EP1434935B1 - Verfahren und vorrichtung zum zerstäuben von flüssigkeiten mit hilfe von gasströmen - Google Patents

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EP1434935B1
EP1434935B1 EP02777303A EP02777303A EP1434935B1 EP 1434935 B1 EP1434935 B1 EP 1434935B1 EP 02777303 A EP02777303 A EP 02777303A EP 02777303 A EP02777303 A EP 02777303A EP 1434935 B1 EP1434935 B1 EP 1434935B1
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EP
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gas
laval nozzle
liquid
fuel
channel
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EP02777303A
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English (en)
French (fr)
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EP1434935A1 (de
Inventor
Lüder Dr.-Ing. Gerking
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    • 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 atomising liquids with the help of of gas streams and the use of such Contraption.
  • a uniform atomization is in addition to the internal combustion engines, like petrol engines in two-stroke or Four-stroke or diesel engines also for other internal combustion engines, like gas turbines and others Force from burns producing apparatus, such as Thrust engines with their combustion chambers and also for Boiler and the like desirable.
  • the fuels are thereby liquid fuels and in the Gases for combustion are usually air, which they are referred to below, even if it is not just air, but also to aid their mixing with the combustion Gases acts.
  • the invention is therefore based on the object Method and device for atomizing To create liquids by means of gas streams with which the liquid in as fine a droplet achieved in close and / or controlled distribution become.
  • This particular, meanwhile also referred to as Nanoval method has principle in the atomization of molten metal as advantageous proved (DE 33 11 343), by fine particles arise in close distribution and become good spherical form as a powder.
  • the inventive Atomization is from the mass flows of both media gas and liquid and the surface tension and viscosity of the liquid substantially certainly. These are gas flows in the range of the speed of sound up into the supersonic, ie in air currents and over 300 m / s.
  • the gas flow around the liquid jet is laminar and is constantly accelerated. This is served by the injector, rather something below her arranged Lavaldüse of convergent divergent Cross-section.
  • the Beam diameter increases in its interior the pressure against the external surface tension.
  • the gas is accelerated, the pressure in it decreases and there is a bursting of the liquid jet, if the surface forces do not hit the beam can hold together more. This is done as a license plate of the process abruptly and approximately in the area the narrowest cross-section of the Laval nozzle or in Running direction afterwards.
  • the liquid droplets spread to the side, because the sudden bursting superimposed as a result of the predominant internal pressure the forward momentum of the liquid jet.
  • the mixture formation is improved in the atomization of fuel oils in burners increases the efficiency and reduces the harmfulness of the exhaust gases, in atomizing nozzles for colors, finishes, humidification - here by the laminar type of atomization low noise - And also the advantage of finer particles used in close distribution.
  • the droplet size does not vary so much in particular, no too large droplets are generated, if not, as with diesel engines sometimes at different ranges when filling the Combustion chamber is desired, and the entire Combustion chamber is evenly filled by the mixture.
  • the expansion of the from air and liquid formed by mixture Expansion at one corner the so-called Prandtl-Meyer-Strömung, be used after which a supersonic flow at one corner in the following Space is expanding, in strong widening until over 90 ° to the original flow direction. Prerequisite is a supersonic flow before and a further expansion opportunity by one after the corner following deeper pressure.
  • the invention makes the possibility of sudden expansion use a supersonic jet. Due to the dilution and shockwaves can be the mixing of Liquid, e.g. Fuel and air are improved.
  • Essential in the inventive method and the device, in particular for use in the Automotive sector, is the mixture production through an accompanying air flow, which is a part, but also represents the entire combustion air.
  • a pure air flow into the cylinder be blown at the same time for flushing the combustion chamber is used, and the fuel jet then introduced into the existing airflow
  • air and fuel can, too to stream at the same time.
  • the parallel flow between Gas and liquid keeps the liquid jet up to the Aufplatztician together, and indeed longer than this happens in other sputtering processes.
  • the pressure atomization is lower than in the prior art the pressure atomization.
