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Vorrichtung zur Homogenisierung eines Brennstoffluftgemisches
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Homogenisierung eines
Brennstoffluftgemisches stromabwärts eines Vergasers für Brennkraftmaschinen, umfassend
eine in eine Saugleitung der Brennkraftmaschine einsetzbare und mittels eines Befestigunysflansches
zwischen Vergaser und Saugleitung einspannbare Staudüse und eine an die Staudüse
stromabwärts derselben anschließende, den Gemischstrom im wesentlichen einschließende
Rauhfläche.
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Es ist bekannt, daß die Qualität eines von der Brennkraftmaschine
angesaugten Brennstoffluftgemisches erheblichen Einfluß auf die Leistung, den Brennstoffverbrauch
und die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine hat. Grundsätzlich muß angestrebt
werden, eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Brennstoff und Luft zu erreichen.
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Die Gemischbildung erfolgt üblicherweise in dem Vergaser dadurch,
daß der aus einer Düse ausströmende flüssige Brennstoff in dem Strom der von der
Brennkraftmaschine angesaugten Luft zerstäubt wird. Je feiner der Brennstoff zerstäubt
wird, umso gleichmäßiqerwirdin der Regel die Brennstoffverteilung in dem Brennstoffluftgemisch
sein.
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Die Zerstäubung des Brennstoffes erfolgt in mehr oder weniger große
Tröpfchen, wobei die feineren Tröpfchen im Kern des Luftstromes mitgerissen werden,
während sich die größeren Tröpfchen vor allem in den langsameren Schichten des Luftstromes
nahe der Innenwand der Saugleitung befinden.
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Dabei kondensiert der Brennstoff an der in der Regel kühlen
Saugleitung.
Das Kondensat kann unter Umständen bis zu 50% des zugeführten Brennstoffes betragen,
so daß das Gemisch stark abmagert. Der kondensierte Brennstoff kann den Zylindern
der Brennkraftmaschine nicht zu gleichen Anteilen zugeführt werden, so daß diese
ein unterschiedlich brennstoffreiches Gemisch erhalten.
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Es wurden. bereits Vorrichtungen vorgeschlagen, um unmittelbar stromabwärts
des Vergasers eine Nachzerstäubung der Brennstofftröpfchen vorzunehmen und damit
ein gleichmäßigeres Brennstoffluftgemisch zu erhalten sowie eine Kondensation des
Brennstoffes an der Saugleitung zu verhindern. So ist aus der DE-AS 21 66 892 eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei welcher die Staudüse aus einem
konischen Einlaufabschnitt und einem zylindrischen Einschnürungsabschnitt besteht,
wobei die Rauhfläche von der mit einem Innengewinde versehenen Wand des zylindrischen
Einschnürungsabschnittes gebildet ist. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die
Strömung am Ende der Staudüse abreißt und sich wegen des Abstandes zwischen Staudüse
und Saugleitungsinnenwand Totwasserbereiche bilden.
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Ferner ist beispielsweise aus der DE-PS 820 820 ein sogenannter Nachvergaser
bekannt, der aus einem in die Saugleitung einsetzbaren Ring mit zwei Zungenkränzen
besteht, wobei die in sich verwundenen Zungen des ersten Zungenkranzes im wesentlichen
in einer Querschnittsebene der Saugleitung liegen, während die längeren und ebenfalls
in sich verwundenen Zungen des stromabwärts dieses ersten Zungenkranzes gelegenen
zweiten Zungenkranzes schräg zur Saugleitungsachse hin geneigt sind. Mit dieser
Vorrichtung soll eine bessere Durchwirbelung des Gemisches erreicht werden. Nachteilig
daran ist, daß der Gemischstrom durch die Prailwirkung des ersten Zungenkranzes
zu stark gedrosselt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß ein Niederschlag des Kraftstoffes an der Saugleitungsinnenwand
weitgehend verhindert und eine möglichst homogene Durchmischung von Kraftstoff und
Luft erreicht wird, ohne daß der Gemischstrom dabei wesentlich gedrosselt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Staudüse
und Rauhfläche ein sich auf den Innendurchmesser der Saugleitung erweiternder Diffusor
angeordnet ist und daß die Rauhfläche von einer Mehrzahl von Zungen gebildet ist,
die in Umfangsrichtung nebeneinander und mit einem Abstand voneinander derart angordnet
sind, daß sie sich ausgehend von der Endkante des Diffusors entlang der Innenwand
der Saugleitung unter einem spitzen Winkel gegenüber den Mantellinien derselben
erstrecken, und die auf mindestens einem Teil ihrer radial einwärts weisenden Flächen
mit in den Gemischstrom ragenden Erhebungen versehen sind.
