WO1992013188A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der brennstoffzerstäubung bei verbrennungsmotoren - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der brennstoffzerstäubung bei verbrennungsmotoren Download PDF

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WO1992013188A1
WO1992013188A1 PCT/CH1992/000010 CH9200010W WO9213188A1 WO 1992013188 A1 WO1992013188 A1 WO 1992013188A1 CH 9200010 W CH9200010 W CH 9200010W WO 9213188 A1 WO9213188 A1 WO 9213188A1
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air
pump
combustion
enrichment
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Hans Nyffenegger
Willi Zwygart
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Epro Ag
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M71/00—Combinations of carburettors and low-pressure fuel-injection apparatus
    • F02M71/02—Combinations of carburettors and low-pressure fuel-injection apparatus with fuel-air mixture being produced by the carburettor and being compressed by a pump for subsequent injection into main combustion-air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to a method for improving the combustion of liquid fuel in an internal combustion engine, the fuel being removed from a tank by means of a pump and injected into the combustion chamber via a nozzle with simultaneous supply of the combustion air or introduced via a carburetor.
  • the second trend is, conversely, an optimization of the ratio of the recovery cycle, resources in particular energy requirements and environmental pollution for production and operation.
  • the main focus is not only to continuously produce the latest, more advanced consumer goods, but in particular also to adapt the products in operation to the newest state of the art through partial improvements, so that a gradual renewal of the products in use is ensured.
  • the peculiarity of the current production method with assembly line and robot is clearly geared towards new products, whereas a majority of operators want the second trend based on an overall ecological approach.
  • a measure has a positive effect for one or two parameters, but a negative one for others. This applies, for example, to the following: Consumption savings, energy efficiency, performance, respectively increasing the plant size (weight) of the plant, pollutant reduction in relation to CO, N0 X , soot particles, hydrocarbons etc. in particular also C0 2 via consumption savings.
  • new products also improve other parameters that are not directly relevant to combustion, such as driving behavior, room shape or controls, so that the widespread opinion that this category of products can only be continuously improved by designing completely new overall models State of the art to be adjusted.
  • the catalyst has been given exemplary character.
  • the catalytic converter certainly has a number of advantages, the old cars were not retrofitted in general, as they regularly required less effort for specialized maintenance and then the advantages of the catalytic converter did not come into play.
  • the object of the invention was now to improve the combustion of liquid fuel, such as gasoline and diesel oil, to achieve a more complete and more effective combustion with less harmful exhaust gases, with the possibility of using the improvement also for existing internal combustion engines, but especially also the so-called Retrofit old cars with it.
  • liquid fuel such as gasoline and diesel oil
  • the method according to the invention is characterized in that the fuel in the liquid state is weakly enriched with a gaseous medium on the suction side of the fuel pump to form a fuel which is ready to be atomized, preferably by forming the very finest air bubbles.
  • the inventors have now discovered that the atomization or gasification willingness of a liquid fuel can be drastically increased by introducing a very small amount of air on the suction side of the pump, because this massively reduces the internal cohesion and connection forces of the liquid - for example, in analogy to hard Water and water to which only a small amount of washing powder has been added.
  • the effectiveness of the combustion may be due in particular to the fact that the fuel for the gas enrichment is placed in negative pressure relative to the surrounding static air pressure.
  • Combustion is correspondingly bad.
  • the invention supports all areas of operation of a vehicle engine by improving the gasification or, respectively, the injection.
  • the phenomenon is known that in the case of liquid fuel, gaseous and liquid components separate even at an underpressure of less than 0.27 bar, or less than 0.73 ata. If air is blown into the liquid fuel in larger quantities, as in the known brake air gasifiers, with a slight pressure, a foaming mixture is formed, with recognizable large air bubbles. Apart from the reduction of the fuel content, the gasification is even worse, if one assumes the exhaust gas values, since a large part of the fuel leaves the cylinder unburned.
  • the calorific value should not be reduced, but the gasification or atomization should be positively influenced.
  • the combustion engine category there were very different optimal air enrichment values. According to the previous investigations, it has been shown that in the case of diesel engines with the very high compression of the fuel to 100 and more bar, an optimal air enrichment of only 1 per thousand to 1 volume percent (unpressurized) results. With values significantly above 1%, there were no improvements in the examined Disel engine model.
  • the enrichment is very particularly preferably carried out by admixing ambient air in the suction line of the fuel pump. When passing through the fuel suction line, air is added to the fuel.
  • the fuel-bubble-air mixture produced in this way remains for up to 7 minutes - after the air enrichment process, after which, as with mineral water, the finest rising air bubbles can be detected.
  • the optimal fuel / air mixture ratio is only effective if it is possible to distribute the mixture evenly over the entire combustion chamber at the right time.
  • a further advantageous design idea is that the admixture takes place via a suction jet or Venturi principle.
