DE3912344A1 - Einrichtung zum herstellen einer oel-wasser-emulsion - Google Patents

Einrichtung zum herstellen einer oel-wasser-emulsion

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Herstellen einer Öl-Wasser-Emulsion für den Betrieb einer Einspritzpumpe insbesondere eines Dieselmotors, mit einer rotationssymmetrischen Wirbelkammer mit tangentialem Einlauf und sich verjüngendem axialen Auslauf.
Es ist bekannt, daß durch Beifügen von Wasser in Dieselöl die Betriebstemperatur des Dieselmotors gesenkt und der Stickoxid- und Rußanteil im Abgas reduziert werden können. Vergleichbares gilt auch für Ölbrenner. Hierfür kommt es jedoch entscheidend darauf an, daß das Dieselöl und das Wasser in die Form einer Emulsion gebracht werden, in welcher kleinste Wassertröpfchen in dem Dieselöl suspendiert sind. Zu diesem Zweck wurde bereits vorgeschlagen, ein vorgemischtes Öl-Wassergemisch tangential in eine rotationssymmetrische Wirbelkammer einzuführen, die sich zu ihrem axialen Auslauf hin kontinuierlich verjüngt, an den sich über eine gestufte Erweiterung ein sich in Strömungsrichtung verjüngender Kanal anschließt, der tangential in eine zweite, etwa birnenförmige Wirbelkammer mündet, deren Achse senkrecht zu derjenigen der ersten Wirbelkammer verläuft. Auch die zweite Wirbelkammer verjüngt sich zu ihrem axialen Auslauf hin und mündet dort an der Saugseite eines Pumpenrades, von dem das Flüssigkeitsgemisch in eine die erste Wirbelkammer umgebende Ausgleichskammer gefördert wird und von dort über tangentiale Eintrittsöffnungen am Übergang der ersten Wirbelkammer in deren Auslauf in die erste Wirbelkammer zurückgeleitet wird. Dieser Kreislauf wird von dem Flüssigkeitsgemisch im Mittel wenigstens zehnmal durchlaufen, so daß sich eine Emulsion mit in dem Öl suspendierten Wassertröpfchen einer mittleren Größe von 3 bis 6 Mikron bildet. Aus diesen Kreisläufen wird ein entsprechender Emulsionsanteil im Bereich des größten Umfanges der zweiten Wirbelkammer zur Einspritzpumpe des Dieselmotors abgezweigt und frisches, vorgemischtes Öl und Wasser werden - wie auch der in der Einspritzpumpe nicht verbrauchte Emulsionsrest - an der Saugseite des Pumpenrades in das System eingeführt.
Durch die Erfindung wird die Aufgabe gelöst, eine relativ einfach aufgebaute, jedoch für die Emulsionsbildung hochwirksame Einrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der dem Auslauf abgewandte axiale Endabschnitt der Wirbelkammer von einem koaxial oder spiralförmig zu dieser verlaufenden Ringkanal umgeben ist, der über wenigstens annähernd tangential zur Wirbelkammer ausgerichtete Einlaufschlitze mit dieser verbunden ist und in welchen ein Öleinlaßkanal tangential einmündet, daß in den Ringkanal oder - vorzugsweise - in den einlaufseitigen Endabschnitt der Wirbelkammer eine elektromagnetisch gesteuerte Wasser-Einspritzdüse mündet, daß der Auslauf der Wirbelkammer über eine Erweiterung in eine Saugkammer eines Radiallaufrades mündet, das in einer Pumpenkammer angeordnet ist, die im Bereich des Umfangs des Radiallaufrades einen Austrittskanal aufweist, an den eine zu der Einspritzpumpe führende Vorlaufleitung und eine zu einem Emulsionseinlaßkanal führende Rezirkulationsleitung anschließbar sind, der ebenfalls in den Ringkanal tangential einmündet, und daß in die Saugkammer des Radiallaufrades ein Eintrittskanal einmündet, an den eine von der Einspritzpumpe kommende Rücklaufleitung anschließbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird daher das frische Wasser nicht mit dem Öl vorgemischt, sondern mit relativ hohem Druck von beispielsweise 5,5 bis 6,5 bar der Einspritzdüse zugeführt und von dieser in den Ringkanal oder vorzugsweise unmittelbar in die Wirbelkammer hinein zerstäubt. Dadurch wird das Wasser bereits in relativ kleine Tröpfchen aufgerissen, die sich in der Wirbelströmung, durch die Expansion am Eintritt in die Saugkammer und in der Pumpenströmung des Radiallaufrades weiterverkleinern und in dem Öl verteilt werden. Die Rückführung des größeren Teils des aus dem Austrittskanal der Pumpenkammer austretenden Gemischs in den Ringkanal und von diesem in die Wirbelkammer dient der Homogenisierung der Emulsion, wohingegen der von der Einspritzpumpe nichtverbrauchte Emulsionsanteil über die Saugkammer des Radiallaufrades wieder in die Emulsionskreisläufe zurückgesaugt wird.
