umwälzung eines Teils des gasförmigen Strömungsmittels vom Diffusorausgang zu den Öffnungen verbinden (DE-OS 26 36 524). Der bekannte Diffusor, der ausschließlich feste Wände aufweist, wird im Zusammenhang mit Strömungsmaschinen eingesetzt, um kinetische Strömungsenergie in statischen Druck zu verwandeln. Hierbei kommt es auf den Wirkungsgrad des Diffusors an, der naturgemäß den Gesamtwirkungsgrad der Strömungsmaschine beeinflußt. Bei relativ kurzen Diffusoren besteht nun das Problem, daß der Wirkungsgrad durch Grenzschichtablösung an den Diffusorwänden beeinträchtigt wird. Zu diesem Zweck wird beim bekannten Diffusor vorgeschlagen, die Grenzschicht mit erhöhter Geschwindigkeit strömen zu lassen, um die Grenzschichtströmung an die Hauptströmung anzupassen. Es wird eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Grenzschicht und der Hauptströmung vermieden, wodurch eine Grenzschichtablösung von der Diffusorwand vermieden wird. Das Ergebnis ist ein Diffusor höheren Wirkungsgrades.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen dient die vorgesehene Perforierung keineswegs der Verbesserung des Wirkungsgrades. Der Wirkungsgrad ist jedoch unter den genannten Bedingungen, unter denen die Perforierung wirksam wird, ohne Bedeutung,

da im Engquerschnitt ohnehin Schallgeschwindigkeit erhalten wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt über die Perforierung ein Druckausgleich für den Fall, daß die Schockwelle zu weit in den Diffusorabschnitt hineinreicht. Die mit Perforierungen versehene Zone verschiebt die Schock- oder Stoßwelle stromaufwärts relativ von dem Punkt aus, an dem sie sonst auftreten würde, wenn der Druckabfall am Venturi-Rohr einen bestimmten Wert überschreitet Bei Anwendung der ;o erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Gemisch«» aus Luft und Flüssigbrennstoff wird auf diese Weise auch unter den oben erwähnten Betriebsbedingungen, d. h. bei einem großen Druckabfall am Venturi-Rohr, ein wirksames Gemisch erzeugt und is homogen in die Zylinder eingetragen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist in der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile beziehen, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der F i g. 1 mit Andeutung der umgebenden Struktur in dünnen Außenlinien und

F i g. 3 eine Vorderansicht einer der in F i g. 1 und 2 gezeigten beweglichen Backen.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Vorrichtung 10 für die Erzeugung eines brennbaren Gemisches aus Luft und flüssigem Brennstoff dargestellt. Die Vorrichtung 10 ist auch in der Lage, andere gasförmige Medien außer Luft und andere Flüssigkeiten außer Brennstoff zu mischen. Außerdem kann sie zur Mengendurchflußsteuerung für ein gasförmiges Medium allein benutzt werden.

Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Vorrichtung 10 enthält ein langgestrecktes Gehäuse mit einem mittleren Durchflußkanal. Der Durchflußkanal ist begrenzt durch ein Paar gegenüberliegende, beabstandete, *o stationäre Plattenwände 12,14 und ein Paar gegenüberliegende beabstandete, relativ bewegliche Backenkörper 16, 18. Die beweglichen Backenkörper sind senkrecht zwischen den stationären Plattenwänden angeordnet. Die Backenkörper 16,18 sind symmetrisch in ihrer Konstruktion und an gegenüberliegenden Enden mittels Stangen 20,22 gelagert, die sich zwischen den stationären Plattenwänden 12, 14 erstrecken. Die beweglichen Backenkörper 16, 18 sind an ihren oberen Enden an den Stangen 20, 22 verankert, und die Backenkörper 16,18 verschwenken sich um die Achsen der Stangen, was im Anschluß hieran ausführlicher erläutert wird.

Die Innenwandflächen der beweglichen Backenkörper 16,18 begrenzen zwischen sich einen Venturiquerschnitt. Zwecks Ansprache an die Lastanforderungen der Brennkraftmaschine verschwenken sich die Backenkörper 16, 18 um die Achsen der Stangen 20, 22 und vergrößern oder verkleinern den Veniuriquerschnitt nach Bedarf.