  • the apparatus and method of the invention are designed to burst into both Media, gas and liquid, laminar flow is present.
  • This is basically the invention accelerated gas flow, while a delayed Flow as in injecting into still air one Subject to destabilization and fanned turbulence becomes.
  • it comes only after the bursting in or after the passage of sound to shock waves and dilution waves and then also to turbulence. But since the droplets are already formed. Both, supersonic shock waves and turbulence, promotes the mixing of laminar Droplets with the air, in the case of internal combustion engines the fuel droplet with the Combustion air.
  • the two-substance atomizing device according to the invention can also reduce exhaust gas pollutants, detached from the combustion process, then afterwards be used on it, as it is with partial load Exhaust gas recirculation or with separate treatment of the mixture, e.g. with urea, happens.
  • a Device for atomizing according to the invention shown, in the present case, the device for use in the automotive sector as an injection device is described.
  • the injection or Atomizing device has a housing 1, a first part 2 with a liquid or Fuel channel 4 forming through hole and an annulus 10 includes.
  • the liquid or Fuel channel 4 is connected to a not shown Fluid or fuel supply connected, while a manifold connected to the annulus 10 9 to a gas or air source, not shown connected.
  • a lower one Part 3 of the housing provided, in which to a Zerstäubungsraum open a Laval nozzle 5 is formed.
  • the upper part 2 is inserted in the lower part and centered that between them an annular gap channel 6 is formed, which communicates with the annular space 10 in connection stands. Furthermore, the fuel channel 4 opens into a capillary 14, which in turn is in the area of closest cross-section 12 of the Laval nozzle 5 optionally also something below ends.
  • the device according to Figures 1a and 1b is e.g. on a suction pipe of the engine or directly on the cylinder head or attached 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 only in the millimeter range and the outlet 15 of the capillary 14, depending on the engine power or cylinder, for the mixture is prepared, in tenths of a millimeter range, and accordingly, the inner diameter for the annular gap channel 6, which is the lower Area 11 tapers, just a few millimeters.
  • the liquid fuel is according to the arrow 7 introduced into the fluid channel 4, while the Air flows along the arrows 8 in the manifold 9 and from there distributed in the annulus 10 and flows into the annular gap channel 6.
  • Im rejuvenating lower area 11 decreases the air speed steadily until they are in the narrowest 12 of the Laval nozzle 5 passes.
  • Will the critical pressure ratio exceeded, so here is speed of sound, but never again.
  • the described strong expansion on a corner can to an extension of the Laval nozzle 5 after the narrowest cross section, also by taking back the contour connect, leaving a corner or even a return is formed, which is a sudden spread of the liquid-gaseous medium allowed. requirement is a supersonic flow previously.
  • On short ways can be characterized by a strong spread of the mixture, as generally desired.
  • the distraction is stronger, the larger the Supersonic speed in the extended part of the Laval nozzle 5 is, i. the higher the Mach number that the Ratio of the velocity at the outlet of the Laval nozzle to the speed of sound in the narrowest cross-section represents the Laval nozzle.
  • Atomizing air can be used, be it that it is is a continuous atomization of the fuel, as in gas turbines or intermittently, as in most cases with gasoline and diesel engines.
  • Atomizing air can be used for mixture formation in one Cylinder the previously achieved higher pressures of another can be used and stored in storage tanks compressed air from cylinders over opening and closing valves are fed.
  • Methods are known and used e.g. in the US 2 134 786 or DE 37 32 259.
  • Fig. 3 is another embodiment of Invention shown schematically, which is here is the working cycle of a two-stroke engine. This is a measure in which with the atomization by means of enveloping combustion air jets higher Speeds the engine power at given Effort can be increased.
  • this embodiment becomes a clock-controlled injection nozzle 20 according to the device according to the invention used, which opens into a cylinder chamber 22. Of the Cylinder also has an exhaust valve 21 on.