Die Wirbelströmung wird durch den Druck des mit einer Kraftstoffpumpe in den Ringkanal zugeführten Öls und des in den Ringkanal von dem Radiallaufrad zurückgepumpten Emulsionsanteils angetrieben, so daß bei entsprechender Abstimmung der Pumpendrücke ein starker Wirbel bei relativ geringen Verlusten erhalten werden kann. Außerdem wird durch den erfindungsgemäßen Vorschlag, sowohl das frische Öl als auch den rezirkulierten Emulsionsanteil nicht unmittelbar an die Saugseite des Radiallaufrades, sondern in den Wirbelkopf in der Wirbelkammer zuzuführen, der durch die Gestaltung des Auslaufs der Wirbelkammer beeinflußbare Unterdruck der aus der Wirbelkammer austretenden und dabei expandierenden Emulsion nicht gestört, so daß das Radiallaufrad für ein großes Druckverhältnis zwischen dem Austrittsdruck und dem Eintrittsdruck zur Begünstigung der Emulsionsbildung ausgelegt sein kann.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung läßt sich in Abhängigkeit von der Auslegung der Strömungsantriebe und der konstruktiven Auslegung der Strömungsquerschnitte erreichen, daß die mittlere Tröpfchengröße des Wassers in der Emulsion bei 2 bis 4 Mikron liegt, wodurch sich eine sehr feine und homogene Emulsion ergibt.
Die Wasser-Einspritzdüse soll an einer solchen Stelle des Ringkanales oder der Wirbelkammer münden, daß sich eine möglichst feine Zerstäubung des eingespritzten Wassers ergibt. Aufgrund der in der Wirbelströmung in der Wirbelkammer herrschenden Druckverhältnisse wird es daher bevorzugt, die Wasser-Einspritzdüse in der Achse der Wirbelströmung einmünden zu lassen, wenngleich es auch zweckmäßig sein kann, die Wasser-Einspritzdüse für eine Spritzrichtung im Winkel zu der Achse der Wirbelströmung anzuordnen.
Auch das Radiallaufrad kann mit seiner Achse im Winkel zur Achse des Strömungswirbels in der Wirbelkammer angestellt sein. Jedoch wird es auch hier bevorzugt, das Radiallaufrad und dessen rotationssymmetrisch ausgebildete Saugkammer koaxial zu der Wirbelkammer anzuordnen, um hierdurch die Wirbelströmung durch die Rotationsbewegung des Radiallaufrades mit antreiben zu helfen.
Die Erweiterung am Eintritt in die Saugkammer des Radiallaufrades ist vorzugsweise gestuft ausgebildet, um an dieser Stelle eine möglichst starke Expansion und Turbulenz der aus der Wirbelkammer austretenden Strömung zu erreichen.
Die rotationssymmetrische Wirbelkammer selbst kann weitgehend hohlzylindrisch oder im Axialschnitt hohlherzförmig oder dergleichen ausgebildet sein. Bevorzugt wird es jedoch, die Wirbelkammer hohlbirnenförmig auszubilden. Weiter wird es bevorzugt, den Austrittskanal der Pumpenkammer parallel zur Achse des Radiallaufrades anzuordnen, weil dadurch die aus dem Radiallaufrad austretende Strömung einem starken Richtungswechsel unterworfen wird, der zur Feinheit der Emulsionsbildung beitragen kann.
Vorzugsweise wird die Wasser-Einspritzdüse intermittierend betrieben. Dadurch wird das feine Zerstäuben des eingespritzten Wassers und das Mischen der zerstäubten Wassertröpfchen mit dem Öl begünstigt.