  • this air enrichment is achieved with the simplest of means and without the use of additional (auxiliary) energy.
  • the pressure in a flowing liquid is lowest where the flow velocity is highest. In practical terms, this means that the liquid fuel is drawn in through a small cross-section, so that the vacuum required to absorb air is created there. It can be assumed that when the fuel and air are first contacted, the air is taken along as a boundary layer from the start due to the small cross-sections of the suction jet pump used and is immediately dispersed in the fuel.
  • the subsequent pump in particular has an additional mixing function and helps to atomize any larger air bubbles in the fuel, these being reduced to invisible small air bubbles.
  • the air bubbles before they exit the nozzle are so small, analogous to the state of the transition from dissolved carbonic acid to the formation of the first tiny bubbles in carbonated water. Depending on the application, different forces come into play.
  • the invention further relates to a device for improving the combustion of liquid fuel in a combustion chamber of a gasoline or diesel engine, which has a fuel tank, a pump and a carburetor or injection device with combustion air supply and is characterized in that in the area of the liquid A fuel supply device for controlled air bubble enrichment of the fuel is arranged.
  • the device for enriching air bubbles has a suction jet pump on the suction side of the pressure pump.
  • the device for admixing air has an orifice for throttling the air supply and preferably an air filter in front.
  • a valve should be arranged on the air intake side.
  • the suction jet pump is designed as a separate structural unit for retrofitting existing engines.
  • the fuel pump is designed as a fuel-air pump together with the device for air admixture.
  • FIG. 1 shows an installation example for an injection engine.
  • FIG. 2 shows a view of the air enrichment device.
  • FIG. 2a shows FIG. 2 with controllable air intake valve.
  • FIG. 3 shows a cross section through a device for controlled air bubble enrichment.
  • FIG. 3a FIG. 3 with adjustable fuel passage;
  • FIG. 4 the venturi-like air intake through the fuel flow on an even larger scale;
  • FIG. 5 the installation of an air bubble enrichment in a vehicle.
  • the liquid fuel 1 is removed from a fuel tank 2 via a suction line 3, and passes through a device for enriching air bubbles 4 and is from
  • the fuel pump is designed as a roller cell pump and has a suction nozzle 6 and a pressure nozzle 7, from which the fuel feeds via a pressure line 8 to an injection nozzle 9, from which it is in the form of a spray in the intake manifold 10 of a combustion chamber 11 when a valve 12 is open , to be led.
  • FIGS. 2 and 3 show the device for enriching the air bubbles 4 on an enlarged scale, which has a housing 20, an inlet connection 21 and an outlet 22 for liquid fuel.
  • the device 4 can be attached via a bracket 13.
  • An air filter 23 is firmly screwed into the upper end of the housing 20, from which the air flows through a bore 24 and an orifice 25 with a fine bore in the range of tenths of a millimeter.
  • a check valve 26 is held in position by means of an adjusting screw 27 and prevents fuel from escaping through the air filter 23 in the event of a slight overpressure in the intake line 3.
  • Figure 3 shows a particularly advantageous embodiment of the Venturi tube.
  • the inlet connection 21 there is a relatively large cross-sectional area Q1 corresponding approximately to the cross-sectional area Q3 at the outlet 22.
  • the fuel passage area Q2 in the narrowest cross-section is very much smaller, possibly 10-20 times smaller than the areas Q1 and Q2. This results in a very high flow velocity of the fuel in the narrowest point; the static pressure is accordingly low at Q2, so that bubble air is sucked in via the bore 28.
  • a negative pressure is artificially maintained in the bore 28 by the fine bore in the diaphragm 25. In this way, the absolute pressure can also be kept under control on the air side when air and fuel are combined, and the formation of very fine air bubbles can be ensured.
  • the cross-section Q2 can also be made adjustable and the fuel throughput can be regulated by pulling a plastic hose 30 via adjusting rollers 31.
  • FIG. 4 shows the more well-known design of the Ventury tube, the cross-sectional areas Q1, Q2, and Q3 continuously merging into one another.
  • FIG. 5 shows a passenger car with a built-in device 4 for the controlled enrichment of air bubbles in the fuel line 3 between the fuel tank and the fuel pump 5. This is a carburetor engine 4.
  • the fuel is also guided here via a suction jet pump, which generates a corresponding reduction in the static pressure in the fuel by locally increasing the speed of the fuel.
  • a vacuum at the fuel-air contact point of at least about 3000 mm WS below the normal ambient pressure (0.7 ata) is desirable.

