DE3524701A1 - ULTRASONIC SPRAYER NOZZLE - Google Patents
ULTRASONIC SPRAYER NOZZLEInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Ultraschallzerstäuberdüse für Flüssigkeiten nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind bereits Ultraschallzerstäuberdüsen bekannt, die beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff bei Brennkraftmaschinen Verwendung finden und denen Ultraschallschwingungen aufgeprägt werden, so daß der aus den Ultraschallzerstäuberdüsen austretende Flüssigkeitsstrahl durch die Schwingungen in kleine Tröpfchen aufgebrochen wird. Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Durchmesser der durch die Ultraschallzerstäuberdüse erzeugten Flüssigkeitströpfchen in einem sehr weiten Bereich streuen, was in vielen Anwendungsbereichen als nachteilig anzusehen ist. So ist bei einer Anwendung dieser bekannten Ultraschallzerstäuberdüse zur Kraftstoffversorgung in Brennkraftmaschinen nachteilig, daß sich aufgrund dieser unterschiedlichen Tröpfchenstrukturen kein optimal aufbereitetes Kraftstoff- Luft-Gemisch ergibt und eine ungleiche Gemischverteilung auf die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgt. So lassen sich auch mit diesen bekannten Ultraschallzerstäuberdüsen oft Farbstoffe, Zusatzstoffe u. ä. nicht in gewünschter Weise mit gleichen Tröpfchengrößen zerstäuben, um eine gleichmäßige Verteilung dieser Flüssigkeit zu bewirken.The invention is based on an ultrasonic atomizing nozzle for liquids according to the type of the main claim. It Ultrasonic atomizing nozzles are already known, for example for the injection of fuel in internal combustion engines Find use and which ultrasonic vibrations be embossed so that from the ultrasonic atomizing nozzles escaping liquid jet through the Vibrations is broken up into small droplets. Here However, there is the disadvantage that the diameter of the droplets of liquid generated by the ultrasonic atomizing nozzle scatter in a very wide range what is in is to be regarded as disadvantageous in many areas of application. This is the case with an application of this known ultrasonic atomizing nozzle for fuel supply in internal combustion engines disadvantageous that due to this different Droplet structures not optimally prepared fuel Air mixture results in an uneven mixture distribution on the individual cylinders of the internal combustion engine. So you can also use these known ultrasonic atomizing nozzles often dyes, additives and. not in atomize as desired with equal droplet sizes, to ensure an even distribution of this liquid.
Die erfindungsgemäße Ultraschallzerstäuberdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auf einfache Art und Weise die Erzeugung auch großer Flüssigkeitsmengen als Aerosol mit monodispersen Tröpfchen, also Tröpfchen gleichen Durchmessers gewährleistet wird. Hierdurch läßt sich für die verschiedensten Anwendungsbereiche aus Flüssigkeit ein Flüssigkeitsnebel erzeugen, in dem die einzelnen Flüssigkeitströpfchen in gewünschter Weise gleich große Durchmesser aufweisen. Gewünscht ist eine derartige Vernebelung z. B. zur Erzeugung eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer Gemischbildungseinheit einer Brennkraftmaschine, um ein homogenes und damit gut aufbereitetes Kraftstoff-Luft- Gemisch zu erzeugen und eine gleiche Kraftstoffverteilung auf die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine zu gewährleisten.The ultrasonic atomizing nozzle according to the invention with the has characteristic features of the main claim the advantage that the generation in a simple manner also with large amounts of liquid as an aerosol monodisperse droplets, i.e. droplets of the same diameter is guaranteed. This allows for the most diverse Areas of application from liquid a liquid mist generate in which the individual liquid droplets have the same diameter in the desired manner. Such nebulization is desired, for. B. for Generation of a homogeneous air / fuel mixture in a mixture formation unit of an internal combustion engine in order a homogeneous and therefore well prepared fuel-air Generate mixture and an equal fuel distribution to ensure the individual cylinders of the internal combustion engine.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptansprüch angegebenen Ultraschallzerstäuberdüse möglich. So läßt sich durch Wahl der Wellenlänge der Schwingungen in einem Bereich zwischen einer minimalen Wellenlänge (λ min ) und einer maximalen Wellenlänge (λ max ) jeweils unter der Bedingung monodisperser Tröpfchenbildung der Tröpfchendurchmesser variieren, um den vorliegenden Anforderungen zu entsprechen.Advantageous further developments and improvements of the ultrasonic atomizing nozzle specified in the main claim are possible through the measures listed in the subclaims. Thus, by choosing the wavelength of the vibrations in a range between a minimum wavelength ( λ min ) and a maximum wavelength ( λ max ), the droplet diameter can be varied under the condition of monodisperse droplet formation in order to meet the present requirements.
