DE102014000105A1

DE102014000105A1 - "Vorrichtung zum Versprayen von Flüssigkeit in einen Betriebsraum"

Info

Publication number: DE102014000105A1
Application number: DE102014000105.9A
Authority: DE
Inventors: Arthur Handtmann; Stefan Schneider; Sebastian Franz
Original assignee: KW Technologie GmbH and Co KG
Current assignee: KW Technologie GmbH and Co KG
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-07-17
Also published as: WO2014108338A1; EP2943679A1; EP2943678B1; DE102014000103A1; EP2943678A1; CN104919174A; BR112015015682A2; EP2943680A1; BR112015016188A2; WO2014108340A1; DE102014000104A1; CN104919173A; US20150354518A1; US20150345453A1; WO2014108339A1

Abstract

Es wird eine 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 (7) wenigstens teilweise aufeinander prallender Flüssigkeitsstrahlen vorgesehen ist, so dass im Wesentlichen ein Fächerstrahl erzeugbar ist, dessen Ausdehnung in einer Fächerebene größer oder wenigstens doppelt so groß ist als in Querrichtung zu dieser Fächerebene, wobei ein Düsenkörper (1) der Mehrfachstrahldüse (1) wenigstens die beiden Strahlkanäle (2, 3) umfasst, vorgeschlagen, womit ein möglichst stabiler bzw. kontrollierter Fächerstrahl erzeugt wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Abstand (A) des Düsenkörpers (1) von der Prallzone (7) und/oder einem Kollisionspunkt (7) der wenigstens teilweise aufeinander prallenden Flüssigkeitsstrahlen zwischen 0 Millimeter (mm) und dem 15-Fachen eines Durchmessers (D) des/der Strahlkanäle (2, 3) ist.

Description

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
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.
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.
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. Durch die flache Fächerstrahlerzeugung kann eine räumliche Anpassung an den Brennraum erfolgen. Hiermit soll möglichst eine definierte und kontrollierte Verbrennung im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, was für die Verbrennung und somit für die Abgaszusammensetzung von entscheidender Bedeutung ist.
Darüber hinaus ist gemäß der EP 2 505 820 der Anmelderin bereits ein Injektor mit mehreren Mehrfachstrahldüsen bekannt, wobei zwischen den Strahlkanälen bzw. Flüssigkeitsstrahlen ein Versatz vorgesehen ist, mit Hilfe dessen die Orientierung der Fächerebene eingestellt wird. Hiermit kann u. a. eine räumliche Anpassung an etwas komplexer ausgebildete Brennräume mit Auswölbungen oder Aussparungen etc. vorgenommen werden.
Es hat sich bei bisherigen Mehrfachstrahldüsen jedoch gezeigt, dass diese in Betrieb aufgrund kleinster Schwankungen bzw. Toleranzen der Rahmenbedingungen Fächerstrahlen erzeugen, die nicht vollständig stabil im Raum ausgebildet werden. Dies betrifft einerseits die Orientierung der Fächerebene, d. h. die Fächer drehen sich zum Teil unkontrolliert bzw. chaotisch um ihre Mittelachse, und andererseits betrifft dies die Länge, Breite und/oder Tiefe des Fächerstrahls, d. h. die räumliche Ausdehnung variiert unkontrolliert. Hierdurch können zum Beispiel durchaus auch Flüssigkeitstropfen bzw. Fächerstrahlen (kurzzeitig) eine Wand des Brennraums berühren, was sich jedoch nachteilig für die Verbrennung auswirkt.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zum Vernebeln oder Versprayen oder Einspritzen von Flüssigkeit in einen Betriebsraum, insbesondere zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, vorzuschlagen, womit ein möglichst stabiler bzw. kontrollierter Fächerstrahl erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass ein Abstand (A) des Düsenkörpers und/oder eines Austritts des Flüssigkeitsstrahls aus dem Düsenkörper und/oder eines Strahlkanalendes von der Prallzone und/oder von einem Kollisionspunkt der wenigstens teilweise aufeinander prallenden Flüssigkeitsstrahlen und/oder von einem Schnitt-/Kreuzungspunkt der Längsachsen der Strahlkanäle im Wesentlichen zwischen 0 mm und dem 15-Fachen eines Durchmessers (D) des/der Strahlkanäle ist, wobei der Düsenkörper der Mehrfachstrahldüse wenigstens die beiden Strahlkanäle umfasst. Das heißt insb. 0 ≤ A ≤ 15 × D. Bei Verbrennungsmotoranwendungen insbesondere für Motorräder, PKW, LKW oder dergleichen ist der Abstand (A) vorzugsweise etwa zwischen 0 und 0,9 Millimetern.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Stabilität des Fächerstrahls nur sehr wenig, wenn überhaupt z. B. von einem Einspritzdruck und/oder einem Gegendruck im Betriebsraum bzw. der Brennkammer abhängig ist. Hierfür mussten unzählige Versuche mit unterschiedlichsten Parametervariationen durchgeführt werden, um diesen vorteilhaften Abstand des Kollisionspunktes bzw. der Prallzone ermitteln zu können. Es hat sich hierbei gezeigt, dass gerade der erfindungsgemäße Abstand von bedeutendem Einfluss ist, um eine stabile und reproduzierbare Kollision in der Prallzone bzw. eine stabile und reproduzierbare Fächerstrahlausformung zu generieren.
