DE2521141C3 - Zerstäubungseinrichtung für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Zerstäubungseinrichtung für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der US-PS 3 266783 als bekannt hervorgeht.

Es ist bekannt, daß die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten in einem elektrischen Feld in ihrer die Flüssigkeitspartike.lchen zusammenhaltenden Auswirkung gesenkt werden und diese Erscheinung bei der Zerstäubung von Flüssigkeiten nutzbringend angewandt werden kann. Es sind wiederholt Vorschläge aufgetaucht, diese elektrostatische Flüssigkeitszerstäubung auch bei der Gemischerzeügung für Brennkraftmaschinen anzuwenden.

Die eingangs zitierte Druckschrift zeigt einen im Fallstrom arbeitenden Venturivergaser, bei dem irn nerhalb eines aus isoliertem Werkstoff bestehenden Rohrabschnittes ein metallischer Ventileinsatz angebracht ist, der als Gegenelektrode für ein gleichachsig dazu liegendes Kraftstoffzuführungsrohr dient,

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welches auf Potential Null gelegt ist. Aufgrund der kompakten Gestaltung der Kraftstoffzufuhreinrichtung in Form lediglich eines einzigen relativ großen Rohres kann nur ein sehr schlechtes elektrostatisches Zerstäubungsergebnis erzielt werden.

Durch die US-PS 3 503 704 is eine Einrichtung zum Entgiften von Rauch mitvels zerstäubter Aerosole bekannt, wobei die Zerstäubung der Aerosole durch elektrostatische Kräfte unterstützt werden soll. Hierbei werden die Aerosole über mehrere Kapillaren in den strömenden Rauch zugeführt, jedoch sind die Kapillaren im Bereich ihrer Austrittsöffnungen abgestützt, was eine günstige Ausbildung eines zerstäubend wirkenden Feldes stört. Außerdem sind die Kapillaren in zu dichtem Abstand zueinander angeordnet, was ebenfalls einen günstigen feldlichen Verlauf beeinträchtigt. Diese Zerstäubungseinrichtung wird daher ebenfalls keine guten Zerstäubungsergebnisse erwarten lasen.

Die US-PS 2826513 zeigt eine Anordnung zum elektrostatischen Lackieren von BlechgefäP.en auf deren Innenseite. Diese Veröffentlichung ist nicht für die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung hilfreich, weil beim elektrostatischen Lackieren von Gegenständen eine Koagulation der zerstäubten Füssigkeit auf einem Gegenstand angestrebt wird, wohingegen man bei der Kraftstoffzerstäubung einen Wandaufprall von Kraftstoffpartikelchen gerade vermeiden möchte.

Die US-PS 2583898 zeigt eine Einrichtung zur Zerstäubung eines Reaktionspartners in ein Reaktionsgefäß eines chemischen Prozesses hinein. Bei der Zerstäubung sind den Austrittsöffnungen Elektroden verschiedener Form gegenüberstehend angeordnet, u. a. auch eine Ringelektrode. Wegen der Gestaltung der Austrittsöffnungen einerseits und der Anordnung und Ausbildung der Gegenelektrode andererseits läßt auch diese Anordnung zumindest für Kraftstoffe nur ein schlechtes Zerstäubungsergebnis erwarten.

Schließlich zeigt die US-PS 3275308 einen Venturivergaser, bei dem als Kraftstoffzuführungseinrichtung ein mehrere gespreizt zueinander stellende Austrittsöffnungen aufweisender Düsenstock an der engsten Stelle des Venturieinsatzes vorgesehen ist. Die Austrittsöffnungen sind relativ groß; und obwohl die vom Düsenstock geneigt abragenden Düsen relativ kurz sind, ragen sie bis dicht an die Wandungen des Venturieinsatzes heran. Bei einer Ausgestaltung des Venturieinsatzes als Gegenelektrode würde sich kein nennenswerter elektrostatischer Zerstäubungseffekt einstellen, weil die gegenseitige Anordnung von Düsenstock und Venturieinsatz im Hinblick auf die sich einstellenden Feldlinien denkbar ungünstig wären.

Bei den bekannten Einrichtungen ist der elektrostatische Zerstäubungseffekt zwar möglicherweise nachweisbar, er ist aber in seinem Ausmaß bei der Kraftstoffzerstäubung nur sehr gering und technisch nicht brauchbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, wie die zugrunde gelegte Zerstäubungseinrichtung derart verbessert werden kann, daß der Effekt der elektrostatischen Kraftstoffzerstäubung unter den beengten Raümverhältnissen einer Brennkraftmaschine bzw, deren Zusatzaggregate in technisch brauchbarem Ausmaß auftritt und dieser Effekt nutzbringend für die Praxis einsetzbär ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der kennzeichnenden Merkmale von

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Anspruch 1 gelöst.

