EP4146926A1 - Injection nozzle and device for charging a fuel with gas - Google Patents

Injection nozzle and device for charging a fuel with gas

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Publication number
EP4146926A1
EP4146926A1 EP21724570.3A EP21724570A EP4146926A1 EP 4146926 A1 EP4146926 A1 EP 4146926A1 EP 21724570 A EP21724570 A EP 21724570A EP 4146926 A1 EP4146926 A1 EP 4146926A1
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EP
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fuel
gas
injection nozzle
diffusion
diffusion device
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Application number
EP21724570.3A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Hartmut Schiefer
Felix Schiefer
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Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
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    • F02M2200/9092—Sintered materials

Definitions

  • the invention relates to an injection nozzle and an apparatus / device connected directly or indirectly to it for loading the fuel by diffusion / permeation with gas, hereinafter referred to as diffusion device, preferably air or air and exhaust gas.
  • diffusion device preferably air or air and exhaust gas.
  • an open injection nozzle is known from US Pat. No. 5,150,836, in which the fuel is conveyed to the engine by a pulse by means of an individual amount of gas. The pressure and the amount of gas are sufficient to deliver the fuel out of the nozzle at almost the speed of sound.
  • GB 1459097 lists a gas atomizing nozzle in which the liquid and gas are brought together at a focal point via spiral channels.
  • diesel fuel is evaporated via an evaporator tube which contains a glow plug and mixed with intake air, in particular for operating a starting aid system for engines that work in particular with vegetable oils.
  • the diesel operation should only take place until the engine operating temperature is reached.
  • DE 213349 describes an internal combustion engine which is operated in a first operating state with different liquid fuels (diesel, etc.) and in a second operating state with gas.
  • DE 809 describes an injector which has openings in two planes, the fuel being expelled through these openings and thereby mixing.
  • EP 3058208 claims a liquid injector for generating atomized liquid, the pressurized liquid and the gas being directed to adjacent focal points and colliding.
  • EP1647685 is an internal combustion engine that works with two types of fuel, at least a first type of fuel, then a second type of fuel being supplied by changing and a fuel mixing ratio being set as a function of the fuel volume conveyed.
  • the aim of the invention is to homogenize the fuel distribution and the distribution density in the diesel process and thereby influence the combustion process in such a way that the fuel burns as completely as possible and little or no soot is produced. At the same time, the fuel is better converted into mechanical energy.
  • the invention consists of an injection nozzle and a diffusion device connected directly or indirectly to it for loading the fuel, usually diesel fuel with gas, preferably with air or exhaust gas as well as air and exhaust gas.
  • the fuel is loaded with gas in the diffusion device via gas filters, preferably membranes made of sintered metal (sintered metal filter) or ceramic filters.
  • the membrane (semipermeable membrane) has a pore size that allows the gas to pass through and to hold back the fuel when it is idle. In the working state, the gas is given a higher pressure than the pressure in the fuel.
  • the flow resistance of the membrane depends on the pore size and pore length.
  • the aforementioned fuels and gas show almost a purely viscous behavior.
  • the viscosity ratio is therefore decisive for the flow through the respective components.
  • the viscosity ratio of diesel to air under normal conditions is greater than 10 4 . No diesel will flow through the membrane under these conditions.
  • the parameters permeation area and thickness, gas pressure and fuel pressure are designed so that the required amount of gas is absorbed by the fuel by diffusion.
  • the dissolved gas causes the droplets emerging from the injection nozzle to burst spontaneously due to the internal gas pressure after the pressure has been released in the compression chamber, which leads to a very fine and even distribution of the fuel.
  • the homogeneous combustion can also reduce the excess air during combustion and the formation of NO x through exhaust gas recirculation.
  • the diffusion of the gas into the fuel is a surface and time process, which is why the surface-volume ratio of the fuel when flowing through the diffusion device is made as large as possible.
  • the required gas pressure is determined from the pressure loss for gas passage through the membrane (viscous pressure loss) and the required and specified pressure for the diffusion of the gas (diffusion pressure gradient).
  • the saturation volume for gas is proportional to the diffusion pressure over a wide range (Dalton's law).
  • the overpressure in relation to the injection pressure is selected depending on the gas requirement in the fuel.
  • the present invention is implemented both in the configuration of the injection nozzle according to the invention and in the independent method for injecting fuel, which can advantageously also be implemented as a method for operating the injection nozzle according to the invention.
  • Analogous to the further refinements of the injection nozzle, associated operating modes and modes of operation of the nozzle apply as disclosed in a further development of the method according to the invention.
  • a variant which develops the method according to the invention in a particularly elegant and effective manner results from the injection of the loaded fuel into a compression chamber or injection chamber which has or forms a vacuum at least at the time of injection.
  • the concrete realization of such a vacuum for the injection chamber results from the German utility model publication DE 202020 002 930 U1, which is included in the present disclosure as belonging to the invention with regard to the constructive realization of this vacuum in the compression or injection chamber and the realization of the fuel injection should apply; the present inventive loading of the fuel in connection with the vacuum leads to a further improved fuel distribution including further reduced droplet diameters after the injection. The result is a further improved combustion with a positive influence on the emission behavior.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of the injection nozzle with a directly connected diffusion unit.
