DE2821716A1

DE2821716A1 - Einrichtung zum messen und verteilen von brennstoff

Info

Publication number: DE2821716A1
Application number: DE19782821716
Authority: DE
Inventors: Lester Porter Berriman; Douglas Allyn Roe
Original assignee: Dresser Investments; Dresser Inventments NV
Current assignee: Dresser Investments; Dresser Inventments NV
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1978-05-16
Publication date: 1978-12-07
Also published as: CA1091522A; IT7849641A0; IT1105414B; GB1596340A; FR2393236B1; JPS541728A; FR2393236A1

Description

- 4- Einrichtung zum Messen und Verteilen von Brennstoff

Die Erfindung nimmt bezug auf die amerikanische, ältere Patentanmeldung Ger.No. 675*635» die aus der älteren Patentanmeldung Ger.No. 485«518 ausgeschieden worden ist, die zum US-Patent 3.965»221 geführt hat.

Die Erfindung bezieht sich auf das Messen und Verteilen von Brennstoff im allgemeinen und auf eine Vorrichtung zum Einführen und Verteilen flüssigen Brennstoffs in einen sich schnellen bewegenden Strom in der Formation einer brennbaren Mischung aus Luft und flüssigem Brennstoff im besonderen.

Die US-Patentschrift 3.77.038 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer einheitlichen brennbaren Mischung aus Luft und sehr kleinen Tropfen flüssigen Brennstoffs zum Abgeben an den Verteiler eines Motors. Die Vorrichtung enthält eine Eingangsluftzone, die mit einem veränderbaren Verengungsgebiet zum Beschränken der Luftströmung verbunden ist, um ihre Geschwindigkeit auf Schallgeschwindigkeit zu erhöhen. Der flüssige Brennstoff wird in den Luftstrom an oder der Verengungszone eingeführt, um den Brennstoff als Tropfen in der durch die Verengungzone strömende Luft zu verteilen oder mitzureißen. Hinter der Verengungszone liegende Wände ergeben einen gleichmäßig ansteigenden Querschnitt zum wirksamen Umwandeln eines wesentlichen Teils der kinetischen Energie der sich schnell bewegenden Luft und des Brennstoffs in statischen Druck. Diese Umwandlung ermöglicht das Halten der Luft mit Schallgeschwindigkeit durch die Verengungs-

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zone über praktisch, das ganze Arbeitsbereich des Motors, an den ο ie Luft-Brennstoffmischung abgegeben wird.

Es ist wichtig, die richtige Brennstoffmenge in den sehr schnellen Luftstrom einzumessen, um eine brennbare Mischung mit praktisch konstantem Luft-Brennstoffverhältnis zu erhalten. Es ist gleichermaßen wichtig, daß der so eingeführte Brennstoff richtig verteilt wird, da die einheitliche Verteilung eine größere Solle beim folgerichtigen Erhalten eines praktisch konstanten Luft-Brennstoffverhältnisses spielt. Die Raten des Einführens von Luft und Brennstoff variieren oft um den Faktor 40, wenn die Leerlaufbedingungen mit denen vergleichen werden, die während rascher Beschleunigung auftreten. Diese Bedingungen erfordern eine Vorrichtung zum Abmessen und Verteilen des Brennstoffs an einem Punkt, an dem der Brennstoff in den Luftstrom eintritt, oder an andere Stellen. Eine einheitliche Brennstoffverteilung und ein richtiges Zumessen der Brennstoffmengen sind von höchster Wichtigkeit beim Herstellen brennbarer Gemische.

Demnach ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Zumessen und Verteilen von Brennstoff anzugeben, die in einfacher und hochwirksamen Weise flüssigen Brennstoff bei der Herstellung eines Luft-Brennstoffgemisches richtig zumessen und einheitlich in einen sich schnell bewegenden Luftstrom verteilen kann.

