[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vernebeln oder Versprayen oder Einspritzen
von Flüssigkeit in einen Betriebsraum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
[0002] Es sind beispielsweise Einspritzvorrichtungen in Verbrennungskraftmaschinen bereits
seit langer Zeit bekannt. So wird in der Druckschrift
DE 939 670 eine Einspritzvorrichtung beschrieben, bei der in einer Einspritzdüse zwei oder mehrere
Strahlen erzeugt werden, die sich im Verbrennungsraum kreuzen bzw. zusammenprallen.
Der Sinn dieser Anordnung liegt darin, dass die mit hoher Geschwindigkeit austretenden
Brennstoffstrahl im Verbrennungsraum aufeinanderprallen, wodurch eine äußerst innige
Zerstäubung des Brennstoffs und somit vergleichsweise kleine Brennstofftröpfchen realisiert
werden.
[0003] Aus der
DE 10 146 642 A1 ist ein Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum bekannt, wobei
mit zwei oder mehreren Flüssigkeitsstrahlen ein rotierender Nebel erzeugt wird. Rotierende
Nebel sind jedoch nicht kontrollierbar und breiten sich großvolumig im Brennraum aus,
so dass sich Brennstoff an den Wänden niederschlägt. Ein derartiger Niederschlag,
der aufgrund der unkontrollierten Verwirbelung nicht zu verhindern ist, führt jedoch
zu einer nachteiligen bzw. ungenügenden Verbrennung. Aufgrund zunehmender gesetzlicher
Vorschriften bezüglich der Abgasqualität ist ein rotierender, nicht kontrollierbarer
Flüssigkeitsnebel zwischenzeitlich bei Verbrennungsmotoren in der Praxis nicht mehr
akzeptabel.
[0004] Dagegen wird in der gattungsgemäßen Druckschrift
EP 2 390 491 A1 der Anmelderin oder in der
DE 4 407 360 A1 eine entsprechende Vorrichtung bzw. Einspritzdüse offenbart, wobei ein Fächerstrahl
erzeugt wird, dessen Ausdehnung in einer Fächerebene deutlich größer ist als in Querrichtung
zu dieser Fächerebene. Das heißt, dass ein sehr flacher, jedoch breit streuender Fächerstrahl
erzeugt wird, dessen Ausdehnung definiert bzw. kontrolliert ist. Durch die flache
Fächerstrahlerzeugung kann eine definierte und kontrollierte Verbrennung im Brennraum
einer Verbrennungskraftmaschine erzeugt werden, was für die Verbrennung und somit
für die Abgaszusammensetzung von entscheidender Bedeutung ist.
[0005] Darüber hinaus ist der
DE 4 407 360 A1 zu entnehmen, dass ein flacher Fächerstrahl im Brennraum gedreht werden kann, sodass
sich die eingespritzte Kraftstoffmenge im Zylindervolumen auf die vorhandene Luftmenge
verteilen kann. Zwar ist durch das Verdrehen des flachen Fächerstrahls eine verbesserte
Verteilung des Kraftstoffs möglich, hierbei wird jedoch eine entsprechende Zeit und
auch ein vergleichsweise großer konstruktiver Aufwand benötigt. Für einen optimalen
Motorbetrieb bzw. eine optimale Verbrennung ist jedoch eine kurze und vollständige
Verbrennung von Vorteil, um den dadurch bedingten Druckanstieg möglichst effizient
nutzen zu können.
[0006] Zudem ist eine derartige Verdrehung der Einspitzdüse anfällig für Störungen, was
die Betriebssicherheit des Motors entsprechend verringert.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
[0007] Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zum Vernebeln oder Versprayen
oder Einspritzen von Flüssigkeit in einen Betriebsraum vorzuschlagen, die die Nachteile
des Standes der Technik wenigstens teilweise beseitigt.
[0008] Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der einleitend genannten Art, mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind
vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
[0009] Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass
in der Prallzone ein Versatz zwischen Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen vorgesehen
ist.
[0010] Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, dass durch den Versatz zwischen
den Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen bei einem flachen Fächerstrahl die Orientierung
der Fächerebene einstellbar ist. Das heißt, dass der Versatz zwischen den Mittelachsen
der Flüssigkeitsstrahlen eine Verdrehung der Fächerebene einstellt bzw. definiert.
Hierdurch ist eine aufwendig drehbare Düse, wie dies die Druckschrift
DE 4 07 60 1 offenbart, entbehrlich. Demzufolge wird sowohl der konstruktive als auch der wirtschaftliche
Aufwand zur Realisierung einer definierten Verdrehung eines flachen Fächerstrahls
gemäß der Erfindung wesentlich verbessert.
[0011] So kann gemäß der Erfindung die Ausrichtung bzw. die Orientierung der Fächerebene
je nach Anwendungsfall exakt eingestellt und vorgegeben werden.
[0012] Vorzugsweise weist ein Querschnitt des Fächerstrahls in Fächerebene im Wesentlichen
die Form eines Dreiecks bzw. Kreisausschnittes auf. Die Dicke bzw. Höhe des Fächerstrahls
quer zur Fächerebene bzw. quer zur Fläche des Kreisausschnittes ist höchstens halb
so groß wie die Breite des Kreisausschnittes. Beispielsweise ist die Breite des Fächerstrahls
in der Fächerebene bzw. ist die Breite des Kreisausschnittes um das ca. 5-fache oder
10-fache bis 100-fache größer als die quer gerichtete Ausdehnung bzw. Höhe des Fächerstrahls
quer zur Kreisausachnittsfläche bzw. Fächerebene.
