DE19523194A1 - Vorrichtung zum intermittierenden Verspruehen einer Fluessigkeit - Google Patents
Vorrichtung zum intermittierenden Verspruehen einer FluessigkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum intermittierenden Versprühen einer
Flüssigkeit der im Oberbegriff des Hauptanspruches angegebenen Art. Beim
Versprühen von Wasser als Wasser-Luft-Gemisch aus einer Düse sind bei einem
Überdruck von 6 bar mittlere Teichengrößen von 3 bis 6 µm gemessen worden. Bei
niedrigen Überdrücken ist eine starke Zunahme der Teilchengröße beobachtet
worden. Bei dem bevorzugten Anwendungsfall der Erfindung, nämlich zur
Kraftstoffeinsprühung bei Brennkraftmaschinen, sind die Tröpfchengröße, als auch
die Verteilung der Tröpfchenwolke entscheidend für die Vollständigkeit der
Verbrennung und die Abgasqualität. Die Teilchengröße soll möglichst gering sein und
die Reichweite des Strahles ausreichend. Besonders beim Sprühen in den
Brennraum ist es vorteilhaft, wenn der Sprühstrahl so geformt ist, daß er
Wandberührung vermeidet. Wird der Kraftstoff mit Luftunterstützung versprüht, so
sind Leistung und Abgasbelastung sofort entscheidend schlechter, wenn der
Überdruck des Kraftstoff-Luft-Gemisches zu gering ist. Die versprühten
Kraftstoffteilchen sind dann zu groß, um vollständig zu verbrennen und die
Strahlreichweite ist zu gering für eine günstige Verteilung.
Bekannte Vorrichtungen, welche jedem Sprühventil eine Zylinder-Kolbeneinheit zur
Erzeugung eines Überdruckes zugeordnet haben, erreichen im Totpunkt Überdrücke
bis zu 6 bar nur dann, wenn das Sprühventil geschlossen gehalten wird. Eine
bekannte Vorrichtung nach EP 0 514 982 A1 erbringt wesentlich niedrigen Überdruck
beim Sprühen. Da das Öffnen des Ventiles kraftschlüssig durch den Überdruck des
Kraftstoff-Luft-Gemisches bewirkt wird, muß zur Erlangung eines ausreichenden
Zeitquerschnittes die Ventilöffnung bereits bei niedrigem Druck beginnen. Der
Sprühstrahl hat daher schlechte Qualität. Außerdem erzeugt diese bekannte
Vorrichtung einen kegelförmigen Sprühstrahl mit Wandberührung. Unvollkommene
Verbrennung mit hohem spezifischen Kraftstoffverbrauch und hohe Abgasbelastung
sind die Folgen. Ungünstig ist auch die Ventilführung dieser Vorrichtung. Geringe
Führungslänge des Ventilschaftes im Verhältnis zum Durchmesser bewirken hohe
Kantenpressung und hohen Verschleiß. Eine weitere Einschränkung der
Lebensdauer erfährt diese Vorrichtung durch die Art der Befestigung des
Federelementes am Ventilschaft. Diese ist als Fügestelle ausgebildet, damit das Ventil
in die Führung eingesetzt werden kann. Eine Fügestelle stellt aber bei den hier
vorkommenden Stoßbelastungen eine empfindliche Schwachstelle dar und schränkt
die Lebensdauer der ganzen Vorrichtung ein.
Es ist das Ziel der Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu
verbessern, daß gute Qualität des Sprühstrahles und hohe Lebensdauer erreicht wird.