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Das aus dem Diffusor austretende Gemisch wird gegen die Zungen geführt,
wobei die Kraftstofftröpfchen in der äußeren Gemischschicht an den Erhebungen der
Zungen zerschlagen werden. Gleichzeitig erhält der Gemischstrom durch die Anordnung
der Zungen eine Drallbewegung, durch welche die äußere Gemischschicht zur Saugleitungsachse
hin gelenkt und ein Niederschlag von Kraftstoff an der Saugleitungsinnenwand verhindert
werden soll. Der Neigungswinkel zwischen der Zungenlängsrichtung und einer Mantellinie
der Saugleitung kann ca. 200 betragen.
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Vorzugsweise sind die Zungen in ihrem freien Abschnitt mindestens
einmal um 1800 um ihre Längsachse verdrillt.
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Dadurch wird in den Randschichten des Gemischstromes eine Verwirbelung
des Gemisches erreicht. Die an den Erhebungen
der Zungen zerschlagenen
Flüssigkeitströpfchen werden zur Saugleitungsachse hingelenkt.
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Die Erhebungen auf den Zungen sind vorzugsweise von scharfkantigen
Zähnen gebildet, die sich beispielsweise 0,3 bis 0,5 mm über die Zungenfläche erheben.
Die Zahnhöhe kann zum freien Ende der Zungen hin abnehmen. Ein wirkungsvolles Zerschlagen
der Flüssigkeitströpfchen wird dadurch erreicht, daß die Zähne eine stromaufwärts
weisende, im wesentlichen radiale Zahnflanke und eine stromabwärts weisende, um
ca. 45O gegenüber der Zungenfläche geneigte Zahnflanke aufweisen. Die Zähne einer
Zunge können jeweils durch mindestens eine parallel zur Längsrichtung der Zungen
verlaufende Nut unterteilt sein, so daß zusätzliche Ecken und Kanten zum Zerschlagen
der Flüssigkeitströpfchen entstehen. Gleichzeitig wirken die Nuten gleichsam als
Drallzüge, die für eine Verwirbelung des Gemischstromes sorgen.
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Um die Bildung von Endwirbeln an den freien Enden der Zungen weitgehend
zu vermeiden, sind die freien Enden der Zungen vorzugsweise mit einer Ubergangsrundung
versehen, die von der radial einwärts weisenden Zungenfläche zur Innenwand der Saugleitung
hin führt.
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Die Zungen können einstückig mit der Staudüse und dem Diffusor ausgebildet
sein. Beispielsweise können Staudüse, Diffusor und Zungen als Kunststoffteil hergestellt
werden. Geeignete Kunststoffe hierfür sind beispielsweise Polyamide oder Polyterephthalsäureester.
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Die Zungen können jedoch auch von einzelnen Flachprofilen gebildet
sein, die in auf der Außenumfangsfläche eine, die Staudüse und den Diffusor bildenden
Ringkörpers ausgebildete Längsnuten mit einer der Stärke der Zungen entsprechenden
radialen Tiefe eingesetzt sind. In diesem Falle
können die Zungen
aus Metall bestehen, während der Ringkörper aus Kunststoff, Stahl, einem Nichteisenmetall
oder einer Kombination der vorstehend genannten Werkstoffe gefertigt sein kann.
Um die Zunge in axialer Richtung festzulegen, sind die stromaufwärts weisenden Enden
der Zungen bei einer bevorzugten Ausführungsform radial nach außen gebogen und in
im Befestigungsflansch des Ringkörpers ausgebildete Radialnuten mit einer der Stärke
der Zungen entsprechenden axialen Tiefe eingelegt. Die Abstände zwischen den Längsnuten
sollten höchstens etwa 1/4 der in Umfangsrichtung gemessenen Nutenbreite betragen.