  • FIG. 2 also shows, in a schematic representation, the injection nozzle with an indirect connection to the diffusion unit.
  • 3 shows a schematic representation of the section through the diffusion device when the gas is diffused into the fuel from one side.
  • 4 shows the section through a region of the diffusion device with the gas being fed into the fuel from two sides.
  • the injection nozzle 1 is directly connected to the diffusion device 2, they form a structural unit.
  • the supply line 3 supplies the gas with the required pressure and line 4 supplies the fuel via the diffusion device 2 to the nozzle.
  • the advantage of this arrangement is that the loading of the fuel with gas can be dynamically adapted to certain requirements.
  • FIG. 2 shows the injection nozzle 5, which is connected to the diffusion device 6 via a line 9.
  • the feed lines 7 and 8 on the diffusion device 6 provide the gas and the fuel.
  • the line 9 feeds the gas-enriched fuel to the nozzle. It is advantageous here that there is a larger amount of the gas-enriched fuel in the line 9, which ensures a stable supply to the nozzle when there is a dynamic fuel requirement.
  • the supply of the nozzle with fuel by a diffusion device in which gas is supplied by diffusion can also take place in such a way that more than one diffusion device, not shown in FIGS. 1 and 2, supply the nozzle with gas-enriched fuel and in the same way
  • a diffusion device can also supply several nozzles with the gas-enriched fuel.
  • Fig. 3 the cut diffusion device 10 is shown schematically. Inside this device, the gas is introduced in area 12.
  • the tubular geometry 11 shows the microporous wall (semipermeable wall).
  • the outer tubular geometry 14 is arranged around this tube, the fuel flowing in the space 13 between the outer wall 14 and the outer geometry of the microporous wall.
  • the microporous wall in the example made of sintered stainless steel, CrNi steel, has a porosity, depending on the dimensions and operating conditions, which allows the necessary gas components to pass through, and on the other hand prevents the fuel, preferably diesel fuel, from diffusing through the microporous wall. This is ruled out due to the higher gas pressure compared to the fuel pressure and the significantly higher viscosity of the fuel compared to the diffusing gases air or exhaust gas.
  • the gas can also be fed into the fuel in the region 18 via the microporous walls 17 and 19, respectively.
  • the areas 16 and 20 provide the gas for diffusion.
  • the microporous wall can also be designed in such a way that the selected topography increases the surface area with the same radius, for example, achieved in that the surface is corrugated, interlocked or otherwise designed to enlarge the surface.
  • the design of the diffusion device is not tied to tubular geometries; rather, other cross-sections, such as, for example, rectangular geometries or elliptical cross-sections, can also be used.
  • diesel fuel is a preferred embodiment of the fuel according to the invention, but the invention is not limited to this; rather, any fuels that can be charged with the gas according to the invention, including gasoline or gasoline fuels of different octane numbers, synthetic fuels, methanol, are suitable within the scope of the invention , Ethanol, biodiesel, vegetable oils and suitable mixtures of these.
  • the gas supplied to the fuel by diffusion is advantageously air and / or exhaust gas
  • the gas according to the invention is not limited to this. Rather, almost any other gases or gas mixtures are possible, which can be introduced into the fuel within the meaning of the invention and then lead to spontaneous bursting of the droplets after injection into the compression chamber, with the advantageous effect according to the invention on the fuel distribution and droplet size.
  • gases or gas mixtures are used.
  • gas mixtures are fed to the fuel as gas of different composition.

Abstract

The invention relates to an injection nozzle (1) for fuel, preferably diesel fuel, wherein a diffusion device (2), which supplies gas to the fuel by diffusion, is indirectly or directly connected to the nozzle.

Description

Einspritzdüse und Vorrichtung zur Beladung eines Kraftstoffes mit Gas Injection nozzle and device for loading a fuel with gas
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse und eine mit ihr unmittelbar oder mittelbar verbundene Apparatur/Vorrichtung zur Beladung des Kraftstoffes durch Diffusion/Permeation mit Gas, im Folgenden als Diffusionsvorrichtung bezeichnet, vorzugsweise Luft bzw. Luft und Abgas. The invention relates to an injection nozzle and an apparatus / device connected directly or indirectly to it for loading the fuel by diffusion / permeation with gas, hereinafter referred to as diffusion device, preferably air or air and exhaust gas.
Stand der Technik State of the art
Im Patent DE 314252 wird eine offene Düse beschrieben, in welcher der Brennstoff durch Luft über einen Vorratsraum und Zerteilbereich in den Zylinderraum befördert wird. Die Luft wird dabei zum Austragen des Brennstoffes benutzt. In the patent DE 314252 an open nozzle is described in which the fuel is conveyed into the cylinder chamber by air via a storage space and dividing area. The air is used to discharge the fuel.