[0013] Mit einem derartigen vorteilhaften sehr flachen Fächerstrahl, der gemäß der Erfindung
in vorteilhafter Weise exakt ausgerichtet bzw. verdreht ist in Bezug zu einem Fächerstrahl,
bei dem kein Versatz der Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen vorgesehen ist, dass
heißt in Bezug zu einem Fächerstrahl mit sich in der Prallzone schneidenden Mittelachsen
der Flüssigkeitsstrahlen, kann eine definierte Zerstäubung bzw. Vernebelung erreicht
und somit u.a. eine vorteilhafte Verbrennung von Kraftstoff in einem Verbrennungsmotor
erreicht werden. Dementsprechend können gemäß der Erfindung sehr hohe Anforderungen
an die Abgasqualität und an die Kraftstoffeinsparung bzw. Effizienz erfüllt werden.
[0014] Der erfindungsgemäße Versatz in der Prallzone kann beispielsweise dadurch realisiert
werden, dass die konisch zueinander ausgerichteten Strahlkanäle der Mehrfachstrahldüse
nicht auf einer gemeinsamen Ebene, sondern zu dieser (gedachten) Ebene etwas spitzwinklig
zueinander angeordnet sind. Das bedeutet, dass eine erste Austrittsöffnung eines der
Strahlkanäle z.B. eine Ebene mit der Mittelachse des Strahlkanals (d.h. somit auch
mit der zweiten Austrittsöffnung) definiert, jedoch die Mittelachse des die erste
Austrittsöffnung umfassenden, ersten Strahlkanals winklig zu dieser Ebene ausgerichtet
ist. Dementsprechend ergibt sich durch die Beabstandung der Austrittsöffnungen zur
Prallzone ein erfindungsgemäßer Versatz, sodass eine gegenüber dem Zustand, bei dem
sich die Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen in der Prallzone schneiden würden,
eine definierte Verdrehung bzw. unterschiedliche Orientierung des Fächerstrahls und
somit der Fächerebene eingestellt wird. Hierbei kann durch eine Festlegung des spitzen
Winkels zwischer der Mittelachse des o.g. ersten Strahlkanals zu der durch die Mittelachse
des anderen bzw. o.g. zweiten Strahlkanals und der ersten Öffnung definierten (gedachten)
Ebene, die somit beide Mittelpunkte der Austrittsöffnungen beider Strahlkanäle umfasst,
die Verdrehung bzw. die Orientierung gemäß der Erfindung eingestellt bzw. festgelegt
werden.
[0015] In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weißt die Mehrfachstrahldüse Austrittsöffnungen
der Strahlkanäle auf, wobei zwischen den Austrittsöffnungen der Versatz vorgesehen
ist. Vorzugsweise sind die beiden Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen bzw. der Strahlkanäle
auf zwei im Wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet. So sind die beiden Ebenen in
vorteilhafter Weise mit einem Abstand voneinander beabstandet, der dem Versatz gemäß
der Erfindung entspricht.
[0016] Die bevorzugt auf im Wesentlichen parallelen Ebenen angeordneten Strahlkanäle können
in vorteilhafter Weise hergestellt werden. Beispielsweise wird ein Düsenkörper z.B.
mittels eines Laserstrahls oder dergleichen in vorteilhafter Weise durchbohrt. Der
erfindungsgemäße Versatz kann durch ein paralleles Verstellen des Düsenkörpers relativ
zum Bohrer bzw. Laserstrahl im Maß des Versatzes gemäß der Erfindung realisiert werden.
Das bedeutet, dass beispielsweise ein erster Strahlenkanal hergestellt wird und durch
eine Querverstellung/-bewegung des Düsenkörpers bzw. des Lasers oder dergleichen der
zweite Strahlkanal im Abstand zum ersten Strahlkanal hergestellt wird, so dass der
Abstand dem Versatz gemäß der Erfindung entspricht.
[0017] Gemäß der Erfindung ist ein Strahlkanal derart ausgebildet, dass dieser im Wesentlichen
einen runden Querschnitt und zum Beispiel einen Durchmesser von ca. 100 bis 300 Mikrometer,
vorzugsweise ca. 150 Mikrometer, beträgt. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige
kleine Dimensionierung des/der Strahlkanäle gerade für einen Einsatz in einem Injektor
einer Brennkraftmaschine von großem Vorteil ist.
[0018] Generell ist von Vorteil, den Versatz zwischen den Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen
größer als Null und vorzugsweise größer als im Wesentlichen 5% oder 10% eines der
Kanaldurchmesser vorzusehen bzw. zu realisieren. Dies ist nicht nur fertigungstechnisch
umsetzbar, sondern es wird hierdurch auch eine gegenüber dem nicht-versetzten bzw.
nichtverdrehten Zustand eine relevante Verdrehung bzw. Änderung generiert. Es hat
sich gezeigt, dass kleinere Ungenauigkeiten, z.B. aufgrund ggf. begrenzter fertigungstechnischer
Möglichkeiten, zu keiner nennenswerten Beeinträchtigung bzgl. der gewünschten Orientierung
des flachen Fächerstrahls und/oder bzgl. der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor
führen.
