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Vorrichtung zum Dosieren und Mischen von Brenngas und Luft
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für den Betrieb von Brennkraftmaschinen Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zum Dosieren und Mischen von Brenngas und Luft für den Betrieb von Brennkraftmaschinen,
mit einer in der Ansaueitung der Brennkraftmaschine angeordneten Drosseleinrichtung
für die eine Komponente des Brenngas/Luft-Gemisches, einer zwischen der Drosseleinrichtung
und dem Einlaß der Brennkraftmaschine seitlich in die Ansaugleitung einmündenden
Zuführung für die andere Komponente und einer in der Zuführung angeordneten Dosiereinrichtung.
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Werden Brennkraftmaschinen mit einem Brenngas betrieben, so steht
man vor der Schwierigkeit, daß das Brenngas und die Luft mit verschiedenen Drucken
an der Ansaugleitung der Brennkraftmaschine anstehen. Meist muß die Luft lediglich
durch ein Luftfilter angesaugt werden, so daß sie praktisch mit dem konstanten Atmosphärendruck
in die Ansaugleitung einströmt.
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Das Brenngas 3edoch muß Druckbehältern entnommen oder in einem Gasgenerator
erzeugt werden, wobei der Druck des Brenngases mit wachsender Brenngasentnahme abnimmt.
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Dies tritt insbesondere bei Brennkraftmaschinen auf, die mit sogenannten
Spaltgasgeneratoren betrieben werden. Dabei
handelt es sich um katalytische
Reaktoren, in denen flüssiger kohlenwasserstoffhaltiger Brennstoff verdampft oder
versprüht wird und mit Primärluft durch partielle Oxidation in ein Brenngas umgesetzt
wird. Ein derartiges Verfahren hat den Vorzug, daß das entstehende Brenngas in der
Brennkraftmaschine so verbrannt werden kann, daß nur eine geringe Emission von Schadstoffen
(unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Antiklopfmittel-Rückstände oder Stidoxide) mit
dem Abgas emittiert werden. Um eine gute Verbrennung des Brenngases zu erreichen,
ist es dabei erforderlich, daß das Brenngas vor seiner Einspeisung in die Brennkraftmaschine
möglichst homogen mit der Verbrennungsluft vermischt wird. Die Vorrichtungen zum
Dosieren und Mischen der zuzuführenden Komponenten sind dabei möglichst so auszulegen,
daß nur geringe Druckverluste auftreten, um die Motoriüllung nicht unnötig zu verringern.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 32 656 ist eine Vorrichtung
bekannt, die am Eingang eines derartigen Spaltgasgenerators angeordnet ist und dazu
dient, den eingesetzten Brennstoff mit der nötigen Vergasungsluft möglichst homogen
zu vermischen. In der Zuführungsleitung für die Vergasungsluft ist ein senkrecht
zur Strömungsrichtung sich über den Strömungsquerschnitt erstreckendes Rohrsystem
angeordnet, das eine Vielzahl gleichmäßig über den Strömungsquerschnitt verteilter,
senkrecht in den Luftstrom mündender Austrittsöffnungen aufweist. An die Austrittsöffnungen
schließen sich Gasleitflächen an, die sich bis in unmittelbare Nähe der Katalysatoren
des Gasgenerators erstrecken und eine Venturidüsen-artige Erweiterung des Strömungsquerschnittes
bewirken.
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Die Luft durchströmt den Mischer dabei in laminarer Strömung und eine
gute Mischung wird dadurch erreicht, daß das Benzin über die vielen feinen Austrittsöffnungen
über den ganzen Strömungsquerschnitt verteilt wird.
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Eine andere Vermischungsvorrichtung, die ebenfalls am Eingang eines
Spaltgasgenerators angeordnet ist und zur Vermischung mehrerer gas- und/oder dampfförmiger
Stoffe dient, ist aus
der deutschen Auslegeschrift 23 59 587 bekannt.
In die Leitung für die eine Komponente ist dabei ein dosenförmiger Hohlkörper mit
einem in den Hohlkörper seitlich einmündenden Zufuhrstutzen eingesetzt, durch den
eine Vielzahl paralleler Rohre, die mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen sind,
verlaufen. Auch hierbei wird die Vermischung dadurch erreicht, daß die zuzumischende
Komponente über die Vielzahl von Öffnungen in den Rohren in viele Teilströme aufgeteilt
und senkrecht zur Hauptströmungsrichtung zugeführt wird.
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Diesen bekannten Vorrichtungen wird jeweils Vergasungsluft und Brennstoffdampf
zugeführt. Die beiden Komponenten stehen dabei ungefahr mit gleichen Druck an.
