DE69928552T2 - System und methode zur speisung von zerstäubten flüssigkeiten - Google Patents

System und methode zur speisung von zerstäubten flüssigkeiten

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    • Y02T10/16Energy recuperation from low temperature heat sources of the ICE to produce additional power

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Systeme und Verfahren, welche hierin beschrieben werden, beziehen sich auf Technologien zur Abgabe von Kraftstoff und insbesondere auf Systeme und Verfahren zum Zerstäuben von Kraftstoffen beim Verabreichen von zerstäubten Kraftstoffen in eine Verbrennungszone.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Technologien zum Zerstäuben von Flüssigkeiten und Materialien sind für eine Anzahl von Industriezweigen und eine große Anzahl von Anwendungen von Bedeutung. Eine besondere Anwendung ist die Zuführung von brennbaren Kraftstoffen in funkengezündete Verbrennungsmotoren. Für diese Anwendung ist es wünschenswert, die Größe der resultierenden Tröpfchen zu minimieren oder eine Verdampfung des Kraftstoffs zu erreichen. In Kraftstoffverabreichungssystemen ist es selbstverständlich, dass die reduzierte Tropfengröße zu einem besseren Verbrennungseffekt führt, was wiederum zu einem geringeren Verlust und zu einer verbesserten ökologischen Verbrennungsleistung führt.
  • Eine verbreitete Technik zum Zerstäuben von flüssigem Kraftstoff ist die Anwendung eines Ansauggasflusses, um die Flüssigkeit in Tröpfchen aufzuspalten. Diese Technik wird in Vergasern eingesetzt, welche immer noch das vorherrschende Kraftstoffverabreichungssystem unserer Zeit für kleine Verbrennungsmotoren ist. Obwohl diese Ansaugsysteme brauchbare Ergebnisse für kleine benzingetriebene, funkengezündete Verbrennungsmaschinen sind, ist die Größe der während der Zerstäubung hergestellten Tröpfchen immer noch relativ groß und weniger optimal für viele Kraftstoffe und anspruchsvollere Anwendungen. Verbesserungen und Modifikationen, welche durch den Einsatz von Ansaugtechniken zu einer Elimination oder Reduzierung der Größe der Tropfen vorgesehen ist, wurde vorgeschlagen, wie z. B. die Rasterung und der Stromrückfluss, jedoch führen diese Modifikationen auch zu einer Reduktion des Ausstoßes und führen zu Verschwendungsproblemen. Zudem zeigt keine dieser Verbesserungen eine Lösung für ein weiteres Problem der Ansaugtechnik auf, welches darin besteht, dass das angesaugte Gas, typischerweise Luft, den zu verabreichenden Kraftstoff verdünnt, so dass die Konzentration des verabreichten Kraftstoffs und die Effizienz der darauf folgenden Verbrennungen vermindert wird.
  • Angesichts dieser Probleme ist eine erhebliche Anzahl von Forschungsergebnissen in die Richtung gegangen, Techniken zu entwickeln, welche eine verbesserte Zerstäubung von flüssigen Kraftstoffen zur Folge hat, ohne die Erfordernis eines angesaugten Gases. Zum Beispiel sind Ultraschall oder elektrostatische Zerstäubungsvorrichtungen entwickelt und eingeführt worden, um eine weitere Reduktion der Tröpfchengröße zu erreichen und um die Notwendigkeit eines ansaugenden Gasstromes zu eliminieren oder zu reduzieren.
  • Jedoch sind die Ergebnisse, welche mit solchen Systemen erreicht wurden gemischt und häufig verfehlen diese das Ziel eine gewünschte hohe Tröpfchengeschwindigkeit zu erreichen. Eine Verdampfung durch Hitze wurde ebenfalls eingesetzt, jedoch ergeben diese Techniken Probleme in der Destillation und Probleme, wie z. B. Luftzerlegung, Aufbau von Rückständen und Zerlegung.
  • Die erfolgreichste Alternative zum Vergaser war die Kraftstoffeinspritzung. Kraftstoffeinspritzungsmittel erzielen, obwohl sie komplizierter und teurer sind, die proportionale Kraftstoffdosierung mit elektrischer Dosierungssteuerung. Automobilmotoren in den Vereinigten Staaten verwenden zwei grundlegende Typen der Kraftstoffeinspritzung: 1) Drosselklappeneinspritzung in den gesamten Motor und 2) Saugrohrkraftstoffeinspritzung für jeden einzelnen Zylinder. Die grundlegenden Vorzüge der Kraftstoffeinspritzungen liegen in einer verbesserten spezifischen Leistungsabgabe (weniger Kraftstoffverbrauch pro erzeugter Leistungseinheit) und einer wesentlich besseren Integration in die Motorsteuereinheit; dies führt zu niedrigeren Abgaswerten durch eine verbesserte Steuerung einer Vielzahl von Umweltgegebenheiten und Betriebszuständen. Die Steuereinheit kann dadurch komplexere und effizientere Steueralgorithmen einsetzen, unter Einsatz von mehr Sensoren, um die optimale Einstellung für die einfacher Steuerung (Zeitpunkt und Dauer) der Kraftstoffeinspritzung zu bestimmen, mit der eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und eine Reduktion der Abgasemissionen einhergeht. Dementsprechend erlaubt die Kraftstoffeinspritzung den Einsatz rechnergestützter Steuerungssysteme, um die Leistungsfähigkeit zu optimieren.
  • DE-A-284 35 34 offenbart einen Prozess zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor, worin komprimierter Kraftstoff durch ein Drosselrohr gepresst wird, welches am vorderen Ende Zerstäubungsdüsen aufweist. Der zu zerstäubende Kraftstoff wird stromaufwärts oberhalb der Düse erhitzt. Jedoch ist die Effizienz der Kraftstoffeinspritzung durch die Größe der Tropfen, welche von dem Einspritzzerstäuber erzeugt werden, begrenzt. In den letzten Jahren hat es eine wachsende Anzahl von Untersuchungen und fortgeschrittenen Konstruktionen an dem mechanischen Aufbau von Kraftstoffeinspritzungen gegeben, um ihre Zerstäubungseigenschaften zu verbessern, und ihre elektrische Steuerbarkeit, welcher ihr größter Vorteil ist, beizubehalten. Zum Beispiel wurde extensiv mit druckluftgetriebenen Zerstäubern, Feinstzerspanung von Einspritzungsdüsen, der Einsatz von mehreren Wirbelflusseffekten und anderen Ansätzen erforscht und experimentiert. Obwohl signifikante Verbesserungen zu verzeichnen waren, bestehen weiterhin einige Hürden. Zum Beispiel sind die Zerstäubungseigenschaften heutiger Kraftstoffzerstäuber weiterhin nicht immer dazu geeignet, Kraftstoffe von mit niedrigem Dampfdruck, auch bekannt als schwere Kraftstoffe, wie z. B. Kerosin, zu zerstäuben. Die aktuellen neuen Einspritzkonstruktionen und -prozesse erlauben nicht die sehr feine Zerstäubung und die daraus folgende Verdampfung, welche zum erfolgreichen Einsatz von funkengezündeten Verbrennungsmaschinen mit schweren Kraftstoffen erforderlich ist. Die Literaturrecherche ergibt, dass ein Forscher einen kleinen funkengezündeten Verbrennungsmotor mit einer groben, aber leistungsfähigen Kerosinverdampfungseinheit kalt gestartet hat, jedoch ist diese Technologie weder gut steuerbar, noch als kompakter Kraftstoffeinspritzer zu verwenden. Es ist nicht eindeutig, ob dieses System ein mageres Gemisch herstellen kann, welches zuverlässig und kontrollierbar bei hohen Kompressionsraten, welche für heutige Effizienzanforderungen benötigt werden. Der Anlass, welcher durch anderer Forscher aufgegriffen worden ist, war die direkte Einspritzung schwerer Kraftstoffe in den Motorzylinder. Es ist jedoch nicht klar, ob diese Anstrengungen zur direkten, verdampften Einspritzung von Kraftstoffen im Umkehrschluss das Problem des Kaltstarts und des einwandfreien Motorlaufs eines kerosinbetriebenen, funkengezündeten Verbrennungsmotors unter den Bedingungen von niedrigen Umgebungstemperaturen erreichen. Ferner hat der Stand der Forschung zur Benutzung schwerer Kraftstoffe für den Einsatz in funkengezündeten Verbrennungsmotoren gezeigt, dass die existierenden Techniken bei Verabreichung von Kraftstoff für eine effektive Zündung versagen, wegen des Verbleibens von flüssigem Kraftstoff im Motor und dem eventuellen Verschmutzen der Zündkerzen.