[0019] In einer vorteilhaften Variante der Erfindung entspricht der Versatz zwischen den
Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen im Wesentlichen bis zu einem Kanaldurchmesser
bzw. im Wesentlichen bis zum doppelten Radius der oder eines der Strahlkanäle der
Mehrfachstrahldüse, durch die/den der jeweilige Flüssigkeitsstrahl geführt ist. Es
hat sich gezeigt, dass mit einer derartigen Ausführung bzw. Überdeckung der aufeinander
prallenden Flüssigkeitsstrahlen in vorteilhafter Weise eine Impulsübertragung generiert
wird, sodass die Fächerebene des flachen Fächerstrahls gemäß der Erfindung ausgerichtet
werden kann. Hierbei wird gerade durch den Impuls bzw. die Energie der Anteile der
aufeinanderprallenden Flüssigkeitsstrahlen eine vorteilhafte, kleine Tröpfchengröße
innerhalb des Fächerstrahls generiert, was sich vorteilhaft für die Verneblung bzw.
das Einspritzen von Flüssigkeit z.B. in den Brennraum einer Brennkraftmaschine auswirkt.
[0020] Grundsätzlich können gemäß der Erfindung Tröpfchengrößen von wenigen Mikrometer z.B.
kleiner als 10 oder ca. 7 Mikrometer große Tröpfchen generiert werden. Dies wirkt
sich vorteilhaft für die Verbrennung und/oder für eine (rasche) Verdampfung der Flüssigkeit
im Betriebsraum auf.
[0021] Gemäß einer ersten, vorteilhaften Variante der Erfindung ist ein Winkel der Orientierung
der Fächerebene im Vergleich zu einer Orientierung bei einem Schneiden der Mittelachsen
der Flüssigkeitsstrahlen durch eine Dimensionierung des Versatzes derart eingestellt,
dass im Wesentlichen A = X/D * 90° ist, wobei A der Winkel der Orientierung der Fächerebene
ist und X der Versatz der Mittelachsen und D ein Kanaldurchmesser ist. In einer alternativen
bzw. zweiten, vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Winkel A derart eingestellt,
dass im Wesentlichen A = 88° * X/D - 2,35° ist, wobei X der Versatz der Mittelachsen
und D ein Kanaldurchmesser sowie X größer Null ist.
[0022] Es hat sich in ersten aufwendigen Versuchen gezeigt, dass der Zusammenhang zwischen
dem Winkel A, dass heißt einer Verdrehung des Fächerstrahls gegenüber einem Fächerstrahl
mit sich schneidenden Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen, gemäß den zuvor genannten
Zusammenhängen bzw. Gleichungen näherungsweise sehr gut eingestellt werden kann.
[0023] Dementsprechend wird etwa bei einem Versatz X, der dem Radius eines Strahlkanals
entspricht, im Vergleich zum sich schneidenden Fächer, eine Verdrehung bzw. Orientierung
um ca. 45° verstellt realisiert. Die Orientierung des erfindungsgemäßen bzw. verdrehten
Fächerstrahls bei einem Versatz X zwischen Null und etwa dem Kanaldurchmesser folgt
überraschender Weise nahezu linear, was in den oben genannten beiden Varianten bzw.
Geradengleichungen in etwa zum Ausdruck kommt.
[0024] In zahlreichen Versuchen hat sich gezeigt, dass eine unterschiedlich starke Druckbeaufschlagung
der Flüssigkeit nur zu vergleichsweise kleinen Schwankungen gegenüber den zuvor dargelegten
Zusammenhängen bzgl. der Dimensionierung des Versatz und der Verdrehung bzw. Orientierung
der erzeugten Fächerebene gemäß der Erfindung führt.
[0025] Beim Versatz gemäß der Erfindung ist von Vorteil, dass die beiden aufeinanderprallenden
Flüssigkeitsstrahlen bzw. die Verlängerungen der beiden Strahlkanäle eine ausreichende
Überdeckung aufweisen. Dies wird durch die zuvor genannten zusammenhänge bzw. dadurch
beachtet, dass der Versatz maximal etwa dem Kanaldurchmesser eines der Strahlkanäle
entspricht, dass heißt dem zweifachen Radius bzw. dem ersten Radius des ersten Strahlkanals
plus dem zweiten Radius des zweiten Strahlkanals, wobei letzteres insbesondere bei
unterschiedlich großen Radien relevant sein kann. Hierdurch ist eine ausreichende
Überdeckung und somit eine ausreichende Übertragung der kinetischer Energie bzw. das
Impulses sicher gestellt, um u.a. eine vorteilhafte Vernebelung bzw. Versprayung der
Flüssigkeit bzw. des Kraftstoffes sicher zu stellen.
[0026] Es hat sich in einzelnen Versuchen sogar gezeigt, dass durchaus der Versatz auch
etwas größer als die Summe der beiden Radien der beiden Kanäle bzw. größer als ein
Kanaldurchmesser ausgebildet werden kann. Die Bildung eines Fächerstrahls mit entsprechender
Drehung wird trotzdem noch realisiert, da die Flüssigkeitsstrahlen nach dem Austritt
aus dem jeweiligen Strahlkanal sich etwas aufweiten bzw. konisch sich ausdehnen, so
dass diese sich in der Prallzone doch noch ein wenig überschneiden und zusammenprallen.
Allerdings ist hier von größeren, erzeugten Flüssigkeitströpfchen im Fächerstrahl
auszugehen.