Ein stabiler und reproduzierbarer Fächerstrahl ist für zahlreiche Anwendungsfälle, insbesondere beim Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors oder dergleichen, von entscheidender Bedeutung ist. So konnte ermittelt werden, dass beispielsweise die Temperatur des Kraftstoffs oder ein nahezu exakt eingestellter Druck der Flüssigkeit bzw. des Kraftstoffs oder der Gegendruck im Betriebsraum etc. überraschenderweise für die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Fächerstrahls in der Praxis von untergeordneter Bedeutung sind.
Vorzugsweise ist der Abstand im Wesentlichen zwischen dem 3-Fachen und dem 5-Fachen des Durchmessers (D) des/der Strahlkanäle. Bei Verbrennungsmotoranwendungen insbesondere für Motorräder, PKW, LKW oder dergleichen ist der Abstand (A) in vorteilhafter Weise zwischen 0,5 und 0,7 mm. In diesem Bereich wird eine besonders vorteilhafte Kollision der Flüssigkeitsstrahlen generiert, wobei die Flüssigkeitsstrahlen im Wesentlichen noch als einheitlicher Strahl ausgebildet sind und nicht wie beim Stand der Technik zum Teil einzelne mehr oder weniger große Tröpfchen sich von diesen abgelöst haben. Dementsprechend kontrolliert findet der Zusammenprall der beiden Flüssigkeitsstrahlen statt, sodass eine hohe Stabilität des erzeugten Fächerstrahls realisiert wird.
Vorteilhafterweise ist ein Verhältnis von einer Länge (L) des/der Strahlkanäle in Bezug zu einem Kanaldurchmesser (D) des/der Strahlkanäle größer als 5 (V = L/D). Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch ein derartiges L/D-Verhältnis die Strahlstabilität des Fächerstrahles zusätzlich verbessert wird. So hat sich mittels unzähliger Versuche herauskristallisiert, dass weder die Länge des/der Strahlkanäle, noch der Durchmesser des/der Strahlkanäle jeweils für sich alleine von besonderer Bedeutung ist, sondern vielmehr das vorteilhafte Verhältnis der Länge zum Durchmesser des/der Strahlkanäle.
Die mit vorgenanntem L/D-Verhältnis generierten, im Wesentlichen stabilen Flüssigkeitsstrahlen kollidieren in vorteilhafter Weise mit definierten Kollisionsbedingungen in der Prallzone bzw. im Kollisionspunkt, sodass ein definierter und sehr stabiler Fächerstrahl generiert wird.
Vorteilhafterweise ist das Verhältnis (V = L/D) im Wesentlichen zwischen 5 und 10, vorzugsweise im Wesentlichen 7. Gerade bei einer Verwendung der Vorrichtung für die Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors oder dergleichen sind derartige Verhältnisse von Länge zum Durchmesser des Strahlkanals von besonderer Bedeutung für die Stabilität des gebildeten Fächerstrahls bzw. beim Zusammentreffen der Flüssigkeitsstrahlen.
Beispielsweise sind Kanaldurchmesser im Wesentlichen zwischen ca. 80 und 250 Mikrometer, vorzugsweise ca. 120 μm, von Vorteil, insbesondere für Motorräder, PKW, LKW oder dergleichen. Darüber hinaus sind zum Beispiel bei Schiffdieselmotoren oder dergleichen Kanaldurchmesser von bis etwa 2 Millimetern denkbar.