  • Dementsprechend gibt es nach dem Stand der Technik die Notwendigkeit ein Kraftstoffverabreichungssystem, welches eine verbesserte Verdampfungsfähigkeit liefert, um die Verabreichung von konventionellen flüssigen Kraftstoffen mit niedrigerem Dampfdruck zu ermöglichen und welches eingebaut und entwickelt werden kann, sowohl als direktes (in Zylinder) oder indirektes (in das Ansaugrohr/Drosselkörper) Kraftstoffeinspritzemittel.
  • Es ist ferner wünschenswert ein Kraftstoffverabreichungssystem aufzuzeigen, welches eine zerstäube Menge an Kraftstoff mit hinreichend kleiner Tropfengröße aufweist, um das seit langem bestehende Problem des Kaltstart beim Einsatz von komprimierten Kraftstoffen mit niedrigem Dampfdruck zum Antreiben von leichtgewichtigen, mit schwerem Kraftstoff befeuerten, funkengezündeten Verbrennungsmaschinen zu ermöglichen.
  • Die vorliegende Erfindung sieht einen Prozess zum Bilden eines verbrennbaren Gemisches vor, bestehend aus den Schritten:
    Aufweisen einer Drossel mit einem Eingangsstutzen und einen Ausgangstutzen und einer Verbindung zwischen diesen,
    Verabreichung eines Kraftstoffes zu dem Eingangstutzen der Drossel mit einem Druck, welcher im Wesentlichen nahe oder über dem überkritischen Druck des Kraftstoff ist,
    Leitung des komprimierten Kraftstoffs durch einen Durchgang der Drossel und Erhitzen des komprimierten Kraftstoffes bei der Durchleitung durch die Drossel auf einer Temperatur, welche unter oder im überkritischen Bereich des Kraftstoffes liegt, wobei der Kraftstoff, welcher die Drossel verlässt, als ein zerstäubtes Spray ausgestoßen wird und dieses zerstäubte Spray in den einen Luftstrom leitenden oder einer andere Form von Sauerstoff führenden Luftansaugstutzen eingeführt wird, oder direkt in die Verbrennungskammer mit der Sauerstoffquelle in Form eines Verbrennungsgemischs eingespritzt wird.
  • Das Systeme und die Verfahren, welche hierin beschrieben werden, schließen Kraftstoffzerstäuber ein, welche es unter anderem ermöglichen, flüssige Kraftstoffe wie Gase zu verbrennen. Spezifischer ausgedrückt, führt das hierin beschriebene System Kraftstoffzerstäuber/Einspritzer auf, welche zur Benutzung von schwerem Kraftstoff zum Antrieb kleiner, leichtgewichtiger, funkengezündeter typischerweise Benzin verbrennender Maschinen mit niedrigem Kompressionsverhältnis geeignet ist. Es wird davon ausgegangen, dass die hierin beschriebenen Kraftstoffeinspritzsysteme einen Sprühnebel von feinen Tröpfchen aus einer Flüssigkeit oder einem flüssigkeitsähnlichen Kraftstoff herstellen, indem sie den Kraftstoff in die Nähe der superkritischen Temperatur bringen und den Kraftstoff in der Region niedrigen Drucks auf dem Gasstabilitätsfeid im Phasendiagramm dieser Kraftstoffe bringen. Es wird davon ausgegangen, dass dieses Freitassen in eine Region niedrigen Drucks (relativ zu dem superkritischen Druckbereich des Kraftstoffs) ein feines Zerstäuben oder Verdampfen des Kraftstoffs auslöst. Abhängig von der Anwendung können Gase, wie Sauerstoff oder Luft in die Dispersion eingeführt oder dieser zugeführt werden, um die Verbrennung zu vereinfachen.
  • In einer Anwendung wird der Kraftstoff im Wesentlichen bei Umgebungstemperatur der Drossel zugeführt. Um die Temperatur des Kraftstoffs zu erhöhen, kann das distale Ende der Drossel erhitzt werden, so dass der Kraftstoff, welcher durch das distale Ende geführt wird, auf eine Temperatur innerhalb des kritischen Bereichs des Kraftstoffs erhitzt wird. An diesem Ende kann der Schritt zum Vorsehen einer Drossel den Schritt des Vorsehens einer Drossel mit einem distalen Ende, welches mit einem Heizelement verbunden ist, einschließen, wobei der Betrieb des Heizelements die Temperatur des durchfließenden Kraftstoffs zum Ende der Drossel hin erhöht.
  • In einer weiteren Ausführung wird der Vorgang des Vorsehens einer Kraftstoffquelle den Vorgang des Einführens einer ersten und zweiten Kraftstoffquelle, welche jeweils in einem Druckbereich in der Nähe des superkritischen Bereichs des jeweiligen Kraftstoffs sind, und welcher den ersten und zweiten Kraftstoff durch die Drossel durchführen, veranschaulicht. In dieser Ausführung kann der Vorgang das Vorsehen erster und zweiter Kraftstoffquellen das Vorsehen einer ersten Kraftstoffquelle mit einem Kraftstoff, welcher als Starterkraftstoff benutzt wird, und das Vorsehen einer zweiten Kraftstoffquelle, deren Kraftstoff als hauptsächlicher Betriebskraftstoff eingesetzt wird, ersehen werden. Die Kraftstoffe können miteinander gemischt werden und der gemischte Kraftstoff kann durch die Drossel hindurchgeführt werden. Alternativ kann die Auswahl zwischen den Kraftstoffen auch sequenziell erfolgen, was auch die Ablieferung eines ersten Kraftstoffs und darauf eines zweiten oder dritten Kraftstoffs einschließt. Weitere Ausführungen ermöglichen auch den stufenweisen Übergang zwischen verschiedenen Kraftstoffen, z. B. durch den stufenweisen Übergang zwischen einem ersten Kraftstoff und einen zweiten Kraftstoff, mit einem zwischenzeitlichen Auftreten eines Kraftstoffgemischs während der Verabreichung. Durch den Fachmann kann eingeschätzt werden, dass Kraftstoffe ebenfalls in dem superkritischen Zustand gemischt werden können, sowie, dass Flüssigkeiten in einem superkritischen Zustand wesentlich effektiver sind als Flüssigkeiten in anderen Zuständen. Entsprechend kann das System ein Flüssigkeitsverabreichungssystem vorsehen, welches kompatible oder nicht kompatible Chemikalien kurz vor dem Einführen in die Drossel mischt, so dass die Zeit zwischen dem Mischen und dem Zerstäuben minimiert ist.
  • In einer weiteren Ausführung kann der Prozess den Vorgang des Vorerhitzens des Kraftstoffs, welcher durch die Drossel hindurchgeführt wird, einschließen. An diesem Ende kann der Prozess einen Vorwärmer zum Erhitzen eines abgetrennten Anteils an Kraftstoff und das Einführen das vorgewärmten Anteils des Kraftstoffs in die Drossel zur Verabreichung in einem Verbrennungsmotor einschließen. In einer Ausführungsform schließt das System einen Abwärmekollektor ein, so dass die Vorrichtung Abwärme, welche von dem Verbrennungsmotor erzeugt wird, zum Erhitzen des Kraftstoffs, welcher durch die Drossel geführt wird, eingesetzt werden kann.