[0027] Vorzugsweise ist wenigstens ein vorbestimmter Freiraum des Betriebsraumes aus dem
Sprühbereich der Mehrfachstrahldüse ausgespart. Hiermit kann beispielsweise ein an
einem Düsenkörper der Mehrfachstrahldüse vergleichsweise nahe angeordneter Körper
bzw. eine Wand des Betriebsraumes in vorteilhafter Weise nicht angestrahlt bzw. an
einem derartigen Körper bzw. der Wand vorbei gesprayt bzw. gestrahlt werden. Gerade
bei Anwendungen in Brennkraftmaschinen oder dergleichen sind z.B. in einem Brennraum
eines Verbrennungsmotors Ventile bzw. Klappen, Ausbuchtungen, der bewegliche Kolben
oder dergleichen vorhanden, die möglichst nicht vom Fächerstrahl angestrahlt werden
sollten. Ein entsprechendes Anstrahlen bzw. Niederschlagen des Fächerstrahls an entsprechenden
Komponenten bzw. Wände des Betriebsraums führt zu einer nachteiligen Verbrennung,
was in erhöhten Schadstoffmissionen resultiert. Aufgrund der immer steigenden Anforderungen
an den Schadstoffausstoß von Verbrennungskraftmaschinen ist dies jedoch von entscheidendem
Nachteil bzw. führt zu einem nicht akzeptablen Schadstoffausstoß.
[0028] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Düsenkörper wenigstens
eine erste Mehrfachstrahldüse mit dem Versatz der Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen
und mindestens eine zweite Mehrfachstrahldüse mit einem Schneiden bzw. Schnittpunkt
der Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen. Hierdurch ist eine vorteilhafte Anpassung
an unterschiedlichsten Betriebsräume bzw. Verbrennungsräume/Brennkammern realisierbar.
Je nach Anwendungsfall kann die Orientierung der Fächerstrahlen gemäß der Erfindung
eingestellt werden. Hierdurch ist eine hohe Flexibilität an unterschiedlichste Betriebsbedingungen
bzw. Betriebsräume realisierbar.
[0029] Beispielsweise können die Kanaldurchmesser der Strahlkanäle der Mehrfachstrahldüse
unterschiedlich groß ausgebildet werden. Beispielsweise kann ein erster Strahlkanal
einen Kanaldurchmesser von ca. 150 Mikrometer aufweisen und ein zweiter Strahlkanal
kann ca. 200 Mikrometer aufweisen. Mit dem erfindungsgemäßen Versatz kann hierbei
die Energieübertragung bzw. der Impuls für das Zerstäuben bzw. Vernebeln in vorteilhafter
Weise auch im versetzten Zustand in vorteilhafter Weise realisiert werden.
[0030] Vorzugsweise sind die Kanaldurchmesser der Strahlkanäle der Mehrfachstrahldüse im
Wesentlichen gleich groß. Hiermit wird die Herstellung der Mehrfachstrahldüse mit
besonders wenig Aufwand realisierbar. So kann für alle Strahlkanäle der Mehrfachstrahldüse
ein und dasselbe Werkzeug zur Herstellung verwendet werden. Beispielsweise wird ein
Laserstrahl verwendet, der bei unterschiedlich großen Durchmessern entsprechend unterschiedlich
eingesetzt bzw. betrieben werden müsste.
[0031] Auch hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Dimensionierungen des Versatzes
bei im Wesentlich gleichgroßen Kanaldurchmessern der Strahlkanäle und somit die gewünschte
Orientierung bzw. Verdrehung besser eingestellt werden können.
[0032] Beispielsweise wird gemäß der Erfindung ein Düsenkörper verwendet, der eine definierte
Längsrichtung bzw. Längsachse/geometrische Achse aufweist. Eine Mehrfachstrahldüse
gemäß der Erfindung kann beispielsweise in Längsrichtung bzw. Verlängerung des Düsenkörpers
einen herkömmlichen oder einen erfindungsgemäßen Fächerstrahl erzeugen.
[0033] Vorzugsweise ist die Fächerebene der Mehrfachstrahldüse quer und/oder geneigt zur
geometrischen Achse oder in Längsrichtung eines Düsenkörpers ausgerichtet. Diese Maßnahme
ist vor allem bei Brennstoff- bzw. Kraftstoffanwendungen bzw. in einer Brennkraftmaschine
von besonderem Vorteil. Der Betriebsraum bzw. der Brennraum ist bei derartigen Anwendungen
in etwa zylinderförmig ausgebildet. Durch die quer bzw. geneigt ausgerichtete Orientierung
gemäß der vorgenannten Variante der Erfindung können z.B. mehrere Fächerstrahlen bzw.
deren Fächerebenen quer zur Längsrichtung des Düsenkörpers ausgerichtet werden, insbesondere
in der Art einer flachen Scheibe und ggf, mit einem einzelnen verdrehten Fächerstrahl.
Dies ist beispielsweise von besonderem Vorteil, bei einer Anordnung des Düsenkörpers
im mittleren bzw. zentralen Bereich des zylinderförmigen Betriebsraumes bzw. Brennraumes.
So kann beispielsweise eine nahezu gleichmäßige Vernebelung bzw. Einspritzung der
Flüssigkeit bzw. des Kraftstoffs in den Zylinderraum generiert werden.
[0034] Gemäß der Erfindung kann bei derartigen Anwendungen in vorteilhafter Weise durch
eine Verdrehung bzw. Änderung der Orientierung durch den erfindungsgemäßen Versatz
ein bestimmter Freiraum, z.B. eine Ventilöffnung bzw. -klappe oder dergleichen ausgespart,
d.h. nicht angesprüht werden.
