Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Druckzerstäu¬ bung von flüssigem Brennstoff, insbesondere mit einer Zerstäuberdüse, die mit unter Druck stehendem Brennstoff beschickt wird, sowie ein diesbezügliches Verfahren.

Stand der Technik Druckzerstäubung von flüssigen Brennstoffen ist aus der

Heizungs- und Kraftfahrzeugtechnik bekannt. Der Wirkungs¬ grad der Verbrennung hängt neben anderen Parametern, wie der Tropfchengröße des erzeugten Brennstoffnebels davon ab, daß für den Verbrennungsvorgang eine ausreichende

Menge Sauerstoff zur Verfügung steht. Die Luftzuführung zur Flamme ist aber grundsätzlich durch den sich um die Flamme bildende Stickstoff antel begrenzt, der den Flammbereich gewissermaßen isoliert.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Verbrennung bzw. Zerstäubung ist es bereits bekannt, hierzu kerami¬ sche Ultraschall-Schwinger zu verwenden. Solche Schwing¬ elemente ersetzen die bekannten Zerstäuberdüsen. S.ie be¬ stehen in der Regel aus einem Piezoelement, das an ein amplitudenverstärkendes Mεtallteil angekoppelt ist. Der dem Metallteil zentral zugeführte Brennstoff wird an einer Endfläche zerstäubt.

Die Ultraschall-Zerstäubung hat gegenüber der kon¬ ventionellen Druckzerstäubung gewisse Vorteile. Der Brennstoffnebel zeichnet sich durch eine kleinere durchschnittliche Tropfchengröße aus. Die Brennstoff- zufuhr kann über eine mit Normaldruck arbeitende Dosier- pumpe erfolgen, die wesentlich einfacher und kosten¬ günstiger ist, als die bei einem Druckzerstäuber not¬ wendige Hochdruckpumpe mit Druckregler. Schließlich kann über die Frequenz des Ultraschall-Schwingers die Tröpfchengröße als Funktion der Viskosität des Brenn¬ stoffs eingestellt werden (Sonderdruck aus Keramische Zeitschrift (29) Nr. 1/1977 "Flüssigkeitszerstäubung mit piezokeramischen Ultraschall-Schwingern").

Wie bei der normalen Druckzerstäubung ist auch der Wirkungsgrad der Verbrennung bei Einsatz von Ultraschall- Zerstäubern dadurch begrenzt, daß der Verbrennung, d. h. dem Flammkegei, nicht in ausreichender Menge Luft oder Sauerstoff zugeführt v/erden kann.

Darstellung der Erfindung Der Erfindung lieg die Aufgabe zugrunde, den Wirkungs¬ grad der Druckzerstäubung von flüssigem Brennstoff, insbe¬ sondere mit einer Zerstäuberdüse zu steigern und insbe¬ sondere das Problem zu lösen, wie in den Flammkegel der Verbrennung mehr Luft oder Sauerstoff eingeführt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen 1 und 11 angegeben und kann den Unteransprüchen gemäß vorteilhaft weitergebildet werden.

Erfindungsgemäß wird ein mit bestimmter Frequenz ange¬ regtes Element, vorzugsweise ein piezoelektrischer Ultraschall-Schwinger oder Magnetron dazu ver¬ wendet, den flüssigen Brennstoff in eine Art Schaum zu transformieren. Die Funktion des Schwingers ist in diesem Zusammenhang nicht die konventionelle Erzeugung von Tröpfchen in der Grenzschicht Flüssig¬ keit-Gas, sondern ein quasi entgegengesetzter Prozeß, bei welchem mikroskopische Luftvolumina in die Flüssigkeit hineingezogen werden. Inwieweit auch dieses Phänomen mit" der Kapillarwellenhypothese erklärt werden kann, ist in vorliegendem Zusammenhang von minderer Be¬ deutung. Entscheidend ist, daß mit der erfindungsgemäßen Anordnung bzw. dem Verfahren eine Nukleierung der Luft im flüssigen Brennstoff erreicht werden kann. Die Konsistenz dieses Luft-Brennstoffgemisches kann am ehesten als schau artig beschrieben werden.