Die Vielzahl der Kraftstoffaustrittsöffnungen ist aus verschiedenen Gründen erforderlich, und zwar soll zum einen die Zulaufgeschwindigkeit in den Zerstäubungsraum strahlfrei oder quasistationär erfolgen, es muß alo ein genügend großer Gesamtaustrittsquerschnitt zur Verfugung gestellt werden. Der quasistationäre Zulauf der Kraftstoffflüsiggkeit in den Zerstäubungsraum ist deswegen erforderlich, damit die elektrostatischen Kräfte gleichzeitig den gesamten Austrittsquerschnitt erfassen können. Bei einem Strahl können die elektrostatischen Kräfte lediglich die randnahen Flüssigkeitspartikelchen des Strahles erfassen, während die weiter innen liegenden Flüssigkeitspartikelchen unbeeinflußt das elektrische Feld durchfließen und seinem Einfluß rasch entzogen sind Die Aufteilung des erforderlichen Gesamtaustrittsquerschnittes in viele kleine einzelne Austrittsöffnungen ist darüber hinaus aber auch deswegen erforder-Hch, weil die Länge der Begn-nzungskante des gesamten Austrittsquei schnittes möglichst groß sein soll. Der Efiekt der elektrostatischen Flüssigkeitszerstäubung ist nämlich im Randbereich der Begrenzungskante der Austrittsöffnungen besonders groß.

Das freie und relativ lange Abragen der Kapillarröhrchen von ihrer Halterung ist im Zusammenhang mit der flächigen Ausgestaltung der quer dazu sich erstreckenden Gegenelektrode zu sehen. Es steht gewissermaßer eine plattenförmige Elektrode einer mit der Spitze auf die Platte weisenden Stabelektrode gegenüber. Aufgrund dieser Elektrodenausbildung kommt es im Bereich der Austrittsöffnungen der Kapillarröhrchen zu einer Feldüberholung; die meisten der von der flächigen Gegenelektrode ausgehenden Feldlinien werden auf die Kapillarenspitze bzw. auf die Wandungsränder konzentriert. Aus diesem Grunde sind die Kapillarröhrchen zumindest im Bereich der Austrittsöffnung möglichst dünnwandig gestaltet. Diese Feldstärkenkonzentration ist um so größer, je größer das Flächenverhältnis von Kapillarenspitzen und der ihnen zugekehrten Fläche der Gegenelektrode ist. Es kommt demgemäß örtlich an der Austrittsstelle zu einem sehr hohen Feldstärkegradienten, der wesentlich größer ^:st als die über das ganze elektrische Feld gemittelte Feldstärke. Es muß hier berücksichtigt werden, daß die Spannungsdifferenz an den Elektroden unterhalb der Überschlagsgrenze bleiben muß. Deren Höhe hängt außer von dem Elektrodenabstand auch von der Leitfähigkeit und von der Durchschlagsfestigkeit der jeweiligen Kraftstoffflüssigkeit u.id vom Druck im Zerstäubun^risum ab. Die physikalischen Werte der Kraftstoffflüssigkeit können je nach Art des Kraftstoffes und der darin verwendeten Zusätze recht unterschiedlich sein. Die gemittelte Feldstärke ist also in einer maximal möglichen Größe durch die Oberschlagsspannung festgelegt und kann nicht gesteigert werden (Überschlagsgrenze). Dank der bewußt herbeigeführten Feldinhomogenität kommt es aber trotz Wahrung der Überschlagsgrenze örtlich zu einer drastischen Erhöhung der Feldstärke im Bereich der Austrittsöffnungen, Die Feldstärke an dieser Stelle ist in erster Linie maßgebend für das Ausmaß des Zerstäubungseffektes. Bei der gegenseitigen Anordnung vori Kapillarröhrchen und Gegenelektrode kommt es nicht allein auf die Fläche der Gegenelektrode, sondern auch auf die Winkellage und die Entfernung der

einzelnen Fiächenpartien zur bzw. von der Spitze der Kapillaren bzw. deren Halterung an. Eine zu große Annäherung von Elektrodenpartien an die Kapillarenhalterung muß wegen einer Gefahr von Über^ schlagen vermieden werden; eine zu weite Ersfrekkung der Elektrode Weg von deri Kapillaren in Richtung der Luftströmung muß ebenfalls vermieden werden, weil sonst die Strecke, auf der die elektrostatischen Anziehungskräfte der Gegenelektrode wirksam sind, zu lang wird und die Gefahr eines Tröpfchenaufpralls auf die Gegenelektrode doch noch besteht. Im übrigen sind Flächenanteile der Elektrode, die unter einem sehr spitzen Raumwinkel - von der Kapillarenspitze aus gesehen - erscheinen, kaum noch im Sinne einer Feldüberhöhung wirksam. Die relativ große Bemessung des gegenseitigen Abstandes der Kapillarröhrchen und deren frei abragende Länge sind deswegen vorgesehen, um die einzelnen elektri-

