Untersuchungen über die Möglichkeit, ultraschallvernebelte Kraftstoffe zum Betrieb von Kraftfahrzeugmotoren einzusetzen PDF
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WEBrFALEN Nr. 2H42/Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben vom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. Reimar Pohlman t Dr. -Ing. Joachim Herbertz Gesamthochschule Duisburg Fachbereich 9 F achgebiet Ultraschalltechnik Untersuchungen tiber die Moglichkeit, ultraschallvernebelte Kraftstoffe zum Betrieb von Kraftfahrzeugmotoren einzusetzen Westdeutscher Verlag 1979 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Pohlman, Reimar: Untersuchungen liber die Moglichkeit, ultraschall vernebelte Kraftstoffe zum Betrieb von Kraftfahr zeugmotoren einzusetzen / Reimar Pohlman ; Joachim lIerbertz. - Opladen : Westdeutscher Ver lag, 1979. (forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 2842 : fachgruppe Maschinen bau, VerfWlrenstechnik) ISBN 3-531-02842-2 NE: Herbertz, Joachim: o 1979 by Westdeutscher Verlag GmbH, Oplaclen Gesamtherstellung: Westcleutscher Verlag ISBN 978-3-531-02842-2 ISBN 978-3-322-88439-8 (eBook) DOl 10.1007/978-3-322-88439-8 Inhalt 1. Einleitung und Problemstellung 1 2. Die Versuchseinrichtung 3 2.1 Die FlieBbank 3 2.2 Die MeBtechnik 3 3. Vernebelungsanordnungen 6 3.1 Allgemeines 6 3.2 Die koaxiale Vernebelungsanordnung 7 3.3 Die Vernebelungsanordnung mit Nebenkammer 9 4. Die Vernebelungsschwinger 11 4 .1 Allgemeine Anforderungen 11 4.2 KraftstoffzufUhrung und Vernebelungsfl§che 11 4.3 Verbundschwinger 14 4.4 Schwinger mit Schraubenvorspannung 17 4.5 Die Berechnung des Resonators 19 5. Die Generatoren 24 5.1 Allgemeine Anforderungen 24 5.2 Die. Erzeugung selbsterregter Schwingungen 25 5.3 Generatorschaltungen 27 6. Ergebnisse der Vernebelungsversuche 31 7. Zusammenfassung 33 B. Literatur 34 9. B11danhang 36 1 1. Elnleitung und Problemstellung FUr das Abqasverhalten von Otto-Motoren spielt neb en den motorabhlngigen Daten und dem ZUndzeitpunkt die Bildung und Verteilung des Kraftstoff-Luftgemisches eine wichtige Rolle [1]. Neben relativ aufwendigen Kraftstoff-Einspritzanlagen hat sieh bis heute der Kraftstoffvergaser als Dosier- und Mischger!t technisch und vor allem preislich behaupten k6nnen. Allerdings haften auch modernen Vergaserbaufor men einige Schw!chen an, die Ursache fUr schlechte Kraft stoffnutzung und ungUnstiges Emissionsverhalten bei be stimmten Betriebszust!nden des Motors sein k6nnen. Als wichtigster Problembereieh ist der Kaltstart bzw. der Teil lastbereieh zu nennen, in dem nicht nur im Hinblick auf Er fordernisse des Motors eine erh6hte Kraftstoffmenge dosiert werden muS, sondern wegen zu geringer Qualit!t der Gemisch aufbereitung zus!tzlicher Kraftstoff bemessen werden muE, der als Wandniederschlag im Saugrohr den Verbrennungsraum erreicht [2]. Wegen der Bildung von Kraftstoff-Wandniederschlag im Saug rohr ist das effektive Luft- zu Kraftstoffverh!ltnis im Verbrennungsraum keineswegs gleich dero vom Vergaser do sierten Luftverh!ltnis A [3]. Es liegt nahe, durch zus!tzliche Vernebelung von Kraft stoff den von der Luft mitgeschleppten Kraftstoffanteil zu vergr6Bern oder zurnindest die Verdampfung von Kraftstoff zu f6rdern, urn so bei geringerer Kraftstoffdosierung Ge mische mit den erforderlichen oder sogar verbesserten Ver brennungseigenschaften zu erzi&len. Die auf dieser Grund lage denkbaren Verbesserungen der Werte fUr Kraftstoffver brauch bzw. Emissionsverhalten k6nnen natUrlich nur erreicht werden, wenn gleichzeitig motorspezifische Knderungen des Dosierkennfeldes des Vergasers und des ZUndzeitpunktes vor genommen werden. 