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Abstract

Die neue Erfindung schlägt vor, den Brennstoff mit einer geringen Menge Luft, bei Dieselmotoren von 0,1 - 1 % bei Vergasermotoren von vorzugsweise 3 - 10 % derart anzureichern, dass allerfeinste Luftbläschen in unzählbarer Menge gebildet und der Brennstoff ein zerstäubungswilligeres Verhalten bekommt. Die Luft wird bei Unterdruck ansaugseitig einer Pumpe (5) vorzugsweise über eine Luftstrahlpumpe (4) zugegeben. Man erhält Brennstoffeinsparungen bis zu 20 und mehr Prozente sowie wesentlich tiefere Abgaswerte durch eine vollkommenere Gemischbildung und entsprechend einer vollkommeneren Verbrennung in einem Zylinder (11).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung der Brennstoff- Zerstäubung bei Verbrennungsmotoren
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einem Verbrennungsmotor, wobei der Brennstoff mittels Pumpe einem Tank entnommen, und über eine Düse mit gleichzeitiger Zufuhr der Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt oder über einen Vergaser eingebracht wird.
Es sind heute zwei einander deutlich entgegengesetzte Trends erkennbar, zur Verbesserung der Energiewirtschaft zu Beispiel in Bezug auf Kraftfahrzeuge. Durch die intensive Erforschung aller Zusammenhänge der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen werden durch gezielte technische Ausgestaltungen von Brennraum, Vernebelung, respektiv Vergasung des Brennstoffes und der Steuerung der Zündung, laufend Verbesserungen, in Bezug auf den Energieverbrauch und eine möglichst vollständig saubere Verbrennung erzielt und entsprechende Produkte auf den Markt gebracht. Wird nun der sauberen Verbrennung aus Luftreinhaltegründen erste Priorität gegeben, so entsteh, die Forderung, unabhängig der Funktionstüchtigkeit, eines Kraftfahrzeuges das alte ausser Betrieb zu nehmen und durch ein fortschrittlicheres Neuprodukt zu ersetzen. Die zusätzlichen Umwelt-Belastungen und beanspruchten Ressourcen, die aus dem so künstlich verkürzten Wiederherstellzyklus möglicherweise in weiter weg liegenden Ländern entstehen, werden dabei nicht berücksichtigt.
Der zweite Trend geht, umgekehrt von einer Optimierung des Verhältnisses Wiederherstellzyklus, Ressourcen insbeson¬ dere Energiebedarf und Umweltbelastung für Herstellung und Betrieb aus. Das Hauptaugenmerkt liegt darin, nicht nur laufend neueste, fortschrittlichere Konsumgüter herzustellen, sondern insbesondere auch die im Betrieb befindlichen Produkte durch Teilverbesserungen dem neuen Stand der Technik anzupassen, damit ein schrittweises Erneuern der im Einsatz befindlichen Produkte sichergestellt wird. Die Eigenart der gegenwärtigen Herstellmethode mit Fliessband und Roboter ist eindeutig auf Neuprodukte ausgerichtet, wohingegen eine Mehrheit der Betreiber, basierend auf einer gesamt-ökologischen Betrachtungsweise, den zweiten Trend wünschen.
Ein bekanntes Erschwernis für die laufende Verbesserung der im Einsatz befindlichen Massengüter wie Verbrennungsmotoren liegt in der komplexen "Natur" die sich aus dem Zusammenspiel der mechanisch-elektrischen Komponenten und des physikalisch-chemischen Ablaufes der Engergieumsetzung begründet. Vielfach wirkt sich nämlich eine Massnahme für ein oder zwei Parameter positiv, dagegen für andere negativ aus. Es betrifft dies zum Beispiel die folgenden: Verbrauchseinsparungen, energetischen Wirkungsgrad, Leistungsfähigkeit, respektiv Erhöhung der Anlagegrösse (Gewicht) der Anlage, Schadstoffreduktion in Bezug auf CO, N0X, Russpartikel, Kohlenwasserstoffe usw. insbesondere auch C02 über Verbrauchseinsparungen. Es kommt hinzu, dass bei Neuprodukten auch andere, für die Verbrennung nicht direkt relevanten Parameter, wie Fahrverhalten, Raumform oder Regelungen verbessert werden, so dass sich die Meinung stark verbreitete, diese Kategorie von Produkten könne nur durch das Entwerfen je vollständig neuer Gesamtmodelle fortlaufend dem Stand der Technik angepasst werden.
Der Katalysator hat in diesem Zusammenhang Beispiels¬ charakter erhalten. Obwohl der Katalysator bestimmt eine Anzahl Vorteile bringt, wurde doch auf eine generelle Umrüstung der alten Autos verzichtet, da bei diesen regelmässig ein weniger grosser Aufwand für eine spezialisierte Wartung getrieben und dann die Vorteile des Katalysators nicht zum Tragen kommen.
