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Die Erfindung geht aus von einer
Zerstäubungsanordnung
nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Bei brennstoffzellengestützten Transportsystemen
kommen zur Gewinnung des benötigten
Wasserstoffs aus kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen sog. chemische
Reformer zum Einsatz.
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Alle vom Reformer zum Reaktionsablauf
benötigten
Stoffe wie z.B. Luft, Wasser und Kraftstoff werden Idealerweise
dem Reformer in gasförmigem Zustand
zugeführt.
Da aber die Kraftstoffe , wie z.B. Methanol oder Benzin, und Wasser
an Bord des Transportsystems vorzugsweise in flüssiger Form vorliegen, müssen sie
erst, kurz bevor sie dem Reformer zugeführt werden, erhitzt werden,
um sie zu verdampfen. Dies erfordert einen Vorverdampfer, der in der
Lage ist, die entsprechenden Mengen an gasförmigem Kraftstoff und Wasserdampf
zur Verfügung
zu stellen, wobei meist die Abwärme
des Reformers zur Verdampfung benutzt wird.
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Da der Wasserstoff zumeist sofort
verbraucht wird, müssen
die chemischen Reformer in der Lage sein, die Produktion von Wasserstoff
verzögerungsfrei,
z.B. bei Lastwechseln oder Startphasen, an die Nachfrage anzupassen.
Insbesondere in der Kaltstartphase müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, da
der Reformer keine Abwärme
bereitstellt. Konventionelle Verdampfer sind nicht in der Lage die
entsprechenden Mengen an gasförmigen Reaktanden
verzögerungsfrei
zu erzeugen.
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Die für die chemische Reaktion, in
welcher beispielsweise der Kraftstoff unter anderem zu Wasserstoff
reformiert wird, notwendige Temperatur, wird durch sogenannte Katbrenner
zur Verfügung
gestellt. Katbrenner sind Komponenten, welche mit einem Katalysator
beschichtete Flächen
aufweisen. In diesen katalytischen Brennern wird das Kraftstoff/Luftgemisch
in Wärme
und Abgase gewandelt, wobei die entstehende Wärme beispielsweise über die
Mantelflächen
und/oder über
den warmen Abgasstrom an die entsprechenden Komponenten, wie beispielsweise
den chemischen Reformer oder einen Verdampfer, geführt wird.
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Die Umsetzung des Kraftstoffs in
Wärme ist stark
von der Größe der Kraftstofftröpfchen,
welche auf die katalytische Schicht auftreffen, abhängig. Je kleiner
die Tröpfchengröße ist und
je gleichmäßiger die
katalytische Schicht mit den Kraftstofftröpfchen beaufschlagt wird, desto
vollständiger
wird der Kraftstoff in Wärme
gewandelt und desto höher
ist der Wirkungsgrad. Der Kraftstoff wird so zudem schneller umgesetzt
und Schadstoffemissionen gemindert. Zu große Kraftstofftröpfchen führen zu
einer Belegung der katalytischen Schicht und damit zu einer nur
langsamen Umsetzung. Dieses führt
insbesondere in der Kaltstartphase beispielsweise zu einem schlechten Wirkungsgrad.
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Es ist daher sinnvoll, den Kraftstoff
durch eine Zerstäubungseinrichtung
in feinverteilter Form in den Reformer/Katbrenner einzubringen,
wobei, bei ausreichendem Wärmeangebot,
der Verdampfungsprozeß durch
die hohe Oberfläche
des feinverteilten Kraftstoffs verbessert wird.
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Beispielsweise sind aus der
US 3,971,847 Vorrichtungen
zur Eindosierung von Kraftstoffen in Reformer bekannt. Der Kraftstoff
wird hier von vom Reformer relativ weit entfernten Zumeßeinrichtungen über lange
Zuführungsleitungen
und eine einfache Düse
in einen temperierten Stoffstrom zugemessen. Dabei trifft der Kraftstoff
zuerst auf Prallbleche, die nach der Austrittsöffnung der Düse angeordnet
sind, welche eine Verwirbelung und Verteilung des Kraftstoffs bewirkten
sollen, und gelangt dann über
eine relativ lange Verdampfungsstrecke, welche für den Verdampfungsprozess notwendig
ist, in den Reaktionsbereich des Reformers. Durch die lange Zuführungsleitung
kann die Zumeßeinrichtung
von thermischen Einflüssen
des Reformers isoliert werden.