Dieser Brennstoffschaum wird in konventioneller Weise unter Druck zu einer besonders ausgeformten Zer¬ stäuberdüse gefördert und dort in konventioneller Weise zerstäubt und verbrannt. Durch die im Flammkegel selbst

freigesetzte Luft wird der Wirkungsgrad der Verbrennung enorm gesteigert, es wurden im Flammkegel Temperaturen bis zu 2000°C gemessen. Infolge der hohen Temperaturen entsteht praktisch kein Wasserda pf, die bei Kraftfahr¬ zeugmotoren entstehenden schädlichen Stickoxide können zu über 80 % reduziert werden. Die erfindungsgemäße Anord¬ nung bzw. das Verfahren eignet sich daher insbesondere für Dieselmotoren, deren E issionswerte durch die An¬ wendung der Erfindung derart gesenkt werden, daß die Nachschaltung eines Katalysators entfallen kann. Da die von Flüssigkeit eingeschlossenen Gasbläschen unter Druck stehen, tritt ganz unabhängig von dem Entspannungs- effekt in der Zerstäuberdüse eine Zerstäubung des flüssi¬ gen Brennstoffs bei Austritt in die Atmosphäre ein. \'Diese Zerstäubung beruht in erster Linie auf dem Innendruck der eingeschlossenen Gasbläschen. Dieser Effekt kann das Vor¬ sehen einer speziellen Zerstäuberdüse überflüssig machen. Es reicht für bestimmte Anwendungsfalle, wenn der Schaum aus einer Rohrmündung ins Freie oder in den Brennraum eintritt.

Entscheidend für die Erfindung war die Erkenntnis, das Schwingelement oder den Ultraschall-Schwinger nicht für die eigentliche Zerstäubung einzusetzen, sondern in einem gänzlich neuen Zusammenhang, nämlich zur Erzeugung eines Brennstoffschaums, der den für die Verbrennung benötigten Sauerstoff mit sich trägt und direkt in den Flammraum transportiert. Die Anwendung piezokeramischer Ultra¬ schall-Schwinger zur Flussigkeitszerstaubung konnte somit keine Anregung für die Erfindung liefern.

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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird dem in einer Kammer freischwingenden, vorzugsweise piezeokera ischen Element ein Amplitudentransformator nachgeschaltet. Dieser Amplitudentransformator ist bei¬ spielsweise ein hülsenförmiges Teil, das in einen rohr- förmigen Ansatz des Kammergehäuses eingesetzt ist. In der Außenhülle der Hülse ist eine schraubenlinienförmige Nut eingeschnitten, durch welche das Luft-Brennstoffgemisch gefördert wird. Der Amplitudentransformator wird vom piezokeramischen Element zu einer Resonanzschwingung angeregt. Bei der Umströmung des Amplitudentransfor- mators wird daher die eingeschlossene Luft noch feiner verteilt und der Schaum weiter homogenisiert.

Unter bestimmten Umständen kann der Amplitudentransfor¬ mator entfallen und durch ein im Reaktionsraum ange¬ ordnetes mechanisches Kavitationsele ent ersetzt wer¬ den. Bei diesem Kavitationselement handelt es sich um eine schnell rotierende diskusförmige Scheibe, die mehrere axiale Bohrungen aufweist. Verursacht durch den Bernoullieffekt, tritt eine Durchströmung dieser Bohrungen und dabei eine Homogenisierung des Luft-/Brenn- stoffgemischs ein.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, mit Sauerstoff angereicherte Luft zu verwenden. Die Sauerstoffan- reicherung der Luft erfolgt dadurch, daß Umgebungs- luft unter Druck über Stickstoffabsorbierende Zeolithe geleitet wird.

Um eine Selbstentzündung des Sauerstoff-/Brennstoffge¬ mischs im Reaktionsraum zu verhindern, wird in den Re-

aktionsraum noch Wasser eingeleitet. Der Anteil des Wassers liegt zwischen 30 und 50 Mol%, bezogen auf die ölmenge.

