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Selbsttätige Düse um Zerstäuben flüssiger Stoffe unter hohem Druck und hoher Temperatur
Die Erfindung bezieht sich auf eine selbsttätiger Düse zum Zerstäuben flüssiger Stoffe. unter hohem Druck und hoher Temperatur, wie es beispielsweise bei Einspritzdüsen für Brennkraftmaschinen, Feuerungen, Brennkammern od. dgl., der Fall ist, welche ein Kernstück und eine dasselbe umschliessende
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der eine der beiden Teile elastisch ausgebildet ist, so dass sich ein Spalt für den Durchtritt des Mediums in Abhängigkeit vom inneren Überdruck desselben infolge der Elastizität des Werkstoffes ändert.
Die bekannten elastischen Düsen oder Verschlüsse aus einem stark elastischen Stoff wie Gummi od. dgl., wie sie z. B. bei Fahrradschläuchen Verwendung finden, können nur gegen relativ geringe Drücke dichten und insbesondere nur geringe Temperaturen ertragen. Bei höheren Beanspruchungen unterliegen sie einem raschen Verschleiss, einer baldigen Ermüdung und Alterung und sind gegenüber Temperatureinflüssen wenig widerstandsfähig.
Des weiteren sind auch schon Einspritzdüsen der eingangs erwähnten Art bekannt, bei denen einen Ringspalt bildende Teile,'d. h. ein inneres Kernstück und eine dasselbe umgebende Hülse aus Metall vorgesehen sind. Es handelt sich hierbei jedoch um ständig offene DUsenmündungen, indem die Nachgiebigkeit der äusseren Hülse bzw. des kernstückartigen inneren Teiles lediglich dazu dient, den an sich ständig offenen Ringspalt den jeweiligen Brennstoffmengen anzupassen. Beginn und Ende der Einspritzung erfordern jedoch ein besonders gesteuertes Organ, insbesondere dann, wenn ein hoher Spritzdruck erzielt werden soll.
Die Erfindung bezweckt demgegenüber eine Bauart, welche sich sowohl für hohe Temperaturen als auch für hohe Drücke bei möglichst einfacher Bauart eignet, und besteht im wesentlichen darin, dass bei fehlendem Überdruck des Mediums die den Spalt bildenden Teile, insbesondere Hülse und Kernstück, unter Schliessung des Durchtrittsspaltes mit Vorspannung dicht aufeinander liegen und erst bei einem bestimmten Überdruck des Mediums den sich quer oder ringförmig erstreckenden Spalt freigeben. Die Nachgiebigkeit der den Spalt bildenden Teile hat also, abgesehen von der Anpassung des Spaltquerschnittes an den Überdruck des hindurchtretenden Mediums, gleichzeitig die Aufgabe, den Durchgang desselben zwischen der Zuleitung zur Düse und dem Hauptbrennraum zu sperren.
Hiedurch können zusätzliche Steuerelemente zum Sperren und Freigeben des Brennstoffdurchtrittes und ein Nachtropfen des Brennstoffes bei sich verringerndem Brennstoffdruck vermieden werden. Ausserdem wird dadurch, dass der Brennstoff nur mit hohem Druck durch den sich hierbei öffnenden Spalt gepresst wird, eine zugleich feinere und vollkommenere Zerstäubung als bei einer ständig offenen Einspritzdüse erzielt.
Wenn auch die erfindungsgemässe Düse somit für hohe Spritzdrücke und für einen Betrieb mit sehr hohen Temperaturen geeignet ist, ohne dass das den Spalt bildende Material zerstört wird, kann die Düse natürlich auch gegebenenfalls bei niederen Temperaturen und - sofern entsprechend ausgeführt - bei niedrigeren Drücken und für andere durchzutreibende Medien als nur flüssige Brennstoffe mit Vorteil verwendet werden.
Zur Anpassung an verschiedene Verwendungszwecke bzw. zur Regelung des Einspritzdruckes kann die Vorspannung zwischen Hülse und Kernstück z. B. durch Verschieben der Hülse auf dem entsprechend geformten Kernstück veränderbar sein. Der elastische Teil kann allseitig elastisch ausgebildet sein, so
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zwischen Kernstück und Hülse freigegeben wird.