Der für schnellen, kräftigen Strömungsaufbau erforderliche Ventilhub wird durch das
zwangsläufige Öffnen des Sprühventiles sichergestellt. Der Ventilhub wird vom
Kolben abgeleitet. Dieser trifft gegen Ende des Kompressionshubes auf das
Sprühventil auf, öffnet es und verläßt es beim Rückhub, wo es unter der Wirkung
des Federelementes wieder schließt. Zur Auslösung des Hubes ragt eine Druckfläche
am Ventilschaft bei geschlossenem Sprühventil in den Weg des Kolbens. Eine Stelle
des Kolbens trifft kurz vor dem Kompressionstotpunkt auf diese Druckfläche und
bewegt sie bis zum Totpunkt. Somit läßt sich Zeit und Größe des Hubes exakt
festlegen. Die Kraft des Federelementes ist so festgelegt, daß das Hubventil beim
Rückhub dem Kolben folgen kann. Diese Art der Ventilbetätigung erlaubt hohen
Überdruck beim Öffnen und großen Öffnungsquerschnitt des Sprühventiles.
Die Erfindung zeigt außerdem eine optimale axiale Führung des Sprühventiles für
hohe Lebensdauer und günstigen Strömungsaustritt. Das Sprühventil ist an seinen
beiden Enden axial geführt. Das ergibt große Führungslänge mit minimalen
Kantenpressungen und eine gute Strömungsführung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches
beim Austritt in den Raum niedrigeren Druckes. Das erfindungsgemäße
Sprühventil weist daher optimalen Sprühdruck und gute Form des Sprühstrahles,
sowie erhöhte Lebensdauer auf.
Die Ansprüche 2 bis 10 sind auf weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
gerichtet.
Die tellerseitige Führung bedingt Durchbrüche für die Strömung. Diese können in
einfacher Weise als axiale Nuten in der Führungsfläche des Ventiltellers oder der
ihn umgebenden Führungsbohrung erzeugt werden. Diese Nuten sind einseitig durch
die Führung begrenzt und geben dem Sprühstrahl im wesentlichen eine Richtung
parallel zur Ventilachse. Damit vermeidet der Sprühstrahl Wandberührung und erhält
hohe Durchschlagskraft.
Die Führung im Bereich des schaftseitigen Ventilendes kann als formschlüssige oder
kraftschlüssige Führung oder als Kombination beider ausgebildet sein. Die einfachste
formschlüssige Führung ist durch eine Führungsbohrung für das schaftseitige
Ventilende gegeben. In diesem Fall müssen dazu konzentrische Durchbrüche für die
Strömung vorhanden sein. Es kann aber auch auf diese Führungsbohrung verzichtet
werden. In diesem Fall übernimmt der Kolben die Führung. Da der Kolben selbst im
Zylinder geführt ist, kann er durch formschlüssige Verbindung mit dem Ventil,
während der Zeit der gemeinsamen Bewegung führend auf das Ventil wirken. Als
formschlüssige Verbindung eignen sich besonders kugelförmige Berührungsflächen
an Ventil und Kolben. Besonders günstig ist ein Kugelradius, der auch beim leichten
Verkippen des Ventiles um die ventiltellerseitige Führung ein Ineinanderpassen der
konkaven und konvexen Kugelfläche sichergestellt. Eine kraftschlüssige Führung kann
dadurch gebildet werden, daß das Federelement eine ausreichende radiale Steifigkeit
erhält, so daß das schaftseitige Ventilende vom Federelement in der koaxialen Position
gehalten wird. Die Ausbildung des Sitzes und der zugehörigen Dichtfläche am
Ventilteller als konkaves und konvexes Kugelsegment stellt die Dichtfunktion sicher,
selbst wenn eine geringe Verkippung der Ventilachse erfolgt ist. Auch hier ist es
vorteilhaft, wenn die Kugelradien so gewählt sind, daß der Krümmungsmittelpunkt
etwa im Bereich des möglichen Kippdrehpunktes des Ventiles liegt. Die
erfindungsgemäße Ausführung des Sprühventiles, ohne jegliche Führung im
Schaftbereich, gestattet eine Herstellung des ganzen Sprühventiles als ein Bauteil,
d. h. ohne jegliche Fügestellen. Zur Montage im Sitz kann es durch die entsprechend
dimensionierte Bohrung im Sitz durchgesteckt und mit dem Federelement montiert
werden. Diese Bauart vermeidet Spannungen oder Kerbstellen, welche üblicherweise
bei Fügeverbindungen die Dauerfestigkeit beeinträchtigen.