Unter der Wirkung des mechanischen Kavitationselements und der Ultraschallenergie v/erden die Wassermoleküle in Radikale aufgespalten, der Wirkungsgrad der Ver¬ brennung wird dadurch noch weiter gesteigert und die Abgaswerte werden weiter verbessert; es fallen praktisch nur Kohlendioxid und Wasserdampf an.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine der Zerstäuberdüse vorgeschaltete An¬ ordnung zur Druckzerstäubung, und

Fig. 2 zeigt den schematischen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform einer Anordnung zur Druckzerstäubung.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist die Kammer 10 topfförmig ausgebildet und v/eist einen rohrförmigen Ansatz 12 auf. In den rohrförmigen An¬ satz 12 ist ein hülsenförmiges Teil 14 eingesetzt. Das hülsenförmige Teil 14 hat eine Innenbohrung 16, die einerseits in die Kammer 10 mündet und andererseits mit einer Zuführleitung 18 für Druckluft verbunden ist.

In den Außenmantel des hülsenförmigen Teils 14 sind Ge¬ windegänge eingeschnitten, die im Zusammenv/irken mit der Innenwandung des rohrförmigen Ansatzes 12 Kanäle bilden, die vom Innenraum der Kammer 10 in eine Austragskam-ner 20 führen, die am oberen Ende des rohrförmigen Ansatzes 12 hinter dem hülsenförmigen Teil 14 angeordnet ist. Von dieser Austragskammer 20 führt eine Leitung 22 zur Zer¬ stäuberdüse.

Die Zuführleitung 18 für die Druckluft ist durch die Austragskammer 20 dichtend hindurchgeführt, das Ende des rohrförmigen Ansatzes 12 ist gegenüber der Luftzuführ¬ leitung 18 mit einer Stopfbüchse 24 abgedichtet.

Die schraubenlinienf rmigen Kanäle in der Außenwandung des hülsenförmigen Teils 14 sind wie bei einem mehrgängi¬ gen Gewinde angeordnet, ihre Steigung ist eine Funktion der Viskosität des flüssigen Brennstoffs und der Länge der Hülse 14. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt die Steigung 7 mm. Je niederviskoser der Brennstoff ist, desto mehr Gänge werden in die Außenhülle des hülsenförmigen Teils 14 eingeschnitten.

Der Amplitudentransformator bzw.. das hülsenförmige Teil 14 besteht vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff wie Al-0 mit einer Schallgeschwindigkeit oberhalb 6000 m/sec. Derartige Materialien sind wegen ihrer hohen Resonanzfrequenzen und ihrer Härte besonders gut geeignet, sie werden durch die auftretenden Kaviations- erscheinungen nur geringfügig beansprucht.

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Im Inneren der Kammer 10 ist ein scheibenförmiges piezo- keramisches Element 26 angeordnet. Das Element ist in einer rohrförmigen Konsole 27 so aufgespannt, daß es im Inneren der Flüssigkeit frei schwingen kann. Dazu ist es mit einem flexiblen Kabel (nicht gezeigt) mit einer Elektrode 28 verbunden, die wiederum mit einem Frequenz¬ generator 30 elektrisch verbunden ist. Abhängig von der Viskosität des zu schäumenden Brennstoffs kann auch ein Ξchwingelement eingesetzt werden, das im Mikrowellenherd schwingt, beispielsweise ein Magnetron.

Frequenzgeneratoren für Ultraschall-Schwinger sind be¬ kannt. Ihr Aufbau ist beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung 0 340 470 und der deutschen Offenlegungs- schrift 36 25 149 beschrieben. Im vorliegenden Zusammen¬ hang ist lediglich wichtig, daß der Generatorkreis so aufgebaut ist, daß dem schwingenden Element unter¬ schiedliche Frequenzen aufgeprägt werden können. Die Fre¬ quenzen hängen von der Geometrie des piezokeramischen Elements ab, von der Viskosität des flüssigen Brennstoffs und schließlich von der gewünschten Selektion der Luft- bestandteiie - jede der in Luft normalerweise vorhandenen Gasko ponenten hat eine andere optimale Frequenz, bei der sie "gelöst" wird.