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Nachteilig bei den aus der obengenannten Druckschrift
bekannten Vorrichtungen ist insbesondere, daß durch die einfache Konstruktion
der Düse und
die Anordnung der Prallbleche eine gezielte Eindosierung von Kraftstoff,
beispielsweise in Bereiche des Reformers mit großem Wärmeangebot, nur unzureichend
möglich
ist. Dies führt
zu einem relativ großen
Raumbedarf durch die Notwendigkeit einer langen und voluminösen Verdampfungsstrecke.
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Außerdem ergeben sich im Kaltstartbetrieb Probleme,
da sich lange und voluminöse
Verdampfungsstrecken nur langsam aufheizen und zudem relativ viel
Wärme ungenutzt
abgeben. Durch die in der
US
3,971,847 offenbarten Anordnungen von Düse und Prallblechen ist es
insbesondere nicht möglich, eine
Hohlzylinderinnenfläche
gleichmäßig mit
Kraftstoff zu benetzen, dabei bestimmte Flächen des Hohlzylinders von
der Benetzung mit Kraftstoff auszunehmen oder die Menge des eindosierten
Kraftstoffs der Verteilung des Wärmeangebots
im Zumeßraum
anzupassen. Auch die Form der durch den Zumeßvorgang entstehenden Kraftstoffwolke
kann nur unzureichend beeinflußt
werden.
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Die erfindungsgemäße Zerstäuberdüse mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch eine
geeignete Gestaltung und Anordnung der Kraftstoff entsprechend dem
im Zumeßraum
herrschenden Wärmeangebot
eingebracht werden kann. Dadurch wird der Verdampfungsprozeß des Kraftstoffs optimiert
und kann auf kleinem sich schnell aufheizenden Raum erfolgen. Außerdem kann
das Betriebsverhalten verbessert werden, da beispielsweise Meßstrecken
oder Meßflächen, beispielsweise
Sensoren, von einer Kraftstoffbeaufschlagung weitgehend ausgenommen
werden können.
Die Geometrie des abgespritzten Kraftstoffes bzw. der Kraftstoffwolke
kann den im Zumeßraum
herrschenden Gegebenheiten und den dadurch gegebenen Bedingungen hervorragend
angepaßt
werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterentwicklungen der im Hauptanspruch angegebenen
Zerstäubungsanordnung
möglich.
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In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung
ist der Düsenkörper der
Zerstäuberdüse hohlzylindrisch geformt.
Dadurch kann die Zerstäuberdüse sehr
einfach, genau und damit kostengünstig
hergestellt werden. Zudem kann damit die Zerstäuberdüse beispielsweise aus standardisierten
Halbzeugen hergestellt werden, z.B. aus normierten Metallrohren.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist
eine Gaszuführungsöffnung zur
Zuführung
eines Gases, beispielsweise Luft oder Restgase aus einem Brennstoffzellen-
oder Reformierungsprozeß,
zwischen den Abspritzöffnungen
der ersten Höhenstufe und
der Dosieröffnung
angeordnet. Hierdurch kann die Gemischaufbereitung vorteilhaft beeinflußt werden.
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Vorteilhaft weitergebildet werden
kann die Zerstäuberdüse zudem,
indem nach der letzten in Kraftstoffströmungsrichtung liegenden Abspritzöffnung einer
Höhenstufe
mindestens eine weitere Abspritzöffnung
angeordnet ist, die eine axiale Komponente zur Mittelachse des Düsenkörpers aufweist. Dadurch
kann die Zerstäubung
von Kraftstoff noch besser den im Zumeßraum herrschenden Bedingungen
angepaßt
werden.