  • injection nozzle 20th initially only air has flowed into the cylinder chamber, the evacuation of the cylinder chamber 22 of fuel gases supported. The exhaust gases and additional air from the nozzle 20 leave the upward thrust of the piston 23 over the valve 21 the cylinder chamber 22.
  • the atomizing nozzle can also by Blowing up and down obliquely Perform exhaust better.
  • the pressures are known much higher than the petrol engine and should one Injection nozzle according to the device according to the invention used, it must be designed for these pressures to meet the demand for auto-ignition or it must have an additional ignition, for example done by 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 is used as a measure of the droplet size, the droplets in spherical form - which they are in a very good approximation with not too high viscosity of the liquid and the generally high surface tension - are assumed.
  • the Sauter diameter d 3.2 was measured by a Malvern device, the liquid was water and air was used as the sputtering gas.
  • the ordinate has the Sauter diameter on the right for n-heptane, which is the model liquid for atomizing nozzles in the area of Internal combustion engines is. This may be from the for water be estimated.
  • FIG. 5 shows the gas consumption V G in standard cubic meters of air per kg of water as a function of the required compression energy P G in watts for the atomizing air.
  • the individual characters of the diagram represent the measured values for the Sauter diameter for water. In achieving smaller droplet diameters, given by the squares in the diagram, the values fluctuate more, due to geometric changes in the liquid nozzle and the Laval nozzle and their association with each other.
  • the diagram is intended to represent the basic conditions of this type of atomization and approximately achievable values.
  • the values for n-heptane can be estimated, for example as follows: water n-heptane ⁇ ⁇ 31 ⁇ m ⁇ 20 ⁇ m ⁇ 31 ... 39 ⁇ m 20 ... 25 ⁇ m ⁇ > 39 ⁇ m > 25 ⁇ m

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mit Hilfe von Gasströmen sowie die Verwendung einer solchen Vorrichtung.
Im Stand 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.
US 4 708 828 zeigt eine solche Anordnung bzw. Vorrichtung.
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 Vergasern, 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.
Aus der US 4 708 828 ist ein Vergaser für Verbrennungsmotoren bekannt, bei dem eine Brennstoff-Luftemulsion aus einem rohrförmigen Mischkanal über eine Rohrdüse an einer Querschnittsverengung einer Lavaldüse in eine Luftströmung von Schallgeschwindigkeit, gemäß dem Oberbegriffs der Ansprüche 1, 10 und 11, eingegeben wird, worauf der Brennstoff umgehend zu Tröpfchen zerplatzt. Zusätzliche Druckstöße führen zu einer Intensivierung der Vermischung und Homogenisierung des Gemischs sowie zur weiteren Zerkleinerung noch vorliegender größerer Tröpfchen.
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 Gemischvolumens 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 überall 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 Tröpfchengrößen 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 Tröpfchen 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 Strömungsfeld.
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 Tröpfchen in enger und/oder gesteuerter Verteilung erzielt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1, 10 bzw. des Anspruchs 11 gelöst.
Entsprechend der erfindungsgemäßen Zerstäubung wird ein aus einer Öffnung austretender Flüssigkeitsstrahl von vorzugsweise rundem Querschnitt durch eine vorzugsweise konzentrisch angreifende Gasströmung zu geringerem 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 Teilchen 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 Wesentlichen 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 konvergentdivergentem 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 Vorwärtsimpuls des Flüssigkeitsstrahls.
Je nach Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich verschiedene Vorteile. In Verbrennungskraftmaschinen wird die Gemischbildung verbessert, bei der Zerstäubung 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 gefüllt.
Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
Wird das Verhältnis der Drücke vor und hinter der Lavaldüse gesteigert, so wird im engsten Querschnitt der Lavaldüse beim kritischen Druckverhältnis, welches bei Luft 1,89 beträgt, Schallgeschwindigkeit und bei weiterer Steigerung Überschallgeschwindigkeit danach 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 Überschallgeschwindigkeit 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 Gemischbildungskammer, 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 Überschallströmung an einer Ecke in den darauffolgenden Raum expandiert, und zwar in starker Aufweitung 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 Verdünnungs- und Stoßwellen kann die Vermischung von Flüssigkeit, z.B. Kraftstoff und Luft verbessert werden.
