DE19617686A1 - Kegelstrahldrallmischdüse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kegelstrahldrallmischdüse zum Mischen eines ersten und eines zweiten Fluides, insbesondere einer Flüssigkeit und eines Gases und zur Zerstäubung des Gemisches, welche getrennte Zuführungskanäle für das erste und das zweite Fluid aufweist, die in eine Drallkammer führen, welche in einer Düsenöffnung mündet.

Aus dem Stand der Technik sind Kegelstrahldralldüsen bekannt.

Durch diese bekannten Kegelstrahldralldüsen werden Flüssig­ keiten zerstäubt, die der Vorrichtung unter einem hohen Vor­ druck zugeführt werden, um eine homogene Tröpfchenverteilung in der zerstäubten Flüssigkeit zu erhalten. Bei Wasser bei­ spielsweise liegt der Vordruck in der Größenordnung von 10 bar. Dieser hohe Vordruck macht es erforderlich, daß die in Kontakt mit der Flüssigkeit kommenden Teile der Vorrichtung aus teurem korrosionsbeständigen Kunststoff angefertigt werden müssen. Außerdem sind bei hohen Vordrücken die durch Druckvariation des Vordrucks erreichten Regelungsmöglich­ keiten für den Durchfluß durch die Vorrichtung gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kegelstrahl­ drallmischdüse der gattungsgemäßen Art zu schaffen, durch die zwei Fluide bei einem niedrigen Vordruck durchmischt und zer­ stäubt werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Kegelstrahldrallmischdüse der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Drallkammer eine erste Teilkammer umfaßt, in die Zulaufkanäle für das erste Fluid münden und eine mit der ersten Teilkammer der Drallkammer verbundene zweite Teil­ kammer umfaßt, in die Zulaufkanäle für das zweite Fluid mün­ den, daß die Zulaufkanäle für das erste bzw. das zweite Fluid so angeordnet sind, daß das erste bzw. das zweite Fluid aus den Zulaufkanälen in die erste bzw. die zweite Teilkammer der Drallkammer mit maximalem Drall einströmt und daß die Zulauf­ kanäle für das zweite Fluid in die zweite Teilkammer der Drallkammer so angeordnet und abgestimmt sind, daß der Drall für das zweite Fluid beim Einströmen in die zweite Teilkammer der Drallkammer dem Drall für das erste Fluid beim Einströmen in die erste Teilkammer der Drallkammer entgegengesetzt ist.

Dadurch, daß die Fluide aus den Zulaufkanälen in die Drall­ kammer mit maximalem Drall einströmen, wird ein hoher Turbu­ lenzgrad für die einströmenden Fluide erreicht. Der entgegen­ gesetzte Drall für das erste und das zweite Fluid sorgt da­ für, daß eine gute Durchmischung der Fluide erreicht wird, selbst dann, wenn zwischen den beiden Fluiden sehr große Dichteunterschiede vorliegen, wie beispielsweise im gasför­ migen Wasserstoff-Wasser- oder Wasserstoff-Benzin-Mischbe­ trieb. Dadurch läßt sich die Kegelstrahldrallmischdüse mit niedrigem Vordruck für das erste und das zweite Fluid betrei­ ben und die mit den Fluiden in Berührung kommende Teile können aus billigem korrosionsbeständigen Werkstoff gebaut werden. Außerdem weist die erfindungsgemäße Kegelstrahldrall­ mischdüse umfangreiche Regelungsmöglichkeiten auf, die es erlauben, den optimalen Durchfluß durch die Vorrichtung und eine für die jeweilige vorgesehene Anwendung der Kegelstrahl­ drallmischdüse wünschenswerte optimale Tröpfchengröße in dem zerstäubten Gemisch auch bei sehr großen Dichte- und Zähig­ keitsunterschieden der beiden Fluide zu erzeugen.

Vorteilhaft ist es, wenn der Drall beim Einströmen in die erste Teilkammer bzw. in die zweite Teilkammer für das erste bzw. das zweite Fluid jeweils einstellbar ist. Dadurch kann ermöglicht werden, daß auch bei sehr großen Dichteunter­ schieden der beiden Fluide eine optimale Zerstäubung gewähr­ leistet ist.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt die erste Teilkammer der Drallkammer zwei oder mehrere in axialer Richtung angeordnete Segmente. Durch individuelle Formgebung der einzelnen Drallkammersegmente kann die für die Anwendung der Erfindung optimale Tröpfchen­ größe in dem zerstäubten Gemisch eingestellt werden.

Eine weitere Optimierung der Tröpfchengröße in dem zer­ stäubten Gemisch läßt sich dadurch erreichen, daß die zweite Teilkammer der Drallkammer zwei oder mehrere in axialer Rich­ tung angeordnete Segmente umfaßt.

