DE19523194C2

DE19523194C2 - Vorrichtung zum intermittierenden Versprühen einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE19523194C2
Application number: DE19523194A
Authority: DE
Inventors: Bernd Scheffel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-26
Filing date: 1995-06-26
Publication date: 1997-07-31
Anticipated expiration: 2015-06-27
Also published as: EP0751287A1; DE19523194A1; US5713521A

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 Teilchengrößen von 3 bis 6 µm gemessen worden. Bei niedrigeren 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 im Brennraum.

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 niedrigeren 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 Führungsverschleiß. Die Art der Ventilführung bedingt außerdem enge Kanäle für die Strömung vom Zylinder zum Sitz des Ventiles. Diese sind um die Ventilführung herum angeordnet und bewirken eine Zerteilung der Strömung. Das führt zu großen Druckverlusten, einer schlechten Zerstäubung der Flüssigkeit und einer geringen Reichweite des Sprühstrahles beim Austritt in den Raum niedrigeren Druckes. Die für gute Verbrennung geforderte geringe Tröpfchengröße und gute Durchdringung des Verbrennungsraumes können durch diese bekannte Vorrichtung auch aus diesem Grunde nicht erreicht werden.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung liegt in der Einschränkung der Lebensdauer durch die Art der Befestigung des Federtellers am Ventilschaft. Die Verbindung Federteller-Ventilschaft ist als Fügestelle ausgebildet, damit das Ventil in die Führung eingesetzt werden kann, bevor der Federteller montiert wird. Eine Fügestelle stellt aber bei den hier vorkommenden Stoßbelastungen eine empfindliche Schwachstelle dar und diese führt zum vorzeitigen Versagen der ganzen Vorrichtung.

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 gegen die Kraft des Federelementes und verläßt es beim Rückhub, wo es unter der Wirkung des Federelementes wieder schließt. Zur Auslösung des Hubes ragt eine Druckfläche am Druckstück des Ventilschaftes 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 Sprühventil erst beim Auftreffen des Kolbens öffnet und beim Rückhub dem Kolben folgen kann. Diese Art der Ventilbetätigung erlaubt hohen Überdruck beim Öffnen und großen, schnellen Öffnungshub des Sprühventiles.

Die Erfindung zeigt außerdem eine optimale axiale Führung des Sprühventiles für hohe Lebensdauer und günstigen Strömungsaustritt.

Das Sprühventil ist an seinem Schaft frei von Führungen. Das ergibt eine gute Strömungsführung mit geringen Druckverlusten des Flüssigkeits-Luft-Gemisches beim Austritt in den Raum niedrigeren Druckes. Das erfindungsgemäße Sprühventil weist daher optimalen Sprühdruck und gute Reichweite des Sprühstrahles,sowie erhöhte Lebensdauer auf.

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 Ansprüche 2 bis 6 sind auf weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung gerichtet.

Die Führung des Sprühventiles im Bereich des Druckstückes kann als formschlüssige oder kraftschlüssige Führung oder als Kombination beider ausgebildet sein. Im ersten Fall übernimmt der Kolben die formschlüssige 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 eignet sich besonders eine kugelförmige Druckfläche am Ventildruckstück und am Kolben. Damit wird auch beim leichten Verkippen des Ventiles ein Ineinanderpassen der konkaven und konvexen Druckflächen sicherstellt.

Eine kraftschlüssige Führung kann dadurch gebildet werden, daß das Federelement eine ausreichende radiale Steifigkeit erhält, so daß das Ventil am Druckstück vom Federelement in der koaxialen Position gehalten wird. Die besondere Ausbildung des Sitzes und der zugehörigen Dichtfläche am Ventilteller als konkaves und konvexes Kugelsegment stellt die Dichtfunktion auch dann sicher, wenn eine geringe Verkippung der Ventilachse erfolgt ist. Hier ist es vorteilhaft, wenn der Krümmungsmittelpunkt der Druckfläche am Druckstück und der Dichtfläche am Ventilteller identisch sind. Führungsverschleiß, wie bei bekannten Ventilen, tritt hier nur in geringem Maße auf.

Die Erfindung wird anhand der in folgenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert: Es zeigen:

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 Lufteinlaß (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 Luft. 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- Luft-Gemisch strömt in den Raum (10) niederigeren 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 Druckstück (20) ist konvex mit Kugelform vom Radius (16) ausgebildet und die zugehörige Druckfläche (15) am Kolben (2) ist konkav und kugelförmig und hat den gleichen Radius (16). Der Krümmungsmittelpunkt (17) der Druckfläche (12) liegt auf der geometrischen Ventilachse (18). Das 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 gemeinsamen Radius (22) ausgebildet werden. Die Dichtfläche (29) am Ventilteller (21) ist dann konvex und der Sitz (5) konkav. Der Krümmungsmittelpunkt (17) der Druckfläche (12) am Druckstück (20) ist identisch mit dem Krümmungsmittelpunkt der Dichtfläche (29) am Ventilteller.

