WO1984000996A1 - Method and device for dissolving a gas, particularly carbon dioxide, in a liquid fuel, and dispensing it in saturated conditions into combustion air - Google Patents

Method and device for dissolving a gas, particularly carbon dioxide, in a liquid fuel, and dispensing it in saturated conditions into combustion air Download PDF

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WO1984000996A1
WO1984000996A1 PCT/EP1983/000228 EP8300228W WO8400996A1 WO 1984000996 A1 WO1984000996 A1 WO 1984000996A1 EP 8300228 W EP8300228 W EP 8300228W WO 8400996 A1 WO8400996 A1 WO 8400996A1
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WO
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fuel
gas
mixing
mixer
pressure
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PCT/EP1983/000228
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English (en)
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Inventor
Wolfgang Schmidtke
Original Assignee
Rommenhoeller Kohlensaeure
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B51/00—Other methods of operating engines involving pretreating of, or adding substances to, combustion air, fuel, or fuel-air mixture of the engines
    • 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
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K5/00—Feeding or distributing other fuel to combustion apparatus
    • F23K5/02—Liquid fuel
    • F23K5/08—Preparation of fuel
    • F23K5/10—Mixing with other fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S261/00—Gas and liquid contact apparatus
    • Y10S261/07—Carbonators

Definitions

  • the invention relates to a method for distributing liquid fuel in combustion air, to which the fuel is mixed via a carburetor or injector.
  • the object is achieved in that in the fuel gas, preferably air and / or carbon dioxide at such a solution pressure / temperature condition, in which a higher solubility of the gas than under the mixed pressure / temperature state of the combustion air during the admixture is given in such a quantity ratio that the saturation quantity ratio at the mixed pressure / temperature condition is exceeded and this solution is fed to the gasifier or injector.
  • the method can be used for both explosion-type and continuous combustion systems. Depending on the application, different gas-fuel solutions can be used particularly advantageously.
  • Fuel is saturated under a pressure of several atmospheres.
  • a changeover or mixed operation with different o gases e.g. B. carbon dioxide
  • o gases e.g. B. carbon dioxide
  • the use of carbon dioxide can also be increased relatively under difficult operating conditions in which there is a tendency to knock 5.
  • the device for dissolving the gas is a closed unit which can be inserted in a simple manner into the fuel line.
  • the device is controlled on the basis of internally obtained criteria of the fuel flow and the saturation achieved. 5
  • the control criterion of the fuel metering is advantageously used for controlling the device for saturation.
  • a device for performing the method and the insertion in known combustion engines and systems is shown in Figures 1 to 7.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a device for dissolving gases in the fuel
  • Fig. 2 shows an alternative mixer to the system of Fig. 1;
  • Fig. 3 shows a further mixer for the plant of Fig. 1;
  • Fig. 4 shows the connection of the device
  • Fig. 5 shows the connection of the device of Fig. 1 to an injector engine
  • Fig. 6 shows the connection of the device of Fig. 1 to a heating burner
  • Fig. 7 shows the connection of the device of FIG. 1 to a jet engine.
  • the device for dissolving gases in fuels which is shown in FIG. 1, consists of an injector mixer 11, the nozzle 12 of which is supplied with the fuel via line 13.
  • the nozzle 12 is surrounded by a mixing chamber 311 into which the gas, here Compressed air or carbon dioxide is supplied via line 31.
  • a vertical cylindrical tube 15 Connected to the mixer 11 is a vertical cylindrical tube 15, in which the gas bubbles dissolve in the fuel in a swirl section 163.
  • the tube 15 is expediently dimensioned such that the height h of the swirl section 163 corresponds approximately to twice the diameter d and, at maximum fuel throughput, the gas bubbles have practically completely dissolved when the upper region is reached. Undissolved gas collects in the mixing dome 16l above the upper end of the pipe 15.
  • a housing 16 extends downward from the mixing dome 161, concentrically to the pipe 15, the diameter of which is selected such that in the discharge path 164 between the housing 16 and the pipe 15, the sinking speed of the fuel at maximum throughput is less than the rate of rise of the remaining gas bubbles which may still be present.
  • the fuel line 17 is connected, which leads to the so-called carburetor or the injection devices.
  • the housing 16 is made of glass or at least partially of glass.
  • the fuel is conveyed from the tank 40 with the pump 41 via a filter 42 in a known manner and under pressure through a fuel line 17.
  • connection 171a to which connection 17ld (FIGS. 4 to 7) is connected in known motors and combustion systems, the device with connection 171b and 171c is inserted, a check valve 44 being expediently installed in the lines 17 and 13 , so that the pressure in the housing 16 is always maintained in order to maintain the state of saturation of the fuel.
  • the carbon dioxide is fed from a pressure bottle 20 via a reducing valve 21 to a mixing line 26, and on the other hand, compressed air is filled into a storage container 22 with the compressor 23 and also fed to the mixing line 26 via a reducing valve 25 '. 5
  • a compressed air system is e.g. B. already in trucks, already available * Because of the relatively low air requirement, it is sufficient for a passenger car to load a reservoir each time with a compressor; or a small, separate compressor can be provided.