Die Erfindung kann dadurch verwirklicht werden, dass sowohl das Kernstück als auch die Hülse elastisch ausgebildet ist. Es kann ferner das Kernstück elastisch und die Hülse unelastisch oder-in einer besonders bevorzugten Ausführungsform-das Kernstück unelastisch und die Hülse elastisch ausgebildet sein.
Zur Erzielung eines gleichmässigen Spaltes kann das Kernstück mit Kanälen, z. B. in Form von Bohrungen und einer oder mehreren äusseren Rillen versehen sein, so dass auf die das Kernstück umschliessende und mit Vorspannung an ihm anliegende elastische Hülse allseitig ein gleichmässiger innerer Überdruck auch bei plötzlichem Druckanstieg ausgeübt wird.
Die Erfindung ermöglicht es ferner, durch die Wahl der Dehnungseigenschaften der Düse bestimmte geometrische Strahlformen des austretenden Mediums zu erzielen, beispielsweise dadurch, dass durch die Ausbildung des Austrittsspaltes oder durch besondere Einsatz-und/oder Vorsatzstücke dem austretenden Strahl eine von der üblichen kegelförmigen Strahlform abweichende Strahlform gegeben wird. Insbesondere kann die Ausbildung der Düse derart sein, dass eine geradlinige Schlitzform oder eine mindestens teilweise, gegebenenfalls auch volle ringförmige Schlitzform erzeugt wird. Es ist jedoch möglich, praktisch jede beliebige Spalt- oder Schlitzform zu erreichen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die das Kernstück umschliessende elastische Hülse ihrerseits von einer mit einem radial nach innen gerichteten Wulst oder Flansch versehe- nen, praktisch unelastischen Kappe umschlossen, wobei der innere Rand des Wulstes oder Flansches in einem bestimmten geringen Abstand die elastische Hulse an dem Austrittsende der Düse umgibt. Die elastische Hülse wird also insbesondere nur an ihrem freien Ende abgestützt, während der nur als Träger des Wulstes oder Flansches dienende, in einem gewissen Abstand von der elastischen Hülse befindliche übrige Teil die Bewegung der elastischen Hülse nicht beeinflusst. Er kann hiebei uilter Umständen, z.
B. bei Verwendung der Vorrichtung bsi Feuerungen oder Brennkraftmaschinen, gleichzeitig eine zweite Funktion als Strahlungsschutz ausüben.
Um die Düse bei ganz besonders hohen Temperaturen oder gegebenenfalls auch bei billigerem, et- was weniger widerstandsfähigem Material verwenden zu können, kann die Düse in in sich bekannter Weise mit einer Kühleinrichtung ausgestattet sein, indem z. B. das Innere der Düse von Kanälen durchsetzt wird, durch die eine Kühlflüssigkeit hindurchströmt.
Die Herstellung der elastischen Düsen kann mit bekannten technischen Mitteln geschehen. So kann z. B. das hiefür verwendete Werkstück durchbohrt und alsdann die Öffnung durch Verformung geschlossen
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werden, dass nicht nur die gewünschten elastischen Eigenschaften für die gewünschten Öffnungsdrücke und - querschnitte erzielt werden, sondern auch gleichzeitig der Schlitz seitlich abgedichtet wird und lediglich Ein- und Austritt in den gewünschten Richtungen bestehen bleiben. Auch kann die Öffnung in dem betreffenden Verschlussstück mittels Durchstechen, d. h. Bohrens, ohne Werkstoffwegnahme erzielt werden.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung dargestellt :
Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Düse oder des Verschlusses mit einem elastischen Stück und einer darüber gezogenen Hülse, Fig. 2a ist eine Ansicht der Düse nach Fig. 1 von unten. während die Fig. 2b - 2d Varianten der Düse mit verschiedenen Austrittsöffnungen für entsprechend verschiedene Strahlformen zeigen, Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Düse oder des Verschlusses mit einem unela- stischen Kernstück und einer elastischen Hülse einschliesslich der Kappe mit dem einseitigen Begrenzungsflansch. Fig. 4 ist die Darstellung eines Schnittes zu Fig. 3, Fig. 5 eine Variante zu Fig. 3 für eine andere Strahlform und Fig. 6 eine Variante zu Fig. 3 mit einem Vorsatzstück.
Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen selbsttätigen Düse oder Verschlusses nach Fig. 1 besitzt das elastische Kernstück 1 mit der Zuführungsbohrung 2 und der querliegenden Verteilerbohrung 3 ; der Spalt 4 endet in der entweder völlig glatten Endebene 5 oder in einer mit Rücksicht auf die gewünschte Strahlform beliebig geformten Aussparung 6. Über das elastische Kernstück 1 ist die elastische Hülse 7 gezogen, wobei ihr Querschnitt so ausgebildet wird, dass durch die elastischen Verformungskräfte der Hülse und/oder durch eine entsprechende Ausbildung des elastischen Kernstückes 1 - z. B.
durch eine durch die Kontur 8 angedeutete Formgebung - die jeweils gewünschte Gesetzmässigkeit zwischen erforderlichem Überdruck des durchzutreibenden Stoffes und Querschnitt des sich elastisch öffnenden
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Spaltes 4 erfüllt werden. Die elastische Hülse 7 deckt auch zugleich den Spalt 4 seitlich so ab, dass der durchzutreibende Stoff nur nach unten und nicht auch seitlich austritt.
Durch die Kanäle 9 und 10 (ohne Wiedergabe ihrer technischen Herstellung) soll die Kühlungsmöglichkeit der Düse angedeutet werden. Wegen des Spaltes 4 sind beide Seiten 9 und 10 z. B. getrennt mit je einem Zu-und Abführungskanal auszuführen oder es sind bei je einem gemeinsamen Zu- und Abführkanal die Querverbindungen 11 und 12 herzustellen, die selbstverständlich in verschiedenen Ebenen liegen müssen, um sich nicht zu durchdringen.
Die elastischen Eigenschaften der Düse oder des Verschlusses können jedoch nicht nur durch die bereits erläuterte Formgebung von Kernstück und Hülse erzielt werden, sondern in manchen Gebrauchsfällen wird es zweckmässig sein, diese elastischen Eigenschaften durch die gewählte Formgebung nicht unverändert zu lassen. In diesem Falle, bei dem man sozusagen während des Betriebes die elastischen Eigenschaften und damit das Öffnungsgesetz ändern will, erhält das Kernstück l in seinem äusseren Durchmesser unterhalb seines Gewindes 13 (an Stelle des Gewindes 13 kann auch eine andere zweckentsprechende Befestigungsart gewählt werden) bzw. unterhalb der Kontur 8 - also im allgemeinen auch im Bereich der Querbohrung 3 und des Spaltes 4 - eine konische Form.
Die Hülse 7 muss in diesem Bereich dieser Formgebung Rechnung tragen, indem sie dieser konischen Form ganz oder nur teilweise folgt. Durch Verschieben der Hülse 7, beispielsweise mit Hilfe des Gewindes 13, kann dann die Spannung der Hülse 7 auf dem Kernstück 1 verändert werden (vgl. Fig. 5, die eine entsprechende Ausbildung zu dem Ausfüh- rungsbeispiel Fig. 3 der selbsttätigen Düse oder des Verschlusses zeigt).
In den Fig. 2a und 2d sind beispielsweise verschiedene Ausführungsformen für den Spalt 4 und damit für die Form des austretenden Stoffes gegeben. Die bereits in Fig. l verwendeten Bezeichnungen sind beibehalten.
Fig. 2a ist eine Ansicht von unten des in Fig. 1 im Querschnitt gezeichneten Ausführungsbeispiels.
Wegen der gleichartigen Bezeichnungen ist eine weitere Erläuterung nicht mehr erforderlich.
Fig. 2b ist ebenfalls eine Ansicht von unten, aber als Beispiel mit einem verkürzten Spalt 4, der nicht über den ganzen Durchmesser des elastischen Kernstückes 1 geht. Dementsprechend ist die Querbohrung 3 ebenfalls verkürzt (Einzelheiten der technischen Herstellung sind nicht wiedergegeben), damit diese der Verteilung des durchzutreibenden Stoffes dienende Bohrung nicht in jene Endteile 14 des Spaltes drückt, durch den kein Stoff mehr austreten soll. Um dieses Ziel zu erreichen, muss ausserdem zwischen dem verkürzten Spalt 4 und den Endspalten 14 je eine dichtschliessende Fuge 15 gebildet werden, die die Bewegung der elastischen Öffnung des Spaltes 4 nicht hindert, aber einen Übertritt des durchzutreibenden Stoffes in die Endspalten 14 unterbindet.