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 Turbulenzen. 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 Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1a
xeine Vorrichtung zur Zerstäubung von Kraftstoff mit rotationssymmetrischem Kraftstoffaustritt im Zentrum und Luftströmung im umgebenden Ringspalt in einer Schnittdarstellung, und
Fig. 1b
die Draufsicht entsprechend Fig. 1a,
Fig. 2
eine vergrößerte Ansicht des unteren Teils der Fig. 1a 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 Tröpfchengrößen abhängig vom Druck, und
Fig. 5
die Abhängigkeit des Gasverbrauchs in Abhängigkeit von der benötigten Kompressionsenergie für Zerstäubungsluft.
In Fig. 1a 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 Einspritzvorrichtung 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 Verbindung 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. 1a und 1b 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 Durchflussquerschnitt 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 Zehntelmillimeterbereich, und entsprechend beträgt der Innendurchmesser 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 einströmt 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 Druckverhältnis 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 Lavaldüse 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 Oberflächenspannung 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 ursprünglichen 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 d84/d50 = 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 Zerplatzen 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 zueinander 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 erhöhtem 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 Zustände 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 anderen 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, begleitet 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 Tröpfchengröße 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 VK zu ihrer Oberfläche AK und er ist d3,2 = 6 VK/AK.
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 Lavaldüsendurchmesser 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 p0 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
▾ sehr großer Abstand
◆ großer Abstand
Figure 00160001
kleiner Abstand
Figure 00160002
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 Tröpfchendurchmesser, 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
▴ >39 µm >25 µm

Claims (17)

  1. Verfahren zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mittels einer Lavaldüse mit Hilfe von. Gasströmen, bei dem die Flüssigkeit aus einer Austrittsöffnung in einen Zerstäubungsraum eingeführt und zu feinen Tröpfchen zerstäubt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Austrittsöffnung als Monofil oder Film austretende Flüssigkeitsstrahl von einer stetig beschleunigten laminaren Gasströmung 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 Gasturbine, 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, dadurch 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 Zylinders 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 Ausströmöffnung aufweisenden Flüssigkeitskanal, der auf einen Zerstäubungsraum hinführt, wobei dem Flüssigkeitskanal (4) ein Gaskanal (6) zugeordnet ist, der in eine Lavaldüse (5) mündet, und der engste Querschnitt (12) der Lavaldüse (5) um die Ausströmöffnung (15) herum oder etwas über oder unter dieser angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, 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 und das Verhältnis der Ausströmöffnung (15) zum engsten Querschnitt (12) zwischen dem Wert 0,6/1,2 und dem Wert 1,0/0,7 liegt.
  11. Vorrichtung zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mit Hilfe von Gasströmen mit einem eine Ausströmöffnung aufweisenden Flüssigkeitskanal, der auf einen Zerstäubungsraum hinführt, wobei dem Flüssigkeitskanal (4) ein Gaskanal (6) zugeordnet ist, der in eine Lavaldüse (5) mündet, und der engste Querschnitt (12) der Lavaldüse (5) um die Ausströmöffnung (15) herum oder etwas über oder unter dieser angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, 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 und dass die Austrittsöffnung und die Lavaldüse schlitzförmig sind
  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 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (15) und die Lavaldüse (5) im Wesentlichen kreisförmig sind.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (6) den Flüssigkeitskanal (4) umgibt und als Ringspalt- oder Schlitzspaltkanal ausgebildet ist.
  15. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 in einem Brennkraft-Motor zur Herstellung eines Kraftstoff-Gas-Gemisches.
  16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 in einem Brennkraft-Motor als Einspritzdüse in einen Zylinder oder in ein Saugrohr.
  17. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14 als Zerstäubungsdüse von Brennstoff in Brennkammern von Gasturbinen oder Flammenräume von Heizkesseln.
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