2 Zur L6sung der Aufgabenstellung, ein fUr den Betrieb im Saugrohr geeignetes und aueh kostenm~Big vertretbares Kraftstoff-Vernebelungssystem zu entwiekeln, bietet sieh die Ultrasehall-Vernebelung aus mehreren GrUnden an: 1. Zur Ultrasehallvernebelung von FIUssigkeiten werden keine zus~tzliehen Gasstr6me ben6tigt, so daB das Misehungsverhaltnis des vom Vergaser dosierten Kraftstoff-Luftgemisehes nicht beeinfluBt wird. 2. Da weder ein hoher F6rderdruek noeh eine feine DUse ben6tigt wird, k6nnen sieh keine Versehmutzungspro bleme ergeben. 3. Dureh geeignete Wahl der Ultrasehall-Frequenz laBt sieh weitgehend unabhangig von den dosierten Kraft stoffmengen ein bestimmter Tr6pfehendurchmesser er zielen, so daB eine hinreiehende Qualitat der Ver nebelung naeh allen in frage kommenden DurehfluB mengen gewahrleistet ist [4]. Als wiehtigster Gesichtspunkt zur Beurteilung der in der vorliegenden Arbeit untersuehten M6gliehkeiten, Kraft stoffe mit Hilfe von Ultraschall zu vernebeln, kommt nach den obigen AusfUhrungen in erster Linie die Reduzierung des Wandniedersehlages im Teillastbereich in Betracht. DarUber hinaus muB eine Ultraschall-Vernebelungseinrichtung bestimmten Kompatibilitatsanforderungen genUgen, z.B. darf ein Ausfall nieht zu St6rungen des Motorbetriebes fUhren k6nnen. SchlieBlieh mUssen die teehnisehen Daten, insbesondere hin sichtlieh Eir~aumaBen und Leistungsbedarf, den Bedingungen im Kraftfahrzeug genUgen. Wie die vorliegende Arbeit im folgenden zeigt, ergab sieh aus dieser Aufgabenstellung eine FUlIe von Einzelproblemen, deren L6sung zu dem gewonnenen Ergebnis beitrug. 3 2. Die Versuchseinrichtunq 2.1 Die Flie8bank Weqen der Abh!nqiqkeit des Verbrauchs- und Emissionsver haltens von Otto-Motoren von vielen Parametern, wie z.B. ZUndzeitpunkt, Betriebstemperatur, dosiertem und effekti vem Luft- zu Kraftstoff-Verh!ltnis, ist eine direkte Be urteilung eines Kraftstoff-Vernebelungssystems aufqrund der damit erzielten Ver!nderunqen von Verbrauch und Ab qasen nicht ohne wei teres moglich. Wie schon in der Ein leitunq erl!utert wurde, muB zur Beurteilunq in erster Linie die Reduzierunq des Wandniederschlaqes als Indikator fUr die Leistunq eines Vernebelunqssystems heranqezoqen werden. Da zuverl~ssiqe Messunqen von Wandniederschlaqs menqen bei laufenden Motoren nicht ohne erhebliche Beein tr!chtiqunq des Betriebes moqlich sind, wurde eine FlieB bank aufgebaut, in der die benotigten MeBwerte qewonnen werden konnten. In der FlieBbank wird anstelle der Sauqleistunq des Otto Motors die verqleichbare, allerdinqs kontinuierliche Sauq leistung einer leistunqsf!higen Wasserrinqpumpe einqesetzt. Sie wurde in ihrer Auslequng ~nlich wie industrielle FlieB b!nke aufgebaut, mit deren Hilfe Serienverqaser auf einzu haltende DurchfluBwerte justiert werden. Die in Abb. 1 rechts sichtbaren zwei Drosselklappen ermog lichen die Einstellunq aller interessierenden Teillast Betriebszust!nde fUr die untersuchten Verqaser unter qleich zeitiqer Einhaltunq des fUr den einwandfreien Betrieb der Wasserringpumpe erforderlichen Luftdurchsatzes. 