EP1434935A1 - Verfahren und vorrichtung zum zerstäuben von flüssigkeiten mit hilfe von gasströmen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum zerstäuben von flüssigkeiten mit hilfe von gasströmen

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EP1434935A1
EP1434935A1 EP02777303A EP02777303A EP1434935A1 EP 1434935 A1 EP1434935 A1 EP 1434935A1 EP 02777303 A EP02777303 A EP 02777303A EP 02777303 A EP02777303 A EP 02777303A EP 1434935 A1 EP1434935 A1 EP 1434935A1
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EP
European Patent Office
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gas
fuel
liquid
laval nozzle
gas flow
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EP02777303A
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English (en)
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EP1434935B1 (de
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Lüder Dr.-Ing. Gerking
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Individual
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Publication of EP1434935B1 publication Critical patent/EP1434935B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F02M67/00—Apparatus in which fuel-injection is effected by means of high-pressure gas, the gas carrying the fuel into working cylinders of the engine, e.g. air-injection type
    • F02M67/10—Injectors peculiar thereto, e.g. valve less type

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for atomizing liquids with the aid of gas streams and the use of such a device.
  • atomizing nozzles in the sand of technology with different assignments of the gas, mostly air flow to the liquids, mostly round jets but also hollow jets or films.
  • a liquid jet is led from an outlet opening into an atomization chamber, the jet being broken up by supplying lateral gas streams and liquid particles of different sizes being formed.
  • the particle size distribution is relatively wide.
  • Internal combustion engines are an application for the atomization of liquids.
  • the liquid fuel primarily gasoline
  • carburettors which have performed this task satisfactorily in many different designs over decades, but the fuel is injected into the intake manifold through a wide variety of designs injected and supplied to the cylinders with the intake air, or it is injected directly into the combustion chamber of the cylinder. This has to do with both the better use of the fuel, the adaptation to the required performance and the reduction of pollutants in the exhaust gas.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method and a device for atomizing liquids with the aid of gas streams, by means of which the liquid can be obtained in fine droplets in a narrow and / or controlled distribution.
  • a liquid jet emerging from an opening preferably of a round cross section, is accelerated to a smaller diameter by means of a preferably concentrically acting gas flow by means of shear forces until it bursts.
  • This special principle now also known as the Nanoval process, has proven to be advantageous in the atomization of molten metals (DE 33 11 343), since fine particles are formed in a narrow distribution and result in a good spherical form as a powder.
  • the atomization according to the invention is essentially determined by the mass flows of the two media gas and liquid and the surface tension and viscosity of the liquid.
  • the mixture formation is improved, the efficiency of atomizing heating oils in burners is increased and the harmfulness of the exhaust gases is reduced, in atomizing nozzles for paints, additives, humidifications - here through the laminar type of atomization - low noise - and also the advantage of finer particles used in a narrow distribution.
  • the fuel there is better use of the fuel, an adaptation to the required performance and also a reduction in the pollutants in the exhaust gas.
  • the distribution of the droplet size does not vary so much, in particular droplets that are too large are not produced unless it is desired, as is sometimes the case in diesel engines, to have different ranges when filling the combustion chamber, and the entire combustion chamber is filled uniformly by the mixture.
  • the narrowest cross-section of the Laval nozzle at the critical pressure ratio which is 1.89 in air, produces the speed of sound and, if it increases further, the supersonic speed is then generated in the gas.
  • the pressure behind the Laval nozzle is higher or lower than the flow pattern according to its contour, that is, it is not adjusted, then at supersonic speed there will be a compression shock behind the Laval nozzle or further expansion. This can be repeated, so that fronts follow expansion compartments until the pressure on that of the adjoining room, e.g. a mixture formation chamber, an intake manifold or directly a combustion chamber.
  • Meyer flow can be used, after which a supersonic flow at one corner expands into the next room, namely in a strong expansion up to over 90 ° to the original flow direction.
  • the prerequisite is a supersonic flow beforehand and a further expansion possibility through a lower pressure after the corner.
  • the invention makes use of the possibility of the sudden expansion of a supersonic jet. Due to the thinning and shock waves, the mixing of
  • Liquid e.g. fuel and air can be improved the.
  • the device and the method according to the invention are designed in such a way that laminar flow is present in both media, gas and liquid, until they burst.
  • the accelerated gas flow according to the invention basically serves this purpose, while a decelerated flow, like when it is injected into still air, is subject to destabilization and turbulence is fanned.
  • shock waves and thinning waves and then also turbulence only occur after the bursting in or after the passage of sound. But the droplets are already formed. Both, supersonic shock waves and turbulence, promote the mixing of the droplets formed in the laminar with the air, in the case of internal combustion engines the fuel droplets with the combustion air.
  • the two-substance atomization device according to the invention can also be used to reduce the exhaust gas pollutants, detached from the combustion process, that is to say after it, as happens at partial load with exhaust gas recirculation or with separate preparation of the mixture, for example with urea.
  • FIG. 1 a shows a device for atomizing fuel with a rotationally symmetrical fuel outlet in the center and air flow in the surrounding annular gap
  • Fig. Lb the top view corresponding to Fig. La
  • FIG. 2 is an enlarged view of the lower part of Fig. La to illustrate the fluid mechanics of atomization
  • Fig. 4 shows the test results of atomization with droplet sizes depending on
  • the injection or atomization device has a housing 1 which comprises a first part 2 with a through-hole forming the liquid or fuel channel 4 and an annular space 10.