Ot.llt.ll 1 l»IUl»I £n»UIVII U^II \,1II£A»IIIVII l\Upiliai αρΐΙ£Λ.!Ι und der Gegenelektrode nicht gegenseitig zu stören. Hierdurch würde die oben erläuterte Feldlinienkonzentration beeinträchtigt. Die angestrebte besondere Ausbildung der elektrischen Felder zwischen den Kapillarenspitzen und der Gegenelektrode soll nicht durch die metallisch leitende Halterung der Kapillaren gestört werden. Aber auch eine allzu nah an die Kapillarenspitze heranreichende Einbettung der Kapillarröhrchen in eine Isoliermasse ist schädlich. Die Oberfläche des Isolators kann sich nämlich z. B. durch Polarisation des Dielektrikums aufladen. Eine solche flächig verteilt angeordnete Ladung kann, wenn sie in die Nähe der Kapillarenspitze reicht, die gewollte Feldinhomogenität in Richtung au ein homogeneres Feld beeinträchtigen, zumindest aber eine Erniedrigung der Feldstärke an der Kapillarenspitze bewirken.

Die Erfindung ist anhand verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispele im folgenden noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine am Saugrohr einer Hubkolben-Brennkraftmaschine angeordnete elektrostatische Zerstäubungseinrichtung für Start- und Leerlaufzwecke, die zusätzlich zu einem herkömmlichen Vergaser angeordnet ist,

Fig. 2 die Zerstäubungseinrichtung gemäß Fig. 1 alleine,

Fig. 3 eine vergrößerte Einzeldarstellung aus der Zerstäubungseinrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Venturivergaser in schematischer Darstellung und seine Einordnung in die Kraftstoffbzw. Gemischversorgung einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit elektrostatischer Hilfszerstäubungseinrichtung mit der Drosselklappe als Gegenelektrode,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Drosselklappenlagerung,

Fig. 6 die vergrößerte Darstellung der Einzelheit VI aus Fig. 4,

Fig. 7 die Brennkammer einer Kraftturbinenanlage mit einer elektrostatischen Kraftstoffzerstäubungseinrichtung,

Fig. 8 die Kraftstoffzerstäubungseinrichtung der Gasturbinenkammer in Einzeldarstellung, und

Fig. 9 eine axiale Ansicht der Zerstäubungseinrichtung nach Fig. 8.

In Fig. 1 ist ausschnittsweise eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit Motorblock 1, Kolben 2, Zylinderkopf 3, Einlaßventil 4, Saugkanal 5 und elektrostatischer Zerstäubungseinrichtung 6 dargestellt. Der Brennkraftmaschine ist außer dieser
stäubungseinrichtung noch ein herkömmlicher Venturivergaser 7 zugeordnet, der aus dem Benzintank 8 durch die Kraftstofförderpumpe 9 mit Benzin versorgt '> wird. Die vom Hubkolben angesaugte Verbrennungsluft wird zunächst Sri dem Lüftfilter 10 gefeinigt und im Vergaser 7 mit Kraftstoff angereichert und gelangt über die Saugleitung Hj den Saugkanal 5 und das Einlaßventil 4 in den Arbeitsraum 12 der Brennkraft-

in maschine.

Die Zerstäuburigseiririchtung 6 ist möglichst nah an das Einlaßventil 4 herangerückt, damit die Flugstrecke der feinen erzeugten Nebeltröpfchen bis zum Arbeitsraum möglichst kurz und die Möglichkeit von

Ii Wandaufprall und Tröpfchenkoagulation gering ist. Die Zerstäubungseinrichtung 6 ist mit ihrem elektrisch leitenden Gehäuse elektrisch leitend mit dem Zylinderkopf verbunden und dadurch wie dieser elek-

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noch zu erläuternde Gegenelektrode ist über ein nach außen geführtes Kabel 13 auf ein bestimmtes Potential legbar. Über eine von der Hauptkraftstoffleitung 14 abzweigende Kraftstoffleitung 15 ist die Zerstäubungseinrichtung an die Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine angeschlossen. Vor dem Zulauf 16 in die Zerstäubungseinrichtung ist eine Mengenreguliereinrichtung 17 angeordnet, die als Schwimmerkammer? ^;,-stem od. dgl. ausgebildet sein kann. Über eine hinter dem Luftfilter ansetzende Abzweigleitung 18 ist die Zerstäubungseinrichtung luftseitig an das Gemischaufbereitungssystem angeschlossen. Durch den Unterdruck im Ansaugkanal S wird Luft über die Leitungl8 durch die Zerstäubungseinrichtung hindurchgesaugt.

