DE19919461A1 - Verschließbare Düse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine verschließbare Düse für fluide Medien mit einem Gehäuse, einer Auslaßöffnung und einem Schließelement. Die Auslaßöffnung wird von einer Membran verschlossen, die als Feder wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine verschließbare Düse für fluide Medien mit einem Gehäuse, einer Auslaßöffnung und einem die Auslaßöffnung verschließenden Schließelement, wobei die Auslaßöffnung und das Schließelement relativ zueinander beweglich sind und das Schließelement und die Auslaßöffnung unter der Kraft einer Feder aneinander anliegen.

Verschließbare Düsen für fluide Medien sind hinreichend bekannt. In der Regel weisen diese Düsen einen in Axialrichtung beweglichen Stößel bzw. eine Düsennadel auf, die eine Düsenbohrung verschließen. Die Spitze des Stößels bzw. der Düsennadel liegt unter der Kraft einer Spiralfeder an der Düsenbohrung an und verschließt diese. Der Stößel ist mit geringem Spiel im Gehäuse der Düse in Axialrichtung beweglich geführt und besitzt eine oder mehrere radiale Schultern, über welche die Düsennadel in Axialrichtung mit Druck beaufschlagt und dadurch axial bewegt wird. Um die Düsennadel gegen die Kraft der Spiralfeder zu bewegen bedarf es relativ hoher Kräfte, da zum einen die Schließkraft der Feder genügend groß sein muß, um einen dichten Verschluß der Düse auch entgegen der Kraft äußerer Einflüsse, z. B. des Druckes in einem Brennraum, zu gewährleisten. Aufgrund der kleinen Angriffsflächen an der Düsennadel bedarf es relativ hoher Drücke, um die Düse zu öffnen. Außerdem besitzen derartige Düsen eine relativ große Baulänge, was bei der Konstruktion des Verbrennungsaggregats berücksichtigt werden muß und was unter Umständen Probleme mit sich bringt.

Derartige Düsen werden außerdem auf einen bestimmten Arbeitspunkt ausgelegt, der in der Regel im Bereich der Vollast liegt. In den anderen Arbeitspunkten arbeitet die Düse außerhalb ihres optimalen Bereichs, was zu Lasten einer guten Verbrennung führt. Ein weiterer Nachteil wird darin gesehen, dass derartige Düsen stets mit Leckage verbunden sind, da der Stößel nicht absolut dicht gelagert werden kann. Diese Leckage muß drucklos abgeführt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verschließbare Düse bereitzustellen, die eine geringere Bauhöhe aufweist und die selbst bei geringen Drücken öffnet und im Gegensatz zu einem optimalen Arbeitspunkt einen weiten optimalen Arbeitsbereich aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Düse der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Feder eine Membran ist.

Bei der erfindungsgemäßen Düse wird nicht eine Spiralfeder verwendet sondern eine Membran, die sich abhängig von dem Druck des Mediums verschieden weit auswölbt, wodurch der Öffnungsquerschnitt der Auslaßöffnung eingestellt wird. Eine derartige Düse öffnet bereits bei relativ geringen Drücken, da das fluide Medium über eine relativ große Fläche, nämlich an der Membran angreift. Die Federung dieser Düse liegt in der Membran selbst, so dass kein weiteres Federelement erforderlich ist. Zusätzlich zum Merkmal, dass diese Düse bei relativ geringen Drücken öffnet, können mit dieser Düse auch sehr hohe Arbeitsdrücke realisiert werden.

Die erfindungsgemäße Düse besitzt eine flach Geometrie mit einer Bauhöhe von 4 mm oder 5 mm bis 10 mm. Der Durchmesser dieser erfindungsgemäßen Düse kann im Bereich von 10 mm bis 100 mm, inbesondere von 16 mm bis 20 mm liegen. Aufgrund der geringen Baugröße besitzt die Düse eine geringe Masse und nimmt hier ein minimales Volumen des Kraftstoffes auf. Dies hat zur Folge, dass diese Düse innerhalb kürzester Zeit geöffnet werden kann und dass aufgeheizter Kraftstoff in dieser Düse nahezu nicht abkühlt.

Es sei nochmals erwähnt, dass der variable Öffnungsquer­ schnitt, der vom Druck des Mediums abhängt, eine konstante Zerstäubungsqualität über einen großen Druckbereich erlaubt. Diese Düse besitzt also nicht einen engen optimalen Arbeitspunkt sondern einen weiten optimalen Arbeitsbereich.

