NL8700996A - Apparaat voor het mengen van gas of gassen met lucht, in een regelbare mengverhouding voor een verbrandingsmachine. - Google Patents

Description

1.

« ί · AFPARAAT VOOR HET LIS!*GEE VAF GAS OP GASSSIT I'ST LUCHT, II ESI" REGSL3ARS MEICGVSRHOUDIÏÏG VOOR ESP VERBRAPDIEGSLIACEIEE.

De uitvinding heeft betrekking op het mengen van gas cf gassei: met lucht, in een regelbare mengverhouding, door middel van een mengapparaat waarin de binnentredende lucht in een volledige wervelstroming wordt gebracht, waardoor een sterke onderdruk 5 wordt opgewekt in de kern, waardoor gas wordt aangezogen in een verhouding onafhankelijk van het debiet·

De mengverhouding van gas en lucht is regelbaar door een centraal verstelbare hoek van de luchtintreeschoepen·.· Be. luchtwervel stroming wordt in het radiale intreevlak versneld en via 10 een logaritmisch gecurvde profiel zo verliesloos mogelijk af gebogen in de axiale stroomafwaardse richting, naar een enigszins conisch toelopend menghuis. Daarbij wordt een kernstroom-buis omsloten, waarbinnen de opgewekte onderdruk het grootst is. Door de kernstroombuis-onderdruk wordt de hoofdgasstroom 15 aangezogen en wordt, afhankelijk van de doorstroomtijd in de meng-erruimte,gemengd met lucht via de vaste wervelroosters, welke zijn geplaatst in de uittrede sectie voor de mengselkiep.(fig 1en2) '. 87 0 099 6 ♦ 2.

(

Voor stationaire ofwel tractie verbrandingsmotoren wordt verbrandingsgas meestal bij ongeveer atmosferische druk aan-£0 gevoerd en gemengd met lucht in een gas-lucht menger.

Dit is noodzakelijk omdat bij een hogere gasdruk dan atmosferische druk, voor of tijdens het starten of ook stilstand van de motor,gas vrij zou kunnen uitstromen naar buiten, via de luchtinlaat, waardoor een explosiegevaar ontstaat.

25 Dergelijke gas-lucht mengsels worden direct na het mengen geleid naar de verbrandingsruimten van een verbrandingsmotor.

Als brandstof wordt gasvormige-, of gasvormige- tezamen met een vloeibare brandstof gebruikt, zoals bij een dual-fual motor.

30 Voor het verbrandingsproces zijn van primair belang de gaslucht verhouding, welke stoichiometrisch wordt genoemd wanneer juist voldoende lucht aanwezig is voor volledige verbranding van het aanwezige gas. (luchtovermaat is nul).

Veelal vrardt er een luchtovermaat toegepast of een overmaat 35 bestaande uit teruggevoerd verbrandingsgas ter vermindering van het ongewenste zuurstof-stikstof verbindingen in het uitlaatgas.

Als gasvormige brandstof wordt voor stationaire motoren meestal aardgas gebruikt en voor tractiemotoren meestal propaan, 40 butaan, of mengsels (LPG) daarvan.

De luchtovermaat/brand stof verhouding factor is, bij een gegeven slagvolume en compressie verhouding en ontstekingstijd-stip, bepalend voor het asveimogen van de motor en bepalend voor het specifieke motorvermogen, de uitlaatgas-temperatuur 45 en de vorming van I\T0x in het uitlaatgas.

Met andere woorden, de luchtovermaat/brandstof verhouding, "lambda" genoemd, is een van de meest belangrijke variabelen voor het instellen en/of regelen van het motorvermogen en de samenstelling en de temperatuur van de uitlaatgassen.

50 Doorgaans vindt verbranding in gasmotoren plaats bij een lambda-waarde tussen 1,0(=rijk mengsel, geen luchtovermaat) en 1,6 (arm mengsel, 60$ lucht overmaat), waarbij een vrijwel volledige verbranding van het mengsel in een cylinder mogelijk is.

.87 oom * 3.

Bij armere mengsels is een hogere compressieverhouding toelast-55 baar zonder het optreden van detonatie verschijnselen, dan bij rijke mengsels.

Het aanzuigen van het gas-lucht mengsel geschiedt volgens het neder-landsè patent 7605655, door de onderdruk van een motor. De aangezogen lucht wordt daarbij versneld in een venturibuis met een 60 kern, waardoor een onderdruk voor het aanzuigen van gas wordt gecreërd in het nauwste gedeelte van de ringvormige venturibuis.