  • the liquid or fuel channel 4 is connected to a liquid or fuel supply, not shown, while a distributor 9 connected to the annular space 10 is connected to a gas or air source, not shown.
  • a lower part 3 of the housing is provided, in which a Laval nozzle 5 is formed open to an atomization chamber.
  • the upper part 2 is inserted and centered in the lower part in such a way that an annular gap channel 6 is formed between them, which is connected to the annular space 10. Furthermore, the fuel channel 4 opens into a capillary 14, which in turn also ends somewhat below in the area of the narrowest cross section 12 of the Laval nozzle 5.
  • the device according to FIGS. 1a and 1b is attached, for example, to an intake manifold of the engine or directly to the cylinder head or to the combustion chamber of a gas turbine.
  • these are basically small dimensions.
  • the flow cross section of the liquid channel 4 in the upper part is only in the millimeter range and the outlet 15 of the capillary 14, depending on the engine power or cylinder for which the mixture is produced, is in the tenths of a millimeter range, and the inside diameter is accordingly for the annular gap channel 6, which tapers to the lower region 11, only a few millimeters.
  • the liquid fuel is introduced into the liquid channel 4 according to the arrow 7, while the air flows along the arrows 8 into the distributor piece 9 and from there is distributed in the annular space 10 and flows into the annular gap channel 6.
  • the air speed increases continuously until it reaches the narrowest cross section 12 of the Laval nozzle 5. If the critical pressure ratio is exceeded, the speed of sound prevails here, but never again.
  • the capillary 14 usually ends somewhat above the narrowest cross section of the Laval nozzle 5.
  • the atomization is explained in more detail with reference to FIG. 2.
  • the liquid jet 16 of the fuel emerges from the outlet opening 15 of the liquid channel 4 or the capillary 14.
  • the accelerated air flow coming from the annular gap space 6, which is indicated by the arrows, strikes him sideways. By appropriate pressure setting, this has a higher speed than the liquid jet 16 and warps it to smaller diameters due to shear stresses.
  • the air flow in the Laval nozzle 5 accelerates due to the decreasing cross section in the flow direction and the narrowest cross section 12 leads to the speed of sound when the critical pressure ratio is reached or exceeded by the outlet pressure of the gas flow and the back pressure in the atomization chamber.
  • the widening following the narrowest cross section 12 of the Laval nozzle 5 leads to supersonic if there is still sufficient pressure.
  • the acceleration of the liquid jet consumes energy that comes from the air flow. While the pressure in the air flow decreases, that in the liquid jet 16 takes Surface tension in decreasing diameter and the liquid jet bursts into droplets 17 if the internal pressure outweighs the external pressure. The resulting mixture of air and fuel moves in a diverging volume of a "flag".
  • the strong expansion described at a corner can be followed by an expansion of the Laval nozzle 5 after the narrowest cross section, also by withdrawing the contour, so that a corner or even a recess is formed which allows the liquid-gaseous medium to expand suddenly.
  • a prerequisite is a supersonic flow.
  • the mixture can spread rapidly as is generally desired.
  • atomization can also be carried out from a slot, the Laval nozzle then also being designed as a slot.
  • Several round liquid outlet nozzles arranged at a distance from one another can also be assigned to a slit-like Laval nozzle.
  • the slit-like design of the outflow opening permits larger throughputs, but the distribution of the droplet sizes is broader because thicker drops form at the edges. As described, this may be desirable in some cases.
  • FIG. 3 A further exemplary embodiment of the invention is shown schematically in FIG. 3, this being the working cycle of a two-stroke engine.
  • This is a measure in which the engine power can be increased for a given expenditure with the atomization by means of enveloping combustion air jets at high speeds.
  • a cyclically controlled injection nozzle 20 according to the device according to the invention is used, which opens into a cylinder chamber 22.
  • the cylinder also has an exhaust valve 21.
  • FIG. 3a only air which initially supports the evacuation of the cylinder space 22 from fuel gases is flowed into the cylinder space through the injection nozzle 20. The exhaust gases and additional air from the nozzle 20 leave when the piston 23 is pushed upwards the valve 21 the cylinder chamber 22.
  • Such a two-stroke engine would also be possible without a valve if the exhaust gas outlet is carried out via slots on the side of the cylinder in a known manner.
  • the atomizing nozzle can also blow in diagonally from the bottom upwards and do more to clear the exhaust gas.
  • Injection nozzle are used according to the inventive device, it must be designed for these pressures to meet the requirement for auto-ignition or an additional ignition must be done, for example by means of a spark plug.
  • Figs. 4 and 5 show results in the atomization of water with air by means of the device according to the invention.
  • the Sauter diameter d 3 , 2 serves as a measure of the droplet size, the droplets being spherical - which they are in a very good approximation when the liquid is not too tough and the surface tension is generally high.
  • the entire nozzle had an outer diameter of 18 mm, a total height of 80 mm, the air supply duct 6 according to FIG.
  • the diameter of the outlet 15 was between 0.6 and 1 mm.
  • the Sauter diameter d 3 , 2 was measured by a Malvern device, the liquid was water and air was used as the atomizing gas.

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Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM ZERSTAEUBEN VON FLUESSIGKEITEN MIT HILFE VON GASSTROEMEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mit Hilfe von Gasströmen sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung.