Der Erfindung wurde nun die Aufgabe gestellt, die Verbrennung von flüssigem Brennstoff, wie Benzin und Dieseloel zu verbessern, eine vollständigere und wirkungsvollere Verbrennung mit weniger schädlichen Abgasen zu erreichen, mit der Möglichkeit, die Verbesserung auch für bestehende Verbrennungsmotoren einzusetzen, insbesondere aber auch die sogenannten Altautos damit nachzurüsten.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeich¬ net, dass der Brennstoff in flüssigem Zustand ansaugseitig der Erennstoff-Pumpe mit einem gasförmigen Medium schwach angereichert wird, zur Bildung eines zerstäubungswilligen Brennstoffes, vorzugsweise durch Bildung allerfeinster Luftbläschen.
Im Motorenbau ist es bekannt, über das System der sogenannten Bremsluftdüsenvergaser respektiv Bremsluft¬ vergaser dem flüssigen Brennstoff Luft beizumischen. Insbesondere kommt dies bei Leerlauf und Teillast zur Anwendung um eine Überfettung des Treibstoffes zu verhindern. Durch die Beimengung von Luft unmittelbar vor der Einspritzung wird eine Treibstoff-Luft-Emmulsion und dadurch ein mageres Gemisch hergestellt. Bei niedrigen Aussentemperaturen wird zum Kaltstart ein Treibstoff- Luft-Verhältnis von 1 : 1 bis 1 : 3 benötigt. Sobald der Motor anspringt erwärmt sich der Ansaugkrümmer und das Gemisch wird auf Mischungsverhältnis von 1 : 4 bis 1 : 6 herabgesetzt. Bei warmem Motor genügt ein Mischungsverhältnis von 1 : 15. Man rechnet für einen Personenwagen, dass er pro Minute durchschnittlich 3000 - 6000 Lt. Luft verbraucht.
Die Erfinder haben nun entdeckt, dass die Zerstäubungs- respektiv Vergasungswilligkeit eines flüssigen Brennstoffes durch Einbringen einer kleinsten Menge Luft ansaugseitig der Pumpe drastisch erhöht werden kann, weil damit die inneren Kohäsions- respektiv Zusammenhangs- kräfte der Flüssigkeit massiv reduziert werden - etwa in Analogie zu hartem Wasser und Wasser dem nur eine geringe Menge Waschpulver beigegeben wurde. Die Effektivität der Verbrennung ist möglicherweise besonders darauf zurückzuführen, dass für die Gasanreicherung der Brennstoff gegenüber dem umgebenden statischen Luftdruck in Unterdruck versetzt wird.
Zur völligen Überraschung aller Beteiligten konnte mit Laberuntersuchungen eindeutig bestätigt werden, dass damit für die Verbrenung von flüssigem Brennstoff auf Erdölbasis drei entscheidende Vorteile erzielbar sind:
- Einsparung von Benzin oder Dieseloel
- Leistungs-Erhöhung
- Senkung der Schadstoffe in den Abgasen Keiner dieser drei Vorteile muss mit irgendwelchen Nachteilen anderer Art erkauft werden.
Die in der Folge gegebenen Messwerte wurden alle an vorhandenen Motoren ermittelt, also durch Nachrüstung, respektiv zusätzliche Anwendung der neuen Erfindung. Messwerte (x = wesentliche Verbesserung)
Personenwagen Lastwagen
Verbrauchsein- sparunσ 10 15 % 20 %
Leistungserhöhunσ bis 15 %
Schadstoffreduk ion (Abqasentqiftunσ)
HC Kohlenwasser- stoffe 50% und mehr 50% und mehr
NO Stickoxyde NQ2 (NOx)
Russpartikel
Die Messresultate zeigen sehr schön gleichsam das Idealbild einer Erfindung mit wirklichem Fortschritt. Einer beachtlichen Verbrauchseinsparung (10 - 20 %) und Leistungserhöhung stehen insbesondere eine nicht erwartete Reduktion aller gemessenen Schadstoffe (CO, HC, NO, N02, Russ usw.) gegenüber. Das verblüffenste Resultat liegt jedoch in der Einfachheit der Lösung. Provisorische Vorausberechnungen haben ergeben, dass nach 1000 - 2000 km Fahrleistung bereits durch Fahrkosteneinsparung allein sich eine Nachrüstung amortisieren kann, respektiv zum Beispiel schon nach 1 - 2 Monaten Betriebszeit.
Es ist davon auszugehen, dass für die unerwartete Anzahl positiver Effekte eine ganze Anzahl verschiedener physikalischer Gesetze mitwirken. Ein entscheidender
Grund liegt jedoch auch darin, dass bei den Diesel- und
Bezinmotoren die Auslegung der Verbrennung ein
Optimiervorgang, letztlich aber ein Kompromiss zwischen allen möglichen Fällen ist (Drehzahl, Teillast, Volllast) wobei die Auslegung auf die am häufigsten zu erwartenden
Betriebszustände basiert. Gerade dies aber ist der zentrale Schwächepunkt der gegenwärtigen
Extremforderungen (aus der Sicht des Verhältnisses
Motorleistung - Schadstoffe) von zum Beispiel innerorts-
Temporeduktionen und Autobahnen. Bekannt ist die
Tatsache, dass bei sehr tiefen Motor-Drehzahlen regelmässig ein unverhältnismässiger Anstieg der
Schadstoffe festgestellt wird, da die Verbrennung in entsprechenden Extremlagen wegen der dafür ungünstigen
Auslegung mangelhaft wird, weil keine ideale Vermischung
Kraftstoff - Luftsauerstoff mehr möglich und die
Verbrennung entsprechend schlecht ist.
