DE10211590A1

DE10211590A1 - Zerstäuberdüse, insbesondere für ein Fahrzeugheizgerät

Info

Publication number: DE10211590A1
Application number: DE2002111590
Authority: DE
Inventors: Andreas Collmer; Guenter Eberspach
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2022-03-16
Also published as: JP2003275625A; EP1344978A1; DE10211590B4

Abstract

Eine Zerstäuberdüse, insbesondere für ein Fahrzeugheizgerät, für Abgasreinigungssysteme oder zur Prozessgaserzeugung, beispielsweise in einer Brennstoffzelle, umfasst ein zentrales Strömungsführungselement (12), welches in einem radial inneren Bereich - bezogen auf eine Düsenachse (A) - eine Zerstäuberlippe (18) aufweist, wobei das zentrale Strömungsführungselement (12) zusammen mit einem ersten seitlichen Strömungsführungselement (20) einen ersten Strömungsraumbereich (26) begrenzt und zusammen mit einem zweiten seitlichen Strömungsführungselement (30) einen zweiten Strömungsraumbereich (36) begrenzt, wobei der erste Strömungsraumbereich (26) und der zweite Strömungsraumbereich (36) zu der Zerstäuberlippe (18) führen und wobei in dem ersten Strömungsraumbereich (26) und in dem zweiten Strömungsraumbereich (36) Ablenkelemente (50, 52) zur Erzeugung von Drallströmungen vorgesehen sind, wobei die Ablenkelemente (50) des ersten Strömungsraumbereichs (26) und die Ablenkelemente (52) des zweiten Strömungsraumbereichs (36) an dem zentralen Strömungsführungselement (12) vorgesehen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zerstäuberdüse, insbesondere für ein Fahrzeugheizgerät, für Abgasreinigungssysteme oder zur Prozessgaserzeugung beispielsweise in einer Brennstoffzelle.

Aus der EP 0 910 776 B1 ist eine Zerstäuberdüse bekannt, welche zum Einsatz in einem Brenner einer Gasturbine vorgesehen ist. Die bekannte Zerstäuberdüse umfasst in einem zentralen Bereich ein Strömungsführungselement, das axial in einer Zerstäuberlippe endet. Mit einem ersten seitlichen Strömungsführungselement bildet dieses zentrale Strömungsführungselement einen ersten Strömungsraumbereich, welcher die in einem näherungsweise zylindrischen Endabschnitt ausgebildete Zerstäuberlippe von radial außen erreicht. Mit einem zweiten seitlichen Strömungsführungselement begrenzt das zentrale Strömungsführungselement einen weiteren Strömungsraumbereich, welcher dann von der radialen Innenseite her zur Zerstäuberlippe führt. In beiden Strömungsraumbereichen sind zur Erzeugung der Drallströmungen Ablenkelemente vorgesehen, die beispielsweise durch bezüglich der Strömungsrichtung schräggestellte Ablenkschaufeln gebildet sein können.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach und kastengünstig zu fertigende Zerstäuberdüse bereitzustellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Zerstäuberdüse, insbesondere für ein Fahrzeugheizgerät, für Abgasreinigungssysteme oder zur Prozessgaserzeugung beispielsweise in einer Brennstoffzelle, umfassend ein zentrales Strömungsführungselement, welches in einem radial inneren Bereich - bezogen auf eine Düsenachse - eine Zerstäuberlippe aufweist, wobei das zentrale Strömungsführungselement zusammen mit einem ersten seitlichen Strömungsführungselement einen ersten Strömungsraumbereich begrenzt und zusammen mit einem zweiten seitlichen Strömungsführungselement einen zweiten Strömungsraumbereich begrenzt, wobei der erste Strömungsraumbereich und der zweite Strömungsraumbereich zu der Zerstäuberlippe führen und wobei in dem ersten Strömungsraumbereich und in dem zweiten Strömungsraumbereich Ablenkelemente zur Erzeugung von Drallströmungen vorgesehen sind, wobei die Ablenkelemente des ersten Strömungsraumbereichs und die Ablenkelemente des zweiten Strömungsraumbereichs an dem zentralen Strömungsführungselement vorgesehen sind.