De hoeveelheid gas kan daarbij nog geregeld worden door smeren van een gasinlaat-poort via een ingewikkeld systeem van membranen en veren, welke worden geactiveerd door onderdruk van de 65 motor.

Door de hoge luchtsnelheid in de venturi en daardoor korte verblijftijd in de menger, en door de eenzijdige gastoevoer in de keel van de venturi, blijkt echter inhomogeniteit van het mengsel te 70 ontstaan, welke tot in de verbrandingsruimten blijft bestaan met alle nadelen vandien.

Het bezwaar van die mengsel inhomogeniteit bestaat niet bij cr.ze uitvinding, waar juist door sterke circulatie en wervelrcosters goede homogeniteit wordt verkregen. Bovendien wordt de gas-lucht 75 mengverhouding bij onze uitvinding rechtstreeks er. nauwkeurig geregeld door circulatie verandering van de relatief grote luchtstreet, in plants van het ingewikkelde systeem van smoren van de gasstreom.

Volgens het amerikaanse patentschrif 2,565,907 zou het aanzuigen van een secundaire stroom door het in tangentiele richting laten 30 expanderen van een primaire stroom kunnen plaats vinden. Daarbij wordt ook een sterke rotatie beweging opgewekt, die het secundaire medium via een ringvormig spleet verplaatst naar een ruimte var. hogere druk dan de aanzuigdruk van het secundaire medium.

Het bezwaar van deze kompressorwerking is dat perslucht nodig i = 85 voor het expanderen en voor het overwinnen van de relatief grote wrijvingsweerstand in de ringvormige spleet,waar de circulatie bovendien sterk zal afnemen. De nozzles zijnvast en convergent voer het expanderen van het primaire medium en er is ocl: het gevaar van het stromen van het primaire medium in de secundaire medium eanveer-90 poert bij het niet voldoende afvoeren van het mengsel.

•870099? 4.

Die bezwaren of beperkingen bestaan niet bij onze uitvinding, daar juist een volledige, in axiale richting zo lang mogelijke, wervelstroming wordt opgewekt zonder overdrukken en zonder restricties in de kern. De in stroomafwaardse richting geplaat-95 ste wervelroosters dienen voor de vervollediging van de mengsel-vorming terwijl tevens bij onze uitvinding regelbare inlaat schoepen zijn voorzien voor het regelen van de mengverhouding.

Door het ontbreken van perslucht, kan de mengselstroom alleen op gang komen door aanzuiging van de verbrandingsmotor, waardoor 100 geen mengsel buiten het mengerhuis kan stromen. Het principe van het mengen berust op het opwekken van een onderdruk in de menger, door middel van een geforceerd opgewekte draaistroming of wervel stroming in de aangezogen lucht. Door deze opgewekte onderdruk kan gas worden aangezogen in een gewenste verhouding met 105 lucht en onafhankelijk van het debiet. De lucht wervelt als rota-tievrije potentiaal stroming om een buisvormige kern. De wervel-snelheid in een punt van deze stroming is omgekeerd evenredig met de straal vanuit de centerlijn-as van de stroming, (zie fig. 3). Door het afbuigen van de luchtstroming uit de inlaatsectie in 110 axiale richting van de menger ontstaat de kernwervelbuis, waarbinnen een niet-rotatievrije stroming heerst. Daarbij is de wer-velsnelheid recht evenredig met de straal vanuit de centerlijn-as van de stroming. Sen dergelijke stromingstoestand komt in de natuur voor bij bv. windhozen. Daarbij treden de grootste stroom-115 snelheden op in de mantel van de buisvormige kern, daar waar beide genoemde stromingsvormen aan elkaar grenzen. De kinetische energie van de wervelkern blijkt klein te zijn ten opzichte van de kinetische energie in de omringende potentiaalstroming, ofwel, het gedrag van de kernstroming wordt bepaald door de potentiaal-120 stroming die de kern omringt. De omvang van de volumestroom, welke de omringende potentiaalstroming veroorzaakt, dient dus ook groter te zijn dan de kemstroom, welke hoofdzakelijk door het aangezogen gas bepaald is. De kernstroomdiameter wordt geometrisch opgelegd. Deze potentiaalstroming wordt ingeleid en ge-125 stuurd door instelbare intreeschoepen in de intreesectie van de menger. Hierdoor zal een luchtdeeltje tijdens zijn spiraalsgewijze baan naar binnen, in snelheid en dus kinetische energie toenemen. Uit de mathematische beschrijving van de potentiaalstroming blijkt dat de hierbij optredende drukdaling evenredig is met het 130 kwadraat van de hoeksnelheid, gedeeld door de straal. Binnen de wervelbuis daalt de druk nog verder, tot een minimum, afhankelijk van het kwadraat van de hoeksnelheid en wervelbuis-diameter.

