DE4137179C2 - Vorrichtung zum Erzeugen einer Wasser-in-Öl Emulsion und Verwendung der Vorrichtung an einem Dieselmotor - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen einer Wasser-in-Öl Emulsion und Verwendung der Vorrichtung an einem Dieselmotor

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Wasser-in-Öl Emulsion für den Betrieb der Einspritzpumpen von Dieselmotoren oder Ölbrennern unter Verwendung einer radialen Rotationspumpe.
Es ist bekannt, daß durch Beifügen von Wasser zu Dieselöl als Kraftstoff von Dieselmotoren deren Betriebstemperatur gesenkt und der Stickoxid- und Rußanteil im Abgas reduziert werden können. Vergleichbares gilt für Ölbrenner. Hierfür kommt es jedoch entscheidend darauf an, daß das Brennöl und das Wasser in die Form einer möglichst homogenen Emulsion gebracht werden, in welcher kleinste Wassertröpfchen in dem Brennöl suspendiert sind.
Zur Erzeugung einer solchen Emulsion ist es bereits bekannt (DE-OS 39 12 344), eine rotationssymmetrische, z. B. hohlbirnenförmige Wirbelkammer mit tangentialem Einlauf und sich verjüngendem axialen Auslauf vorzusehen, die von einem Ringkanal umgeben ist, in den ein Öleinlaßkanal tangential einmündet und der seinerseits über tangentiale Einlaßschlitze mit der Wirbelkammer verbunden ist. Das Wasser wird über eine Wassereinspritzdüse in den Ringkanal oder die Wirbelkammer eingespritzt. Der sich verjüngende Auslauf der Wirbelkammer mündet über eine gestufte Erweiterung in die Saugkammer einer Radialpumpe mit einem in deren Pumpenkammer angeordneten Radiallaufrad und einem in dessen Umfangsbereich angeordneten Emulsionsaustrittskanal, der parallel zur Achse des Laufrades verläuft und aus dem die erzeugte Emulsion zur Einspritzpumpe des Dieselmotors und zu einem Rezirkulationseinlaßkanal geleitet wird, der ebenfalls tangential in den Ringkanal einmündet. Durch die Rezirkulation der Emulsion in die Wirbelkammer, die plötzliche Erweiterung am Auslaß der Wirbelkammer und den Richtungswechsel der Strömung am Austritt aus dem Radiallaufrad wird erreicht, daß sich eine Emulsion mit einer mittleren Tröpfchengröße der Wassertröpfchen von 2 bis 4 µm bildet, wodurch sich eine feine und homogene Emulsion ergibt, die für den Betrieb von Dieselmotoren gut geeignet ist. Durch die Verwendung einer elektromagnetischen Wassereinspritzdüse kann der Wasseranteil in der Emulsion in Abhängigkeit von den Lastzuständen des Dieselmotors geregelt werden.
Jedoch ist die Konstruktion der vorstehend beschriebenen Vorrichtung relativ aufwendig. Durch die Erfindung wird das Problem gelöst, eine konstruktiv einfachere Vorrichtung bei gleichwohl guter Emulsionsbildung zu schaffen.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Wasser-in-Öl Emulsion, mit einer Radialpumpe mit einem Pumpengehäuse, in dem eine Pumpenkammer, in der ein von einer Ringschulter umgebenes Radiallaufrad angeordnet ist und aus der ein Emulsionsaustrittskanal ausmündet, und eine axial vor dem Radiallaufrad angeordnete Saugkammer ausgebildet sind, die mit einem Öleinlaßkanal, einem Rezirkulationseinlaßkanal und mit der Mündung einer Wassereinspritzdüse in Verbindung steht, gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Öleinlaßkanal und der Rezirkulationseinlaßkanal und die Wassereinspritzdüse unmittelbar in die Saugkammer münden und die insgesamt konzentrisch zu dem Radiallaufrad verlaufende Ringschulter entlang eines Teilsektors mit einer zu der Pumpenkammer hin in radialer Richtung offenen Aussparung versehen ist, an deren in Laufrichtung des Radiallaufrades hinterem Ende, das von einer quer zur Drehebene des Radiallaufrades verlaufenden Stauschulter gebildet wird, die Ausmündung des Emulsionsauslaßkanals in Richtung quer zur Umfangsrichtung der Aussparung, d. h. radial zum Radiallaufrad, vorzugsweise jedoch quer zur Drehebene des Radiallaufrades verläuft.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß es zu einer guten Emulsionsbildung nicht erforderlich ist, der Saugkammer des Radiallaufrades eine besonders gestaltete Wirbelkammer vorzuschalten, die über eine gestufte Erweiterung in die Saugkammer einmündet. Erfindungsgemäß wird vielmehr die gute Emulsionsbildung insbesondere durch die Gestaltung des Emulsionsauslasses der Pumpenkammer der Radialpumpe im Zusammenwirken mit der Rotation des Radiallaufrades erreicht.