  • a manometer 27 is used to monitor the pressure in the mixing line 26.
  • the valve 28 opens the mixing line 26 to the metering device 29 by means of an operating signal, from which the check valve 30 opens the valve
  • Line 31 leads to the mixer 11.
  • their functions can also be carried out integrated in special components.
  • a separate valve 28 can be omitted in the inoperative state.
  • the storage container 22 can fall if a special compressor 23 which is always running is provided. If this is controllable, it can also take over the function of the dosing device 29.
  • the Dosungs ⁇ setting can be done once, z. B. on the basis of the observed bubble resolution before reaching the mixing dome 161.
  • the observation can also be carried out by a pressure meter 46 or a gas bubble sensor, e.g. B. a float or, as shown, a light barrier 50.51, which also offers the possibility of automatically regulating the dosage.
  • the signal line 461 or 511 is fed to a control device R and its signal is compared with a predetermined value, which corresponds to the presence of a small bubble flow compared to the bubble flow at the outlet of the mixer 11, and the metering device from the difference signal 29 controlled via line 291.
  • a return line 7 from the mixing dome 16l 5 via a further metering device 45 to the tank 40.
  • This metering device 45 is opened when a gas bubble that is large relative to normal operation has collected in the mixing dome 161, which is done automatically by means of line 451 by comparing the signal of the light barrier 50.5 " 1 with a correspondingly high comparison value.
  • the control of the gas volume flow can also be carried out by specifying a metering signal on the input lines 6 ⁇ b, 64b of the control device R, to which the said difference signal of the control deviation is added, provided that control is additionally provided.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment of the mixer 111, which is equipped with a sintered candle 314, through the pores of which the gas enters the mixing chamber 312 in fine bubbles.
  • the sintered body could also be provided flat on the bottom of the tube 15, through which the fuel enters laterally.
  • the mixer 112 which consists of a known static mixer, the mixing chamber 313 of which the gas and the fuel are supplied.
  • the selection between the different mixers 11, 111, 112 is expediently made in accordance with the pairing of the selected gas and the fuel and their properties, in particular with regard to contamination or clogging of the pores or nozzle.
  • the mixing ability is a selection criterion in the event of very different throughputs.
  • FIGS. 2 and 3 o The connections of the devices according to FIGS. 2 and 3 o are designated in accordance with those in FIG. 1.
  • the gas is generally dissolved in a
  • FIG. 4 shows how the device is inserted into a diesel engine 63.
  • the solution of diesel oil and air or carbon dioxide saturated at about 10 atmospheres is fed to the injection pump 60, from where it reaches the combustion chamber 62 through the injection nozzle 61. Since the compressed air, which may be additionally heated by the cylinder walls, has a high temperature, the solubility of the gas is exceeded despite the high pressure, and the solution is finely nebulized by the escaping gas. As a result, the cold start property in particular is significantly improved, and saturation with the readily soluble carbon dioxide is therefore recommended at the start. When the engine is warm, saturation with air is sufficient to improve the efficiency and reduce the harmful exhaust gases and soot formation.
  • valves 21 and 25 for carbon dioxide 5 and compressed air are advantageously reversed.
  • the control of the metering device 29 is fed directly via a signal line 60b from the metering control line 6 ⁇ a to the injection pump 60 a control signal from the control device R or the metering device 29.
  • OMP be set to an even lower air excess than in known engines of this type, which leads to a further increase in efficiency and a reduction in pollutant emissions.
  • the control signal for the metering device 29 occurs through the control signal of the fuel quantity divider; which is taken from line 64a via line 64b.
  • FIG. 6 A heating burner is shown in FIG. 6, in whose fuel line the device for dissolving gas is arranged upstream of the controlled valve 70. As soon as the pressurized solution from the burner nozzle 71 enters the combustion air, the fuel is finely divided by the released gas and mixed with the air flow. This effect is intensified by the retroreflection from the flame zone 73 into the mixing zone 731, since the heating releases further gas which separates the droplets again. 5
  • a flammable gas e.g. B, hydrogen, natural gas or propane gas can be dissolved in the fuel.
  • FIG. 7 shows a jet engine 83, in the fuel supply line of which the device for dissolving gas is inserted. Since the supply pressure of the nozzles 81 * is relatively high, a large amount of gas can be dissolved ge in the fuel and a substantial improvement in Ver ⁇ distribution of fuel during the residence time in the mixing zone 81 can be achieved. The radiant heat that comes from the flame zone 82 into the mixing zone 81 also contributes to this, which causes the fuel droplets to be divided again by the release of gas. A practically soot-free combustion and an increase in efficiency is achieved.
  • Carbon dioxide is particularly suitable for saturating the fuel because of its high solubility, and also a combustible gas because of its good ignitability, which largely prevents engine exposure.
  • the signals for controlling the metering of the gas flow and the corresponding control device can be configured electronically, mechanically, pneumatically, etc., depending on the metering devices given for the fuel.
  • the time pulses that serve to control the injection are also expediently used to control the metering device when using an electromagnetically controllable valve.
  • this rotation acts directly or via a cam on a mechanically acting metering device.