In einer vorteilhaften Ausführung ergibt sich der kleinste Durchmesser der Tröpfchen, wenn entsprechend den Merkmalen des Anspruches 2 die Wellenlängen (λ min ) der durch den Ultraschallschwinger erzeugten Schwingungen mindestens dem Produkt aus dem Durchmesser der Spritzöffnungen mit Pi (π) entsprechen.In an advantageous embodiment, the smallest diameter of the droplets results if, in accordance with the features of claim 2, the wavelengths ( λ min ) of the vibrations generated by the ultrasonic oscillator correspond at least to the product of the diameter of the spray openings with Pi ( π ).
Der größte Durchmesser der monodispersen Tröpfchen ergibt sich in vorteilhafter Weise entsprechend den Merkmalen des Anspruches 3 dann, wenn die Wellenlängen (λ max ) der durch den Ultraschallschwinger erzeugten Schwingungen höchstens dem sechsfachen Produkt aus dem Durchmesser der Spritzöffnungen mit Pi (π) entsprechen.The largest diameter of the monodisperse droplets results in an advantageous manner according to the features of claim 3 when the wavelengths ( λ max ) of the vibrations generated by the ultrasonic vibrator correspond at most to six times the product of the diameter of the spray openings with Pi ( π ).
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Ultraschallzerstäuberdüse für die Zerstäubung von Kraftstoff zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches für Brennkraftmaschinen, da hierdurch nicht nur die Bildung eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches sichergestellt wird, sondern auch die möglichst gleiche Aufteilung des Kraftstoffes auf die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine. Hierdurch ergibt sich nicht nur ein möglichst geringer Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine, sondern auch eine Verringerung schädlicher Bestandteile im Abgas der Brennkraftmaschine.The use of the ultrasonic atomizing nozzle is particularly advantageous for atomizing fuel for education a fuel-air mixture for internal combustion engines, since this does not only result in the formation of a homogeneous Fuel-air mixture is ensured, but also the same possible distribution of the fuel the individual cylinders of the internal combustion engine. Hereby this not only results in the lowest possible fuel consumption the internal combustion engine, but also a reduction harmful components in the exhaust gas of the internal combustion engine.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.An embodiment of the invention is in the drawing shown in simplified form and in the description below explained in more detail.
In der Zeichnung ist mit 1 eine Ultraschallzerstäuberdüse schematisch dargestellt, die bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel beispielsweise zur Zerstäubung von Kraftstoff zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine dient. Hierfür weist die Ultraschallzerstäuberdüse 1 ein Zerstäubergehäuse 2 auf, in dessen einer Stirnseite 3 mehrere Spritzöffnungen 4 vorgesehen sind, die alle einen gleichen Durchmesser d G haben. Die Spritzöffnungen 4 führen von einem Druckraum 5 im Innern des Zerstäubergehäuses 2 nach außen und sind beispielsweise durch Laserstrahl-Bohren gefertigt. Die erforderliche Anzahl der Spritzöffnungen 4 bestimmt sich aus der Flüssigkeitsmenge, im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Kraftstoffmenge, die maximal abgespritzt bzw. vernebelt werden soll. Zur Bildung des einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine zuzuführenden Kraftstoff-Luft-Gemisches ist die Ultraschallzerstäuberdüse 1 so an oder in einem Ansaugrohr 7 einer Brennkraftmaschine angeordnet, daß die in Pfeilrichtung 8 strömende Ansaugluft sich intensiv mit den aus der Ultraschallzerstäuberdüse 1 austretenden Kraftstofftröpfchen 9 zur Bildung eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches vermischt. Die Versorgung der Ultraschallzerstäuberdüse 1 mit Kraftstoff erfolgt durch eine Kraftstoffpumpe 10, die über eine Ansaugleitung 11 Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 12 ansaugt und mit Druck in eine Kraftstoffversorgungsleitung 13 fördert, die zu der Ultraschallzerstäuberdüse 1 führt. In der Kraftstoffversorgungsleitung 13 kann zwischen der Ultraschallzerstäuberdüse 1 und der Kraftstoffpumpe 10 oder integriert in die Ultraschallzerstäuberdüse 1 ein Kraftstoffzumeßelement 15 angeordnet sein, das in bekannter Weise eine feste oder variable Drosselstelle enthält, die elektromagnetisch oder mechanisch über ein Betätigungsglied 16 in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine betätigbar ist. Das