‘. 8700956

E

J · 135 Door deze onderdruk wordt het gas aangezogen.

Als nu de gasvoordruk gelijk wordt gemaakt aan de luchtdruk, door middel van een z.g. nuldruk-regelaar, dan is het tevens aantoonbaar dat de gas-lucht verhouding, bij bepaalde geometrische verhouding en soort elijke massa van gas en lucht,alleen 140 afhankelijk is van de hoek van de intreeschoepen.

Wanneer de onderdruk in de menger als graadmeter wordt beschouwd voor de gasaanzuig-capaciteit, dan kan het verband met intree-schoephoek en het deellast of vollast motorvermogen worden zichtbaar gemaakt.

145 In fig 4 is de invloed van de schoephoek op de onderdruk in de menger weergegeven.

In fig 5 is het verband tussen deellast vermogen en aangezogen gasvolume en lambdawaarde weergegeven.

Door middel van één enkel verstelorgaan, wordt door de stand 150 van de intreeschoepen bepaald, waarmee de circulatie-energie-toestand van de aangezogen lucht wordt beinvloed.

De circulatie bepaalt de mate van opgewekte onderdruk in het hart van het gas-lucht mengapparaat, waardoor de aangezogen gasstroom weer wordt bepaald.

155 Daarmee is de gas-luchtverhouding ofwel de lambda waarde dus regelbaar en wel zodanig, dat voor elke hoek van de lucht-intree schoepen een bepaalde lambda-waarde is te bepalen.

Het voordeel is dat de lambda-waarde nauwkeurig is te regelen, door de stand van de intreeschoepen, zonder dat de luchtvolume-160 stroom verandert.

Het is tevens mogelijk om een deel van de aangezogen luchtstroom te vervangen door verbrandingsgas, met het doel de luchtovermaat geheel of gedeeltelijk te vervangen door het verbrandingsgas ter beperking van de I\Ox-vorming.

165 De uitvinding voorziet daarvoor in een tweede gas-inlaat, waar het verbrandingsgas met geringe overdruk via een ringkamer en een gatenverdeling vlak achter de luchtintreeschoepen kan worden aangezogen.

Het aldus aangezogen verbrandingsgas verdringt een deel van de 170 luchtstroom, terwijl de totale volume stro om niet significant verandert, voor het mengen met het aardgas.

Beide stromen, zowel de aardgasstroom als de verbranöingsgasstroom kunnen worden bijgesteld door middel van de uitwendig aangebrachte restricties.

.8700996 6.

% * 175 Het mengapparaat is gebaseerd op het hierboven beschreven meng- principe. Het apparaat is opgebouwd uit een driedelig. huis:(fig 1) mengerhuis 1, vortex-flens 2, en gasinlaat-flens 5. De lucht wordt aangezogen via het luchtfilter 4 en wordt in circulatie gebracht door een aantal lucht-intree schoepen 3» welke regel-180 matig verdeeld zijn over de lucht-intree sectie.

De hoek van de schoepen 3 is instelbaar om een speciale penbout 8. Deze penbouten houden de vortexflens op een vaste afstand van het menghuis en wel zodanig dat de schoepen 3 vrij draaibaar zijn.

De gasinlaat flens 5 is zodanig gemonteerd op de vortexflens 2 185 dat een gaskamer 1.9 en daarvan gescheiden een verbrandings-gas-kamer 18 wordt verkregen.

Het verbrandingsgas resp. gas wordt aangevoerd: via de réstricties 13 en 14 naar de gaskamer 18 en 19. Via de gaten 22 in de vortexflens resp. via de gasinstroom-nozzle 20, welke een-190 traal is geschroefd 21 in de vortexflens wordt het gas door opgewekte onderdruk in de mengruimte 23 van het menghuis gezogen.

De draaiende lucht en gas stroming wordt tot grotere homogeniteit gemengd door middel van de twee of drie wervelroosters 24, welke in het mengerhuis zijn gemonteerd en gefixeerd met schroe-195 ven 33. Deze wervelroosters bezitten een aantal gelijkvormige schoepjes, welke verbonden zijn met een centrale ring. De wervelroosters geven een toenemende werveling aan het gas-lucht-mengsel tussen de mengselklep 25, 26 en de mengselkamer 23.