Die Erfindung wird anhand der in folgenden Zeichnungen gezeigten
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 eine Sprühvorrichtung im Schnitt
Fig. 2 den Zylinderkopf mit Kanal bei geschlossenem Ventil im Schnitt
Fig. 3 den Zylinderkopf mit Kanal bei geöffnetem Ventil im Schnitt
Fig. 4 das Ventil im Schnitt
Fig. 5 der Ventilteller mit Führung als Schnitt
Fig. 6 der Ventilteller mit Führung als Schnitt.
Die Hauptbaugruppen der Sprühvorrichtung sind gemäß Fig. 1 der Zylinder (1), der
Kolben (2) und die Kurbelwelle (3), der Zylinderkopf (4) mit dem Sitz (5), das
Sprühventil (6) und das Federelement (7). Im Zylinder (1) sind beispielhaft ein
Gaseinlaß (8) und ein Flüssigkeitseinlaß (9) dargestellt. Der von der rotierenden
Kurbelwelle (3) bewegte Kolben (2) verdichtet intermittierend das über die Einlässe
gebildete Gemisch aus Flüssigkeit und Gas. Im Bereich der maximalen Verdichtung
wird das Sprühventil (6) vom Kolben (2) geöffnet und das Gemisch wird in den
Raum (10) niedrigeren Druckes versprüht. Vor der nächsten Verdichtung wird der
Zylinder (1) erneut gefüllt und der Zyklus wiederholt sich.
In Fig. 2 sind ersichtlich: der Zylinder (1), der Kolben (2) auf dem Weg zur
Endstellung (11) der höchsten Kompression, der Zylinderkopf (4), der Sitz (5), das
Sprühventil (6) und das Federelement (7). Der Kolben (2) ist noch von seiner
Endstellung (11) entfernt und hat das Sprühventil (6) noch nicht berührt. Die Kraft des
Federelementes (7) hält das Sprühventil (6) auf dem Sitz (5). Das Ventil schließt dicht
und mit der weiteren Bewegung des Kolbens (2) steigt der Überdruck im Zylinder (1).
Seine Endstellung (11) hat der Kolben (2) in Fig. 3 erreicht. Kurz zuvor hat er die
Druckfläche (12) am Sprühventil (6) berührt und von da an das Sprühventil (6) an
seinem Hub teilnehmen lassen. Das Sprühventil (6) ist vom Sitz (5) abgehoben und die
Strömung mit dem Flüssigkeits-Gas-Gemisch strömt in den Raum (10) niedrigeren
Druckes.
Eine besondere Ausführung des Sprühventiles (6) ist dargestellt in Fig. 4, welche die
geöffnete Stellung zeigt. Das Sprühventil (6) wird unter der Kraft des
Federelementes (7) gegen den Kolben (2) gedrückt. Das Federelement (7) liegt dabei
am Vorsprung (13) des Ventilschaftes (14) an. Die Druckfläche (12) am Ende des
Ventilschaftes (14) ist konvex mit Kugelform vom Radius RR(16) ausgebildet und die
zugehörige Fläche (15) am Kolben (2) ist konkav und kugelförmig und hat den
gleichen Radius RR (16). Der Kugelmittelpunkt M (17) liegt auf der Ventilachse (18)
und in einer zur Ventilachse (18) senkrechten Ebene im Bereich der tellerseitigen
Führung (19). Dieser Radius RR (16) der Druckfläche (12) stellt eine günstige
Belastung der Flächen auch dann sicher, wenn das Sprühventil (6) geringfügig aus
seiner Lage gekippt ist. Ebenso unempfindlich gegen Kippen wird der Sitz (5) und der
Ventilteller (21), wenn diese beide kugelförmig und mit dem besonderen Radius R (22)
ausgebildet werden. Der Ventilteller (21) ist dann konvex und der Sitz (5) konkav. Der
Kugelmittelpunkt M (17) liegt auf der Ventilachse (18) und in einer zur Ventilachse (18)
senkrechten Ebene im Bereich der tellerseitigen Führung (19). Das gesamte
Sprühventil (6) ist vorzugsweise aus einem Stück hergestellt. Der Ventilschaft (14) mit
der Druckfläche (12) wird zur Montage durch die zentrale Bohrung (24) im Sitz (5)
gesteckt. Im Bereich der tellerseitigen Führung (19) trägt der Ventilteller (21) am
Umfang (25) Nute (26), welche dem Durchlaß der Strömung dienen. Diese Nute (26)
können in Strömungsrichtung sich ändernden Querschnitt oder eine von der
Achsparallelität abweichende Richtung aufweisen und somit für die optimale
Ausbildung des Austrittsstrahles gestaltet werden. In der linken Hälfte der Fig. 4 ist
alternativ eine zusätzliche Führung (27) für das schaftseitige Ventilende (20)
dargestellt. In diesem Fall sind zusätzlich Durchbrüche (23) für die Strömung
vorhanden.