j> Die in Fig. 1 nicht dargestellte Gegenelektrode der Zerstäubungseinrichtung kann aus einem elektrisch parallel zu der Funkenstrecke der Zündkerze 19 der Brennkraftmaschine liegenden, sich aus den Zündimpulsen aufladenden Speicherkondensator 20 hoher Durchschlagsfestigkeit und hoher Aufladespannung auf ein elektrisches Potential gebracht werden. Die Höhe des Potentials (etwa 2,5 bis 5 kV) kann an dem parallel zum Speicherkondensator liegenden Schiebewiderstand 21 abgegriffen werden. In der Spannungszuführung zur Elektrode der Zerstäubungseinrichtung ist noch ein hochohmiger Widerstand 22 (etwa 20 ΜΩ) angeordnet, der verhindern soll, daß im Falle eines Durchschlagens der Spannung in der Zerstäubungseinrichtung ein nennenswerter Strom fließen

und sich dort ein leistungsfähiger Überschlagsfunken bilden kann (Strombegrenzungswiderstand).

Im einzelnen ist die Zerstäubungseinrichtung 6 folgendermaßen aufgebaut: Um einen strömungsgünstig gestalteten freitragend gehaltenen Verdrängerkörper 23 ist ringförmig ein Strömungsquerschnitt 24 für Luft gelassen. Der wenigstens teilweise hohl ausgebildete (Verteilerhohlraum 26) Verdrängerkörper ist auf der Strömungsschattenseite scharfkantig abgesetzt und trägt auf der solcherart gebildeten Abplattung eine erhöhte Anzahl von parallel zur Luftströmung (Strömungspfeile 25) sich erstreckende Kapillarröhrchen 27, die mit dem Verteilerhohlraum 26 leitungsmäßig verbunden sind. Der Verteilerhohlraum 26 seinerseits ist nach außen mit der Benzinzufuhrleitung 16 verbunden. Die Kapillarröhrchen sind elektrisch leitend mit dem Gehäuse der Einrichtung verbunden und sömit auf das Massepotential Null gelegt.

Quer zum Luftstrom - zwischen Ringen 28 und 29

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aus elektrisch gut isolierendem Werkstoff in definierter Axial- und Umfangslage gehalten - ist eine als gelochte Platte ausgebildete Gegenelektrode 30 angeordnet, die elektrisch gegenüber dem Gehäuse der Einrichtung isoliert Ufid mit einem nach außen füh^ fender! Kabel 13 verbunden ist₍ In der Gegenelektrode 30 sind Durchtrittsöffnungen 31 so angeordnet und die drehelektrode ist so in die Zerstäübungseinrichturig eingebaut, daß gleichachsig zu jederri Kapillarröhrchen 27 eine Durchtrittsöffnung «u liegen kommt.

Für eine gute Wirkung der Zerstäubungseinrichtung sei noch auf folgende Ausgestaltung hingewiesen: Die Kapillarröhrchen sind - was ihre freistcherdc Abkraglänge anbelangt - sehr schlank, d. h. sie sind wesentlich länger als dick. Der Abstand A der Gegenelektrode zu den Kapillarenspitzen ist für alle Kapillaren etwa gleich und ist einerseits zwar möglichst gering, andererseits aber - unter Berücksichtigung der relevanten Einflußfaktoren, nämlich gewähltes Elektrodenpotential, Druck im Zerstäubungsraum, Leitfähigkeit und Durchschlagsfestigkeit der Kraftstoffflüssigkeit - so gewählt, daß die Überschlagsgrenze gewahrt ist. Der gegenseitige Abstand der Kapillarröhrchen untereinander ist mindestens etwa so groß wie der Abstand A der Gegenelektrode; die Abkraglänge der Kapillarröhrchen ist größer als dieser Abstand A. Die Kapillarröhrchen sind sowohl im Innendurchmesser (z. B. 0,4 mm) als auch an deren Wandstärke (z. B. 0,1 mm) sehr klein gewählt, so daß sich kleine rtustrittsflächen und insgesamt große Randlängen mit geringer Rohrstirnfläche ergeben. Die Kapillarröhrchen werden zweckmäßigerweise auf ihrer ganzen Länge so dünn in der Wandstärke gewählt, daß sie festigkeitsmäßigen Ansprüchen gerade noch mit Sicherheit genügen (Bruchsicherheit beim Hinfallen oder bei kräftigem Anfassen). Aufgrund dieser Anordnung und Ausbildung der Einzelteile der Zerstäubungseinrichtung ist eine großflächige Gegenelektrode den Kapillarröhrchen gegenübergestellt, die von der Kapillarenspitze aus gesehen unter einem

ornRpn Raumuiinlipl prcrtipint flip rjpn K5"Ü!srichrchen zugekehrte Randkante der Durchtrittsöffnungen in der Gegenelektrode 30 ist abgerundet, wodurch sich eine verlustärmere Durchtrittsströmung, eine Verringerung der Aufprallgefährdung und eine Vergrößerung der der Kapillarenspitze zugekehrten Flächenanteile der Gegenelektrode ergibt.