Gerade hier aber unterstützt die Erfindung alle Betriebsbereiche eines Fahrzeugmotores durch Verbesserung der Vergasung, respektiv der Einspritzung. Es ist das Phänomen bekannt, dass bei flüssigem Brennstoff schon bei einem Unterdruck von unter 0,27 bar, resprektiv unter 0,73 ata sich gasförmige und flüssige Komponenten trennen. Wird Luft in grösseren Mengen wie bei den bekannten Bremsluftvergasern mit leichtem Druck in den flüssigen Brennstoff eingeblasen, entsteht ein schäumendes Gemisch, wobei erkennbar grosse Luftblasen entstehen. Abgesehen von der Reduzierung des Brennstoffanteiles wird damit aber die Vergasung, geht man von den Abgaswerten aus, sogar verschlechtert, da ein grosser Teil des Brennstoffes unverbrannt den Zylinder verlässt.
Erfindungsge äss soll demgegenüber nicht der Heizwert reduziert sondern die Vergasung respektiv Zerstäubung positiv beeinflusst werden. Interessanterweise haben sich je nach Verbrennungsmotorkategorie ganz unterschiedliche optimale Luftanreicherungswerte ergeben. Nach den bisherigen Untersuchungen hat es sich gezeigt, dass im Falle von Dieselmotoren mit der sehr hohen Kompression des Brennstoffes auf 100 und mehr bar eine optimale Luftanreicherung von nur 1 Promille bis 1 Volumen-Prozent (drucklos) ergeben. Mit Werten wesentlich über 1% traten bei dem untersuchten Diselmotor - Modell keine Verbesserungen ein.
Im Betrieb konnte festgestellt werden, dass über dem Zylinder eine viel gleichmässigere Temperaturverteilung mit der neuen Erfindung verhanden ist. Anfänglich vorhandene Russablagerungen wurden teils abgebaut, respektiv verloren ihre schwarze Farbe. Der Konsum an Motorenoel konnte reduziert werden, wobei bei zwei Vergleichsfahrzeugen, nach 10'000 km Fahrleistung mit Luftanreicherung das Motorenoel noch eine bräunliche Farbe, ohne Luftanreicherung aber eine pechschwarze Farbe aufwies. Bei einem Vergasermotor wurden überraschend gute Resultate mit Anreicherungswertenvon einemVolumenanteil Luft-Brennstoff (drucklos) 1 - 30 %, vorzugsweise etwa bei 3 - 10 % gemessen. Bei einem Modell (PW) wurde ein Optimalwert von 5 Volumenprozent Luft zu 95 Volumenprozent Brennstoff ermittelt.
Ganz besonders bevorzugt erfolgt die Anreicherung durch Beimischng von Umgebungsluft in der Saugleitung der Brennstoffpumpe. Beim DurchfHessen durch die Brennstoff- Saugleitung wird dem Brennstoff Luft beigemischt. Das auf diese Weise hergestellte Brennstoff-Bläschen- uft- Gemisch bleibt bis zu 7 Minuten - nach dem Luftanreicherungsvorgang erhalten, danach können wie bei Mineralwasser feinste aufsteigende Luftbläschen festgestellt werden.
Bekanntlich wird für jede Verbrennung Sauerstoff und somit Luft benötigt. Dabei ist es ein ganz wesentlicher Unterschied, ob das Verhältnis Brennstoff / Sauerstoff genau stimmt oder nicht. In der praktischen Wirklichkeit kann es nur mehr oder weniger genau stimmen, ideal ist e= in einem wechselnden Betrieb nie. Aber nicht nur das soeben erwähnte Verhältnis ist wichtig. Auch wenn es genau stimmen würde, sich aber im sehr kurzen Augenblick der Verbrennung, besser gesagt der "Explosion" in der. Zylinder eines Verbrennungsmotores, der Brennstoff in einem Teil des Brennraumes und die Luft in einem anderen Teil aufhalten würde, würde auch ein ideales Volumenverhältnis nichts nützen. Die Verbrennung erfolgt dann trotzdem unvollständig. Das aber heisst, dass von dem kostbaren Brennstoff nur ein reduzierter Teil der Energie ausgenützt wird. Was man gemeinhin als schädliche Abgase bezeichnet, ist im wesentlichen unvollständig, oder manσelhaft verbrannter Brennstoff. So ist die real existierende Wirklichkeit bei Millionen von Automotoren und anderen Verbrennungsmotoren; es wird zuviel unvollständig verbrannt.