  • Die Erfindung weist ferner ein Kraftstoffverabreichungssystem auf, zum Verabreichen eines zerstäubten Kraftstoffnebels in eine Verbrennungszone ein, welche folgendes aufweist:
    Eine Kraftstoffpumpe in flüssigkeitsführender Verbindung mit einer Kraftstoffquelle und der Fähigkeit Kraftstoff mit einem Druck im superkritischen Bereich des Kraftstoff zu verabreichen,
    Ein Drosselrohr, welches einen Einlass in flüssigkeitsführender Verbindung mit einer Kraftstoffpumpe hat und einen Auslass, welche dazu geeignet ist, Kraftstoff von dem Einlass zu dem Auslass und in die Verbrennungskammer zu führen, und
    Einen Erhitzer, welcher mit dem Drosselrohr verbunden ist und dazu fähig ist das Drosselrohr zum Erhöhen der Kraftstofftemperatur auf eine Temperatur innerhalb des superkritischen Bereich des Kraftstoffs zu erhitzen, wobei der Kraftstoff der durch das Drosselrohr auf eine Temperatur nahe dem oder innerhalb des superkritischen Bereichs des Kraftstoffs ist, zum Bilden eines zerstäubten Sprays, welches zu dem Auslass hin, und mit einem sauerstoffführenden Gas vermischt in die Verbrennungskammer ausgestoßen wird.
  • Die Drosseln können als eine Röhre aus elektrischem Widerstandsmaterial gebildet sein und das Heizelement kann als Quelle ein elektrisches Element enthalten, welches mit der Röhre zur Verabreichung von Kraftstoff verbunden ist. Eine thermische Steuereinheit soll das Heizelement bedienen, um die Temperatur des durch die Drossel fließenden Kraftstoffes zu regulieren und, wie bereits oben erwähnt wurde, die Auswahl der mittleren Tröpfchengröße der Tropfen innerhalb des zerstäubten Sprays zu treffen. In einigen Ausführungsformen soll das Kraftstoffverabreichungssystem eine Vielzahl von Kraftstoffen durch die Drossel führen und an diesem Ende einen Mischer zum Mischen von Kraftstoffen aus einer Vielzahl von Kraftstoffquellen, als auch einen Satz von steuerbaren Ventilen zur sequenziellen Steuerung der durch die Drossel durchfließenden Kraftstoffe vorsehen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der hierin beschriebenen Systeme wird der Kraftstoff durch einen Vorwämer zum Erhitzen des durch die Drossel geführten Kraftstoffs geführt. Auf diese Weise ist die Drossel mit einer Quelle vorgewärmtem Kraftstoffs verbunden, wobei die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des durch die Drossel hindurchgeführten Kraftstoffs und der Temperatur, auf welchen der Kraftstoff gebracht wird, bevor der Kraftstoff nahe oder in den superkritischen Temperaturbereich gebracht wird, verkleinert wird.
  • In einer Ausführungsform schließt das System einen Vorwämer ein, so dass die Vorrichtung ein Abwärmesammelsystem aufweist, welches Wärme von der Verbrennungskammer aufnimmt, um dem Vorwämer das Erhitzendes Kraftstoffs, welcher durch die Drossel geführt wird, zu erlauben. Andere Vorwärmsysteme, einschließlich elektrischer oder mit einer Flamme betriebener Vorwämer, können eingesetzt werden.
  • In einem weiteren Aspekt kann die Erfindung als ein Verfahren zur Bildung eines Verbrennungsgemischs verstanden werden. Der Prozess umfasst folgendes, eine Drossel, welche einen Einlass und einen Auslass und einen Durchgang zwischen diesen aufweist, zum Verabreichen von Kraftstoff zu einem Drosseleinlass mit einem Druck, welcher im Wesentlichen beim oder in der Nähe des superkritischen Drucks des Kraftstoff ist, das Hindurchführen des komprimierten Kraftstoffs durch den Durchgang der Drossel, die Erhitzung des komprimierten Kraftstoffs, welcher durch die Drossel hindurchgeführt wird auf eine Temperatur, welche dazu ausreichend ist ein zerstäubtes Spray an dem Auslass zu erzeugen und das Einspritzen des zerstäubten Sprays in einen, einen Luftstrom führenden, Lufteinlassstutzen. In einer Ausführung dieses Verfahrens kann der Kraftstoff, welcher durch eine Drossel geführt wird, abgemessen werden, was zur Steuerung des Verhältnisses zwischen Kraftstoff und Luft, welche durch den Eingangsstutzen geführt werden, geeignet ist. Ferner soll die Temperatur des komprimierten Kraftstoffs, welcher durch die Drossel geführt wird gesteuert werden, um eine Eigenschaft des zerstäubten Sprays, repräsentiert durch die mittlere Tropfengröße des Materials in dem zerstäubten Spray, zu steuern. Das zerstäubte Spray kann an eine Verbrennungskammer eines Motors, an die Verbrennungskammer eines Brenners oder jede andere geeignete Brennkammer weitergegeben werden. Die Kraftstoffe, welche durch die Drossel geführt werden, können Kraftstoffe sein, welche solcher mit geringen Fließeigenschaften, wie z. B. Kraftstoffe der Gruppe der Kerosine einschließen.
  • Andere Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung einiger illustrierte Ausführungsformen anschaulicher dargestellt.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • Die folgenden Darstellungen veranschaulichen ausgewählte illustrierte Ausführungsformen der Erfindung, wobei sich die Bezugszeichen auf die entsprechenden Elemente der Ausführungsformen beziehen.
  • Die hier dargestellten Ausführungsformen sollen als Illustration der Erfindung aufgefasst werden und diese in keiner Weise begrenzen.
  • 1 stellt ein funktionales Blockdiagramm eines Kraftstoffverabreichungssystems mit einer Drossel zu Ermöglichung einer schnellen Ausdehnung des in des Verbrennungszone verabreichten Kraftstoffes dar;
  • 2 stellt ein funktionales Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform der Erfindung dar;
  • 3 stellt einer Versuchsanordnung einschließlich einer Zerstäubungskammer und einem konventionellen Kraftstoffeinspritzer dar; und
  • 4-6 stellt eine Versuchsanordnung nach 3 mit einem Kraftstoffverabreichungssystem nach dieser Erfindung, dar.
  • Detaillierte Beschreibung der illustrierten Ausführungsformen
  • Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren weisen ein Kraftstoffverabreichungssystem auf, welches die Nutzung von konventionellen, als auch von schweren Kraftstoffen (ebenfalls bekannt als Kraftstoffe mit niedrigem Dampfdruck), für kleine, funkengezündete Verbrennungsmotoren, ermöglichen. Das hierin beschriebene Kraftstoffverabreichungssystem, weist eine größere Zerstäubung oder Vernebelung von Kraftstoffen niedrigen Dampfdrucks und anderen, traditionell in kleinen Verbrennungsmaschinen eingesetzten Kraftstoffen, wie z. B. Benzin, auf, was durch folgende Maßnahmen erreicht wird, durch die Erhitzung und Komprimierung von Kraftstoff bis zur einer superkritischen oder nahezu superkritischen Kondition und durch das Einführen des Kraftstoffs in eine Verbrennungskammer mit relativ niedriger Kompression eines Verbrennungsmotors, und durch die schnelle Expansion des Kraftstoffs, welches so aufgefasst werden soll, dass die Oberflächenspannung der Kraftstoffe niedrigen Dampfdrucks überwunden werden soll, um einem Nebel aus zerstäubten, winzig kleinen Tropfen zu erhalten.
  • Die Systeme und Verfahren nach dieser Erfindung werden nun mit Bezug auf gewisse Darstellungen der Ausführungsformen erklärt und insbesondere auf gewisse illustrierte Ausführungsformen, welche Kraftstoffeinspritzsysteme zum Verabreichen von Kraftstoffen in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors darstellen, bezogen. Jedoch soll die Erfindung nicht auf die beschriebenen und hierin dargestellte Ausführungsform begrenzt sein, sondern vielmehr soll davon ausgegangen werden, dass die Erfindung viele alternative Systeme und Prozesse ausführen kann, welche erhitzte und komprimierte Kraftstoffe im Gebiet relativ niedrigem Drucks, um die Zerstäubung von Kraftstoff zu erreichen und dass solche Einspritzsysteme zum Verabreichen von Kraftstoffen an Brenner, offenen Flammen oder anderer Verbrennungszonen einschließen.