Nach der Erfindung wird der Austrittsstrom der Emulsion aus dem rotierenden Radiallaufrad in die radial zu diesem offene Aussparung verdrängt, die sich nur über einen Teilsektor der Ringschulter hin erstreckt, an der Stauschulter angestaut und über die Mündungskante der unmittelbar vor der Stauschulter quer zur Drehebene des Radiallaufrades angeordneten Ausmündung des Emulsionsaustrittskanal mit plötzlichem Richtungswechsel von vorzugsweise wenigstens 90° seitlich zur Strömungsrichtung umgelenkt. Die austretende Emulsion wird dem Verbraucher, insbesondere der Einspritzpumpe eines Dieselmotors, zugeführt, von dem ein Teil nicht verbrauchter Emulsion in den Rezirkulationseinlaßkanal der Saugkammer des Radiallaufrades zurückgeführt wird. Zur Aufrechterhaltung des Rezirkulationskreislaufes für die Emulsion ist es jedoch auch möglich, nur einen Teil der aus dem Emulsionsauslaßkanal austretenden Emulsion dem Verbraucher, und den anderen Emulsionsteil direkt dem Rezirkulationseinlaßkanal zuzuführen, wobei ein Rücklauf von dem Verbraucher ebenfalls wieder in die Saugkammer zurückgeführt werden kann.
Der Ausmündungsabschnitt des Emulsionsaustrittskanals verläuft vorzugsweise parallel zur Achse des Radiallaufrades, wenngleich er auch für einen Richtungswechsel der Strömung in der Aussparung von mehr als 90° entsprechend gegen die Achse des Radiallaufrades angestellt sein kann. Die Stauschulter soll möglichst nahe an der, gesehen in Strömungsrichtung in der Aussparung, hinteren Begrenzung des Ausmündungsabschnittes des Emulsionsaustrittskanals ausgebildet sein. Obwohl die quer zur Drehebene des Radiallaufrades verlaufenden Erzeugenden der Stauschulter der Strömungsrichtung in der Aussparung entgegengeneigt sein können, verlaufen sie vorzugsweise parallel zur Achse des Radiallaufrades. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist außerdem die radial innere Begrenzung der Stauschulter über die Außenumfangsbreite des Radiallaufrades hin als im wesentlichen in der Zylinderfläche der Ringschulter liegende scharfe Kante ausgebildet, von welcher der durch den Emulsionsaustrittskanal ausgegebene Emulsionsteil am Außenumfang des Radiallaufrades von dem noch in diesem verbleibenden Emulsionsteil abgetrennt wird.
Der Teilsektor, entlang welchem die Aussparung ausgebildet ist, kann über einen Mittelpunktswinkel des Radiallaufrades von 120 bis 45° hin verlaufen. Bevorzugt beträgt dieser Mittelpunktswinkel wenigstens annähernd 60°. Die radiale Tiefe der Aussparung kann von deren der Stauschulter entgegengesetztem Beginn bis zu der Ausmündung kontinuierlich zunehmen, wobei der Boden der Aussparung z. B. als Spiralbogen gekrümmt sein kann. Aus Fertigungsgründen kann jedoch die radiale Tiefe der Ausparung konstant sein, so daß deren Boden ebenfalls konzentrisch zum Radiallaufrad gekrümmt ist. Insbesondere bei der letzteren Ausführungsform kann die axiale Breite der Aussparung entsprechend der Breite des Austrittsquerschnitts des Radiallaufrades ebenfalls konstant sein. Vorzugsweise jedoch nimmt der Querschnitt der Aussparung in Umfangsrichtung zu der Ausmündung des Emulsionsaustrittskanals hin zu, indem die Aussparung bei konstanter radialer Tiefe an der Ausmündung des Emulsionsauslaßkanals axial breiter ist als an dem Beginn der Aussparung und zwischen der Ausmündung und deren Beginn seitlich von einer schräg zur Drehebene des Radiallaufrades verlaufenden konkav gekrümmten oder insbesondere ebenen Begrenzungsfläche begrenzt ist. Hierbei erreicht die axiale Breite der Aussparung diejenige des Austrittsquerschnitts des Radiallaufrades erst dicht vor der Ausmündung des Emulsionsaustrittskanals.