Der Turbulenzgrad der in der Drallkammer strömenden Fluide wird dadurch erhöht, daß ein oder mehrere Übergänge zwischen den Segmenten der Drallkammer rückspringende Flächen auf­ weisen.

Besonders günstig für den Turbulenzgrad des in die zweite Teilkammer der Drallkammer einströmenden Fluids wirkt es sich aus, wenn unmittelbar an dem der ersten Teilkammer der Drall­ kammer nächstliegenden Mündungskante eines in die zweite Teilkammer der Drallkammer mündenden Zulaufkanals eine rück­ springende Fläche vorliegt.

Besonders wirksam sind die rückspringenden Flächen bezüglich der Förderung von turbulenter Strömung, wenn der Krümmungs­ radius einer rückspringenden Fläche mindestens kleiner ist als etwa ein Zehntel der den Flüssigkeitswirbeln in der Drallkammer zugeordneten Prandtlschen Mischungslänge. Die Mischungslänge l ist dabei näherungsweise durch die Strahl breite b des in die Drallkammer einströmenden Flüssigkeits­ strahls über die Beziehung l = α · b mit einer experimen­ tellen Konstante α bestimmt, wobei insbesondere α in der Größenordnung von 0,1 liegt. Ist der Krümmungsradius ins­ besondere kleiner als etwa ein Hundertstel der Mischungs­ länge, dann wird ein sehr hoher Turbulenzgrad erzeugt.

Weiterhin besonders günstig für die Turbulenzförderung in der Strömung ist es, wenn der Kantenwinkel an einer rückspringen­ den Fläche mindestens größer ist als 4° und insbesondere größer als 6° ist, wodurch die Erzeugung von Ablösewirbeln in dem strömenden Fluid erleichtert wird.

Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist mindestens ein Segment der Drallkammer rückspringende Flächen durch eine gewindeartige Ausformung der Innenwände mit konstanter oder auch variabler Steigung auf.

Turbulenzfördernd wirkt es sich beim Einströmen des Fluids in die Drallkammer aus, wenn die Mündungen der Zulaufkanäle für das erste Fluid in die erste Teilkammer der Drallkammer einen elliptischen Querschnitt aufweisen.

Ebenso wirkt es turbulenzfördernd, wenn die Mündungen der Zulaufkanäle für das zweite Fluid in die zweite Teilkammer der Drallkammer einen elliptischen Querschnitt aufweisen.

Die Zulaufkanäle für das erste Fluid in die erste Teilkammer der Drallkammer können an den Mündungen verstellbare Schieber aufweisen, durch die die Mündungen der Zulaufkanäle in die Drallkammer insbesondere teilweise abgedeckt werden können. Dadurch wird ebenfalls der Turbulenzgrad der des in die Drallkammer einströmenden Fluids erhöht.

Dies gilt analog, wenn die Mündungen der Zulaufkanäle für das zweite Fluid in die zweite Teilkammer der Drallkammer ver­ stellbare Schieber zum teilweisen Abdecken der Mündungsöff­ nungen aufweisen.

Verbesserte Möglichkeiten der Durchflußsteuerung für das zweite Fluid durch die Kegelstrahldrallmischdüse ergeben sich, wenn die Mündungen der Zulaufkanäle für das zweite Fluid, welche in die zweite Teilkammer der Drallkammer führen, in axialer Richtung gestaffelt angeordnet sind.

In einer besonders günstigen Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung erfolgt zusätzlich zur Variation des Vor­ drucks die Durchflußregelung für das zweite Fluid durch die Kegelstrahldrallmischdüse mittels einer in die zweite Teil­ kammer der Drallkammer hineinreichenden axial verschieblichen Ventilnadel. Dadurch läßt sich der Durchfluß in einem größe­ ren Bereich des Massedurchsatzes auch bei sehr großen Dichte­ unterschieden der beiden Fluide besser und auch genauer regeln.

Zur Erzielung eines homogenen Gemisches ist es vorteilhaft, wenn die Ventilnadel eine drehsymmetrische konkave oder eine konische Stirnfläche aufweist, welche den Turbulenzgrad des umströmenden Fluids erhöht.

Eine konische Stirnfläche stellt dabei einen Spezialfall einer drehsymmetrischen konkaven Stirnfläche dar.