Betätigungsglied 16 des Kraftstoffzumeßelementes 15 kann dabei in bekannter Weise beispielsweise durch eine im Ansaugrohr 7 angeordnete Drosselklappe oder ein im Ansaugrohr 7 angeordnetes Luftmeßortgan axial verschoben oder verdreht werden. Bei einer elektromagnetischen Betätigung des Kraftstoffzumeßelementes 15 erfolgt die Ansteuerung durch ein elektronisches Steuergerät 17, dem in elektrische Signale umgewandelte Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine wie beispielsweise Last 18, Ansaugluftmenge 19, Temperatur 20 u. a. eingebbar sind.In the drawing, 1 schematically shows an ultrasonic atomizing nozzle which, in the exemplary embodiment shown in the drawing, is used, for example, for atomizing fuel to form a fuel-air mixture for an internal combustion engine. For this purpose, the ultrasonic atomizer nozzle 1 has an atomizer housing 2 , in one end face 3 of which a plurality of spray openings 4 are provided, all of which have the same diameter d G. The spray openings 4 lead from a pressure chamber 5 inside the atomizer housing 2 to the outside and are produced, for example, by laser beam drilling. The required number of spray openings 4 is determined from the amount of liquid, in the present exemplary embodiment the amount of fuel that is to be sprayed or atomized to the maximum. To form the fuel-air mixture to be supplied to an internal combustion engine (not shown), the ultrasonic atomizing nozzle 1 is arranged on or in an intake pipe 7 of an internal combustion engine in such a way that the intake air flowing in the direction of the arrow 8 intensifies with the fuel droplets 9 emerging from the ultrasonic atomizing nozzle 1 to form a homogeneous Air-fuel mixture mixed. The ultrasound atomizer nozzle 1 is supplied with fuel by a fuel pump 10 , which sucks fuel from a fuel tank 12 via an intake line 11 and conveys it with pressure into a fuel supply line 13 , which leads to the ultrasound atomizer nozzle 1 . In the fuel supply line 13 , a fuel metering element 15 can be arranged between the ultrasonic atomizer nozzle 1 and the fuel pump 10 or integrated into the ultrasonic atomizer nozzle 1 , which element contains a fixed or variable throttle point in a known manner, which is electromagnetically or mechanically via an actuator 16 depending on the operating parameters of the internal combustion engine can be actuated. The actuator 16 of the fuel metering element 15 can be axially displaced or rotated in a known manner, for example by a throttle valve arranged in the intake pipe 7 or an air measuring device arranged in the intake pipe 7 . When the fuel metering element 15 is actuated electromagnetically, it is actuated by an electronic control device 17 , to which the operating parameters of the internal combustion engine, such as load 18 , intake air quantity 19 , temperature 20 , which are converted into electrical signals, can be input.
Auf die Ultraschallzerstäuberdüse 1 ist ein Ultraschallschwinger 22 aufgesetzt, der beispielsweise als piezokeramischer Schwinger ausgebildet ist und durch das elektronische Steuergerät 17 in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine ansteuerbar ist. Der Ultraschallschwinger 22 kann natürlich auch in das Zerstäubergehäuse 2 integriert sein und liegt vorzugsweise in der Nähe der Stirnseite 3. Der unter Druck in dem Druckraum 5 der Ultraschallzerstäuberdüse 1 sich befindliche Kraftstoff tritt über die Spritzöffnungen 4 als feiner Kraftstoffstrahl aus und wird durch den Ultraschallschwinger 22 zu einem Zerfall in Tröpfchen angeregt, und zwar gemäß der Erfindung zu einem Zerfall von Tröpfchen mit gleichen Durchmessern d T . Es treten also monodisperse Tröpfchen in das Ansaugrohr 7 der Brennkraftmaschine ein und vermischen sich mit der angesaugten Luft zu einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Ultraschallschwingers 22 durch das elektronische Steuergerät 17 in Abhängigkeit von den Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine mit Wellenlängen λ, die zu einem Zerfall der aus den Spritzöffnungen 4 austretenden Flüssigkeitsstrahlen unter Bildung von Tröpfchen mit gleichen Durchmessern führen. Dabei liegt der zulässige Bereich der Wellenlängen λ der Schwingungen des Ultraschallschwingers 22 zur Erzeugung von Tröpfchen mit gleichen Durchmessern zwischen einer minimalen Wellenlänge λ min und einer maximalen Wellenlänge λ max . Die minimale Wellenlänge λ min bestimmt sich aus dem Produkt aus dem Durchmesser d G der Spritzöffnungen 4 mit Pi (π). Die maximale Wellenlänge λ max zur Bildung von Tröpfchen mit gleichen Durchmessern beträgt