Nach der Erfindung wird eine Brennstoffstange zum Einführen und Verteilen einer gegebenen Menge flüssigen Brennstoffs in einen sich schnell bewegenden Luftstrom vorge-

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sehen. Die BrennstoffStangenanordnung enthält eine Abgabeöffnung, die sich quer zum Luftstrom befindet, und eine in der BrennstoffÖffnung gleitende Stange, die quer zur Luftströmung verläuft. Die Stange besitzt mindestens zwei in Abstand liegende schräg verlaufende Schlitze zum "Variieren des Querschnitts der Brennstoffströmung durch die Öffnung, wenn die Stange zu ihr bewegt wird. Jeder schräg verlaufende Schlitz besitzt in Richtung nach außen vom Brennstoff weg einen abnehmenden Querschnitt und jeder Schlitz verläuft entlang der Stange zum Verteilen des Brennstoffs auf der Stange, wo er von dem sich schnell bewegenden Luftstrom abgestreift wird. Diese Schlitze befinden sich an der oberen Stangenhälfte·

Ferner ist die Breite jedes Schlitzes etwa 0,75 mm. Vorzugsweise besitzt die Stange einen praktisch runden querschnitt und der Durchmesser liegt in dem Bereich von 3 und 9 mm. Die Spange gleitet gegenüber der Brennstofföffnung zwischen einer Leerlaufstellung und der Stellung der ganz offenen Drossel. Die Tiefe jedes S_chlitzes an der BrennstoffÖffnung liegt zwischen 0,025 und 0,25 mm in der Gleitstellung und etwa zwischen 2,28 und 2,54- mm in der ganz offenen Drosselstellung. Die Brennstoffstange kann zwei weitere schräge S hlitze in der oberen Hälfte der Stange enthalten. Außerdem können weitere Schlitze in der unteren Stangenhälfte vorgesehen sein.

Neuartige Merkmale und Vorteile der Erfindung außer den bereits erwähnten ergeben sich aus der Beschreibung der Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. In den Zeichnungen ist:

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Figur 1 eine Draufsicht auf die Strömungseinrichtung nach der Erfindung;

Figur 2 ein Schnitt an der Linie 2-2- der Figur 1; Figur 3 ein Schnitt an der Linie 3-3 der Linie 1;

Figur 4 eine Seitenansicht der Brennstoffmeß- und Verstellstange nach den Figuren 1 bis 35

Figur 5 eine Draufsicht auf die Spange nach Figur 4; Figur 6 eine Endansicht der S ange nach den Figuren

I.

und 5»
Figur 7 ein Schnitt an der Linie 7-7 der Figur 6;

Figur 8 eine Draufsicht auf eine andere Meß- und "Verteilstange nach der Erfindung; und

Figur 9 eine Endansicht der Stange nach Figur 8.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen eine Strömungseinrichtung für eine Flüssigkeit zum Mischen und Modulieren von flüssigem Brennstoff mit einem praktisch konstanten Luft-Brennstoff verhältnis· Im allgemeinen enthält die Einrichtung 10 ein längliches Gehäuse mit einem Strömungsdurchgang in der Mitte, der von zwei gegenüberliegenden stationären Backen 12 und 14 und zwei gegenüberliegenden kleinen Teilen in Form von Platten 16, 18 gegeben ist. Wie noch erläutert werden wird, bewegt sich die Platte 18 zur stationären Platte 16 und von dieser weg, um die Luftströmung zu verändern, die durch diesen Durchgang hindurchgeht·

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Insbesondere enthält der Durchgang eine allmählich konvergierende Lufteintrittszone 20, eine veränderbare Drosselzone 22 und eine allmählich divergierende Abwärtsströmzone 24. Die stationären Backen 12 und 14 sind zusammen mit der Platte 16 und der Gehäuseendwand 22 an einer rechteckigen Grundplatte 28 befestigt, die Öffnungen zum Befestigen der Einrichtung 10 an einem (nicht dargestellten) Eingangsverteiler eines Verbrennungskraftmotors aufweist.

