DE19906146A1

DE19906146A1 - Düse zum Zerstäuben von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE19906146A1
Application number: DE19906146A
Authority: DE
Inventors: Peter Walzel; Heinrich Peter Kutsch; Wilhelm Brandstaetter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-02-13
Filing date: 1999-02-13
Publication date: 2000-08-17

Abstract

Die Erfindung betrifft Einstoffdüsen, vorwiegend zum Zerstäuben von Kraftstoffen mit einer durch Verschrauben eines Profils 3 entstehenden schraubenförmigen Wand 2 des Strömungskanals 1. Durch die Verwendung einer ausreichenden Gangtiefe T der Schraube im Verhältnis zum hydraulischen Durchmesser D¶h¶ des Strömungskanals 1, bzw. T > 0,2 D¶h¶ gelingt es, aus der Düse einzelne Strahlen austreten zu lassen, die divergent sind und ein gutes Eindringvermögen in die Gasumgebung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft Düsen zum Zerstäuben von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoffen in Verbrennungsmaschinen, und Methoden zur Herstellung der Düsen. Bei Einstoffdüsen wird die Zerstäubungsenergie über den Druck der Flüssigkeit bereitgestellt. Für die Kraftstoffeinspritzung wird vorwiegend dieser Düsentyp eingesetzt. Siehe z. B.: P. Walzel, Auslegung von Einstoff-Druckdü sen, Chem.-Ing.-Techn. 54 (1982) 4, S. 313-328.

Das Zerstäuben von Kraftstoffen erfolgt im Falle der Direkteinspritzung da durch, daß der Kraftstoff mit hohen Drücken meist mit 200 < Δp < 2000 bar in den Verbrennungsraum durch Düsen eingespritzt wird. Bei Kolbenmaschinen beträgt die Einspritzzeit je nach Bauart und Drehzahl der Verbrennungsmaschi ne oft nur wenige tausendste Sekunden. Der Einspritzvorgang dient dazu, den Brennstoff möglichst gleichmäßig im Brennraum zu verteilen.

Neben einer möglichst kleinen Tropfengröße, die eine rasche Verbrennung des Kraftstoffes ermöglicht, ist auch ein ausreichendes Eindringverhalten des Sprühstrahls in den Brennraum gefordert, da naturgemäß für den Eindringvor gang ebenso nur eine sehr kurze Zeit zur Verfügung steht. Bei hinreichend gro ßen Maschinen erreicht man die günstige Aufteilung und die ausreichende Ein dringtiefe durch Aufteilen des Brennstoffstroms auf mehrere Düsenöffnungen. Siehe z. B. G. König et al., Grundsätzliche Untersuchungen zur Strahlausbrei tung und Gemischbildung von Einspritzdüsen für EURO III - Nutzfahrzeugmoto ren, Spray '98, Preprints 22-1/7, Universität Essen, 1998. Auf diese Weise wer den mehrere zueinander divergente Brennstoffstrahlen erzeugt, die die ge wünschte Gemischbildung und Aufteilung begünstigen. Neben der Direktein spritzung erfolgt bei einem anderen System das Einspritzen des Kraftstoffes in den Zuführungskanal der Luft. Auch hierfür werden in der Regel Einstoffdüsen eingesetzt. Siehe z. B. J. Schlerfer et al., Gemischbildungsstudie an einem Daimler-Benz-Versuchsmotor zur Unterschreitung der ULEV-Grenzwerte, Spray '98, Preprints 23-1/7, Universität Essen, 1998.

Eine besonders effektive Zerstäubung bzw. recht feine Tröpfchen kann man durch die Anwendung von Drallzerstäubern erreichen. Hierbei handelt es sich um kurze Düsenkanäle, denen eine Drallkammer vorgelagert ist, die über zwei oder auch mehrere Anströmkanäle meist tangential angeströmt wird. Diese Dü sen werden häufig auch als "Hohlkegeldüsen" bezeichnet. Siehe auch P. Walzel, Auslegung von Einstoff-Druckdüsen, Chem.-Ing.-Techn. 54 (1982) 4, S. 313-328.

