DE4442435C2 - Vorrichtung zur Herstellung von Gemischen aus Gasen und Flüssigkeiten, insbesondere Luft und Brenn- oder Kraftstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Gemischen aus Gas und Flüssigkeiten, insbesondere Luft und Brenn- oder Kraftstoffen, mit einer von zwei an ihren engen Seiten in einer Kante verbundenen Kegel­ stümpfen gebildeten Lavaldüse im Ansaugrohr, die an die­ ser Kante von einem stromlinienförmig sich verjüngenden, axial verschiebbaren Körper in ihrer Öffnungsweite re­ gelbar ist, und einem unmittelbar in Strömungsrichtung hinter dieser Kante in die Wandung des unteren Kegelstum­ pfes eingelassenen koaxialen Ring aus porösem Material zur Zuführung eines fein verteilten Gemisches aus Gas und Flüssigkeiten in einen durch diese Lavaldüse geführ­ ten Hauptgasstrom aus einem um diesen Ring angeordneten Ringraum.

Solche Vorrichtungen eignen sich insbesondere als Verga­ ser von Brennkraftmaschinen, für Brennkammern insbeson­ dere von Turbinen, Heizungen oder für Raketenantriebe.

Eine derartige Vorrichtung ist in der deutschen Patent­ schrift 27 22 226 beschrieben, wobei für den Ring mikro­ poröses Material vorgeschlagen wird. Aus einem um diesen Ring liegenden Ringraum wird eine schon in gewissem Mas­ se in einem Teilgasstrom zerstäubte Flüssigkeit durch die Hohlräume des feinporigen Materials des Ringes durch den Unterdruck im Hauptgasstrom gesaugt, der hinter der als Abreißkante wirkenden Schnittebene zwischen den beiden Kegelstümpfen herrscht. Die innere Oberfläche des porö­ sen Materials soll eine große Niederschlags- und Verdun­ stungsfläche bzw. eine Prallfläche für die Flüssigkeit bieten, von der diese in feinsten Tröpfchen von dem mit hoher Geschwindigkeit durchgesaugten Teilgasstrom mitge­ rissen wird. Ein aus dem Ring austretender Kraft- bzw. Brennstoffnebel wird in dem Hauptgasstrom aus der Unter­ druckzone unter starker Wirbelung verteilt. Es soll da­ mit ein Gemisch erzielt werden, das gleichmäßig und voll­ ständig ohne Rückstände aus unverbranntem oder umgesetz­ ten Brenn- bzw. Kraftstoff abbrennt.

Nun hat gerade das für diesen Ring vorgeschlagene fein­ porige Sintermaterial den Nachteil, daß die Wege für das angesaugte Gemisch völlig undefiniert, eng und hindernis­ reich sind, so daß der Durchfluß verzögert oder aber stel­ lenweise blockiert wird, insbesondere, wenn das Ausgangs­ material für die Versinterung kantenreiche Körner waren. Auch ergab sich eine ungleiche Verteilung des Durchgangs durch den Ring und damit in den Hauptgasstrom. Anderer­ seits bedurfte es eines großen Energieaufwandes, der vom Sog des Hauptgasstromes nicht ausreichend gedeckt werden kann. Entscheidend ist aber, daß sowohl bei Verbrennungs­ anlagen als auch bei Motoren die Größe der Tröpfchen ge­ nau bestimmt sein muß. Bei Heizanlagen soll eine blaue Flamme entstehen, d. h. ohne Mitführung unverbrannter gelb­ glühender Teilchen. Bei Brennkraftmaschinen dürfen die Tröpfchen nur so groß sein, daß sie völlig verbrannt sind, bevor sie die Brennkammer- oder die Zylinderwand benetzen können, andererseits aber, was die Gefahr bei zu feinem Nebel wäre, nicht schlagartig abbrennen.

Aufgabe der Erfindung ist daher bei Aufbereitung des Brenn­ bzw. Kraftstoffes die genaue Regelung der Tröpfchengröße durch die Struktur des porösen Ringes.

Um dies zu erreichen, konnte es nicht nur auf die Ausge­ staltung des Ringes ankommen, sondern auch bereits auf die Aufbereitung des Gemisches vor dessen Eintritt in diesem.

Die in der eingangs zitierten Patentschrift vorgeschla­ gene einseitige Zuführung der Gemischkomponenten ist un­ günstig, da sie vor Umströmen des gesamten Ringes be­ reits abgesaugt werden, was zu ungleichmäßiger Verteilung im Hauptgasstrom führt. Zudem können Stauungen bereits im Eingangsbereich vor dem Ring eintreten.

Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine gleichmäßige Zufuhr des Flüssigkeits-Gas-Gemisches über den gesamten Ringumfang zu erzielen, so daß die in ihrer Größe genau definierten Tröpfchen von allen Seiten in den Hauptgasstrom gefördert werden. Dies ist bei Brenn- und Kraftstoffen wohl am schwierigsten wie auch am wichtig­ sten. Sie gilt jedoch auch für andere zu mischende Kom­ ponenten.

Diese Aufgaben werden bei den eingangs genannten Vorrich­ tungen mit den in den Kennzeichnungsteilen der Ansprüche angegebenen Maßnahmen gelöst.

Durch die engste durch einfaches Rütteln der losen gleich­ großen Kugeln zu erzielenden Kugelpackung entstehen ste­ reometrisch genau definierte, in sich allseits zusammen­ hängende Räume. Der Strömungswiderstand der Wege durch diese Räume wird von der Kugelgröße bestimmt, so daß oh­ ne Schwierigkeit ermittelt werden kann, worauf es vor al­ lem anderen ankommt, welche Kugeldurchmesser für welche Anwendungen am besten geeignet sind. Zudem stellen die Kugeln mit ihrem günstigsten Verhältnis von Inhalt zu Oberfläche für diese Zwecke die strömungstechnisch geeignet­ sten Körper dar, zumal sie eine völlig glatte Oberfläche haben können.

Es hat sich gezeigt, daß Kugeln aus gut versinterbarem ertem Material, wie z. B. Bronze, sich bei Versintern de­ formieren und zusammenbacken und so Durchgangswege ver­ legen, was zu einer Unbestimmbarkeit der Tröpfchengröße führen muß. Zudem können die Oberflächen der Kugeln durch die Temperaturbehandlung eine rauhe strömungstechnisch ungünstige Oberflächenstruktur erhalten. Es ist daher zweckmäßig, vollständig glatte Kugel aus legiertem Stahl, wie z. B. Kugellager- oder Kugelschreiberkugeln zu verwen­ den, die unter Einsatz geeigneter Eutektektika versinter­ bar sind. Durch die Anordnung der Kugelkäfige, bei der sich die Kugeln nur mehr punktweise berühren und keine Verschweißungsplacken bilden, erhält man günstigste Strö­ mungsverhältnisse und die genaueste Bestimmbarkeit der Tröpfchenstruktur des zu erzeugenden Kraftstoffnabels.

Die Größe der Kugeln, aus der der Ring gebildet werden soll, bestimmt sich bei Brenn- und Kraftstoffen einer­ seits nach deren Viskosität, andererseits nach der Grö­ ße, insbesondere der Weite der Brennräume, d. h. je grö­ ßer die Entfernung, die die Tröpfchen in diesen Räumen während ihres Abbrennens zurücklegen, umso größer sollen demgemäß auch die Kugeln des Ringes und dementsprechend die Wege zwischen diesen weiter sein. Diese Durchmesser liegen für Brenn- bzw. Kraftstoffe bei entsprechenden Ringdurchmessern zwischen 0,5 und 7,5 mm und darüber hinaus, wobei die un­ teren Weiten für Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeu­ ge, die oberen für Großkraftwerke am geeignetsten sind.

Versuche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben Kraftstoffersparnisse von zum Teil erheblich über 10% gegenüber herkömmlichem Vergaserbetrieb mit Nullwerten von CO im Abgas ergeben. Bei Brennern wurde eine reine Blauflamme erhalten.

Es ist selbstverständlich möglich, daß zur besseren Auf­ bereitung der zu erzielenden Gas-Flüssigkeitsmischung entweder diese Medien selbst oder der Ring aufgeheizt werden. Es ist allerdings bei Kohlenwasserstoffen wegen deren Umsetzung oder Krackung unter Wärmeeinfluß die Ge­ fahr des allmählichen Zusetzens des Ringes nicht zu ver­ meiden. Es hat sich jedoch bei Versuchen gezeigt, daß ei­ ne Erwärmung solcher Medien überflüssig ist.

Was hier für Brenn- oder Kraftstoffe gilt, trifft auch für andere zu vermischende Medien in entsprechender Wei­ se zu, vor allem dann, wenn deren Viskosität und die Zeit, in der die Vermischung erfolgen soll, kritisch sind oder der Ablauf von Reaktionen von der Tröpfchengröße abhängig ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine erfin­ dungsgemäße Vorrichtung in Ebene I-I in Fig. 2;

Fig. 2 einen waagrechten Schnitt durch die gleiche Vorrichtung in Ebene II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten teilweisen Ausschnitt aus Fig. 1.