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Aus der deutschen Patentschrift 176 185 ist eine Vorrichtung zum Mischen
von Dampf oder gasförmigen Brennstoffen mit Luft bekannt, bei dem in die Brenngasleitung
zwei sich über den ganzen Strömungsquerschnitt erstreckende, im Abstand hintereinander
angeordnete Platten eingesetzt sind. Die Platten enthalten Bohrungen und in diese
Bohrungen sind Rohre eingesetzt, die den Brennstoffdampf durch die Platten und den
dazwischenliegenden Zwischenraum leiten. Seitlich um den Zwischenraum verläuft ein
Ringkanal zur Zuführung von Luft, der über längs dem Umfang der Brenngasleitung
angeordnete Mündungsöffnungen in den Zwischenraum einmündet. Vom Zwischenraum führen
Auslaßöffnungen in die Brennstoffleitung, wobei die Auslaßöffnungen nur in der der
Brennstoffströmung abgewandten Seite vorgesehen sind. Luft und Brennstoffdampf durchströmen
die Mischvorrichtung also in paralleler Richtung. Zur Dosierung der Luft ist vorgesehen,
die Mündungsöffnungen durch einen drehbaren Ring mit zu den Mündungsöffnungen passenden
Öffnungen teilweise abzudecken und den Durchtrittsquerschnitt der Mündungsöffnungen
durch Drehen des Ringes zu verändern.
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Aus der US-PS 3 023 775 ist eine Drosselvorrichtung bekannt, die aus
einer Grundplatte mit über die Grundplatte verteilten Durchtrittsöffnungen und einer
Deckplatte mit zu den Durch-
trittsöffnungen passenden Durchläßen
besteht. Durch Drehen der Deckplatte werden die Durchtrittso'ffnungen teilweise
über deckt und dadurch deren Durchlaßquerschnitt verkleinert. Diese Vorrichtung
ermöglicht ein genaues Drosseln und Dosieren strömender Medien, insbesondere bei
hohem Druck.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst kompakte
Vorrichtung der eingangs angegebenen Art anzugeben, bei der die Mittel zum Dosieren
und Mischen der einzelnen Komponenten so aufeinander abgestimnt slnd, daß einerseits
ein möglichst geringer Druckverlust, andererseits eine möglichst gute Mischung entsteht.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß als Drosseleinrichtung
eine Verteilerplatte mit einer Vielzahl von Durchtrittsöffnungen und eine an der
Verteilerplatte angeordnete drehbare Deckplatte mit zu den Durchtrittsöffnungen
passenden Durchläßgn vorgesehen sind. Die Zuführung mündet dabei in ein sich in
die Ansaugleitung senkrecht zur Strömungsrichtung erstreckendes Leitungssystem.
Der Abstand zwischen Drosseleinrichtung und Leitungssystem beträgt 2 bis 10 cm.
Das Leitungssystem besitzt Austrittsöffnungen, die auf die Drosseleinrichtung gerichtet
sind.
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Die Durchtrittsöffnungen in der Verteilerplatte teilen die eine strömende
Komponente in eine Vielzahl von Teilströmen auf, die über den gesamten Strömungsquerschnitt
verteilt sind. Vorteilhaft kann die Größe und/oder Anzahl der Durchtrittsöffnungen
auch zum Rand der Verteilerplatte hin etwas zunehmen, um damit die Bremswirkung
der Wand auszugleichen und zu erreichen, daß auch in Wandnähe in der Ansaugleitung
ein ausreichender Durchsatz stattfindet. Gegenüber üblichen Drosselklappen, die
um eine quer zur Strömungsrichtung liegende Achse schwenkbar angeordnet sind und
den Gasstrom aus seiner Strömungsrichtung ablenken, erzeugt eine derartige Verteilerplatte
eine gleichmäßigere Verteilung der Strömung und ruft geringere Turbulenzen hervor,
so daß auch der dadurch entstehende
Strömungswiderstand geringer
ist. Der Abstand zwischen Drosseleinrichtung und Leitungssystem ist so gewählt,
daß die hinter der Drosseleinrichtung entstehenden turbulenzen noch bis zum Leitungssystem
reichen. Durch lie auf die Drosseleinrichtung gerichteten Austrittsöffnungen wird
nun die andere Komponente direkt in die Wirbelräume dieser Turbulenzen geleitet,
so daß dort unter Ausnutzung der ohnehin an der Drosseleinrichtung unvermeidlichen
Turbulenzen eine turbulente Mischung entsteht.
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Dabei ist es nicht erforderlich. daß die Austrittsöffnungen besonders
eng sind und die zweite Komponente besonders fein eingedüst wird, was einen erhöhten
Druckverlust für diese zweite Komponente hervorrufen würde.