  • 1 ist ein funktionales Blockdiagramm, welches ein Kraftstoffverabreichungssystem 10 zum Verabreichen eines zerstäubten Sprays flüssigen Kraftstoffs, wie z. B. Benzin oder Kerosin in eine Verbrennungszone eines Verbrennungsmotors darstellt. Das in 1 dargestellte System schließt eine Kraftstoffzuführung 12, eine Pumpe 14, einen optionalen Filter 16, ein Ventil 18, einen optionalen Vorwärmer 20, eine Drossel 22 und ein Heizelement 24 ein. Wie in 1 dargestellt ist, sind die Komponenten so angeordnet, dass der Kraftstoff von der Zuführung 12 durch den Filter 16 und das Ventil 18 gepumpt wird. Das Ventil 18 kann der sich im Zylinderkopf 26 eines Motors befindlichen Drossel 22 wahlweise Kraftstoffe zuführen, und ein zerstäubtes Kraftstoffspray 28 in die Verbrennungszone des Motorzylinders einführen. Die Pumpe 14, dargestellt in 1, soll eine Hochdruckpumpe sein, welche in der Lage ist, dem Ventil 18 Kraftstoff zuzuführen, welcher sich bis zu oder innerhalb eines superkritischen Bereichs dieses Kraftstoffs befindet. Das Ventil 18 ist in einer Ausführungsform mit dem Zünd/Drehzyklus der Verbrennungsmaschine periodisch geöffnet und gibt komprimierten Kraftstoff durch die Drossel 22 frei. Der ausgestoßene Kraftstoff durchläuft die Drossel 22, in deren distalen Ende der Kraftstoff auf eine Temperaturen nahe oder innerhalb des superkritischen Bereichs dieses Kraftstoffs erhitzt wird. Der erhitzte und komprimierte Kraftstoff verlässt das distale Ende der Drossel 22 als ein zerstäubtes Spray 28. Es wird davon ausgegangen, dass der Kraftstoff in den Zylinderkopf 26 eingespritzt wird, wobei hier ein genügend niedriger Umgebungsdruck vorhanden ist, so dass der erhitzte und komprimierte Kraftstoff schnell expandieren kann. Die schnelle Expansion resultiert aus der Bildung winzig kleiner Partikel, welche innerhalb des Motorzylinders verbrannt werden sollen. Die Bildung kleiner, monodisperser Partikel durch die schnelle Expansion superkritischer oder nahezu superkritischer Lösungen wurden nach dem Stand der Technik, z. B. in Tom et al. Particle Formation with Supercritical Fluids – A Review, J. Aerosol Sci., 22, 1991 (p.555) diskutiert.
  • Spezifischer ist in 1 ein Kraftstoffverabreichungssystem dargestellt, welches Kraftstoff von der Kraftstoffzuführung 12 zur Verabreichung in den Zylinder des Verbrennungsmotors zuführt. Der Kraftstoff kann folgende Kraftstoffe niedrigen Dampfdrucks, wie z. B. Kerosin, Flugzeugbenzin 8, konventionelle Kraftstoffe, wie z. B. Benzin oder Propan, oder jeder anderen geeigneten Kraftstoff, einschließlich jedes geeigneten festen Kraftstoffes, welcher diesem hier beschrieben System zugefügt werden kann, einschließen.
  • Es wird davon ausgegangen, dass eine größere Zerstäubung oder Vergasung, welche dadurch erreicht wird, dass Flüssigkeiten nahe oder oberhalb ihrer superkritischen Temperatur verabreicht werden, eine größere Auswahl von Kraftstoffen zur Befeuerung von funkengezündeten Verbrennungsmaschinen erlaubt. Zum Beispiel kann das bereits erwähnte Flugzeugbenzin 8 in jedem beschriebenen System z. B. für die Benutzung in einer funkengezündeten Verbrennungsmaschine zur Zerstäubung eingesetzt werden. Es wird davon ausgegangen, dass anderer Materialien oder eine Kombination von Materialien damit nun als Kraftstoffe in Frage kommen.
  • In Hinblick auf die Auswahl von Kraftstoffen für die Benutzung in einem hierin beschriebenen System wird davon ausgegangen, dass, obwohl der flüssige Kraftstoff keinen hohen Dampfdruck aufweisen muss, ebenfalls Flüssigkeiten mit einem hohen Dampfdruck gut oder besser verarbeitet werden können als Kraftstoffe in Form von Flüssigkeiten von geringem Dampfdruck. Es wird ferner davon ausgegangen, dass der hierin beschriebenen Prozess die meisten oder nahezu alle flüssigen Kraftstoffe zerstäuben kann, und dass diese flüssigen Kraftstoffe oder Lösungen aus einer Mischung verschiedener Komponenten bestehen. Als Flüssigkeiten mit einer niedrigen superkritischen Temperatur sollen solche verstanden sein, welche einen niedrigen Energieeinsatz zum Erreichen eines effektiven Zerstäubungsniveaus benötigen. Des Weiteren sollen unstabile Flüssigkeiten, wie Flüssigkeiten im superkritischen Temperaturpunkt in einem Druckzylinder oder bei einer geringen Temperatur mit anderen Flüssigkeiten kombiniert werden können. Zum Beispiel gibt es eine primäre Flüssigkeit, welche bei Umgebungsdruck stabil ist, und welche in einen geeigneten Kompressionscontainer eingeführt wird, daraufhin wird eine zweite (oder Haupt)-Flüssigkeit eingeführt, welche in die primäre Flüssigkeit, mit welche sie mischbar ist, eindringt. Die Hauptflüssigkeit soll eine geringere superkritischen Temperatur haben und die Kombination (der beiden) zielt auf eine gewünschte Verringerung der Maximaltemperatur, welche den gewünschten Grad von Zerstäubung erzielt werden soll. Durch die Formung der Lösung mit einer hochkonzentrierten Primärlösung wird der größte Anteil dieser Lösung aus der resultierenden geringer konzentrierten Lösung aus dem zweiten oder zusätzlichen Lösungsteilnehmern gebildet sein. Grundsätzlich gilt, dass je höher das Verhältnis zwischen den gegebenen Komponenten in einer gegebenen Lösung ist, desto eher verhalten sich die Lösungseigenschaften wie diese Komponenten. Diese zusätzlichen Flüssigkeiten können als Hilfe für die Zerstäubung, Verdampfung oder Vergasung der Lösung eingesetzt werden. Das Auswählen einer finalen Lösungsmischung mit einer gewünschten superkritischen Temperatur soll zusätzlich das Auftreten der Lösungsaufspaltung oder Verunreinigungsreaktionen innerhalb des Zerstäubungsapparates verringern, und somit die Notwendigkeit des Erhitzens des Kraftstoffes vor der Freilassung in die Verbrennungszone vermindern. In einigen Fällen kann es auch notwendig sein, die Mischung vor der Freisetzung zu kühlen, so dass die chemische Stabilität und die Flüssigkeitsstabilität gewährleistet ist. Ein Fachmann auf dem Gebiet der superkritischen Flüssigkeitslösungen kann geeignete Kraftstoffmixturen bestimmen. Ein Druckgefäß mit einem Glasfenster oder optischen Glasfasern und einen Monitor erlaubt die visuelle Überwachungen der Mischbarkeit und der Flüssigkeitskompatibilität. Im Gegenzug können, wenn die Drossel oder anderer Durchführungen zu verstopfen drohen oder eine sich davon unterscheidenden Chemikalie nach der Zerstäubung festgestellt wurde, kommt es zu Inkompatibilitäten unter den gegebenen Bedingungen.
  • Es sei ferner angemerkt, dass in dem dargestellten System der Kraftstoff unterhalb der superkritischen Temperatur gehalten wird, bis dieser zu dem distalen Ende der Drossel 22 der Zerstäubung zugeführt wird. Dieses in dem Sinn verstanden, dass dadurch sowohl das Verabreichungssystems vereinfacht wird, als auch ungelöste Vorprodukte und Unreinheiten auf dem Gebiet der normalen Lösbarkeit vermieden werden und damit das Entwicklungspotenzial hin zu einer Steigerung der Lösung von Vorprodukten in dieser Lösung reduziert wird. Diese Löslichkeitssteigungen sind ein Resultat der Empfindlichkeit der Lösungsbindung eines überkritischen Lösungsmittels bezüglich des Umgebungsdrucks. Kleine Drucksteigerungen, welche sich mit dem Vorprodukt-Lösungsmittelssystem in den Zuführungsleitungen entwickeln können, können zu bedeutenden Änderungen in der Löslichkeit führen, wie in dem folgenden Beispiel verdeutlicht wird: Die Löslichkeit des Acridins in Kohlendioxyd bei 308K kann durch die Erhöhung des Druck von 75 ATM auf 85 ATM um das 1000-Fache erhöht werden. Solche Löslichkeitsänderungen sind möglicherweise schädlich, da diese Verunreinigungen, Reaktanten oder Materialien, welche so in den Kraftstofffluss gelangen, verursachen können, welche wiederum aus der Lösung ausfallen oder reagieren und die Kraftstoffleitungen und Filter verstopfen können.