Bei Dieselmotoren wird bislang in der Praxis Dieselkraftstoff mittels einer Einzeldüse bei einem Druck von ca. 2000 bar in den Brennraum eingespritzt. Gemäß der Erfindung ist ein Druck der Flüssigkeit der Flüssigkeitsstrahlen dagegen kleiner als ca. 500 bar. Hierdurch wird im Vergleich zum zuvor genannten Stand der Technik bei Dieseleinspritzungen ein erheblich geringerer Druck benötigt. Dies wirkt sich vorteilhaft einerseits auf die konstruktive Dimensionierung der benötigten Komponenten aus, vor allem auch auf den Aufwand bzgl. Dichtungsmaßnahmen oder Dichtungselemente. Andererseits kann hierdurch eine erhebliche Energieeinsparung, nämlich durch die geringere Druckbeaufschlagung, realisiert werden.
Vorteilhafterweise weist wenigstens einer der Strahlkanäle oder alle Strahlkanäle einen positiven Konizitätsfaktor (K) auf, wobei der Konizitätsfaktor K = (D_innen – D_außen)·100/L ist, wobei in Strömungsrichtung der Flüssigkeit betrachtet D_innen ein Eintritts- oder Innen-Durchmesser und D_außen ein Austritts- oder Außen-Durchmesser des/der Strahlkanäle und wobei L die Länge des/der Strahlkanäle ist. Alternativ oder in Kombination hierzu ist eine Eintrittsquerschnittsfläche des/der Strahlkanäle größer als eine Austrittsquerschnittsfläche des/der Strahlkanäle, wobei der Eintrittsquerschnitt des/der Strahlkanäle in Strömungsrichtung der Flüssigkeit betrachtet vor dem Austrittsquerschnitt angeordnet ist. Der Austrittsquerschnitt ist in vorteilhafter Weise ein (lichter) Abschnitt/Teil einer (äußeren) Hüllfläche bzw. Mantelfläche des Düsenkörpers.
Mit Hilfe dieser Maßnahmen wird ein Strahlkanal in vorteilhafter Weise derart dimensioniert, dass dieser sich in Strömungsrichtung verjüngt bzw. konisch konvergent ausgebildet ist. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass hiermit eine die Strahlstabilität zusätzlich verbessert wird. So werden Strahlen generiert, die nach dem/vom Austritt aus dem Düsenkörper bis zur Prallzone bzw. einem Kollisionspunkt der Strahlen weitestgehend stabil bleiben, d. h. insb. ohne aufzubrechen bzw. ohne dass vereinzelt/teilweise einzelne Tröpfchen oder dergleichen sich abtrennen/ablösen.
Dies stellt eine Abkehr des bisherigen Stands der Technik dar, bei dem in Strömungsrichtung der Flüssigkeit bzw. des Kraftstoffs nicht wie vorliegend verjüngende Strahlkanäle vorgesehen sind, sondern sich erweiternde bzw. konisch divergente Strahlkanäle verwendet wurden. Überraschenderweise konnte erst durch die Abkehr der bisherigen Strahlkanalaufweitung eine Stabilisierung und somit eine deutliche Verbesserung bezüglich der Fächerstrahlstabilität im Betrieb von vorteilhaften Mehrfachstrahldüsen erreicht werden.
Vorzugsweise ist der Konizitätsfaktor im Wesentlichen zwischen 1,5 und 3,0. Mit Hilfe einer derart vorteilhaften Ausbildung des Konizitätsfaktors konnten besonders stabile Fächerstrahlbedingungen generiert werden. Dies ist gerade bei Kraftstoffanwendungen beim Einspritzen in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors von Bedeutung. Hierbei konnte beispielsweise eine vergleichsweise stabile Länge, Breite sowie Tiefe des erzeugten Fächerstrahls im Betrieb generiert werden. Dementsprechend klare und vor allem reproduzierbare Verbrennungsverhältnisse können hiermit realisiert werden. Dies wirkt sich in besonderem Maß vorteilhaft auf die erreichbaren (durchschnittlichen) Abgaswerte und/oder den Kraftstoffverbrauch aus.
So werden Strahlen generiert, die nach dem/vom Austritt aus dem Düsenkörper bis zur Prallzone bzw. einem Kollisionspunkt der Strahlen weitestgehend stabil bleiben, d. h. insb. ohne aufzubrechen bzw. ohne dass vereinzelt/teilweise einzelne Tröpfchen oder dergleichen sich abtrennen/ablösen.