Bei anderen Bauformen von Dralldüsen erfolgt das Zuströmen des Kraftstoffes achsial. Im Zuströmkanal befindet sich dann ein Drallkörper, in dem auf einem zentralen Kern meist mehrere verschraubte Strömungskanäle eingebracht sind. Diese Strömungskanäle sorgen für die gewünschte Drallströmung in der nach geschalteten Drallkammer, die sich in dem meist konischen Kanal bis in die Dü se hinein fortsetzt. Die bekannten Drallkörper sind wie erwähnt durch einen zentralen Kern oder auch Steg gekennzeichnet.

Es ist bekannt, daß derartige Drallkörper auch zum Erzeugen von Sprühstrah len in der Form von Vollkegeln eingesetzt werden. Hierzu befindet sich im Zen trum des Drallkörpers meist eine Bohrung, die das Entstehen eines Luftkerns verhindert, der im Fall von Hohlkegeldüsen gerade erwünscht ist.

An dieser Stelle soll noch eine weitere bekannte Düsenform erwähnt werden, die ebenso einen verschraubten Ablenkkörper besitzt. Es handelt sich dabei um die sogenannten Helixdüsen. Sie bestehen aus einer meist runden zentralen Düse, die von einem meist eingängigen schraubenförmigen Ablenkkörper um geben ist. Der schraubenförmige Ablenkkörper ist hohl, wobei die Gewindegän ge so tief geschnitten sind, daß die Flüssigkeit vom Düsenzentrum über die gesamte Ganghöhe des Ablenkkörpers zwischen die Gewindegänge einströ men kann, dort abgeschält wird und in der Form einer verschraubten Lamelle die Düse verläßt. Solche Düsen lassen sich bislang wegen der geringen Bau teilfestigkeit des Drallkörpers nur mit vergleichsweise großen Abmessungen ab Düsendurchmessern von ca. 3 mm herstellen.

Das Ausströmen der Flüssigkeit aus der Düse erfolgt bei Hohlkegeldüsen in der Form einer angenähert kegeligen Lamelle. Obwohl mit diesem Düsentyp sehr feine Tröpfchen bei vorgegebenem Druck und vorgegebenem Düsendurchmes ser erreichbar sind, ist jedoch die Bremswirkung des Umgebungsgases auf die vergleichsweise dünne Lamelle erheblich. Deshalb ist bei dieser Bauform die Eindringtiefe der Tröpfchen in den Verbrennungsraum häufig unzureichend.

Das schon erwähnte Aufteilen des Brennstoffs auf mehrere Bohrungen erfor dert insbesondere bei hohen Einspritzdrücken und kleinen Maschinenleistun gen, Stichwort "3 l-Auto", für einen vorgegebenen Brennstoffdurchsatz beson ders kleine Bohrungsquerschnitte. Praktisch sind derzeit Bohrungen herunter bis 0,2 mm im Einsatz. Mit abnehmender Maschinenleistung stellt sich bei klei nen Öffnungen jedoch das Problem der Verstopfungsanfälligkeit.

Der hier beschriebenen Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die aufgezähl ten Mängel zu beseitigen.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß Düsen geeigneter Geometrie eingesetzt werden, die in der Lage sind, aus einem Strömungskanal mehrere divergente Sprühstrahlen zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird das Aufteilen des Brennstoffs im Brennraum und die Zerstäubung dadurch bewirkt, daß Düsen mit einem Strömungskanal 1 einge setzt werden, dessen Wand in der Form einer mehrgängigen, mindestens zweigängigen Schraube ausgebildet ist. Die schraubenförmige Wand bewirkt bei ausreichender Gangtiefe T, die mindestens 1/5 des Außendurchmessers D des verschraubten Profils 3 beträgt, daß sich am Austritt der Düse aus jedem Gang der Schraube überraschenderweise ein einzelner Sprühstrahl bildet, der angenähert die Richtung der Gangneigung zur Düsenaustrittsebene beibehält. So wird der Winkel ϕ = 90 - β zwischen den Sprühstrahlen und der Düsenach se durch den Steigungswinkel β der Schraube bestimmt. Mit abnehmender Ganghöhe H der Schraube nimmt der Sprühwinkel bzw. der Winkel ϕ zwischen Düsenachse und Sprühstrahlen zu. Es können also auf diese Weise aus einer einzigen Öffnung mehrere Sprühstrahlen erzeugt werden. Besonders bedeut sam ist dabei, daß die Düse im Gegensatz zu bekannten Bauformen keinen "festen Kern" besitzt, erst dadurch ist ein verstopfungsfreier Betrieb gewährlei stet. Die Strömungsveränderung erfolgt ausschließlich durch die schraubenför mige Wand 2 bzw. Kontur des Strömungskanals 1.