Die Innenwände der gegenüberliegenden stationären Backen sind so ausgebildet, daß sie einen Venturiquerschnitt mit den kleinen Platten 16 und 18 ergeben. Dieser Venturiquerschnitt enthält die Lufteintrittszone 20, die Drosselzone 22 und die allmählich abwärts divergierende Zone 24. In die Misch- und Moduliereinrichtung 10 tritt in der atmosphärischen Eingangszone 20 Luft ein, die in der Drosselzone 22 auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Der flüssige Brennstoff wird an der Brennstofföffnung 34 vor der Drossel 22 in den Hochgeschwindigkeitsluftstrom eingeführt. Die BrennstoffÖffnung JA- befindet sich in der stationären Platte 16 und ist mit einer (nicht dargestellten) Quelle verbunden. In die BrennstoffÖffnung y± ist eine Brennstoffmeß- und Verteilstange 36 aufgenommen, um die Rate des in den Hochgeschwindigkeitsluftstrom gegebenen Brennstoffs zu variieren. Die Stange besitzt zwei in Abständen liegende schräge Schlitze 38 und 40 zum Verändern des Querschnitts der Brennstoffströmung durch die Öffnung 34, wenn die Stange hierzu bewegt wird, was noch erläutert werden wird.

Das Gemisch auf Luft und flüssigem Brennstoff strömt mit Schallgeschwindigkeit aus der Drosselzone 22 in die all-

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mählich abströmenden Zone 24-, wo die kinetische Energie der Hochgeschwindigkeitsluft und des Brennstoffs in statischen D_ruck umgewandelt wird» Diese Umwandlung ermöglicht das Halten der Schallgeschwindigkeit von Luft und Brennstoff durch die Drosselzone 22 über praktisch den ganzen Arbeitsbereich des Motors. Somit wird die Schallgeschwindigkeit in der Drosselzone auch bei sehr niedrigen Vakuumwerten am Verteiler erzielt.

Die Massenströmung der durch die Einrichtung 10 hindurch gehenden Luft wird primär von der Lage der beweglichen Platte 18 gegenüber der feststehenden Flatte 16 beherrscht. Die Bewegung der Platte 18 variiert den Querschnitt der Drosselzone. Unter Schallbedingungen wird diese Veränderung von einer gleichen Veränderung der Massenluftströmung begleitet, wenn die atmosphärischen Bedingungen konstant bleiben.

An der Außenseite der beweglichen Platte 18 ist eine durch eine Öffnung in der Endplatte 26 hindurchgehende S.ange 4-1 angebracht, die sich unter der Steuerung eines (nicht dargestellten) Drosselgestänges befindet. Der Querschnitt der Drosselzone wird durch Bewegen der Platte 18 in direktem Verhältnis zu den Betriebserfordernissen des verwendeten Motors verändert. Diese Erfordernisse treten auch beim Drosselgestänge auf, das wiederum die Stange 4-1 die Platte 18 bewegen läßt und die Drosselzone verändert. Da die Brennstoffmeß- und Verteilstange 36 sich mit der Platte 18 bewegt, befindet sie sich ebenfalls unter direkter Steuerung des Drosselgestänges. Die Beziehung zwischen der Meß— stange 36 und der BrennstoffÖffnung 34· ist so, daß die Vergrößerungen der Drossel von proportionalen Änderungen des

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freien Querschnitts zwischen der geschlitzten Stange und der Brennstofföffnung begleitet werden, üomit wird unter Bedingungen von Schallgeschwindigkeit und konstanter Atmosphäre bei Veränderung der Drosselzone diese Veränderung durch direkt proportionale Veränderung des in den Hochgeschwindigkeitsluftstrom gegebenen Brennstoffs erreicht. Das Verhältnis von Luft zu Brennstoff des erzeugenen Gemisches bleibt konstant, obwohl sich die Erfordernisse des Motors ändern.

