SPRÜHEINRICHTUNG FÜR FLUIDE

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft eine Sprüheinrichtung für Fluide. Aus der EP 0 826 875 A1 ist bereits eine Sprüheinrichtung bekannt, die einen Aktor zur Erzeugung von Stoßwellen bekannt, die den Fluidfluss am Düsenautritt einer Düse steuert. Dabei ist bei der bekannten Sprüheinrichtung ein einteiliger Aktor vorgesehen. Ein derartiger Aktor ist je nach Form der Düse relativ aufwendig herzustellen, und die Steuerung des Fluidflusses am Düsenaustritt ist nur in relativ geringem Maße beeinflussbar.

Offenbarung der Erfindung

[0002] Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannte Sprüheinrichtung derart weiterzubilden, dass eine flexiblere Ansteuerung der Stoßwellen im Bereich des Düsenaustritts ermöglicht wird. Gleichzeitig soll eine relativ einfache Herstellung ermöglicht werden. Diese Aufgabe wird bei einer Sprüheinrichtung bzw. einem Verfahren zum Betreiben einer Sprüheinrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 11 gelöst.

[0003] Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Sprüheinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0004] Die Erzeugung der Stoßwellen erfolgt bevorzugt mithilfe eines Piezoelements oder eines Piezocompositelements, welches beispielsweise einen Wandabschnitt in der Gehäusewandung der Düse bildet Es sind zumindest zwei Stoßwellenaktoren vorgesehen, deren Stoßwellen sich im gewünschten Fokussierpunkt schneiden. Alternativ zu Piezoelementen können auch Stoßwellenaktoren eingesetzt werden, die nach einem elektrohydraulischen Prinzip (Funkentladungsstrecke) arbeiten oder nach einem elektrisch/mechanischen Kraftwandlungsprinzip.

[0005] Alternativ zu dem Stoßwellenprinzip können auch Piezo- oder Piezocompositelemente oder sonstige schnelle Aktoren verwendet werden, welche nach dem HIFU-Prinzip (High Intensity Focused Ultrasound) arbeiten. Hierbei wird die Stoßwelle durch eine hochfrequente Ultraschallquelle ersetzt.

[0006] Die Fokussierung auf den Düsenaustritt kann sowohl direkt als auch indirekt durchgeführt werden. Bei direkter Fokussierung erfolgt die Stoßwellenausbreitung direkt zwischen dem Stoßwellenaktor und dem Fokussierpunkt, bei indirekter Ausbreitung wird die Stoßwelle zunächst an mindestens einer Reflektionsfläche reflektiert und dann weiter in Richtung auf den Fokussierpunkt geleitet. Der Vorteil der indirekten Ausbreitung liegt in den größeren konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten für die Anordnung des Stoßwellenaktors, so dass beispielsweise sehr schmal bauende Sprüheinrichtungen realisiert werden können.

[0007] Um die gewünschte Einspritzmenge pro Einspritzvorgang zu erzeugen, kann es zweckmäßig sein, mehrere, kurze aufeinander folgende Stoßwellen zu generieren, die insbesondere hochfrequent erzeugt werden. Die Massendosierung pro Einspritzvorgang wird durch die Anzahl der aufeinander folgenden Stoßwellenpulse bestimmt.

[0008] Die genannte Sprüheinrichtung kann in verschiedenartigen Produkten eingesetzt werden. In Frage kommen alle Arten von Einspritzsystemen, insbesondere Einspritzsysteme in Brennkraftmaschinen wie Dieselfahrzeugen oder Benzinfahrzeugen, darüber hinaus aber auch beispielsweise die Eindüsung von Flüssigkeitslösungen in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine als Abgasnachbehandlung (Ammoniakeindüsung). Denkbar sind darüber hinaus auch neuartige Vergaserkonzepte, bei denen derartige Sprüheinrichtungen zum Einsatz kommen können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

Fig. 1

einen Schnitt durch eine Sprüheinrichtung mit einer Düse, die konkave Wandungen aufweist, welche als Piezoelemente zur Erzeugung von Stoßwellen ausgeführt sind, wobei die Stoßwellen auf den Düsenaustritt zur Erzeugung eines Sprühnebels gerichtet sind,

Fig. 2

eine Sprüheinrichtung in einer alternativen Ausführung, bei der die Stoßwellen zunächst an Reflektionsflächen reflektiert werden, die den Düseninnenraum begrenzen, und anschließend zu dem Fokussierpunkt am Düsenaustritt geleitet werden.