Im Sand der Technik gibt es eine Vielzahl von Zerstäubungsdüsen mit unterschiedlichsten Zuordnungen der Gas-, meistens Luftströmung zu den Flüssigkeiten, meistens runden Strahlen aber auch Hohlstrahlen oder Filmen. Beispielsweise wird ein Flüssigkeitsstrahl aus einer Austrittsöffnung in einen Zerstäubungsraum geführt, wobei durch Zuführen von seitlichen Gasströmen der Strahl zerschlagen wird und Flüssigkeitspartikel unterschiedlicher Größe entstehen. Dabei ist die Verteilung der Partikelgröße relativ weit. Eine Anwendung für die Zerstäubung von Flüssigkeiten sind Brennkraftmaschinen. In den heutigen Brennkraftmaschinen vom Typ Otto-Motor wird nur noch selten der flüssige Kraftstoff, vornehmlich Benzin, in Verga- sern, welche diese Aufgabe in Jahrzehnten zufriedenstellend in vielgestaltiger Bauform vornahmen, zerstäubt, sondern es wird der Kraftstoff über Düsen verschiedenster Bauform in das Saugrohr eingespritzt und mit der angesaugten Luft den Zylindern zugeführt oder er wird direkt in den Verbrennungsraum des Zylinders eingespritzt. Dieses hat sowohl mit der besseren Nutzung des Kraftstoffs, der Anpassung an die abgeforderte Leistung als auch mit der Verringerung der Schadstoffe im Abgas zu tun.
Bei Dieselmotoren kommt nur die Direkteinspritzung in den oberen Zylinderteil, häufig in besonders geformte Brennkammern, in Frage. Die Anforderungen an die Gemischbildung aus Kraftstoff und Luft sind bei beiden Motortypen die gleichen, wenn dies auch in Einzelheiten unterschiedlich sein kann, nämlich den Kraftstoff in möglichst feine Tröpfchen zu zerstäuben, um so eine große Oberfläche für die Verbrennung zu schaffen. An die Form des durch die Einspritzung erzeugten Ge- mischvolumens werden besondere Anforderungen gestellt, auf den Idealfall hin, dass der gesamte Verbrennungsraum gleichmäßig vom Gemisch erfüllt ist, d.h. eine möglichst gleichmäßige Vermischung von Kraftstoff und Luft vorhanden ist, im Idealfall über- all in den stöchiometrisch angepassten jeweiligen Massen.
Eine gleichmäßige Zerstäubung ist neben den Brennkraftmaschinen, wie Otto-Motoren im Zweitakt oder Viertakt oder Dieselmotoren auch für andere Verbrennungskraftmaschinen, wie Gasturbinen und sonstige Kraft aus Verbrennungen erzeugende Apparate, wie Schubtriebwerke mit ihren Brennkammern und auch für Heizkessel und dergleichen wünschenswert. Die Kraftstoffe sind dabei flüssige Kraftstoffe und bei den Gasen für die Verbrennung handelt es sich in der Regel um Luft, womit sie im Folgenden bezeichnet werden, auch wenn es sich nicht nur um Luft, sondern auch um deren Mischung mit die Verbrennung unterstützenden Gasen handelt.
Bei reiner Druckzerstäubung entsprechend dem Stand der Technik, wird die erforderliche Energie durch Druck in die Flüssigkeit eingebracht, wobei der aus einer Öffnung, z.B. der Einspritzdüse, austretende Flüssigkeitsstrahl in der ihm gegenüber als etwa ruhend anzusehenden Atmosphäre durch ungeordnete Schubspannungswirkung aufreißt und Tröpfchen vermittels der Wirkung der Oberflächenspannung bildet. Dies ist ein wegen der grundsätzlich hohen Geschwindigkeiten in Laufrichtung zunehmend turbulenter Strömungsverlauf. Die Folge sind größere Unterschiede in den Tropfchengrößen und auch ein relativ hoher Energieaufwand.