Um einen dichten Sitz des Ringkörpers und der Zungen in der Saugleitung zu erhalten,sind
die Flachprofile mindestens in dem in den Längsnuten liegenden Bereich um ihre Längsachse
mit einem dem Außenradius des Ringkörpers entsprechenden Krümmungsradius gekrümmt.
Vorzugsweise sind ca. acht Zungen über den Umfang des Ringkörpers gleichmäßig verteilt.
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Die Wand des Einlaufabschnittes der Staudüse ist bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung - in einem die Achse enthaltenden Schnitt betrachtet
- konvex gekrümmt, wobei die axiale Abmessung des Einlaufabschnittes etwa doppelt
so groß wie die Differenz der Innenradien von Saugleitung und Einschnürungsabschnitt
der Staudüse ist. Dabei hat sich gezeigt, daß man die besten Ergebnisse erhält,
wenn der Innendurchmesser des Einscinnürungsabschnittes etwa das 0,7- bis 0,9fache
des Innendurchmessers der Saugleitung beträgt. Die axiale Länge des Einschnürungsabschnittes
der Staudüse ist vorzugsweise gleich der axialen Länge des Einlaufabschnittes.
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Der öffnungswinkel des Diffusors muß so gewählt werden, daß die Strömung
nicht abreißen kann. Dies ist gewährleistet, wenn der öffnungswinkel des sich an
den Einschnürungsabschnitt anschließenden Diffusors gegenüber der Staudüsenachse
ungefähr
5° bis 80 beträgt.
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Die Länge der freien Zungenabschnitte beträgt vorzugsweise etwa das
2 1/2- bis 3fache der axialen Gesamtabmessung der Staudüse.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt durch eine nach Zerstäubung
der Kraftstofftröpfchen in dem den Vergaser verlassenden Gemisch eine weitere Annäherung
an das stöchiometrische Luftkraftstoffverhältnis, so daß bei einer gegebenen Leistung
der Brennkraftmaschine sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die Schadstoffemission
vermindert werden können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl Serienmäßig
als auch nachträglich in Brennkraftmaschinen eingebaut werden. Die Vorrichtung ist
einfach und preiswert herzustellen und kann auch von jedem technisch begabten Nichtfachmann
eingebaut werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung, welche in Verbindung mit den beiliegenden Figuren die Erfindung anhand
eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische teilweise
schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei jedoch nur zwei der
Zungen schematisch angedeutet sind, Fig. 2 einen Schnitt längs Linie II-II in Fig.
1, Fig. 3 eine Ansicht einer noch nicht verwundenen Zunge allein, Fig. 4 einen Schnitt
längs Linie IV-IV in Fig. 3 und
l?ig. 5 einen der Fig. 4 entsprechenden
Schnitt durch den oberen Abschnitt einer Zunge in vergrößertem Maßstab.
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Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Nachzerstäubung
von Brennstoff umfaßt einen allgemein mit 10 bezeichneten zylindrischen Ringkörper,
der eine Staudüse 12 und einen Diffusor 14 enthält. Der Ringkörper 10 wird in die
Saugleitung einer Brennkraftmaschine eingesetzt und mit Hilfe eines Flansches 16
und geeigneter nicht dargestellter Dichtungen zwischen der Austrittsöffnung des
Vergasers und der Eintrittsöffnung der Saugleitung eingespannt. Hierzu ist der Flansch
mit Bohrungen 18 zum Durchtritt von Verbindungsschrauben versehen. Der Ringkörper
10 ist also derart in die Saugleitung eingesetzt, daß das aus dem Vergaser austretende
Brennstoffluftgemisch den Ringkörper 10 in Richtung des Pfeiles A in Fig. 2 durchströmt.