Die Gestaltung der Saugkammer ist für die Emulsionsbildung unkritisch. Die Saugkammer kann daher für einen möglichst geringen Strömungsverlust entsprechend den Konstruktionsregeln für Radialkreiselpumpen gestaltet sein, insbesondere koaxial zu dem Radiallaufrad angeordnet und rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Wenngleich es hierbei möglich ist, die Saugkammer sich zu dem Einlauf des Radiallaufrades hin hohlkegelig verjüngend oder erweiternd auszubilden, ist die Saugkammer bevorzugt zylindrisch. Der Öleinlaßkanal und der Rezirkulationseinlaßkanal können axial oder radial in die Saugkammer einmünden. Bei rotationssymmetrischer Ausbildung der Saugkammer jedoch wird es weiter vorgezogen, daß der Öleinlaßkanal und der Rezirkulationseinlaßkanal gleichsinnig tangential in Rotationsrichtung des Radiallaufrades in die Saugkammer einmünden. Hierdurch können undefinierte Vermischungsturbulenzen, insbesondere Kavitation, in der Saugkammer vermieden werden und es wird bereits in der Saugkammer insbesondere von dem unter Druck zugeführten Dieselölstrom eine Rotationsströmung angeworfen, die mit der Rotationsrichtung des Radiallaufrades gleichsinnig ist, so daß die Strömungsverluste weiter reduziert sind. Überhaupt sollte das Auftreten von Kavitation in dem gesamten Rezirkulationskreislauf vermieden werden, damit die gebildete Emulsion durch entstehende Wasserdampfblasen nicht wieder aufgerissen und damit zerstört wird.
Auch die Anordnung der Mündung der Wassereinspritzdüse und deren Ausrichtung können entsprechend den Konstruktionsgegebenheiten weitgehend frei gewählt werden. Bei rotationssymmetrischer Ausbildung der Saugkammer und insbesondere bei tangentialem Einlauf des Öleinlaßkanals und des Rezirkulationseinlaßkanals jedoch wird es vorgezogen, die Wassereinspritzdüse koaxial zu dem Radiallaufrad für eine Einspritzrichtung in der Achse der Saugkammer auszurichten, um die in der Rotationsströmung in der Saugkammer herrschenden Druckverhältnisse für eine möglichst gute Verteilung der von der Wassereinspritzdüse unter Hochdruck in die Saugkammer hinein zerstäubten Wassertröpfchen auszunutzen.
Durch die Erfindung bleiben die Vorteile der Vorrichtung nach der erwähnten DE-OS 39 12 344 erhalten, namlich insbesondere die Regelbarkeit des Wasseranteils in der Emulsion in Abhängigkeit von den Lastzuständen des Dieselmotors aufgrund der Verwendung einer steuerbaren elektromagnetischen Wassereinspritzdüse sowie die Erzeugung einer feinen und homogenen Emulsion. Darüberhinaus wird durch die Erfindung der Herstellungsaufwand für die Vorrichtung wesentlich verringert und die Vorrichtung kann durch den Wegfall einer gesonderten Wirbelkammer in einer deutlich kleineren Baugröße ausgeführt werden, wodurch die Vorrichtung bei deren bevorzugten Verwendung zum Liefern der Emulsion zu der Einspritzpumpe eines Dieselmotors besser im Motorraum eines Dieselfahrzeugs unter den dort regelmäßig beengten Platzverhältnissen möglichst nahe an der Einspritzpumpe untergebracht werden kann.
Eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert, in welcher zeigt:
Fig. 1 einen Axialschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine Ansicht des Ansaugflansches der Vorrichtung aus Fig. 1 von unten,
Fig. 3 eine Draufsicht des Pumpenflansches der Vorrichtung aus Fig. 1, und
Fig. 4 eine Seitenansicht des Pumpenflansches aus Fig. 3.
Die bevorzugte Radialpumpe 1 gemäß der Erfindung weist ein Pumpengehäuse 2 auf, welches aus drei axial aneinandergebauten Flanschen, nämlich einem Ansaugflansch A, einem Pumpenflansch B und einem Motorflansch C besteht. Im Pumpenflansch B ist ein Radiallaufrad 5 in einer insgesamt zylindrischen Pumpenkammer 3 angeordnet, das von einem an den Motorflansch angeflanschten Elektromotor 18 rotierend angetrieben wird. Die Saugkammer 7 des Radiallaufrades 5 ist in dem Ansaugflansch A ausgebildet.