In einer zweckmäßigen Ausführungsform erfolgt die Steuerung der Ventilnadelbewegung in axialer Richtung mittels einer Motoreinheit. Die Steuerung der Motoreinheit selbst erfolgt über eine Steuerungs- und Regelungseinheit. Die Motoreinheit läßt sich dann über Ausgabengröße der Vorrichtung, von der die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Teil ist, steuern, so daß der Durchfluß durch die Kegelstrahldrallmischdüse ge­ regelt wird, wodurch wiederum die Ausgabengrößen der Vorrich­ tung, von der die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Teil ist, geregelt werden, so daß insgesamt eine Rückkopplungswirkung erzielt ist.

Es zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 Querschnitt durch eine Drallkammer, die An­ ordnung von Zulaufkanälen in die Drallkammer zeigend;

Fig. 3 einen Längsriß eines Teils einer Drallkammer, die Mündungen von Zulaufkanälen in die Drall­ kammer zeigend;

Fig. 4 einen Längsriß einer Drallkammer;

Fig. 5 die Definition von Kantenwinkel und Krümmungsradius an einer rückspringenden Fläche;

Fig. 6 eine schematische Abbildung einer struk­ turierten Innenwand in der Drallkammer und

Fig. 7 ein Blockdiagramm von einer rückkopplungs­ geregelten Vorrichtung, die die Kegelstrahl­ drallmischdüse umfaßt.

Eine in Fig. 1 dargestelltes und als Ganzes mit 10 bezeich­ netes Ausführungsbeispiel einer Kegelstrahldrallmischdüse weist ein Gehäuse 12 mit einem Gehäuseboden 14 und darauf aufstehenden Gehäusewänden 16 auf, wodurch zwischen den Gehäusewänden 16 und dem Gehäuseboden 14 ein zylindrischer Hohlraum 18 gebildet ist. Der Gehäuseboden 14 weist auf der den Gehäusewänden 16 abgewandten Seite einen Gehäuseboden­ ansatz 20 auf.

Der Gehäuseboden weist in seinem Zentrum eine zylindrische Öffnung 22 auf, die in eine im Gehäusebodenansatz 20 liegende kegelförmige Auslaßöffnung 24 übergeht, wobei der zylin­ drische Hohlraum 18, die zylindrische Öffnung 22 und die Auslaßöffnung 24 koaxial zu einer Achse 26 angeordnet sind.

Die zylindrische Öffnung 22 in dem Gehäuseboden 14 weist eine ringförmige Ausnehmung 28 auf, wodurch im Gehäuseboden 14 eine Zentrierung entsteht, in der eine Düsenplatte 30 sitzt. Die Düsenplatte 30 ist aus korrosionsbeständigem Material, beispielsweise Edelstahl. Die Düsenplatte 30 weist auf ihrer dem Hohlraum 18 zugewandten Seite eine Öffnung auf, die einen Teil einer mehrere Segmente umfassenden Drallkammer 32 bildet. Die Drallkammer 32 ist durch eine erste Teilkammer 33a und eine zweite Teilkammer 33b gebildet. Durch eine Düsenöffnung 34 in der Düsenplatte 30 tritt das zerstäubte Gemisch aus der Drallkammer 32 in die Auslaßöffnung 24.

An den Gehäuseboden 14 und die Düsenplatte 30 schließt sich im Hohlraum 18 ein erstes Düsenkörperelement 36a an, das aus korrosionsbeständigem Material, beispielsweise Edelstahl, an­ gefertigt ist. In seinem Zentrum weist das erste Düsenkörper­ element 36a eine Öffnung koaxial zur Achse 26 auf, die einen Anteil der ersten Teilkammer 33a der Drallkammer 32 bildet. Ein weiterer Anteil der Teilkammer 33a liegt in der Düsen­ platte 30. Der Aufbau der Drallkammer 32 ist in Fig. gezeigt und untenstehend näher erläutert.

Auf dem ersten Düsenkörperelement 36a ist ein zweites Düsen­ körperelement 36b angeordnet, das ebenfalls aus korrosions­ beständigem Material angefertigt ist und in seinem Zentrum eine Öffnung koaxial zur Achse 26 aufweist. Diese Öffnung bildet die zweite Teilkammer 33b der Drallkammer 32.

Die erste Teilkammer 33a der Drallkammer 32 weist ein erstes Einlaufsegment 38a auf, welches durch eine zylindrische Öff­ nung im ersten Düsenkörperelement 36a und in der Düsenplatte 30 gebildet ist.

Das erste Düsenkörperelement 36a weist an seiner dem Gehäuse­ boden 14 abgewandten Seite den Gehäusewänden 16 zugewandt an­ geordnete Ausnehmungen 44a auf. Innerhalb des ersten Düsen­ körperelements 36a verlaufen Zulaufkanäle 40a zwischen den Ausnehmungen 44a und dem ersten Einlaufsegment 38a der ersten Teilkammer 33a der Drallkammer 32 in einem Winkel zur Achse 26. Die Zulaufkanäle 40a münden in das erste Einlaufsegment 38a über drallkammerseitige Mündungen 42a und weisen in einer Innenwand der Ausnehmungen 44a liegende Mündungen 46a auf.