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse ist, dass für beide Strömungsraumbereiche die jeweils zugeordneten Ablenkelemente am zentralen Strömungsführungselement vorgesehen sind. Dies bedeutet, dass die beiden seitlichen Strömungsführungselemente vergleichsweise einfach aufgebaut sein können; die zur Erlangung eines stärker strukturierten Bauteils, nämlich des zentralen Strömungsführungselements, erforderlichen Arbeitsschritte sind auf ein einziges Bauteil beschränkt.

Bei einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse kann der Vorgang des Zusammensetzens derselben vor allem auch dadurch vereinfacht werden, dass die Ablenkelemente des ersten Strömungsraumbereichs und die Ablenkelemente des zweiten Strömungsraumbereichs mit dem zentralen Strömungsführungselement integral ausgebildet sind.

Um die erforderliche Strukturierung des zentralen Strömungsführungselementes erhalten zu können, wird vorgeschlagen, dass das zentrale Strömungsführungselement in einem Gussverfahren aus Metallmaterial hergestellt ist. Alternativ ist es auch möglich, dass das zentrale Strömungsführungselement in einem Metallpulverspritzgussverfahren hergestellt ist. Vor allem bei Einsatz eines durch Metallpulverspritzgießen (metal-injection- molding) hergestellten zentralen Strömungsführungselementes kann auf die Vornahme weiterer Bearbeitungsvorgänge, insbesondere im Bereich der an diesem Bauteil vorgesehenen Zerstäuberlippe, aufgrund der hohen Fertigungspräzision verzichtet werden. Selbstverständlich ist es möglich, beispielsweise zum Nachschärfen im Bereich der Zerstäuberlippe zum Erhöhen der Sprayqualität noch mechanische Bearbeitungsvorgänge durchzuführen.

Die angesprochene einfache und kostengünstige Herstellbarkeit einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse kann dadurch unterstützt werden, dass das erste seitliche Strömungsführungselement oder/und das zweite seitliche Strömungsführungselement aus Blechmaterial geformt ist.

Der Vorgang des Zusammenfügens der verschiedenen Strömungsführungselemente kann dadurch noch erleichtert werden, dass an dem zentralen Strömungsführungselement Verbindungsorgane zur festen Verbindung desselben mit wenigstens einem der seitlichen Strömungsführungselemente ausgebildet sind. Beispielsweise können die Verbindungsorgane im Bereich von Ablenkelementen ausgebildete Nietvorsprünge sein.

Weiter kann die Anzahl der zum Aufbau einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse erforderlichen Bauteile reduziert werden, wenn wenigstens eines der seitlichen Strömungsführungselemente wenigstens einen Teil eines Außengehäuses der Zerstäuberdüse bildet.

Die erfindungsgemäße Zerstäuberdüse kann ferner derart ausgebildet sein, dass der erste Strömungsraumbereich und der zweite Strömungsraumbereich von radial außen nach radial innen führen und vor Erreichen der Zerstäuberlippe in axialer Richtung abgebogen sind.

Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausgestaltungsformen detailliert beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse;
Fig. 2 eine perspektivische Explosionsansicht der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse;
Fig. 3 eine weitere Explosionsansicht der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse;
Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht einer alternativen Ausgestaltungsform.
In den Fig. 1-3 ist eine erste Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 10 dargestellt.
Die Zerstäuberdüse 10 umfasst ein ringscheibenartig ausgebildetes zentrales Strömungsführungselement 12. Ein äußerer ringscheibenartiger Abschnitt 14 des zentralen Strömungsführungselements 12 geht radial innen in einen näherungsweise axial sich erstreckenden, zylinderartigen Abschnitt 16 über, der in einer näherungsweise kreisförmigen und zu einer Düsenachse A konzentrisch liegenden Zerstäuberlippe 18 endet. An einer axialen Seite liegt dem zentralen Strömungsführungselement 14 ein erstes seitliches Strömungsführungselement 20 gegenüber. Zwischen einer Strömungsführungsfläche 22 des zentralen Strömungsführungselements 12 und einer dieser gegenüber liegenden Strömungsführungsfläche 24 des ersten seitlichen Strömungsführungselements 20 ist ein erster Strömungsraum 26 begrenzt. Dieser führt von einem radial außerhalb des zentralen Strömungsführungselements 12 gebildeten Ringraumbereich 28 nach radial innen und wird bei Erreichen des sich näherungsweise axial erstreckenden Abschnitts 16 des zentralen Strömungsführungselements 12 axial umgelenkt, so dass er die Zerstäuberlippe 18 von radial außen erreicht und somit die durch den ersten Strömungsraum 26 hindurchströmende Luft die Zerstäuberlippe 18 von ihrer Außenseite anströmt. Man erkennt in Fig. 1, dass in demjenigen Bereich, in welchem der im Wesentlichen zylindrische Abschnitt 16 des zentralen Strömungsführungselements 12 ausgebildet ist, das erste seitliche Strömungsführungselement 20 einen den Bereich 16 des zentralen Strömungsführungselements 12 umgebenden, sich erweiternden Diffusorbereich 28 aufweist.
An der anderen axialen Seite liegt dem zentralen Strömungsführungselement 12 ein zweites seitliches Strömungsführungselement 30 gegenüber. Zwischen einer Strömungsführungsfläche 32 des zentralen Strömungsführungselements 12 und einer dieser gegenüber liegenden Strömungsführungsfläche 34 des zweiten seitlichen Strömungsführungselements 30 ist ein zweiter Strömungsraum 36 begrenzt, welcher ebenfalls von dem radial äußeren Ringraumbereich 28 nach radial innen führt und in dem im Wesentlichen von dem zylinderartigen Abschnitt 16 des zentralen Strömungsführungselements 12 umgebenen Bereich die Zerstäuberlippe 18 von der Innenseite her erreicht, was wiederum bedeutet, dass die durch den Strömungsraum 36 hindurchgetretene Luft die Zerstäuberlippe 18 von der Innenseite her anströmt. Dabei strömt dieser sich entlang der Strömungsführungsfläche 32 des zentralen Strömungsführungselements 12 bewegende Luftstrom auch über eine ringartig um die Düsenachse A ausgebildete Brennstoffverteilungsnut 38 des zentralen Strömungsführungselements 12. In diese mündet an wenigstens einem Einmündungsbereich 40 ein im zentralen Strömungsführungselement 12 ausgebildeter Brennstoffkanal ein, an welchen ein in Fig. 1 auch erkennbarer Brennstoffzuführleitungsabschnitt 42 angeschlossen ist. Der über den Mündungsbereich oder die Mündungsbereiche 40 zugeführte Brennstoff wird sich in Umfangsrichtung in der Nut 38 verteilen und dann über eine als Wehr wirksame Kante 44 auf den stromabwärtigen Bereich der Strömungsführungsfläche 32 aufgetragen, um einen dann an der Zerstäuberlippe 18 zu zerstäubenden Brennstofffilm zu bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass in der Nut 38 ein beispielsweise aus porösem Material oder einem Lochleitungsmaterial gebildetes Brennstoffverteilungselement vorgesehen sein kann, das eine in Umfangsrichtung sehr gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs in der Nut 38 vorsieht.
Man erkennt in Fig. 1 weiter, dass zum Bilden des zweiten Strömungsraums 36 in Anpassung an die axial abgekrümmte Kontur des zentralen Strömungsführungselements 12 das seitliche Strömungsführungselement 30 eine an die Formgebung der Strömungsführungsfläche 32 des zentralen Strömungsführungselements 12 angepasste Formgebung bzw. Einsenkung aufweist. In seinem radial äußeren Bereich weist das zweite seitliche Strömungsführungselement 30 einen näherungsweise zylindrischen und im Wesentlichen die Zerstäuberdüse 10 nach radial außen auch abschließenden Gehäuseabschnitt 46 auf. Dieser ist in seinem axial freien Endbereich mit einem ringscheibenartigen Abschnitt 48 des ersten seitlichen Strömungsführungselements 20 fest verbunden. In dem zur Zuführung des Leitungsabschnitts 42 vorgesehenen Abschnitt weist dieser zylindrische Gehäuseabschnitt 46 eine Durchtrittsöffnung 51 auf, welche gleichzeitig auch als Eintrittsöffnung für die über den Ringraumbereich 28 und die beiden Strömungsräume 26, 36 zu verteilenden Luftströme dient.