Des Weiteren ist aus US 5150836 eine offene Einspritzdüse bekannt, in der mittels einer individuellen Gasmenge der Kraftstoff durch einen Impuls zum Motor gefördert wird. Der Druck und die Gasmenge sind dabei ausreichend, den Kraftstoff mit nahezu Schallgeschwindigkeit aus der Düse zu befördern. Furthermore, an open injection nozzle is known from US Pat. No. 5,150,836, in which the fuel is conveyed to the engine by a pulse by means of an individual amount of gas. The pressure and the amount of gas are sufficient to deliver the fuel out of the nozzle at almost the speed of sound.
In GB 1459097 wird eine Gaszerstäubungsdüse aufgeführt, in der die Flüssigkeit und Gas über spiralförmige Kanäle in einem Brennpunkt zusammengeführt werden. GB 1459097 lists a gas atomizing nozzle in which the liquid and gas are brought together at a focal point via spiral channels.
Auch ist bekannt aus DE 19815042, dass insbesondere zum Betrieb eines Starthilfesystems für Motoren, die insbesondere mit Pflanzenölen arbeiten, Dieselkraftstoff über ein Verdampferrohr, das einen Glühstift enthält, verdampft und mit Ansaugluft vermischt wird. Dabei soll der Dieselbetrieb nur bis zum Erreichen der Motor-Betriebstemperatur stattfinden. It is also known from DE 19815042 that diesel fuel is evaporated via an evaporator tube which contains a glow plug and mixed with intake air, in particular for operating a starting aid system for engines that work in particular with vegetable oils. The diesel operation should only take place until the engine operating temperature is reached.
DE 19713377 führt eine Düse auf, bei der ein Fluid, insbesondere Brennstoff so durch Kanäle geführt wird, dass ein drallbehafteter Fluidstrom entsteht, der in ein zweites Fluid, insbesondere Verbrennungsluft eintritt und dabei zu einer Feinverteilung des Brennstoffes führt. DE 19713377 lists a nozzle in which a fluid, in particular fuel, is guided through channels in such a way that a swirling fluid flow is created which enters a second fluid, in particular combustion air, and thereby leads to a fine distribution of the fuel.
Den vorgenannten Vorrichtungen und Verfahren sind gemeinsam, dass entweder Luft zum Austragen des Kraftstoffes verwendet wird oder Dieselkraftstoff durch Kollision der Fluide zerstäubt wird. The aforementioned devices and methods have in common that either air is used to discharge the fuel or diesel fuel is atomized by the collision of the fluids.
In DE 213349 wird eine Brennkraftmaschine beschrieben, die in einem ersten Betriebszustand mit unterschiedlichen Flüssigbrennstoff (Diesel u.a.) und in einem zweiten Betriebszustand mit Gas betrieben wird. DE 809 beschreibt einen Injektor, der in zwei Ebenen Öffnungen aufweist, wobei der Kraftstoff durch diese Öffnungen ausgestoßen wird und sich dadurch vermischt. DE 213349 describes an internal combustion engine which is operated in a first operating state with different liquid fuels (diesel, etc.) and in a second operating state with gas. DE 809 describes an injector which has openings in two planes, the fuel being expelled through these openings and thereby mixing.
In EP 3058208 wird ein Flüssigkeitsinjektor zur Erzeugung von atomisierter Flüssigkeit beansprucht, wobei die unter Druck stehende Flüssigkeit sowie das Gas zu nebeneinander liegenden Fokalpunkten gelenkt werden und kollidieren.EP 3058208 claims a liquid injector for generating atomized liquid, the pressurized liquid and the gas being directed to adjacent focal points and colliding.
Bei den drei vorgenannten Schutzrechten wird jeweils Brennstoff und Gas in unterschiedlicher Weise so geführt, dass sie aufeinander einwirken und dadurch die Verteilung des Treibstoffes verbessert wird. In the case of the three aforementioned property rights, fuel and gas are managed in different ways so that they interact and thereby improve the distribution of the fuel.
Weiterhin ist bekannt DE 60110544, DE 17561 und DE 100107 den Verbrennungsmotor (Dieselmotor) im Mischbetrieb mit Gaskraftstoff und Dieselkraftstoff derart zu betreiben, dass beide Energielieferanten gemischt verwendet werden. Dabei werden die positiven Eigenschaften homogener Verbrennung von Gaskraftstoff mit der inhomogenen Verbrennung von Dieselkraftstoff kombiniert. It is also known from DE 60110544, DE 17561 and DE 100107 to operate the internal combustion engine (diesel engine) in mixed operation with gas fuel and diesel fuel in such a way that both energy suppliers are used in a mixed manner. The positive properties of homogeneous combustion of gas fuel are combined with the inhomogeneous combustion of diesel fuel.
Bekannt ist auch EP1647685 eine Brennkraftmaschine, die mit zwei Kraftstoffsorten arbeitet, wobei zumindest eine erste Kraftstoffsorte, dann durch Wechsel eine zweite Kraftstoffsorte zugeführt und abhängig vom gefördertem Kraftstoffvolumen ein Kraftstoffmischverhältnis eingestellt wird. Also known from EP1647685 is an internal combustion engine that works with two types of fuel, at least a first type of fuel, then a second type of fuel being supplied by changing and a fuel mixing ratio being set as a function of the fuel volume conveyed.
