-
Verfahren und Einrichtung zum Zerstäuben, Mischen, Verteilen, Schichten
oder Filtern mehrerer Medien Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung
zum Zerstäuben, Mischen und gegebenenfalls auch Schichten oder Filtern mehrerer
Medien beliebigen Aggregatzustandes, insbesondere zum Aufbereiten brennbarer Gemische.
Diese können z. B. aus Luft und Brennstoff bestehen. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist ferner auf die Beeinflussung anderer mechanischer, chemischer und/oder physikalischer
Vorgänge anwendbar, wobei Schallschwingungen auf die Medien innerhalb der dieselben
aufnehmenden Raumgebilde einwirken. Eine beispielsweise Anwendung der Erfindung
bei Brennkraftmaschinen erlaubt, durch verbesserte Gemischaufbereitung eine Leistungssteigerung,
wirtschaftlichsten Brennstoffverbrauch und klopffreie Verbrennung zu erzielen.
-
Es ist schon vorgeschlagen worden, den Verbrennungsvorgang durch pulsierende
Einführung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Weise zu begünstigen, d'aß die einzelnen
Brennstoffteilchen mit der -Verbrennungsluft in innige Berührung gebracht werden.
Bei diesem Vorgang wird weder beabsichtigt noch erreicht, innerhalb des die Gemischanteile
aufnehmenden
Raumes eine Relativbewegung der Gemischanteile untereinander zu bewirkem und die
Größenordnung der Relativbewegungen der Medien jeweils gegebenen Betriebsverhältnissen
entsprechend zu regeln.
-
Es ist weiterhin bekanntgeworden, die Zerstäubung des Brennstoffs
einer Verbrennungskraftmaschine durch einen in Hochfrequenz- und überakustische
Schwingungen versetzten Körper erfolgen zu lassen, dessen Eigenschwingungszahl sich
mit der Frequenz der erzeugten Schwingungen in Resonanz befindet. Hierbei bewirkt
die Beschleunigung des mit Ultraschallfrequenz schwingenden Körpers die Zerschlagung
des aufgebrachten Brennstoffs in eine i\Tebelwolke, ohne daß davon die umgebenden
Luftschichten ihrerseits angeregt werden, Schallschwingungen zu vollführen. Eine
optimale Leistung ist mithin nicht erzielbar, weil die Verbrennungsluft als zweites
Medium nicht von dem Schallschwingungserreger beeindruckt wird.
-
Bei Vorrichtungen zum Einführen von Brennstoff in den Brennraum von
Brennkraftmaschinen hat man schon' eine schrittweise Brennstoffzufuhr bzw. ein mehrmaliges
rasches öffnen und Schließen der Speisevorrichtung mit Hilfe eines Elektromagneten
vorgeschlagen. Man beabsichtigt hierbei eine mengenmäßige Aufteilung der der Brennkraftmaschine
zuzuführenden Kraftstoffmenge in der Weise, daß zunächst eine geringe Menge bei
der ersten Eröffnung, eine größere Menge bei der nächsten Eröffnung und schließlich
die Hauptmenge des Brennstoffes der Maschine zugeführt wird. Hierbei dürfte z. B.
bei Dieselmaschinen ein verhältnismäßig weicher Verbrennungsablauf beabsichtigt
sein.
-
Erfahrungen haben gezeigt, daß die beim Einspritzen von Brennstoff
in der Brennstoffleitung aus verschiedenartigen Ursachen auftretenden Druckschwingungen
an bestimmten Punkten ihres Verlaufes im Verbrennungsraum eine stärkere Flammwirkung
oder Verbrennung bewirken, weil der Brennstoff nicht in einer gleichmäßig geschlossenen
Menge in den Verbrennungsraum eingebracht wird, sondern durch die Schwingungen in
sich zerklüftet bzw. unterteilt wird. Um diese Erfahrung auszunutzen, wurde. vorgeschlagen,
die Düsennadel in geöffneter Stellung in Schließrichtung schwingend zu bewegen und
damit den einzuspritzenden Brennstoff in geregelten Schwingungen in den Zylinder
einzuführen.