Vorteilhafterweise ist ein Winkel zwischen den beiden Flüssigkeitsstrahlen im Wesentlichen zwischen 20° und 80°. Innerhalb dieses Winkelbereichs hat sich gezeigt, dass zum einen eine besonders vorteilhafte Zerstäubung und Fächerstrahlausformung durch den Zusammenprall der beiden Flüssigkeitsstrahlen generiert wird und zum anderen, dass keine nachteilige Rückstrahlung generiert wird. Eine entsprechende Rückstrahlung der aufeinander prallenden Flüssigkeitsstrahlen würde zu einer nachteiligen Verdampfung im Betriebsraum bzw. zu einem Kontakt der Flüssigkeit mit einer Wand des Betriebsraumes führen, d. h. in diesem Fall vor allem des Düsenkörpers. Dies wäre gerade bei Kraftstoffanwendungen in Verbrennungsmotoren von erheblichem Nachteil.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist ein Versatz zwischen Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen in der Prallzone vorgesehen. Es hat sich gezeigt, dass durch einen Versatz der Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen die Orientierung der Fächerebene eingestellt bzw. planmäßig gedreht werden kann. Hiermit kann eine vorteilhafte Anpassung des erzeugten Sprays an den Betriebsraum bzw. dessen Ausformung verwirklicht werden. Beispielsweise können bei Verbrennungsmotoranwendungen eine Aussparung im Bereich von Ein- und/oder Auslassventilen oder dergleichen realisiert werden.
Als Herstellungsverfahren für die Strahlkanäle können unterschiedlichste Bearbeitungsverfahren vorgesehen werden. Einerseits kann eine spanende Bearbeitung mittels Bohren vorgesehen werden. Beispielsweise wird mittels des spanabhebenden Bohrverfahrens eine zylindrische Form des Strahlkanals verwirklicht, aber auch eine konische Ausführungsform des Strahlkanals ist möglich.
Andererseits kann auch ein Bohrerosionsverfahren, insbesondere ein so genannten funkenerosives Bohren, vorgesehen werden. Hierbei können in vorteilhafter Weise sämtliche elektrisch leitende Werkstoffe unabhängig von ihrer Härte und Festigkeit bearbeitet werden. Auch hiermit können konisch ausgebildete Strahlkanäle realisiert werden, insbesondere mit Hinterschneidungen, das heißt insbesondere auch von außen hergestellte Strahlkanäle, die sich nach außen hin (konisch) verjüngen.
Beispielsweise kann auch ein Elektronenstrahl-Bohren, insbesondere für ein stirnseitiges Bohren, oder auch ein Wasserstrahl-Bohren sowie ein Ionenstrahl-Bohren ggf. mit einem Beschichten entsprechend vorgesehen werden.
Vorzugsweise wird ein Laserbohrverfahren vorgesehen. Hier wird mit Hilfe wenigstens eines vorteilhaften Lasers lokal in vorteilhafter Weise Energie in das Werkstück eingebracht, so dass der Werkstoff entfernt wird, insb. ionisiert und verdampft. Das Laserbohren ermöglicht einen hohen Automatisierungsgrad und besonders exakte Bearbeitungsmaße sowie komplexere Geometrien. So sind auch konische Bohrungen, Hinterschneidungen oder auch sehr komplexe Querschnittsformen und/oder Längsschnitte realisierbar.
Weiterhin kann eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit Hilfe eines Mikrolasersinter-Verfahrens hergestellt werden. Hierbei werden die Werkstückformen mittels Sinterverfahren generiert, wobei die entsprechenden Kanäle/Bohrungen beim Herstellen des Werkstücks generiert bzw. ausgelassen werden. Entsprechend komplexe Geometrien, Hinterschneidungen oder dergleichen sind hierbei in beliebiger Weise möglich. Ausgangswerkstoffe sind üblicherweise sehr feinkörnige bzw. pulverförmige Werkstoffe, die in vorteilhafter Weise mittels Laserstrahlen miteinander verbunden bzw. gesintert werden. Vorzugsweise wird der Düsenkörper schichtweise hergestellt, wobei die Bohrungen bzw. Aussparungen oder dergleichen entsprechend frei bzw. ohne Materialauftrag bleiben.
Darüber hinaus kann in vorteilhafter Weise zur Herstellung der Vorrichtung gemäß der Erfindung, insbesondere zur Nachbearbeitung und/oder Kalibrierung vor allem der Strahlkanäle, eine so genannte hydroerosive Bearbeitung bzw. ein hydroerosives Schleifen als ein abtragendes Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Hierbei werden sehr kleine Schleifpartikel in einer Flüssigkeit eingebracht und mit hohem Druck von bis zu 120 bar durch das Werkstück bzw. den Düsenkörper gepumpt. Mit diesem Verfahren können die Bohrungen/Strahlkanäle in vorteilhafter Weise auf den vorgesehenen Querschnitt bzw. Durchmesser eingestellt werden. In vorteilhafter Weise werden hierbei die Strahlkanäle vor allem im Bereich des Eintritts verrundet, sodass im Betrieb eine vorteilhafte Strömung der Flüssigkeit zum/durch den Strahlkanal generiert wird. Beispielsweise wird bei der Herstellung des Düsenkörpers eine Verrundung von 3% bis 15 bezogen auf den maximalen Durchfluss durch den Strahlkanal vorgesehen.