Ausführungsform(en) der Erfindung

[0010] Bei der in Fig. 1 dargestellten Sprüheinrichtung 1 handelt es sich beispielsweise um ein Kraftstoff-Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen. Die Sprüheinrichtung 1 umfasst eine Düse 2, die über eine Zulaufeinrichtung 5, in die Zulaufbohrungen 6 eingebracht sind, mit einem Fluidspeicher 3 verbunden ist. Das Fluid im Fluidspeicher 3 wird über eine Druckerzeugungseinheit 4 - beispielhaft ausgeführt als Pumpe P - unter Druck gesetzt, bei dem es sich insbesondere nur um einen Niederdruck handelt. Das Düsengehäuse 9 ist im Ausführungsbeispiel trichterförmig ausgebildet, an der Spitze des Düsengehäuses befindet sich ein Düsenaustritt 8, der von einem als Venfilnadel 7 ausgeführten Stellglied zu öffnen und zu schließen ist. Die Ventilnadel 7 ist axial verschieblich geführt und in der Zulaufeinrichtung 5 gelagert. In Abhängigkeit von aktuellen Zustands- und Betriebsgrößen des Systems wird die Venfilnadel 7 zwischen ihrer Öffnungs- und Schließposition verstellt. Die Stellbewegung der Ventilnadel 7 erfolgt entlang der Ventilnadel-Längsachse 12 und wird mittels eines geeigneten Aktors erzeugt.

[0011] Der Kraftstoff wird aus dem Fluidspeicher 3 über die Zulaufbohrungen 6 in der Zulaufeinrichtung 5 in den Düseninnenraum im Düsengehäuse 9 eingeleitet. Zur Erzeugung eines Kraftstoff-Sprühnebels am Düsenaustritt 8 werden in der Düse 2 Stoßwellen erzeugt, die am Düsenaustritt 8 fokussieren und die Stoßwellenenergie am Düsenaustritt auf den dort befindlichen Kraftstoff übertragen, wodurch feine Kraftstofftröpfchen entstehen, die über den Düsenaustritt aus dem Düsengehäuse 9 austreten und einen Kraftstoffnebel bilden. Die Schock- bzw. Stoßwellen werden von Stoßwellenaktoren 10 und 11 erzeugt, die einen Teil der dem Düsenaustritt 8 gegenüberliegenden Wandung des Düsengehäuses 9 bilden. Bei den Stoßwellenaktoren 10 und 11 handelt es sich beispielsweise um Piezoelemente, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form ändern, wobei der Formänderungsvorgang innerhalb sehr kleiner Zeitspannen erfolgt. Diese Formänderung wird unmittelbar auf das im Innenraum des Düsengehäuses 9 befindliche Fluid übertragen, wodurch die gewünschte Stoßwelle entsteht, die auf den Düsenaustritt 8 zuläuft. Um die Wirkung zu erhöhen, laufen die von den beiden Stoßwellenaktoren 10 und 11 erzeugten Stoßwellen auf einen gemeinsamen Fokussierpunkt zu, der im Düsenaustritt 8 liegt. Zur Unterstützung der Fokussierwirkung sind beide Stoßwellenaktoren 10 und 11 nach Art eines Hohlspiegels konkav geformt, derart, dass der Brennpunkt im Düsenaustritt 8 liegt.

[0012] Alternativ zu den auf dem Piezoeffekt beruhenden Stoßwellenaktoren können auch Aktoren eingesetzt werden, die nach dem elektrohydraulischen Prinzip oder nach einem anderen elektrisch/mechanischen Kraftwandlungsprinzip oder dem HIFU-Prinzip arbeiten.