Das Ausführungsbeispiel ist eine Kraftstoffeinspritzvor­ richtung für eine Kraftfahrzeugbrennkraftmaschine. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist als Einlaßkanal 1 für das angesaugte Kraftstoff-Luft-Gemisch eine Lavaldüse auf, das aus zwei koaxialen mit ihren engen Enden auf­ einanderstehenden Kegelstümpfen 2 und 3 besteht. Die Öffnung 4 der Schnittebene 5 der beiden Kegelstümpfe 2 und 3 kann durch einen mit einem Hebelmechanismus in Richtung des Doppelpfeiles 6 verschiebbaren Regelkörper 7 ringförmig verändert werden. Fig. 1 und 2 zeigen die Öffnung 4 in verschlossenem Zustand. Die Schnittebene 5 bildet für die durch den Einlaßkanal 1 verlaufende Strö­ mung der Frischluft eine Abreißkante, hinter der je nach Strömungsgeschwindigkeit ein starker Sog und eine entspre­ chende Verwirbelung eintritt.

Unmittelbar unter der Schnittebene 5 liegt in der Wand des unteren Kegelstumpfes 3 ein Ring 8, dessen nach dem Inneren des Kegelstumpfes 3 weisende Oberfläche mit der dieses Kegelstumpfes 3 fluchtet. Der Ring 8 besteht aus einem Kugelkäfig 9, der mit Kugeln 19 aus legiertem Stahl in engster Packung vollständig gefüllt ist. Diese Packung der Kugeln 10 ist bei Verfüllen des Kugelkäfigs 9 durch einfaches Rütteln zu erzielen (Fig. 3).

Um den Ring 8 ist ein koaxialer Ringraum 11 angeordnet, in welchem dem Ring 8 ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in seinem gesamten Umfang gleichmäßig zugeführt werden kann. Der Kraftstoff wird über eine radial in den Ring­ raum 11 mündende Zuleitung 12, geregelt durch ein Magnet­ ventil 13, eingespritzt. In diese Zuleitung 12 tritt durch eine ovale Öffnung 14 von unten Luft aus einem Bypass 15 des Hauptluftstromes ein. Um das in der Zuleitung 12 sich hinter dem Magnetventil 13 bildende bereits verwirbelte Kraftstoff-Luft-Gemisch gleichmäßig über den Ringraum 11 auf die Außenseite des Ringes 8 zu verteilen, ist zwischen dem Ring 8 und der ovalen Öffnung 14 mittig in dem zuströ­ menden Gemisch ein Strömungsteiler 16 vorgesehen, um die Strömung von beiden Seiten um den Ring 8 zu leiten, so daß dieser im wesentlichen von ihr gleichmäßig beaufschlagt wird.

Durch den im unteren Kegelstumpf 3 hinter der Abreißkante an der Schnittebene 5 entstehende Unterdruck in der Strö­ mung der Frischluft wird das in dem Ringraum 11 eingetre­ tene Gemisch durch die Wege zwischen den Kugeln 10 durch­ gerissen. Durch den Aufprall auf den Kugelflächen, den Niederschlag und die sofortige Wiederverdunstung entsteht je nach Wahl der Kugeldurchmesser ein in seiner Tröpfchen­ größe einstellbarer Kraftstoffnebel, der sich über den ganzen Querschnitt des Frischluftstromes gleichmäßig ver­ teilt.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Gemischen aus Gasen und Flüssigkeiten
mit zwei eine von Gas durchströmbare Lavaledüse bilden­ den, in ihren engsten Querschnitten mit einer scharfen Abrißkante verbundenen Hohlkegeln,
mit einem porösem Ring in der Innenwandung der Lavaldü­ se unmittelbar stromab hinter der Abrißkante, über den ein dem Gas zuzumischendes Gemisch aus Gas und Flüssigkeit bzw. einem anderen Gas in die Gasströmung in der Lavaldüse zuführbar ist,
einem axialem Ringraum um den porösen Körper für die Zufuhr des Gas-Flüssigkeitsgemisches bzw. des an­ deren Gases zum porösen Ring, sowie einem rotations­ symmetrischen, zur Lavaldüse koaxialen beweglichen stromlinienförmigen Drosselkörper im engsten Quer­ schnitt der Lavaldüse,
dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Ring aus Kugeln (10) mit glatter Oberfläche in engster Packung gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln (10) in einem Kugelkäfig gefaßt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung (12) für die Flüssigkeit bzw. das Gas ein Magnetventil (13) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuleitung (12) für die Flüssigkeit bzw. das Gas in Strömungsrichtung hinter dem Magnetventil (13) die Zuleitung (15) für das Gas mündet.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (12) für die Flüssigkeit bzw. das Gas radial in den Ringraum (11) mündet und vor der Mündung der Zuleitung (12) ein Strömungsteiler (16) im Ringraum (11) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend einem größeren Durchsatz von Flüssigkeit Kugeln (10) größeren Durch­ messers vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entsprechend einer größe­ ren Viskosität der durchzusetzenden Flüssigkeit Kugeln (10) größeren Durchmessers vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Gemischbildner für Brenn- bzw. Kraftstoffe für Heizungsbrenner oder Kraftfahrzeuge vorgesehen ist.