Im Allgemeinen weisen im Sinn der Erfindung die Strahlkanäle bzw. die Flüssigkeitsstrahlen Mittelachsen bzw. zentrale Längsachsen auf, die beispielsweise bei einer Ausbildung von zylindrischen Strahlkanälen exakt die mittige Symmetrieachse darstellen. Bei entsprechend kegel- bzw. kegelstumpfförmigen Stahlkanälen ist die Mittelachse bzw. zentrale Längsachse ebenfalls die mittige Symmetrieachse.
Bei Strahlkanälen mit gegebenenfalls nicht symmetrischem Querschnitt, beispielsweise bei einem elliptischen Querschnitt oder dergleichen, ist im Sinn der Erfindung die Mittelachse bzw. die zentrale Achse im Wesentlichen die Verbindung der Flächenschwerpunkte einzelner, paralleler Querschnitte, insbesondere zwischen Eintrittsfläche sowie Austrittsfläche und deren Flächenschwerpunkte. Diese Querschnitte sind vorzugsweise parallel zur durch den/die Strahlkanäle unterbrochene Hüllfläche bzw. Mantelfläche des Düsekörpers ausgebildet oder jeweils eine (lichte) Teilfläche von der inneren oder der äußeren durch den/die Strahlkanäle unterbrochene Hüllfläche bzw. Mantelfläche. Hierbei umfassen die innere und die äußere Mantelfläche/Hüllfläche des Düsenkörpers den jeweiligen lichten Querschnitt des Strahlkanals am Eintritt bzw. am Austritt der Flüssigkeit.
Die lichte bzw. freie Querschnittsfläche des Strahlkanals am Eintritt der Flüssigkeit in den Düsenkörper bildet im Sinn der Erfindung den Eintrittsquerschnitt aus bzw. umfasst in vorteilhafter Weise den so genannten Eintritts-Innendurchmesser. Entsprechend weist die lichte bzw. freie Querschnittsfläche des Düsenkörpers am Austritt, das heißt an der Stelle des Düsenkörpers, an der die Flüssigkeit den Düsenkörper verlässt bzw. austritt, im Sinn der vorliegenden Erfindung die Austritts-Querschnittsfläche auf bzw. umfasst in vorteilhafter Weise den Austritts-Außendurchmesser des Strahlkanals. Dementsprechend ist bei einem sich verjüngenden Stahlkanal in Strömungsrichtung der Flüssigkeit im Sinn der Erfindung die lichte Austritts-Querschnittsfläche bzw. der Austritt-Außendurchmesser kleiner als die lichte Eintritts-Querschnittsfläche bzw. der Eintritts-Innendurchmesser des jeweiligen Strahlkanals.
Im Sinn der Erfindung ist die Länge L des Strahlkanals derart definiert, dass die beiden lichten Querschnittsflächen bzw. die Hüllflächen/Mantelflächen des Düsenkörpers jeweils den Anfang und das Ende der Länge des Strahlkanals bilden. Das bedeutet, dass die lichte Mantelfläche des Düsenkörpers bzw. der entsprechende jeweilige Flächenschwerpunkt des Eintritts- und des Austrittsquerschnitts die Länge im Sinn der Erfindung definieren.
Entsprechend wird der jeweilige Durchmesser D des Strahlkanals im Sinn der Erfindung als Durchmesser der lichten Querschnittsfläche am Eintritt bzw. am Austritt der Flüssigkeit in/aus dem Düsenkörper/Strahlkanal definiert.
Im Fall eines sich verjüngenden Strahlkanals ist der Durchmesser D im Sinn der Erfindung der kleinste Durchmesser des Strahlkanals. Das bedeutet, dass dieser vorzugsweise der Außendurchmesser bzw. der Austrittsdurchmesser des Strahlkanals ist. Dieser Außendurchmesser bzw. Austrittsdurchmesser liegt in der lichten Querschnittsfläche des Düsenkörpers und/oder ist im Sinn der Erfindung üblicherweise ein Teil/Abschnitt der äußeren Hüllfläche bzw. Mantelfläche des Düsenkörpers.
Weiterhin ist im Sinn der Erfindung der Abstand A einerseits durch das Ende der Länge L des Strahlkanals begrenzt. Das bedeutet, dass der Abstand A begrenzt ist durch die von dem/den Strahlkanälen unterbrochenen Hüllfläche bzw. Mantelfläche des Düsenkörpers, insbesondere des Flächenschwerpunkts des lichten Querschnitts des Strahlkanals am Austritt der Flüssigkeit aus dem Düsenköper. Andererseits ist der Abstand A durch die Prallzone und hierbei vorzugsweise exakt durch den Kreuzungs-/Kollisionspunkt der Strahlen bzw. den Längssachen der Strahlkanäle definiert/begrenzt.
Im Fall von windschiefen Mittelachsen bzw. Längsachsen zweier Strahlkanäle und/oder Flüssigkeitsstrahlen wird im Sinn der Erfindung das ”zweite Ende” des Abstands A vom Düsenkörper durch die so genannte „Minimaltransversale” bzw. das so genannten „Gemeinlot” gebildet. Hierbei definiert vorzugsweise die Mitte des Gemeinlotes bzw. der Minimaltransversale den geometrischen Endpunkt des Abstands A im Sinn der Erfindung. Das Gemeinlot bzw. die Minimaltransversale ist die eindeutig bestimmbare Strecke kleinster Länge, die zwei windschiefe Geraden bzw. die Längsachsen der Strahlkanäle oder der Flüssigkeitsstrahlen verbindet. Das Gemeinlot bzw. die Minimaltransversale steht auch senkrecht auf beiden Geraden/Längsachsen.
Dementsprechend ist die Länge des Abstands A einerseits durch das Ende der Länge L der Strahlkanäle und andererseits durch den Kreuzungs-/Schnittpunkt der entsprechenden Geraden bzw. Längsachsen der Flüssigkeitsstrahlen und/oder der Strahlkanäle oder bei sich nicht kreuzenden, d. h. windschiefen Geraden/Längasachsen durch das Gemeinlot bzw. dessen Mitte im Sinn der Erfindung exakt festgelegt.
Im Fall von drei oder mehr Strahlkanälen bzw. Flüssigkeitsstrahlen, die in einer Prallzone zusammen prallen bzw. treffen, kann einerseits ein einziger Kollisionspunkt erzeugt werden. Andererseits ist durchaus auch denkbar, dass zwei oder sogar mehrere Kollisionspunkte in der Prallzone vorhanden sind. Im Sinn der Erfindung soll im letztgenannten Fall dann der Abstand A in vorteilhafter Weise durch den Endpunkt der Länge L des Strahlkanals und durch die geometrische Mitte zwischen entsprechenden Kollisionspunkten bzw. zwischen entsprechenden Gemeinlote oder deren jeweilige Mitte definiert/begrenzt werden, was in diesem Fall zugleich als Mitte der Prallzone definiert ist.
Generell erstreckt sich der jeweilige Abstand A im Sinn der Erfindung längs der Mittelachse bzw. der zentralen Längsachse des/der jeweiligen Strahlkanäle. Im Fall verschieden winklig ausgebildeter und/oder unterschiedlich langer, sich längs der Längsachse des jeweiligen Strahlkanals erstreckender Entfernungen bzw. Abstände zwischen Düsenkörper/Austritt und Prallzone/Kreuzungspunkt/Gemeinlot ist der jeweils längste.
Abstand der Abstand A im Sinn der Erfindung.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
Im Einzelnen zeigt:
1 einen schematischen Querschnitt durch einen Düsenkörper mit zwei erfindungsgemäßen Strahlkanälen, wobei die Strahlen in einem Abstand A miteinander kollidieren und
2 einen schematischen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Düsenkörper, wobei zwei Strahlen unmittelbar am Austritt des Düsenkörpers kollidieren.
In 1 ist ein Düsenkörper 1 schematisch im Querschnitt dargestellt, wobei zwei Strahlkanäle 2 und 3 vorgesehen sind.
Ein Hohlraum 4 bzw. ein Innenraum 4 des Düsenkörpers 3 wird im Betrieb mit einer Flüssigkeit befüllt, wobei die Flüssigkeit im Betrieb bzw. zum Versprayen der Flüssigkeit mit einem Druck p beaufschlagt wird. Vorzugsweise ist der Druck p kleiner als 500 bar.