[0013] Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel laufen die Stoßwellen direkt vom Ort ihrer Erzeugung, also den Stoßwellenaktoren 10 und 11, ohne Umlenkung bzw. Reflektion zum Fokussierpunkt am Düsenaustritt 8. Eine alternative Ausführung ist in Fig. 2 dargestellt, wo die mit gestrichelten Linien dargestellten Stoßwellen 13 und 14, die den maximalen Abstrahlungs-Winkelbereich markieren, nicht direkt, sondern über mehrfache Reflektion vom Ort ihrer Entstehung am Stoßwellenaktor 10 zum Fokussierpunkt am Düsenaustritt 8 gelenkt werden. Der Stoßwellenaktor 10 liegt dem Düsenaustritt 8 nicht unmittelbar gegenüber, sondern befindet sich in einer seitlich gelegenen Wandung im Düsengehäuse 9 in einer Position ohne direkte Verbindung zum Düsenaustritt. Diese Anordnung weist den Vorteil einer schmalen Bauweise auf. Um die Stoßwellen 13 und 14 zum Fokussierpunkt am Düsenaustritt 8 zu lenken, werden die Stoßwellen an Reflektionsflächen 15 und 16 umgelenkt, bei denen es sich um den Düseninnenraum begrenzende Innenwandungen des Düsengehäuses handelt. Im Ausführungsbeispiel sind zwei Reflektionsflächen 15 und 16 vorgesehen, an denen die von dem Stoßwellenaktor 10 ausgestrahlten Stoßwellen 13 und 14 reflektiert werden, wobei über den von dem Stoßwellenaktor 10 erzeugten Abstrahlungs-Winkelbereich die Stoßwellen des gleichen Stoßwellenaktors an unterschiedlichen Reflektionsflächen auftreffen. Aufgrund der mehrfachen Umlenkung der Stoßwellen bestehen grundsätzlich größere konstruktive Freiheitsgrade im Hinblick auf die Positionierung der Stoßwellenaktoren sowie insgesamt bei der konstruktiven Gestaltung der Sprüheinrichtung 1.

[0014] Denkbar ist auch, Stoßwellenaktoren vorzusehen, deren Stoßwellen je nach Abstrahlungswinkel sowohl direkt auf den Fokussierpunkt als auch indirekt über eine einfache oder mehrfache Umlenkung an Reflektionsflächen zum Fokussierpunkt gelenkt werden.

[0015] Um die erforderliche Energie für die Erzeugung vorzugsweise kleiner Tropfen am Düsenaustritt 8 mittels der Stoßwellen zu erzeugen, werden die Stoßwellen zweckmäßig pro Einspritzvorgang wiederholt erzeugt, insbesondere hochfrequent generiert.

Ansprüche

1. Sprüheinrichtung (1) für Fluide, mit einer Düse (2) und einem Stellglied (7) zur Regulierung des Fluidstromes durch einen Düsenaustritt (8), wobei die Sprüheinrichtung (1) mehrere Stoßwellen- oder HIFU-Aktoren (10, 11) in dem in der Düse (2) befindlichen Fluid umfasst, und wobei die von den mehreren Stoßwellen- oder HIFU-Aktoren (10, 11) erzeugten Stoß- bzw. HIFU-Wellen (13, 14) auf den Düsenaustritt (8) fokussiert sind.

2. Sprüheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßwellen- oder HIFU-Aktoren (10, 11) in das Düsengehäuse (9) integriert sind.

3. Sprüheinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßwellen- oder HIFU-Aktoren (10, 11) einen konkav geformten Wandabschnitt des Düsengehäuses (9) bilden.

4. Sprüheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßwellen- oder HIFU-Aktoren (10, 11) als Piezoelement bzw. Piezocompositelement ausgebildet sind.

5. Sprüheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßwellen- oder HIFU-Aktoren (10, 11) als elektrohydraulischer Aktor ausgebildet sind

6. Sprüheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßwellen- oder HIFU-Aktoren (10, 11) als elektromechanischer Aktor ausgebildet sind.

7. Sprüheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Stoßwellen- oder HIFU-Aktoren (10, 11) erzeugten Stoß- bzw. HIFU-Wellen (13,14) an einer Gehäusewandung (15, 16) der Düse (2) reflektiert und zum Düsenaustritt (8) gelenkt werden.

8. Sprüheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckerzeugungseinheit (4) vorgesehen ist, über die das Fluid mit Druck zu beaufschlagen ist.

9. Sprüheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Dosierung des Fluidstroms durch den Düsenaustritt (8) mehrere aufeinander folgende Stoßwellenpulse bzw. HIFU-Wellenabschnitte erzeugt werden.

10. Sprüheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Ausführung als Einspritzsystem für flüssige Brennstoffe, insbesondere in Brennkraftmaschinen.