Bei der Druckzerstäubung von Brennstoffen, wie Heizöl in Flammenräumen von Heizkesseln oder Brennkammern von Gasturbinen, ebenso beim Farbspritzen geschieht das Gleiche, wie zuvor beschrieben, weswegen hier häufig zur besseren Verteilung der erzeugten Tröpf- chen und zur Erzielung höherer Feinheiten, in begrenztem Umfang auch zu der engeren Verteilung deren Teilchengrößen zu Zweistoffdüsen flüssig-gasförmig gegriffen wird. Wie oben erwähnt, geschieht auch hier die Zerstäubung weitgehend im turbulenten Strömungs- feld. Andere Anwendungen für eine Zerstäubung in feine Flüssigkeitspartikel sind die Anwendungen bei Farben, Avivagen, Befeuchtungen und dergleichen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mit Hilfe von Gasströmen zu schaffen, mit denen die Flüssigkeit in möglichst feine Tröpf- chen in enger und/oder gesteuerter Verteilung erzielt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs und den Nebenanspruchs gelöst.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Zerstäubung wird ein aus einer Öffnung austretender Flüssigkeitsstrahl von vorzugsweise rundem Querschnitt durch eine vorzugsweise konzentrisch angreifende Gasströmung zu ge- ringerem Durchmesser mittels Schubkräften beschleunigt bis er zerplatzt. Dieses besondere, inzwischen auch als Nanoval-Verfahren bezeichnete Prinzip, hat sich bei der Zerstäubung von Metallschmelzen als vorteilhaft erwiesen (DE 33 11 343) , indem feine Teil- chen in enger Verteilung entstehen und sich in guter sphärischer Form als Pulver ergeben. Die erfindungsgemäße Zerstäubung wird von den Massenströmen der beiden Medien Gas und Flüssigkeit und der Oberflächenspannung und Viskosität der Flüssigkeit im We- sentlichen bestimmt. Dabei handelt es sich um Gasströmungen im Bereich der Schallgeschwindigkeit bis in den Überschall hinein, bei Luftströmungen also um und über gut 300 m/s. Die Gasströmung um den Flüssigkeitsstrahl ist laminar und wird stetig beschleunigt. Dazu dient eine um die Einspritzdüse, eher etwas unter ihr angeordnete Lavaldüse von konvergent- divergentem Querschnitt. Durch die Verringerung des Strahldurchmessers steigt in seinem Inneren der Druck gegen die außen wirkende Oberflächenspannung an. Da das Gas beschleunigt wird, nimmt der Druck in ihm ab und es kommt zu einem Aufplatzen des Flüssigkeitsstrahls, wenn die Oberflächenkräfte den Strahl nicht mehr zusammenhalten können. Dies geschieht als Kennzeichen des Verfahrens schlagartig und etwa im Bereich des engsten Querschnitts der Lavaldüse oder in Laufrichtung danach. Die flüssigen Tröpfchen breiten sich nach der Seite aus, denn das schlagartige Zerplatzen als Folge des überwiegenden Innendrucks überlagert sich dem Vorwärtsi puls des Flüssigkeitsstrahls.
Je nach Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich verschiedene Vorteile. In Verbrennungskraftmaschinen wird die Gemischbildung verbessert, bei der Zerstäu- bung von Heizölen in Brennern der Wirkungsgrad erhöht und die Schädlichkeit der Abgase verringert, in Zerstäubungsdüsen für Farben, Avivagen, Befeuchtungen - hier durch die laminare Art der Zerstäubung Geräuscharmut - und ebenfalls der Vorteil feinerer Teilchen in enger Verteilung genutzt. Bei Brennkraftmaschinen ergibt sich eine bessere Nutzung des Kraftstoffs, eine Anpassung an die abgeforderte Leistung und auch eine Verringerung der Schadstoffe im Abgas. Die Verteilung der Tröpfchengröße variiert nicht so stark, insbesondere werden keine zu großen Tröpfchen erzeugt, wenn es nicht, wie bei Dieselmotoren manchmal zu unterschiedlichen Reichweiten bei der Füllung des Verbrennungsraums gewünscht ist, und der gesamte Verbrennungsraum wird gleichmäßig vom Gemisch ge- füllt. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Wird das Verhältnis der Drücke vor und hinter der La- valdüse gesteigert, so wird im engsten Querschnitt der Lavaldüse beim kritischen Druckverhältnis, welches bei Luft 1,89 beträgt, Schallgeschwindigkeit und bei weiterer Steigerung Überschallgeschwindigkeit da- nach im Gas erzeugt.
Ist der Druck hinter der Lavaldüse höher oder tiefer als es dem Strömungsverlauf nach ihrer Kontur entspricht, also nicht angepasst, so kommt es bei Über- Schallgeschwindigkeit zu einem Verdichtungsstoß hinter der Lavaldüse oder zu einer weiteren Expansion. Dieses kann sich wiederholen, so dass Stoßfronten auf Expansionsfächer folgen bis der Druck auf den des anschließenden Raumes, z.B. einer Gemischbildungskam- mer, einem Saugrohr oder direkt einem Verbrennungsraum abgebaut ist.
Entsprechend der Erfindung kann die Aufweitung des aus Luft und Flüssigkeit gebildeten Gemischs durch Expansion an einer Ecke, der sogenannten Prandtl-
Meyer-Strömung, genutzt werden, nach der eine Über- schallströmung an einer Ecke in den darauffolgenden Raum expandiert, und zwar in starker Auf eitung bis über 90° zur ursprünglichen Strömungsrichtung hinaus. Voraussetzung ist eine Überschallströmung zuvor und eine weitere Expansionsmöglichkeit durch einen nach der Ecke folgenden tieferen Druck. Die Erfindung macht sich die Möglichkeit der schlagartigen Aufweitung eines Überschallstrahls zunutze. Durch die Ver- dünnungs- und Stoßwellen kann die Vermischung von
Flüssigkeit, z.B. Kraftstoff und Luft verbessert wer- den.
Wesentlich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung, insbesondere für die Anwendung im Kraftfahrzeugbereich, ist die Gemischherstellung durch eine begleitende Luftströmung, die einen Teil, aber auch die gesamte Verbrennungsluft darstellt. Dabei kann zuerst eine reine Luftströmung in den Zylinder eingeblasen werden, der gleichzeitig zur Spülung des Brennraums verwendet wird, und der Kraftstoffstrahl dann in die existierende Luftströmung eingeleitet werden, Luft und Kraftstoff können jedoch auch gleichzeitig strömen. Die parallele Strömung zwischen Gas und Flüssigkeit hält den Flüssigkeitsstrahl bis zum Aufplatzpunkt zusammen, und zwar länger als dieses bei anderen Zerstäubungsverfahren geschieht. Der Energieaufwand ist geringer als beim Stand der Technik der Druckzerstäubung.