  • the rotation by a sensor, for. B. a potentiometer converted into an electrical signal and fed to an electronic control or regulating device.

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Description

-7-
Verfahren und Vorrichtung zur Lösung von Gas, insbesondere Kohlendioxid in flüssigem Brenn¬ stoff und dessen Verteilung in Verbrennungsluft im übersättigtem Zustand
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verteilung von flüssigem Brennstoff in Verbrennungsluft, der der Brennstoff über einen Vergaser oder Injektor zugemischt wird.
Es ist bekannt, daß Flüssigkeiten, in denen Gase ge¬ löst sind, bei einer plötzlichen Absenkung vom um¬ gebenden Druck oder einer schnellen Temperaturer¬ höhung, bei denen der Zustand der Übersättigung we- gen der geringeren Löslichkeit der Gase bei niedri¬ gerem Druck oder höherer Temperatur auftritt, spon¬ tan das gelöste Gas freisetzen und dabei aufschäumen oder im Fall einer gleichzeitigen Versprühung sich in feine Tröpfchen zerteilen.
OMP Andererseits ist es bekannt, flüssige Brennstoffe durch Versprühen und teilweise Verdampfung durch Erhitzen und Verwirbeln in Verbrennungsluft zu verteilen. Diese Vermischungsmaßnahmen greifen alle hinter dem sogenannten Vergaser oder den In¬ jektordüsen oder Brennerdüsen ein, indem durch Wirbelzonen und besondere Gestaltung und Lage des Brenn- oder Explosionsraumes zur Zuführung des Brennstoffs oder der Brennstoff-Luftmischung eine gleichmäßige und intensive Vermischung angestrebt wird. Alle diese Maßnahmen sind aber nicht aus¬ reichend, um eine völlig gleichmäßige uήä sehr feine Brennstoffverteilung zu bewirken, weshalb entweder ein Teil des Brennstoffes unverbrannt oder gespal- ten als Kohlenmonoxid oder Kohlenstoff den Brenn¬ raum verläßt oder bei der Zufuhr eines Luftüber- schußes dieser zur Bildung von Stickoxiden nutzlos verbraucht wird und schädliches Abgas abgegeben wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu offenbaren,' durch die die Verteilung von Brennstoff in Verbrennungsluft wesentlich gleich¬ mäßiger und feiner erfolgt, so daß die Nachteile der bekannten Verfahren verringert werden und eine bes- sere Verbrennung mit höherem Wirkungsgrad, weniger schädlichen Abgasen, zuverlässigerer Zündung und da¬ mit geringeren Startschwierigkeiten bei Motoren und geringerer Klopfneigung bei Motoren erreicht werden kann.
O Die Lösung der Aufgabe ist dadurch gegeben, daß in dem Brennstoff Gas, vorzugsweise Luft und/oder Kohlendioxid bei einem solchen Lösungsdruck/- te peraturzustand, bei dem eine höhere Löslichkeit des Gases als unter dem Mischdruck/- temperaturzu¬ stand der Verbrennungsluft bei der Zumischung gege¬ ben ist, in einem solchen Mengenverhältnis gelöst wird, daß das Sättigungsmengenverhältnis bei dem Mischdruck/- temperatUrzustand überschritten ist, und diese Lösung dem Vergaser bzw. Injektor zugeführt wird.
Das Verfahren läßt sich sowohl für explosionsar¬ tige als für kontinuierliche Verbrennungssysteme an- wenden. Je nach Anwendung sind unterschiedliche Gas- Brennstofflösungen besonders vorteilhaft einzusetzen.
So ist es beim Einsatz in Verbindung mit Unterdruck¬ vergasern vorteilhaft, ein Gas hoher Löslichkeit, z. B. Kohlendioxid,in dem Benzin zu lösen.
Weiterhin ist es bei Verbrennung von schwer brenn¬ baren Flüssigkeiten, z. B. Dieselöl oder Schweröl, insbesondere als Zündhilfe vorteilhaft, Wasserstoff zu verwenden.
Bei der Verbrennung von Brennstoffen mit relativ hohem Kohlenstoffgehalt, z. B. Benzol, ist die Lösung von Sauerstoff vorteilhaft. Der geringste versorgungstechnische Aufwand ist ge¬ geben bei der Verwendung von Druckluft, die durch einen relativ kleinen Kompressor vor Ort erzeugt wird. Eine für den angestrebten Zweck ausreichende 5" Luftmenge wird insbesondere dann gelöst, wenn der
Brennstoff unter einem Druck von mehreren Atmosphären gesättigt wird.
Ein Umschalt- oder Mischbetrieb mit verschiedenen o Gasen, z. B. Kohlendioxid,zum Start oder bei nie¬ driger Temperatur und Luft zum laufenden Betrieb er- gibt eine vorteilhafte Kombination bezüglich techni¬ scher Wirkung und Ökonomie des Stoffeinsatzes. Auch kann bei erschwerten Betriebsbedingungen, bei denen 5 Klopfneigung besteht, der Einsatz von Kohlendioxid relativ erhöht werden.