Es ist von Bedeutung, daß die Innenwände der Hatten 16 und 18 mindestens von der Drosselzone 22 bis etwas über die Erhebung der Brennstofföffnung 34 zueinander parallel verlaufen. Bei einer solchen Beziehung bleibt das Verhältnis des querschnitts an der Brennstofföffnung JA- zur Drosselzonenfläche konstant, änderungen der Drosselzone werden von linear bezogene Änderungen in der Fläche der Lufteintrittszone 20 an der Brennstofföffnung 3^· begleitet. Bei einem solchen konstanten Verhältnis besitzt der Druck am Einführungspunkt des Brennstoffs in die Lufteintrittszone 20 eine voraussagbare Beziehung zum Druck an der Drossel. Wie bereits erläutert, beträgt unter Schallgeschwindigkeiten der Druck an der Drossel 20 stets etwa 53% des atmosphärischen Drucks. Da das Verhältnis der Fläche am Punkt der Brennstoffeinführung zur Fläche an der Drosselzone 22 konstant bleibt, ist der Druck am Brennstoffeinführungspunkt 3^ in der Lufteintrittszone 20 stets derselbe Prozentsatz des atmosphärischen Drucks. Änderungen des atmosphärischen Drucks werden somit automatisch im Druck an der Brennstoffeinführstelle 34 reflektiert.

Es ist erwünscht, am Brennstoffeinführpunkt ein Vakuum von etwa 25 mm Hg zu erzeugen und der Punkt der Brennstoffein-

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führung befindet sich, deshalb von der Drossel entfernt an einer Stelle in der Lufteintrittszone, wo während der Schallgeschwindigkeitsströmung etwa 25 mmllg Vakuum besteht. Ohne ein konstantes Flächenverhältnis zwischen der Drossel und dem Brennst off einfiihrungspunkt würde das Vakuumsignal am Brennstoffpunkt nicht direkt mit der Drosselöffnung variieren und die einzige Stelle von nicht veränderendem Vakuum würde sich an der Drossel befinden. Eine Schwierigkeit der genauen örtlichen .anordnung der Drossel könnte an dieser Stelle ein sich veränderndes Signal ergeben.

Die Brennstoffmeß- und Verteilstange 36 dient zum Einführen und Verteilen gegebener Lengen von flüssigem Brennstoff in den sich rasch bewegenden Luftstrom, der durch die flüssigkeitsströmungseinrichtung 10 hindurchgeht. </ie erwähnt, gleitet die Stange in der Brennst off öffnung 34- und verläuft quer zur Bahn der Luftströmung. Die beiden voneinander entfernt angeordneten schrägen Schlitze 38 und 40 ergeben Kanäle, in denen der Flüssige Brennstoff fließt, wenn Brennstoff in den Luftstrom eingeführt wird. Vorzugsweise sind die schrägen Schlitze 38 und 4-0 um etwa 120° voneinander versetzt, wie es Jj'igur 6 zeigt. Es können aber auch .abstände zwischen 90 und 120° benutzt werden. Die Breite jedes Schlitzes beträgt etwa 0,75 und die Spitze eines jeden Schlitzes ist so beschaffen, daß richtige Mengen von flüssigem Brennstoff in den Luftstrom eingeführt werden, wenn sich dessen Masse verändert. In dieser Hinsicht gleitet die Stange gegenüber der Brennstofföffnung zwischen einer Leerlaufstellung und einer weit offenen Drosselstellung. Die Tiefe eines jeden Schlitzes

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an der Brennstofföffnung liegt zwischen 0,025 und 0,25 mm an der Leerlaufstelle und 0,22 bis 2,5 mm an der weit offenen Drosselstellung. Schließlich besitzt die Spange einen kreisrunden Querschnitt, dessen Durchmesser zwischen 3 und 9 mm, vorzugsweise bei 6 mm liegt. Die schrägverlaufenden Schlitze 38 und 40 befinden sich in der vorderen Hälfte der Stange 36 und dienen zum Verteilen des Brennstoffs entlang der Stange, wo er durch den raschen Luftstrom abgestreift wird. Weitere abgeschrägte Schlitze 42 und 44 können sich in der hinteren Hälfte der Stange 36 befinden, wie es Figur 4 zeigt. Die Schlitze 38 und 40 sind in derselben Richtung wie die Schlitze 38 und 40 angeschrägt, verlaufen aber nur etwa die halbe Strecke an der Stange entlang. Die Schlitze und 44 ermöglichen das Einführen zusätzlichen flüssigen Brennstoffs in den Luftstrom in der weit offenen Drosselstellung der Stange und diese Drosselstellungen, die fast ganz offen sind. Diese zusätzliche Brennstoffeinführung ergibt ein Luft-Brennstoffgemisch für höhere Leistung.