Das optimale Brennstoff / Luft - Mischungsverhältnis ist nur dann wirkungsvoll, wenn es gelingt, das Gemisch im rechten Zeitpunkt gleichmässig über den ganzen Brennraum zu verteilen.
Anhand eines Testversuches, die Brennflamme in ein Brennraum eines Heizkessels mittels einer Oelbrennerdüse sichtbar zu machen, konnte bewiesen werden, dass der mit Bläschen-Luft angereicherte Brennstoff ein wesentlich gleichmässigeres Flammenbild und insbesondere eine Flamme von teils mehr als doppeltem Flammenvolumen aufweist, was eindeutig auf eine ideale Zerstäubung respektiv Vergasung des Brennstoffes hinweist.
Ein weiterer vorteilhafter Ausgestaltungsgedanke liegt darin, dass die Beimischung über ein Saugstrahl- respektiv Venturi-Prinzip erfolgt. Erreicht wird diese Luftanreicherung interessanterweise mit einfachsten Mitteln und ohne Aufwendung von zusätzlicher (Hilfs-) Energie. Das altbekannte bernoullische Gesetz, wonach in einer strömenden Flüssigkeit der Druck dort am niedrigsten ist, wo die Strömungsgeschwindigkeit am höchsten ist, macht dies möglich. Praktisch bedeutet das, dass der flüssige Brennstoff durch einen kleinen Querschnitt angesaugt wird, sodass dort zum Aufnehmen von Luft der erforderliche Unterdruck entsteht. Es ist zu vermuten, dass bei der ersten Kontaktnahme von Brennstoff und Luft wegen der geringen Querschnitte bei den verwendeten Saugstrahlpumpe von Anfang an die Luft als Grenzschicht mitgenommen wird und sich sofort in dem Brennstoff fein verteilt. Die anschliessende Pumpe hat neben der Druckbildung insbesondere eine zusätzliche Mischfunktion und hilft allfällige grössere Luftbläschen in dem Brennstoff zu zerstäuben, wobei diese zu unsichtbaren Kleiπszluftbläschen reduziert werden. Die Luftbläschen vor dem Austritt aus der Düse sind so klein, analog des Zustandes beim Übergang von gelöster Kohlensäure und der Bildung der ersten winzigen Bläschen in kohlesäurehaltigem Wasser. Je nach Anwendungsfall kommen also unterschiedliche Kräfte zur Geltung.
Bei Vergasermotoren genügt eine Art Sprengwirkung der imenεεn Zahl kleinster Luftbläschen in dem Brennstoff bei nur leichtem Druckanstieg im Vergaser. Wohingegen bei dem Brennstoffeinspritzsystemen der Luftangereichterte Brennstoff bei der Austrittsstelle der Düse ein völlig neuartiges Verhalten bekommt, indem die zum Beispiel mit 10 bar komprimierte Luft sich um ein Vielfaches plötzlich ausdehnt und die Brennstoffteilchen eine noch nie dagewesene Zerstäubungs- und Beschleunigungswirkung (Puff-Wirkung) und überraschend gute Verbrennungswerte zur Folge haben, was besonders auf die folgenden Sachverhalte zurückzuführen ist:
- durch die Luftanreicherung mit feinsten Luftbläschen verliert der Brennstoff die inneren Bindekräfte
- es tritt eine Expansionswirkung der feinsten Luftbläs¬ chen auf, die die Vernebelungs- respektiv Spray-Wirkung beim Zusammenprall mit der Verbrennungsluft steigert - Verbesserung des Verbrennungsgemisches
- Verbesserung der Gemischverteilung in dem Brennraum unabhängig des Betriebszustandes.
Man erreicht sehr stabile Verbrennungsverhältnisse, wenn die Zufuhr der Luft über eine Blende, respektiv eine Drossel erfolgt. So wird erreicht, dass bei verschiedenen Belastungen in Abhängigkeit des Brennstoffverbrauches eine optimale Luftanreicherung möglich ist.
Es ist im weiteren möglich, die Luft für die Sauerstoff¬ anreicherung vorzuwärmen und/oder zu kühlen, dies unabhängig der leichten Kompressions ärme der Luft.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einem Brennraum eines Benzin- oder Dieselmotores, welche ein Brennstofftank, eine Pumpe sowie eine Vergaser- respektiv Einspritzeinrichtung mit Verbrennungsluft- zufuhr aufweist und ist dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der flüssig-Brennstoffzufuhr eine Einrichtung zur kontrollierten Luftbläschenanreicherung des Brennstoffes angeordnet ist.
Bei einer vorzugsweisen Ausgestaltung weist die Ein¬ richtung zur Luftbläschen-Anreicherung saugseitig der Druckpumpe eine Saugstrahlpumpe auf.