  • In der Ausführungsform, welche in 1 bildlich dargestellt wird, wird die Kraftstoffversorgung durch einen Tank illustriert, und in einer Ausführungsform wird dieser als ein herkömmlicher Kraftstofftank dargestellt, wie er als Kraftstofftank für das auf Aufbewahren von Benzin für Verbrennungsmaschinen gebräuchlicher Weise eingesetzt wird. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kraftstoff entsprechend in einem konventionellen Kraftstofftank aufbewahrt, so dass der Kraftstoff generell die Umgebungstemperatur von 20 bis 25 Grad Celsius beim Umgebungsdruck von ungefähr 1 ATM annimmt. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass in anderen Ausführungsform und anderen Anwendungen, in denen der Kraftstoff bereits komprimiert worden ist, der Kraftstofftank dazu ausgelegt sein kann, dass er komprimierte oder erhitzte Kraftstoffe aufnimmt. Die Kraftstoffzuführung 12 soll mittels der Pumpe 14 über eine flüssigkeitsführende Verbindung verbunden sein, wie z. B. durch eine konventionelle Kraftstoffleitung aus dem Automobilbereich. Die Pumpe 14 soll eine Hochdruckkraftstoffpumpe von dem Typ sein, welcher im Allgemeinen bei GDI Einspritzmotoren benutzt wird, und ist in einer Ausführungsform als eine zweistufige Pumpenvorrichtung vorhanden.
  • Eine solche Pumpe wird durch die Firma Lucas-Vanity aus Troy, Michigan, USA hergestellt und vertrieben. Die Pumpe 14 soll den Kraftstoff auf einem Druck nahebei oder innerhalb des superkritischen Bereich des Kraftstoffes komprimieren: Die Pumpe 14 soll das Benzin auf einen Druck von ungefähr 2,07 bis 5,52 MPa (300-800 psi) komprimieren. Es wird davon ausgegangen, dass der kritische Druck und die kritische Temperatur für Benzin, Kerosin, Diesel oder andere Kraftstoffe im Großen und Ganzen aus deren Zusammensetzung von organischen Komponenten bestimmt werden kann, welche das Kraftstoffgemisch auszeichnen, wie z. B. Oktan. Der kritische Druck und die kritische Temperatur für diese Komponenten kann aus dem CRC Handbook of Chermistry and Physics entnommen werden. Zum Beispiel ist der kritischen Temperatur von N-Hexan welches als ein niedrige Benzinkomponente angenommen werden kann in dem CRC Handbook mit 231 Grad Celsius bei 31.1 ATM angegeben.
  • Obwohl die oben angegebene Kraftstoffpumpe 14 Kraftstoffe mit einem Druck angenähert zu oder in dem superkritischen Bereich komprimiert, wird davon ausgegangen, dass die Größe des Drucks, welche dazu notwendig ist, die gewünschte Kraftstoffzerstäubung in der Verbrennungszone zu erreichen, variieren kann, und dass in einigen Anwendungen der Kraftstoff mit relativ geringem Druck von 344 bis 684 kPa (50 bis 100 psi) durch die Drossel verabreicht werden kann, und an dem distalen Ende 10 erhitzt werden kann, um die effektive Zerstäubung zu erreichen. Solche Drücke können durch konventionelle Kraftstoffpumpe, wie sie üblicherweise in Automobilmotoren eingesetzt werden, erzielt werden.
  • Der optionale Filter 16 kann ein üblicher Filter, wie ein konventioneller Automobilkraftstofffilter sein, wie er üblicherweise zur Filterung von Verunreinigungen des Kraftstoffs eingesetzt wird, welche aus dem Tank angesaugt werden und an den Motor weitergegeben werden. Ein solcher Filter wird durch die Firma Bosch aus Stuttgart, Deutschland vertrieben, es kann aber jeder geeignete Filter innerhalb dieses hierin beschriebenen Systems verwendet werden, ohne von dem Kern der Erfindung abzuweichen.
  • In der dargestellten Ausführungsform schließt das System einen optionalen Vorwärmer 20 ein, welcher den Kraftstoff, der dem Ventil 18 verabreicht wird, vorheizt. Der optionale Vorwärmer 20 kann dazu dienen, die Temperatur des Kraftstoffes, welcher durch die Drossel 22 verabreicht wird, zu erhöhen, um damit den Kraftstoff auf eine Temperatur zu bringen, welcher der Temperatur angenähert ist, mit der er in die Verbrennungszone eingeführt wird. Der Vorwärmer 20 ist Teil des Kraftstoffverabreichungssystems, welches die Temperatur des Kraftstoffs steuert, um die gewünschte Zerstäubung des Kraftstoffs beim Ausstoßen in den Zylinder zu ermöglichen. Ein Fachmann auf diesem Gebiet wird davon ausgehen, dass bei Anwendung eines zu zerstäubenden Materials, welches in die Verbrennungszone mit einer Temperatur eingeführt werden soll, welche geringer ist als diese des zur Verfügung stehenden Kraftstoffes, der Vorwärmer und das als Element, welches hierin beschrieben worden ist, dann durch eine Vorrichtung ersetzt wird, welche die Temperatur des zu zerstäubenden Materials verringert.
  • Ferner stellt 1 dar, wie der Kraftstoff, der durch den optionalen Filter 16 hindurchgeführt wird, dem Ventil 18 verabreicht wird. In einer Ausführungsform ist das Ventil 18 ein Magnetventil, welches mit der Drehung des Pleuels in der Verbrennungsmaschine synchronisiert ist. Das Ventil 18 kann synchronisiert sein, um den Kraftstoff der Drossel 22 pulsierend zu verabreichen. Das Ventil 18 kann ein herkömmliches Magnetventil sein, wie es im Allgemeinen für die Hochdruckkraftstoffeinspritzung benutzt wird. Das Ventil wird sowohl für die Abmessungen des an den Druckzylinder zu verabreichenden Kraftstoffs eingesetzt, als auch zur Synchronisation der Einspritzung in dem Zündung/Drehungszyklus. Entsprechend führt das Ventil 18 komprimierten Kraftstoff pulsierend in die Drossel 22 zu bestimmten Zeitpunkten zu, welche so eingeteilt sind, dass der Kraftstoff zu den gewünschten Zeiten des Verbrennungszyklus in den Verbrennungszylinder verabreicht wird. Das Ventil 18 zur Synchronisierung der Verabreichung des Kraftstoffs an die Drossel 22 kann jeder gängige Ventiltyp sein. In einer Ausführungsform kann das Ventil ein elektrischer/magnetischer Wandler, wie z. B. ein magnetostriktives Wandlerventil, ein piezoelektrisches Wandlerventil oder irgendein geeigneter Ventiltyp zur Synchronisation der Verabreichung von Kraftstoff an die Drossel 22 sein.