Die Wirkungsweise der Zerstäubungseinrichtung ist anhand der Fig. 3 erläutert: Aufgrund der Gegenüberstellung einer großflächigen Gegenelektrode und mehreren jeweils als spitze Stabelektrode zu wertenden Kapillarröhrchen kommt es bei einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden zu einer starken Verdichtung der Feldlinien an der exponiert angeordneten Kapillarenspitze (strichlierte Linien 32, in der linken Hälfte von Fig. 3). Neben der besonderen exponierten Anordnung der Kapillarenspitze ist auch das Verhältnis der gegenüberstehenden Elektrodenflächen maßgebend. Die Feldlinienverdichtung an eo der Kapillarenspitze geht einher mit einer örtlichen Feldstärkeüberhöhung, d. h. einer sehr starken Feldstärke, die wesentlich oberhalb der über dem ganzen Elektrodenabstand gemittelten Feldstärke liegt, örtlich kann eine hohe Feldstärke auch ohne Überschlag stabil gehalten werden. Die hohe Feldstärke ist in erster Linie maßgebend für das Ausmaß der Zerstäubung. Aufgrund der im Bereich des Flüssigkeitsaus

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35 tritts konzentrierten Feldlinien werden in die Flüssigkeit zertrennende, der mechanischen Oberflächenspannung der Flüssigkeit entgegenwirkende Kräfte hineingetragen, die einen Verfall der Flüssigkeit in kleinste Tröpfchen bewirken. Die Oberflächenspannung der sich innerhalb des elektrostatischen Feldes mit der örtlich erhöhten Feldstärke befindlU chen Flüssigkeitspartikelchen ist gewissermaßen vorübergehend auf wesentlich geringere Werte gesenkt, so daß ein Zerfall größerer Flüssigkeitszusammenballungen in kleinste Tröpfchen eintritt. Da die Flüssigkeit quasistationär aus den Kapillaren austritt, ist die Zeit des Durchmessens des Bereiches großer Feldstärken relativ lang und es wird gleichzeitig der gesamte Flüssigkeitsquerschnitt erfaßt. Die Kraftstofftröpfchen werden durch die elektrostatische Zertrennung aufgeladen und erhalten eine ihrer Polarität nach durch die Kapillarröhrchen bestimmte elektrische Ladung; die Tröpfchen sind also untereinander gleichpolig aufgeladen und stoßen sich gegenseitig ab. Im freien Flug koagulieren die Tröpfchen also nicht. Von der Gegenelektrode 30 werden auf sie hingegen elektrostatische Anziehungskräfte ausgeübt. Um nun eine Tröpfchenkoagulation durch Wandaufprall an der Gegenelektrode zu vermeiden, ist die Luftströmung im Feinbereich der Durchtrittsöffnungen 31 ausgenutzt. Die Luftströmung schnürt sich an den Stellen der Durchtrittsöffnungen 31 in der quer angeordneten Gegenelektrode 30 ein (Strömungspfeile 25a in der rechten Hälfte von Fig. 3). Diese Einschnür- oder Senkenströmung reiß die zunächst von der Kapillarenspitze aus auseinanderstiebenden Kraftstofftröpfchen berührungsfrei durch die Durchtrittsöffnungen hindurch (gepunktete Linienzüge in der rechten Bildhälfte von Fig. 3). Die Luftgeschwindigkeit nimmt bei zunehmender Lochnähe mehr und mehr zu, so daß mit zunehmender Annäherung der Kraftstofftröpfchen an die Elektrode und demgemäß zunehmender elektrostatischer Anziehungskräfte auch die aerodynamisch durch die strömende Luft auf die Tröpfchen ausgeübten abdrängenden Kräfte zunehmen. Letzt-

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trittsöffnungen nicht zu groß gestaltet sind.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 bis 6 zeigt eine andere Anwendung einer elektrostatischen Zerstäubungseinrichtung mit quer im Luftstrom liegender Gegenelektrode, und zwar ist die Drosselklappe eines Venturivergasers als Gegenelektrode verwendet. Die Fig. 4 zeigt schematisch einen herkömmlichen Venturivergaser mit Gemischkanal 35. Venturiseinsatz 36, Kraftstoff-Hauptdüse 37, Schwimmerkammer 38, Starterklappe 39 und Drosselklappe 40. Der Kraftstoff wird dem Vergaser aus dem Tank 41 durch die Kraftstoffpumpe 42 zugefördert. Das gebildete Luft/Kraftstoff-Gemisch gelangt durch die Ansaugleitung 43 zu der zugehörigen Brennkraftmaschine 44.