Dadurch, daß erfindungsgemäß das Wasser über eine elektromagnetisch gesteuerte Einspritzdüse in das Öl eingesprüht wird, eröffnet sich überdies die Möglichkeit, die Einspritzmenge des Wassers und damit den Wasseranteil in der der Einspritzpumpe des Motors zugeführten Emulsion in Abhängkeit von den Betriebszuständen des Motors zu regeln.
Zwar ergibt sich dadurch, daß die Emulsion mehrfach durch den Emulgierkreislauf zirkuliert wird, eine gewisse Trägheit bis zum Wirksamwerden der Regelung. Jedoch kann diese Regelungsträgheit aufgrund der Erfindung durch die Wahl eines hohen Druckverhältnisses zwischen dem Eintritt und dem Austritt der Wirbelkammer und daher einer entsprechend kleinen Zeitdauer der Rezirkulationszyklen kleingehalten werden. Für einen Betrieb des Dieselmotors mit reinem Dieselöl ohne Wasseranteil besteht außerdem die Möglichkeit, durch Vorsehen von Umgehungsleitungen und gesteuerten Magnetventilen das Dieselöl vor seinem Eintritt in den Ringkanal zur Einspritzpumpe des Motors hin abzuzweigen und den Emulsionskreislauf von der Einspritzpumpe abzutrennen.
Bei intermittierendem Betrieb der Wasser-Einspritzdüse läßt sich eine derartige Regelung des Wasseranteils in der Emulsion bei konstantem Hub der Düsennadel der Einspritzdüse über die Dauer und die Abstände der Öffnungsintervalle der Einspritzdüse steuern. Als Regelgröße wird insbesondere die Motordrehzahl verwendet. Bevorzugt werden jedoch der Lastzustand des Motors aufgrund der jeweiligen Stellung des Gaspedals des Fahrzeugs bzw. der Stellung der Regelstange der Einspritzpumpe, der barometrische Umgebungsdruck und/oder das spezifische Gewicht des verwendeten Öls als zusätzliche Regelgrößen verwendet. Der barometrische Druck wird mit einer Druckdose gemessen, die der elektronischen Steuereinrichtung den Befehl gibt, bei hohem barometrischen Druck mehr, und bei niedrigem barometrischem Druck weniger Wasser einzuspritzen. Auf diese Weise wird verhindert, daß beispielsweise beim Überfahren von hohen Pässen ein Leistungsabfall durch einen zu hohen Wasseranteil im Dieselöl auftritt. Das spezifische Gewicht des zugeführen Öls kann mit einer in die Kraftstoffleitung eingeschalteten Waage bestimmt werden. Bei einem Öl mit einem hohen spezifischen Gewicht wird mehr Wasser eingespritzt als bei einem Öl mit einem niedrigen spezifischen Gewicht.
Das Wasser wird aus einem separaten Wasserbehälter vorzugsweise durch eine Hochdruckpumpe der Einspritzdüse zugeführt. Hierdurch kann ein Wasser-Zirkulationskreis, an den die Wasser-Einspritzdüse angeschlossen ist, mit hohem Durchsatz, z.B. von 120 l/std. vorgesehen werden. Da aber selbst bei größten Motoren nicht mehr als 40 l/std. verbraucht werden, ist der Rücklauf in den Wasserbehälter sehr groß. Dies wird vorzugsweise dadurch ausgenutzt, daß in den Rücklaufzweig des Wasser-Zirkulationskreises ein vom Motorkühlwasser beheizter Wärmetauscher eingeschaltet ist, wodurch das in den Wasserbehälter zurückgeführte Wasser erwärmt wird. Dieses Erwärmen des Wassers dient als Frostschutz, solange das Fahrzeug in Betrieb ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform der die Öl-Wasser-Emulsion herstellenden Vorrichtung der erfindungsgemäßen Einrichtung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 einen Axialschnitt der Vorrichtung und Fig. 2 einen Querschnitt in etwas vergrößertem Maßstab entsprechend der Schnittlinie A-A in Fig. 1.