Erfindungsgemäß wird bei einem Ausführungsbeispiel die Membran vom Medium in Öffnungsrichtung beaufschlagt. Erfolgt eine Erhöhung des Drucks auf einen Wert oberhalb des Öffnungsdrucks, dann wird die Membran zumindest teilweise in Öffnungsrichtung verlagert, wodurch die Auslaßöffnung geöffnet wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Gehäusewand oder zumindest ein Abschnitt der Gehäusewand als Membran ausgebildet. Dies hat außerdem den Vorteil, dass zum Schließzeitpunkt, d. h. nach dem Druckabfall des Mediums unterhalb des Öffnungsdrucks die Membran wieder in die Schließrichtung verlagert wird, was evtl. noch durch einen hohen Außendruck unterstützt werden kann. Der hohe Außendruck wirkt somit in Schließrichtung und unterstützt das Schließen der Düse.

Ein optimaler Verschluß der Düse wird dadurch erzielt, dass das Schließelement zumindest abschnittsweise, d. h. im Bereich der Auslaßöffnung, als Kugel, Zylinder, Platte, Kegel oder dgl. ausgebildet ist. Die Auslaßöffnung ist entsprechend geformt, so dass in diese Auslaßöffnung das Schließelement optimal eingepaßt ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Auslaßöffnung in der Membran vorgesehen. Hebt also die Membran vom Schließelement ab, so wird die Auslaßöffnung, z. B. eine kreisrunde Öffnung, z. B. von einer Kugeloberfläche abgehoben. Dabei ist das Schließelement fest mit dem Gehäuse verbunden, so dass der Öffnungsquerschnitt von der Lage und/oder der Form der Membran abhängt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Schließelement an der Membran vorgesehen und ist die Gehäusewand mit der Auslaßöffnung versehen. Wirkt nun der Druck des Mediums auf die Membran, dann wird das Schließelement von der starren Gehäusewand entfernt und dadurch der Öffnungsquerschnitt freigegeben. Das Schließelement wird bei diesem Ausführungsbeispiel weiter in die Düse verlagert.

Erfindungsgemäß weist die Membran eine relativ große Angriffsfläche für das Medium auf, die insbesondere größer als 50% der Gesamtfläche der Membran ist. Aufgrund dieser großen Angriffsfläche bedarf es lediglich kleiner Drücke, um die Membran anzusteuern und die Düse zu öffnen. In der Regel beträgt die Angriffsfläche 90% oder mehr von der gesamten Fläche der Membran bzw. nimmt die Auslaßöffnung nur einen Bruchteil der Gesamtfläche der Membran ein.

Die Membran kann eben oder vorgeformt sein. Durch spezielle Formungen der Membran, z. B. nach Art einen Faltenbalges oder durch eine absatz- oder stufenförmige Ausgestaltung kann die Öffnungs- bzw. Schließkraft der Membran voreingestellt werden und kann die Öffnungscharakteristik gezielt beeinflußt werden. Dadurch kann ein konstant hoher mittlerer Einspritzdruck erzeugt werden.

Der Hub der Membran beträgt bei einem Ausführungsbeispiel z. B. 50 µm. Die geringen Drücke zum Öffnen, die hohe Linienpressung der Membran am Schließelement und durch die kurzen Wege wird ein sehr schnelles Ansprechen der Düse erzielt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten und in den Ansprüchen sowie in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Düse; und

Fig. 2 ein Druck-Zeit-Diagramm einer herkömmlichen Düse sowie der erfindungsgemäßen Düse.

In der Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 10 ein Ausführungs­ beispiel einer Düse dargestellt, die ein Gehäuse 12 aufweist, welches an eine nicht dargestellte Versorgungsleitung für fluide Medien, z. B. für Heizöl, angeschlossen wird. Das Gehäuse 12 ist mit einer ersten Bohrung 14 versehen, über welche das fluide Medium in das Gehäuse 12 eingeleitet wird. Diese erste Bohrung 14 ist mit mehreren Verteilerbohrungen 16 verbunden, die in einen Ringspalt 18 ausmünden. Dieser Ringspalt 18 wird von einer Vertiefung im Gehäuse 12 gebildet, die ihrerseits eine weitere Vertiefung 20 aufweist. Diese Vertiefung 20 dient als Aufnahme für ein Schließelement 22, welches beim dargestellten Ausführungsbeispiel von einer Kugel 24 gebildet wird. Der Ringspalt 18 ist von einer Membran 26 überdeckt, die am Gehäuse 12 anliegt und mit diesem mittels einer Schweißnaht 28 dicht verschweißt ist.

