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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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.