Zur kontrollierten Anreicherung des Brennstoffes mit Luftsauerstoff weist die Einrichtung zur Luftbeimischung eine Blende zur Drosselung der Luftzufuhr und vorzugsweise einen vorangesetzten Luftfilter auf. Zur Vermeidung von unerwünschtem Brennstoffaustritt soll luftansaugseitig ein Ventil angeordnet werden. Vorteilhafterweise wird für eine Nachrüstung bestehender Motoren die Saugstrahlpumpe als gesonderte Baueinheit ausgebildet.
Hingegen wird für die Herstellung neuer Anlagen respektiv Fahrzeugen die Brennstoffpumpe zusammen mit der Einrichtung zur Luft-Beimischung als Brennstoff- Luftpumpe ausgebildet.
In der Folge wird nun die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten erläutert:
Es zeigen:
die Figur 1 ein Einbaubeispiel für einen Einspritz¬ motor die Figur 2 eine Ansicht der Luftanreicherungs-Vor- richtung die Figur 2a die Figur 2 mit steuerbarem Luftansaug¬ ventil die Figur 3 einen Querschnitt durch eine Einrichtung zur kontrollierten Luft-Bläschen- Anreicherung die Figur 3a die Figur 3 mit regelbarem Brennstoff¬ durchlass die Figur 4 die venturi-artige Luftansaug- g durch den Brennstoffstrom in noch grösserem Massstab die Figur 5 den Einbau einer Luftbläschenan¬ reicherung bei einem Fahrzeug.
In der Folge wird nun auf die Figur 1 Bezug genommen. Der flüssige Brennstoff 1 wird einem Brennstofftank 2 über eine Saugleitung 3 entnommen, und passiert eine Einrichtung zur Luftbläschenanreicherung 4 und wird von Die Treibstoffpumpe ist als Rollenzellenpumpe ausgebildet und weist einen Saugstutzen 6 sowie einen Druckstutzen 7 auf, von welchem der Treibstoff über eine Druckleitung 8 einer Einspritzdüse 9 zuführt, von welcher es in Form eines Sprays in den Ansaugkrümmer 10 eines Brennraumes 11, bei Offenstellung eines Ventiles 12, geführt wird.
In der Figur 2 und 3 ist die Einrichtung zur Luftbläschen¬ anreicherung 4 im vergrösserten Massstab dargestellt, welche ein Gehäuse 20 einen Einlassstutzen 21 sowie einen Auslass 22 für flüssigen Brennstoff. Über einen Bügel 13 kann die Einrichtung 4 befestigt werden.
Ein Luftfilter 23 ist am oberen Ende des Gehäuses 20 fest eingeschraubt von welchem die Luft über eine Bohrung 24 sowie eine Blende 25 mit Feinstbohrung im Bereich von Zehntel-Millimetern durchströmt. Ein Rückschlagventil 26 wird über eine Stellschraube 27 in Position gehalten, und verhindert, dass bei allfäligen leichtem Überdruck in der Ansaugleitung 3 Brennstoff über den Luftfilter 23 austritt.
Die Figur 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Venturi-Rohres. Im Bereich des Einlassstutzens 21 ist eine relativ grosse Querschnitts¬ fläche Ql entsprechend etwa der Querschnittsfläche Q3 bei dem Auslass 22. Hingegen ist die Brennstoffdurch- trittsflache Q2 im engsten Querschnitt sehr viel kleiner, gegebenenfalls 10 - 20 mal kleiner als die Flächen Ql und Q2. Dadurch entsteht eine sehr hohe Strömungsgeschwindig¬ keit des Brennstoffes in der engsten Stelle, entsprechend ist der statische Druck bei Q2 tief, so dass Bläschenluft über die Bohrung 28 angesaugt wird. Zur Beherrschung der Strömungsverhältnisse wird aber durch die Feinbohrung in der Blende 25 künstlich ein Unterdruck in der Bohrung 28 aufrechterhalten. Auf diese Weise kann der absolute Druck auch luftseitig bei dem ZusammenfHessen von Luft und dem Brennstoff unter Kontrolle gehalten, und die Bildung feinster Luftbläschen sichergestellt werden.
Es hat sich ferner als sehr zweckmässig erwiesen, den engsten Querschnitt Q2 über eine Länge BL, der das Vielfache ist von dem betreffenden Durchmesser, konstant auszubilden, dies als Beruhigungsstrecke.
Es ist durchaus möglich, die Einrichtung zur Luftbläschen-Anreicherung anders zu konzipieren. Entscheidend ist die Erzeugung von feinsten Luftbläschen sozusagen in unzählbar grosser Menge. Nach dem gegenwärtigen Kenntnisstand konnte dieses Ziel mit einfachsten Mitteln durch Erzeugung des erforderlichen Unterdruckes sichergestellt werden, da so ohne zusätzliche Fremdenergie mit dem Unterdruck der Saugpumpe die Anreicherung erfolgt.
