DE4106563C2 - Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff, gemäß dem Anspruch 1.

Bei einer Zerstäubungsvorrichtung (DE 28 50 116 A1) wird die Flüssigkeit durch das zwischen Elektrode und Düsenkörper ausgebildete elektrische Feld geführt, wodurch sie sich elektrisch auflädt. Diese Aufladung bewirkt, daß die Flüssigkeit nach Verlassen der Düse zerstäubt. Um eine gute Zerstäubung mit möglichst kleinen mittleren Tröpfchendurchmessern zu erhalten, muß die Flüssigkeit elektrisch möglichst hoch aufgeladen werden.

Bei dieser Vorrichtung beträgt hierzu die Hochspannung zwischen dem an Masse liegenden Düsenkörper und der auf negativem Potential liegenden Elektrode bis zu 30 kV. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der Anwendung für nicht leitende Flüssigkeiten, wie eine solche Kraftstoff darstellt, die erreichbare Ladungsdichte und damit die Feinheit der Zerstäubung durch Koronaentladung des aus der Düsenöffnung austretenden Flüssigkeitsstrahls begrenzt ist. Der Vorgang der Koronaentladung findet dabei durch Abfließen der an der Strahloberfläche befindlichen Ladung entlang der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Umgebungsgas zur Düsenaußenseite hin statt.

Bei einer weiteren Vorrichtung gemäß der DE 29 08 723 A1 wird die nicht innerhalb der Vorrichtung elektrostatisch aufgeladene Flüssigkeit vor dem Austritt aus einer Düsenöffnung mit einem Drall versehen und erst außerhalb der Vorrichtung in einem elektrosta­ tischen Feld zwischen Elektroden und einem Werkstück in Tröpfchenform aufgeladen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Vorrichtung derart zu verbessern, daß die Ladungsdichte und damit die Feinheit der Zerstäubung erhöht wird.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ergibt sich der Vorteil, daß infolge der raschen Zerstäubung der aus der Düsenöffnung austretenden Flüssigkeit durch nicht elektrische Kräfte der ausgespritzte Flüssigkeitsstrahl rasch vom Düsenkörper abreißt und damit die elektrische Verbindung des geladenen Flüssigkeitsstrahls zu der meist geerdeten Düse unterbrochen wird. Durch diese Unterbrechung wird das Abfließen von Ladung entlang der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Umgebungsgas zur Düsenaußenseite hin verhindert und somit die Koronaentladung eingeschränkt. Die Mittel zur nicht elektrischen Zerstäubung des Flüssigkeitsstrahls müssen dabei nicht zusätzlich unter dem Gesichtspunkt einer guten mechanischen Zerstäubung konzipiert werden, da durch die nachfolgende elektrostatische Zerstäubung die Zerstäubungsqualität bestimmt wird. Die Effizienz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dabei unabhängig von der Eigenschaft der Gasatmosphäre.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Zerstäubungsvorrichtung möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Drallkanäle in einem in den Düsenkörper eingesetzten Kegelstumpf ausgebildet, der einen der Düsenöffnung unmittelbar vorgelagerten Mündungsraum von einer mit Flüssigkeit füllbaren Düsenkammer trennt.

Neben einer solchen Dralldüse sind auch andere mechanische Wirkungsprinzipien, die zu einer raschen Flüssigkeitsabtrennung von der Düse führen, einsetzbar. Diese Wirkungsprinzipien können auf Druck, Reibung an der Umgebungsatmosphäre der Düse, Luftumfassung, Mischung der Flüssigkeit mit einer Gasphase oder auf Abreißkräften an den Düsenaustrittskanten beruhen.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung einen Längsschnitt einer elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung für Kraftstoff in schematischer Darstellung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in der Zeichnung schematisch dargestellte Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Kraftstoff, als Beispiel für die Zerstäubung von elektrisch nicht leitenden Flüssigkeiten, weist eine Einspritzdüse 10 auf, mittels welcher ein dosiertes Kraftstoffvolumen abgespritzt und dabei elektrostatisch zu einem sog. Sprühnebel 11 hoch fein zerstäubt wird. Der unter Hochdruck stehende Kraftstoff wird der Einspritzdüse von einer Kraftstoffeinspritzpumpe oder einem Kraftstoffeinspritzventil über eine mit 12 angedeutete Kraftstoffleitung zugeführt.