Auch die konkrete Formulierung der Anwendung von Diesel und Benzin ist bekannt DE112337, wobei zuerst der Kraftstoff Benzin in klassischer Weise geladen wird und nach Kompression Diesel-Kraftstoff eingespritzt wird. The specific formulation of the use of diesel and gasoline is also known from DE112337, whereby the gasoline fuel is first loaded in the conventional manner and, after compression, diesel fuel is injected.
Diese Systeme benötigen zwei Kraftstoffe, um die Verbrennung mit gewünschten Eigenschaften herzustellen. Bei allen diesen Ausführungen sind die Aufwendungen erheblich und es müssen stets zwei Kraftstoffe mitgeführt werden. Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren führen nicht zu einer vollständigen Verbrennung des Kraftstoffes, weshalb Abgasreinigungsanlagen erforderlich sind. These systems require two fuels to produce combustion with the desired properties. In all of these versions, the costs are considerable and two fuels must always be carried. The known devices and methods do not lead to complete combustion of the fuel, which is why exhaust gas cleaning systems are required.
Ziel der Erfindung Object of the invention
Ziel der Erfindung ist es, die Kraftstoffverteilung und die Verteilungsdichte im Dieselprozess so zu homogenisieren und dadurch den Verbrennungsprozess so zu beeinflussen, dass der Kraftstoff möglichst vollständig verbrennt, kein oder wenig Ruß entsteht. Damit wird gleichzeitig der Kraftstoff besser in mechanische Energie umgesetzt. Erfindungsgemäße Lösung The aim of the invention is to homogenize the fuel distribution and the distribution density in the diesel process and thereby influence the combustion process in such a way that the fuel burns as completely as possible and little or no soot is produced. At the same time, the fuel is better converted into mechanical energy. Solution according to the invention
Diese Aufgabe wird durch die Einspritzdüse nach dem Hauptanspruch sowie das Verfahren nach dem Patentanspruch 10 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. This object is achieved by the injection nozzle according to the main claim and the method according to claim 10; advantageous developments of the invention are described in the subclaims.
Die Erfindung besteht aus einer Einspritzdüse und einer mit ihr unmittelbar oder mittelbar verbundenen Diffusionsvorrichtung zur Beladung des Kraftstoffes, üblicherweise Dieselkraftstoff mit Gas, vorzugsweise mit Luft oder Abgas sowie auch Luft und Abgas. Die Beladung des Kraftstoffes mit Gas erfolgt in der Diffusionsvorrichtung über Gasfilter, vorzugsweise Membranen aus Sintermetall (Sintermetallfilter) oder keramische Filter. Die Membran (semipermeabie Membran) hat dabei eine Porengröße, die es ermöglicht das Gas durchzuleiten und den Kraftstoff im Ruhezustand zurückzuhalten. Im Arbeitszustand wird dem Gas ein höherer Druck als der Druck im Kraftstoff vorgegeben. The invention consists of an injection nozzle and a diffusion device connected directly or indirectly to it for loading the fuel, usually diesel fuel with gas, preferably with air or exhaust gas as well as air and exhaust gas. The fuel is loaded with gas in the diffusion device via gas filters, preferably membranes made of sintered metal (sintered metal filter) or ceramic filters. The membrane (semipermeable membrane) has a pore size that allows the gas to pass through and to hold back the fuel when it is idle. In the working state, the gas is given a higher pressure than the pressure in the fuel.
Der Strömungswiderstand der Membran ist abhängig von der Porengröße und Porenlänge. Bei den vorgenannten Kraftstoffen und Gas liegt nahezu ein rein viskoses Verhalten vor. Damit ist das Viskositätsverhältnis bestimmend für die Durchströmung der jeweiligen Komponenten. Unter gleichen Druckbedingungen ergibt sich ein Viskositätsverhältnis von Diesel zu Luft bei Normalbedingungen größer als 104. Unter diesen Bedingungen wird kein Diesel durch die Membran fließen. The flow resistance of the membrane depends on the pore size and pore length. The aforementioned fuels and gas show almost a purely viscous behavior. The viscosity ratio is therefore decisive for the flow through the respective components. Under the same pressure conditions, the viscosity ratio of diesel to air under normal conditions is greater than 10 4 . No diesel will flow through the membrane under these conditions.
Da das Viskositätsverhältnis von Dieselkraftstoff zu Luft sehr groß ist, kann über die semipermeable Wand dem Dieselkraftstoff Luft/Gas durch Diffusion zugeführt werden. Since the viscosity ratio of diesel fuel to air is very high, air / gas can be supplied to the diesel fuel by diffusion via the semipermeable wall.
Die Parameter Permeationsfläche und -dicke, Gasdruck und Kraftstoffdruck werden so ausgelegt, dass die erforderliche Menge Gas durch Diffusion vom Kraftstoff aufgenommen wird. The parameters permeation area and thickness, gas pressure and fuel pressure are designed so that the required amount of gas is absorbed by the fuel by diffusion.