In den Gehäusewänden 16 verlaufen zwischen den Ausnehmungen 44a und dem dem Gehäuseboden 14 abgewandten Ende des Gehäuses 12 in axialer Richtung zylindrische Kanäle 45, welche über eine Ausnehmung in den Gehäusewänden 16 in die Ausnehmungen 44a münden.

Die drallkammerseitigen Mündungen 42a der Zulaufkanäle 40a in die erste Teilkammer 33a sind, wie in Fig. 2 gezeigt, längs einer Umfangslinie des ersten Einlaufsegments 38a versetzt angeordnet und zwar so, daß die Wandung eines Zulaufkanals 40a an einer Mündung 42a und die Wandung des zylindrischen Einlaufsegments 38a die gleiche Tangentialfläche aufweisen.

Im Hohlraum 18 ist ein zweites Düsenkörperelement 36b ange­ ordnet, welches auf dem ersten Düsenkörperelement 36a sitzt und ebenfalls aus korrosionsbeständigem Material angefertigt ist. Eine zur Achse 26 koaxiale Öffnung in dem zweiten Düsen­ körperelement 36b bildet die zweite Teilkammer 33b der Drall­ kammer 32. An dem Übergang zwischen dem ersten Düsenkörper­ element 36a und dem zweiten Düsenkörperelement 36b gehen die erste Teilkammer 33a und die zweite Teilkammer 33b der Drall­ kammer 32 ineinander über.

An ihrem dem Gehäuseboden 14 abgewandtem Ende weist die zweite Teilkammer 33b der Drallkammer 32 ein zweites zylin­ drisches Einlaufsegment 38b auf. In dem zweiten Düsenkörper­ element 36b verlaufen zwischen dem zweiten Einlaufsegment 38b und Ausnehmungen 44b, welche in dem zweiten Düsenkörperele­ ment 36b auf der dem Gehäuseboden 14 abgewandten und der den Gehäusewänden 16 zugewandten Seite angeordnet sind, Zulauf­ kanäle 40b in einem Winkel zur Achse 26. Die Zulaufkanäle 40b sind mit dem zweiten Einlaufsegment 38b über drallkammer­ seitige Mündungen 42b und mit den Ausnehmungen 44b über Mündungen 46b verbunden.

Die drallkammerseitigen Mündungen 42b der Zulaufkanäle 40b in die zweite Teilkammer 33b der Drallkammer 32 sind, wie die drallkammerseitigen Mündungen 42a der Zulaufkanäle 40a längs der Umfangslinie des ersten Einlaufsegments 38a, in Umfangs­ richtung versetzt angeordnet (Fig. 2). Dabei sind die Zulauf­ kanäle 40b so angeordnet, daß die Einströmrichtungen eines in das zweite Einlaufsegment 38b einströmenden Fluids entgegen­ gesetzt sind zu den entsprechenden Einströmrichtungen eines aus den Zulaufkanälen 40a in das erste Einlaufsegment 38a einströmenden Fluids (Fig. 2).

Die drallkammerseitigen Mündungen 42b der im zweiten Düsen­ körperelement 36b verlaufenden Zulaufkanäle 40b sind ferner in axialer Richtung gestaffelt angeordnet (Fig. 3). Bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels weisen die Mündungen 42b einen elliptischen Querschnitt 72 auf, wobei die elliptische Mündungsöffnung insbesondere durch die Länge der kleinen Halbachse 74 charakterisiert ist. Auch die Mündungen 42a können einen elliptischen Querschnitt aufweisen.

Die drallkammerseitigen Mündungen 42b sind mit an Schienen 80 verschiebbaren Schiebern 82 versehen, durch die die Mündungen 42b insbesondere teilweise abgedeckt werden können. Die Schieber 82 sind über Halteelemente 84 an den Schienen 80 feststellbar. Die Schienen 80 und die Schieber 82 sind außer­ dem so im zweiten Düsenkörperelement 36b angeordnet, daß sie nicht in die Drallkammer 32 hineinreichen. Auch die Mündungen 42a können mit an Schienen 80 verschiebbaren Schiebern 82 versehen sein.

Auf der dem Gehäuseboden 14 abgewandten Seite des zweiten Düsenkörperelements 36b sitzt im Hohlraum 18 ein Filter 48, das in seinem Zentrum eine zylindrische Öffnung 50 koaxial zur Achse 26 aufweist.