Das gesamte Sprühventil (6) ist vorzugsweise aus einem Stück hergestellt. Das Druckstück (20) mit der Druckfläche (12) wird zur Montage durch die zentrale Bohrung (24) im Sitz (5) gesteckt.

Es kann zusätzlich eine ventiltellerseitige Führung (19) vorgesehen werden. Dann trägt der Ventilteller (21) im Bereich des Umfangs (25) Nute (26), welche dem Durchlaß der Strömung dienen. In der linken Hälfte der Fig. 4 ist alternativ eine zusätzliche Führung (28) für das Druckstück (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 Ventilteller (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.

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 von Luft in einen Raum geringeren Druckes gesprühtwerden soll und eine kompakte, einfache, mechanische Vorrichtung erwünscht ist. Zum Antrieb genügt eine Drehbewegung. Zur Regelung der Spritzmenge kann dann die zugeführte Flüssigkeitsmenge variiert werden. Die Zuführung der Flüssigkeit kann beispielsweise auch bereits erfolgen, bevor die Luft in den Zylinder eintritt. Dabei kann die Flüssigkeit kontinuierlich, oder periodisch fließen. Sie kann als Flüssigkeitsstrahl, oder vorzerstäubt in Tröpfchenform der Luft beigegeben werden.

Bezugszeichenliste

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 (16)
17 Krümmungsmittelpunkt (17)
18 Ventilachse (18)
19 tellerseitigen Führung (19)
20 Druckstück (20)
21 Ventilteller (21)
22 Radius (22)
23 Durchbrüche (23)
24 zentrale Bohrung (24)
25 Umfang (25)
26 Nute (26)
27 Führungsbohrung (27)
28 Führung (28)
29 Dichtfläche (29)

Claims

1. Vorrichtung zum intermittierenden Versprühen einer Flüssigkeit mit Hilfe von Luft, mit einem Zylinder in den Luft und eine Flüssigkeit eingebracht werden und mit einem Kolben zum Komprimieren der Luft im Zylinder und mit einer rotierenden Kurbelwelle zum Antrieb des Kolbens und mit einem Zylinderkopf und mindestens einem Kanal darin, zum Ausblasen der komprimierten Luft und der Flüssigkeit in einen Raum niedrigeren Druckes und einem Sprühventil, mit einem Ventilteller, wobei der Ventilteller einen Sitz in dem Kanal aufweist, und mit einem Ventilschaft an dessen Ende sich ein Druckstück befindet und einem Federelement, welches am Druckstück anliegt und im Ruhezustand bewirkt daß der Ventilteller auf dem Sitz aufliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Sprühventil (6) mit einer Druckfläche (12) am Druckstück (20) im geschlossenen Zustand in den Weg des Kolbens (2) hineinreicht, um denjenigen Betrag, um den der Kolben (2) das Sprühventil (6) öffnen soll und daß die Kraft des Federelementes (7) so bemessen ist, daß der Ventilteller (21) erst beim Stoß des Kolbens (2) gegen die Druckfläche (12) vom Sitz (5) abhebt und daß der Sitz (5) eine zentrale Bohrung (24) aufweist, welche so bemessen ist, daß das Druckstück (20) des Sprühventiles (6) bei der Montage hindurchgeführt werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Federelement (7) eine kraftschlüssige Führung des Sprühventiles (6) erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine formschlüssige Führung des Sprühventiles (6) mit dem Kolben (2) erzielbar ist, wozu die Druckfläche (12) am Druckstück (20) konvex und die mit ihr in Kontakt kommende Fläche am Kolben (2) konkav ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz (5) und die Dichtfläche (29) am Ventilteller (21) kugelsegmentartig ausgebildet sind und den gleichen Krummungsradius aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kugelsegmentartige Dichtfläche (29) am Ventilteller (21) und die konvexe Druckfläche (12) am Druckstück (20) einen gemeinsamen geometrischen Krümmungsmittelpunkt (17) besitzen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sprühventil (6) aus Ventilteller (21), Ventilschaft (14) und Druckstück (20) einstückig ist, wobei das Druckstück (20) mit einem Vorsprung (13) zum Abstützen des Federelementes (7) und mit der Druckfläche (12) für die Betätigung durch die Fläche (15) versehen ist.