In die bis zu dem Radiallaufrad 5 hin zylindrische Saugkammer 7 münden, wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, an dem dem Radiallaufrad abgewandten ebenen Boden der Saugkammer 7 ein Öleinlaßkanal 8 und ein Rezirkulationseinlaßkanal 9 gleichsinnig tangential ein, so daß in der Saugkammer 7 eine Rotationsströmung mit einer mit der Rotationsrichtung des Radiallaufrades 5 übereinstimmenden Richtung entsteht. Ferner mündet am Boden der Saugkammer 7 koaxial zu dieser und zu dem Radiallaufrad 5 eine elektromagnetisch betriebene Hochdruck-Wassereinspritzdüse 10 ein.
Die Pumpenkammer 3 wird von einer insgesamt hohlzylindrischen Ringschulter 4 umgrenzt, die koaxial zu dem Radiallaufrad 5 verläuft und deren Durchmesser bis auf das erforderliche Spiel mit dem Außendurchmesser des Radiallaufrades 5 übereinstimmt. Auch die axiale Breite der Ringschulter 4 stimmt mit der Breite des Radiallaufrades 5 an dessen Außenumfang überein. In der Ringschulter 4 ist, wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich, über einen Teilsektor 17 von etwa 60° Mittelpunktswinkel hin eine zu der Pumpenkammer 3 hin radial offene Aussparung 11 ausgebildet, an deren in Rotationsrichtung des Radiallaufrades 5 hinterem Ende die Ausmündung 13 eines Emulsionsaustrittskanals 6 angeordnet ist, der sich mit seinem Ausmündungsabschnitt 14 parallel zur Achse des Radiallaufrades 5 erstreckt. Der Ausmündungsabschnitt 14 ist als Bohrung ausgebildet, deren Durchmesser kleiner als die radiale Tiefe der Aussparung 11 ist und die möglichst nahe an der Ringschulter 4 verläuft. Zur Vergrößerung des Bohrungsquerschnitts bei unveränderter radialer Abmessung kann auch eine Ovalbohrung vorgesehen sein Die Aussparung 11 wird an ihrer einen Seite von ihrem Beginn 15 aus von einer ebenen Begrenzungsfläche 16 begrenzt, die im spitzen Winkel zur Drehebene des Radiallaufrades 5 derart geneigt ist, daß die axial gemessene Breite der Aussparung 11 von deren Beginn 15 aus bis zu der Ausmündung 13 des Emulsionsaustrittskanals 6 hin größer wird und sie dort mit der axialen Breite des Radiallaufrades 5 an dessen Außenumfang übereinstimmt. Die radial gemessene Tiefe der Aussparung 11 hingegen ist über den Teilsektor 17 hin konstant.
In Rotationsrichtung des Radiallaufrades unmittelbar hinter der Ausmündung 13 endet die Aussparung 11 in einer Stauschulter 12, die bei der gezeigten Ausführungsform am Außenumfang der Aussparung 11 in einer Diametralebene des Radiallaufrades 5 liegt und in Umfangsrichtung hinter der Ausmündung 13 eine Verlängerung der hinteren Hälfte der Begrenzungswandung des axial verlaufenden Ausmündungsabschnittes 14 darstellt, im dargestellten Fall somit im Querschnitt halbzylindrisch mit parallel zur Axialen verlaufenden Erzeugenden ist. Es besteht auch die Möglichkeit, den radial äußeren Abschnitt der Stauschulter 12 in die tangential an den in Umfangsrichtung hinteren Scheitel der Ausmündung 13 verlaufende Diamaterialebene zu legen und den radial inneren Abschnitt der Stauschulter als Verlängerung der hinteren radial inneren Viertelzylinderfläche der Begrenzungswandung des Ausmündungsabschnittes 14 verlaufen zu lassen. In beiden Fällen endet die Stauschulter 12 an ihrer radial inneren Seite wegen der Anordnung der Ausmündung 13 möglichst nahe an der Zylinderfläche der Ringschulter 4 in einer messerschneidenartigen scharfen Kante 19, von welcher der aus dem Radiallaufrad 5 in die Ausmündung 13 austretende Emulsionsstrom quasi von dem Außenumfang des Radiallaufrades "abgeschält" wird.
Das Radiallaufrad 5 ist im Axialschnitt entsprechend Fig. 1 etwa diskusförmig ausgebildet und motorseitig mit einer in einer Radialebene liegenden Deckscheibe 20 versehen, auf der gebogene Förderschaufeln 21 festgelegt sind, deren axiale Breite vom Umfang der Saugkammer 7 aus bis zu dem Umfang des Radiallaufrades 5 stetig abnimmt.