Die Vorrichtung zur Lösung des Gases ist eine ge¬ schlossene Einheit, die in einfacher Weise jeweils o in die Brennstoffleitung eingefügt werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Steue¬ rung der Vorrichtung auf Grund intern gewonnener Kriterien des Brennstoffdurchflusses und der erreich¬ ten Sättigung. 5
Bei stark wechselndem Durchfluß, z. B. bei Motoren, wird für die Steuerung der Vorrichtung zur Sättigung zweckmäßig das bereits vorhandene Steuerkriteriüm der Brennstoffdosierer verwendet. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und die Einfügung in bekannte Verbrennungs otore und -anlagen ist in den Figuren 1 bis 7 dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung von einer Vorrichtung zur Lösung von Gasen im Brennstoff;
Fig. 2 zeigt einen alternativen Mischer zur Anlage Fig. 1;
Fig. 3 zeigt einen weiteren Mischer zur Anlage Fig. 1;
Fig. 4 zeigt den Anschluß der Vorrichtung nach
Fig. 1 an einen Dieselmotor;
Fig. 5 zeigt den Anschluß der Vorrichtung nach Fig. 1 an einen Einspritzermotor;
Fig. 6 zeigt den Anschluß der Vorrichtung nach Fig. 1 an einen Heizungsbrenner;
Fig. 7 zeigt den Anschluß der Vorrichtung nach Fig. 1 an ein Strahltriebwerk.
Die Vorrichtung zur Lösung von Gasen in Brennstoffen, die in Fig. 1 dargestellt ist, besteht aus einem In- jektormischer 11, dessen Düse 12 über die Leitung 13 der Brennstoff zugeführt wird. Die Düse 12 ist von einer Mischkammer 311 umgeben, in die das Gas, hier Druckluft oder Kohlendioxid, über Leitung 31 zuge¬ führt wird. An den Mischer 11 schließt sich ein senkrecht stehendes zylindrisches Rohr 15 an, in dem in einer Wirbelstrecke 163 sich die Gasblasen im Brennstoff auflös-en. Das Rohr 15 ist zweckmäßig so dimensioniert, daß die Höhe h der Wirbelstrecke 163 etwa dem doppelten Druchmesser d entspricht und bei maximalem Brennstoffdu-rchsatz die Gasblasen sich bei Erreichen des oberen Bereiches praktisch völlig gelöst haben. Ungelöstes Gas sammelt sich in dem Mischdom l6l über dem oberen Ende des Rohres 15. Von dem Mischdom 161 nach unten erstreckt sich kon¬ zentrisch zum Rohr 15 ein Gehäuse 16, dessen Durch¬ messer so gewählt ist, daß in der Abführstrecke 164 zwischen dem Gehäuse 16 und dem Rohr 15 die Sinkge¬ schwindigkeit des Brennstoffes bei maximalem Durch¬ satz kleiner ist als die Steiggeschwindigkeit der eventuell noch vorhandenen restlichen Gasblasen. Am unteren Ende des Gehäuses 16 ist die Brennstoff- leitung 17 angeschlossen, die zu dem sogenannten Vergaser oder den Einspritz orrichtungen führt.
Für die optimale Kontrolle der richtigen Dosierung der zugesetzten Gasmenge ist das Gehäuse 16 aus Glas oder zumindest teilweise aus Glas hergestellt.
Der Brennstoff wird aus dem Tank 40 mit der Pumpe 41 über ein Filter 42 in bekannter Weise und unter Druck durch eine Brennstoffleitung 17 gefördert. Zwischen dem Anschluß 171a, an den bei bekannten Motoren und Verbrennungsanlagen sich Anschluß 17ld (Fig. 4 bis 7) anschließt, ist die Vorrichtung mit Anschluß 171b und 171c eingesetzt, wobei in die Lei- 5 tungen 17 und 13 zweckmäßig ein Rückschlagventil 44 eingebaut ist, damit der Druck im Gehäuse 16 stets erhalten bleibt, um den Sättigungszustand des Brenn¬ stoffes zu erhalten.
o Das Kohlendioxid wird aus einer Druckflasche 20 über ein Reduzierventil 21 einer Mischleitung 26 zugeführt, und andererseits wird mit dem Kompressor 23 Druckluft in einen Vorratsbehälter 22 gefüllt und über ein Re¬ duzierventil 25 'ebenfalls der Mischleitung 26 zugeführt, 5 Eine solche Druckluftanlage ist, z. B. bei Lastkraft¬ wagen, bereits vorhanden* Wegen des relativ geringen Luftbedarfs genügt es für einen Personenkraftwagen, einen Vorratsbehälter jeweils beim Tanken mit einem Kompressor zu laden; oder es kann ein kleiner geson- o derter Kompressor vorgesehen werden.