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Durch die geometrische Form der Düsenkörpereinsätze kann
das Strömungsverhalten
des Kraftstoffs im Düsenkörper vorteilhaft
beeinflußt
werden, wobei Düsenkörpereinsätze mit
rechteckigem, konkavem oder konvexem Querschnitt besonders vorteilhaft
und einfach herzustellen und zu montieren sind. Außerdem kann
das Strömungsverhalten
bzw. können
die Druckverhältnisse
im Düsenkörper durch die
Form der Durchtrittsöffnung
beeinflußt
werden. Hierbei sind Durchtrittsöffnungen
mit trapezförmigem,
rechteckigem oder einer Kombination von rechteckigem und trapezförmigem Querschnitt
besonders vorteilhaft, insbesondere da sie sich einfach, genau und
damit kostengünstig
herstellen lassen. Vorteilhaft ist außerdem, die Durchtrittsöffnung in mehreren
gleichförmigen
Querschnitten unterschiedlicher Größe zu realisieren, beispielsweise
als Stufenbohrung.
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Werden im Düsenkörper wandstärkereduzierte Abschnitte angeordnet,
so wird insbesondere die Wärmeleitfähigkeit
zur Dosierstelle hin herabgesetzt. Eine dort angeordnete Zumeßeinrichtung
wird so von übermäßiger Erwärmung geschützt. Außerdem kann
durch die wandstärkereduzierten
Abschnitte die Abstrahlgeometrie beeinflußt werden, wenn sie im Bereich
der Abspritzöffnungen
liegen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse;
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2A eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten
Düsenkörpereinsatzes;
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2B eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten
Düsenkörpereinsatzes;
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2C eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten
Düsenkörpereinsatzes;
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2D eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten
Düsenkörpereinsatzes;
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2E eine
schematische Darstellung einer fünften
Ausführungsform
eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten
Düsenkörpereinsatzes;
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2F eine
schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse angeordneten
Düsenkörpereinsatzes
und
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3 eine
schematische Teilschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse im Bereich
einer Höhenstufe.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung beispielhaft beschrieben.
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Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele
von erfindungsgemäß ausgestalteten Zerstäuberdüsen ermöglichen
eine einfache Dosierung und Zerstäubung in heißer Atmosphäre bei robuster
Konstruktion, Anwendung in unterschiedlichen räumlichen Konstellationen und
Einsatz von Standard-Niederdruck-Brennstoffeinspritzventilen.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile
jeweils mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen. Die Pfeile symbolisieren jeweils die Kraftstoff-
und Gasströme.
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Ein in 1 schematisiert
dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 ist
in der Form einer Zerstäuberdüse 1 für die Verwendung
von Niederdruck-Brennstoffeinspritzventilen 16 ausgeführt. Die
Zerstäuberdüse 1 eignet
sich insbesondere zum Eintrag und zur Zerstäubung von Kraftstoff in einen
nicht dargestellten chemischen Reformer zur Gewinnung von Wasserstoff.
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Die erfindungsgemäße Zerstäuberdüse 1 weist in diesem
Ausführungsbeispiel
einen hohlzylindrischen Düsenkörper 2 mit
einer oben zu einer Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2 mittig
angeordneten Dosieröffnung 6 auf.
In Kraftstoffströmungsrichtung 8 folgen
dann eine an der Längsseite
des Düsenkörpers 2 angeordnete
Gaszuführungsöffnung 7,
acht Höhenstufen 4 mit
dazu jeweils rechtwinklig zur der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2 angeordneten Abspritzöffnungen 3 und
schließlich
die der Dosieröffnung 6 gegenüberliegende
Seite des Düsenkörpers 2 mit
einer Abspritzöffnung 3.
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Vor der in Kraftstoffströmungsrichtung 8 liegenden
ersten Höhenstufe 4.1 und
der letzten Höhenstufen 4.2 sind
jeweils Düsenkörpereinsätze 5 mit axialmittig
angeordneten Durchtrittsöffnungen 11 im Düsenkörper 2 angeordnet.