Auf den Gehäusewänden 16 sitzt eine Deckelplatte 54, welche einen ausragenden Stutzen 56 umfaßt. Die Deckelplatte 54 mit ihrem Stutzen 56 weist einen zylindrischen Kanal 58 koaxial zur Achse 26 auf. Außerdem weist die Deckelplatte 54 in axialer Richtung verlaufende Öffnungen 61 auf, durch die die zylindrischen Kanäle 45 in den Gehäusewänden 16 in der Deckelplatte 54 fortgesetzt werden, so daß durch die Öff­ nungen 61 ein Fluid über die Kanäle 45 und die Zulaufkanäle 40a in die erste Teilkammer 33a der Drallkammer 32 einströmen kann.

Zwischen dem Filter 48 und der Deckelplatte 54 ist ein Schei­ benelement 59 angeordnet, dessen Höhe kleiner ist als die lichte Höhe zwischen der der Deckelplatte 54 zugewandten Seite des Filters 48 und der dem Filter 48 zugewandten Seite der Deckelplatte 54, und dessen Durchmesser ist kleiner als der Innendurchmesser des Hohlraums 18. Dadurch entsteht zwischen Scheibenelement 59 und Deckelplatte 54 und zwischen einer Stirnkante des Scheibenelements 59 und den Gehäuse­ wänden 16 ein Hohlraum, durch den ein Fluid aus dem zylin­ drischen Kanal 58 dem Filter 48 zufließen kann.

In der zweiten Teilkammer 33b der Drallkammer 32 ist eine Ventilnadel 60 angeordnet, welche im zweiten Einlaufsegment 38b in axialer Richtung verschieblich ist. Die Ventilnadel 60 weist eine konische Spitze 68 auf, welche zum Gehäuseboden 14 zeigt. Durch die Umfangslinie der Basis des Konus der ko­ nischen Spitze 68 ist ein Steuerkante 66 gebildet. Durch die Ventilnadel 60 werden die zwischen der Steuerkante 66 und der dem Gehäuseboden 14 abgewandten Seite des zweiten Düsenkör­ perelements 36b liegenden drallkammerseitigen Mündungen 42b der Zulaufkanäle 40b in das zweite Einlaufsegment 38b abge­ deckt (Fig. 3).

Die Ventilnadel 60 weist einen Ventilnadelschaft 62 auf, der durch die zylindrische Öffnung 50 im Filter 48, durch eine Öffnung im Scheibenelement 59 und durch den zylindrischen Kanal 58 in der Deckelplatte 54 verläuft. Die axiale Ver­ schiebung der Ventilnadel erfolgt über diesen Ventilnadel­ schaft 62.

In der Öffnung 50 sind zwischen dem Filter 48 und dem Ventil­ nadelschaft 62 Dichtungen 64 angeordnet, so daß kein Fluid durch die Öffnung im Scheibenelement 59 in die Öffnung 50 im Filter 48 gelangen kann. Die Dichtungen 64 sind so angeord­ net, daß die Ventilnadel 60 im Einlaufsegment 38 in Richtung Deckelplatte 54 bis zu einer Höhe verschieblich ist, bei der sie keine drallkammerseitigen Mündungen 42b der Zulaufkanäle 40b abdeckt.

Das zweite Einlaufsegment 38b weist auf seiner dem Filter 48 zugewandten Seite eine ringförmige Ausnehmung auf, in der ein Dichtungselement 70, vorzugsweise ein O-Ring, zwischen der Ventilnadel 60 und dem zweiten Einlaufsegment 38b angeordnet ist. Dadurch wird verhindert, daß ein Fluid aus dem Filter 48 über denjenigen Teil der Öffnung 50, der aufgrund der Ver­ schieblichkeit der Ventilnadel 60 im zweiten Einlaufsegment 38b keine Dichtung zwischen dem Filter 48 und dem Ventil­ nadelschaft 62 aufweist, direkt in das zweite Einlaufsegment 38b gelangen kann.

Die Drallkammer 32 umfaßt, wie in Fig. 4 gezeigt, mehrere Segmente. In der gezeigten Variante eines Ausführungsbei­ spiels umfaßt die Drallkammer 32 das zweite zylindrische Ein­ laufsegment 38b, auf das ein in radialer Richtung senkrecht zur Achse 26 konisch sich erweiterndes Segment 88 folgt. Auf das konisch sich erweiternde Segment 88 folgt ein zylin­ drisches Segment 90, das einen größeren Durchmesser aufweist als das zweite zylindrische Einlaufsegment 38b. Auf das zylindrische Segment 90 folgt ein in radialer Richtung konisch sich erweiterndes Segment 92. Das zweite Düsenkörper­ element 36b umfaßt die Segmente 38b, 88, 90 und 92, die die zweite Teilkammer 33b der Drallkammer 32 bilden.