Die Figuren 8 und 9 zeigen eine andere Meß- und Verteilstange 46, die zum Einführen und Verteilen gegebener Mengen flüssigen Brennstoffs in den sich rasch bewegenden Luftstrom dient. Sie besitzt vier verteilt angeordnete Schlitze 48 in deren vorderen Hälften und jeder Schlitz ist vom benachbarten um etwa 40° versetzt, wie es Figur 9 zeigt. Die Breite der Schlitze 48 der Stange 46 ist etwas geringer als die der Schlitze der Stange Auch kann die Schrägung bei den Schlitzen 48 allmählich verlaufen. Andererseits arbeitet die Brennstoffmeß- und Verteilstange 46 in derselben Weise wie die Brennstoffstange 36. Darüber hinaus können zusätzliche Schlitze

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in der hinteren Hälfte der Stange vorgesehen sein.

Im Betrieb wird der Druck im Hochgeschwindigkeitsluftstrom durch den Durchgang der Einrichtung 10 an der Brennstofföffnung festgestellt, wo er eine voraussagbare Beziehung zum Atmosphärendruck trägt. Die Geschwindigkeit des in den Luftstrom gegebenen Brennstoffs ist entsprechend den Änderungen des festgestellten Luftdrucks eingestellt, so daß das Luft-Brennstoffverhältnis des Gemische aus Luft und flüssigem Brennstoff praktisch konstant gehalten wird. Die Einstellung der Geschwindigkeit des Brennstoffs in den Luftstrom erfolgt durch Verändern des Druckdifferentials am Ventil, das die Meß- und Verteilstange 36 und die Brennstoff öffnung 34- enthält. Aus den gegebenen Gründen ändert sich der Luftstromdruck an der Brennstofföffnung 34- proportional den Atmosphärendruckschwankungen und die Druckänderung an der Brennstofföffnung ergibt eine Änderung des Druckdifferentials am Ventil. Die Rate des in den Luftstrom gegebenen Brennstoffs wird dadurch in direktem Verhältnis zu Änderungen des Atmosphärendrucks eingestellt.

Während der verhältnismäßig kurzen Unterschaliges hwindigkeit des Betriebes, wenn die Verteilervakuumwerte ganz niedrig sind, wirkt die Strömungseinrichtung als Meßventuri zum Einführen sich ändernder Mengen flüssigen Brennstoffs in den Luftstrom mit sich ändernder Geschwindigkeit. Wegen der Umwandlung der Energie von Luft und Brennstoff hoher Geschwindigkeit in statischen Druck im Diffuser wird die schallschnelle Luftströmung in der Drosselzone 22 genau über etwa den ganzen Arbeitsbereich des Motors gehalten.

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Bei sehr niedrigen Verteilervakuumwerten von beispielsweise unter 75 J™ Hg Vakuum kann die Luftströmung in der Drosselzone 22 unter Schallgeschwindigkeit fallen und die verringerte Geschwindigkeit saugt v/eniger Brennstoff in den Durchgang, während die der Unterschallgeschwindigkeit variiert das Vakuumsignal an der Brennstofföffnung im quadrat zur Luftgeschwindigkeit.