2.2 Die MeBtechnik W!hrend der FlieBversuche wurden die Unterdrucke im Sauq rohr an verschiedenen Stellen mit Zeiqer- bzw. Quecksilber- 4 manometer angezeigt. Die Messung des Kraftstoffdurchflusses erfolgte durch ein Schwebek6rper-MeBrohr bzw. durch Er fassung der FUllstandsAnderungen des Kraftstoffvorratbe hAlters. Die Anzeigen dieser MeBgr6Ben sind in Abb. 1 links sichtbar. Als KernstUck der MeBeinrichtungen wurde ein Wand niederschlagsme8gerAt entwickelt, das im kontinuierliehen Saugbetrieb die Messung der Niederschlagsrate und ihrer OrtsabhAngigkeit im Saugrohr erm6glicht. Wie Abb. 2 in einem Sehnittbild zeigt, ist das als Saugrohr dienende Innenrohr in einzelne Sektionen unterteilt, zwischen denen sieh jeweils ein konischer Ringspalt befindet. Die Sektionen werden dureh O-Ringe und Justierschrauben in einem Au8eren StUtzrohr justiert und gegenseitig luftdieht ge trennt, so da8 jeder einzelne Ringspalt Zugang zu jeweils einer geschlossenen Kammer ist. Hierdurch wird erreicht, daB der auf eine Sektion entfallende Wandniedersehlag in FlieB richtung zum n!ehsten Ringspalt getrieben wird und dort die Kammer fUllen kann, wAhre~d gleichzeitig keine Luftstr6mung in die Kammer abgezweigt wird, die zu einer VerAnderung der Str6mungsverhAltnisse im Saugrohr fUhren wUrde. In Vorversuchen war ermittelt worden, da8 im 45 mm-Saugrohr fUr den auf ein Segment von 35 mm LAnge entfallenden Wand niedersehlag bei einer axialen Spaltweite von 8 mm in den interessierenden BetriebszustAnden kein Oberspringen des Spalts auftrat. Durch den Aufbau des WandniederschlagmeB gerAtes aus Plexiglas konnten die Str6mungserscheinungen im Saugrohr darUberhinaus visuell Uberwaeht werden. Zur quantitativen Erfassung der in die einzelnen Kammern flie8enden Wandniederschlagsmengen ist mit jeder Kammer jeweils ein geschlossener MeBzylinder luftdicht verbunden. Aus dam Verlauf des FUllstandes der einzelnen Zylinder in AbhAngigkeit von der Versuehszeit ergeben sich die Nieder schlagsanteile der einzelnen Sektionen des MeBrohres. WAh rend in der ursprUnglichen AusfUhrung die unten ge schlossenen Me8zylinder mit dem StUtzrohr verschraubt 5 waren und nach jedem Einzelversuch zur Entleerung abge schraubt und wieder luftdlcht verschraubt werden muSten, wurden in einer verbesserten AusfUhrung unten offene MeS rohre mit Schlauchfortsatz und Schlauchklemme verwendet, die durch nffnen der Schlauchklemme elnfach entleert werden konnten. Durch gleichzeitlge photographische Erfassung aller MeS werte und ZylinderfUllst~nde zu verschiedenen Zeitpunkten w~hrend des Versuchsablaufes konnten alle MeSe~gebnlsse. mit der notwendlgen Genauigkelt erfaSt werden. Hierzu ge h6rt schlieBlich auch der Drosselklappenwinkel des Ver gasers, der neben dem Saugrohr-Unterdruck den Betriebs zustand des Gesamtsystems eindeutig definiert. Die im Abstand von 60 sec. aufgenommenen Abbildungen 3 und 4 zeigen exemplarisch den Ablauf eines Einzelversuchs, fUr den die zwischenzeitlichen Xnderungen der FUllh6he der einzelnen Me.Brohre des WandniederschlagmeBger~tes und die FUllstands!nderung des Kraftstoff-Vorratbeh~lters sichtbar sind. Aus derartigen Aufnahmen kann die Bestlmmung des Kraftstoffdurchsatzes sowie des absoluten bzw. relatlven Wandniederschlages aus den Differenzh6hen der kalibrierten MeBrohre ~d des Vorratsbeh~lters mit groBer Genauigkeit erfolgen. 