Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE 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-
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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
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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.
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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
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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.