Die Drosselklappe 40 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinn schwenkbar (Schwenkpfeil 45). In dem rechts von der Schwenkachse 46 liegenden Bereich der Drosselklappe, also in einem stromab beweglichen Teil, ist auf der in Strömungsrichtung gesehen vor der Drosselklappe liegenden Seite an wandnaher Stelle ein zusätzlicher Düsenstock 47 angeordnet. Dieser Düsenstock ist auf der Anströmseite strömungsgünstig gestaltet und auf seiner stromab liegenden Seite parallel zur Lage der Drosselklappe in geschlossenem Zustand abgeplattet.

Der Düsenstock ist hohl ausgebildet und steht über die Leitung 48 mit der Kraftstoffversorgung des Vergasers in Verbindung. Von der abgeplatteten Seite des Düsenstockes ragt eine Mehrzahl von Kapillarröhrchen 49 ab, die mit dem Innern des Düsenstockes ver-Bünden sind. Der Düsenstock und die Kapillarröhrchen sind aus elektrisch leitendem Werkstoff hergestelt und stehen leitend mit dem Körper des Vergasers in Verbindung, sind also elektrisch auf Massepotential Null gelegt. ι ο

Die Drosselklappe 40 ist elektrisch isoliert im Gemischkanal 35 angeordnet. Die Schwenkachse 46 ist in Büchsen 50 aus elektrisch isolierendem Werkstoff hoher Durchschlagsfestigkeit gelagert. Im Bereich der Erstreckung der Drosselklappe ist deren Schwenkachse im Querschnitt halbkreisförmig gestaltet, so daß die Drosselklappe mittig an die Abflachung der Schwenkachse angenietet werden kann. Die Drosselklappe bestem aus einer eiektrisch leitenden Fiatte 51, die allseits mit einem elektrisch isolierenden Überzug 52 hoher Durchschlagsfestigkeit, z. B. aus Polytetrafluoräthylen versehen ist; auch die Lochleibungen der Nietlöcher sind mit Isolierstoff ausgekleidet, so daß auch die Drosselklappe gegenüber der Schwenkachse elektrisch isoliert ist. Die Schwenkachse ist axial von der einen Seite her hohl gebohrt bzw. mit einer Nut 53 versehen, worin ein zur Spannungszuführung dienendes Kabel 54 verlegt ist. Dieses ist an einer geeigneten Stelle mit der Platte 51 der Drosselklappe verbunden. An einer relativ kleinen, den Kapillarröhrchen zugekehrten Stelle 56 ist der isolierende Überzug 52 ausgespart und die Platte 51 liegt hier einseitig frei; diese freiliegende Stelle übernimmt die Funktion der Gegenelektrode. Die Drosselklappe ist an dieser Stelle mit Durchtrittsöffnungen 55 versehen, die jeweils etwa gleichachsig mit je einem Kapillarröhrchen 49 angeordnet sind.

Die Zerstäubungswirkung der aus dem Düsenstock 47, den Kapillarröhrchen 49 und den Druchtrittsöffnungen 55 an der Stelle 56 gebildeten Zerstäubungseinrichtung ist im wesentlichen die gleiche wie die fiarh ripm Ancfiihnino„uripicip! Hpr pin 1 hie ^ Pc qpi hier lediglich noch angemerkt, daß die hier beschriebene Zerstäubungseinrichtung eine spürbare Wirkung nur in geschlossenem oder fast geschlossenem Zustand der Drosselklappe, also im Motorleerlauf oder im niedrigen Teillastbereich zeigt. Das Nachlassen ist auf die Vergrößerung des Elektrodenabstandes und auf das Enstehen von anderen wesentlich größeren sichelförmigen Durchtrittsöffnungen (Nachlassen der Einschnürströmung im Bereich der Durchtrittsöffnungen 55) zurückzuführen. Die nachlassende Wirkung der elektrostatischen Zerstäubungseinrichtung bei Einsteuerung höherer Motorleistungen kann aber ohne weiteres in Kauf genommen werden, weil die Arbeitsweise des Venturivergasers bei höheren Kraftstoffdurchsätzen und bei warmem Motor besser ist. Eine Gemischverbesserung ist vor allem beim Start, wo die Brennkraftmaschine noch kalt und die Verdampfungsunterstützung durch Heißstellen in den Saugrohren nicht ausnützbar ist und im Leerlauf, d. h. bei geringem Kraftstoffdur-chsatz wünschenswert. In diesen B etriebszuständen ist normalerweise der an der Wand niedergeschlagene Anteil des durch den Venturivergaser hindurchgesetzten Kraftstoffes im söge- ^ nannten Gemisch relativ groß und verursacht wegen unvollständiger Verbrennung dieser flüssigkeitsreichen Gemische hohe Schadstoffanteile im Abgas.