Die Vorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung sind so gestaltet, dass bis zum Zerplatzen in beiden Medien, Gas und Flüssigkeit, laminare Strömung vorliegt. Dazu dient grundsätzlich die erfindungsgemäße beschleunigte Gasströmung, während eine verzögerte Strömung wie beim Einspritzen in ruhende Luft einer Destabilisierung unterliegen und Turbulenz angefacht wird. Bei der Erfindung kommt es erst nach dem Zerplatzen in oder nach dem Schalldurchgang zu Stoßwellen und Verdünnungswellen und dann auch zu Turbulen- zen. Da sind aber die Tröpfchen bereits gebildet. Beides, Stoßwellen im Überschallbereich und Turbulenz, fördert die Vermischung der im Laminaren gebildeten Tröpfchen mit der Luft, im Falle der Brennkraftmaschinen der Kraftstofftröpfchen mit der Verbrennungsluft. Die erfindungsgemäße Zweistoff-Zerstäubungsvorrichtung kann auch zur Verringerung der Abgasschadstoffe, losgelöst von dem Verbrennungsprozess, also anschließend an ihn, genutzt werden, wie es bei Teillast mit Abgasrückführung oder bei gesonderter Aufbereitung des Gemisches, z.B. mit Harnstoff, geschieht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be- Schreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. la eine Vorrichtung zur Zerstäubung von Kraftstoff mit rotationssymmetrischem Kraftstoffaustritt im Zentrum und Luftströmung im um- gebenden Ringspalt in einer Schnittdarstellung, und
Fig. lb die Draufsicht entsprechend Fig. la,
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht des unteren Teils der Fig. la zur Veranschaulichung des strömungsmechanischen Geschehens der Zerstäubung,
Fig. 3a bis 3d die schematische Darstellung eines Arbeitszyklus eines Zweitaktmotors mit erfindungsgemäßer Zerstäubung,
Fig. 4 die Darstellung von Versuchsergebnissen der Zerstäubung mit Tropfchengrößen abhängig vom
Druck, und
Fig. 5 die Abhängigkeit des Gasverbrauchs in Abhängigkeit von der benötigten Kompressionsener- gie für Zerstäubungsluft. In Fig. la und 1b sind die wesentlichen Teile einer Vorrichtung zum Zerstäuben nach der Erfindung dargestellt, wobei im vorliegenden Fall die Vorrichtung für die Anwendung im Kraftfahrzeugbereich als Ein- spritzvorrichtung beschrieben wird. Die Einspritzoder Zerstäubungsvorrichtung weist ein Gehäuse 1 auf, das ein erstes Teil 2 mit einer den Flüssigkeitsoder Kraftstoffkanal 4 bildenden Durchgangsbohrung und einen Ringraum 10 umfasst. Der Flüssigkeits- oder Kraftstoffkanal 4 ist mit einer nicht dargestellten Flüssigkeits- oder Kraftstoffversorgung verbunden, während ein mit dem Ringraum 10 verbundenes Verteilerstück 9 an eine nicht dargestellte Gas- oder Luftquelle angeschlossen ist. Weiterhin ist ein unteres Teil 3 des Gehäuses vorgesehen, bei dem zu einem Zerstäubungsraum offen eine Lavaldüse 5 ausgebildet ist. Das obere Teil 2 ist so in das untere Teil eingesetzt und zentriert, dass zwischen ihnen ein Ringspaltkanal 6 ausgebildet wird, der mit dem Ringraum 10 in Ver- bindung steht. Weiterhin mündet der Kraftstoffkanal 4 in eine Kapillare 14, die wiederum im Bereich des engsten Querschnittes 12 der Lavaldüse 5 gegebenenfalls auch etwas darunter endet.
Die Vorrichtung entsprechend Fig. la und lb ist z.B. an einem Saugrohr des Motors oder direkt am Zylinderkopf oder an der Brennkammer einer Gasturbine befestigt. Dabei handelt es sich grundsätzlich um kleine Dimensionen. So ist beispielsweise der Durchfluss- querschnitt des Flüssigkeitskanals 4 im oberen Teil nur im Millimeterbereich und der Austritt 15 der Kapillare 14, je nach Motorleistung bzw. Zylinder, für die das Gemisch hergestellt wird, im Zehntelmillime- terbereich, und entsprechend beträgt der Innendurch- messer für den Ringspaltkanal 6, der sich zum unteren Bereich 11 verjüngt, nur wenige Millimeter. Der flüssige Brennstoff wird entsprechend dem Pfeil 7 in den Flüssigkeitskanal 4 eingeführt, während die Luft längs der Pfeile 8 in das Verteilerstück 9 ein- strömt und von dort sich im Ringraum 10 verteilt und in den Ringspaltkanal 6 einströmt. Im sich verjüngenden unteren Bereich 11 nimmt die Luftgeschwindigkeit stetig zu, bis sie in den engsten Querschnitt 12 der Lavaldüse 5 gelangt. Wird das kritische Druckverhält- nis überschritten, so herrscht hier Schallgeschwindigkeit, aber nie mehr. Wie schon ausgeführt, endet die Kapillare 14, im Regelfall etwas oberhalb des engsten Querschnitts der Lavaldüse 5.