Die Mittelachsen 12 der Durchtrittsöffnungen 11 decken
sich in diesem Ausführungsbeispiel
mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2. Die Düsenkörpereinsätze 5 sind
scheibenförmig,
wobei der vor der ersten Höhenstufe 4.1 liegende
erste Düsenkörpereinsatz 5.1 von
der Durchtrittsöffnung 11 zum
Außenumfang
hin konkav gegen die Kraftstoffströmungsrichtung 8 eingezogen
ist. Die Düsenkörpereinsätze 5 sind
im Bereich des Außenumfangs
mit dem Düsenkörper 2 so
dichtend gefügt, daß zwischen
Düsenkörper 2 und
Außenumfang
des Düsenkörpereinsatzes 5 kein
Kraftstoff oder Gas hindurchdringen kann. In diesem Ausführungsbeispiel sind
Düsenkörpereinsatz 5 und
Düsenkörper 2 durch eine
Laserschweißverbindung 14 gefügt. Sie
können auch
eingepreßt
werden. Als Düsenkörpereinsätze 5 eigenen
sich in hervorragender Weise Spritzlochscheiben wie sie aus Brennstoffeinspritzventilen
bekannt sind.
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Die Durchtrittsöffnung 11 des ersten
Düsenkörpereinsatzes 5.1 ist
als Bohrung im Querschnitt rechteckig, die des letzten Düsenkörpereinsatzes 5.2 trapezförmig nach
unten öffnend
ausgeführt.
Erfindungsgemäß können in
weiteren Ausführungsbeispielen
weitere Düsenkörpereinsätze 5 zwischen
den Höhenstufen 4 angeordnet
werden, wobei die Form der Düsenkörpereinsätze 4,
ihre Einbaulage und die Form bzw. die Zusammensetzung der Formen
der Durchtrittsöffnungen 11 beliebig
zur Steuerung der Kraftstoffströmung,
Gasströmung
und Druckverhältnisse
kombiniert und variiert werden können.
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Der Kraftstoff wird durch die Dosieröffnung 6, in
diesem Ausführungsbeispiel
durch ein Niederdruck-Brennstoffeinspritzventil 16,
in die Zerstäuberdüse 1 bzw.
den Düsenkörper 2 zugemessen
und strömt
dann in Kraftstoffströmungsrichtung 8,
welche entlang der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2 verläuft, an
der Gaszuführungsöffnung 7,
durch welche über
ein Gasrohr 15 Restgase und/oder Luft in den Düsenkörper 2 geführt werden,
vorbei hin zu dem ersten Düsenkörpereinsatz 5.1.
Der Kraftstoff bzw. das Kraftstoff/Gas-Gemisch tritt dann durch
die Durchtrittsöffnung 11 hindurch,
wonach zumindest ein Teil des Kraftstoffes bzw. Kraftstoff/Gas-Gemisches
durch die auf der Höhe
der jeweiligen Höhenstufen 4 angeordneten
Abspritzöffnungen 3 in
einen nicht dargestellten Zumeßraum
abgespritzt wird. Der verbleibende Teil des Kraftstoffes bzw. des
Kraftstoff/Gas-Gemisches tritt durch die trapezförmig nach unten in Kraftstoffströmungsrichtung 8 öffnende Durchtrittsöffnung 11 des
letzten Düsenkörpereinsatzes 5.2 hindurch
und kann durch die danach angeordneten Abspritzöffnungen 3 der letzten
Höhenstufe 4.2 und
der an der unteren Seite des Düsenkörpers 2 angeordneten
Abspritzöffnung 3 in
den nicht dargestellten Zumeßraum
aus dem Düsenkörper 2 bzw. der
Zerstäuberdüse 1 mit
entsprechend geringerem Druck entweichen.
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2A zeigt
eine erste Ausführungsform
eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten
Düsenkörpereinsatzes 5,
wobei der scheibenförmige
Düsenkörpereinsatz 5 zum
Außendurchmesser
hin konkav entgegen der Kraftstoffströmungsrichtung 8 eingezogen
ist. Der Düsenkörpereinsatz 5 ist
in den Düsenkörper 2 eingepresst
und sitzt in Kraftstoffströmungsrichtung 8 vor
der Höhenstufe 4 mit
den Abspritzöffnungen 3.
Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich
mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
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2B zeigt
eine zweite Ausführungsform eines
in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten
Düsenkörpereinsatzes 5,
wobei der scheibenförmige
Düsenkörpereinsatz 5 zum
Außendurchmesser
hin konkav zur Kraftstoffströmungsrichtung 8 eingezogen
ist. Der Düsenkörpereinsatz 5 ist in
den Düsenkörper 2 eingepresst
und sitzt in Kraftstoffströmungsrichtung 8 vor
der Höhenstufe 4 mit den
Abspritzöffnungen 3.
Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich
mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
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2C zeigt
eine dritte Ausführungsform
eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten
Düsenkörpereinsatzes 5.
Die mittig angeordnete Durchtrittsöffnung 11 ist als
stufenlose Bohrung ausgeführt.
Der scheibenförmige
Düsenkörpereinsatz 5 ist
in den Düsenkörper 2 eingepresst und
sitzt in Kraftstoffströmungsrichtung 8 vor
der Höhenstufe 4 mit
den Abspritzöffnungen 3.
Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich
mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
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2D zeigt
eine vierte Ausführungsform
eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten
Düsenkörpereinsatzes 5.
Die mittig angeordnete Durchtrittsöffnung 11 ist im Längsschnitt trapezförmig, wobei
sie sich in Kraftstoffströmungsrichtung 8 verengt.
Der scheibenförmige
Düsenkörpereinsatz 5 ist
in den Düsenkörper 2 eingepresst und
sitzt in Kraftstoffströmungsrichtung 8 vor
der Höhenstufe 4 mit
den Abspritzöffnungen 3.
Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich
mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
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2E zeigt
eine fünfte
Ausführungsform
eines in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten
Düsenkörpereinsatzes 5.
Die mittig angeordnete Durchtrittsöffnung 11 ist als
einstufige Stufenbohrung ausgeführt,
wobei die in Kraftstoffströmungsrichtung 8 liegende
erste Teilbohrung einen größeren Durchmesser
besitzt. Der scheibenförmige Düsenkörpereinsatz 5 ist
in den Düsenkörper 2 eingepresst
und sitzt in Kraftstoffströmungsrichtung 8 vor
der Höhenstufe 4 mit
den Abspritzöffnungen 3. Die
Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich
mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
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2F zeigt
eine sechste Ausführungsform eines
in der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 angeordneten
Düsenkörpereinsatzes 5.
Die mittig angeordnete Durchtrittsöffnung 11 weist in
ihrem Querschnitt zwei unterschiedliche geometrische Formen auf.
Die in Kraftstoffströmungsrichtung 8 liegende
erste geometrische Form ist rechteckig und die darauf folgende ist
trapezförmig
nach unten verengend. Der scheibenförmige Düsenkörpereinsatz 5 ist in
den Düsenkörper 2 eingepresst
und sitzt in Kraftstoffströmungsrichtung 8 vor
der Höhenstufe 4 mit den
Abspritzöffnungen 3.
Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich
mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Zerstäuberdüse 1 im
Bereich einer Höhenstufe 4,
wobei der Düsenkörper 2 im
Bereich der Höhenstufe 4 einen
wandstärkereduzierten Abschnitt 13 aufweist,
der in diesem Ausführungsbeispiel
den Außendurchmesser
des zylinderförmigen Düsenkörpers 2 entlang
des Abschnittes 13 verkleinert. Der Abschnitt 13,
der beispielsweise auch den Innendurchmesser des Düsenkörpers 2 erweitern kann,
kann mehrfach auch in kurzen Abständen hintereinander im Düsenkörper 2 angeordnet
werden und muß nicht
im Bereich einer Höhenstufe 4 oder von
Abspritzöffnungen 3 verlaufen.
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Der scheibenförmige Düsenkörpereinsatz 5 ist
zum Außendurchmesser
hin konkav entgegen der Kraftstoffströmungsrichtung 8 eingezogen,
in den Düsenkörper 2 eingepresst
und sitzt in Kraftstoffströmungsrichtung 8 vor
dem Abschnitt 13 und der Höhenstufe 4 mit den
Abspritzöffnungen 3.
Die Mittelachse 12 der Durchtrittsöffnung 11 deckt sich
mit der Mittelachse 10 des Düsenkörpers 2. Die Dosieröffnung 6,
welche oben am Düsenkörper 2 angeordnet ist,
dient in diesem Ausführungsbeispiel
zur Aufnahme eines nicht dargestellten abspritzseitigen Endes eines
Brennstoffeinspritzventils.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt
und ist für
beliebige andere Zerstäubungsanordnungen
anwendbar.