Der durqh die gegenüberliegend beabstandeten stationären Plattenwände 12, 14 und die beweglichen Backenkörper 16, 18 begrenzte Kanal enthält einen konvergierenden Eintrittsabschnitt 24, einen veränderlichen Engquerschnitt 26, sowie einen divergierenden ^b5 Austrittsabschnitt 28. Die stationären Plattenwände 12, 14 können zusammen mit Gehäusewänden 30, 32 an einer rechteckigen Grundplatte (nicht gezeigt) mit darin gebildeten öffnungen befestigt werden, um die Vorrichtung 10 an dem Ansaugstutzen einer Brennkraftmaschine zu befestigen.

Wie oben erwähnt, bilden die Innenwände der beweglichen Backenkörper 16, S8 mit den stationären Plcttenwänden 12, 14 einen VenturiquerschnitL In den Eintrittsabschnitt 24 tritt atmosphärische Luft ein, und die Luft wird im Engquerschnitt 26 auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt Flüssiger Brennstoff wird an einer Brennstoffabgabeeinrichtung 34 aufströmseitig vom Engquerschnitt 26 in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden Luftstrom eingetragen. Die Einrichtung 34 in Form eines Rohres erstreckt sich zwischen den stationären Platten 12,14 und wird von ihnen gelagert und ist an eine Brennstoffquelle (nicht gezeigt) angeschlossen. Sie enthält öffnungen, durch welche der flüssige Brennstoff in den Luftstrom eingetragen wird. In der Zuführung zur Einrichtung 34 ist eine Ventileinrichtung oder eine ähnliche Anordnung vorgesehen, um die Menge abgegebenen Brennstoffs in Übereinstimmung mit den Lastanforderungen der Maschine zuzumessen.

Das bei Schallgeschwindigkeit strömende Gemisch aus Luft und flüssigem Brennstoff bewegt sich vom Engquerschnitt 26 in den divergierenden Austrittsabschnitt 28 hinein, wo die kinetische Energie des bei hoher Geschwindigkeit strömenden Gemisches als statischer Druck wirksam zurückgewonnen wird. Eine solche Umwandlung ermöglicht die Auftrechterhaltung von Schallgeschwindigkeit im Engquerschnitt 26 über den gesamten Betriebsbereich der Maschine. Somit wird im Engquerschnitt selbst bei sehr niedrigen Ansaugwerten Schallgeschwindigkeit erreicht.

Die Backenkörper 16,18 sind mit Perforationen 36 im Austrittsabschnitt 28 versehen. Sie sind im Abstand vom Engquerschnitt 26 angeordnet sowie mit Abstand von der Austrittsöffnung, wie am besten aus den F i g. 2 und 3 ersichtlich. Hinter der Zone mit den Perforationen 36 sind Kanäle 38, 40 angeordnet. Sie sind mit der Austrittsöffnung des Austrittsabschnitts 28 verbunden. Mit anderen Worten, die Kanäle 38, 40 verbinden die Perforationen 36 mit dem Ansaugstutzen des Motors, welchem das Luft- und Brennstoffgemisch zugeführt wird. Aus weiter unten erläuterten Gründen wird bei Überschallbedingungen ein Teil des Luft-Brennstoffgemisches, das aus dem Austrittsabschnitt 28 austritt, in die Perforationen eingetragen und durch sie hindurch umgewälzt.

Wie am besten aus F i g. 2 ersichtlich, sind die Kanäle 38,40 zum Teil durch Blöcke 42,44 begrenzt, die an den Wänden 30, 32 befestigt sind und sich zwischen den beabstandeten stationären Plattenwänden 12, 14 erstrecken. Die Oberseite jedes Blockes enthält einen bogenförmigen Flächenabschnitt 46,48. Der Radius des bogenförmigen Flächenabschnitts 46 nimmt seinen Ausgang an der Achse der Stange 20, während die Achse der Stange 22 der Ausgang für den Radius des Flächenabschnitts 48 ist. In Schlitzen 54, 56, die in den Backenkörper 16, 18 geformt sind, passen Dichtungen 50, 52 hinein. Die Dichtungen erstrecken sich über die Breite der Backenkörper und ihre freien Außenenden wirken mit den bogenförmigen Flächenabschnitten 46, 48 zusammen, wenn sich die Backenkörper um die Stangen 20, 22 drehen. Die Blöcke 42, 44 bilden zusammen mit den Dichtungen 50, 52 und den Rückseiten der Backenkörper 16, 18 die Kanäle 38, 40.