Fig. 2c ist ebenfalls eine Ansicht von unten und zeigt beispielsweise eine weitere Art der verschiedenen möglichen geometrischen Formen des Austrittsendes des Spaltes 4 von Fig. 1 in Gestalt eines Spaltes, der die geraden Endteile 16a und ein gewölbtes Mittelteil 16b aufweist. Hiebei kann das Mittelteil 16b bei seinem Beginn an der Querbohrung 3 mit den Endteilen 16a eine gerade Linie bilden, um bis zum Austritt die gewölbte Form zu erreichen. Dadurch bekommt der Spaltteil 16b in Richtung von Querbohrung 3 nach unterer Endebene 5 eine Neigung gegenüber der Längsachse des Kernstückes 1 (vgl. Fig. 1 und 2d), was eine entsprechende Strahlform des austretenden Stoffes bewirkt.
Es kann aber beispielsweise die Form des Spaltes 16a/b in der Endebene 5 auch bereits vollständig bei Beginn in der Querbohrung 3 ausgebildet sein, so dass der Strahl vollständig in Richtung der Längsachse des Kernstückes 1 austritt, obwohl er in sich teilweise gewölbt ist.
Fig. 2d ist wieder ein Querschnitt durch den unteren Teil der Düse und des Verschlusses entsprechend Fig. 1, jedoch mit dem Unterschied, dass der Spalt 4 eine durchgehende gleichmässige Neigung gegen- über der Längsachse des Kernstückes 1 besitzt, wie es bereits für den mittleren Teil des Spaltes in der Form der Fig. 2c (Spaltteil 16b) bei einer bestimmten Abart zutreffen kann. 11 diese Bauart ist die Möglichkeit eingeschlossen, z. B. einen zweiten Strahl im entgegengesetzten gleich grossen oder andern Winkel austreten zu lassen. Dazu ist lediglich das Kernstück 1 entsprechend zu unterteilen und baulich zu vereinen.
Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Düse oder des Verschlusses mit einem unelastischen Kernstück 17 und einer elastischen Hülse 18, auf die im Anschluss an die zentrale Zuführüngsbohrung 2 durch mehrere über den Umfang verteilte radiale Bohrungen 19 und die äussere Rille 20, in die alle Bohrungen 19 aussen enden, ein derart gleichmässiger Druck von dem durchzutreibenden Stoff ausgeübt wird, dass sich dadurch ein gleichmässiger Ringspalt zwischen Kernstück 17 und Hülse 18 durch die allseitige gleichmä- ssige Dehnung der Hülse 18 bildet und der durchzutreibende Stoff an der Stelle 21 in ringförmiger Art austritt. Dabei kann die elastische Hülse 18 das Kernstück 17 auf seiner axialen Länge ganz oder teil-
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weise umschliessen.
Diese derart erfindungsgemäss ausgebildete Düse oder Verschluss sichert den gleich- mässigen Austrittsspalt auch bei sehr plötzlichen Druckanstiegen auf den durchzutreibenden Stoff, wie er z. B. bei den Einspritzvorgängen bei Brennkraftmaschinen auftritt.
Zur Begrenzung des sich bildenden Spaltes an der Stelle 21 ist eine Kappe 22 vorgesehen, die im Durchmesser so gehalten ist, dass sich ein verhältnismässig grosser Abstand zur elastischen Hülse 18 ergibt. Die Begrenzung, die ihren bestimmten Einfluss auf die Strahlform hat, wird durch den am freien Ende der Kappe nach innen gebogenen Wulst oder Flansch erzielt, wobei der innere Durchmesser dieses Wulstes oder Flansches und das Mass des grössten vorgesehenen Spaltes grösser sind als der äussere Durchmesser des freien Endes der elastischen Hülse 18. Die Kappe 22 kann beispielsweise in der Überwurfmutter 23 befestigt sein, die die elastische Hülse 18 auf dem unelastischen Kernstück 17 festhält.