Die nicht näher in 1 dargestellte Flüssigkeit strömt vom Innenraum 4 durch die Strahlkanäle 2, 3, jeweils an einem Eintritt 5 ein und tritt aus dem Strahlkanal 2, 3 an einem Austritt 6 aus dem Düsenkörper 1 nach außen hinaus. Die Strahlkanäle 2, 3 generieren jeweils einen Flüssigkeitsstrahl, die in einem Winkel α zueinander ausgerichtet sind. In der Ausführungsform gemäß 1 treffen die beiden Flüssigkeitsstrahlen in einem Kollisionspunkt 7 aufeinander und generieren einen Fächerstrahl im Sinn der Erfindung.
Vorliegend wird gemäß dem Ausführungsbeispiel von einem jeweils konisch ausgebildeten Strahlkanal 2, 3 ausgegangen. Das bedeutet, dass die beiden Strahlkanäle 2, 3 jeweils eine Längs-/Mittelachse 8 aufweisen, die gemäß Ausführungsvariante hier zentral als Symmetrieachse 8 des jeweiligen Strahlkanals 2, 3 ausgebildet sind. Vorliegend treffen die beiden Mittelachsen 8 am Kollisionspunkt 7 unter einem Winkel α aufeinander.
Der jeweilige Eintritt 5 umfasst einen lichten Querschnitt bzw. eine lichte Querschnittsfläche, der/die als Teil einer (gebogenen) inneren Hüllfläche bzw. Mantelfläche des Düsenkörpers 1 im Sinn der Erfindung definiert ist. Entsprechend ist ein Austritt 6 als lichter Querschnitt bzw. lichte Querschnittsfläche einer (gebogenen) äußeren Mantelfläche des Düsenkörpers 1 bzw. der Hülle des Düsenkörpers 1 ausgebildet. Der Eintritt 5 bzw. der Austritt 6 umfasst jeweils einen Durchmesser D des Strahlkanals 2, 3 im Sinn der Erfindung. Der Durchmesser D kann einerseits ein Innendurchmesser D_innen, der am Eintritt 5 des Strahlkanals 2, 3 vorhanden ist, und/oder andererseits ein Außendurchmesser D_außen sein, der am Austritt 6 des Strahlkanals 2, 3 vorhanden ist.
Der Durchmesser D kann in Bezug auf die jeweilige lichte Querschnittsfläche im Sinn der Erfindung als ein kleinster Durchmesser D der jeweiligen lichten Querschnittsflächen oder als ein (geometrisch) mittlerer Durchmesser D der lichten Querschnittsfläche ausgebildet sein.
Da es sich vorliegend beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 um einen kegelstumpfförmigen Strahlkanal 2, 3 handelt, ist aufgrund der in Bezug auf den Düsenkörper 1 bzw. dessen innere und/oder äußere Mantelfläche/Hülle ausgerichteten, schrägen bzw. winkligen Orientierung der beiden Strahlkanäle 2, 5 ein elliptischer Eintritt 5 sowie ein elliptischer Austritt 6 vorhanden. Der vorteilhafte Durchmesser D bzw. D_innen bzw. D_außen ist im Sinn der Erfindung der jeweils kleinere Durchmesser D des Strahlkanals 2, 3. D. h. beim in Strömungsrichtung der Flüssigkeit (von innen nach außen) sich verjüngenden/verkleinernden Strahlkanal 2, 3 ist dies gemäß 1 der Außen-Durchmesser D_außen.
Beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 oder 2 ist demzufolge das vorteilhafte Verhältnis (V) von L zu D (V = L/D) mittels dem Außendurchmesser D = D_außen bzw. der kleinste Durchmesser des Strahlkanals 2, 3 zu bestimmen.
Wie in 1 deutlich wird, ist L die Länge L des Strahlkanals 2, 3 zwischen dem Eintritt 5 und dem Austritt 6, d. h. insbesondere dessen Flächenschwerpunkte bzw. zwischen den Mittelpunkten des Innendurchmessers D_innen und des Außendurchmessers D_außen des jeweiligen Strahlkanals 2, 3.
Der Abstand A zwischen Kollisionspunkt 7 und Düsenkörper 1 ist vorliegend die Strecke bzw. Länge längs der (strichpunktiert dargestellten) Winkelhalbierenden der beiden Mittelachsen 8 der Strahlkanäle 2, 3. Vorzugsweise ist der Winkel α zwischen 20° und 80°, sodass die Winkelhalbierende entsprechend 10° bis 40° bzw. α/2 zu den vorliegend symmetrisch angeordneten Strahlkanälen 2, 3 bzw. deren Mittelachsen 8 ausgerichtet ist.