Für den Betrieb der Vorrichtung an einem Dieselmotor werden der Öleinlaßkanal 8 an die Kraftstoffpumpe, die Wassereinspritzdüse 10 an einen eine Hochdruckpumpe enthaltenen Wasser-Rezirkulationskreis, der Emulsionsaustrittskanal 6 an die Vorlaufleitung der Einspritzpumpe des Dieselmotors und der Rezirkulationseinlaßkanal 9 an die Rücklaufleitung der Einspritzpumpe angeschlossen. Das Radiallaufrad 5 wird von dem Motor 18 mit vorzugsweise konstanter Drehzahl von beispielsweise 3000 U/min angetrieben. Von der Kraftstoffpumpe wird das Dieselöl tangential in die Saugkammer 7 gedrückt und das Wasser wird von der elektromagnetisch betriebenen Wassereinspritzdüse 10 intermittierend in die Saugkammer hinein zerstäubt. Der aus dem Radiallaufrad 5 austretende Emulsionsteil wird in die Aussparung 11 hinein verdrängt, an der Stauschulter 12 angestaut und seitlich in den Ausmündungsabschnitt 14 des Emulsionsaustrittskanals 6 gedrückt, wobei er an der scharfen Kante 19 von dem im Radiallaufrad verbleibenden Teil der Emulsion abgetrennt wird. Das von der Einspritzpumpe zurücklaufende Rezirkulat wird durch den Rezirkulationseinlaßkanal 9 zurück in die Saugkammer 7 geführt und dort mit frischem Öl und frischem eingespritzten Wasser durchmischt. Das Zuführen frischen Öls und Wassers erfolgt in Anpassung an die Menge des Rezirkulats so gesteuert, daß der gesamte Rezirkulationskreis möglichst vollständig ohne Luftblasen stets gefüllt ist. Die Menge des von der Wassereinspritzdüse 10 eingespritzten Wassers wird so geregelt, daß der Wasseranteil in der Emulsion in Abhängigkeit von dem jeweiligen Lastzustand des Dieselmotors eingestellt wird.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Erzeugen einer Wasser-in-Öl Emulsion, mit einer Radialpumpe (1) mit einem Pumpengehäuse (2), in dem eine Pumpenkammer (3), in der ein von einer Ringschulter (4) umgebenes Radiallaufrad (5) angeordnet ist und aus der ein Emulsionsaustrittskanal (6) ausmündet, und eine axial vor dem Radiallaufrad (5) angeordnete Saugkammer (7) ausgebildet sind, die mit einem Öleinlaßkanal (8), einem Rezirkulationseinlaßkanal (9) und mit der Mündung einer Wassereinspritzdüse (10) in Verbindung steht, wobei der Öleinlaßkanal (8) und der Rezirkulationseinlaßkanal (9) und die Wassereinspritzdüse (10) unmittelbar in die, Saugkammer (7) münden und die Ringschulter (4) entlang eines Teilsektors (17) mit einer zu der Pumpenkammer (3) hin radial offenen Aussparung (11) versehen ist, an deren in Laufrichtung des Radiallaufrades (5) hinterem Ende, das von einer Stauschulter (12) gebildet wird, der Ausmündungsabschnitt (13) des Emulsionsauslaßkanals (6) in Richtung quer zu der Umfangsrichtung der Aussparung (11) verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Emulsionsaustrittskanal (6) in seinem Ausmündungsabschnitt (14) parallel zur Achse des Radiallaufrades (5) verläuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Erzeugenden der Stauschulter (12) parallel zur Achse des Radiallaufrades (5) verlaufen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die radial innere Begrenzung der Stauschulter (12) als scharfe Kante (19.) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die Aussparung (11) an der Ausmündung (13) des Emulsionsauslaßkanals (6) axial breiter ist als an dem der Stauschulter (12) abgewandten Beginn (15) der Aussparung (11) und zwischen der Ausmündung (13) und dem Beginn (15) der Aussparung (11) an der einen Aussparungsseite von einer schräg zur Drehebene des Radiallaufrades (5) verlaufenden Begrenzungsfläche (16) begrenzt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher der Teilsektor (17) über einen Mittelpunktswinkel des Radiallaufrades (5) von wenigstens annähernd 60° hin verläuft.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Saugkammer (7) koaxial zu dem Radiallaufrad (5) angeordnet und rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Saugkammer (7) zylindrisch ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei welcher der Öleinlaßkanal (8) und der Rezirkulationseinlaßkanal (9) gleichsinnig tangential in die Saugkammer (7) einmünden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher die Wassereinspritzdüse (10) koaxial zu dem Radiallaufrad (5) ausgerichtet ist.
11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Liefern der Emulsion zu der Einspritzpumpe eines Dieselmotors.
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