An das Gehäuse 10 ist eine Zuführleitung 32 für den flüssigen Brennstoff angeschlossen. Der Brennstoff wird der Kammer 10 unter einem bestimmten Druck zuge¬ führt, wobei der Druck in der Luftzuführleitung 18 um einige Millibar über dem Druck in der Brennstoff- leitung 32 liegt.

Das Gehäuse der Kammer 10 besteht vorzugsweise aus einem rostfreien Chrom-Mickelstahl. Das Gehäuse 10 kann in einen mit wärmeableitenden Rippen versehenen Ständer 34 eingesetzt sein.

Die Funktionsweise der beschriebenen Anordnung ist wie folgt.

Die Brennstoffkammer 10 ist mit flüssigem Brennstoff ge¬ füllt, über die Luftleitung 18 wird Luft unter gering¬ fügigem Überdruck durch die Innenbohrung 16 des hülsen- förmigen Teils 14 in die Kammer 10 hineingedrückt. Im Inneren der Kammer entsteht eine Art Luftblase 36 mit einer Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Luft.

Bei aktiviertem Ultraschall-Schwinger werden an der Grenzschicht durch eine Art inversen Kapillar- welleneffekt kleinste Luftvolumina in die Flüssig¬ keit hineingezogen und infolge der Druckdifferenz zwischen dem Ausgang 22 und dem Eingang 32 durcn den schraubenlinienförmigen Kanal in der Außen¬ wandung des Amplitudentransformators 14 nach oben in die Austragskammer 20 gefördert. In dem bzw. den schraubenlinienförmigen Kanälen des Amplitudentrans- formators 14 findet eine weitere Homogenisierung des gebildeten Flüssigkeitsschaums statt, d. h. die eingeschlossenen Luftvolumina werden weiter ver¬ kleinert und verteilt.

Bei einem Ausführungsbeispiel wurden in 20 ml flüssigem Brennstoff 2,3 mg Luft "gelöst". Dieser Brennstoffschäum wird von der Austragskammer 20 über die Leitung 22 zu einer Zerstäuberdüse transportiert, in welcher er zer-

stäubt und verbrannt wird. Infolge des in der Flamme selbst f eigesetzten Sauerstoffs steigt der Wirkungs¬ grad der Verbrennung enorm an, es werden Verbrennungs- temperaturen von etwa 2000°C erreicht.

Als Material für das piezokera ische Element hat sich Bleizirkonat-Titanat-Keramik bewährt, andere Keramik¬ materialien, wie Barium-Titanat-Keramik sind jedoch ebenfalls geeignet.

Die gezeigte Anordnung des Ultraschall-Schwingers ist lediglich beispielhaft. Das piezokeramische Element kann auch anders befestigt werden, beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist es im Inneren der Kammer 10 freischwingend gelagert. Möglich ist auch eine Anordnung in der and des Gehäuses, falls es sich um besonders niedrigviskose Flüs¬ sigkeiten handelt. Gleichfalls ist die Geometrie des Schwingelements von sekundärer Bedeutung, statt der hier gezeigten Scheibe können auch andere Formen Verwendung finden.

Statt des piezokeramischen Elements können auch elektro¬ magnetisch oder magnetisch angeregte Schwingelemente Ver¬ wendung finden.

Die in Figur 2 gezeigte Ausführungsfor unterscheidet sich von der in Figur 1 gezeigten Ausführung in erster Linie dadurch, daß statt des nachgeschalteten Amplitu¬ dentransformators in der Brennstoffkammer 40 ein mecha¬ nisches Kavitationselement 42 angeordnet ist. In der Wandung der Brennstoffkammer bzw. des Reaktionsraums sind, einander gegenüberliegend, zwei Ultraschall-Schwinger 44 und 46 vorgesehen. Der Aufbau dieser

Schwinger entspricht dem in Zusammenhang mit der Aus- führungform der Figur 1 beschriebenen. Statt der gezeig¬ ten Anordnung kann auch eine andere Anordnung der Schwin¬ ger gewählt werden, es muß jedoch wenigstens ein Schwinger vorhanden sein.