Auf das konisch sich erweiternde Segment 92 folgt das erste Einlaufsegment 38a, das einen größeren Durchmesser aufweist als das zylindrische Segment 90. Auf das Segment 94 folgt ein konisch zusammenlaufendes Segment 96, das in der Düsenöffnung 34 mündet. Das Segment 38a wird vom ersten Düsenkörperelement 36a und teilweise von der Düsenplatte 30 umfaßt und das Seg­ ment 96 ist in der Düsenplatte 30 angeordnet.

Am Übergang vom zweiten Einlaufsegment 38b zum konisch sich erweiternden Segment 88 sowie beim Übergang vom zylindrischen Segment 90 zum konisch sich erweiternden Segment 92 liegen rückspringende Flächen 98 vor.

Diese rückspringenden Flächen 98 sind, wie in Fig. 5 gezeigt, durch einen Kantenwinkel 100 und einen Krümmungsradius 102 charakterisiert. Der Kantenwinkel 100 ist dabei als der spitze Winkel zwischen einem zur Achse 26 koaxial-symmetrisch liegenden Flächenelement 104 und dem rückspringenden Flächen­ element 98 definiert. Der Krümmungsradius 102 ergibt sich als der Radius eines Kreises 106, dessen Mittelpunkt auf der Winkelhalbierenden 108 des Flächenelements 104 und des Flächenelements 98 so liegt, daß er die beiden Flächenele­ mente 98 und 104 tangential berührt.

In einer Variante einer Ausführungsform (Fig. 6) weist das zylindrische Segment 90 auf seiner Innenwand 110 eine ge­ windeartige Struktur auf, die aus dreieckförmigen Erhebungen 112 auf der Innenwand 110 gebildet ist. Die dreieckförmigen Erhebungen 112 weisen eine Flanke 114 und eine Flanke 116 auf, wobei die Flanken 114 und 116 aneinander stoßen. Durch die Flanken 116 weist die Innenwand 110 des Segments 90 rück­ springende Flächen 98 auf. Insbesondere können ein, oder mehrere oder alle Segmente der Drallkammer 32 eine Innenwand­ struktur aufweisen.

Die beiden Fluide werden getrennt mit einem Vordruck, der beispielsweise jeweils in der Größenordnung von 3 bar liegen kann, der Kegelstrahldrallmischdüse zugeführt. Das erste Fluid strömt über die Öffnungen 61 in der Deckelplatte 54 durch die zylindrischen Kanäle 45 über die Ausnehmungen 44a in die Zulaufkanäle 40a und von dort über die drallkammer­ seitigen Mündungen 42a in die im ersten Düsenkörperelement 36a angeordnete erste Teilkammer 33a der Drallkammer 32.

Das zweite Fluid wird durch die zylindrische Öffnung 58 in der Deckelplatte 54 in die Kegelstrahldrallmischdüse 10 ein­ geführt. Das Fluid strömt in axialer Richtung durch den Stutzen 56 und wird beim Eintritt in den Hohlraum 18 in radialer Richtung umgelenkt. Durch den Hohlraum zwischen dem Scheibenelement 59 und den Gehäusewänden 16 strömt sie dem Filter 48 zu und durchläuft anschließend das Filter 48. Das Filter 48 hat die Aufgabe, Festkörperteilchen aus dem Fluid auszufiltern, um Beschädigungen oder Verstopfungen in den Zulaufkanälen 40b und der Drallkammer 32 zu vermeiden.

Über die Ausnehmungen 44b gelangt das Fluid in die Zulauf­ kanäle 40b und strömt durch die Zulaufkanäle 40b in die zweite Teilkammer 33b der Drallkammer 32. Die Anordnung der drallkammerseitigen Mündungen 42b auf dem Kreisumfang des Einlaufsegments 38 (Fig. 2) sorgt dafür, daß die Flüssigkeit beim Einströmen in die Drallkammer maximalen Drall erhält.

Der Fluidstrom für das erste Fluid vermischt sich in der ersten Teilkammer 33a der Drallkammer 32 mit dem Fluidstrom für das zweite Fluid. Da die Fluide beim Einströmen entgegen­ gesetzten Drall aufweisen (Fig. 2) ist für eine gute Verwir­ belung und damit Vermischung der Fluide gesorgt.

Über die axiale Stellung der Ventilnadel 60 erfolgt durch die Bedeckung von drallkammerseitigen Mündungen 42b eine Durch­ flußregelung für das zweite Fluid durch die Kegelstrahldrall­ mischdüse 10. Eine zusätzliche Durchflußsteuerung kann durch die Variation des Vordrucks erfolgen, mit dem das Fluid der Kegelstrahldrallmischdüse 10 zugeführt wird.