Die Verdüsung wird anhand der Fig. 2 näher erläutert. Aus der Austrittsöffnung 15 des Flüssigkeitskanals 4 bzw. der Kapillare 14 tritt der Flüssigstrahl 16 des Kraftstoffs aus. Seitwärts trifft auf ihn die aus dem Ringspaltraum 6 kommende beschleunigte Luftströmung, die durch die Pfeile angedeutet ist. Diese hat durch entsprechende Druckeinstellung eine höhere Geschwindigkeit als der Flüssigstrahl 16 und verzieht ihn durch Schubspannungen zu geringeren Durchmessern. Dabei beschleunigt sich die Luftströmung in der Laval- düse 5 durch den in Strömungsrichtung abnehmenden Querschnitt und es kommt im engsten Querschnitt 12 zur Schallgeschwindigkeit, wenn das kritische Druckverhältnis durch den Ausgangsdruck der Gasströmung und den Gegendruck im Zerstäubungsraum erreicht bzw. überschritten wird. Die sich an den engsten Querschnitt 12 der Lavaldüse 5 anschließende Erweiterung führt zu Überschall, wenn noch genügend Druck vorhanden ist. Dabei verzehrt die Beschleunigung des Flüssigstrahls Energie, die aus der Luftströmung kommt. Während der Druck in der Luftströmung abnimmt, nimmt derjenige im Flüssigstrahl 16 durch Wirkung der Ober- flächenspannung im abnehmenden Durchmesser zu und es kommt zum Zerplatzen des Flüssigstrahls zu Tröpfchen 17, wenn der Innendruck den Außendruck überwiegt. Die gebildete Mischung aus Luft und Kraftstoff bewegt sich in einem auseinanderstrebenden Volumen einer "Fahne" fort.
Die beschriebene starke Expansion an einer Ecke kann sich an einer Erweiterung der Lavaldüse 5 nach dem engsten Querschnitt, auch durch Rücknahme der Kontur anschließen, so dass eine Ecke oder gar ein Rücksprung gebildet wird, der eine schlagartige Ausbreitung des flüssig-gasförmigen Mediums gestattet. Voraussetzung ist eine Überschallströmung zuvor. Auf kurzem Wege lässt sich dadurch eine starke Ausbreitung des Gemisches, wie allgemein gewünscht, erzielen. Die Ablenkung ist umso stärker, je größer die Überschallgeschwindigkeit im erweiterten Teil der Lavaldüse 5 ist, d.h. je höher die Machzahl, die das Verhältnis der Geschwindigkeit am Austritt der Lavaldüse zur Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt der Lavaldüse darstellt.
Bei der Zerstäubung des flüssigen Mediums Kraftstoff gelingt es, sehr kleine Partikel im Bereich 2 bis 10 μm, bei höheren Gasgeschwindigkeiten noch etwas darunter, bis an oder in den Nanobereich herzustellen. Da zuvor ein Monofil von deutlich kleinerem Durchmesser als der des die Kapillare 14 verlassenden ur- sprünglichen Flüssigstrahls verzogen wurde, scheiden grobe Tröpfchen von vornherein aus und allgemein weist die Zerstäubung deutlich geringere Streuung in den Partikelgrößen als im Stand der Technik auf. So beträgt das Streumaß d8/dso = 1,5 bis 1,9, während es bei üblichen Zerstäubungsverfahren zwischen 2,3 und 3 in den besseren Fällen liegt. Wird von Sonderfällen abgesehen, bei denen ein heterogenes Gemisch hergestellt werden soll, so ist die Erzeugung von feinen Kraftstofftröpfchen in nicht stark abweichenden Teilchengrößen für eine Verbrennung von Vorteil.
Bei dieser Zerstäubung durch Aufplatzen, also nicht etwa durch Zerwellen, Zerschlagen oder Abstrippen eines Flüssigstrahls, entsteht eine sehr gute Vermischung mit der umgebenden Luft, weil durch das Zer- platzen die gebildeten Tröpfchen, die sich durch Wirkung der Oberflächenspannung zu kugelähnlichen Gebilden verformen, auseinanderstreben und damit vorteilhafterweise den Mischraum gleich zu Anfang ihrer Entstehung vergrößern.
Statt der rotationssymmetrischen Strömung von Flüssigkeit und Gas kann auch aus einem Schlitz verdüst werden, wobei die Lavaldüse dann auch als Schlitz ausgebildet ist. Auch können mehrere mit Abstand zu- einander angeordnete runde Flüssigkeitsaustrittsdüsen einer schlitzartigen Lavaldüse zugeordnet werden. Die schlitzartige Ausbildung der Ausströmöffnung gestattet größere Durchsätze, allerdings streut die Verteilung der Tröpfchengrößen breiter, weil sich an den Rändern dickere Tropfen bilden. Dies mag, wie beschrieben, in manchen Fällen gewünscht sein.