Die Bewegung der Backenkörper 16,18 entsteht über ein Drosselgestänge 58, welches mit der Stange 20

verbunden ist, die den Backenkörper 16 lagert. Das Drosselgestänge 58 veranlaßt die Stange 20, sich zu drehen, was wiederum die Backe 16 in Drehung versetzt, die an der Stange 20 befestigt ist. Gleichzeitig tritt eine Bewegung des anderen Backenkörpers 18 über ein Paar miteinander kämmender Zahnradsegmente 60, 62 an den oberen Enden der Backenkörper ein. Durch die Betätigung des Drosselgestänges 58 bewegen sich die Backenkörper 16,18 in Richtung aufeinander zu und voneinander fort, um den Engquerschnitt in Ansprache auf die Anforderungen der Maschine zu variieren.

Bei Durchflußbedingungen, bei denen der Druckabfall an der Vorrichtung 10 gerade ausreichend ist, um im Engquerschnitt 26 Schallgeschwindigkeit zu erzeugen, ist die Geschwindigkeit des Gemisches unmittelbar abströmseitig des Engquerschnitts im Unterschallbereich. Der Austrittsabschnitt 28 mit den Perforationen 36 bewirkt eine wirksame Rückgewinnung eines erheblichen Teils des bei hoher Geschwindigkeit strömenden Luft-und Brennstoffgemisches als statischen Druck, und eine derartige wirksame Umwandlung ermöglicht die Aufrechterhaltung von Schallgeschwindigkeit im Engquerschnitt selbst dann, wenn der Druckabfall an der Vorrichtung ziemlich gering ist, d. h. bei einem sehr geringen Druck am Ansaugstutzen. Unter diesen Bedingungen ist der Druckabfall an den Perforationen 36 gleich Null oder gering, wenn überhaupt etwas von dem Luft- und Brennstoffgemisch durch die Perforation umgewälzt wird. Sowie jedoch das Ansaugvakuum zunimmt, nimmt auch der Druckabfall an der Vorrichtung zu, was zu einem Überschall abströmseitig des Engquerschnitts 26 führt. Sowie das Druckverhältnis weiter zunimmt, bewegt sich die Stoßoder Schockwelle im Austrittsabschnitt 28 nach unten und weiter vom Engquerschnitt 26 fort. Bei noch höheren Druckverhältnissen an der Vorrichtung 10 würde der Stoß sich normalerweise weiter in den Austrittsabschnitt in Richtung Austrittsöffnung bewegen.

Wie oben erläutert, hat die Strömung die Neigung, sich von den Wänden des Austrittsabschnitts zu lösen. Im allgemeinen legt sich der Fluß einfach wieder an die Wände an. Wenn jedoch die Stoßwelle zu weit in den Austrittsabschnitt 28 hinein gewandert ist, dann bleibt für ein derartiges Wiederanlegen keine ausreichende Wandstruktur übrig, und es wird an der Austrittsöffnung eine Strömung mit übermäßig hoher Geschwindigkeit abgegeben. Die strahlförmige Strömung ist eine unerwünschte Erscheinung und verursacht ein Zusammenpressen des Luft- und Brennstoffgemisches auf den Ansaugstutzen. Dies führt zu einer schlechten Verteilung des Gemisches in den Zylindern der Brennkraftmaschine.

In der Vorrichtung 10 verhindere derjenige Teil des Luft- und Brennstoffgemisches, der bei Überschallbedingungen durch die Perforationen 36 umgewälzt wird, eine derartige Strahlbildung. Die Austrittsgeschwindigkeit aus der Vorrichtung ist unter allen Bedingungen

ausreichend niedrig, und die nachteilige Wirkung auf das Eintragen in den Ansaugstutzen ist ausgeschaltet. Das sich bei hoher Geschwindigkeit an den Perforationen 36 vorbeibewegende Luft- und Brennstoffgemisch zieht einen Teil des Gemisches, welches die Vorrichtung bereits verlassen hat, in die Strömung hinein. Diese Umwälzung entsteht durch den Druckabfall an den Perforationen, verursacht durch die sich bei hoher Geschwindigkeit an den Perforationen vorbeibewegende Strömung. Eine derartige Umwälzung bewirkt eine Störung der Strömung und dadurch ein Verschieben der Stoßwelle stromaufwärts relativ von dem Ort, wo sie sonst ohne Perforationen auftreten würde. Daher wird die Überschallzone auf den oberen Abschnitt des Austrittsabschnitts 28 begrenzt, was genügend Wandstruktur abströmseitig beläßt, um es der Strömung zu gestatten, sich vor Abgabe an den Ansaugstutzen wieder anzulegen.