6 3. Vernebelungsanordnungen 3.1 Allgemeines Die vorliegenden Untersuchungen zum Kraftstoffvernebeln mit Ultraschall gehen von der Vorstellung aus, zusMtzlich zum konventionellen Vergaser ein Ultraschall-VernebelungsgerMt im Saugrohr des Motors anzuordnen, wobei die Dosierung des K~aftstoffes ausschlieBlich im Vergaser erfolgt und dem VernebelungsgerMt ein je nach Betriebszustand des Gesamt systems mehr oder weniger groBer Anteil des dosierten Treibstoffes zugefUhrt wird. FUr die Vernebelung mit Hilfe von Ultraschall kommen sowohl relativ groBflMchige piezoelektrische Dickenschwinger als auch stabfBrmige Longitudinal-Resonatoren in Betracht. Vorversuche mit Quarzresonatoren bei 800 kHz ergaben zwar in ruhender Luft Tropfchennebel mit TrBpfchendurchmessern von ca. 5 ~m bei KraftstoffdurchsMtzen bis zu 2 kg/h, zeigten jedoch einen vBlligen Zusammenbruch von Nebel qualitMt und Vernebelungsleistung schon bei geringen StrBmungsgeschwindigkeiten der Luft, die weit unterhalb der in Saugrohren auftretenden Werte liegen. Die BeeintrMchtigung der Ultraschall-Vernebelung durch LuftstrBmung an der vernebelnden OberflMche ist bei allen ultraschall-Frequenzen zu beobachten und kann nur durch entsprechende VergroBerung der Ultraschall-Amplitude hin sichtlich der Vernebelungsleistung kompensiert werden. Dabei muB in jedem Falle eine VergrBBerung des mittleren TrBpfchendurchmessers durch Koagulation und ein entsprechend vergroBerter elektrischer Leistungsbedarf in Kauf genommen werden. Da die fUr den Saugrohrbetrieb erforderliche Steigerung der Schwingungsamplitude bei Quarzresonatoren im 1 MHz-Bereich aus DauerfestigkeitsgrUnden nicht moglich ist, und da 7 MaBnahmen zur Abschirmung von Luftstr6mungen gleichzeitig in erheblichem Umfange zur Koagulation und Niederschlagung des erzeugten Nebels beitrugen, erwies sich diese Art der Vernebelung als fUr den vorgesehenen Einsatz wenig geeig net. Die vorliegenden Untersuchungen befassen sich deshalb mit der Vernebelung mit Hilfe von stabf6rmigen Longitudinal Resonatoren. Bei diesen Resonatoren sind die Abmessungen der vernebelnden F1Xche klein im VerhAltnis zur Wellenlange der Ultraschallschwingung, so daB die Forderung nach einem bestimmten Mindestdurchsatz nur erfUllt werden kann, wenn die Frequenz des Resonators eine bestimmte Obergrenze nicht Uberschreitet. 1m Hinblick auf Vernebelungsleistungen in der Gr6Benordnung von 10 kg/h bei den erh6hten Anforderungen durch die Str6mung im Saugrohr wurden die Longitudinal-Resonatoren fUr den 40 kHz-Bereich ~ntwickelt und erprobt. Obwohl 1m Vergleich zu diesem Frequenzbereich z.B. bei einer Frequenz von 100 kHz Tr6pfchen von etwa dem halben Durchmesser erzeugt werden k6nnen, zeigte sich im Laufe der vorliegenden Unter suchungen, daB die obigen Leistungsanforderungen oberhalb des 40 kHz~Bereiches zunehmend weniger erfUllt werden k6nnen. 3.2 Die koaxiale Vernebelungsanordnung FUr die Vernebelung bei 40 kHz zeigt Abb. 5 von der Saugrohr seite her die erste Versuchsanordnung. Sie wird zwischen Ver gaser und Saugrohr eingeflanscht betrieben. Ein besonderer Vorteil dieser koaxialen Vernebelungsanord nung ist darin zu sehen, daB am zentralen Ultraschall Schwinger wegen der Symmetrie des Aufbaues eine minimale BeeintrAchtigung des Vernebelungsvorganges durch Str6mungs wirkungen auf tritt, wah rend gleichzeitig der erzeugte Kraft stoffnebel zentral in den Luftstrom eingebracht wird.
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