Die Erzeugung eines Gemisches aus Kraftstoff und Luft nach der Erfindung bedarf einer Luftströmung und er- höhtem Druck, beim Einspritzen direkt in den komprimierten Verbrennungsraum oberhalb eines Zylinders sogar erheblicher Drücke. Ein zusätzlicher Verdichter für den Teilstrom der Luft zur Verdüsung stellt einen weiteren Aufwand dar, sowohl maschinentechnisch als auch eine weitere Anfälligkeit der Kraftmaschine sowie zusätzlichen Raumbedarf. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung wäre also dieser Mehraufwand mit der verbesserten Verbrennungswirkung durch die bessere Zerstäubung abzuwägen. Es sind aber in einem Verbrennungsmotor Zu- stände erhöhten Drucks in zeitlicher Folge bei Hubkolbenmotoren vorhanden und bei Gasturbinen in den zugehörigen, meist auf einer Welle laufenden Verdichtern. Diese können für den erhöhten Druckbedarf der Zerstäubungsluft genutzt werden, sei es, dass es sich um eine stetige Zerstäubung des Kraftstoffs handelt, wie beispielsweise bei Gasturbinen oder intermittierend, wie in den meisten Fällen bei Otto- und Dieselmotoren. Dazu können für die Gemischbildung in einem Zylinder die zuvor erzielten höheren Drücke eines an- deren genutzt werden und es können in Speicherbehältern komprimierte Luft aus Zylindern über öffnende und schließende Ventile eingespeist werden. Derartige Verfahren sind bekannt und werden z.B. in der US 2 134 786 oder DE 37 32 259 angegeben.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, wobei es sich hier um das Arbeitsspiel eines Zweitaktmotors handelt. Dieses ist eine Maßnahme, bei der mit der Zerstäubung mittels umhüllender Verbrennungsluftstrahlen hoher Geschwindigkeiten die Motorleistung bei gegebenem Aufwand erhöht werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine taktmäßig gesteuerte Einspritzdüse 20 entsprechend der Vorrichtung nach der Erfindung verwendet, die in einen Zylinderraum 22 mündet. Der Zylinder weist darüber hinaus ein Auslassventil 21 auf. Entsprechend Fig. 3a wird durch Einspritzdüse 20 zunächst nur Luft in den Zylinderraum eingeströmt, die die Räumung des Zylinderraums 22 von Brenngasen unterstützt. Die Abgase und Zusatzluft aus der Düse 20 verlassen beim Aufwärtsschub des Kolbens 23 über das Ventil 21 den Zylinderraum 22. In dem Arbeitstakt nach Fig. 3b wird das Auslassventil 21 geschlossen und über das Einspritzventil nach der Erfindung 20 wird im Aufwärtsschub des Kolbens 23 Kraftstoff, be- gleitet von der fortdauernden Lufteinströmung zugeführt, wobei der Kraftstoffstrahl zerplatzt und das Gemisch 25 bildet. Dieses Gemisch wird entsprechend Fig. 3c durch eine Zündkerze 24 gezündet und es folgt bei Fig. 3d der Expansionshub und das Arbeitsspiel beginnt von Neuem.
Auch ohne Ventil wäre ein solcher Zweitaktmotor zu verwirklichen, wenn der Auslaß des Abgases über Schlitze seitlich am Zylinder in bekannter Weise durchgeführt wird. Die Zerstäubungsdüse kann auch von schräg unten nach oben einblasen und die Räumung von Abgas besser verrichten.
Beim Dieselmotor sind die Drücke dabei bekanntlich sehr viel höher als beim Otto-Motor und sollte eine
Einspritzdüse gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden, so muss sie für diese Drücke ausgelegt sein, um die Forderung nach Selbstzündung zu erfüllen oder es muss eine Zusatzzündung beispielsweise mittels Zündkerze erfolgen.
In den Fign. 4 und 5 sind Ergebnisse bei der Zerstäubung von Wasser mit Luft mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Als Maß für die Tröpf- chengröße dient der Sauter-Durchmesser d3,2, wobei die Tröpfchen in Kugelform - was sie in sehr guter Näherung bei nicht zu hoher Zähigkeit der Flüssigkeit und der im Allgemeinen hohen Oberflächenspannung auch sind - angenommen werden. Der Sauter-Durchmesser wird gebildet aus dem Verhältnis des Volumens der Kugel Vκ zu ihrer Oberfläche Aκ und er ist d3/2 = 6 Vκ/Aκ. Bei dem Versuch entsprechend Fig. 4 hatte die gesamte Düse als Baumaße einen äußeren Durchmesser von 18 mm, eine Gesamthöhe von 80 mm, wobei der Luftzufuhrkanal 6 nach Fig. 1 koaxial zu dem Flüssigkeitskanal 4 einen Ringspalt vom mittleren Durchmesser 8 mm und eine Spannweite von 2 mm hatte und sich dann am unteren Bereich 11 in Fig. 1 auf den engsten Lavaldüsendurch- messer zwischen 0,7 und 1,2 mm verengte, konzentrisch zu dem Flüssigkeitsaustritt durch die Kapillare 14.
Der Durchmesser des Austritts 15 lag zwischen 0,6 und 1 mm.
Der Sauter-Durchmesser d3,2 wurde durch ein Gerät der Firma Malvern gemessen, die Flüssigkeit war Wasser und als Zerstäubungsgas wurde Luft benutzt.