Het homogene gas-lucht mengsel wordt via de mengselklep 25, 26 200 naar de motor geleid en wel zodanig dat de mengsel-volume- stroom wordt geregeld door het voorgaats draaien van de syme-trische uitsparingen 26 in beide mengselklep-schijven. (fig 2).

Om de uitsparingen voorgaats te draaien met behulp van mengsel-205 klepas 6 en hefboom 7, wordt de mengselklep-schijf 26 gefixeerd in het menghuis 1 en mengselklep-schijf 25 wordt bevestigd aan de mengselklepas 6, middels de nok 27.

>8700996 7.

* . De uitsparingen van de mengselklep-schijven zijn zodanig, dat een zo groot mogelijk doorlatend oppervlak wordt verkregen, doch te-210 vens de mengselstroom geheel kan afsluiten.

Bij geheel gesloten mengselklep zal echter de motor stationair blijven draaien. Daarvoor dient het bypass kanaal 28 om de mengselklep. De volumestroom voor stationair bedrijf is instelbaar middels afstelhout 30 in de deksel 29.

215 De menger wordt met bevestigingsmiddelen in de tapgaten aan de onderkant van het mengerhuisaan de motor bevestigd, in verticale of horizontale positie. Behalve de vaste hoekinstelling van de lucht-inlaat-schoepen 3 kan de mengverhouding ook tijdens bedrijf worden geregeld door middel van een stelorgaan of stelmotor 12.

220 Eet verstelmechanisme bestaat uit een verstelstang, verbonden aan pen 11, die ring 10 verdraait. De ring 10 ligt in een ringvormige groef in de vortex flens 2 en is via een meeneem-pen in de uitsparing 9 met de lucht-intreeschoep verbonden.

Door een verstellengte van enkele centimeters voor de ring 10 225 kunnen gelijktijdig alle schoepen tussen 40- en 70 graden versteld worden.

.8700996

Claims (8)

8. ƒ ‘ ’ CCICniSIBS

1. Apparaat voor het vormen van een homogeen gasmengsel uit verschillende gascomponenten met een regelbare mengverhouding, onafhankelijk van het mengsel debiet, met het kenmerk dat de luchtcomponent via een radiale intree door een instelbare in-treehoek in een beheersbare draaiing of wervelstroom wordt gebracht en waarbij de gascomponenten axiaal worden aangezogen door de, van de wervelstroom afhankelijke onderdruk.

2. Apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de radiale luchtinvoer tussen een boven- en onderflens via een logaritmisch gecurvde profiel van de bovenflens, overgaat in een conisch menghuis, dat voorzien is van wervelroosters en mengsel-klep.

3. Apparaat volgens conclusie 1 en 2, met het kenmerk dat alle luchtgeleidingsschoepen verbonden zijn middels een pen-in-sleuf mechanisme, met een ring gelegen in een groef in genoemde bovenflens, welke zodanig versteld kan worden door een elec-trische stappenmotor, dat een schoephoek-instelling tussen 40-en 70 graden mogelijk is.

4. Apparaat volgens conclusie 1-3, met het kenmerk dat op de bovenflens een topflens is geplaatst, zodanig, dat een of meer bufferruimtes worden verkregen voor het toevoeren van gas resp. verbrandingsgas, welke via instelbare restricties worden toegevoerd.

5. Apparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat één of meer wervelroosters, voorzien van radiaal geplaatste links- en rechtsdraaiende leidschoepen, zijn geplaatst in het mengerhuis.

6. Apparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat een mengselklep is aangebracht in de uitstroomzijde van het mengerhuis, bestaande uit een verdraaibare schijf en daaronder een vaste schijf, beide voorzien van zodanige segmentvormige uitsparingen, dat in volledig geopende stand van de mengselklep, maximaal 45% doorlaat-oppervlak wordt verkregen en in gesloten stand 0%. -87Ö09S6 V ' o J ·

7. Apparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat een omleidingskanaal is aangebracht om de mengselklep, voorzien van een stelhout voor het instellen van een minimum mengselstroom by gesloten mengselklep.

8. Apparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat in middelen is voorzien voor het inkleramen van een luchtfilter, concentrisch rondom de genoemde luchtintreesectie. >8700896