Zusammenfassung

Ein brennbares Gemisch aus Luft und flüssigem Brennstoff, das ein praktisch konstantes Luft-Brennstoffverhältnis besitzt, wird zum Abgeben an den Eingangsverteiler eines Motors erzeugte Die Luft geht durch eine Strömungseinrichtung hindurch, die eine veränderbare Drosselzonenfläche besitzt, um die Geschwindigkeit der Luft auf Schallgeschwindigkeit zu erhöhen. Diese Fläche wird zusammen mit den Betrxebserfordernissen für den Motor verändert, für den die Mischung hergestellt wird. Der flüssige Brennstoff wird aus einer Quelle abgemessen und in den Luftstrom bei oder vor der Drosselzone direkt proportional zum Querschnitt der Drosselzonenfläche verteilt, tfegen der jeweiligen Konstruktion der Strömungseinrichtung geht Luft mit Schallgeschwindigkeit durch die Drosselzone über praktisch den ganzen Arbeitsbereich des Motors hinab bis zu niedrigen Verteilervakuumwerten· Eine Brennstoffregeleinrichtung in der Form einer Stange mißt und verteilt den flüssigen Brennstoff in den Luftstrom. Die Stange besitzt verteilt angeordnete schräge Schlitze und der Brennstoff strömt entlang dieses Schlitzes und wird von dem sich rasch bewegenden Luftstrom abgestreift.

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Claims

Patentansprüche

Brennstoffstange zum Einführen und Verteilen gegebener Mengen flüssigen Brennstoffs in einen sich rasch bewegenden Luftstrom, gekennzeichnet durch eine Brennstoffabgabeeinrichtung (10) mit einer Brennstofföffnung (34), die quer zur Luftströmung abgeordnet ist, einer in der Brennstofföffnung aufgenommenen Stange, die quer zur Luftströmung verläuft, mindestens zwei in Abstand voneinander liegender abgeschrägter Schlitze (38,40) in der Stange zum Variieren des Querschnitts der Brennstoffströmung durch die öffnung bei gegenüber dieser bewegten Stange (36), wobei Jeder abgeschrägte Schlitz (38) einen abnehmenden Querschnitt nach außen weg von der Öffnung besitzt und entlang der Stange verläuft, um den Brennstoff entlang der Stange zu verteilen, wo er von

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BORO MÖNCHEN: ST. ANNASTR. 11 8000 MÖNCHEN 22 TEL: OMm3144

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ORIGINAL INSPECTED

sich, schnell bewegenden Luftstrom in der vorderen Hälfte der Stange (36) abgestreift wird.
2. Stange nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schlitz (38, 40) etwa 0,75 mm beträgt.
3. Stange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (36) einen runden querschnitt und einen Durchmesser aufweist, der zwischen 3 und 9 um liegt«
4. Stange nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Spange (36) 9 mm beträgt.
5· Stange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (36, 41) gegenüber der Brennstoff öffnung (34-) zwischen einer Leerlauf stellung und einer ganz offenen Drosselstellung gleitet, und daß die Tiefe jedes S_chlitzes (38, 4-0) an der Brennstoff öffnung zwischen 0,025 und 0,25 mm in der Leerlaufstellung und zwischen 2,2 und 2,5 mm in der ganz offenen Drosselstellung liegt.
6. Stange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei weitere von einander getrennt liegende Schlitze (42,44) sich in der Stange in deren hinteren Hälfte (46) befinden.
7. Stange nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren zwei schrägen Schlitze (42,44) sich in der vorderen Hälfte der Spange befinden.
8. Stange nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß

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die Stange einen runden querschnitt und einen Durchmesser auf v/eist, der zwischen 3 und 9 nun liegt.
9. Stange nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser 6 mm beträgt.
10. Stange nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (3&> 4-1) gegenüber der Brennst off Öffnung (3^-) zwischen einer Leerlauf stellung und einer ganz weiten Drosselstellung liegt und daß die Tiefe der Schlitze zwischen 0,025 und 0,25 mm in der Leerlaufstellung und zwischen 2,2 und 2,5 mm in der Stellung der ganz offenen Drossel liegt.

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