das sechsfache Produkt aus dem Durchmesser d G der Spritzöffnungen 4 mit Pi (f), also dem sechsfachen Betrag der minimalen Wellenlänge λ min . Dabei ergibt sich für die minimale Wellenlänge λ min des Ultraschallschwingers 22 der kleinste Durchmesser d T der monodispersen Tröpfchen.An ultrasonic oscillator 22 is placed on the ultrasonic atomizer nozzle 1 , which is designed, for example, as a piezoceramic oscillator and can be controlled by the electronic control device 17 as a function of operating parameters of the internal combustion engine. The ultrasonic oscillator 22 can of course also be integrated in the atomizer housing 2 and is preferably located in the vicinity of the end face 3 . The fuel under pressure in the pressure chamber 5 of the ultrasonic atomizing nozzle 1 exits via the spray openings 4 as a fine fuel jet and is excited by the ultrasonic vibrator 22 to break up into droplets, according to the invention to a breakdown of droplets with the same diameter d T . Monodisperse droplets therefore enter the intake pipe 7 of the internal combustion engine and mix with the intake air to form a homogeneous fuel-air mixture. The control of the ultrasonic vibrator 22 by the electronic control unit 17 takes place as a function of the operating parameters of the internal combustion engine with wavelengths λ , which lead to a decay of the liquid jets emerging from the spray openings 4 with the formation of droplets with the same diameters. The permissible range of the wavelengths λ of the vibrations of the ultrasonic vibrator 22 for generating droplets with the same diameters lies between a minimum wavelength λ min and a maximum wavelength λ max . The minimum wavelength λ min is determined from the product of the diameter d G of the spray openings 4 with Pi ( π ). The maximum wavelength λ max for the formation of droplets with the same diameters is six times the product of the diameter d G of the spray openings 4 with Pi ( f ), ie six times the amount of the minimum wavelength λ min . This results in the smallest diameter d T of the monodisperse droplets for the minimum wavelength λ min of the ultrasonic vibrator 22 .
Das durch eine Spritzöffnung 4 durchgesetzte Kraftstoffvolumen KV pro Zeiteinheit beträgt:The fuel volume KV per unit time passed through a spray opening 4 is:
mit v G als mittlere Geschwindigkeit des Kraftstoffes in der Spritzöffnung 4. Dabei hängt die mittlere Geschwindigkeit v G des Kraftstoffes in der Spritzöffnung 4 von dem Druckgefälle zwischen dem Druckraum 5 und dem Ansaugrohr 7 ab.with v G as the average speed of the fuel in the spray opening 4 . The average speed v G of the fuel in the spray opening 4 depends on the pressure drop between the pressure chamber 5 and the intake pipe 7 .
Die Wellenlänge λ der auf den aus der Spritzöffnung 4 austretenden Kraftstoffstrahl aufgebrachten Schwingung beträgt:The wavelength λ of the vibration applied to the fuel jet emerging from the spray opening 4 is:
mit f G als Anregungsfrequenz des Ultraschallschwingers 22.with f G as the excitation frequency of the ultrasonic vibrator 22 .
Der jeweils gleiche Durchmesser d T der Kraftstofftröpfchen ergibt sich zu The same diameter d T of the fuel droplets results in
Unter Berücksichtigung der beiden oben angeführten Formeln ergibt sich daraus der Durchmesser der Kraftstofftröpfchen zu Taking into account the two formulas given above, this gives the diameter of the fuel droplets
Außer der beschriebenen Anwendung der Ultraschallzerstäuberdüse 1 zur Kraftstoffaufbereitung für Brennkraftmaschinen sind für die Ultraschallzerstäuberdüse auch noch viele andere Verwendungsmöglichkeiten gegeben, beispielsweise lassen sich feine Lackierungsarbeiten besser ausführen als mit herkömmlichen Spritz- und Sprühmethoden, die Luftbefeuchtung in Klimaanlagen läßt sich verbessern u. a.In addition to the described use of the ultrasonic atomizer nozzle 1 for fuel processing for internal combustion engines, there are also many other possible uses for the ultrasonic atomizer nozzle, for example fine painting work can be carried out better than with conventional spraying and spraying methods, and air humidification in air conditioning systems can be improved, among other things
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| DE102017203747B4 (en) | 2017-03-07 | 2023-01-19 | Rolls-Royce Solutions GmbH | Mixing device for introducing a liquid into an exhaust gas flow, internal combustion engine with such a mixing device and method for introducing a liquid into an exhaust gas flow |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |