JPH08501866A - 液体燃料の圧力噴霧装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 好ましくは加圧された燃料を供給される噴霧ノズルを備えた液体燃料の圧力噴霧装置が開示される。燃料配管（32）には、噴霧ノズルの上流に少なくとも１つの超音波発信器（26）を持つた反応チヤンバー（10）が設けられる。反応チヤンバー（10）は、好ましくは、酸素の豊富な空気、液体燃料及び水を供給される。機械的なキヤビテーシヨン要素が、混合成分を均一にするために、反応チヤンバー（10）に設けられる。キヤビテーシヨン要素は、好ましくは、軸方向のボアーを設けられた高速度又は高回転のデイスクの形状をしたホイールからなる。チヤンバー（10）の中に形成された微細なあわ立つた燃料混合物が、高い効率で燃焼し、特に、酸素の豊富な空気が使用される時、窒素酸化物ができない。

Description

【発明の詳細な説明】 液体燃料の圧力噴霧装置及び方法 技術分野 本発明は、液体燃料の圧力噴霧装置、好ましくは、加圧された燃料を供給され る噴霧器ノズルを備えた圧力噴霧装置、及び、これに関係した方法に関する。 背景技術 液体燃料の圧力噴霧は、加熱及び自動車技術から公知である。燃焼の効率は、 燃焼工程において利用可能な酸素の適当な供給によつて決まり、更に、作られた 燃料ミストの粒子の寸法のような他のパラメーターによつて決まる。しかし、火 炎に供給される空気は、火炎の回りに形成されて火炎の領域を或る程度隔離する 窒素のさやによつて、基本的に制限される。 請求の範囲第１項及び第１８項記載の装置及び方法にそれぞれ似た液体燃料の 超音波噴霧のための噴霧器ノズル及び方法が、ＵＳ−Ａ−３９７７６０４から公 知である。ここでは、デイスク型の超音波発振器が、噴霧及び燃焼効率を改善す るために使用される。デイスク型の超音波発振器は、霧箱の中に霧箱の内壁から 間隔を開けて設けられる。霧箱は、その底に、環状の超音波発振器を取り付けた 出口を持つ。中心方向にデイスク型の超音波発振器に供給された燃料が、超音波 発振器の上面で噴霧され、そのために、燃料のミストが、生産されて、霧箱の底 から、出口及び出口に取り付けられた主ノズルを経て、霧箱を離れる。 超音波噴霧は、従来の圧力噴霧に比較して確かに利点がある。燃料ミストは、 非常に小さい平均した粒子寸法を特徴とする。燃料供給は、正規の圧力において 作動する自動ポンプを経て実施されることができ、自動ポンプは、圧力噴霧に必 要な圧力調節器を持つた高圧ポンプよりも本質的に簡単で安い。最後に、粒子寸 法は、燃料の粘性の関数として、超音波発振器の振動数を経て調節されることが できる。（ケラミスセ・ザイトシュリフトの特別版（２９）Ｎｏ．１／１９７７ 「ピエゾセラミツク超音波発振器を使用する液体の噴霧」） 普通の圧力噴霧におけると同様に、超音波噴霧器を使用する際の燃焼効率は、 燃焼、すなわち、炎心が、空気又は酸素の適当な量を供給されることができない という点で、制限される。 発明の開示 本発明の目的は、液体燃料の圧力噴霧、特に、噴霧ノズルを使用する液体燃料 の圧力噴霧の効率を増大することであり、そして、特に、どのようにすれば、も つと豊富な空気又は酸素を燃焼の炎心に導入することができるか、という問題を 解決することである。 この目的は、請求の範囲第１項及び第１８項において与えられた通りに実行さ れ、従属の請求の範囲に従つて、さらに有利に発展されることができる。 本発明によれば、一定の周波数で剌激される要素、好ましくは、圧電的に又は 磁気的に刺激される超音波発振器が、液体燃料を一種のフオームに変形させるた めに使用される。発振器は、この関係では、液体とガスの境界層における小粒子 の生産のためには働かず、むしろ、空気の顕微鏡的な量を液体の中に引き込むよ うな、半ば、 反対の工程として働く。この現象は、ある程度、表面張力波によつて説明される ことができるが、表面張力波の仮説は、現在の状況においては、あまり意味がな い。決定的なことは、本発明の装置及び又は方法によつて、液体燃料の中の空気 の核の形成を達成することができることである。この空気・燃料の混合物の密度 は、ほとんどフオームのようなと記載されることができる。 この燃料のフオームは、圧力下に、従来の方法で、特別に設計された噴霧器ノ ズルに運ばれて、噴霧され、そこで、従来の方法で燃焼される。効率は、炎心そ れ自身の中に解放される空気によつて、非常に増大する。摂氏２０００度に達す る温度が、炎心において測定された。高温度の結果、本当に、水蒸気ができない 。自動車のエンジンにおいて発展する有害な窒素酸化物は、８０パーセント以上 減少されることができる。それ故に、本発明の装置及び又は方法は特にデイーゼ ルエンジンに適し、デイーゼルエンジンの排出値は、本発明の適用によつて、エ ンジンの後方に接続される触媒コンバータが、省略されることができるような程 度まで、下げられる。液体によつて閉じ込められた小さいガスバブルが加圧され ているので、液体燃料は、噴霧器ノズルの解放効果と無関係に、大気の中に出る とき、全部噴霧される。この噴霧は、主として、閉じ込められた小さいガスバブ ルの内部圧力に基づく。この効果のために、特別の噴霧器ノズルを設けることは 、余分なことになることができる。或る場合には、フオームが、パイプ出口から 開いた空間又は燃焼チヤンバーの中に入るのに、十分である。 本発明に対して決定的なことは、振動要素又は超音波発振器を使用する考えが 、実際の噴霧のためであつたのではなく、むしろ、完 全に新しい状況、すなわち、燃焼のために必要とされる酸素を一緒に携帯して火 炎の空間の中に直接搬入する燃料フオームを、生産するためであつたことである 。それ故に、液体を噴霧するためのピエゾセラミツク超音波発振器の利用は、本 発明のための刺激を与えることはできなかつた。 本発明の有利な次の発展によれば、振幅変成器が、好ましくは、チヤンバーの 中で自由に振動するピエゾセラミツク要素の後方に、接続される。この振幅変成 器は、例えば、チヤンバーのハウジングのパイプ形状のネツクの中に取り付けら れるスリーブに似た部品である。空気・燃料の混合物が運ばれる螺旋形の溝が、 スリーブに似た部品の外側の表面部分に切られる。振幅変成器が、ピエゾセラミ ツク要素によつて刺激されて共鳴振動を起こす。そのために、閉じ込められた空 気は、振幅変成器の回りを流れるとき、さらにもつと細かく分散されて、あわが 、さらに均一化される。 振幅変成器は、一定の条件のもとで、省略されることができ、また、反応空間 の中の機械的なキヤビテーシヨン要素に取り替えられることができる。このキヤ ビテーシヨン要素は、数個の軸方向の貫通穴を持ち急速に回転する円盤型デイス クである。これらの貫通穴を通る流れは、ベルヌイの効果によつて起こされ、こ れによつて、空気・燃料の混合物の均一化が起こる。 酸素が豊富な空気を使用することは、有利であることが証明された。空気の酸 素を豊富にするために、環境空気が加圧されて、窒素を吸収するゼオライトの上 に導かれる。 反応チヤンバーにおける酸素・燃料の混合物の自然発火を防止するために、水 が、また、反応チヤンバーの中に導入される。水の割 合は、オイルの量に関して３０乃至５０モルパーセントである。 機械的キヤビテーシヨン及び超音波エネルギーの効果のもとで、水分子がラジ カルに分割され、それによつて、燃焼の効率がさらに増加され、排出値がさらに 改善される。本当に、炭酸ガスと水蒸気とだけができる。 以下においては、本発明は、具体例により、添付の図面に基づいて記述される 。 図面の簡単な説明 第１図は、噴霧器ノズルの前方に接続された圧力噴霧装置の略図の断面図であ る。 第２図は、圧力噴霧装置のもう１つの実施例の略図の断面図である。 発明を実施するための最良の形態 第１図に示された具体例において、チヤンバー１０が、ポツトの形状に設けら れて、パイプ形状のネツク１２を持つ。スリーブに似た部品１４が、パイプ形状 のネツク１２の中に、取り付けられる。スリーブに似た部品１４は、一方の端に 、チヤンバー１０に開く内部貫通穴１６を持ち、他方の端において、圧縮空気の ための供給コンジツト１８に接続される。ねじが、スリーブに似た部品１４の外 側ケーシングに切られ、パイプ形状のネツク１２の内壁と協力して溝を形成する 。この溝は、チヤンバー１０の内部から、スリーブに似た部品１４の後方のパイ プ形状のネツク１２の上端において、吐出チヤンバ−ー２０に通じる。コンジツ ト２２は、この吐出チヤンバー２０から噴霧器ノズルに通じる。 圧縮空気のための供給コンジツト１８は、密封されて、吐出チヤ ンバー２０の中を通される。パイプ形状のネツク１２の端は、供給コンジツト１ ８に対し、詰め箱２４によつて密封される。 スリーブに似た部品１４の外壁の螺旋状の溝は、多重ねじとして設けられ、ね じのピツチは、液体燃料の粘性及びスリーブに似た部品１４の長さの関数である 。１つの具体例においては、ピツチは７ミリメートルである。燃料の粘性が低け れば低いほど、沢山のねじが、スリーブに似た部品１４の外側に切られる。 振幅変成器、すなわち、スリーブに似た部品１４は、好ましくは酸化アルミニ ウムのような、毎秒６０００メートル以上の音速を持つたセラミツク材料からな る。そのような材料は、それらの高い共鳴振動数及びそれらの硬さのために、特 に良く適し、発生するキヤビテーシヨン現象によつて、僅かだけ歪まされる。 デイスク型のピエゾセラミツク要素２６が、チヤンバー１０の内部に配置され る。ピエゾセラミツク要素２６は、液体の内部で自由に振動することができるよ うな具合に、パイプ形状の受け台２７の中に挟まれる。このために、ピエゾセラ ミツク要素２６は、柔軟なケーブル（図示されない）によつて、電気的に順番に 周波数発生器３０に接続された電極２８に、接続される。あわを立てられるべき 燃料の粘性によつて、磁気ひずみ振動要素が使用されることができる。 超音波発振器のための周波数発生器は公知である。それらの構造は、例えば、 ヨーロツパ特許出願０３４０４７０及びドイツ特許出願公開公報３６２５１４９ に記載される。現在の状況においては、発生器の回路は、異なる周波数が振動要 素に与えられることができるような具合に、作られることだけが重要である。周 波数は、ピエ ゾセラミツク要素の幾何学構造、液体燃料の粘性、及び、最後に、空気の成分の 好ましい選択によつて決まる。空気の中に普通に存在するガス成分は、各々、そ れが「溶解される」違つた最適の周波数を持つ。 液体燃料のための供給コンジツト３２は、チヤンバー１０のハウシンウに接続 される。燃料は、燃料コンジツト３２の中の圧力よりも数ミリバール高い一定圧 力のもとで、チヤンバー１０に供給される。 チヤンバー１０のハウジングは、好ましくは、錆びないニツケルクロム鋼から なる。チヤンバー１０のハウジングは、スタンド３４に、熱放散用のリブを取り 付けられることができる。 記載された装置の運転方法は、次のとりである。 燃料チヤンバー１０が、液体燃料によって満たされる。僅かに加圧された空気 が、空気コンジツトを経て、スリーブに似た部品１４の内部貫通穴１０を通つて 、チヤンバー１０の中に押し込まれる。液体と空気との間にインターフエースを 持つ一種の空気のあわ３６が、チヤンバ−ー１０の内部に入つて来る。 超音波発振器が作動されると、微小の空気容積が、一種の逆の表面張力波効果 によつて、インターフエースにおいて液体の中に引き込まれ、出口２２と入口３ ２との間の圧力差の結果として、上向きに、振幅変成器１４の外壁の中の螺旋状 の溝を通つて、吐出チヤンバー２０の中に運ばれる。形成された液体のフオーム の均一化が、振幅変成器１４の１つ又は複数の螺旋状の溝の中で行われる。すな わち、閉じ込められた空気容積が、更に寸法を小さくされて、散らされる。 １つの実施例においては、２．３グラムの空気が、２０ミリリツトルの液体燃 料に溶かされた。この燃料のフオームは、吐出チヤンバー２０からコンジツト２ ２を経て、噴霧器ノズルに送られ、そこで、噴霧されて、燃焼される。火炎の中 に開放される酸素の結果として、燃焼効果が異常に増大する。大体、摂氏２００ ０度の燃焼温度に達する。 レツド・ジルコネート・チタネート・セラミツクスは、ピエゾ・セラミツクス 要素のための材料として証明された。しかし、バリウム・チタネート・セラミツ クスのような他のセラミツクス材料も、同様に、適している。 超音波発振器の他の示された具体例は、単に、例として与えられる。また、ピ エゾセラミツク要素は、違つた方法で固定されることができる。第１図の実施例 においては、ピエゾセラミツク要素は、チヤンバー１０の内部の中に、自由に振 動できるように、取り付けられる。もし、関係する液体が特別に低い粘度を持つ ならば、ピエゾセラミツク要素をハウジングの壁の中に置くこともまた可能であ る。また、振動要素の幾何学構造は同様に２次的な重要さを持つ。ここに示され たデイスクの代わりに、他の型式がまた使用されることができる。 ピエゾセラミツク要素の代わりに、電磁的又は磁気的に刺激される振動要素が 、使用されることができる。 第２図に示された具体例は、下流の振幅変成器の代わりに、機械的なキヤビテ ーシヨン要素４２が燃料チヤンバー４０の中に配置される点で、主として、第１ 図の具体例と異なる。燃料チヤンバー又は反応空間の壁の中に、２個の超音波発 振器４４及び４６が、互い に向かい合つて設けられる。これらの発振器は、第１図の具体例の関して記載さ れた発振器に対応する。図示された配置の代わりに、発振器の他の配置が選択さ れることができる。しかし、少なくとも１個の発振器が存在しなければならない 。 空気を圧縮して、高圧力、例えば、４０バールのもとで押して、詰め込まれた ゼオライトベツドを通過させる圧縮機４８が、反応チヤンバー４０の上方に配置 される。ゼオライトベツドにおいては、大気の窒素が吸収されて、酸素の比率が 、６０乃至９２パーセントに増加される。この酸素の豊富な空気が、対応する寸 法を持つた毛細管５０を経て反応空間に供給される。詰め込まれたゼオライトベ ツド及び空気コンジツト装置は第２図に示されない。装置の中に圧縮機４８を一 体に組み入れることは、運ばれる空気の量が、回転速度の関数として、最初から 上昇又は下降するという利点がある。装置を駆動するためのモーターが５２で示 される。モーター５２は、機械的キヤビテーシヨン要素４２及び圧縮機４８のシ ヤフトを駆動する。 酸素を加えられるべき燃料がコンジツト５４を経て供給される。燃料、好まし くは、オイルが、一部、それによつて、圧電要素の後側に達して、圧電要素の効 率及び作用が、供給されたオイルの良好な電気絶縁性によつて改善される。しか し、オイルの一部は、反応チヤンバー４０の中に直接導入される。対応する接続 片が５６で示される。 水が、毛細管５８を経て供給される。水のパイプの圧力及び直径は、水の割合 がオイルの量の大体３０乃至５０モルパーセントになるように、数値を決められ る。 キヤビテーシヨン要素４２は、その下側及び上側に異なる湾曲度を持つ。上側 の湾曲は、好ましくは、下側の湾曲よりも大きい。下側は、もつと扁平な輪郭を 持つことができる。数個の軸方向の貫通穴（図示されない）が、ナイフの形状の キヤビテーシヨン要素に設けられ、貫通穴は、キヤビテーシヨン要素の下側から 上側への液体の流れを可能にする。キヤビテーシヨン要素の周辺縁は、飛行機の 翼と同様に、周辺縁を回る流れをできるだけ防止するために、かみそりのように 尖つている。 さて、キヤビテーシヨン要素は、毎分大体３０００乃至８０００回の速度で回 転する時、ベルヌイの効果の結果として、圧力差が、上側と下側との間に起こり 、貫通穴を通る軸方向の強い流れを起こさせるという効果を持つ。それによつて 引き起こされるかき混ぜは非常に強いので、水とオイルと酸素の豊富な空気との 均一な懸濁液が、極めて短時間に形成される。この懸濁液は、超音波発振器の行 為及びそれによつて開始される音化学反応により、さらに均一化され、凝集され る。反応チヤンバーの中で発展するオイルのあわが、コンジツト６０を経て引き 取られ、例えば、バーナー又は噴霧器ノズルに運ばれる。燃焼の効率は、高燃焼 温度の結果として非常に良い。本当に、窒素酸化物がないので、触媒コンバータ 、例えば、自動車の排気ガスを浄化するための触媒コンバータは省略されること ができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 加圧された燃料を供給される噴霧器ノズルを、好ましくは持ち、また、 前記噴霧器ノズルの前の燃料コンジツトの中に配置されて一定の振動数の範囲内 で自由に振動する少なくとも１つの発振器（26、 44、 46）を内部に備えたチヤン バー（10、 40）を持ち、また、チヤンバー（10、 40）の中に開口してチヤンバー （10、 40）の中に空気を、少なくとも液体燃料の圧力に対応する圧力で導入する 空気コンジツト（18、 50） を持つた液体燃料の圧力噴霧装置であつて、チヤン バー（10、 40）が、運転中、液体燃料によつて満たされるように設計されたこと 、及び、発振器 （26、 44、 46）が、液体燃料のミストの中で自由に振動するよ うに取り付けられたことを特徴とする液体燃料の圧力噴霧装置。 ２． 前記発振器が、圧電超音波発振器（26）である請求の範囲第１項記載の 装置。 ３． 少なくとも１つの螺旋状の溝を持つた振幅変成器が、チヤンバー（10） の後に接続され、生産された燃料・空気の混合物が、前記溝を通つて流れなけれ ばならない請求の範囲第１項又は第２項記載の装置。 ４． 前記振幅変成器が、セラミツク材料、好ましくは、酸化アルミニウムか らなる請求の範囲第３項記載の装置。 ５． 前記振幅変成器が、チヤンバー（10）のパイプ形状のネツク（12）の中 に密封して取り付けられるスリーブに似た部品（14）からなり、また、スリーブ に似た部品（14） の外側のケーシングに切られたねじ溝を持ち、前記ねじ溝と パイプ形状のハウシング・ネ ツク（12）の内側の壁とが協力して、燃料・空気の混合物を運搬するために螺旋 状の溝を形成し、また、空気が、スリーブに似た部品（14）の内部貫通穴（16） を通つて、チヤンバー（10）に供給されることを特徴とした請求の範囲第３項又 は第４項記載の装置。 ６． 前記螺旋状の溝が、パイプ形状のハウシング・ネツク（12）の下流の端 において吐出チヤンバー（20）の中に開口し、また、燃料・空気の混合物が、そ こから噴霧器ノズルに供給されることを特徴とした請求の範囲第５項記載の装置 。 ７． 空気コンジツト（18）が、密封されて吐出チヤンバー（20）を通過して 、スリーブに似た部品（14） の内部貫通穴 （16） の中に開くことを特徴とし た請求の範囲第６項記載の装置。 ８． 超音波発振器（26）が、チヤンバー（10）の内部に配置されること、及 び、パイプ形状のハウジング・ネツク（12）が、超音波発振器（26）に向かい合 うチヤンバー（10）の中に開くことを特徴とした請求の範囲第５項、第６項又は 第７項記載の装置。 ９． 