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Der Außendurchmesser D1 des Ringkörpers 10 ist im wesentlichen gleich
dem Innendurchmesser der Saugleitung. Wie bereits oben festcjestellt,umfaßt der
Ringkörper 10 die Staudüse 12 und den Diffusor 14. Die Staudüse 12 besteht aus einem
im Schnitt konvex gekrümmten trichterförmigen Einlaufabschnitt 20 und einem zylindrischen
Einschnürungsabschnitt 22. Der Innendurchmesser D2 des zylindrischen Einschnürungsabschnittes
22 beträgt etwa das 0,7- bis 0,9fache des Innendurchmessers der Saugleitung D1.
Die axiale Ausdehnung 11 des im Schnitt kreisbogenförmig gekrümmten Einlaufabschnittes
20 der Staudüse 12 ist etwa gleich der Differenz des Innendurchmessers D1 der Saugleitung
und des Innendurchmessers D2 des Einschnürungsabschnittes. Die axiale Länge 12 des
Einschnürungsabschnittes 22 ist etwa gleich der Länge des Einlaufabschnittes 20.
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Der sich an die Staudüse 12 stromabwärts derselben anschließende
Diffusor
14 erweitert den Strömungsquerschnitt in dem Einschnürungsabschnitt 22 wieder auf
den Strömungsquerschnitt der Saugleitung. Der öffnungswinkel a der Diffusorinnenwand
gegenüber der Achse des Ringkörpers 10 beträgt vorzugsweise etwa 50 bis 89O Der
Ringkörper 10 weist auf seiner Außenumfangsfläche Nuten 24 auf, die zur Aufnahme
von Zungen 26 dienen, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind und deren Einbaulage
in der Figur 1 gestrichelt angedeutet ist. Der Winkel ß zwischen einer Mantellinie
des Ringkörpers 10 und der Längsrichtung der jeweiligen Nut 24 beträgt ca. 200.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind acht Nuten 24 über den Umfany des
Ringkörpers 10 derart verteilt, daß die in Umfangsrichtung gemessene Breite a des
Steges 28 zwischen zwei Nuten 24 etwa 1/4 der in Umfangsrichtung gemessenen Breite
b einer Nut beträgt.
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Die Zungen 26 bestehen in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils
aus einem Flachprofilstreifen mit einem längeren Abschnitt 30 und einem rechtwinklig
zu diesem umgebogenen kürzeren Abschnitt 32. Der kürzere Abschnitt 32 ist dabei
so umgebogen, daß die Längskanten des längeren Abschnittes 30 mit dem Lot auf dem
kürzeren Abschnitt 32 den Winkel B einschließen. So kann die Zunge 26 mit dem längeren
Abschnitt 30 in die jeweilige Nut 24 eingelegt werden, während der kürzere Abschnitt
32 in eine Nut 34 eingelegt wird, die auf der dem Vergaser zugewandten Seite des
Flansches 16 jeweils anschließend an eine Nut 24 ausgebildet ist. An dem Ubergang
zwischen dem zylindrischen Teil des Ringkörpers 10 und dem Flansch 16 weist letzterer
jeweils einen Schlitz 36 auf, welcher jeweils eine Nut 24 mit der zugehörigen Nut
34 verbindet. Die Tiefe der Nut 24 und der Nut 34 ist gleich der Materialstärke
c (Fig. 4) des die Zunge 26 bildenden Profilstreifens. Die Breite des
Profilstreifens
entspricht ebenfalls der Breite b der Nut 24 und der Nut 34, so daß die in die Nuten
24 und 34 eingelegte Zunge 26 die Nuten 24 und 34 jeweils vollständig ausfüllt.
Um auch bei eingesetzten Zungen 26 eine geschlossene ylatte Außenumfangsfläche des
zylindrischen Teiles des Ringkörpers 10 zu erhalten, sind die Zungen 26 in dem unmittelbar
an den Abschnitt 32 anschließenden Teil 30a des längeren Zungenabschnittes 30 so
gekrümmt, daß sie sich an den Nutengrund der jeweiligen Nut 24 anschmiegen.
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In dem an den Teil 30a angrenzenden Teil 30b des längeren Zungenabschnittes
30 ist die Zunge auf ihren beiden Seiten des Flachprofiles mit einer Vielzahl von
scharfkantigen Zähnen 38 versehen. Die Zähne sind in Figur 5 etwas übertrieben dargestellt.