Aus Fig. 4 ist zu erkennen, dass sich der Teilchendurchmesser d3,2 mit zunehmendem Überdruck po der Luft gegen Atmosphäre vor Eintritt in die Düse verringert. Dabei lag er im Mittel der durch verschiedene Zeichen wiedergegebenen Messreihen im Bereich zwischen den Kurven A und B. Es wurde der Abstand vom Austritt 15 aus der Flüssigkeitskapillare 14 bis zum engsten Querschnitt 12 der Lavaldüse 5 verändert. Dabei bedeuten
T sehr großer Abstand
♦ großer Abstand 4 kleiner Abstand
► sehr kleiner Abstand
Die Ergebnisse zeigen, dass die Größe der Teilchen durch die Strömungsverhältnisse im Bereich zwischen Flüssigkeitsaustritt und engstem Querschnitt der Lavaldüse, ihrer Kehle, gesteuert werden kann. In Fig. 4 ist rechts an der Ordinate der Sauter- Durchmesser für n-Heptan angegeben, welches die Modellflüssigkeit für Zerstäubungsdüsen im Gebiet der Verbrennungsmotoren ist. Dieser kann aus dem für Wasser abgeschätzt werden.
Fig. 5 zeigt den Gasverbrauch VG in Normkubikmetern Luft pro kg Wasser in Abhängigkeit von der benötigten Kompressionsenergie PG in Watt für die Zerstäubungsluft. Die einzelnen Zeichen des Diagramms geben die gemessenen Werte für den Sauter-Durchmesser bei Wasser wieder. Bei der Erzielung kleinerer Tropfchen- durchmesser, gegeben durch die Quadrate im Diagramm, schwanken die Werte mehr, was daran liegt, dass geometrische Veränderungen in der Flüssigkeitsdüse und der Lavaldüse sowie ihrer Zuordnung zueinander gemacht wurden. Das Diagramm soll der Darstellung der Grundverhältnisse dieser Art der Zerstäubung und etwa erzielbarer Werte dienen. Für die gemessenen Werte des Sauter-Durchmessers bei Wasser können die sich für n-Heptan ergebenden Werte abgeschätzt werden, etwa wie folgt:
Wasser n-Heptan
■ <31 μm <20 μm
• 31...39 μm 20...25 μm
A >39 μm >25 μm

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mit Hilfe von Gasströmen, bei dem die Flüssigkeit aus einer Austrittsöffnung in einen Zerstäubungsraum eingeführt und zu feinen Tröpfchen zerstäubt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der aus der Austrittsöffnung austretende Flüssigkeitsstrahl von einer mittels einer Lavaldüse stetig beschleunigten laminaren Gasströ- mung beschleunigt wird, bis der im Inneren des
Flüssigkeitsstrahls zunehmende Druck und der in der Gasströmung abnehmende Druck zum Zerplatzen des Flüssigkeitsstrahles und zur Tröpfchenbildung führt .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drücke vor und hinter der Lavaldüse so eingestellt werden, dass sich in ihrem engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit einstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl in eine Gasströmung eintritt, die als Prandtl-Meyer-Strömung am Ende der Lavaldüse ausgebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsstrahl einen runden Querschnitt aufweist und von der Gasströmung konzentrisch umgeben wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Brennstoff ist und dass das im Zerstäubungsraum entstehende Brennstoff-Gas-Gemisch verbrannt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffstrahl mit der Gasströmung in einen Zylinder oder in das Saugrohr eines Motors, in eine Brennkammer einer Gasturbi- ne, in einen Flammenraum eines Heizkessels eingespritzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Einspritzung des Brennstoffs Gas in den Zylinder zur Räumung von Brenngasen eingeströmt wird und dass anschließend der Brennstoffstrahl in die Gasströmung zur Herstellung des Brennstoff-Gas-Gemisches eingeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da- durch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Zylinder verwendet werden und der Druckbedarf für die Beschleunigung der Gasströmung zur Bildung des Gemischs für einen Zylinder aus den zuvor erzielten höheren Drücken eines anderen Zylin- ders gewonnen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 mit einer Brennkammer einer Gasturbine und mindestens einem Verdichter, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckbedarf für die Beschleunigung der Gasströmung zur Bildung des Gemischs für die Brennkammer aus den höheren Drücken des Verdichters gewonnen wird.
10. Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mit Hilfe von Gasströmen mit einem eine Ausströmöff- nung aufweisenden Flüssigkeitskanal, der auf einen Zerstäubungsraum hinführt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flüssigkeitskanal (4) ein Gaskanal (6) zugeordnet ist, der in eine Laval- düse (5) mündet, wobei der engste Querschnitt
(12) der Lavaldüse (5) um die Ausströmöffnung (15) herum oder etwas über oder unter dieser angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Gaskanal (6) und die Lavaldüse (5) so ausgeführt sind, dass die in dem Gaskanal und der Lavaldüse geführte Gasströmung stetig beschleunigt wird und laminar ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lavaldüse (5) zu ihrem Ausgang hin so erweitert ist, dass sich nach Ausbildung der Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt Überschallgeschwindigkeit einstellt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (15) und die Lavaldüse (5) im Wesentlichen kreisförmig sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung und die Lavaldüse schlitzförmig sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (6) den Flüssigkeitskanal (4) umgibt und als Ring- spalt- oder Schlitzspaltkanal ausgebildet ist.
16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15 in einem Brennkraft-Motor zur Herstellung eines Kraftstoff-Gas-Gemisches.
17. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der An- Sprüche 10 bis 15 in einem Brennkraf -Motor als
Einspritzdüse in einen Zylinder oder in ein Saugrohr.
18. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15 als Zerstäubungsdüse von Brennstoff in Brennkammern von Gasturbinen oder
Flammenräume von Heizkesseln.
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