Das gelöste Gas führt nach dem Einspritzen des beladenen Dieselkraftstoffes dazu, dass nach der Druckentspannung im Verdichtungsraum die aus der Einspritzdüse austretenden Tröpfchen durch den tropfeninternen Gasdruck spontan zerplatzen, was zu einer sehr feinen und gleichmäßigen Verteilung des Kraftstoffes führt. After the loaded diesel fuel has been injected, the dissolved gas causes the droplets emerging from the injection nozzle to burst spontaneously due to the internal gas pressure after the pressure has been released in the compression chamber, which leads to a very fine and even distribution of the fuel.
Bei der nachfolgenden Verbrennung entsteht dadurch eine homogene Temperaturverteilung, womit der Rußanteil bei der Verbrennung minimiert wird. Durch die homogene Verbrennung kann des Weiteren der Luftüberschuss bei der Verbrennung und durch Abgasrückführung die Entstehung von NOx verringert werden. During the subsequent combustion, this results in a homogeneous temperature distribution, which minimizes the amount of soot during combustion. The homogeneous combustion can also reduce the excess air during combustion and the formation of NO x through exhaust gas recirculation.
Die Diffusion des Gases in den Kraftstoff ist ein Oberflächen- und Zeitprozess, deshalb wird das Oberflächen-Volumen-Verhältnis des Kraftstoffes beim Durchströmen der Diffusionsvorrichtung möglichst groß gestaltet. Der erforderliche Gasdruck bestimmt sich aus dem Druckverlust für den Gasdurchtritt durch die Membran (viskoser Druckverlust) und dem erforderlichen und vorgegebenen Druck für die Diffusion des Gases (Diffusions-Druckgradient). Das Sättigungsvolumen für Gas ist in einem weiten Bereich proportional dem Diffusionsdruck (Daltonsches Gesetz). Je nach Gasbedarf im Kraftstoff wird der Überdruck zum Einspritzdruck gewählt. The diffusion of the gas into the fuel is a surface and time process, which is why the surface-volume ratio of the fuel when flowing through the diffusion device is made as large as possible. The required gas pressure is determined from the pressure loss for gas passage through the membrane (viscous pressure loss) and the required and specified pressure for the diffusion of the gas (diffusion pressure gradient). The saturation volume for gas is proportional to the diffusion pressure over a wide range (Dalton's law). The overpressure in relation to the injection pressure is selected depending on the gas requirement in the fuel.
Die vorliegende Erfindung realisiert sich sowohl in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Einspritzdüse, als auch im unabhängigen Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff, wobei dieses vorteilhaft auch als Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Einspritzdüse realisiert sein kann. Analog zu den weiterbildenden Ausgestaltungen der Einspritzdüse gelten zugehörige Betriebsmodi und Betriebsweisen der Düse als das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend offenbart. The present invention is implemented both in the configuration of the injection nozzle according to the invention and in the independent method for injecting fuel, which can advantageously also be implemented as a method for operating the injection nozzle according to the invention. Analogous to the further refinements of the injection nozzle, associated operating modes and modes of operation of the nozzle apply as disclosed in a further development of the method according to the invention.
Eine das erfindungsgemäße Verfahren besonders elegant und wirksam weiterbildende Variante ergibt sich aus dem Einspritzen des beladenen Kraftstoffes in einen Verdichtungsraum bzw. Einspritzraum, der zumindest zum Zeitpunkt des Einspritzens ein Vakuum aufweist bzw. ausbildet. Die konkrete Realisierung eines derartigen Vakuums für den Einspritzraum ergibt sich aus der deutschen Gebrauchsmusterveröffentlichung DE 202020 002 930 U1 , welche in Hinblick auf die konstruktive Realisierung dieses Vakuums im Verdichtungs- bzw. Einspritzraum und die Realisierung der Kraftstoffeinspritzung als zur Erfindung gehörig in die vorliegende Offenbarung einbezogen gelten soll; die vorliegende erfindungsgemäße Beladung des Kraftstoffes in Verbindung mit dem Vakuum führt zu einer nochmals verbesserten Kraftstoffverteilung samt weiter verringerten Tröpfchendurchmessern nach dem Einspritzen. Die Folge ist eine weiter verbesserte Verbrennung mit positivem Einfluss auf das Emissionsverhalten. A variant which develops the method according to the invention in a particularly elegant and effective manner results from the injection of the loaded fuel into a compression chamber or injection chamber which has or forms a vacuum at least at the time of injection. The concrete realization of such a vacuum for the injection chamber results from the German utility model publication DE 202020 002 930 U1, which is included in the present disclosure as belonging to the invention with regard to the constructive realization of this vacuum in the compression or injection chamber and the realization of the fuel injection should apply; the present inventive loading of the fuel in connection with the vacuum leads to a further improved fuel distribution including further reduced droplet diameters after the injection. The result is a further improved combustion with a positive influence on the emission behavior.