[0035] Vorteilhafterweise sind mehrere Mehrfachstrahldüsen wenigstens über eine in radialer
Richtung bzw. um die Längsachse herum ausgerichtete Umfangsfläche eines Düsenkörpers
verteilt angeordnet. Dementsprechend kann eine radiale Vernebelung bzw. Einspritzung
nahezu um den vollen Umfang des Düsenkörpers verwirklicht werden, insbesondere im
Wesentlichen in Form einer flachen Scheibe mit einem oder einzelnen verdrehten Fächerstrahlen
gemäß der Erfindung. So kann eine besonders großflächige Vernebelung vor allem in
einen zylinderförmigen Betriebsraum wie einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
erreicht werden. Die sehr große Oberfläche der (scheibenförmig ausgebreiteten) vernebelten
Flüssigkeitströpfchen führt zu einer besonders schnellen bzw. raschen Verdampfung
von Brenn-/Kraftstoff innerhalb des Betriebs- bzw. Brennraumes. Dies wirkt sich beispielsweise
bei Verbrennungsvorgängen in Motoren in besonders vorteilhafter Weise positiv im Bezug
zur vollständigen Verbrennung des Endstoffs bzw. Kraftstoff aus.
[0036] Beispielsweise sind die Strahlkanäle wenigstens teilweise in Richtung einer geometrischen
Achse oder in Längsrichtung eines Düsenkörpers ausgerichtet. So kann in Richtung der
Kolbenbewegung eingespritzt bzw. verdüst werden.
Ausführungsbeispiel
[0037] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand
der Figuren nachfolgend näher erläutert.
[0038] Im Einzelnen zeigt:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung einer ersten Mehrfachstrahldüse mit flachem Fächerstrahl
gemäß dem Stand der Technik, d.h. ohne Versatz von vertikal ausgerichteten Strahlkanälen,
- Figur 2
- eine schematische Darstellung einer zweiten Mehrfachstrahldüse mit flachem und gegenüber
Figur 1 um 90° gedrehten Fächerstrahl gemäß der Erfindung, d.h. mit einem ersten Versatz
von vertikal ausgerichteten Strahlkanälen, der etwa dem Kanaldurchmesser der Strahlkanäle
entspricht,
- Figur 3
- eine schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Versatz und resultierender
Orientierung der Fächerebene des Fächerstrahls,
- Figur 4
- eine schematische Darstellung einer dritten Mehrfachstrahldüse mit flachem und gegenüber
Figur 1 um 45° gedrehten Fächerstrahl gemäß der Erfindung, d.h. mit einem zweiten
Versatz von horizontal ausgerichteten Strahlkanälen, der etwa dem Radius der Strahlkanäle
entspricht,
- Figur 5
- eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen vierten Mehrfachstrahldüse mit
flachem und gleich wie in Figur 1 ausgerichteten Fächerstrahl, jedoch mit einem dritten
Versatz von horizontal ausgerichteten Strahlkanälen, der etwa dem Kanaldurchmesser
der Strahlkanäle entspricht, und
- Figur 6
- ein schematischer horizontaler Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Mehrfachstrahldüse
gemäß den Figuren 4 oder 5.
[0039] In Figur 1 ist schematisch ein Düsenkörper 6 mit mehreren, radial umlaufend angeordneten
Mehrfachstrahldüsen 1 mit jeweils zwei Strahlkanälen 2, 3 bzw. deren Austrittsöffnungen
4, 5 sowie ein separater Ausschnitt mit einem generierten flachen Fächerstrahl 7 mit
einer Fächerebene P dargestellt. Die Fächerebene P ist die Ebene bzw. Orientierung
bzw. Ausrichtung des Fächerstrahls 7, in die der Fächerstrahl 7 deutlich bzw. um ein
Vielfaches größer ist als in die (senkrechte) Querrichtung, d.h. gemäß Figur 1 in
Richtung einer Längsachse 8 des Düsenkörpers 8. Die beiden Strahlkanäle 2, 3 sind
längs der Längsachse 8 des Düsenkörpers 6 und zudem zueinander spitzwinklig ausgerichtet.
[0040] Die spitzwinklige Ausrichtung der Strahlkanäle 2, 3 ist in Figur 2 b) oder Figur
6 ersichtlich, worin schematisch eine Düse 1 in Seitenansicht skizziert ist. In Figur
2 b) sind schematisch Mittelachsen 9, 10 von nicht näher dargestellten Strahlkanälen
2, 3 einer in Längsrichtung 8 angeordneten bzw. einer nicht näher dargestellten flachen
Fächerstrahl 7 erzeugenden Mehrfachstrahldüse 1 abgebildet. Hieraus wird ersichtlich,
dass die Verlängerung der Mittelachsen 9, 10 bzw. die Strahlkanäle 2, 3 sich in einem
Schnittpunkt 11 bzw. einer Prallzone 12 treffen. Dieses Aufeinandertreffen bzw. -prallen
führt zu einer vorteilhafter Vernebelung bzw. Verdüsung der durch die Strahlkanäle
2, 3 hindurchströmenden nicht näher dargestellten Flüssigkeiten (-strahlen) und somit
zu einem flachen Fächerstrahl 7.
[0041] Die Mittelachsen 9, 10 sind in Figur 2 b) vorzugsweise zwischen ca. 10° und ca. 60°
spitzwinklig zur Längsachse 8 ausgerichtet. Diese in Längsrichtung 8 am unteren Ende
des Düsenkörpers 6 (optional) angeordnete Düse 1 gemäß Figur 2 b) weist aufgrund der
gewählten Seitendarstellung sowohl bei einer Düse 1 gemäß dem Stand der Technik den
Schnittpunkt 11 als auch bei einer Düse 1 gemäß der Erfindung mit einem quer zur Blatt-/Zeichenebene
ausgerichteten Versatz 13 den Schnittpunkt 11 der Mittelachsen 9, 10 auf. Das heißt
die beiden Flüssigkeitsstrahlen, die durch die Strahlkanäle 2, 3 geführt werden, treffen
in der Prallzone 12 aufeinander und generieren den flachen Fächerstrahl 7.