In vielen Fällen kann es vorteilhaft sein, den Luftansaug über ein steuerbares Ventil frei zu geben oder zu schliessen je nach Betriebszustand.
Wie in Figur 3a schematisch dargestellt ist, kann ferner durch Verziehen eines Plastikschlauches 30 über Einstellrollen 31 der Querschnitt Q2 verstellbar ausgebildet und der Brennstoffdruchsatz geregelt werden.
Die Figur 4 zeigt die bekanntere Ausgestaltung des Ventury-Rohres, wobei die Querschnittsflachen Ql, Q2, und Q3 stetig ineinander übergehen. In Figur 5 ist ein Personenwagen dargestellt mit eingebauter Einrichtung 4 zur kontrollierten Luft- Bläschen-Anreicherung in der Brennstoffleitung 3 zwischen Brennstofftank und Brennstoffpumpe 5. Dabei handelt es sich um einen Vergasermotor 4.
Für eine Verbesserung der Luftanreicherung des Brennstoffes wird auch hier der Brennstoff über eine Saugstrahlpumpe geführt welche durch örtliche Erhöhung der Geschwindigkeit des Brennstoffes eine entsprechende Herabsetzung des statischen Druckes in dem Brennstoffes erzeugt. Erwünscht ist ein Unterdruck an der Kontaktstelle Brennstoff-Luft von wenigstens etwa 3000 mm WS unter dem normalen Umgebungsdruck (0,7 ata).
Nach dem Stand der Technik wurde versucht, den Brennstoff für die Überführung von der flüssigen Form in die Gasform über eine Mikronisierung resp. Atominisierung der Flüssigkeit die beste Voraussetzung für die Verbrennung zu schaffen. Die Erfindung schlägt nun vor, vorgängig zusätzliche Luft in mikronisierter, resp. atomisierter Form in den flüssigen Brennstoff einzbringen, um die Überführung des flüssigen Brennstoffes in die Gasform vorzubereiten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einem Brennraum von Verbrennungsmotoren wobei der Brennstoff mittels Pumpe einem Tank entnommen, und über eine Düse mit gleichzeitiger Zufuhr der Verbrennungsluft in den Brennraum eingespritzt oder über einen Vergaser eingebracht wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Brennstoff in flüssigem Zustand mit einem gasförmigen Medium durch vorzugsweises Bilden von feinsten Luftbläschen angereichert wird, zur Bildung eines zerstäubungswilligen Brennstoffes.
2. Verfahren nach Patentnaspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass für die Gasanreicherung der Brennstoff in Unterdruck versetzt wird.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Gas-Anreicherung durch Beimischung von Umgebungsluft vorzugsweise ansaugseitig der Brennstoff¬ pumpe erfolgt, wobei vorzugsweise die Kontakstelle Brennstoff-Luft in Unterdrück versetzt wird.
4. Verfahren nach Patentanspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass für Diselmotoren der volumentrische Gasanteil zu dem Brennstoff 0,1 % - 1 %, für Vergasermotoren 1 % - 30 %, vorzugsweise 3 - 10 % beträgt, gemesser. im drucklosen Zustand.
5. Verfahren nach einem der Patentanspruch 1 - 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Luft-Anreicherung über ein Saugstrahl- resp. Venturi-Prinzip erfolgt.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1 - 4 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Zufuhr der Luft über eine Blende, resp. eine Drossel erfolgt.
7. Vorrichtung zur Verbesserung der Verbrennung von flüssigem Brennstoff in einem Brennraum eines Benzin¬ oder Dieselmotores welche ein Brennstoff tank, eine Pumpe sowie einen Vergaser- respektiv eine Einεpritzeinrichtung mit Verbrennungsluftzufuhr aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass im Bereich der flüssig-Brennstoff zufuhr eine Ein¬ richtung zur kontrollierten Luf tbläschen-Anreicherung des Brennstoffes angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einrichtung zur Luft-Beimischung ansaugseitig der Pumpe angeordnet und vorzugsweise eine Saugstrahlpumpe aufweist.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einrichtung zur Luft-Anreicherung eine Elende zur Drosselung der Luftzufuhr und vorzugsweise einen vorangesetzten Luftfilter aufweist.
10. Vorrichtung nach Patentanspruch 7 - 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass luftansaugseitig ein Rückschlagventil und/oder ein gesteuertes Lufteinlassventil angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Patentanspruch 6 - 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Brennstoffpumpe zusammen mit der Einrichtung zur Luft-Beimischung als Brennstoff-Mischpumpe ausgebildet ist.
12. Vorrichtung nach Patentanspruch 7 - 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Saugstrahlpumpe mit Blende, Rückschlagventil und Luftfilter als gesonderte Baueinheit ausgebildet ist.
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