Zur Überwachung des Druckes in der Mischleitung 26 dient ein Manometer 27. Das Ventil 28 öffnet durch ein Betriebssignal die Mischleitung 26 zur Dosiervorrich- 5 tung 29, von der über das Rückschlagventil 30 die
Leitung 31 zum Mischer 11 führt. Je nach Ausführung der genannten Bauteile können deren Funktionen auch inte¬ griert in speziellen Bauelementen ausgeführt werden. So kann bei festem Schließen der Dosiervorrichtung 29 o im betriebslosen Zustand ein separates Ventil 28 ent¬ entfallen. Weiterhin kann der Vorratsbehälter 22 ent- fallen, wenn ein spezieller, immer mitlaufender Kom¬ pressor 23 vorgesehen ist. Sofern dieser steuerbar ist, kann dieser auch die Funktion des Dosierers 29 übernehmen.
5
Sofern ein konstanter Brennstoffström, wie z. B. bei Heizungsbrennern, benötigt wird, kann die Dosierungs¬ einstellung einmalig geschehen, z. B. anhand der beob¬ achteten Blasenauflösung vor Erreichen des Mischdomes o 161. Die Beobachtung kann aber auch durch einen Druck¬ messer 46 oder einen Gasblasensensor, z. B. einen Schwimmkörper oder, wie gezeigt, eine Lichtschranke 50,51 erfolgen, was auch die Möglichkeit bietet, eine Regelung der Dosierung automatisch vorzunehmen. Hierzu 5 wird die Signalleitung 461 oder 511 einer Regelvorrich¬ tung R zugeführt und deren Signal mit einem vorgegebe¬ nen Wert, der dem Vorhandensein von einem geringen Blasenstrom verglichen mit dem Blasenstrom am Ausgang des Mischers 11 entspricht, verglichen und von dem o Differenzsignal die Dosiervorrichtung 29 über Leitung 291 angesteuert.
Es ist bei stark schwankendem Brennstoffverbrauch vor¬ teilhaft, eine Rückleitung 7 von dem Mischdom l6l 5 über eine weitere Dosiervorrichtung 45 zum Tank 40 vor¬ zusehen. Diese Dosiervorrichtung 45 wird dann geöffnet, wenn eine relativ zum Normalbetirieb große Gasblase sich im Mischdom 161 gesammelt hat, was durch Vergleich des Signals der Lichtschranke 50,5"1 mit einem entsprechend o hohem Vergleichswert automatisch regelnd über Leitung 451 erfolgt. Die Steuerung des Gasmengenstromes, abhängig vom Brennstoffdurchsatz, kann auch durch Vorgabe eines Dosiersignales auf den Eingangsleitungen 6θb,64b der Regelvorrichtung R erfolgen, dem additiv das genannte Differenzsignal der Regelabweichung zugefügt wird, so¬ fern eine Regelung zusätzlich vorgesehen ist.
Da das Durchlaufen der Wirbelstrecke 163 für die Gas¬ blasen eine gewisse Zeit beansprucht, ist es erforder- lichizur Vermeidung von Regelschwingungen eine ange¬ paßte Verzögerung in der RegelVorrichtung für die Stellsignale vorzusehen.
Sofern ein sehr großer Brennstoffbedarf besteht, ist es aus Gründen der Bauhöhe zweckmäßig, mehrere Mischer 11 mit Rohren 15 parallel in einem Gehäuse 16 unterzubringen oder statt der Injektordüse 12 andere Mischer vorzusehen.
In Fig. 2 ist eine alternative Ausführung des Mischers 111 gezeigt, der mit einer Sinterkerze 314, durch deren Po¬ ren das Gas in feinen Blasen in die Mischkammer 312 ein¬ tritt, ausgerüstet ist. Der Sinterkörper könnte auch flächig am Boden des Rohres 15 vorgesehen werden, über dem seitlich der Brennstoff zutritt.
In Fig. 3 ist eine weitere alternative Ausführung des Mischers 112 gezeigt, der aus einem bekannten Statik¬ mischer besteht, dessen Mischkammer 313 das Gas und der Brennstoff zugeführt wird. Die Auswahl zwischen den verschiedenen Mischern 11, 111, 112 wird zweckmäßig entsprechend der Paarung des gewähl¬ ten Gases und des Brennstoffes und deren Eigenschaften, insbesondere bezüglich einer Verschmutzung oder Ver- 5 stopfung der Poren oder Düse, getroffen. Weiterhin ist die Mischfähigkeit bei eventuell auftretenden sehr unter¬ schiedlichen Durchsätzen ein Auswahlkriterium.
Die Anschlüsse der Vorrichtungen nach Fig. 2 und 3 o sind entsprechend denjenigen in Fig. 1 bezeichnet.