Das dritte \usführüngsbeispiel einer elektrostatischen Zerstäubungseinrichtung gemäß den Fig. 7 bis 9 ist für Gasturbinenanlagen gedacht. Eine solche ist schematisch in Fig. 7 dargestellt, wobei die Brennkarhmereinrichtürig 60 Vergrößert im Vergleich zu den anderen Teilen gezeigt ist, Die Zerstäubungseinrichtung ist aufgrund der durch sie hindurchtretenden Zerstäubungsluft (Strömungspfeile 72) in einer relativ zur Brennzone abgesetzten Zone 70 angeordnet.

Die in Fig. 8 einzeln dargestellte Zerstäübüngseinrichtung weist einen strömungsgünstig gestalteten ringförmigen doppelwandigen Düsenstock 73 auf, dessen Inneres mit der Kraftstoffzuführungsleitung 74 verbunden ist. Der Düsenstock ist durch Luftleitbleche 75 konzentrisch in einem Luftleitkanal 76 mit dem Einlaß 71 gehalten. Im Zentrum des Düsenstockes ist über weitere Luftleitbleche 77 ein rohrförmiger Isolator 78 gehalten, in dessen Innern eine Halteschraube 75 axial jusiieibai gehalten ist (Gewindeteil 80, Kontermutter 81). An dem Kopf der Halteschraube sind radialstehend Haltearme 82 angeordnet, an denen zwei ringförmige Gegenelektroden 83 und 84 befestigt sind, die sich mit ihren Wandungen parallel zum Luftstrom erstrecken. An dem im Querschnitt spitz auslaufenden stromab weisenden Ende des ringförmigen Düsenstockes 73 sind auf der Außenseite und auf der Innenseite je ein Kranz von radial, d. h. quer zum Luftstrom stehende Kapillarröhrchen 85 bzw. 86 angeordnet. Die Kapillarröhrchen eines Kranzes sind entlang einer quer zum Luftstrom verlaufenden Linie, d. h. in einer einheitlichen Querebene angeordnet. Die Kapillarröhrchen beider Kränze sind zur Vereinfachung der axialen Justage der ringförmigen Gegenelektroden 83 und 84 untereinander ebenfalls in einer Ebene angeordnet. Die Elektroden sind so bemessen und angeordnet, daß unter Wahrung der Überschlagsgrenze - die Elektroden von einer Kapillarenspitze aus gesehen unter einem möglichst großen Raumwinkel erscheinen (Winkel α). Die Anzahl der Kapillarröhrchen eines kapillarenkranzes bestimmt sich nach de' Luftmenge, die dem jeweiligen Kapillarenkranz zuströmen kann. Da die äußere lichte Querschnittsfläche zwischen dem Düsenstock 73 und dem Luftleitkanal 76 im dargestellten Ausführungsbeispiel sechsmal größer ist als die innere Fläche zwischen dem Düsenstock und dem Isolator 78, hat der äußere Kapillarenkranz die sechsfache Anzahl von Kapillaren wie der innere. Dadurch ist eine über die Strömungsfläche etwa gleichmäßige Verteilung der Kapillaren erzielbar und zugleich gewährleistet, daß die Gemischzusammensetzung über den Strömungsquerschnitt etwa konstant ist.

Der Düsenstock und die Kapillarröhrchen sind wie die übrigen Bestandteile der Brennkammereinrichtung auf Massepotential gelegt. Die Gegenelektroden 83 und 84 sind über die Haltearme 82 und die Schraube auf ein hohes elektrisches Potential gelegt, was durch die Spannungsquelle 87 angedeutet sein soll. Durch diese Potentialdifferenz bildet sich zwischen den Kapillarenspitzen und den gegenüberliegenden Elektrodenflächen ein elektrisches Feld aus (Feldlinien 88), welches dank der exponierten Anordnung der Kapillarenspitzen in erwünschter Weise eine örtliche Feldlinienverdichtung aufweist. Diese damit einhergehende Feldüberhöhung mit einem hohen Feldstärkegradienten bewirkt eine feine Zerstäubung der Kraftstoffflüssigkeit und eine elektrische Aufladung der Tröpfchen. Ein Wandaufprall dei Tröpfchen

an der Gegenelektrode ist autgrund der an den Elektrodenflächen entlangströmenden Zerstäubungsluft verhindert. Der »Kegel« 89 der zunächst von der Kapillarenspitze sich ablösenden Zerstäubungströf/fchen wird durch die Zerstäubungsluft in Strömungsrichtung

weggeblasen, bevor die Tröpfchen die Gegenelektrode erreicht haben. Die aerodynamisch auf das Tröpfchen einwirkenden Kräfte überwiegen hier gegenüber den elektrostatischen, so daß ein Wandaufprall vermieden ist.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