Durch Änderungen der Zwischenlage 24 kann das freie Ende der elastischen Hülse 18 genau mit der freien Endebene des unelastischen Kernstückes 17 abschliessen oder vorher enden oder darüber hinausragen. In jedem Fall wird durch diese Lage wiederum eine andere geometrische Form des austretenden Strahles erzielt. Eine innere Kuhlung der Düse oder des Verschlusses kann durch Bohrungen 25 und einen Hohlraum 26 eingebaut werden, wobei der Hohlraum 26 gegebenenfalls durch eine zweckentsprechende mehrteilige Ausführung des Kernstückes 17 erzielt werden kann.
Fig. 4 ist eine Ansicht der Schnittebene AA von Fig. 3 mit den gleichen Bezeichnungen der dargestellten Elemente.
Fig. 5 zeigt eine andere, u. zw. konische Ausführungsform des freien Endes vom Kernstück 17 und Hülse 18. Bei der dargestellten konischen Erweiterung wird dem austretenden Strahl eine entsprechende Richtung verliehen und soseine Form beeinflusst. es kann aber auch eine konische Verengung gewählt werden mit entsprechendem Einfluss auf die Strahlform. Wird eine konische Form gewählt, ergibt sich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sofort die Möglichkeit, durch entsprechende Verschiebung der elastischen Hülse 18 die Spannkräfte und damit die erforderlichen Überdrücke für den durchzutreibenden Stoff zu ändern.
Durch die Wahl der Form des Kernstückes (zylindrisch oder konisch) kann neben der genannten Lage am freien Ende des Kernstückes 17 und der Hülse 18 zueinander ein weitgehender Einfluss auf die geometrische Form des austretenden Strahles ausgeübt werden. Der austretende Strahl kann je nach der Dauer seines Austritts rauchringförmig sein, u. zw. mit einer Tendenz, den Durchmesser beizubehalten oder zu erweitern oder zu verengen ; es kann auch ein mehr oder weniger langer StrahlHohlzylinder oder Strahl-Mantel eines abgestumpften Kegels entstehen, wobei der stets ringförmige Querschnitt entsprechend dem Widerstand des Mediums, in das der Strahl eintritt, die Neigung hat, sich zu verdicken bzw. zu zerstreuen.
Die Mantelform eines abgestumpften Kegels für den austretenden Stoff kann auch durch ein entsprechendes Vorsatzstück 27 erzielt werden, wie in Fig. 6 verdeutlicht ist. Dabei wird wegen des Aufpralles des austretenden Stoffes auf diesen Kegel, der unmittelbar in oder unterhalb der Ebene des Austrittsspaltes beginnen kann, eine zusätzliche Wirkung auf die endgültige Strahlform ausgeübt, die in manchen Fällen entscheidend für die zweckmässige Anwendung der selbsttätigen Düse oder des Verschlusses ist. Das Vorsatzstück 27 braucht jedoch nicht, wie dargestellt, eine einheitliche Form zu besitzen, sondern kann sowohl radial als axial andere Umrisslinien erhalten, wodurch eine andere gewünschte Form des austretenden Strahles erzeugt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Selbsttätige Düse zum Zerstäuben flüssiger Stoffe unter hohem Druck und hoher Temperatur, insbesondere Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen, Feuerungen, Brennkammern od. dgl., welche ein Kernstück und eine dasselbe umschliessende Hülse aus einem wärmewiderstandsfähigen Werkstoff, vorzugsweise Metall, aufweist, wobei mindestens der eine der beiden Teile elastisch ausgebildet ist, so dass sich ein Spalt für den Durchtritt des Mediums in Abhängigkeit vom inneren Überdruck desselben infolge der Elastizität des Werkstoffes ändert, dadurch gekennzeichnet, dass bei fehlendem Überdruck des Mediums die den Spalt bildenden Teile, insbesondere Hülse und Kernstück,
unter Schliessung des Durchtrittsspaltes mit Vorspannung dicht aufeinanderliegen und erst bei einem bestimmten Überdruck des Mediums den sich quer oder ringförmig erstreckenden Spalt freigeben.