Die Lösung des Gases erfolgt im allgemeinen bei einem
Druck etwa beginnend mit zwei Atmosphären, wobei höhere
Drücke bevorzugt sind. Sofern aber ein sogenannter Ver- 5 gaser eines Vergasermotors der Vorrichtung nachgeschal¬ tet ist, der nicht unter Überdruck stehen kann, so wird zur Sättigung ein gut lösliches Gas, z. B. Kohlendioxid, gewählt. Es entsteht dann sowohl durch den Unterdruck beim sogenannten VergasungsVorgang der übersättigungs- o zustand, der eine feinere Verteilung des Brennstoffes bewirkt, und bei einer anschließenden Erhitzung des Ge¬ misches aus Brennstoff und Luft duroh die Erwärmung durch die Zylinderwand tritt eine weitere Freisetzung von Gas und damit Aufspaltung der Tröpfchen auf. 5
In Fig. 4 ist gezeigt, wie die Vorrichtung in einen Dieselmotor 63 eingesetzt ist. Es wird die bei etwa 10 Atmosphären gesättigte Lösung aus Dieselöl und Luft oder Kohlendioxid der Einspritzpumpe 60 zugeführt, von o wo sie durch die Einspritzdüse 61 in den Brennraum 62 gelangt. Da die komprimierte Luft, die unter Umständen zusätzlich durch die Zylinderwände aufgeheizt ist, eine hohe Tem¬ peratur hat, ist trotz des hohen Druckes die Löslichkeit des Gases überschritten, und es erfolgt eine feine Ver- 5 nebelung der Lösung durch das austretende Gas. Hier¬ durch wird insbesondere die Kaltstarteigenschaft we- sentlich verbessert, wobei sich deshalb beim Start die Sättigung mit dem gut löslichen Kohlendioxid empfiehlt. Bei warmem Motor genügt zur Verbesserung des Wirkungs- o grades und der Verringerung der schädlichen Abgase und Rußbildung eine Sättigung mit Luft.
Abhängig von der Motortemperatur erfolgt zweckmäßig eine Umsteuerung der Ventile 21 und 25 für Kohlendioxid 5 und Druckluft.
Für die Dosierung des Gasstromes, d.h. die Steuerung der Dosiervorrichtung 29 wird über Signalleitung 60b von der Dosiersteuerungsleitung 6θa der Einspritzpumpe o 60 ein Steuersignal der Regelvorrichtung R oder dem Dosierer 29 direkt zugeführt.
In Fig. 5 ist ein Einspritzmotor 67 gezeigt, dessen Kraftstoffmehgenteiler 64 die gesättigte Lösung zuge- 5 führt wird, von der sie zur Einspritzdüse 65 geleitet wird. Da die gleichzeitig angesaugte Verbrennungsluft einen erheblich niedrigeren Druck als die Lösung hat, erfolgt eine spontane Zerstäubung der Lösung durch das frei werdende Gas, was sowohl die Verbrennung als die o Kaltstarteigenschaften verbessert. Das Mischungsver¬ hältnis von Brennstoff und Verbrennungsluft kann deshalb
OMP auf einen noch geringeren Luftüberschuß als bei be¬ kannten Motoren dieser Art eingestellt werden, was zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades und Verringerung der Schadstoffemission führt.
Sofern Kohlendioxid im Brennstoff gelöst wird, ist die Klopffestigkeit der Lösung gegenüber dem reinen Brenn¬ stoff erhöht. Dies ist ein zusätzlicher vorteilhafter Effekt. o
Das Steuersignal für die Dosiervorrichtung 29 geschieht durch das Steuersignal des Kraftstoffmengenteilers; das über Leitung 64b von Leitung 64a abgenommen wird.
5 In Fig. 6 ist ein Heizungsbrenner gezeigt, in dessen Brennstoffleitung vor dem gesteuerten Ventil 70 die Vorrichtung zur Lösung von Gas angeordnet ist. Sobald die unter Druck stehende Lösung aus der Brennerdüse 71 in die Verbrennungsluft eintritt, wird der Brennstoff o durch das frei werdende Gas fein zerteilt und mit dem Luftstrom vermischt. Dieser Effekt wird noch durch die Rückstrahlung aus der Flammzone 73 in die Mischzone 731 verstärkt, da durch die Erwärmung weiteres Gas freige¬ setzt wird, das die Tröpfchen nochmals trennt. 5
Da die Flamme durch die feine Verteilung des Brenn¬ stoffes praktisch rußfrei brennt, entstehtkeine Ru߬ ablagerung an dem nachgeschalteten Wärmetauscher, wo¬ durch der Wirkungsgrad der Heizanlage zusätzlich ver- o bessert ist gegenüber bekannten Heizanlagen. Das Verfahren ist sowohl für Heizöl als auch Schweröl als auch für eine Brennstoff-Schadstoffmischung gut geeignet. Zur zusätzlichen Verbesserung der Zündfähig¬ keit der Lösung kann auch ein brennbares Gas, z. B, Wasserstoff, Erdgas oder Propangas im Brennstoff ge¬ löst werden.
Da der Brennstoffström konstant ist, ist die Dosierung der Gasmenge fest eingestellt, was zu einer sehr ein- fachen Vorrichtung führt.
Fig. 7 zeigt ein Strahltriebwerk 83, in dessen Brenn¬ stoffzuleitung die Vorrichtung zur Lösung von Gas ein¬ gefügt ist. Da der Versorgungsdruck der Düsen 81 relativ * hoch ist, kann eine große Menge Gas im Brennstoff ge¬ löst werden und eine wesentliche Verbesserung der Ver¬ teilung des Brennstoffes während der Verweilzeit in der Mischzone 81 erreicht werden. Hierzu trägt zusätz¬ lich die Strahlungswärme, die aus der Flammzone 82 in die Mischzone 81 tritt,bei, die eine nochmalige Auf¬ teilung der Brennstofftröpfchen durch Freisetzung von Gas bewirkt. Eine praktisch rußfreie Verbrennung und eine Erhöhung des Wirkungsgrades wird dadurch erreicht.