Die Durchflußregelung für das erste Fluid erfolgt über die Variation des Vordrucks und über den durch das zweite Fluid erzeugten Gegendruck.

Durch die elliptische 72 Formgebung der drallkammerseitigen Mündungen 42a bzw. 42b und durch teilweises Abdecken der Mün­ dungen 42a bzw. 42b durch die Schieber 82 wird der Turbulenz­ grad der in die Drallkammer einströmenden Fluide erhöht. Ebenfalls turbulenzfördernd für das sie umströmende Fluid wirkt die konische Spitze 68 der Ventilnadel 60.

Der Übergang von dem zweiten Einlaufsegment 38b zu dem konisch sich erweiternden Segment 88 weist eine rück­ springende Fläche 98 auf. Eine solche rückspringende Fläche 98 wirkt ebenfalls turbulenzfördernd, insbesondere dann, wenn der zugehörige Kantenwinkel 100 größer als ungefähr 60 ist und wenn der Krümmungsradius 102 kleiner als ein Zehntel und insbesondere kleiner als ein Hundertstel der Mischungslänge ist. Die Mischungslänge ist dabei wesentlich durch die Strahlbreite der aus den Zulaufkanälen 40b in die Drallkammer 32 einströmenden Flüssigkeit bestimmt. Bei durch Schieber 82 nicht abgedeckten Mündungen 42b ist die Strahlbreite durch die Länge der kleinen Halbachse 74 bzw. bei teilweise abge­ deckten Mündungen 42b durch die Länge des nicht .abgedeckten Teils der Mündungen 42b bestimmt. Vorteilhafterweise liegt die Mündungskante eines Zulaufkanals 40b direkt an dem Über­ gang von dem Einlaufsegment 38b zum Segment 88.

Beim Übergang vom Segment 90 zum Segment 92 liegt ebenfalls eine turbulenzfördernde rückspringende Fläche 98 vor.

Durch die turbulente Strömung der Fluide in der Drallkammer wird eine homogenere Tröpfchenverteilung in dem zerstäubten Gemisch erreicht.

Die Höhe der Drallkammersegmente 88, 90, 92, 94 und 96 in axialer Richtung, die Größe der Kantenwinkel an den rück­ springenden Flächen 98, die Durchmesser der Segmente der Drallkammer 32 und der Durchmesser bzw. bei elliptischer Formgebung die Länge der großen und kleinen Halbachse, und die Stafflungshöhe der Zulaufkanäle 40b, welche in das Ein­ laufsegment 38b münden, sowie der Durchmesser der Zulauf­ kanäle 40a sind so dimensioniert, daß sich im Kegelstrahl des zerstäubten Gemisches die optimale Tröpfchengröße ergibt.

In einer Variante eines Ausführungsbeispiels ist, wie in Fig. 7 in einem Blockschaltbild angedeutet, die axiale Bewegung der Ventilnadel 60 über den Ventilnadelschaft 62 durch eine Motoreinheit 118 gesteuert. Der aus der Kegelstrahldrall­ mischdüse 10 austretende Kegelstrahl des zerstäubten Ge­ misches wird einer Vorrichtung 120 zugeführt. Es kann sich dabei beispielsweise um die einer Kraftstoff-Luft-Mischungs- und Zerstäubungsvorrichtung nachgeschalteten Elemente eines Verbrennungsmotors handeln.

Von dem Fluiddurchfluß durch die Kegelstrahldrallmischdüse abhängige charakteristische Größen der als Ganzes einschließ­ lich Kegelstrahldrallmischdüse 10 mit 122 bezeichnete Vor­ richtung werden durch einen Meßfühler 124 registriert. Bei einem Verbrennungsmotor kann es sich dabei beispielsweise um den Anteil von Gasen wie Kohlenmonoxid oder Kohlenoxid in den Auspuffgasen handeln. Die vom Meßfühler 124 registrierte Meß­ größe bzw. registrierten Meßgrößen werden an eine Steuer- und Regelungseinheit 126 weitergegeben, welche über eine Pumpe 128a den Vordruck in der über Leitungen 130a der Kegel­ strahldrallmischdüse 10 zugeführten ersten Fluids und über eine Pumpe 128b den Vordruck in dem über Leitungen 130b zuge­ führten zweiten Fluid steuert. Außerdem steuert die Motorein­ heit 118 die axiale Bewegung der Ventilnadel 60, wodurch der Durchfluß für das zweite Fluid durch die Kegelstrahldrall­ mischdüse 10 geregelt wird. Dadurch wird eine Rückkopplungs­ wirkung erzielt. Die Vorrichtung 122 läßt sich damit in ihrer optimalen Betriebsweise betreiben.