-
Während die Wirksamkeit dieser bekannten Verfahren und Vorrichtungen
ausschließlich für Brennkraftmaschinen gedacht und möglich war und die Möglichkeit
einer Relativwirkung eines :Mediums in bezug auf das andere offenbar nicht erkannt
wurde, werden durch die Erfindung überraschend vielseitige Anwendungsmöglichkeiten
von Schallschwingungen zurgegenseitigen nBeeinflussung verschiedener Medien erschlossen.
-
Gegenüber den bekannten Verfahren und Einrichtungen zeichnet sich
die Erfindung grundsätzlich dadurch aus, daß das eine Medium, z. B. Luft, das sich
in einem geschlossenem Raum, z. B. Zylinder, befindet oder einen Raum durchströmt,
und welches z. B. mit einem zweiten Medium, bei Einspritzmotoren beispielsweise
zu Schichten unterschiedlicher Mischungsverhältnisse, vermischt werden soll, zu
Eigenschwingungen angefacht wird. z. B. durch Abstimmung der Einspritzimpulse der
hierfür regelbar auszubildenden Einspritzorgane auf die Eige-nschwingungsfrequenz
des durchschnittlichen Zylinderluftvolumenswährend der Einspritzdauer, wobei der
Brennstoff so eingeführt wird, daß sich die in bekannter Weise ausbildende Wirbelkrause
des Brennstoffstrahles nach einem Schwingungsgeschwindigkeitsbauch des ersten Mediums,
z. B. der Luft, hinbewegt, woselbst eine intensive Mischung und Zerstäubung stattfindet.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dadurch vorteilhaft weiter ausgestaltet
werden, daß die Aufbereitung brennbarer Gemische sowie anteiliger Körper unter Einwirkung
von Schwingungen und die Einführung des zweiten Mediums bzw. gegebenenfalls der
weiteren Gemischantf-ile sowie deren gegenseitige Durchsetzung und die beliebig
geartete Schwingungserregung vorzugsweise in Schwingungsgeschwindigkeitsbäuchen
des erstgenannten Mediums erfolgt, z. B. in Abhängigkeit von Dichte, Temperatur,
sowie von der Relativgeschwindigkeit der Gemischanteile und von den Erreger- oder
Betriebsfrequenzen. Als zwei :Medien können sinngemäß bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren beispielsweise auch Wasser und Wasserdampf aufgefaßt werden.
-
Die Erfindung sieht vor, daß die Schwingungserreger, die den einzelnen
Medien innerhalb einer das wirksame Raumgebilde darstellenden Betriebsanlage zugeordnet
sind und damit die Schwingungserregerfrequenzen sowie die Verfahrensbetriebsfrequenzen
geregelt werden können.
-
Um eine unerwünschte Auswirkung der erzeugten Schallschwingungen außerhalb
des für die Verfahrensdurchführung vorgesehenen Raumgebildes zu vermeiden, werden
durch die Erfindung ferner zur Ausgestaltung des neuen Verfahrens derart ausgestaltete
Vorrichtungen vorgeschlagen, daß zur ganzen oder teilweisen Ausschaltung des eine
Betriebsanlage z. B. verlassenden Störschalles geeignete, an. sich bekannte Dämpfungsorgane
vorgesehen sind.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechenden Einrichtungen
sind vorteilhaft überall dort anwendbar, wo es gilt, eine innige Vermischung oder
aber eine äußerste Entmischung verschiedener Medien zu bewirken. Ferner wird es
ermöglicht, unterschiedliche Reaktionsverhältnisse zwischen verschiedenen Medien
in bezug auf bestimmte Wirkungsräume innerhalb des für den Verfahrensvorgang vorgesehenen
Raumgebildes herbeizuführen. Dies könnte beispielsweise bei Brennkraftmaschinen,
Feuerungsanlagen, chemischphysikalischen Apparaturen u. dgl. beabsichtigt sein,
um unterschiedliche Mischungsverhältnisse zu schichten.
In der Zeichnung
ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bei der Verwendung für eine Brennkraftmaschine
dargestellt.