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Bei bekannten Mischvorrichtungen, bei denen die zuzumischende Komponente
senkrecht zur Hauptströmungsrichtung zugemischt wird, besteht häufig die Gefahr,
daß die zuzumischende Komponente zunächst in Strähnen neben der anderen Komponente
einher strömt und erst langsam oder erst durch weitere turbulenzerzeugende Mittel
eine Vermischung erreicht werden kann. Diese Gefahr besteht bei der Vorrichtung
gemäß der Erfindung nicht und es sind auch keine weiteren turbultnzerzeugenden Mittel
nötig, die den insgesamt auftretenden Druckverlust erhöhen würden. Ferner zeichnet
sich die Vorrichtung durch eine besonders geringe Baulänge aus.
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Vorteilhaft können als Leitungssystem in die Ansaugleitung ragende
Rohre vorgesehen sein. Es können aber auch zwei sich 3eweils senkrecht zur Strömungsrichtung
über den ganzen Strömungsquerschnitt erstreckende Platten vorgesehen sein, die im
Abstand hintereinander angeordnet sind und Bohrungen aufweisen. In die Bohrungen
sind dabei Rohrstücke als Strömungskanäle für die eine Komponente eingesetzt, die
die Platten und den zwischen atmen liegenden Zwischenraum durchsetzen. Um die andere
Komponente zuzuführen, ist vorgesehen, daß die Zuführung der anderen Komponente
in den Zwischenraum zwischen den Platten führt und daß nur die der Drosseleinrichtung
zugewandte Platte Austrittsöffnungen besitzt.
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Vorteilhaft ist es dabei, wenn die Zuführung einen die Ansaugleitung
umschließenden Ringkanal enthält, der längs des Ansauglitungsumfanges verteilte,
in das Leitungssystem führende Mündungsöffnungen aufweist. Am Ansaugleitungsumfang
ist als Dosiereinrichtung ein drehbarer Ring vorgesehen, der zu den Mündungsöffnungen
passende Öffnungen besitzt. Bevorzugt sind die Mündungsöffnungen und die dazu passenden
Öffnungen derart teilweise als Schlitze ausgebildet, daß durch Verdrehen des Ringes
der Durchtrittsquerschnitt der einzelnen Mündungsöffnungen unterschiedlich verändert
zu werden kann.
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Anhand zweier Ausführungsbeispiele und dreier Figuren wird das Wesen
der Erfindung näher erläutert.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist mit 1 die vom Luftfilter
zum Einlaß der Brennkraftmaschine führende Ansaugleitung bezeichnet. Unterhalb des
Luftfilters befindet sich die Drosseleinrichtung, die aus der Verteilerplatte 2
und der darüberliegenden, drehbaren Deckplatte 3 besteht. Uber die Verteilerplatte
ist eine Vielzahl von Durchtrittsöffnungen 4 gleichmäßig verteilt und in der Deckplatte
befindet sich überhalb jeder dieser Durchtrittsöffnungen 4 ein gleichgroßer Durchlaß
5.
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Bei der gezeigten Stellung von Deckplatte und Verteilerplatte kommen
Durchtrittsöffnungen und Durchläße genau aufeinander zu liegen. Durch eine Drehung
der Deckplatte jedoch werden die Durchtrittsöffnungen teilweise von der Verteilerplatte
abgedeckt, so daß deren Durchtrittsquerschnitt durch Drehen der Deckplatte veränderlich
ist.
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Zwischen der Drosseleinrichtung und dem Einlaß der Brennkraftmashine
erstrecken sich zwei im Abstand hintereinander angeordnete Platten 7 und 8 durch
die Ansaugleitung. In Bohrungen 9 der Platten 7 und 8 sind Rohrstücke 10 eingeätzt,
die die Ansaugluft durch die Platten und den zwischen den Platten liegenden Zwischenraum
11 leiten. Der Abstand zwischen der oberen Platte 7 und der Verteilerplatte 2 beträgt
etwa 5 cm.
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In der Höhe der Platten 7 und 8 verläuft um die Ansaugleitung ein
Ringkanal 12, an den ein Zuführungsstutzen 13 für das Brenngas, vorzugsweise das
Spaltgas eines Spaltgasgenerators, angesetzt ist. Der Ringkanal 12 mündet über eine
Vielzahl von Mündungsöffnungen 14 in den Zwischenraum 11 zwischen den beiden Platten
7 und 8. Das durch den Zuführungsstutzen einströmende Brenngas wird aus dem Zwischenraum
11 mittels mehrerer Austrittsöffnungen 16 in den Luftstrom geleitet, wobei die Austrittsöffnungen
16 nur in der oberen Platte 7 angeordnet sind.
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Vorzugsweise sind die Austrittsöffnungen 16 so angeordnet, daß sie
den Durchläßen 4 gegenüber stehen.