[0042] Wie jedoch im Vergleich der Figuren 1 a) und 2 a) bzw. 2 b) ersichtlich wird, weist
eine erfindungsgemäße Düse 1 einen Versatz 13 auf. D.h. die Strahlkanäle 2, 3 bzw.
deren Mittelachsen 9, 10 sind mit einem Abstand zueinander angeordnet, der dem Versatz
13 entspricht.
[0043] Wie in Figur 1 oder 2 ebenfalls ersichtlich wird, sind die Strahlkanäle 2, 3 auf
zueinander im Wesentlichen parallelen und vertikal bzw. in Längsrichtung 8 angeordneten
Ebenen ausgerichtet. Somit ist bei den aufgeführten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäße
Versatz 13 der Mittelachsen 9, 10 sowohl im Bereich der Prallzone 12 als auch zwischen
den beiden Austrittsöffnungen 4, 5 als deren Abstand 13 realisiert.
[0044] Zudem sind gemäß den Figuren 1, 2 sowie 4 bis 6 die Düsen 1 bzw. die Austrittsöffnungen
4, 5 in Umfangsrichtung radial umlaufend bzw. längs des Düsenkörpers 6 entlang von
horizontalen Umfangslinien 14, 15 bzw. Ebenen angeordnet. So zeigt Figur 6 einen Schnitt
längs der oberen Linie 14 bzw. durch die obere Ebene, entlang bzw. in derer die oberen,
horizontal angeordneten Strahlkanäle 2 bzw, deren Mittellinien 9 sich befinden. Darunter
im Anstand bzw. mit dem Versatz 13 davon beabstandet befinden sich (gestrichelt dargestellt)
die unteren Strahlkanäle 3 bzw. deren Mittellinien 10.
[0045] So zeigt Figur 6 auch, dass die Austrittsöffnungen 4, 5 in einer Ausnehmung 16 angeordnet
sind, wobei die Ausnehmung 16 derart ausgebildet ist, dass die Austrittsöffnungen
4, 5 orthogonal zum Strahlkanal 2, 3 bzw. deren Mittellinien 9, 10 ausgerichtet sind.
Hierdurch wird ein vorteilhaftes Austreten des Flüssigkeitsstrahls generiert.
[0046] In Figur 3 ist ein Zusammenhang zwischen Versatz 13 und Winkel A schematisch insbesondere
für verschiedene Drucke der Flüssigkeit dargestellt. Die Y-Achse betrifft den Winkel
A, wobei der Winkel A der Verdrehwinkel bzw. die Orientierung der Fächerebene P des
flachen Fächerstrahls 7 im Vergleich zur Orientierung bzw. Ausrichtung des Fächerstrahls
7 bzw. dessen Fächerebene P ohne Versatz 13 (vgl. Figur 1) ist.
[0047] Die X-Achse betrifft ein Verhältnis V, wobei in Figur 3 dieses in Prozent aufgetragen
ist und das Verhältnis V gleich dem Versatz 13 geteilt durch einen Durchmesser D des
Strahlkanals 2, 3 ist. Das heißt V = X/D°*°100% mit X = Versatz 13.
[0048] Eine durchgezogene Linie 17 bzw. Gerade 17 entspricht der Geradengleichung A = 87,92°
* V - 2,3531° mit dem Verhältnis V und X gleich dem Versatz 13 sowie D gleich dem
Durchmesser D des Strahlkanals 2, 3, wobei wiederum V = X/D * 100% ist und somit V
die Einheit % aufweist. Somit entsprechen die in Figur 3 abgebildeten 50% an der X-Achse
einem Versatz 13 bzw. X gleich dem Radius R bzw. halben Durchmesser D des Strahlkanals
2, 3. Die Geradengleichung bzw. Gerade 17 entspricht im Wesentlichen auch dem Zusammenhang
A = X/D * 90°.
[0049] Demzufolge ist der Winkel A bei einem Versatz 13 in der Größe des Radius R etwa 45°
bezogen auf die nicht-versetzte Orientierung (vgl. Figur 1). Dieses Ausführungsbeispiel
ist in Figur 4 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Strahlkanäle 2,
3 horizontal längs den Linien 14, 15 bzw. deren Ebenen orientiert, was in Figur 6
besonders verdeutlicht wird. Entsprechend ist in Figur 5 eine weitere Ausführung dargestellt,
wobei die Strahlkanäle 2, 3 wiederum horizontal längs den Linien 14, 15 bzw. deren
Ebenen ausgerichtet sind, jedoch einen Abstand der Linien 14, 15 bzw. einen Versatz
13 aufweisen, der dem Durchmesser D der Strahlkanäle 2, 3 entspricht. Demzufolge ist
der Winkel A etwa 90°. Das heißt um ca. 90° verdreht gegenüber der Ausrichtung der
Fächerebene P bei einer Anordnung der Strahlkanäle 2, 3 ohne Versatz 13. Im letztgenannten
Fall wäre die Ebene P längs der Linie 8 ausgerichtet, d.h. wenn die Strahlkanäle 2,
3 bzw. Mittelachsen 9, 10 auf einer gemeinsamen horizontalen Ebene bzw. Umfangslinie
14, 15 liegen würden.