In den Fig. 2 und 3 erkennt man, dass an dem zentralen Strömungsführungselement 12 im Bereich der beiden Strömungsführungsflächen 22, 32 beispielsweise nach Art von Turbinenschaufeln gekrümmt gestaltete Ablenkelemente 50, 52 ausgebildet sind. Durch diese Ablenkelemente 50, 52 werden die beiden Strömungsräume 26, 36 in entsprechend gekrümmte Strömungsraumsegmente unterteilt, über welche die von radial außen zugeführte Luft dann nach radial innen und zum Bereich der Zerstäuberlippe 18 strömt. Durch diese Ablenkelemente 50, 52 werden Drallströmungen erzeugt, die aufgrund der im Bereich der Zerstäuberlippe 18 durch Zusammentreffen der beiden Drallströmungen vorhandenen Scherwirkung dann für eine sehr feine Zerstäubung des zur Zerstäuberlippe 18 geführten Brennstofffilms sorgen.
Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Zerstäuberdüse 10 ist das zentrale Strömungsführungselement 12 mit den Ablenkelementen 50, 52 integral ausgebildet, d. h. beim Herstellungsvorgang des zentralen Strömungsführungselements 12 werden diese Abfenkelemente 50, 52 mit vorgesehen. Dies kann beispielsweise bei Herstellung durch einen Gießvorgang durch entsprechende Formgebung der Gießformen geschehen, ebenso wie dann, wenn das zentrale Strömungsführungselement in einem Metallpulverspritzgießverfahren hergestellt wird. Bei Herstellung als Feinguß- oder Metallpulverspritzgießverfahren kann das zentrale Strömungsführungselement 12 mit sehr hoher Fertigungspräzision bereitgestellt werden, so dass nachfolgende Bearbeitungsvorgänge entfallen können. Auch bei Herstellung des zentralen Strömungsführungselements 12 durch spanabhebende Bearbeitung können die Ablenkelemente 50, 52 als integraler Bestandteil des zentralen Strömungsführungselements 12 bereitgestellt werden.
Da bei der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse die Ablenkelemente 50, 52 der beiden Strömungsräume 26, 36 am zentralen Strömungsführungselement 12 vorgesehen sind, können die beiden seitlichen Strömungsführungselemente 20, 30 mit sehr einfacher, im Wesentlichen glatter Oberflächenstruktur bereitgestellt werden. Beispielsweise können diese durch Ausstanzen und Umformen von Blechrohlingen gebildet werden. Die feste Anbindung an das zentrale Strömungsführungselement 12 kann dadurch erlangt werden, dass an diesem im Bereich einiger Ablenkelemente axial vorstehende Nietvorsprünge 54, 56 ausgebildet sind, welche durch zugeordnete Öffnungen 58, 60 der seitlichen Strömungsführungselemente 20, 30 hindurchgeführt werden und dann zum festen Zusammenhalt verformt werden.
Beim Zusammenbau der in den Fig. 1-3 dargestellten Zerstäuberdüse 10 kann so vorgegangen werden, dass zunächst der Leitungsabschnitt 42 an die Außenumfangsfläche des zentralen Strömungsführungselements 12 angebunden, beispielsweise angelötet wird. Darauf folgend werden die beiden seitlichen Strömungsführungselemente 20, 30 an das zentrale Strömungsführungselement 12 herangeführt, so dass die Vorsprünge 54, 56 durch die zugeordneten Öffnungen 58, 60 hindurchgeführt werden. Daraufhin können dann die Vorsprünge 58, 60 verformt werden, so dass im Bereich der Ablenkelemente 50, 52 die beiden seitlichen Strömungsführungselemente 20, 30 fest am zentralen Strömungsführungselement 12 verankert sind. Daraufhin können die beiden seitlichen Strömungsführungselemente 20, 30 in ihren aneinander zur Anlage kommenden Abschnitten 48, 46 noch verbunden werden, beispielsweise wiederum durch Verlöten. Die Zerstäuberdüse 10, welche nicht nur einen sehr einfachen Aufbau hat, sondern welche aufgrund der Tatsache, dass alle fertigungstechnisch aufwändigeren Vorgänge nur zur Fertigung eines einzigen Bauteils, nämlich des zentralen Strömungsführungselements 12, erforderlich sind, während die anderen beiden Strömungsführungselemente 20, 30 sehr einfach herzustellen sind, kostengünstig zu fertigen ist.
In Fig. 4 ist eine alternative Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 10 in Explosionsansicht gezeigt. Das zentrale Strömungsführungselement 12 und das erste seitliche Strömungsführungselement 20 entsprechen in ihrem Aufbau im Wesentlichen dem mit Bezug auf die Fig. 1-3 beschriebenen Aufbau. Das zweite seitliche Strömungsführungselement 30 ist nunmehr ohne dem radial äußeren im Wesentlichen zylindrischen Gehäuseabschnitt 46 ausgebildet und weist vor allem im radial äußeren Bereich ebenfalls eine im Wesentlichen scheibenartige Struktur auf. Hier ist zum Abschluss der Zerstäuberdüse 10 nach radial außen hin dann ein zusätzliches in den Figuren nicht dargestelltes Gehäusebauteil vorzusehen, das beispielsweise aus zwei in axialer Richtung aneinander anzufügenden Gehäuseschalen bestehen kann.