  • Die Drossel 22 sitzt stromabwärts hinter dem Ventil 18 und nimmt Kraftstoff von dem Ventil 18, welches sich bei einem Druck nahe oder innerhalb des superkritischen Bereich des Kraftstoff befindet, auf. Die Drossel kann eine metallische Röhre sein, welche einen Durchmesser hat, welcher genügend klein ist, um den Durchfluss der Flüssigkeit zu verringern, wobei erreicht werden soll oder gewährleistet sein soll, dass der Flüssigkeitsdruck beim Durchfluss durch die Drossel 22 einen gewünschten Wert annimmt. In einer Ausführungsform hat die Drossel 22 ein gesenktes Ende oder eine reduzierte Abschlussöffnung an dem Abschluss der Drossel 22. Es wird davon ausgegangen, dass die reduzierte Abschlussöffnung einen uniformeren Druckverlaufen entlang des Durchmessers des Ansatzrohres ausbildet. Dadurch wird der Druck vor dem Austritt an dem distalen Ende oberhalb der Schmelzdruckkurve gehalten. In einer Ausführungsform hat die Drossel einen inneren Durchmesser von ungefähr 0,15 mm (0,006 Zoll) und einen äußeren Durchmesser von ungefähr 0,30 Millimeter (0,012 Zoll). Jedoch kann der Durchmesser der Drossel 22 entsprechend der Anwendung gewählt werden, wie z. B. durch die Auswahl des inneren Durchmessers, welcher angepasst ist, um den Kraftstoff bei einem Druck nahe oder innerhalb des superkritischen Bereich des Kraftstoffes zu halten, wenn der Kraftstoff in den Zylinder des Motors eingeführt wird. Es wird davon ausgegangen, dass die Freisetzungen von Flüssigkeiten nahe oder oberhalb des superkritischen Punktes zu einer sehr schnellen Ausdehnung führt, welche sich in Form einer sehr schnellen Freisetzung von Gas/Dampf äußert. Die hohe Geschwindigkeit des Gasstromes reduziert die Gasdiffusionsgrenzfläche der Drossel 22. Diese Reduktion verbessert den Ausstoß in die Verbrennungszone und hilft dabei den zerstäubten Kraftstoff in den Zylinder einzubringen. Der Anstieg der Temperatur und des Druckes der Flüssigkeit an dem distalen Ende der Drossel soll die Geschwindigkeit des ausströmenden Kraftstoffes erhöhen, welches in gewissem Anwendung wünschenswert ist.
  • 1 stellt ferner das distale Ende der Drossel 22 mit dem angeschlossenen Heizelement 24 dar. Das Heizelement 24 dient dazu, das distale Ende der Drossel 22 zu erhitzen, ausgehend von der Temperatur der Flüssigkeit, welche durch das distalen Ende das Drossel 22 erhitzt wird, auf eine Temperatur, welche nahe oder innerhalb des superkritischen Bereich des Kraftstoff, welche dem Motor verabreicht wird, liegt. Es wird davon ausgegangen, dass der Kraftstoff, welcher durch die Drossel 22 schließlich in die Kammer austritt sich genügend ausdehnt, wenn dessen Temperatur auf eine Temperatur von ungefähr 100 Grad Celsius über oder unter der superkritischen Temperatur des Kraftstoffs liegt. Andere Temperaturbereiche können für verschiedene Kraftstoffe experimentell ermittelt werden. Ferner kann das Heizelement 24 und die Steuerung durch ein Computersystem ersetzt werden, welches die Temperatur in Abhängigkeit von dem Kraftstoff, welcher durch die Drossel 22 hindurch tritt, steuert.
  • Das Heizelement 24 kann eine angepasste Vorrichtung sein zum Erhitzen der distalen Drossel 22. In einer Ausführungsform besteht das Heizelement aus einem Widerstand heiße Element, welches durch das hindurch führen eines elektrischen Strom zwischen dem distalen Ende der Drossel und den proximalen Ende der Drossel ausgelöst wird. Es wird davon ausgegangen, dass die direkt erhitzte Widerstandsröhre eine schnelle Änderungen der Zerstäubung auf Grund ihrer geringen Antwortzeit zulässt. Es wird davon ausgegangen, dass der Ort für die intensivste Erhitzung an die Spitze verlegt werden kann, durch die Erhöhung des Widerstands zwischen der Spitze und der elektrischen Zuleitung zur Spitze. Widerstandsröhren mit dünnen Wänden verfügen über einen höheren Widerstand, als Widerstandsröhre mit dicken Wänden und erniedrigen die Antwortzeit. Zusätzlich wird davon ausgegangen, dass ein kleinerer Durchmesser der Röhre die Zeit für den Durchfluss von Flüssigkeiten im Sinne höhere Temperaturen verringert. In einigen Experimenten wurde ein erfolgreicher Betrieb mit Flussraten von bis zu 10 mVmin und mit Röhren mit inneren Durchmessern von 30 bis 125 Mikrometer erzielt. Bei größeren Durchflussmengen können mehrere Röhren oder ein größerer Innendurchmesser benutzt werden. In einigen Anwendungen eines gewünscht sein, nur die Spitze der Drossel 22 zu erhitzen, um die Möglichkeit chemischer Reaktionen oder Vorprodukte einzudämmen. Andere Erhitzungsverfahren können angewendet werden, einige wurden getestet einschließlich des fernbedienten Widerstandserhitzens, eines Erhitzen mittels einer Pilotflamme, induktive Heizung, Infrarot und Laserheizung.
  • 2 stellt das System in weiteren Einzelheiten vor, entsprechend der Erfindung zur Verabreichung von Kraftstoff in einen Zylinder einer Verbrennungsmaschine. Wie in 2 dargestellt ist, schließt das System 40 eine Kraftstoffpumpe 42, eine Vielzahl von Kraftstoff Zuflusslinien 70 und 72 ein, welche sich von der Kraftstoffpumpe 42 aus erstrecken und geeignet sind, Kraftstoffe 70 und 72 aufzunehmen, ein Kraftstoffreservoir 44, ein Zündung oder Steuereinrichtungen 48, einen integrierten Kraftstoffeinspritzer 46 mit einem Magnetventil 50, eine Drossel 52 und Vorwärmer 54, dieses ist so angeordnet, dass es den Körper des Einspritzmittel 46 bildet, welcher innerhalb des Zylinderkopfs 56 eines Verbrennungsmotors, welcher Ansaugeinlässe 58, Ventile 60 und eine Verbrennungszone 62 aufweist, gebildet ist.
  • Insbesondere stellt 2 ein Kraftstoffverabreichungssystem 40 dar, zur welches Verabreichung von Kraftstoffen aus einer Vielzahl von Kraftstoffquellen geeignet ist, worin jede der Kraftstoffquellen einen gewissen Zweck im Betrieb des Motors erfüllt. Zum Beispiel kann ein Kraftstoff als Startkraftstoff eingesetzt werden, wie z. B. Propan, welches dazu bestens geeignet ist, einen Verbrennungsmotor anzulassen. Ein zweiter Kraftstoff kann Kerosin sein, oder jeder andere komprimierte Kraftstoff mit niedrigem Dampfdruck, welches in den hier beschriebenen System zerstäubt wird, und in einem Verbrennungsmotor verbrannt werden kann, wenn dieser eine gewisse Zeit gelaufen ist, welches aber schlecht für den Einsatz zum Starten eines Verbrennungsmotors geeignet ist.
  • Insbesondere zeigt die 2, dass das System 40 eine Pumpe 42 einschließt, welches zwei Einlässe hat, um zwei Kraftstoffe 70 und 72 aufzunehmen. Die Pumpe 42 kann selektiv von der einen oder der anderen der beiden Quellen Kraftstoff aufnehmen und den ausgewählten Kraftstoff auf einen Druck komprimieren, welcher nahe oder innerhalb des superkritischen Bereichs des Kraftstoffs liegt. Wie ferner in 2 zu sehen ist, ist die Pumpe 42 mit einem Hitzereservoir 44 verbunden. Die Pumpe 42 soll komprimierten Kraftstoff zu dem Hitzereservoir 44 befördern, welches wiederum die Flüssigkeit in dem Reservoir auf eine ausgewählte Temperatur vorwärmen kann. Der Kraftstoff soll von dem Hitzereservoir 44 zu dem Einspritzelement 46 befördert werden, welches, in der dargestellten Ausführungsform, eine integrierte Einheit bestehend aus einer Ventilkomponente 50 und einer Drosselkomponente 52 ist. Die Ventilkomponente 50 ist ein elektrischer Schaltkreis, mit einer Steuereinheit 48, welcher die Synchronisation des Betriebs des Systems 50 mit dem Motor/Zündzyklus des Verbrennungsmotors übernimmt. Die dargestellte Drossel 52 ist eine kleine Metallröhre, welche innerhalb des Zylinderkopfs des Verbrennungsmotors untergebracht werden kann. Die Drossel 52 ist mit der durch das Reservoir 44 gespeisten Kraftstoffquelle über den pulsierenden Betrieb der Ventilkomponente 50 verbunden. Die Drossel 52 ist mit dem Zylinderkopf 56 mechanisch verbunden und steht in flüssigkeitsführender Verbindung mit der Verbrennungszone 62 des Zylinders. Wie in 2 dargestellt wird, soll der Kraftstoff, welcher durch die Drossel 52 angeliefert wird, in der Verbrennungszone 62 durch Lufteinlässe 58 mit Luft durchmischt werden. Es wird davon ausgegangen, dass ein verbrennbares Gemisch, geeignet zum Verbrennen in dem dargestellten geeigneten, funkengezündeten Verbrennungsmotors verbrannt wird.