[0050] Ein Vergleich zwischen den beiden Figuren 1 und 5 veranschaulicht zudem, dass die
Orientierung bzw. Ausrichtung der Fächerebene P im Endergebnis gleich sein kann, obwohl
eine andere Orientierung der Strahlkanäle 2, 3 bzw. deren Mittelachsen und einerseits
ein Versatz 13 (gemäß Figur 5) in der Größe des Durchmessers D und andererseits kein
Versatz 13 (gemäß Figur 1) vorgesehen ist. Dementsprechend kann die Orientierung der
Strahlkanäle 2, 3 bzw. deren Mittelachsen 9, 10 je nach Bedarf und/oder Platzangebot
oder dergleichen ausgewählt/festgelegt werden. Zum anderen kann die Orientierung bzw.
Ausrichtung der Fächerebene P je nach Bedarf und/oder gewünschtem Aussparen von Freiräumen
oder dergleichen ausgewählt/festgelegt werden.
[0051] Beispielsweise ist eine (parallele) Ausrichtung der Strahlkanäle 2, 3 bzw. deren
Mittelachsen 9, 10 längs der Längsachse 8 des Düsenkörpers 6 bei vergleichsweise klein
ausgebildeten Düsenkörpern 6 und/oder bei relativ vielen Düsen 1 von Vorteil, die
in Umfangsrichtung bzw. längs der Linie 14, 15 anzuordnen sind, um z.B. eine nahezu
vollumfängliche Vernebelung bzw. Einspritzung zu generieren.
[0052] Die Generierung von Sprayfächern bzw. flachen Fächerstrahlen 7 durch das Aufeinanderprallen
von mindestens zwei Einzelstrahlen, kann in vorteilhafter Weise durch die dargelegten
geeigneten Anordnungen der Strahlkanäle 2, 3 bzw. Bohrungen 2, 3 eines Düsenpaares
verwirklicht und die Ausrichtung, Eindringtiefe, Sauterdurchmesser und/oder Lage des
generierten Sprayfächers 7 exakt justiert werden. Die Lage des Sprayfächers 7 ist
somit quasi frei positionierbar zur Ausrichtung bzw. Anordnung des Düsenpaares bzw.
der Düse 1.
[0053] Durch zwei oder mehrere Bohrungen 2, 3 generierte Sprayfächer bilden einen Sprayfächer
7 wie u.a. in Figur 1 gezeigt. Auch der Sauterdurchmesser und die Eindringtiefe sind
im Wesentlichen gleich. Um ein Benetzen der Ein-/Auslassventile, Kolbenboden und Zylinderwand
oder dergleichen mit Flüssigkeit bzw. dem Fluid, insb. Brennstoff, wirkungsvoll zu
verhindern, sollte an diesen Stellen kein Sprayfächer 7 generiert werden.
[0054] Nachteil bisheriger Injektoren ist u.a. weniger Kraftstoff, schlechtere Kraftstoffverteilung,
keine Variabilität bei Änderung der Anforderungen durch den Kunden.
[0055] Der Sprayfächer 7 kann zwar durch Drehung/Kippen der Düse 1 bzw. des Düsenpaares
1 verändert werden, jedoch muss dazu das komplette Düsenpaar 1 anders angeordnet werden,
um diesen Effekt zu generieren. Hierzu ist oftmals der notwenige Platz nicht gegeben
bzw. muss ein größeres Todvolumen durch z.B. eine Art "Sackloch" geschaffen werden.
[0056] Durch gezieltes Versetzen der Bohrungsachsen 8, 9 eines Düsenpaares 1 gemäß den Ausführungsvarianten
der Figuren 2, 4 bis 6 zueinander, ändert sich die Orientierung bzw. Lage bzw. des
Winkels A des Sprayfächers 7 im Raum.
[0057] Die Sauterdurchmesser und die Eindringtiefe des Fächerstrahls 7 kann auf den Anwendungsfall
durch die Neigung der Strahlkanäle 2, 3, dem Durchmesser D oder dergleichen in vorteilhafter
Weise eingestellt werden. Je geringer die Überschneidung/Überdeckung der einzelnen
Strahlen, d.h. je größer der Versatz 13, umso größer wird der Sauterdurchmesser. Die
Überdeckung der Strahlen kann im Bereich von >0% bis >100% eingestellt werden.
[0058] Je nach %-Anteil der Überdeckung von mindestens zwei Strahlen dreht der Sprayfächer
7 im Vergleich zur Orientierung ohne Versatz 13 aus seiner (eigentlichen) Lage aus.
Je geringer die Überdeckung umso höher/größer ist der Verdrehwinkel A des Sprayfächers
7. Gleichzeitig ändern sich der Sauterdurchmesser und die Eindringtiefe des generierten
Sprayfächers.
[0059] Besonderer Vorteil dieser Auslegung von Fächerstrahlen 7 ist, dass gezielte Bereiche
(Ein-/Auslassventile, Kolbenboden, Brennraumwände, etc.) ausgespart werden können
und somit nicht mit Brennstoff benetzt werden. Es findet keine Verkokung der Bauteile
statt und die Schadstoffemissionen werden reduziert. Eine Benetzung dieser Teile im
Brennraum führt zu Verkokungen der besagten Bauteile und zu einer Erhöhung der Schadstoffemissionen.