Claims

1. Zerstäuberdüse, insbesondere für ein Fahrzeugheizgerät, für Abgasreinigungssysteme oder zur Prozessgaserzeugung beispielsweise in einer Brennstoffzelle, umfassend ein zentrales Strömungsführungselement (12), welches in einem radial inneren Bereich - bezogen auf eine Düsenachse (A) - eine Zerstäuberlippe (18) aufweist, wobei das zentrale Strömungsführungselement (12) zusammen mit einem ersten seitlichen Strömungsführungselement (20) einen ersten Strömungsraumbereich (26) begrenzt und zusammen mit einem zweiten seitlichen Strömungsführungselement (30) einen zweiten Strömungsraumbereich (36) begrenzt, wobei der erste Strömungsraumbereich (26) und der zweite Strömungsraumbereich (36) zu der Zerstäuberlippe (18) führen und wobei in dem ersten Strömungsraumbereich (26) und in dem zweiten Strömungsraumbereich (36) Ablenkelemente (50, 52) zur Erzeugung von Drallströmungen vorgesehen sind, wobei die Ablenkelemente (50) des ersten Strömungsraumbereichs (26) und die Ablenkelemente (52) des zweiten Strömungsraumbereichs (36) an dem zentralen Strömungsführungselement (12) vorgesehen sind.

2. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkelemente (50) des ersten Strömungsraumbereichs (26) und die Ablenkelemente (52) des zweiten Strömungsraumbereichs (36) mit dem zentralen Strömungsführungselement (12) integral ausgebildet sind.

3. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Strömungsführungselement (12) in einem Gussverfahren aus Metallmaterial hergestellt ist.

4. Zerstäuberdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zentrale Strömungsführungselement (12) in einem Metallpulverspritzgussverfahren hergestellt ist.

5. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste seitliche Strömungsführungselement (20) oder/und das zweite seitliche Strömungsführungselement (30) aus Blechmaterial geformt ist.

6. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zentralen Strömungsführungselement (12) Verbindungsorgane (54, 56) zur festen Verbindung desselben mit wenigstens einem der seitlichen Strömungsführungselemente (20, 30) ausgebildet sind.

7. Zerstäuberdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsorgane (54, 56) im Bereich von Ablenkelementen (50, 52) ausgebildete Nietvorsprünge (54, 56) sind.

8. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der seitlichen Strömungsführungselemente (20, 30) wenigstens einen Teil eines Außengehäuses (46) der Zerstäuberdüse (10) bildet.

9. Zerstäuberdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungsraumbereich (26) und der zweite Strömungsraumbereich (36) von radial außen nach radial innen führen und vor Erreichen der Zerstäuberlippe (18) in axialer Richtung abgebogen sind.