Die Vorrichtung ist aus mehreren bearbeiteten und miteinander verschraubten Gehäuseblöcken zusammengesetzt. Sie umschließt eine rotationssymmetrisch hohlbirnenförmige Wirbelkammer 1 mit einem sich exponential verjüngenden Auslauf 2, der über eine gestufte Erweiterung 3 in die Saugkammer 4 eines Pumpen- Radiallaufrades 5 mündet, welches von einem Elektromotor 6 angetrieben wird. Der birnenförmige Kopf der Wirbelkammer 1 ist von einem Ringkanal 7 umgeben, in den ein Öleinlaßkanal 8 tangential einmündet und welcher seinerseites über tangential zur Wirbelkammer 1 ausgerichtete Einlaufschlitze 9 in die Wirbelkammer 1 mündet. Am Scheitel der hohlbirnenförmigen Wirbelkammer 1 mündet in deren Achse eine Wasser- Einspritzdüse 10, die von einem Elektromagneten 11 gesteuert ist, so daß das zugeführte Wasser intermittierend in die in der Wirbelkammer 1 rotierende Wirbelströmung hinein zerstäubt wird.
Die Wirbelkammer 1, die zylindrische Saugkammer 4 und das Radiallaufrad 5 sind koaxial zueinander angeordnet. Die das Radiallaufrad 5 aufnehmende Pumpenkammer 12 mündet im Bereich des Umfangs des Radiallaufrades 5 in einen parallel zu dessen Achse verlaufenden Austrittskanal 13, der winkelig in eine Anschlußbohrung 14 für den Anschluß eines T-Stückes übergeht. Der eine Zweig des T-Stückes führt zur Einspritzpumpe eines Dieselmotors und der andere Zweig des T-Stückes führt über eine Rezirkulationsleitung zu einem Emulsionseinlaßkanal 15, der ebenfalls tangential in den Ringkanal 7 einmündet. Die Rücklaufleitung der Einspritzpumpe wird an einen in die Saugkammer 4 seitlich einmündenden Eintrittskanal 16 angeschlossen.
Im Betrieb der Vorrichtung wird das Öl mittels einer Kraftstoffpumpe mit, je nach Fahrzeug, 1,5 bis 3,0 bar durch den Öleinlaßkanal 8 in den Ringkanal 7 gefördert, von wo das Öl durch die Einlaufschlitze 9 in die Wirbelkammer 1 eingebracht wird und dort in eine kreisspiralige Bewegung versetzt wird. Das Wasser wird mit einer Hochdruckpumpe, vorzugsweise einer Zahnrad-Hochdruckpumpe, welche elektrisch oder auch mechanisch vom Motor angetrieben werden kann und beispielsweise einen Druck von 10 bar erzeugt, welcher durch ein Druck-Reduzierventil auf je nach Motor 5,5 bis 6,5 bar reduziert wird, der Wasser-Einspritzdüse 10 zugeführt und über diese in den in der Wirbelkammer 1 erzeugten Strömungswirbel hinein zerstäubt. Die Einspritzdüse wird elektromagnetisch betätigt. Ist die Magnetwicklung des Elektromagneten 11 stromlos, so wird die Düsennadel von einer Schraubenfeder auf ihren Sitz gedrückt. Durch den Stromimpuls für die Magnetwicklung wird die Düsennadel beispielsweise um etwa 0,1 mm von ihrem Sitz angehoben. Durch den entstehenden Ringspalt tritt das Wasser während beispielsweise 1 bis 1,5 ms aus der Einspritzdüse 10 aus. Zur besseren Zerstäubung kann die Düsennadel mit einem Spritzzapfen versehen sein.
Die Wirbelströmung wird in dem sich verjüngenden Auslauf 2 der Wirbelkammer 1 beschleunigt, wodurch entsprechend der Druck sinkt. Die Strömungsverhältnisse werden vorzugsweise derart eingestellt, daß am Austritt aus dem Auslauf 2 in die Saugkammer 4 der Dampfdruck gerade noch nicht erreicht wird, so daß der Kavitationszustand möglichst weit angenähert wird, ohne daß er jedoch erreicht wird. Aufgrund der gestuften Erweiterung beim Übergang in die Saugkammer 4 expandiert die Strömung, die dann vom Radiallaufrad 5 angesaugt und in diesem radial nach außen ausgebreitet wird. Durch die koaxiale Anordnung des Radiallaufrades 5 zu der Wirbelkammer 1 wird das Antreiben der Wirbelströmung in der Wirbelkammer 1 unter dem Saugdruck des Radiallaufrades 5 begünstigt. Das Radiallaufrad 5 wird von dem Elektromotor 6 vorzugsweise mit einer konstanten Drehzahl von beispielsweise 3000 U/min angetrieben. Die mit dem Radiallaufrad gebildete Zentrifugalpumpe hat beispielsweise eine stündliche Leistung von 240 l bei einer Saughöhe von 1,5 m.