-
Abb. i zeigt im Querschnitt den, Zylinder einer Kolbenbrennkraftmaschine
mit eingebautem Sch.allschwingungserreger .sowie das Diagramm von dem Geschwindigkeits-.
und Druckverlauf infolge der Schallbeeinflussung; Abb. 2 zeigt den Querschnitt eines
beiderseits offenen Rohrkörpers mit einseitig angeordnetem Schallschwingungserreger
sowie das Diagramm des Geschwindigkeitsverlaufes des im Rohr befindlichen Mediengemisches,
und Abb. 3 zeigt eine Schallschwingungserregerdüse und den durch sie erzeugten Schwingungsverlauf
eines Mediums im Schallfeld mit diagrammatischer Darstellung des Druck- und Geschwindigkeitsverlaufes.
-
Gemäß Abb. i spritzt die Brennstoffdüse a in Richtung der unteren
Kolbentotpunktlage einen Strahl b in Kegelform. Nach Durcheilen des Weges 2./2 von
Geschwindigkeitsbauch zu Geschwindigkeitsbauch bildet der Kegel die Wirbelkrause
c. Dies bedeutet, daß die Brennstoffteilchen infolge ihres Strömungswiderstandes
in der Ladeluft an Geschwindigkeit verloren haben und mit den beschallten Luftschichten
einen Wirbel, gegegebenenfalls auch Halte- oder Umkehrpunkte bilden.
-
In Tröpfchenform befindliche Brennstoffteilchen, die von der Ladeluftströmung
noch nicht mitgerissen worden sind, werden zusätzlich in Geschwindigkeitsbäuchen
von der Schallströmung erfaßt. Der ideale Geschwindigkeits- sowie Druckverlauf einer
Oberschwingung istindemDiagramm (Abb. i) zum Ausdruck gebracht, wobei v die Geschwindigkeit
und p den Druck bedeuten.
-
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.2 entwickelt sich von der Strahlwurzel
d aus ein sich bis in die Rohrmitte erstreckender Strahl, dessen Halte- oder Umkehrpunkt
bzw. Wirbelkrause mit c bezeichnet ist. Wie aus dem Diagramm erkennbar ist, entwickelt
sich der Strahl bis in den Bereich des Geschwindigkeitsbauches.
-
Aus Abb.3 ist die Wirkung einer Düse mit Kegelspritzbildform ähnlich
einer Konusmembran im Schallfeld erkennbar. Die Strahlwurzel bewegt sich bei dem
gezeigten Beispiel eines Schallwellenerregers längsaxial um eine Wegstrecke e.
-
Die Anwendungsmöglichkeit von Schallschwingungen entsprechend dem
neuen Verfahren besteht überall dort, wo es gilt, den Gemischanteilen z. B. brennbarer
oder brennender Gemische untereinander unterschiedliche Beschleunigungen infolge
der Beschallung zu erteilen, so daß sie zueinander Relativgeschwindigkeiten annehmen,
um dadurch den' Verbrennungsablauf im Sinne größtmöglicherWirtschaftlichkeit zu
beeinflussen.
-
In Apparaten für chemische und thermische oder physikalische Reaktionen
werden die den gegebenenfalls mit Steuerorganen ausgestatteten Wirkraum durchströmenden
oder in diesem befindlichen Medien so geleitet, daß die beabsichtigten Wirkungen
im Bereiche der Schwingungsgeschwindigkeitsknoten und/oder -bäuchen erfolgt und
daß die Schallerreger- und Wirkfrequenzen sowie deren Intensität regelbar sein können.
-
In das Anwendungsgebiet des Verfahrens gehören in die Reihe der beliebigen
regelbaren Impulsgeber jene Einrichtungen, z. B. Teilverbrennungseinrichtungen,
aus denen heraus z. B. infolge chemischer Reaktionen und/oder Gasstößen der Hauptbrennraum
angeregt werden kann, Schallschwingungen zu vollführen.
-
Das Verfahren ist ferner anwendbar für den Bau von Filtern in der
Weise, daß in dem Wirkraumgebilde im Bereiche der Schwingungsgeschwindigkeitsknoten,
an denen sich die auszufilternden Gemischanteile unter der Schallwirkung ansammeln
(Kundtsche Versuch), geeignete Niederschlagungs- und Ableitungseinrichtungen angeordnet
werden.