Weiterhin ist eine Ausführungsform realisierbar, wobei die beiden Strahlkanäle 2, 3 quer bzw. senkrecht zur Figuren-/Blattebene versetzt zueinander angeordnet sind, sodass die beiden Längs-/Mittelachsen 8 der beiden Strahlkanäle 2, 3 sich nicht in einem Punkt treffen/kreuzen bzw. miteinander kollidieren. Allerdings kollidieren die Flüssigkeitsstrahlen. So ist in diesem Fall senkrecht zur Blattebene bzw. Figurenebene ein Abstand der Längsachsen vorhanden, der mathematisch als so genanntes „Gemeinlot” bzw. als „Minimaltransversale” der entsprechenden „windschiefen Geraden” 8 bezeichnet wird. In diesem Fall wäre dann im Sinn der Erfindung der Abstand A die Entfernung von der Mitte des Gemeinlotes zwischen den beiden Mittelachsen 8 bis zum Düsenkörper 1 bzw. dem Ende der dargestellten Länge L des Strahlkanals 2, 3.
Mit einem derartigen Versatz bzw. Gemeinlot zwischen den entsprechend windschiefen Geraden 8 kann in vorteilhafter Weise die Orientierung des zu erzeugenden Fächers bzw. dessen Fächerebene eingestellt bzw. gedreht werden.
In 2 ist eine weitere Variante der Erfindung dargestellt, wobei sich die Längs-/Mittelachsen 8 der Strahlkanäle 2, 3 in etwa auf der Mantelfläche bzw. Hülle des Düsenkörpers 1 treffen bzw. kreuzen. Folglich ist hier der Abstand A gleich Null.
Bezugszeichenliste

1: Düsenkörper
2: Strahlkanal
3: Strahlkanal
4: Innenraum
5: Eintritt
6: Austritt
7: Kollisionspunkt
8: Achse
α: Winkel
A: Abstand
D: Durchmesser
D_innen: Innen-Durchmesser
D_außen: Außen-Durchmesser
K: Konizitätsfaktor
L: Länge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 939670 [0002]
DE 10146642 A1 [0003]
EP 2390491 A1 [0004]
DE 4407360 A1 [0004]
EP 2505820 [0005]

Claims

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 (7) wenigstens teilweise aufeinander prallender Flüssigkeitsstrahlen vorgesehen ist, so dass im Wesentlichen ein Fächerstrahl erzeugbar ist, dessen Ausdehnung in einer Fächerebene größer oder wenigstens doppelt so groß ist als in Querrichtung zu dieser Fächerebene, wobei ein Düsenkörper (1) der Mehrfachstrahldüse (1) wenigstens die beiden Strahlkanäle (2, 3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (A) des Düsenkörpers (1) von der Prallzone (7) und/oder einem Kollisionspunkt (7) der wenigstens teilweise aufeinander prallenden Flüssigkeitsstrahlen zwischen 0 Millimeter (mm) und dem 15-Fachen eines Durchmessers (D) des/der Strahlkanäle (2, 3) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen dem 3-Fachen und dem 7-Fachen des Durchmessers (D) des/der Strahlkanäle (2, 3) ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck (p) der Flüssigkeit bzw. der Flüssigkeitsstrahlen kleiner als 500 bar ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Strahlkanäle (2, 3) oder alle Strahlkanäle (2, 3) einen positiven Konizitätsfaktor (K) aufweisen, wobei der Konizitätsfaktor K = (D_innen – D_außen)· 100/L ist, wobei D_innen ein Eintritts- oder Innen-Durchmesser und D_außen ein Austritts- oder Außen-Durchmesser des/der Strahlkanäle (2, 3) und wobei L die Länge des/der Strahlkanäle (2, 3) ist, und/oder dass eine Eintrittsquerschnittsfläche des/der Strahlkanäle (2, 3) größer als eine Austrittsquerschnittsfläche des/der Strahlkanäle (2, 3) ist, wobei der Eintrittsquerschnitt des/der Strahlkanäle (2, 3) in Strömungsrichtung der Flüssigkeit vor dem Austrittsquerschnitt angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konizitätsfaktor (K) zwischen 1,0 und 3,0 ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis (V) von einer Länge (L) des/der Strahlkanäle (2, 3) in Bezug zu einem Kanaldurchmesser (D) des/der Strahlkanäle (2, 3) größer als 5 ist (V = L/D).
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch, gekennzeichnet, dass das Verhältnis (V) zwischen 5 und 10 ist.
Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mehrfachstrahldüsen (1) vorgesehen sind.
Injektor mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche umfasst.
Verbrennungsmotor mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche vorgesehen ist.