超音波発振器（26）が、パイプ形状の台座によつて、チヤンバー（10） の中に、ほぼ中心に配置された圧電材料のデイスクであることを特徴とした請求 の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項、第６項、第７項又は第８項記 載の装置。 10． 超音波発振器（26）が、チヤンバー（10）の外側に配置された周波数発生 器（30）に接続されることを特徴とした請求の範囲第９項記載の装置。 11． 超音波発振器（26）が、レツド・ジルコネート・チタネート・セラミツク スからなることを特徴とした請求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５ 項、第６項、第７区、第８項、第９項 又は第１０項記載の装置。 12． 急速回転キヤビテーシヨン要素（42）が、チヤンバー（40）の中に配置さ れることを特徴とした請求の範囲第１項又は第２項記載の装置。 13． 急速回転キヤビテーシヨン要素（42）が、違つた湾曲度と軸方向の貫通穴 とを持つた円盤型のデイスクであることを特徴とした請求の範囲第１２項記載の 装置。 14． チヤンバー（40）の中に供給されるべき空気を圧縮する圧縮機（48）がま た、キヤビテーシヨン要素（42）の軸から駆動されることを特徴とした請求の範 囲第１２項又は第１３項記載の装置。 15． 少なくとも２つの直径方向に向き合つた発振器（44、 46）が、チヤンバー （40）の壁の中に配置されることを特徴とした請求の範囲第１２項、第１３項又 は第１４項記載の装置。 16． チヤンバー（40）の中に導入された燃料、好ましくは、油が、一部、デイ スク型の超音波発振器（44、 46）の後側に導入されることを特徴とした請求の範 囲第１５項記載の装置。 17． 水を導く毛細管（58）が、チヤンバー（40）の中に開き、また、毛細管（ 58）の直径は、チヤンバー（40）の中の水の割合が液体燃料の量に関して３０乃 至５０モルパーセントになるような、寸法を持つことを特徴とした請求の範囲第 １２項、第１３項又は第１４項記載の装置。 18． 少なくとも１つの発振器（26、44、46）、好ましくは、超音波発振器が、チ ヤンバーの中に配置される液体燃料の圧力噴霧方法において、液体燃料が、発振 器の側壁全部を取り囲み、また、空気が、少なくとも液体燃料の圧力で、チヤン バー （10、40） の中に導 かれて、燃料が、豊富な空気を含み、フオームに似た燃料・空気の混合物に噴霧 されるように、燃料と一緒に振動させられることを特徴とした液体燃料の圧力噴 霧方法。 19． 燃料で満たされたチヤンバー（10、 40）において、インターフエースが、 押し込まれた空気と液体燃料との間に形成されることを特徴とした請求の範囲第 １８項記載の方法。 20． 燃料・空気の混合物が、押されて、超音波発振器（26、44、46）と一緒に共 鳴する振幅変成器の、好ましくは、螺旋形の溝を通されることを特徴とした請求 の範囲第１８項又は第１９項記載の方法。 21． 燃料が、酸素が豊富な空気を詰め込まれることを特徴とした請求の範囲第 １８項、第１９項又は第２０項記載の方法。 22． 空気中の酸素の割合が、６０乃至９２パーセントになることを特徴とした 請求の範囲第２１項記載の方法。 23． 追加の水が、チヤンバー（10 、40）の中に導入されることを特徴とした請 求の範囲第１８項、第１９項、第２０項、第２１項又は第２２項記載の方法。 24． 水の割合が、液体燃料の量に関して、３０乃至５０モルパーセントになる 請求の範囲第２３項記載の方法。 25． 超音波発振器（26、 44、 46）によつてもたらされる反応空間における音化 学の反応に加えて、急速回転キヤビテーシヨン要素（42）による混合成分の均一 化が、行われることを特徴とした請求の範囲第１８項、第１９項、第２０項、第 ２１項、第２２項、第２３項又は第２４項記載の方法。