Claims (17)

1. Kegelstrahldrallmischdüse zum Mischen eines ersten und eines zweiten Fluids, insbesondere einer Flüssigkeit und eines Gases, und zur Zerstäubung des Gemisches, welche getrennte Zuführungskanäle für das erste und das zweite Fluid aufweist, die in eine Drallkammer führen, welche in einer Düsenöffnung mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkammer (32) eine erste Teilkammer (33a) umfaßt, in die Zulaufkanäle (40a) für das erste Fluid münden und eine mit der ersten Teilkammer (33a) verbundene zweite Teilkammer (33b) umfaßt, in die Zulaufkanäle (40b) für das zweite Fluid münden, daß die Zulaufkanäle (40a; 40b) für das erste bzw. das zweite Fluid so angeordnet sind, daß das erste bzw. das zweite Fluid aus den Zulaufkanälen (40a; 40b) in die erste bzw. die zweite Teilkammer (33a; 33b) der Drallkammer (32) mit maximalem Drall einströmt und daß die Zulaufkanäle (40b) für das zweite Fluid in die zweite Teilkammer (33b) der Drallkammer (32) so ange­ ordnet und abgestimmt sind, daß der Drall für das zweite Fluid beim Einströmen in die zweite Teilkammer (33b) der Drallkammer (32) dem Drall für das erste Fluid beim Ein­ strömen in die erste Teilkammer (33a) der Drallkammer (32) entgegengesetzt ist.

2. Kegelstrahldrallmischdüse nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drall beim Einströmen in die erste Teilkammer bzw. in die zweite Teilkammer (33a; 33b) für das erste bzw. das zweite Fluid jeweils einstellbar ist.

3. Kegelstrahldrallmischdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilkammer (33a) der Drall­ kammer (32) zwei oder mehrere in axialer Richtung ange­ ordnete Segmente umfaßt.

4. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Teil­ kammer (33b) der Drallkammer (32) zwei oder mehrere in axialer Richtung angeordnete Segmente umfaßt.

5. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Übergänge zwischen den Segmenten der Drallkammer (32) rückspringende Flächen (98) aufweisen.

6. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar an der der ersten Teilkammer (33a) der Drallkammer (32) nächst­ liegenden Mündungskante eines in die zweite Teilkammer (33b) der Drallkammer (32) mündenden Zulaufkanals eine rückspringende Fläche (98) vorliegt.

7. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungs­ radius (102) einer rückspringenden Fläche (98) mindestens kleiner ist als ein Zehntel der den Flüssigkeitswirbeln in der Drallkammer (32) zugeordneten Mischungslänge.

8. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kantenwinkel (100) an einer rückspringenden Fläche (98) mindestens größer ist als 4° und insbesondere größer ist als 6°.

9. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Segment der Drallkammer (32) rückspringende Flächen (98) durch eine gewindeartige Ausformung der Innenwände mit konstanter oder auch variabler Steigung aufweist.

10. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen (42a) der Zulaufkanäle (40a) für das erste Fluid in die erste Teilkammer (33a) der Drallkammer (32) einen ellip­ tischen Querschnitt aufweisen.

11. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen (42b) der Zulaufkanäle (40b) für das zweite Fluid in die zweite Teilkammer (33b) der Drallkammer (32) einen ellip­ tischen Querschnitt aufweisen.

12. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen (42a) der Zulaufkanäle (40a) für das erste Fluid in die erste Teilkammer (33a) der Drallkammer (32) verstellbare Schieber (82) zum teilweisen Abdecken der Mündungsöff­ nungen aufweisen.

13. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen (42b) der Zulaufkanäle (40b) für das zweite Fluid in die zweite Teilkammer (33b) der Drallkammer (32) verstellbare Schieber (82) zum teilweisen Abdecken der Mündungsöff­ nungen aufweisen.

14. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen (42b) der Zulaufkanäle (40b) für das zweite Fluid, welche in die zweite Teilkammer (33b) der Drallkammer (32) führen, in axialer Richtung gestaffelt angeordnet sind.

15. Kegelstrahldrallmischdüse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchfluß­ regelung für das zweite Fluid durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mittels einer in die zweite Teilkammer (33b) der Drallkammer (32) hineinreichenden axial verschieb­ lichen Ventilnadel (60) erfolgt.

16. Kegelstrahlmischdüse nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ventilnadel (60) eine die Turbulenz des umströmenden Fluids fördernde drehsymmetrische kon­ kave oder eine konische Stirnfläche (68) aufweist.

17. Kegelstrahldrallmischdüse nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Motoreinheit (118) die axiale Bewegung der Ventilnadel (60) steuert.