In Fig. 5 ist ein Querschnitt durch eine beispielhafte Ausführung der Nute (26) im
Ventilfilter (21) dargestellt. Der Umfang (25) des Ventiltellers (21) kann auch ohne Nute
ausgeführt werden, wenn dafür Nute (26) in der Führungsbohrung (27) eingebracht
sind. Diese Alternativlösung ist in Fig. 6 gezeigt. Diese Nute (26) erlauben zahlreiche
Variationen der Gestaltung bezüglich Querschnitt, Abmessungen und Richtung der
sie verlassenden Strömung.
Ein bevorzugter Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die
Kraftstoffeinspritzung bei Brennkraftmaschinen. Dabei ist der Antrieb des Kolbens (2)
mit der Brennkraftmaschine synchronisiert. Das bedeutet aber keine Beschränkung
der Erfindung auf diesen Einsatzfall. Die Erfindung läßt sich vielmehr ganz allgemein
immer dann mit Vorteil einsetzen, wenn eine Flüssigkeit mit Hilfe eines Gases oder
Gasgemisches in einen Raum geringeren Druckes gesprüht werden soll und eine
kompakte, einfache, mechanische Vorrichtung erwünscht ist. Zum Antrieb genügt eine
Drehbewegung. Zur Regelung der Spritzmenge kann dann die zugeführte
Flüssigkeitsmenge, oder die Drehzahl der antreibenden Welle variiert werden.
Bezugszeichenleiste
1. Zylinder (1)
2. Kolben (2)
3. Kurbelwelle (3)
4. Zylinderkopf (4)
5. Sitz (5)
6. Sprühventil (6)
7. Federelement (7)
8. Gaseinlaß (8)
9. Flüssigkeitseinlaß (9)
10. Raum (10) niedrigeren Druckes
11. Endstellung (11)
12. Druckfläche (12)
13. Vorsprung (13)
14. Ventilschaftes (14)
15. Fläche (15) am Kolben (2)
16. Radius RR (16)
17. Kugelmittelpunkt M (17)
18. Ventilachse (18)
19. tellerseitigen Führung (19)
20. schaftseitiges Ventilende (20)
21. Ventilteller (21)
22. Radius R (22)
23. Durchbrüche (23)
24. zentrale Bohrung (24)
25. Umfang (25)
26. Nute (26)
27. Führungsbohrung (27)
28. Führung (28)
2. Kolben (2)
3. Kurbelwelle (3)
4. Zylinderkopf (4)
5. Sitz (5)
6. Sprühventil (6)
7. Federelement (7)
8. Gaseinlaß (8)
9. Flüssigkeitseinlaß (9)
10. Raum (10) niedrigeren Druckes
11. Endstellung (11)
12. Druckfläche (12)
13. Vorsprung (13)
14. Ventilschaftes (14)
15. Fläche (15) am Kolben (2)
16. Radius RR (16)
17. Kugelmittelpunkt M (17)
18. Ventilachse (18)
19. tellerseitigen Führung (19)
20. schaftseitiges Ventilende (20)
21. Ventilteller (21)
22. Radius R (22)
23. Durchbrüche (23)
24. zentrale Bohrung (24)
25. Umfang (25)
26. Nute (26)
27. Führungsbohrung (27)
28. Führung (28)
Claims (11)
1. Vorrichtung zum intermittierenden Versprühen einer Flüssigkeit mit Hilfe eines
Gases oder Gasgemisches mit einer Zylinder-Kolben-Anordnung und mit einer
rotierenden Kurbelwelle zum Antrieb des Kolbens, mit einem Zylinderkopf und
mindestens einem Kanal darin, zum Ausblasen des komprimierten Flüssigkeits-Gas-Gemisches
und einem Sprühventil, mit einem Ventilteller, wobei der Ventilteller einen
Sitz in diesem Kanal aufweist, und einem Federelement, welches im Ruhezustand
den Ventilteller auf dem Sitz hält,
dadurch gekennzeichnet, daß das Sprühventil (6) mit einer Druckfläche (12) im geschlossenen Zustand in den Weg des Pumpenkolbens hineinreicht, um denjenigen Betrag, den der Kolben (2) das Sprühventil (6) öffnen soll und, daß die Führung des Sprühventiles (6) im Bereich seiner beiden axialen Enden erfolgt.