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Mit den Pfeilen 17 ist die Strömung der Ansaugluft angedeutet.
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Zwischen der Dosiereinrichtung und dem Zuführungasystem entstehen
hierbei Wirbel in der Luftströmung und das Brenngas wird, wie durch die Pfeile 18
angedeutet ist, direkt in die Wirbelräume der Luftströmung eingeleitet.
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Um die Menge des zuzuführenden Brenngases zu dosieren, ist im Ringkanal
ein verstellbarer Ring 20 angeordnet. Dieser Ring 20 trägt zu den Mündungsöffnungen
passende Öffnungen 21.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. 1.
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Als Nündungsöffnungen sind kreisrunde Löcher 14 gleicher Größe vorgesehen,
die jedoch nicht streng gleichmäßig längs des Umfanges der Ansaugleitung verteilt
sind. Vielmehr sind auf dem Teil des Ringkanales, der dem Luftzuführungsstutzen
gegenüberliegt, die Mündungsöffnungen näher nebeneinander als auf dem dem Luftführungsstutzen
benachbarten Teil. Diese Verteilung der Mündungsöffnungen wurde so gewählt, um die
durch die einseitige Brenngaszuführung bedingte Unsymmetrie derart auszugleichen,
daß in den Zwischenraum etwa von allen Seiten gleich viel Brenngas einströmt.
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Die Öffnungen 21 in dem verstellbaren Ring 20 sind so gewählt, daß
sie bei der in Fig. 2 gezeigten Stellung jeweils den gesamten Querschnitt der Mündungsöffnungen
freigeben. Während auf der dem Zuführungsstutzen benachbarten Seite des Ansaugleitungsumfangs
die
Öffnungen die Größe und Form der Miindungsöffnungen besitzen, sind auf der gegenüberliegenden
Seite jedoch als Öffnungen Schlitze 22 vorgesehen. Durch eine Rechtsdrehung des
Ringes wird nun erreicht, daß beim Verdrehen zwar der freie Durchtrittsquerschnitt
der dem Zuführungsstutzen benachbarten M:Jndungsöffnungen verkleinert wird, jedoch
die auf der entgegengesetzten Seite liegenden Mündungsöffnungen von den schlitzen
22 nicht abgedeckt werden. Diese Ausgestaltung der Mündungsöffnungen und Schlitze
gewährleistet, daß selbst bei geringem Brenngas durchsatz stets ein ausreichender
Teil des Brenngases auf der der Mündungsöffnung gegenüberliegenden Seite in den
Zwischenraum einströmt.
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Um das unsymmetrische Einströmen des Brenngases in den Ringkanal auszugleichen,
kann es auch vorteilhaft sein, die Öffnungen 21 auf dem Ring 20 nicht so zu verteilen,
daß/0+e Mündungsöffnungen 14 genau überdecken. Vielmehr sind sie nach Art eines
Nonius so verteilt, daß sie bei einer SteDhng die Mündungsöffnungen, die in Nähe
des Stutzens 13 liegen, kaum überdecken und somit nur einen geringen Durchtrittsquerschnitt
freigeben, auf der entgegengesetzten Seite jedoch aufeinander zu liegen kommen.
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Durch Drehen des Ringes kann in anderen stellungen der Durchtrittsquerschnitt
in Nähe des Stutzens 13 vergrößert und auf der entgegengesetzten Seite verringert
werden.
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Das Drehen der Deckplatte 3 und des Ringes 20 kann in Abhängigkeit
vom Gaspedal der Brennkraftmaschine z.B. mittels (nicht dargestellter ) Bowdenzüge
vorgenommen werden.
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Bei der Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 3 ist als Leitungssystem
ein System von Rohren 31 vorgesehen, die vom Ringkanal 30 aus senkrecht zur Strömungsrichtung
in die Ansaugleitung hinein ragen und zur Drosseleinrichtung gerichtete Öffnungen
32 für das Brenngas besitzen. Die Mündungsöffnungen 35 zwischen Ringkanal 30 und
den Rohren 31 können wieder durch einen verstellbaren Ring 36 mit entsprechenden
Öffnungen 37 teilweise abgedeckt werden. Der Abstand zwischen den Rohren und der
Verteilerplatte
beträgt nur etwa 2 cm, eo daß die an der Verteilerplatte
erzeugten Turbulenzen sich stromabwärts bis unterhalb der Rohre fortsetzen. In diesem
Falle können auch an den Rohrenden weitere Austrittsöffnungen 33 vorgesehen sein,
durch die das Brenngas senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausströmt. Die Turbulenzen
erzeugen auch in diesem Falze eine ausreichende Mischung.
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6 Patentansprüche 3 Figuren