Die im Längsschnitt schematisch dargestellte Einspritzdüse 10 hat einen Düsenkörper 13 aus elektrisch leitfähigem Material, der eine kraftstoffgefüllte Düsenkammer 14 umschließt, die über mindestens eine Radialbohrung 15 im Düsenkörper 13 mit der Kraftstoffleitung 12 in Verbindung steht. An seinem unteren Ende ist der Düsenkörper 13 kegelstumpfförmig ausgebildet und trägt in seiner freien Stirnfläche eine koaxiale Düsenöffnung 16. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite ist der Düsenkörper 13 von einer Platte 17 abgedeckt, die mit Schrauben 18, 19 am Düsenkörper 13 befestigt ist. Der Düsenöffnung 16 ist unmittelbar ein Vorraum 20 vorgelagert, in den eine Emitter-Elektrode 21 hineinragt. Die Elektrode 21 ist isoliert in einem Halter 22 aufgenommen und steht aus diesem mit einer Kegelspitze 23 vor. An dem von der Kegelspitze 23 abgekehrten Ende ist die Elektrode 21 mit einer elektrischen Anschlußleitung 24 verbunden, die an dem negativen Hochspannungspotential einer Hochspannungsquelle 25 angeschlossen ist, während der Düsenkörper 13 an dem Massepotential liegt. Die Elektrode 21 besteht aus einem für die Feldemission von elektrischen Ladungsträgern geeigneten Material. Ein Beispiel eines solchen Materials ist ein eutektisches Gemisch aus Uranoxid und Wolfram. Dieses Material hat genügend viele feine Spitzen und Kanten, so daß an der Materialoberfläche zur Feldemission ausreichend hohe elektrische Felder erzeugt werden. Der durch das elektrostatische Feld im Vorraum 20 hindurchgeführte Kraftstoff nimmt Ladungen auf, so daß er den Vorraum 20 elektrisch negativ aufgeladen durch die Düsenöffnung 16 verläßt. Aufgrund der so erreichten Aufladung zerstäubt der Kraftstoff infolge der zwischen den Ladungen wirkenden elektrischen Abstoßungskräfte nach Austritt aus der Düsenöffnung 16 zu einem sehr feinen Sprühnebel 11.

Um eine Koronaentladung des aus der Düsenöffnung 16 austretenden Flüssigkeitsstrahls zur verhindern, ist an dem Halter 22 ein kegelstumpfförmiger Flansch 26 angeordnet, der im unteren kegelstumpfförmigen Bereich des Düsenkörpers 13 an dessen Innenwand dichtend anliegt und den Vorraum 20 von der Düsenkammer 14 abtrennt. In der Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Flansches 26 sind mehrere Drallkanäle 27 eingearbeitet, die unter einem spitzen Winkel zur Halter- bzw. Kegelstumpfachse verlaufen und einerseits in der Düsenkammer 14 und andererseits in dem Vorraum 20 münden. Über diese Drallkanäle 27 strömt der in die Düsenkammer 14 unter Druck injizierte Kraftstoff zum Vorraum 20, um dort mit hoher Geschwindigkeit aus der Düsenöffnung 16 auszutreten. Durch die Drallkanäle 27 erhält der austretende Kraftstoff eine Drallbeschleunigung derart, daß in dem austretenden Kraftstoffvolumen mechanische Zerreißkräfte erzeugt werden, die schneller wirksam sind als die zwischen den elektrisch aufgeladenen Flüssigkeitströpfchen herrschenden elektrostatischen Abstoßkräfte. Dadurch reißt der Kraftstoffstrahl sehr schnell von der Außenseite der Einspritzdüse 10 ab, und eine Koronaentladung des elektrisch aufgeladenen Kraftstoffstrahls über die Düsenaußenseite wird unterbunden. Die anschließend einsetzende elektrostatische Zerstäubung durch die zwischen den Kraftstofftröpfchen wirksamen Abstoßkräfte führt zu einem sehr hohen Zerstäubungsgrad des Kraftstoffs im Sprühnebel 11.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So können anstelle des Kegelstumpfs 26 mit Drallkanälen 27, also anstelle einer sog. Dralldüse, auch andere nicht elektrische Mittel eingesetzt werden, die eine Zerstäubung des Flüssigkeitsvolumen beim Düsenaustritt derart bewirken, daß die von ihnen im Flüssigkeitsvolumen erzeugten Zerreißkräfte schneller wirksam sind als die zwischen den Flüssigkeitströpfchen herrschenden elektrostatischen Abstoßkräfte. Solche Mittel können durch andere mechanische Wirkungsprinzipien realisiert werden, wie z. B. Druck, Reibung an der Umgebungsatmosphäre der Einspritzdüse 10, Luftumfassung, Mischung der Flüssigkeit mit einer Gasphase oder durch Abreißkräfte an den Düsenaustrittskanten.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff, mit einer DÜse, die einen elektrisch leitfähigen Düsenkörper mit Düsenöffnung zum Austreten eines unter Druck stehenden Flüssigkeitsvolumens und eine im Düsenkörper nahe der Düsenöffnung, dieser koaxial gegenüberliegende Elektrode aufweist, die in bezug zu dem Düsenkörper an einem Hochspannungspotential liegt, und mit vor der Düsenöffnung (16) im Düsenkörper vorgesehenen Drallkanälen (27) zum raschen Abreißen und zur neben der elektrostatischen zusätzlichen mechanischen Zerstäubung des Flüssigkeitsvolumens beim Düsenaustritt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkanäle (27) in einem in dem Düsenkörper (13) eingesetzten Kegelstumpf (26) ausgebildet sind, der im Düsenkörper (13) einen der Düsenöffnung (16) unmittelbar vorgelagerten Mündungsraum (20) von einer mit Kraftstoff füllbaren Düsenkammer (14) trennt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallkanäle (27) in der Mantelfläche des Kegelstumpfs (26) unter einem spitzen Winkel zur Kegelstumpfachse verlaufen und einerseits in der Düsenkammer (14) und andererseits in dem Mündungsraum (20) münden.