25 Patentansprüche:

1. Zerstäubungseinrichtung für Brennkraftmaschinen zum Zerstäuben von Kraftstoff in einen Luftstrom, mit einem Zerstäubungsraum, in den die frei in den Zerstäubungsraum hineinragende elektrisch leitende Kraftstoffzufuhreinrichtung einmündet, ferner mit einer im Abstand von der Kraftstoffzufuhreinrichtung angeordneten, gegen die Kraftstoffzufuhreinrichtung elektrisch isolierten flächig ausgebildeten Gegenelektrode, deren Abstand in allen Punkten zu der Austrittsstelle der Kraftstoffzufuhreinrichtung kleiner ist als zu anderen mit der Kraftstoffzufuhreinrichtung elektrisch leitend verbundenen Teilen und die im Bereich einer einen Aufprall ver Kraftstofftröpfchen auf die Gegenelektrode verhindernden gerichteten Luftströmung des Zerstäubungsraumes liegt, sowie mit einer einerseits mit der Kraftstoffzufuhreinrichtung und andererseits mit der Gegenelektrode verbundenen Hochspannungsquelle, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) die Kraftstoffzufuhreinrichtung besteht aus einer Vielzahl von Kapillarröhrchen (27, 49, 85, 86), die wenigstens im Austrittsbereich dünnwandig ausgebildet sind und die infolge ihrer Anzahl einen Gesamtaustrittsquerschnitt aufweisen, der einen strahlfreien Austn.t der erforderlichen Kraftstoffmenge aus den einzelnen Kap.'Marröhrchen (27, 49, 85, 86) erlaubt;

b) die Kapillarröhrchen (27 49,85,86) sind auf die Gegenelektrode (30.. 56, 83, 84) so ausgerichtet, daß deren Fläche unter einem größtmöglichen Blickwinkel (α) von den Austrittsöffnungen der Kapillarröhrchen (27, 49, 85, 86) aus erscheint;

c) der gegenseitige Abstand der Kapillarröhrchen (27,49.85,86) ist zumindest im Bereich von deren Austrittsöffnungen größer als d«.r Abstand (A) der Austrittsöffnungen zur Gegenelektrode (30, 56, 83. 84);

d) die frei abragende Länge der Kapillarröhrchen (27,49, 85, 86) beträgt ein Mehrfaches des Außendurchmessers eines Kapillarröhrchens (27, 49. 85, 86) im Bereich der Austrittsöffnungen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhrchen (27, 49) etwa parallel und die Gegenelektrode (30, 56) quer zum Luftstrom (25) angeordnet sind und daß in der Gegenelektrode (30, 56) gleichachsig zu je einem Kapillarröhrchen (27,49) eine Durchtrittsöffnung (31. 55) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2 mit einem Venturi-Vergaser und einer schwenkbar darin angeordneten Drosselklappe, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhrchen (49) in Stromungsrichtung vor der Drosselklappe (40) in einem stromab beweglichen Bereich der Drosselklappe (40) angeordnet sind und daß wenigstens ein Teil der Drosselklappe (40) als Gegenelektrode dient und- im geschlossenen Zustand - etwa gleichachsig zu je einem Kapillarröhrchen (49) eine Durchtrittsöffnung (55) aufweist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhrchen (49) elektrisch leitend mit dem metallenen Gemischkanal (35) verbunden und die metallene Drosselklappe (40) elektrisch isoliert gelagert und — außer dem Bereich (56) mit den Durchtrittsöffnungen (55) auf der den Kapillarröhrchen (49) zugekehrten Seite — mit einem Überzug (52) aus einem isolierenden Werkstoff hoher Durchschlagsfestigkeit versehen ist

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhrchen (85, 86) quer und die Gegenelektrode (83,84) parallel zur Luftströmungsrichtung (72) angeordnet sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhrchen (85, 86) radial zu einem sich in Luftströmungsrichtung (72) erstreckenden Düsenstock (73) angeordnet sind und daß die Gegenelektrode als eine in Richtung des Lufstromes liegende zylindrische Ringelektrade (83, 84) ausgebildet ist

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenstock (73) als doppelwandiger Zylinder ausgebildet ist, daß Kapillarröhrchen (85,86) radial nach außen und radial nach innen ragend angeordnet sind und daß um den äußeren Kipillarenkranz und innerhalb des inneren Kapillarenkranzes je eine im Luftstrom liegende Ringelektrode (83, 84) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere und die innere Ringelektrode (83, 84) kreiszylindrisch ausgebildet sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Ringelektrode girlandenförmig mit mehreren nach außen konkaven Bögen ausgebildet ist, deren jeweiliges Krümmungszentrum wenigstens annähernd mit der Lage der Austrittsöffnung eines zugeordneten Kapillarröhrchens des inneren Kapillarenkranzes

■ίο übereinstimmt.