dadurch gekennzeichnet, daß das Sprühventil (6) mit einer Druckfläche (12) im geschlossenen Zustand in den Weg des Pumpenkolbens hineinreicht, um denjenigen Betrag, den der Kolben (2) das Sprühventil (6) öffnen soll und, daß die Führung des Sprühventiles (6) im Bereich seiner beiden axialen Enden erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
formschlüssige Führung des Sprühventiles (6) am Umfang (25) des Ventiltellers (21)
erfolgt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der
Führung (19) Durchbrüche im Ventilteller (21) vorhanden sind für die Strömung des
Flüssigkeits-Gas-Gemisches.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der
Führung (19) Durchbrüche im Kanal vorhanden sind für die Strömung des
Flüssigkeits-Gas-Gemisches.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
kraftschlüssige Führung des Sprühventiles (6) am schaftseitigen Ende des
Sprühventiles (6) durch das Federelement (7) erfolgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine
formschlüssige Führung des Sprühventiles (6) am schaftseitigen Ende des
Sprühventiles (6) durch den Kolben (2) erfolgt, wozu die Druckfläche (12) am
Sprühventil (6) konvex und die Fläche (15) am Kolben (2) konkav ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe und
die konkave Oberfläche kugelsegmentartig sind und den gleichen
Krümmungsradius aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kugelmittelpunkt M (17) der kugelsegmentartigen Druckfläche (12) des
Sprühventiles (6) auf der Ventilachse (18), ungefähr im Querschnitt der
Führung (19) des Ventiltellers (21) liegt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz (5) und
die Dichtfläche am Ventilteller (21) kugelsegmentartig ausgebildet sind und den
gleichen Krümmungsradius aufweisen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kugelmittelpunkt M (17) der Dichtfläche am Ventilteller (21) auf der
Ventilachse (18), ungefähr im Querschnitt der Führung (19) des Ventiltellers (21)
liegt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Sprühventil (6) einstückig ist und am Schaftende mit dem Vorsprung (13) für das
Federelement (7) und als Druckfläche (12) für die Betätigung ausgebildet ist.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19523194A DE19523194C2 (de) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Vorrichtung zum intermittierenden Versprühen einer Flüssigkeit |
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DE19523194A DE19523194C2 (de) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Vorrichtung zum intermittierenden Versprühen einer Flüssigkeit |
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DE19523194A1 true DE19523194A1 (de) | 1997-01-02 |
DE19523194C2 DE19523194C2 (de) | 1997-07-31 |
Family
ID=7765278
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19523194A Expired - Fee Related DE19523194C2 (de) | 1995-06-26 | 1995-06-26 | Vorrichtung zum intermittierenden Versprühen einer Flüssigkeit |
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Country | Link |
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