Oberhalb der Reaktionskammer 40 ist ein Kompressor 48 angeordnet, der Luft verdichtet und unter hohem Druck, beispielsweise 40 bar, durch ein Zeolith-Festbett drückt. In dem Zeolith-Bett, in dem Luftstickstoff absorbiert wird, wird der Sauerstoffanteil auf 60 bis 92% gesteigert. Diese sauerstoffangereicherte Luft wird dem Reaktionsraum über ein entsprechend dimension¬ iertes Kapillarrohr 50 zugeführt. Die Zeolith-Festbett und die Leitungsführung der Luft sindin Figur 2 nicht dargestellt. Die Integration des Kompressors 48 in die Vorrichtung hat den Vorteil, daß die ge¬ förderte Luftmenge von vornherein drehzahlabhängig steigt oder sinkt. Der Motor zum Antrieb der Vor¬ richtung ist mit 52 bezeichnet. Der Motor treibt das mechanische Kavitationselement 42 und die Welle des Kompressors 48.

Der mit Sauerstoff zu beladende Brennstoff wird über die Leitungen 54 eingespeist. Ein Teil des Brenn¬ stoffs, vorzugsweise Öl, gelangt dabei auf die Rückseite der piezoelektrischen Elemente, deren Wirkungsgrad und Funktion durch die gute elek¬ trische Isoliereigenschaft des eingespeisten Öls verbessert wird. Ein Teil des Öls wird aber auch direkt in die Reaktionskammer 40 eingeführt. Die entsorechenden Stutzen sind mit 56 bezeichnet.

Über ein Kapillarrohr 58 wird Wasser eingespeist, wobei Druck und Durchmesser der Einführrohre so dimensioniert sind, daß der Wasseranteil etwa 30 bis 50 Mol% der Ölmenge beträgt.

Das Kavitationselement 42 weist auf seiner Unter- und seiner Oberseite unterschiedliche Wölbungen auf. Vorzugsweise ist die Oberseite stärker ge¬ wölbt als die Unterseite, die ein flacheres Profil aufweisen kann. In dem diskusförmigen Kavitations¬ element sind mehrere axiale Bohrungen angeordnet, (nicht gezeigt) , die eine Flüssigkeitsströmung von der Unterseite des Elements zur Oberseite ermögli¬ chen. Der periphere Rand des Kavitationselements ist messerscharf ausgebildet, um, ähnlich wie beim Flugzeugflügel, eine Umströmung möglichst zu ver¬ hindern.

Das Kavitationselement hat nun, wenn es sich mit etwa 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute dreht, die Wirkung, daß, infolge des Bernoullieffekts, eine Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite entsteht, die eine intensive axiale DurchstrÖmung der Bohrungen bewirkt. Die ^\' dadurch bewirkte Durch- ischung ist so intensiv, daß in kürzester Zeit eine homogene Suspension aus Wasser, Öl und sauer- stoffreicher Luft gebildet wird. Diese Suspension wird durch die Wirkung der Ultraschall-Schwinger und die damit in Gang gesetzten sonochemischen Reaktionen weiter homogenisiert und nukleisiert. Der im Reaktionsraum entstehende ölschaum wird über die Leitung 60 abgezogen und beispiels¬ weise zu einem Brenner oder einer Zerstäuberdüse

geführt. Der Wirkungsgrad der Verbrennung ist in¬ folge der hohen Verbrennungstemperaturen sehr gut. Da nahezu keine Stickoxide anfallen, kann beispiels¬ weise bei Kraftfahrzeugen ein Katalysator zur Ab- gasreinigung entfallen.