Die Emulsion verläßt die Pumpenkammer 12 durch den Austrittskanal 13 und die Anschlußbohrung 14 und wird danach über das T-Stück verteilt. Der eine Anteil wird der Einspritzpumpe zugeführt, wohingegen der größere Anteil über die Rezirkulationsleitung und den Emulsioneinlaßkanal 15 wieder in den Ringkanal 7 und damit in die Wirbelkammer 1 eingeführt wird. Der von der Einspritzpumpe nicht verbrauchte Teil der Emulsion wird von dem Radiallaufrad 5 über den Eintrittskanal 16 in den Zirkulationskreislauf zurückgesaugt.
Die Emulsionsbildung findet hauptsächlich in der Wirbelströmung in der Wirbelkammer 1 statt, wird jedoch durch das Einspritzen und Zerstäuben des Wassers mittels der Einspritzdüse 10 und durch die Strömungsverhältnisse in dem Radiallaufrad 5 wesentlich unterstützt.
Durch die erfindungsgemäße Emulsionsbildung wird nicht nur eine erhebliche Verringerung der Stickoxidanteile und Rußanteile im Abgas des Dieselmotors, sondern auch eine Verkleinerung der Partikelgrößen im Abgas erreicht. Außerdem wird der Geruch des Abgases wesentlich verbessert, d. i. daß das Abgas gegenüber normalen Dieselmotorabgasen weniger stinkt.

Claims (10)

1. Einrichtung zum Herstellen einer Öl-Wasser-Emulsion für den Betrieb einer Einspritzpumpe insbesondere eines Dieselmotors, mit einer rotationssymmetrischen Wirbelkammer mit tangentialem Einlauf und sich verjüngendem axialen Auslauf, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Auslauf abgewandte axiale Endabschnitt der Wirbelkammer (1) von einem koaxial oder spiralförmig zu dieser verlaufenden Ringkanal (7) umgeben ist, der über wenigstens annähernd tangential zur Wirbelkammer ausgerichtete Einlaufschlitze (9) mit dieser verbunden ist und in welchen ein Öleinlaßkanal (8) tangential einmündet, daß in den Ringkanal (7) oder - vorzugsweise - in den einlaufseitigen Endabschnitt der Wirbelkammer (1) eine elektromagnetisch gesteuerte Wasser-Einspritzdüse (10) mündet, daß der Auslauf (2) der Wirbelkammer über eine Erweiterung (3) in eine Saugkammer (4) eines Radiallaufrades (5) mündet, das in einer Pumpenkammer (12) angeordnet ist, die im Bereich des Umfangs des Radiallaufrades einen Austrittskanal (13) aufweist, an den eine zu der Einspritzpumpe führende Vorlaufleitung und eine zu einem Emulsionseinlaßkanal (15) führende Rezirkulationsleitung anschließbar sind, der ebenfalls in den Ringkanal (7) tangential einmündet, und daß in die Saugkammer (4) des Radiallaufrades (5) ein Eintrittskanal (16) einmündet, an den eine von der Einspritzpumpe kommende Rücklaufleitung anschließbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser-Einspritzdüse (10) koaxial in das einlaufseitige Ende der Wirbelkammer (1) einmündet.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Radiallaufrad (5) und dessen rotationssymmetrisch ausgebildete Saugkammer (4) koaxial zu der Wirbelkammer (1) angeordnet sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erweiterung (3) am Eintritt in die Saugkammer (4) des Radiallaufrades (5) gestuft ausgebildet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (1) hohlbirnenförmig ausgebildet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittskanal (13) der Pumpenkammer (12) parallel zur Achse des Radiallaufrades (5) verläuft.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser-Einspritzdüse (10) intermittierend betrieben wird.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsintervalle der Wasser-Einspritzdüse (10) bei konstantem Hub der Düsennadel in Abhängigkeit von der Motordrehzahl gesteuert sind.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsintervalle der Wassereinspritzdüse (10) außerdem in Abhängigkeit von der Stellung des Gaspedals bzw. der Regelstange der Einspritzpumpe, dem barometrischen Umgebungsdruck und/oder dem spezifischen Gewicht des Öls gesteuert sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasser-Einspritzdüse (10) an einen Wasser- Zirkulationskreis angeschlossen ist, in dessen Rücklaufzweig ein vom Motorkühlwasser beheizter Wärmetauscher eingeschaltet ist.
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