Es ist günstig, wenn das den verschraubten Strömungskanal 1 erzeugende Profil 3 eine abgerundete Form aufweist. Auf diese Weise wird Strömungsablö sung und Kavitation sowie erosiver Verschleiß vermieden.

In der Regel ist man bestrebt, eine möglichst gleichmäßige Aufteilung des Kraftstoffes auf die Einzelstrahlen zu erreichen. Im Idealfall sollen daher die Querschnittsflächen A_G jedes Ganges 4, aus denen die Einzelstrahlen hervortreten, angenähert gleich groß, jedoch mindestens halb so groß sein wie die Fläche A_d des in das Profil 3 eingeschriebenen Kreises 5, aus dem vorwie gend der Zentralstrahl hervorgeht. Dann ist auch der Querschnitt des achsialen Zentralstrahls und der seitlichen Strahlen angenähert gleich groß.

Das gewünschte Flächenverhältnis läßt sich bei der Verschraubung eines mehrgängigen Profils 3 praktisch nur dann erzielen, wenn das den Strömungs kanal 1 erzeugende Profil 3 an seinem Umfang konkave Stellen aufweist.

Günstig sind verschraubte Profile 3 zur Ausbildung der Wand 2 des Strö mungskanals 1, die angenähert die Form von Kleeblättern aufweisen. Im Fall von zweigängigen Schrauben sind sowohl angenähert elliptische als auch han telförmige Figuren als Profile 3 günstig.

Wie erwähnt, entstehen aus den erfindungsgemäßen Düsen mit schraubenför miger Wand 2 des Strömungskanals 1 je nach Anzahl der Gänge 4 mehrere di vergente Sprühstrahlen. Aus dem Zentrum des Strömungskanals 1 wird bei passender Geometrie ebenso ein Sprühstrahl gebildet, der die Düse achsial verläßt. Bei geeigneter Geometrie kann man daher eine Aufteilung des Brenn stoffstroms in Strahlen mit angenähert gleichem Durchfluß erreichen.

Die Umsetzung von Druck in Geschwindigkeit ist dann besonders effektiv, wenn Strömungskanäle 1 eingesetzt werden, deren Durchmesser in Strö mungsrichtung abnehmen. Gleiches gilt für die erfindungsgemäßen Düsen. Bei Strömungskanälen mit nicht kreisförmigen Querschnitten wird üblicherweise der hydraulische Durchmesser D_h angegeben. Er ist das Verhältnis der vier fachen Querschnittsfläche des verschraubten Profils 3 zum Umfang des ver schraubten Profils 3.

Durch die schraubenförmige Wand 2 des Strömungskanals 1 werden in der Düse Strömungskomponenten in Umfangsrichtung bzw. eine Drallströmung er zeugt. Strömungsablösung kann dadurch vermieden werden, daß die Be schleunigung in der Flüssigkeit im Strömungskanal 1 der Düse in Umfangsrich tung nicht zu hoch ausfällt. Dies kann durch einen Steigungswinkel β erreicht werden, der zum Düsenaustritt hin abnimmt. Auf diese Weise erreicht man zu dem einen geringeren Durchsatz des mittleren Strahls.

Die Fertigung einer Düse mit einer schraubenförmigen Wand 2 ist naturgemäß mit einem gewissen Aufwand verbunden. Besonders einfach ist die Fertigung aus Platten 6, die Öffnungen in der Form des Profils 3 aufweisen. Durch eine gestapelte Anordnung dieser Platten, die gegeneinander um einen bestimmten Winkelbetrag verdreht sind, kann die gewünschte verschraubte Oberfläche der Wand 2 des Strömungskanals 1 erzeugt werden. Die erwähnten Platten 6 kön nen auch durch Schweißen, Löten oder Kleben verbunden werden, wodurch ei ne Fixierung der Plattenstellung gegeben ist und die Montage bzw. Demontage der Düse erleichtert wird.

Eine weitere vorteilhafte Methode zur Fertigung der erfindungsgemäßen Düsen ist durch ein Rohr gekennzeichnet, daß zunächst in Längsrichtung eingebeult und in Umfangsrichtung verdreht wird. Es ist vorteilhaft, dieses Rohr zur Ver meidung von Leckströmungen in eine Blechplatte einzulöten, einzuschweißen oder einzukleben.