Ausführungsbeispiel Embodiment
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den zugehörigen, sich auf die Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen näher beschrieben. Aus dieser Beschreibung ergeben sich auch weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Einspritzdüse bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens. The invention is described in more detail below with reference to exemplary embodiments and the associated drawings relating to the exemplary embodiments. This description also gives rise to further advantages, features and details of the injection nozzle according to the invention and the method according to the invention.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Einspritzdüse mit unmittelbar verbundener Diffusionseinheit. Fig. 1 shows a schematic representation of the injection nozzle with a directly connected diffusion unit.
Fig. 2 zeigt ebenso in schematischer Darstellung die Einspritzdüse mit mittelbarer Anbindung der Diffusionseinheit. FIG. 2 also shows, in a schematic representation, the injection nozzle with an indirect connection to the diffusion unit.
Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung den Schnitt durch die Diffusionsvorrichtung bei Diffusion des Gases in den Kraftstoff von einer Seite. Fig. 4 zeigt den Schnitt durch einen Bereich der Diffusionsvorrichtung mit Zuführung des Gases in den Kraftstoff von zwei Seiten. 3 shows a schematic representation of the section through the diffusion device when the gas is diffused into the fuel from one side. 4 shows the section through a region of the diffusion device with the gas being fed into the fuel from two sides.
Wie aus Fig. 1 zu ersehen, ist die Einspritzdüse 1 unmittelbar mit der Diffusionsvorrichtung 2 verbunden, sie bilden eine konstruktive Einheit. Die Zuleitung 3 liefert das Gas mit dem erforderlichen Druck und Leitung 4 führt den Kraftstoff über die Diffusionsvorrichtung 2 der Düse zu. Vorteilhaft bei dieser Anordnung ist, dass die Beladung des Kraftstoffes mit Gas bestimmter Anforderungen dynamisch angepasst werden kann. As can be seen from Fig. 1, the injection nozzle 1 is directly connected to the diffusion device 2, they form a structural unit. The supply line 3 supplies the gas with the required pressure and line 4 supplies the fuel via the diffusion device 2 to the nozzle. The advantage of this arrangement is that the loading of the fuel with gas can be dynamically adapted to certain requirements.
Figur 2 zeigt die Einspritzdüse 5, die über eine Leitung 9 mit der Diffusionsvorrichtung 6 verbunden ist. Die Zuleitungen 7 und 8 an der Diffusionsvorrichtung 6 stellen das Gas und den Kraftstoff bereit. Die Leitung 9 führt den mit Gas angereicherten Kraftstoff der Düse zu. Vorteilhaft dabei ist, dass sich in der Leitung 9 eine größere Menge des mit Gas angereicherten Kraftstoffes befindet, wodurch bei dynamischen Kraftstoffbedarf stabile Zufuhr zur Düse gesichert ist. FIG. 2 shows the injection nozzle 5, which is connected to the diffusion device 6 via a line 9. The feed lines 7 and 8 on the diffusion device 6 provide the gas and the fuel. The line 9 feeds the gas-enriched fuel to the nozzle. It is advantageous here that there is a larger amount of the gas-enriched fuel in the line 9, which ensures a stable supply to the nozzle when there is a dynamic fuel requirement.
Die Versorgung der Düse mit Kraftstoff durch eine Diffusionsvorrichtung, in der Gas durch Diffusion zugeführt wird, kann auch dergestalt erfolgen, dass mehr als eine Diffusionsvorrichtung, in Fig. 1 und Fig. 2 nicht dargestellt, die Düse mit gasangereichertem Kraftstoff versorgen und in gleicher Weise kann auch eine Diffusionsvorrichtung mehrere Düsen mit dem mit Gas angereichertem Kraftstoff versorgen. The supply of the nozzle with fuel by a diffusion device in which gas is supplied by diffusion can also take place in such a way that more than one diffusion device, not shown in FIGS. 1 and 2, supply the nozzle with gas-enriched fuel and in the same way A diffusion device can also supply several nozzles with the gas-enriched fuel.
In Fig. 3 ist schematisch die aufgeschnittene Diffusionsvorrichtung 10 dargestellt. Im Inneren dieser Vorrichtung wird im Bereich 12 das Gas eingeleitet. Die rohrförmige Geometrie 11 zeigt die mikroporöse Wand (semipermeable Wand). Um dieses Rohr ist die äußere rohrförmige Geometrie 14 angeordnet, wobei im Zwischenraum 13 zwischen äußerer Wand 14 und äußerer Geometrie der mikroporösen Wand der Kraftstoff fließt. In Fig. 3, the cut diffusion device 10 is shown schematically. Inside this device, the gas is introduced in area 12. The tubular geometry 11 shows the microporous wall (semipermeable wall). The outer tubular geometry 14 is arranged around this tube, the fuel flowing in the space 13 between the outer wall 14 and the outer geometry of the microporous wall.
