DE963384C - Verfahren und Einrichtung zum Zerstaeuben, Mischen, Verteilen, Schichten oder Filtern mehrerer Medien - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Zerstaeuben, Mischen, Verteilen, Schichten oder Filtern mehrerer Medien

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DE963384C
DE963384C DEL2858D DEL0002858D DE963384C DE 963384 C DE963384 C DE 963384C DE L2858 D DEL2858 D DE L2858D DE L0002858 D DEL0002858 D DE L0002858D DE 963384 C DE963384 C DE 963384C
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DEL2858D
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Gerhard Langhoff
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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
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • 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
    • F02B2720/00—Engines with liquid fuel
    • F02B2720/22—Four stroke engines
    • F02B2720/226—Four stroke engines with measures for improving combustion

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fluidized-Bed Combustion And Resonant Combustion (AREA)

Description

  • 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.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zum Zerstäuben, Mischen und gegebenenfalls auch Schichten und Filtern von zwei oder mehreren Medien, insbesondere zum Aufbereiten brennbarer Gemische, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Medium, das sich in einem geschlossenen Raum befindet oder einen Raum durchströmt, und welches 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 Eigenschwingungsfrequenz des durchschnittlichen Zylinderluftvolumens während der Einspritzdauer, wobei der Brennstoff so eingeführt wird, daß sich die in bekannter Weise ausbildende Wirbelkrause des Brennstoffes nach einem Schwingungsgeschwindigkeitsbauch des anderen Mediums, z. B. der Luft, hinbewegt, woselbst eine intensive Mischung und Zerstäubung stattfindet.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbereitung brennbarer Gemische sowie anteiliger Körper unter Einwirkung von Schwingungen und die Einführung des zweiten Mediums bzw. gegebenenfalls der weiteren Gemischanteile 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.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungserreger- sowie die Verfahrensbetriebsfrequenzen geregelt werden können.
  4. 4. Vorrichtung zur Ausgestaltung des Verfahrens nach den Ansprüchen i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daB zur ganzen oder teilweisen Ausschaltung des eine Betriebsanlage z. B. verlassenden Störschalles geeignete, an sich bekannte Dämpfungsorgane vorgesehen sind. In Betracht gezogene Druckschriften.: Deutsche Patentschriften Nr. 152 446, 487 o32, 505 974, 668 115, 685 994; österreichische Patentschrift Nr. 157 299; schweizerische Patentschriften Nr. 21q.245, 217310, 217311-
DEL2858D 1942-05-05 1942-05-05 Verfahren und Einrichtung zum Zerstaeuben, Mischen, Verteilen, Schichten oder Filtern mehrerer Medien Expired DE963384C (de)

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