Wie schon erwähnt, sind sich in Strömungsrichtung verjüngende Strömungska näle 1 günstig zur Vermeidung von Strömungsverlusten. Neben der bereits er wähnten Möglichkeit die Düse selbst mit abnehmendem hydraulischen Durch messer D_h auszubilden, kann auch ein einfacher konischer Zulaufkanal gewählt werden, damit Strömungsablösung an Einlaufkanten vermieden wird.

Kombiniert man eine herkömmliche Drallkammer 7 mit einem erfindungsgemä ßen verschraubten Strömungskanal 1, so entsteht wegen des Gaskerns im Zen trum der Drallströmung kein zentraler Strahl. Die Filmströmung wird durch die schraubenförmige Wand 2 des Strömungskanals 1 jedoch ebenso in mehrere Sprühstrahlen aufgeteilt und dadurch das Eindringvermögen des Sprühs in die Gasumgebung erheblich verbessert. Diese Bauform hat den Vorteil, daß trotz eines großen Düsenquerschnitts mit geringer Verstopfungsneigung dennoch der Durchsatz vergleichsweise gering ist.

Im Fall von vorgeschalteten Drallkammern 7 entsteht im Zentrum des Sprüh strahls ein Gaskern mit einer Schichtenströmung an der Düsenwand. Die Flüs sigkeitsschicht δ weist in herkömmlichen Düsenöffnungen je nach Drallbedin gungen Bereiche von 0,2 < δ/D < 0,3 auf. Im Fall der erfindungsgemäßen ver schraubten Kontur strömt diese Schicht in die Gänge 4 der Verschraubung ein und tritt aus diesen in der Form von Einzelstrahlen aus.

Deshalb sind im Fall von vorgeschalteten Drallkammern 7 auch kleinere Gang tiefen des die Kontur des Strömungskanals bildenden Profils mit 0,15 < T/D < 0,4 sinnvoll. Besonders günstige Geometrien entstehen dadurch, daß der meist angenähert kegelig ausgeführte Strömungskanal 1 zur Düsenöffnung bereits schraubenförmige Einsenkungen bzw. Gänge 4 aufweist, deren Kontur der Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit in Wandnähe folgt.

Vorteilhafte Fertigungsverfahren sind neben dem mechanischen Bohren und Fräsen das Funkenerodieren. Bei einer andern vorteilhaften Fertigungsmethode wird ein Räumwerkzeug in der Form des Profils 3 schraubenförmig d. h. axial mit gleichzeitiger Verdrehung in das zumeist vorgebohrte Werkstück hinein bzw. herausbewegt.

Eine besonders vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Düsen erfolgt an Verbrennungskraftmaschinen zum Einspritzen des Kraftstoffes, insbes. von Kohlenwasserstoffen an Otto- und Dieselmotoren, wobei der hydraulische Aus trittsdurchmesser der Düsen im Bereich 0,05 < D_h < 0,05 mm liegt.

Die Erfindung ist beispielhaft in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 Düse mit schraubenförmigen Strömungskanal 1 in der Seitenansicht. Die Wand 2 des Strömungskanals 1 ist schraubenförmig und besitzt 3 Gänge 4.

Fig. 2 Düse mit dreigängigem schraubenförmigen Strömungskanal 1 in der Draufsicht. Das Profil 3 hat in dieser Ansicht die Gestalt eines Dreiecks.

Fig. 3 Düse mit viergängigem schraubenförmigen Strömungskanal 1. Ansicht in Strömungsrichtung. Das die Wand 2 des Strömungskanals 1 bilden de verschraubte Profil 3 weist eine abgerundete Kontur mit konkaven Bereichen auf. Zu erkennen ist die Querschnittsfläche A_G der Gänge und die Querschnittsfläche A_d des ein das Profil 3 eingeschriebenen Kreises 5.

Fig. 4 Düse mit zweigängigem schraubenförmigen Strömungskanal 1. Ansicht in Strömungsrichtung. Die Gangtiefe T ist der Abstand zwischen dem in das Profil 3 eingeschriebenen Kreises 5 und dem Profilaußendurch messer 8.

Fig. 5 Düse in der Seitenansicht mit abnehmendem hydraulischen Durchmes ser D_h.