Die mikroporöse Wand, im Beispiel aus gesintertem Edelstahl, CrNi-Stahl, hat je nach Dimensionierung und Betriebsbedingungen eine Porosität, welche die erforderlichen Gasbestandteile hindurchlässt, anderseits verhindert, dass der Kraftstoff, bevorzugt Dieselkraftstoff durch die mikroporöse Wand diffundiert. Durch den höheren Gasdruck gegenüber dem Kraftstoffdruck und die wesentlich höhere Viskosität des Kraftstoffes gegenüber den diffundierenden Gasen Luft bzw. Abgas ist dies ausgeschlossen. The microporous wall, in the example made of sintered stainless steel, CrNi steel, has a porosity, depending on the dimensions and operating conditions, which allows the necessary gas components to pass through, and on the other hand prevents the fuel, preferably diesel fuel, from diffusing through the microporous wall. This is ruled out due to the higher gas pressure compared to the fuel pressure and the significantly higher viscosity of the fuel compared to the diffusing gases air or exhaust gas.
Zur Erhöhung der Diffusion in den Kraftstoff kann auch, wie in Fig. 4 gezeigt, die Gaszufuhr in den Kraftstoff im Bereich 18 jeweils über die mikroporösen Wände 17 und 19 erfolgen. Die Bereitstellung des Gases für die Diffusion wird durch die Bereiche 16 und 20 realisiert. To increase the diffusion into the fuel, as shown in FIG. 4, the gas can also be fed into the fuel in the region 18 via the microporous walls 17 and 19, respectively. The areas 16 and 20 provide the gas for diffusion.
Um ein möglichst günstiges Verhältnis von Oberfläche zum Volumen des Kraftstoffes für die Diffusion herzustellen, wird die Dicke des strömenden Kraftstoffes klein gehalten, wobei sich der Druckverlust der Strömung erhöht. Allerdings ist die Geschwindigkeit der Strömung in der Diffusionsvorrichtung relativ gering, so dass die Strömungsdruckverluste klein sind. Zur Optimierung der Diffusion kann auch die mikroporöse Wand so gestaltet werden, dass durch eine gewählte Topographie beispielsweise bei gleichem Radius die Oberfläche größer wird, dadurch erreicht, dass die Oberfläche gewellt, verzahnt oder in anderer Weise die Oberfläche vergrößernd gestaltet wird. In order to produce the best possible ratio of surface area to volume of the fuel for the diffusion, the thickness of the flowing fuel is kept small, the pressure loss of the flow increasing. However, the speed of the flow in the diffusion device is relatively low, so that the flow pressure losses are small. To optimize the diffusion, the microporous wall can also be designed in such a way that the selected topography increases the surface area with the same radius, for example, achieved in that the surface is corrugated, interlocked or otherwise designed to enlarge the surface.
Die Ausführung der Diffusionsvorrichtung ist nicht an rohrförmige Geometrien gebunden, vielmehr können auch andere Querschnitte, wie zum Beispiel rechteckige Geometrien oder ellipsenförmige Querschnitte angewendet werden.The design of the diffusion device is not tied to tubular geometries; rather, other cross-sections, such as, for example, rectangular geometries or elliptical cross-sections, can also be used.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist Dieselkraftstoff eine bevorzugte Realisierungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffes, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt, vielmehr eignen sich im Rahmen der Erfindung jegliche erfindungsgemäß mit dem Gas beladbare Kraftstoffe, eingeschlossen Benzin- bzw. Ottokraftstoffe verschiedener Oktanzahlen, synthetische Kraftstoffe, Methanol, Ethanol, Biodiesel, Pflanzenöle und geeignete Mischungen von diesen. In the context of the present invention, diesel fuel is a preferred embodiment of the fuel according to the invention, but the invention is not limited to this; rather, any fuels that can be charged with the gas according to the invention, including gasoline or gasoline fuels of different octane numbers, synthetic fuels, methanol, are suitable within the scope of the invention , Ethanol, biodiesel, vegetable oils and suitable mixtures of these.