  • Durch die Einstellung der Hitzezufuhr der Zerstäubungsvorrichtung, kann die flüssige Lösung in vorbestimmten Graden verdampft werden. An diesem Ende kann das distale Ende der Drossel 52 mit einem Widerstandsheizelement 54 verbunden werden, welches durch eine thermische Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert wird. Das Widerstandsheizelement 54 kann ein Widerstandsfolienanwärmer, was zum Erhitzen von Röhren von Gaszuführungssystemen gebräuchlich ist, eingesetzt werden. Die thermische Steuereinheit kann eine konventionelle Schaltung sein, und optional in Abhängigkeit von dem Betriebsparametern des Motors betrieben werden, wie z. B. Umdrehungszahl bzw. RPM, um selektiv den Grad der Verdampfung des Kraftstoffs, welcher in den Zylinder eingespritzt wird, zu bestimmen.
  • Ohne Hitzezufuhr zu der Drossel 52, können flüssige Kraftstofflösungen aus Flüssigkeiten mit höherer superkritischer Temperatur, wie solche, welche bei einer superkritischen Temperatur flüssig sind, in Form eines Flüssigkeitsstroms austreten. Dieser hat nur geringer oder gar keinen Einfluss auf die Zerstäubung und Tropfenbildung. Der Betrieb der thermischen Steuereinheiten zur Aktivierung des Heizelements 54 verringert die Temperaturdifferenz der flüssigen Lösung zu seiner superkritischen Temperatur im distalen Ende der Drossel 54 und verursacht, dass eine flüssige Kraftstofflösung in einen tropfenförmigen Nebel aufgebrochen wird und in die Verbrennungszone 62 freigelassen wird. Experimentelle Ergebnisse zeigen an, dass die Tropfen verdampfen können und nach kurzer Distanz von der Drossel 52 unsichtbar werden. Wenn die superkritische Temperatur des Kraftstoffs erreicht wird, verringert sich die Größe der flüssigen Kraftstofftropfen und es verringert sich die Distanz bis zur Verdampfung der Lösung. In einigen Experimenten wurden Tropfengrößen an einem Versuchsaufbau, ähnlich dem oben beschriebenen mit einem Laseraerosoltester gemessen, und es wurde festgestellt, dass die erhaltener Tropfengröße unterhalb des Detektionslimits des Instruments von 1,8 Mikrometer liegt. Die weitere Erhöhung der Hitzezufuhr führt zu einem Zustand, bei dem es keinen Nebel an der Spitze gibt sondern eine komplette Verdampfung.
  • Das Verhalten der Lösung kann durch die komprimierten superkritischen Eigenschaften der Flüssigkeit unterstützt werden. Lösungen mit einer niedrigeren superkritischen Temperatur, welche in superkritischen Temperaturpunkten Gase bilden, verhalten sich ähnlich; in diesem Fall bildet die von der Spitze ausgehende Lösung auch ohne Erhitzung keinen Flüssigkeitsstrom. Die Menge an Hitze, welche zugeführt werden muss, um davon auszugehen, dass sich eine optimale Verdampfung der Lösung einstellt, hängt hauptsächlich von Hitzekapazität der Differenz zwischen der superkritischen Temperatur der Lösung und der Temperatur des Flüssigkeitsreservoirs ab.
  • Wie bereits oben diskutiert, bieten die hierin beschriebenen Systeme das Zerstäuben, das Vernebeln, das Verdampfen oder Vergasen von Kraftstoffen an, wobei sie eine Zufuhr von regulär verbrennbaren Kraftstoffs für Verbrennungsmaschinen aufweisen. 3 bis 6 beschreiben den Betrieb des Kraftstoffverabreichungssystem zur Verabreichung eines Kraftstoffs in den Zylinder eines Motors. Spezifischerweise illustrieren 3 bis 6 einen experimentellen Aufbau, welcher eine transparente Sprühkammer aufweist, welche als flüssigkeitsfestes Gehäuse zum Aufnehmen eines Kraftstoffsprays, welches von einem Kraftstoffeinspritzmechanismus, welcher in der oberen Abdeckung der Sprühkammer eingelassen ist, aufweist. 3 stellt eine Sprühkammer dar, welcher einen konventionellen Kraftstoffeinspritzmechanismus hat, welcher in der oberen Abdeckung der Sprühkammer eingelassen ist. Effektiverweise bilden die Sprühkammer und die Kraftstoffeinspritzeinrichtung eine Zusammenstellung für eine Zylindereinspritzanordnung, wie sie typisch ist für eine Anordnung, wie sie in Verbrennungsmaschinen auftaucht, mit jeweils einem Kraftstoffeinspritzsystem in jedem Zylinder. Wein 3 dargestellt ist, stößt das Kraftstoffeinspritzmechanismus einen Flüssigkeitsstrom in die Sprühkammer aus, worin der Strom einen gerichteten Nebel von disperdierten Speisepartikel darstellt, als auch verschiedene direkte Ströme von im Wesentlichen flüssigem Kraftstoff. Wie bereits oben diskutiert wurde, ist es Merkmal eines konventionellen Kraftstoffeinspritzsystems, dass ein Teil des Kraftstoffes, welcher in die Sprühkammer gelangt, im Wesentlichen flüssig ist und die Aerosolkomponenten zum Teil aus im Wesentlichen relativ großen Tropfen bestehen.
  • Im Gegensatz dazu stellt 4 ein Kraftstoffverabreichungssystem entsprechend dieser Erfindung dar, welches innerhalb des oberen Deckels der Sprühkammer eingesetzt ist, um eine ähnliche Anordnung, wie die nach 3, zu bilden. In 4 wird das Kraftstoffverabreichungssystem wie ein Kraftstoffeinspritzsystem zur Verabreichung von Benzin in eine Sprühkammer, wie diese 4 dargestellt ist, eingerichtet. Für das in 4 dargestellte System wird davon ausgegangen, dass Benzin, mit einer Temperatur durch die Drossel geführt wird, welche etwa 100 Grad Celsius unterhalb des superkritischen Bereichs von Benzin liegt. Die Spray/Zerstäubungsmerkmale des Kraftstoffeinspritzsystems zeigen, dass ein Nebel von sehr feinen Partikeln in die Sprühkammer eingesprüht wird. Es wird davon ausgegangen, dass der Grad der Zerstäubung, welcher mit dem Einspritzsystem nach 4 erreicht werden kann, es der Flüssigkeit erlaubt, als ein Gas zu verbrennen und einfacher mit dem Wirbel in der Verbrennungskammer vermischt zu werden, und die Menge an benötigtem Kraftstoff, welche während des Verbrennungszyklus nicht verbrannt wird, sinkt.
  • 5 stellt eine Einspritzkammeranordnung nach 4 dar, worin das Kraftstoffeinspritmittel in der oberen Platte der Kraftstoffverabreichungssystems entsprechend dieser Erfindung eingebracht ist. In 5 wird das dargestellte Kraftstoffverabreichungssystem so betrieben, dass Benzin durch die Drossel mit einer Temperatur, welche im superkritischen Bereich von Benzin liegt, bis zu dem distalen Ende der Drossel hindurchgeführt wird. Aus 5 wird ersichtlich, dass die daraus folgende Einspritzung nach 5 nahezu eine komplette Verdampfung des Kraftstoffs, welcher in die Sprühkammer eingebracht wird, zur Folge hat. Wieder wird davon ausgegangen, dass während des Motorlaufzyklus des Verbrennungsmotors das flüssige Benzin wie ein Gas verbrennt.