Fig. 6 Düse in der Seitenansicht im Längsschnitt mit abnehmendem Stei gungswinkel β der Verschraubung.

Fig. 7 Platte 6 mit einer Öffnung in der Form des verschraubten Profils 3.

Fig. 8 Gestapelte und in Umfangsrichtung verdrehte Platten 6, die die ver schraubte Wand 2 des Strömungskanals 1 bilden, Ansicht in Strö mungsrichtung.

Fig. 9a In Längsrichtung eingebeultes Rohr.

Fig. 9b Eingebeultes und verwundenes Rohr, das den verschraubten Strö mungskanal 1 bildet.

Fig. 10 Eingebeultes und verschraubtes Rohr, das in eine Platte dicht einge setzt, z. B. eingelötet ist.

Fig. 11 Konischer Strömungskanal 1 mit schraubenförmiger Wand 2 mit strom aufwärts angeordneter Drallkammer 7.

Bezugszeichenliste

1

Strömungskanal

2

schraubenförmige Wand

3

Profil der Verschraubung

4

Gang der Verschraubung

5

eingeschriebener Kreis

6

Platten

7

Drallkammer

8

Außendurchmesser des Profils

3

A_d

Querschnittsfläche des in das Profil

3

eingeschriebenen Kreises

5

A_G

Querschnittsfläche des Ganges

4

der Verschraubung
b Steigungswinkel
H Ganghöhe
D_h

hydraulischer Durchmesser des Strömungskanals

Claims

1. Düse zum Versprühen von Flüssigkeiten, gekennzeichnet durch einen Strö mungskanal (1) ohne Kern mit einer Wand (2), die in der Form einer mehr gängigen, mindestens zweigängigen Schraube ausgebildet ist.

2. Düse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine schraubenförmige Wand (2) mit einer Kontur in der Form eines verschraubten Profils (3), des sen Tiefe T der Gänge (4) mindestens 1/5 des Außendurchmessers D be trägt, 1 ≧ 1/5.

3. Düse nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine schraubenförmi ge Wand (2) bei der die Gestalt des verschraubten Profils (3) eine abgerun dete Kontur aufweist.

4. Düse nach Anspruch 1 bis 3, dessen Querschnittsfläche A_G jedes Ganges (4) mindestens 1/2 mal so groß ist wie die Querschnittsfläche A_d des in das verschraubte Profil (3) eingeschriebenen Kreises (5).

5. Düse nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen hydraulischen Durchmesser D_h, der zum Düsenaustritt hin abnimmt.

6. Düse nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Steigungswin kel β, der zum Düsenaustritt hin abnimmt.

7. Düse nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch übereinandergestapel te Platten (7), die eine Öffnung in der Form des verschraubten Profils (3) aufweisen und durch eine gegeneinander verdrehte Anordnung die ver schraubte Wand (2) des Strömungskanals (1) erzeugen.

8. Düse nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Platten, die durch Löten, Kleben oder Schweißen verbunden werden.

9. Düse nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Rohr, das durch Einbeulen und Verdrehen die schraubenförmige Wand (2) erhält.

10. Düse nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Rohr, das in eine Blech platte eingelötet oder eingeschweißt oder eingeklebt ist.

11. Düse nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen konischen Flüs sigkeitszulauf.

12. Düse nach Anspruch 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine stromaufwärts angeordnete Drallkammer (7).

13. Düse nach Anspruch 1 bis 12, deren Wand (2) bzw. Kontur durch Funken erodieren erzeugt wird.

14. Düse nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die schrau benförmige Wand (2) durch mechanisches Bohren oder Fräsen erzeugt wird.

15. Düse nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß die schrauben förmige Wand (2) durch ein schraubenförmig bewegtes Räumwerkzeug mit der Form des verschraubten Profils 3 erzeugt wird.

16. Düse nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Ein gießen einer verdrehten Profilstange in eine erstarrende Masse und an schließendes Herausdrehen der Stange aus der Masse hergestellt wird.

17. Verwendung einer Düse nach Anspruch 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Einspritzen von Kraftstoffen, z. B. Kohlenwasserstoffen in Ver brennungsmaschinen, insbesondere in Otto- oder Dieselmotoren eingesetzt wird und am Düsenaustritt einen hydraulischen Durchmesser 0,05 < D_h < 1,0 mm aufweist.