EP4146926B1

EP4146926B1 - Einspritzdüse und vorrichtung zur beladung eines kraftstoffes mit gas

Info

Publication number: EP4146926B1
Application number: EP21724570.3A
Authority: EP
Inventors: Hartmut Schiefer; Felix Schiefer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-05-05
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2024-07-03
Anticipated expiration: 2041-04-30
Also published as: WO2021223899A1; DE102020002684A1; EP4146926A1

Description

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.

Stand der Technik

Im Patent DE 314 252 A 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.
Des Weiteren ist aus US 5 150 836 A 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.
In GB 1 459 097 A wird eine Gaszerstäubungsdüse aufgeführt, in der die Flüssigkeit und Gas über spiralförmige Kanäle in einem Brennpunkt zusammengeführt werden.
In DE 44 44 417 A1 wird vor einer mechanisch angetriebenen Kraftstoffpumpe ein steuerbares Drosselventil offenbart, wodurch der Druck in der Kraftstoffleitung zu den Kraftstoffdüsen geregelt werden kann.
Auch ist bekannt aus DE 198 15 042 A1 , 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.
DE 197 13 377 A1 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.
Den vorgenannten Vorrichtungen und Verfahren sind gemeinsam, dass entweder Luft zum Austragen des Kraftstoffes verwendet wird oder Dieselkraftstoff durch Kollision der Fluide zerstäubt wird.
In DE 10 2013 213 349 B4 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 11 2006 000 809 T5 beschreibt einen Injektor, der in zwei Ebenen Öffnungen aufweist, wobei der Kraftstoff durch diese Öffnungen ausgestoßen wird und sich dadurch vermischt.
In EP 3 058 208 A1 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.
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.
Weiterhin ist bekannt DE 601 10 544 T2 , DE 10 2007 017 561 A1 und DE 20 2012 100 107 U1 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.
Bekannt ist auch EP 1 647 685 A2 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.
Auch die konkrete Formulierung der Anwendung von Diesel und Benzin ist bekannt DE 10 2012 112 337 A1 , wobei zuerst der Kraftstoff Benzin in klassischer Weise geladen wird und nach Kompression Diesel-Kraftstoff eingespritzt wird.
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.

Ziel der Erfindung

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

Diese Aufgabe wird durch die Einspritzdüse nach dem Hauptanspruch sowie das Verfahren nach dem Patentanspruch 8 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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 (semipermeable 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.
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.
Da das Viskositätsverhältnis von Dieselkraftstoff zu Luft sehr groß ist, kann über die semipermeable Wand dem Dieselkraftstoff Luft/Gas durch Diffusion zugeführt werden.
Die Parameter Permeationsfläche und -dicke, Gasdruck und Kraftstoffdruck werden so ausgelegt, dass die erforderliche Menge Gas durch Diffusion vom Kraftstoff aufgenommen wird.
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.
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 NO_x verringert werden.
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.
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.
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 20 2020 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.

Ausführungsbeispiel

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.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung die Einspritzdüse mit unmittelbar verbundener Diffusionseinheit.
Fig. 2 zeigt ebenso in schematischer Darstellung die Einspritzdüse mit mittelbarer Anbindung der Diffusionseinheit.
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.

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.
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.
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.
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.
Die mikroporöse Wand, im Beispiel aus gesintertem Edelstahl, CrNi-Stahl, hat je nach Dimensionierung und Betriebsbedingungen eine Porösität, 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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Einspritzdüse (1) für Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, wobei eine Gasfilter aufweisende Diffusionsvorrichtung (2), die dem Kraftstoff durch Diffusion Gas zuführt, mit der Düse verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Kraftstoff Gas durch Diffusion über semipermeable Bereiche der Diffusionsvorrichtung zugeführt wird, wobei die Diffusionsvorrichtung mit der Düse unmittelbar verbunden ist und die Einspritzdüse und die Diffusionsvorrichtung eine konstruktive Einheit bilden.
Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeablen Bereiche der Diffusionsvorrichtung eine semipermeable Membran (11; 17; 19) sind.
Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran der Diffusionsvorrichtung aus Sintermetall besteht.
Einspritzdüse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran der Diffusionsvorrichtung aus CrNi-Stahl besteht.
Einspritzdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran der Diffusionsvorrichtung aus Keramik besteht.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Diffusionsvorrichtung dem Kraftstoff Luft oder Abgas, oder Luft und Abgas, zugeführt wird.
Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Gas unterschiedlicher Zusammensetzung dem Kraftstoff zugeführt wird.
Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Verdichtungsraum, insbesondere Verfahren zum Betreiben der Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Schritte:
- Zuführen von Kraftstoff zu einer Diffusionsvorrichtung,

- Beladen des Kraftstoffes mit einem Gas durch Diffusion in der Diffusionsvorrichtung,

- Zuführen des beladenen Kraftstoffes zu einer Einspritzdüse, insbesondere zu der Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, und

- Einspritzen des beladenen Kraftstoffes in einen Verdichtungsraum und/oder Einspritzraum.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einspritzen des beladenen Kraftstoffes in den ein Vakuum aufweisenden oder ausbildenden Verdichtungsraum bzw. Einspritzraum erfolgt.