  • 6 gestellt einer Sprühkammeranordnung nach 3 und 4 dar, worin dieses Mal schwerer Kraftstoffe auf Kerosinbasis in die Sprühkammer einführt. Wie aus 6 ersichtlich ist, erzielt das Kraftstoffverarbeitungssystem nach dieser Erfindung eine nahezu komplette Verdampfung des Kerosins. Entsprechend wird davon ausgegangen, dass der Kerosinkraftstoff während des Bewegungsablaufzyklus des Motors verbrennt.
  • Die oben beschriebenen Systeme sind veranschaulichte Systeme dieser Erfindung, und nicht ausschließliche Repräsentanten dieser Erfindung. Für einen Fachmann ist es ersichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Zusätze zu diesem System, welche hierin beschrieben worden ist, gemacht werden können, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann das hierin beschriebene System so ausgelegt werden, dass das einen Durchsatz von einigen Millilitern bis zu Litern pro Stunde verarbeiten kann. Der Fluss kann kontinuierlich oder pulsförmig sein. Eine Anzahl von Mechanismen kann eingesetzt werden, um die Temperaturen der Flüssigkeit nahe dem superkritischen Punkt zu halten. Vorrichtungen zum Generieren von magnetischen oder elektrischen Feldern können dazu eingesetzt werden, die Zerstäubung einiger Flüssigkeiten oder die Zuführung zu erhöhen und die Verabreichungseffektivität zu verbessern. Zudem können andere Vorrichtungen hergestellt werden, welche das System diese Erfindung einsetzen, um Flüssigkeiten nahe ihrem superkritischen Punkt zur Bildung einer Dispersion einzusetzen und die Expansion mit dem Ergebnis einer der feinen Vernebelung der Lösung durchzuführen, welches dazu dient, die Verbrennung zu verbessern, was dazu führt das Kraftstoffe mit niedrigem Dampfdruck wie z. B. Kerosin eingesetzt werden können. Es wird ferner davon ausgegangen, dass das System, welches hierin beschrieben worden ist, zur Verabreichung von Material in jede der zahlreichen Verbrennungszonen benutzt werden kann, einschließlich Brenner, Öfen und Gasturbinen, wie z. B. Jet Motoren. Das System kann des Weiteren dazu angewandt werden, verschiedene Materialien zu verbrennen, wie z. B. gefährlicher Abfallmaterialien oder zum Zuführen von zerstäubten Material an Systeme, welcher eine Analyse der Zusammenstellung oder andere Merkmale der präsentierten Probe durchführen.

Claims (12)

  1. Prozess zur Bildung eines brennbaren Gemisches, bestehend aus den folgenden Schritten: • Bereitstellen einer Drossel (22), welche einen Eingangsanschluss, einen Ausgangsanschluss und einen dazwischen befindlichen Durchgang aufweist, • Anlieferung eines Brennstoffes (12) an den Eingangsanschluss der Drossel mit einem Druck, welcher im Wesentlichen an einen überkritischen Druck des Brennstoffs angenähert ist, oder diesen übertrifft, • Weiterleitung des komprimierten Brennstoffs durch den Durchlass der Drossel, und • Aufheizen des komprimierten Brennstoffs, welcher durch die Drossel mit einer Temperatur nahe des oder innerhalb des überkritischen Bereichs des Brennstoffs liegt, worin der Brennstoff durch die Drossel als ein zerstäubtes Spray austritt, und • Einspritzung des zerstäubten Sprays in eine Luftansaugöffnung, welche einen Luftstrom oder eine andere Sauerstoffquelle führt, oder direkte Einspritzung in eine Verbrennungskammer gemeinsam mit einer Sauerstoffquelle, um ein brennbares Gemisch zu bilden.
  2. Prozess nach Anspruch 1, worin das brennbare Gemisch in einen Verbrennungsmotor eingespritzt wird und worin der Erwärmungsschritt des Brennstoffes den Schritt des Erwärmens des distalen Endes der Drossel (22) vorsieht, zur Erhöhung der Temperatur des durch das distale Ende durchströmenden Brennstoffes, auf eine Temperatur innerhalb des überkritischen Bereichs des Brennstoffs.
  3. Prozess nach Anspruch 1 oder 2, worin ferner der Schritt der Temperatursteuerung des durch die Drossel hindurchtretenden Brennstoffs geregelt wird, um als ein Merkmal des zerstäubten Sprays, die kennzeichnende Tropfengröße innerhalb des zerstörten Sprays zu steuern.
  4. Prozess nach einem der vorangegangen Ansprüche, worin der Schritt der Anlieferung des Brennstoffes zum Eingang der Drossel die folgenden Schritte einschließt: • Vorsehen einer ersten und zweiten Brennstoffquelle (70, 72), deren Kompressionsdruck sich in der Nähe des jeweiligen überkritischen Bereiches des jeweiligen Brennstoffes bewegt, und • Anlieferung des ersten und zweiten Brennstoffes an den Eingangsanschluss der Drossel.
  5. Prozess nach Anspruch 4, welcher ferner den Schritt des • Mischens des Brennstoffs der ersten und zweiten Quelle und die • Anlieferung des gemischten Brennstoffes an den Eingangsanschluss der Drossel einschließt.
  6. Prozess nach einem der vorangegangen Ansprüche, worin ferner die folgenden Schritte eingeschlossen sind: • Vorsehen eines Vorwärmers (20) zu Vorwärmung einer ausgewählten Volumenmenge des Brennstoffs, und • Anlieferung des vorgehaltenen Brennstoffes an den Eingang der Drossel.
  7. Prozess nach einem der vorangegangen Ansprüche, worin der Brennstoff wahlweise Kerosin, Dieselbrennstoff, Heizöl oder Flugzeugbenzin sein kann.
  8. Prozess nach einem der vorangegangen Ansprüche, worin der Prozess in seinem System stattfindet, der Prozess schließt ferner die folgenden Schritte ein: • Regelung der Temperatur des durch die Drossel durchströmenden Brennstoffes basierend auf den Betriebsparametern.
  9. Prozess nach einem der vorangegangen Ansprüche, welcher ferner den Schritt der Dosierung des Brennstoffes einschließt, welcher an der Drossel (22) angeliefert wird, zur Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses an dem Eingangsanschluss.
  10. Brennstoffsanlieferungssystem (10) zur Anlieferung eines zerstäubten Sprays aus Brennstoff in eine Verbrennungszone bestehend ferner aus: • einer Brennstoffpumpe (14) in flüssigkeitsführender Verbindung mit einer Brennstoffsquelle (12) und dazu geeignet, den Brennstoff mit einem Druck zu komprimieren, welcher innerhalb des überkritischen Bereichs des Brennstoffes liegt, • ein Drosslerohr (22), welches einen Eingangsanschluss in flüssigkeitsführender Verbindung mit der Brennstoffspumpe und dem Ausganganschluss aufweist, und dazu geeignet ist, Brennstoff von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss und in die Verbrennungskammer zu überführen, und • eine Heizung (24) in Verbindung mit dem Drosselrohr und dazu vorgesehen, das Drosselrohr zur Steigerung der Brennstoffstemperatur auf einen Temperatur innerhalb des überkritischen Bereichs des Brennstoffs aufzuheizen, worin der Brennstoff, welcher durch die Drossel auf eine Temperatur zur Bildung eines zerstäubten Sprays aufgeheizt wird, welches an dem Ausgangsanschluss mit dem sauerstoffhaltigen Gas gemischt wird und in die Verbrennungskammer eingespritzt wird, wobei die Temperatur innerhalb des überkritischen Bereichs des Brennstoffs liegt,.
  11. Motor bestehend aus: • einer Kammer zur Aufnahme des Volumeninhalts des Brennstoffes und • Brennstoffverabreichungssystem nach Anspruch 10, worin das Brennstoffssystem ferner eine thermische Steuereinheit zu Steuerung der Heizungen des Drosselrohres einschließt, basierend auf den Betriebsparametern des Motors.
  12. Brennstoffsverabreichungssystem nach Anspruch 10, worin die Drossel selbst ein elektrisch widerstandsfähiges Material aufweist, welches Hitze erzeugt, wenn Strom durch dieses geleitet wird.
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