[0060] Ein weiterer Vorteil ist der geringere Platzbedarf eines Düsenpaares 1, welches nach
dem Verfahren bzw. Zusammenhang gemäß der Erfindung ausgelegt wird. Durch diesen gezielten
Versatz 13 kann z.B. ein Düsenpaar 1 dennoch radial am Injektor (Düsenbereich) angebracht
werden und einen vertikalen statt horizontalen Fächerspray 7 erzeugen. Ohne die erfindungsgemäße
Auslegung müssten die Bohrungen 2, 3 des Düsenpaares 1 bei gleicher Ausrichtung des
Fächerstrahls 7 ansonsten horizontal (vgl. Figur 5) in den Injektor bzw. Düsenkörper
6 eingebracht werden, um einen radial zum Injektor stehenden Fächerspray 7 in vertikaler
Lage zu erzeugen. Wodurch sich der Bauraum des Düsenpaares 1 wesentlich vergrößert.
Bezugszeichenliste
[0061]
- 1
- Düse
- 2
- Kanal
- 3
- Kanal
- 4
- Öffnung
- 5
- Öffnung
- 6
- Düsenkörper
- 7
- Fächerstrahl
- 8
- Längsachse
- 9
- Mittelachse
- 10
- Mittelachse
- 11
- Schnittpunkt
- 12
- Prallzone
- 13
- Versatz
- 14
- Umfangslinie
- 15
- Umfangslinie
- 16
- Ausnehmung
- 17
- Gerade
- A
- Winkel
- V
- Verhältnis
- P
- Fächerebene
- D
- Durchmesser
- R
- Radius
1. Vorrichtung zum Vernebeln oder Versprayen oder Einspritzen von Flüssigkeit in einen
Betriebsraum, wobei mindestens eine Mehrfachstrahldüse (1) mit wenigstens zwei Strahlkanälen
(2, 3) zur Erzeugung wenigstens zweier, in einer Prallzone (12) wenigstens teilweise
aufeinander prallender Flüssigkeitsstrahlen vorgesehen ist, so dass im Wesentlichen
ein Fächerstrahl (7) erzeugbar ist, dessen Ausdehnung in einer Fächerebene (P) deutlich
größer oder wenigstens doppelt so groß ist als in Querrichtung zu dieser Fächerebene
(P), dadurch gekennzeichnet, dass in der Prallzone (12) ein Versatz (13) zwischen Mittelachsen (9, 10) der Flüssigkeitsstrahlen
vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Orientierung der Fächerebene (P) durch den Versatz (13) zwischen den Mittelachsen
(9, 10) der Flüssigkeitsstrahlen eingestellt ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachstrahldüse (1) Austrittsöffnungen (4, 5) der Strahlkanäle (2, 3) aufweist,
wobei zwischen den Austrittsöffnungen (4, 5) der Versatz (13) vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz (13) zwischen den Mittelachsen (9, 10) der Flüssigkeitsstrahlen im Wesentlichen
bis zu einem Kanaldurchmesser (D) der oder eines der Strahlkanäle (2, 3) und/oder
im Wesentlichen bis zur Summe eines ersten Radius (R) eines ersten Strahlkanals (2,
3) plus eines zweiten Radius (R) eines zweiten Strahlkanals (2, 3), durch die/den
der jeweilige Flüssigkeitsstrahl geführt ist, entspricht.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (A) der Orientierung der Fächerebene (P) im Vergleich zu einer Orientierung
bei einem Schneiden (11) der Mittelachsen (9, 10) der Flüssigkeitsstrahlen durch eine
Dimensionierung des Versatzes (13) derart eingestellt ist, dass im Wesentlichen A
= X/D * 90° ist, wobei X der Versatz (13) der Mittelachsen (9, 10) und D ein Kanaldurchmesser
ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkel (A) der Orientierung der Fächerebene (P) im Vergleich zu einer Orientierung
bei einem Schneiden (11) der Mittelachsen (9, 10) der Flüssigkeitsstrahlen durch eine
Dimensionierung des Versatzes (13) derart eingestellt ist, dass im Wesentlichen A
= 88° * X/D - 2,35° ist, wobei X der Versatz (13) der Mittelachsen (9, 10) und D ein
Kanaldurchmesser sowie X größer Null ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein vorbestimmter Freiraum aus dem Sprühbereich der Mehrfachstrahldüse
ausgespart ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Düsenkörper (6) wenigstens eine erste Mehrfachstrahldüse (1) mit dem Versatz
(13) der Mittelachsen (9, 10) der Flüssigkeitsstrahlen und mindestens eine zweite
Mehrfachstrahldüse (1) mit einem Schnittpunkt (11) der Mittelachsen (9, 10) der Flüssigkeitsstrahlen
umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanaldurchmesser (D) der Strahlkanäle (2, 3) der Mehrfachstrahldüse (1) im Wesentlichen
gleich groß sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fächerebene (P) der Mehrfachstrahldüse (1) quer und/oder geneigt zur geometrischen
Achse (8) oder in Längsrichtung (8) eines Düsenkörpers (6) ausgerichtet ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mehrfachstrahldüsen (1) wenigstens über eine in radialer Richtung ausgerichtete
Umfangsfläche (14, 15) eines Düsenkörpers (6) verteilt angeordnet sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlkanäle (2, 3) wenigstens teilweise in Richtung einer geometrischen Achse
(8) oder in Längsrichtung (8) eines Düsenkörpers (6) ausgerichtet sind.
13. Injektor mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum,
dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche umfasst.
14. Verbrennungsmotor mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche vorgesehen ist.