Zur Sättigung des Brennstoffes eignet sich insbesondere Kohlendioxid wegen seiner hohen Löslichkeit als auch ein brennbares Gas wegen seiner guten Zündfähigkeit, die ein Aussetzen des Triebwerkes weitgehend verhindert. - 14 -
Zur Dosierung des Gasstromes wird auch bei dieser An¬ ordnung ein Steuersignal von dem Brennstoffdosierer der Regelvorrichtung R zugeführt. Bei der Verwendung von brennbaren Gasen oder Gasen mit hohem Sauerstoff¬ anteil müssen die bekannten sicherheitstechnischen Konstruktionsmaßnahmen berücksichtigt werden. In diesen Fällen wird die Wirbelstrecke 163 zweckmäßig so groß dimensioniert, daß eine Abführung von Gas über eine Dosiervorrichtung 45 entfällt. o
Die optimale Ausgestaltung der Anordnungen nach der Erfindung in den gezeigten und weiteren ähnlichen An¬ wendungsfällen kann durch geeignete Kombination der gezeigten Einzelheiten oder auch durch fachmännische 5 Auswahl geeigneter Paarungen von Brennstoff und Gas erfolgen. Die dargestellten Vorrichtungen zur Lösung von Gas im Brennstoff können durch andere Äquivalente ersetzt werden, soweit sie den Anforderungen des Ver¬ fahrens gemäße Lösungen liefern. o
Die Signale zur Steuerung der Dosierung des Gasstromes und die entsprechende Regelvorrichtung können elektro¬ nisch, mechani-sch,pneumatisch usw. ausgestaltet sein, je nach den gegebenen Dosiervorrichtungen für den Brenn- 5 stoff. So werden zweckmäßig die Zeitimpulse, die der Einspritzsteuerung dienen, auch für die Steuerung der Dosiervorrichtung bei Verwendung eines elektromagnetisch steuerbaren Ventils benutzt. In einer anderen Ausge¬ staltung mit einer Einspritzpumpenverstellung durch Ver- o drehen einer Welle wirkt diese Drehung direkt oder über eine Nocke auf eine mechanisch wirkende Dosiervorrichtung ein. Nach einer weiteren Ausgestaltung wird die Drehung durch einen Sensor, z. B. ein Potentiometer, in ein elek¬ trisches Signal umgesetzt und einer elektronischen 5 Steuer- oder Regelvorrichtung zugeführt.

Claims

- 15 -P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Verteilung von flüssigem Brennstoff in Verbrennungsluft, der der Brennstoff über einen Vergaser oder Injektor zugemischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Brennstoff Gas, vor- 5 zugsweise Luft und/oder Kohlendioxid bei einem solchen Lösungsdruck/ -temperatUrzustand, bei dem eine höhere Löslichkeit des Gases als unter dem Mischdruck/ -temperaturzustand der Verbrennungs¬ luft bei der Zumischung gegeben ist, in einem o solchen Mengenverhältnis gelöst wird, daß das
Sättigungsmengenverhältnis bei dem Mischdruck/- temperaturzustand überschritten ist, und diese Lösung dem Vergaser bzw. Injektor zugeführt wird.
5 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff im Lösungs/-temperaturzustand völlig mit dem Gas gesättigt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- o zeichnet, daß der Lösungsdruck mehrere Atmosphären über dem Mischdruck liegt^und die Lösungs- und Mischtemperatur annähernd gleich sind oder die . Mischtemperatur über der Lösungstemperatur liegt.
OMPI - 16 -
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Lösungstemperatur der Umgebungs¬ temperatur entspricht und die Mischtemperatur vor¬ zugsweise durch Zufuhr von Verbrennungswärme in Form von Strahlung der Verbrennungszone oder der Wandung der Brennkammer darüber liegt und der Lösungs- und Mischdruck annähernd gleich Normal¬ druck sind oder der Mischdruck geringer als der Normaldruck ist. o
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff und das Gas laufend in dem bestimmten Mengenverhältnis oder dem Lösungsvermögen entsprechend dosiert 5 einem vorzugsweise vertikal angeordneten Mischer (11,111,112) mit vorzugsweise darüberliegender Wirbelstrecke (163) mit einem darüber liegendem Mischdom (161) zugeführt wird, und von diesem in einer vorzugsweise nach unten gerichteten Abführ- o strecke (164) abgeleitet wird und von dort dem
Vergaser bzw. Injektor (61,65,71,81) zugeführt wird, wobei die Wirbelstrecke (163) so bemessen ist, daß sich der Strom der Gasblasen vor Erreichen des Mischdomes (161) weitgehend aufgelöst hat, und 5 wobei die Abführstrecke (164) im Querschnitt so bemessen ist, daß die Sinkgeschwindigkeit des Brennstoffes geringer ist, als die Steiggeschwin¬ digkeit von Gasblasen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas leicht löslich (Kohlendioxid), leicht brennbar (Wasserstoff und/oder oxidierend (Sauerstoff) ist.