Eine wirksame Energierückgewinnung ist nicht kritisch, wenn der Druckabfall an der Vorrichtung 10 hoch ist, da derartige Verhältnisse Schallgeschwindigkeit im Engquerschnitt ungeachtet der Energierückgewinnung vorsehen. Wenn jedoch das Ansaugstutzenvakuum ziemlich niedrig ist, dann ist eine Energierückgewinnung kritisch, und der obere Teil des Austrittsabschnitts 28 bewirkt dann in wirksamer Weise die Aufrechterhaltung der Schallgeschwindigkeit im Engquerschnitt 26.

Die Vorrichtung 10 hat einen bedeutenden sekundären Vorteil, indem durch die Ausschaltung des hohen Vakuums, das normalerweise erzeugt wird, wenn sich die Stoßwelle weit in den Austrittsabschnitt 28 hineinwendet, große Schließkräfte für die beweglichen Backen 16, 18 vermieden werden. Die Perforationen vermindern in starkem Maße diese Kräfte, so daß das öffnen und Schließen der Vorrichtung unter allen Bedingungen sehr einfach und ohne jegliche nennenswerte Einwirkung auf das Drosselgestänge 58 durchgeführt werden kann.

Hinsichtlich der Perforationen 36 sei gesagt, daß es sich hier um eine Zone beabstandeter kreisförmiger Löcher handeln kann, die jeweils einen Durchmesser von etwa 3 mm haben. Die Gesamtlänge des Austrittsabschnitts 28 kann annähernd 64 mm betragen, wobei die Perforationen 36 vom Engquerschnitt 26 wenigstens etwa 12,5 mm beabstandet sind und bis zu etwa 25 mm von der Austrittsöffnung entfernt sind. Die Breite des Austrittsabschnitts 28 kann etwa 76 mm betragen, was sich aus dem Backenkörper von etwa 76 mm Breite ergibt Wenn die Gesamtabmessungen der Backenkörper verändert werden, können die Größe und die Lage der Perforationen proportional verändert werden.

Die Innenseite der Platten 12,14 kann außerdem mit einem Gleitmaterial 64 überzogen werden, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen, um Abnutzung zu verhindern und die Seitenkanten der beweglichen Backenkörper 16,18 abzudichten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Abgabe von gasförmigem Medium an einen Verbraucher mit veränderlichem Einlaßdruck, insbesondere zur Erzeugung eines Luft-Flüssigbrennstoff-Gemisches für Brennkraftmaschinen, mit einem Ansaugkanal, der einen in Strömungsrichtung konvergierenden Eintrittsabschnitt, einen Engquerschnitt und einen von divergierenden Wandabschnitten begrenzten Austrittsabschnitt enthält sowie Drosselmittel zur Veränderung des Querschnitts des Engquerschnitts, die in Abhängigkeit von den Lastanforderungen des Verbrauchers verstellbar sind, wobei Engquerschnitt und der Divergenzwinkel des Austrittsabschnitts so gewählt sind, daß annähernd unter allen Einlaßdrükken im Engquerschnitt Schallgeschwindigkeit herrscht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandabschnitte (16, 18) des Austrittsabschnitts (28) eine Zone von Perforationen (36) aufweisen, die sich in einem Abstand vom Engquerschnitt (26) beginnend bis zu einem Abstand von der Austrittsöffnung erstreckt, und Kanäle (38, 40) hinter den Wandabschnitten (16, 18) vorgesehen sind, die die Perforierung (36) mit der Austrittsöffnung des Austrittsabschnitts verbinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Perforierung (36) eine Reihe beabstandeter kreisförmiger Löcher aufweist, die jeweils einen Durchmesser von annähernd 3 mm haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Austrittsabschnitts etwa 64 mm und seine Breite etwa 76 mm beträgt und daß die Perforierungen (36) von dem Jj Engquerschnitt (26) wenigstens annähernd 12,5 mm auf Abstand gehalten sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeitsabgabeeinrichtung (34) an oder oberhalb des Engquerschnitts ·»" (26).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Medium Luft ist, der Druck des gasförmigen Mediums am Eingang des Eintrittsabschnitts (24) atmosphärischer Druck ist und die Abgabeeinrichtung (34) flüssigen Brennstoff zuführt.