Die Zähne 38 weisen jeweils eine senkrecht zur Zungenoberfläche verlaufende Zahnflanke
40 auf, die im eingebauten Zustand der Zungen stromaufwärts weisen, während die
stromabwärts weisende Zahnflanke 42 einen Winkel von etwa 45° mit der ersten Zahnflanke
40 bildet. Die Zahnhöhe d beträgt etwa zwischen 0,3 bis 0,5 mm.
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Nahe dem freien Ende der Zunge 26 nimmt die Zahnhöhe kontinuierlich
ab, wie dies in Figur 5 angedeutet ist. Die Zähne 38 sind in einer Vielzahl von
Zahnreihen übereinander angeordnet, wobei die Zahnreihen durch mindestens eine parallel
zur Längsrichtung der jeweiligen Zunge 26 verlaufende zahnfreie Rinne 40 (E'iq.3)
unterteilt sind. Dadurch wird die Zahl der scharfen Kanten an den Zähnen erhöht.
Ferner dienen die Rinnen 44 zur Führung des Gemischstromes. Die Breite dieser Nut
44 sollte 1 mm nicht überschreiten.
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Die Gesamtlänge des Abschnittes 30b der Zunge 26 beträgt etwa das
2 1/2- bis 3fache der Länge der Staudüse 12, d.h.
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der Summe der Strecken 11 und 12. In den Figuren 3 bis 5 erkennt man,
daß die Zähne 38 sich nicht bis zum freien
Ende der Zungen 26 hin
erstrecken. Vielmehr ist ein Endabschnitt 46 der Zunge 26, dessen Länge etwa 1/5
der Gesamtlänge des Abschnittes 30b beträgt, glatt ausgeführt.
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Auf der zu dem umgebogenen kürzeren Abschnitt 32 der Zunge 26 hinweisenden
Seite weist der Endabschnitt 46 eine Ubergangsrundung auf, deren Radius etwa gleich
der Materialstä-rke der Zunge 26 ist.
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Nachdem die Zungen 26 in die Nuten 24 und 34 eingesetzt worden sind,
wird jeweils der über den Ringkörper 10 hinausragende Abschnitt 30b der Zungen 26
gleichmäßig einmal um 1800 verwunden. Wie man erkennt, liegt dann das freie Ende
der Zunge 26 so, daß die Obergangsrundung in dem Abschnitt 46 zur Wand der Saugleitung
hin führt.
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Die in die Saugleitung der Brennkraftmaschine stromabwärts des Vergasers
eingebaute erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt im Betrieb, daß das aus dem Vergaser
austretende Gemisch in der Staudüse 12 zunächst beschleunigt wird,wodurch die in
den Randschichten befindlichen größeren Kraftstofftröpfchen zur Staudüsenachse hin
beschleunigt werden. Das aus dem Diffusor 14 austretende Gemisch trifft dann auf
die Zähne 38 der Zungen 26, wobei die Kraftstofftröpfchen an den Zähnen 38zerrissenwerden.
Gleichzeitig erhält das Gemisch durch die spiralige Anordnung der Zungen einen Drall.
Die Verwindung der einzelnen Zungen bewirkt eine zusätzliche Verwirbelung des Gemisches
in den Randbereichen des Gemischstromes. Dadurch werden die üblicherweise in den
äußeren Schichten des Kraftstoffstromes befindlichen Kraftstofftröpfchen in das
Zentrum des Kraftstoffstromes hineingewirbelt und eine bessere Verteilung des Kraftstoffes
innerhalb des Kraftstoffluftgemisches erreicht sowie ein Niederschlag des Kraftstoffes
an der Innenwand der Saugleitung vermieden.
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Die gesamte Vorrichtung kann selbstverständlich auch so ausgeführt
sein, daß sie einstöckig aus Kunststoff gefertigt ist, wobei die Zungen, d.h. die
in dem vorliegenden Beispiel mit 30b bezeichneten Abschnitte unmittelbar an dem
Ringkörper 10 angeformt sind. Die Nuten 24 und 34 können dann entfallen.
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L e e r s e i t e