11. Verfahren zum Betrieb der Sprüheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem auf das Fluid an einem definierten Fokussierpunkt Stoß- oder HIFU-Wellen (13, 14) gerichtet werden.

Claims

1. Spray device (1) for fluids, with a nozzle (2) and an actuating member (7) for regulating the fluid stream through a nozzle outlet (8), the spray device (1) comprising a plurality of shock-wave or HIFU actuators (10, 11) in the fluid located in the nozzle (2), and the shock or HIFU waves (13, 14) generated by the plurality of shock-wave or HIFU actuators (10, 11) being focused upon the nozzle outlet (8).

2. Spray device according to Claim 1, characterized in that the shock-wave or HIFU actuators (10, 11) are integrated into the nozzle housing (9).

3. Spray device according to Claim 2, characterized in that the shock-wave or HIFU actuators (10, 11) form a concavely shaped wall portion of the nozzle housing (9).

4. Spray device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the shock-wave or HIFU actuators (10, 11) are designed as a piezo element or piezo-composite element.

5. Spray device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the shock-wave or HIFU actuators (10, 11) are designed as an electrohydraulic actuator.

6. Spray device according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the shock-wave or HIFU actuators (10, 11) are designed as an electromechanical actuator.

7. Spray device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the shock or HIFU waves (13, 14) generated by the shock-wave or HIFU actuators (10, 11) are reflected on a housing wall (15, 16) of the nozzle (2) and are steered to the nozzle outlet (8).

8. Spray device according to one of Claims 1 to 7, characterized in that a pressure generation unit (4) is provided, via which the fluid can be acted upon with pressure.

9. Spray device according to one of Claims 1 to 8, characterized in that, for the metering of the fluid stream through the nozzle outlet (8), a plurality of successive shock-wave pulses or HIFU-wave segments are generated.

10. Spray device according to one of Claims 1 to 9, characterized by a design as an injection system for liquid fuels, in particular in internal combustion engines.

11. Method for operating the spray device according to one of Claims 1 to 10, in which shock or HIFU waves (13, 14) are directed onto the fluid at a defined focusing point.

Revendications

1. Dispositif de pulvérisation (1) pour fluides, comprenant une buse (2) et un organe de commande (7) pour réguler le flux de fluide à travers une sortie de buse (8), le dispositif de pulvérisation (1) comprenant plusieurs actionneurs à ondes de choc ou HIFU (10, 11) dans le fluide se trouvant dans la buse (2), et les ondes de choc ou HIFU (13, 14) produites par la pluralité d'actionneurs à ondes de choc ou HIFU (10, 11) étant focalisées sur la sortie de la buse (8).

2. Dispositif de pulvérisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les actionneurs à ondes de choc ou HIFU (10, 11) sont intégrés dans le boîtier de buse (9).

3. Dispositif de pulvérisation selon la revendication 2, caractérisé en ce que les actionneurs à ondes de choc ou HIFU (10, 11) forment une portion de paroi de forme concave du boîtier de buse (9).

4. Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les actionneurs à ondes de choc ou HIFU (10, 11) sont réalisés sous forme d'élément piézoélectrique ou d'élément piézoélectrique composite.

5. Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les actionneurs à ondes de choc ou HIFU (10, 11) sont réalisés sous forme d'actionneur électrohydraulique.

6. Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les actionneurs à ondes de choc ou HIFU (10, 11) sont réalisés sous forme d'actionneur électromécanique.

7. Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les ondes de choc ou HIFU (13, 14) produites par les actionneurs à ondes de choc ou HIFU (10, 11) sont réfléchies au niveau d'une paroi de boîtier (15, 16) de la buse (2) et sont orientées vers la sortie de la buse (8).

8. Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est prévu une unité de génération de pression (4) par le biais de laquelle le fluide doit être sollicité en pression.

9. Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que pour le dosage du flux de fluide à travers la sortie de buse (8), plusieurs impulsions d'ondes de choc ou portions d'ondes HIFU successives sont produites.

10. Dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par une réalisation sous forme de système d'injection pour carburants fluides, notamment dans des moteurs à combustion interne.

11. Procédé pour le fonctionnement du dispositif de pulvérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel des ondes de choc ou HIFU (13, 14) sont orientées sur le fluide en un point de focalisation défini.

Zeichnung