5
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff Methanol, Alkohol, Benzin, Benzol, Heizöl, Diesel¬ öl, Schweröl oder ein Brennstoff-Schadstoffge- lo misch ist.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Mischer (11) ein In ektor- 5 mischer ist, dem der Brennstoff vorzugsweise über eine vertikale Düse (12) und das Gas einer darumliegenden Mischkammer (311) zugeführt wird oder ein Sinterkerzenmischer (111) ist, bei dem das Gas einer Seite einer gesinterten, porösen o Trennschicht, vorzugsweise dem Inneren eines zylindrischen Sinterkörpers (314), und der Brenn¬ stoff der auf der anderen Seite der Trennschicht befindlichen Mischkammer (312) zugeführt wird oder ein Statikmischer (112) ist, dessen Misch- 5 kammer (313) das Gas und der Brennstoff zugeführt werden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß in Stromrichtung hinter dem Mischer (11, o 111,112) ein vorzugsweise zylindrisches Rohr (15),
ζϊRE
O PI -18-
das die Wirbelstrecke (163) enthält, angeordnet ist, das vorzugsweise die doppelte Höhe (h) im Verhältnis zu seinem Durchmesser (d) besitzt, und daß vorzugsweise konzentrisch zum Rohr (15) 5 ein zylindrisches Gehäuse (16), vorzugsweise aus Glas, als Abführstrecke (164) angeordnet ist, an dessen unterem Abschnitt (162) eine Brennstoff¬ ableitung (17) angeschlossen ist.
o 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich¬ net, daß in einem Gehäuse mehrere Mischer (11, 111,112) und Rohre (15) nebeneinander angeordnet sind.
5 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff von einem Tank (40) über ein Filter (42) und ein Rückschlagventil (44) dem Mischer (11,111,112) zugeführt wird, wobei die Pumpe (41) den Lösungs- o druck liefert.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas aus einer Druckflasche (20) über ein Reduzierventil (21) 5 und/oder von einem Kompressor (23) über ein
Rückschlagventil (24) und ein Reduzierventil (25), ggf. einer Mischleitung (26), und über eine Do¬ siervorrichtung (29) dem Mischer (11,111,112) zugeführt wird. o
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Dosiervorrichtung (29) mit einer
>TO__4 OMPI ^ WIPO Regelvorrichtung (R) verbunden ist, die ein- gangsseitig mit einem Druckmesser (46) oder Gasblasensensor, z. B. Schwimmkörper oder vor¬ zugsweise einem Photosensor (51) einer Licht- 5 schranke (50,51) verbunden ist, die die Stärke des Stromes der Gasblasen im Mischdom (161) des Gehäuses (16) signalisiert, und die Regel¬ vorrichtung (R) die Dosiervorrichtung (29) in der Weise steuert, daß das Signal der Lichtschranke o (50,51) verglichen wird mit einem Vergleichswert, der dem Signal von einem vorgegebenen relativ niedrigen Gasblasenstrom verglichen zum Gas¬ blasenstrom am Ausgang des Mischers (11) ent¬ spricht, und das so entstehende Differenzsignal 5 als Steuergröße dient.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13» dadurch gekennzeichnet, daß am Mischdom (161) des Ge¬ häuses (16) eine Brennstoffrückleitung (47) zum o Tank (40) mit einer Dosiervorrichtung (45) ange¬ ordnet ist, die von der Regelvorrichtung (R) auf¬ gesteuert wird, wenn der Gasblasensensor das Vorhandensein einer großen Gasblase im Abschnitt (161) durch ein entsprechend.relativ hohes Aus- 5 gangssignal signalisiert.
15» Verbrennungsmotor" zur Verwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ab- o schnitt (171a-171d) der Brennstoffleitung (17) zwischen der Pumpe (41) und
OM - 20 -
- bei einem Vergasermotor - dem Vergaser oder
- bei einem Einspritzmotor - dem Kraftstoffmengen- teiler (64) 5 oder
- bei einem Dieselmotor - der Einspritzpumpe (60)
Gas im Brennstoff gelöst wird.
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16. Verbrennungsmotor nach Anspruch 15, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß Steuergrößen (60a,64a), die den Kraftstoffdosiervorrichtungen wie Vergaser, Ein¬ spritzpumpe (60) oder Kraftstoffmengenteiler (64) zugeführt werden, als Steuergrößen (6θb,64b) der
15 Dosiervorrichtung (29) oder der Regelvorrichtung (R) zugeführt wird.
17. Heiz- und Verbrennungs orrichtung zur Verwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung nach einem der 2o Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abschnitt (171a-171d) der Brennstoffleitung (17) zwischen der Pumpe (41) und der Brennerdüse (71) Gas im Brennstoff gelöst wird.
25 18. Strahltriebwerk zur Verwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Abschnitt (171a-171d) der Brennstoffleitung (17) zwischen der Pumpe (41) und der Triebwerksdüse
3o (81) Gas in Brennstoff gelöst wird.
O PI
^SNAT
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