Zwar ist das dem Kraftstoff durch Diffusion zugeführte Gas vorteilhaft Luft und/oder Abgas, das erfindungsgemäße Gas ist hierauf jedoch nicht beschränkt. Vielmehr sind auch nahezu beliebige andere Gase bzw. Gasgemische möglich, welche im Sinne der Erfindung in den Kraftstoff einbringbar sind und dann nach der Einspritzung in den Verdichtungsraum zum spontanen Zerplatzen der Tröpfchen führen, mit der erfindungsgemäßen vorteilhaften Wirkung auf die Kraftstoffverteilung und Tröpfchengröße. Beispielsweise kommen daher auch Wasserstoff, Alkohol, Methan, Ammoniak, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, verschiedene Edelgase, Propan, Butan, Biogas, allein, in Kombination oder in Kombination mit Luft und/oder Abgas zum Einsatz. Es ist vorteilhaft, wenn Gasgemische als Gas unterschiedlicher Zusammensetzung dem Kraftstoff zugeführt werden. Gerade auch die erfindungsgemäße Beladung von Kraftstoff mit Wasserstoff als Gas böte dann einen vorteilhaften Weg, den ansonsten nur schwer förderfähigen und handhabbaren Wasserstoff in eleganter Weise in den Kraftstoff nach dem Gedanken eines Trägermaterials einzubringen. Damit trägt nicht nur der Wasserstoff selbst energetisch zur Kraftstoffverbrennung bei, auch entsteht durch den Beitrag des Wasserstoffs zur Verbrennungsenergie keinerlei zusätzliches CO2. Although the gas supplied to the fuel by diffusion is advantageously air and / or exhaust gas, the gas according to the invention is not limited to this. Rather, almost any other gases or gas mixtures are possible, which can be introduced into the fuel within the meaning of the invention and then lead to spontaneous bursting of the droplets after injection into the compression chamber, with the advantageous effect according to the invention on the fuel distribution and droplet size. For example, hydrogen, alcohol, methane, ammonia, oxygen, nitrogen, carbon dioxide, various noble gases, propane, butane, biogas, alone, in combination or in combination with air and / or exhaust gas are used. It is advantageous if gas mixtures are fed to the fuel as gas of different composition. The charging of fuel according to the invention with hydrogen as a gas would then also offer an advantageous way of introducing the hydrogen, which is otherwise difficult to pump and handle, into the fuel in an elegant manner, based on the concept of a carrier material. Thus, not only does the hydrogen itself contribute energetically to the fuel combustion, the contribution of the hydrogen to the combustion energy also does not generate any additional CO2.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Einspritzdüse (1 ; 5) für Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, dadurch gekennzeichnet, dass eine Diffusionsvorrichtung (2; 6), die dem Kraftstoff durch Diffusion Gas zuführt, mit der Düse unmittelbar oder mittelbar verbunden ist.1. Injection nozzle (1; 5) for fuel, preferably diesel fuel, characterized in that a diffusion device (2; 6) which supplies gas to the fuel by diffusion is directly or indirectly connected to the nozzle.
2. Einspritzdüse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (1) und die Diffusionsvorrichtung (2) eine konstruktive Einheit bilden. 2. Injection nozzle according to claim 1, characterized in that the injection nozzle (1) and the diffusion device (2) form a structural unit.
3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzdüse (5) und die Diffusionsvorrichtung (6) konstruktiv getrennt sind.3. Injection nozzle according to claim 1, characterized in that the injection nozzle (5) and the diffusion device (6) are structurally separate.
4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftstoff Gas durch Diffusion über semipermeable Bereiche, insbesondere eine semipermeable Membran (11 ; 17; 19), zugeführt wird. 4. Injection nozzle according to one of claims 1 to 3, characterized in that gas is supplied to the fuel by diffusion over semipermeable areas, in particular a semipermeable membrane (11; 17; 19).
5. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran der Diffusionsvorrichtung aus Sintermetall besteht.5. Injection nozzle according to claim 4, characterized in that the semipermeable membrane of the diffusion device consists of sintered metal.
6. Einspritzdüse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran der Diffusionsvorrichtung aus CrNi-Stahl besteht.6. Injection nozzle according to claim 4 or 5, characterized in that the semipermeable membrane of the diffusion device consists of stainless steel.
7. Einspritzdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran der Diffusionsvorrichtung aus Keramik besteht. 7. Injection nozzle according to claim 4, characterized in that the semipermeable membrane of the diffusion device consists of ceramic.
8. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Diffusionsvorrichtung dem Kraftstoff Luft oder Abgas, oder Luft und Abgas, zugeführt wird. 8. Injection nozzle according to one of claims 1 to 7, characterized in that air or exhaust gas, or air and exhaust gas, is supplied to the fuel in the diffusion device.
9. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Gas unterschiedlicher Zusammensetzung dem Kraftstoff zugeführt wird.9. Injection nozzle according to one of claims 1 to 8, characterized in that gas of different composition is fed to the fuel.
10. Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verdichtungsraum, insbesondere Verfahren zum Betreiben der Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Schritte: 10. A method for injecting fuel into a compression chamber, in particular a method for operating the injection nozzle according to one of claims 1 to 9, characterized by the steps:
- Zuführen von Kraftstoff zu einer Diffusionsvorrichtung, - supplying fuel to a diffusion device,
- Beladen des Kraftstoffes mit einem Gas durch Diffusion in der Diffusionsvorrichtung , - loading the fuel with a gas by diffusion in the diffusion device,
- Zuführen des beladenen Kraftstoffes zu einer Einspritzdüse, insbesondere zu der Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und - feeding the loaded fuel to an injection nozzle, in particular to the injection nozzle according to one of claims 1 to 9, and
- Einspritzen des beladenen Kraftstoffes in einen Verdichtungsraum und/oder Einspritzraum. - Injection of the loaded fuel into a compression chamber and / or injection chamber.
11 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzen des beladenen Kraftstoffes in den ein Vakuum aufweisenden oder ausbildenden Verdichtungsraum bzw. Einspritzraum erfolgt. 11. Method according to Claim 10, characterized in that the charged fuel is injected into the compression chamber or injection chamber which has or forms a vacuum.
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