Die Membran 26 ist ein elastisches Element und weist eine Auslaßöffnung 30 in Form eines runden Durchbruchs auf. Die Auslaßöffnung 30 ist beim Ausführungsbeispiel an die Krümmung des Schließelements 22 angepaßt und besitzt demnach eine Dichtfläche 32. Die Membran 26 liegt unter Vorspannung auf der Oberfläche der Kugel 24 auf und schließt somit den Ringspalt 18 innerhalb des Gehäuses 12 dicht gegenüber der Umgebung ab. Befindet sich innerhalb des Ringspalts 18 ein fluides Medium, z. B. Heizöl, und wird dieses Heizöl mit einem Druck beaufschlagt, so wirkt dieser Druck auf die Innenseite 34 der Membran 26 und hebt diese von der Kugel 24 ab, wodurch die Auslaßöffnung 30 geöffnet wird. Bei weiterer Druckerhöhung wird die Membran 26 weiter abgehoben, so dass sich der Öffnungsquerschnitt der Auslaßöffnung 30 weiter erhöht. Auf diese Weise wird ein variabler Querschnitt geschaffen, der vom Druck des Heizöls abhängt. Zum Öffnen der Auslaßöffnung 30 bedarf es lediglich eines geringen Druckes, da das Medium auf der Innenseite 34 auf eine große Fläche der Membran 26 einwirkt.

In der Fig. 2 ist ein Druck-Zeit-Diagramm dargestellt, in welchem der Druckverlauf 36 einer herkömmlichen Düse sowie der Druckverlauf 38 der erfindungsgemäßen Düse 10 dargestellt sind. Beim Druckverlauf 36 ist deutlich erkennbar, dass dieser eine Druckspitze 40 besitzt. Diese Druckspitze 40 ist singulär und stellt den optimalen Arbeitsbereich der Düse dar.

Der Druckverlauf 38 der erfindungsgemäßen Düse weist keine Druckspitze auf und es ist erkennbar, dass dieser Druckverlauf steil ansteigt und ein Plateau besitzt. Der optimale Arbeitsbereich der erfindungsgemäßen Düse liegt im Bereich dieses Plateaus. Die erfindungsgemäße Düse 10 wird also wesentlich weniger stark belastet als die herkömmliche Düse und besitzt somit eine höhere Lebensdauer. Ein bevorzugtes Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Düse 10 ist die Heiztechnik, insbesondere für Ölbrenner, sowie bei Dosiervorrichtungen in der Medizintechnik. Derartige Düsen können auch bei Verbrennungsmotoren zum Einspritzen von Kraftstoff eingesetzt werden.

Claims (12)

1. Verschließbare Düse für fluide Medien mit einem Gehäuse (12), einer Auslaßöffnung (30) und einem die Auslaßöffnung (30) verschließenden Schließelement (22), wobei die Auslaßöffnung (30) und das Schließelement (22) relativ zueinander beweglich sind und das Schließelement (22) und die Auslaßöffnung (30) unter der Kraft einer Feder aneinander anliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder eine Membran (26) ist.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (26) vom Medium in Öffnungsrichtung beaufschlagbar ist.

3. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gehäusewand oder zumindest ein Abschnitt der Gehäusewand als Membran (26) ausgebildet ist.

4. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (22) zumindest abschnittsweise als Kugel (24), Zylinder, Platte, Kegel oder dgl. ausgebildet ist.

5. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslaßöffnung (30) in der Membran (26) vorgesehen ist.

6. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (22) fest mit dem Gehäuse (12) verbunden ist.

7. Düse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (22) an der Membran vorgesehen ist und eine Gehäusewand mit der Auslaßöffnung (30) versehen ist.

8. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (26) eine relativ große Angriffsfläche für das Medium aufweist, die insbesondere größer als 50% der Gesamtfläche der Membran (26) ist.

9. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (26) eben ist oder vorgeformt ist.

10. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungsquerschnitt an der Auslaßöffnung (30) proportional zum Druck des Mediums ist.

11. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Außendurchmesser von 10 mm bis 100 mm, insbesondere 16 mm bis 20 mm aufweist.

12. Düse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Dicke von 4 mm bis 6 mm aufweist.