DE4106564A1 - Vorrichtung zur elektrostatischen zerstaeubung von fluessigkeiten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bei einer solchen elektrostatischen Zerstäubungsvorrichtung, die sie beispielsweise aus der DE 28 50 116 A1 bekannt ist, wird die unter Druck der Düse zugeführte Flüssigkeit im Düseninnern durch ein elektrisches Feld geführt, wodurch sie sich elektrisch negativ oder positiv, je nachdem an der Elektrode anliegenden Potential, auflädt. Diese Aufladung bewirkt, daß die Flüssigkeit unmittelbar nach Austritt aus der Düsenöffnung hochfein zerstäubt. Der bei der Zerstäubung entstehende Sprühnebel aus elektrisch geladenen Flüssigkeitströpfchen verhält sich aufgrund der Raumladungsfelder und der gegenseitigen Abstoßung der Tröpfchen anders als ein durch mechanische Mittel zerstäubter ungeladener Flüssigkeitsnebel. Vor allem breitet sich der geladene Sprühnebel sehr rasch in dem zur Verfügung stehenden Raum aus und wird von geerdeten Flächen angezogen.

Dieses Verhalten des geladenen Sprühnebels ist z. B. erwünscht zur eigenständigen Strahlaufweitung des Kraftstoffeinspritzstrahls bei Kraftstoffdirekteinspritzung. In anderen Fällen führt die rasche Nebelausbreitung zu unerwünschten Nachteilen, und zwar grundsätzlich dann, wenn der geladene Sprühnebel über eine gewisse Zeit oder Wegstrecke räumlich zusammengehalten werden muß, so z B. beim Saugrohrtransport bei Benzin-Zentraleinspritzung.

Ein weiterer Nachteil bei der elektrostatischen Zerstäubung ist die Tatsache der Benetzung der Düsenaußenseite durch Flüssigkeitströpfchen, die aufgrund der elektrischen Feldverhältnisse von der üblicherweise geerdeten Düse angezogen werden. Der Flüssigkeitsfilm an der Düsenoberfläche fließt im allgemeinen in den austretenden Flüssigkeitsstrahl ein und stört dessen Zerstäubung durch teilweise Entladung der austretenden Flüssigkeit.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die bei der Koronaentladung entstehende Ionisierung des Umgebungsgases die im Sprühnebel enthaltenen geladenen Flüssigkeitströpfchen wieder entladen werden. Da die Ladungen auf den Tröpfchen die vom Umgebungsgas angebotenen, gegensinnig geladenen Gasionen solange anziehen, bis elektrische Neutralität erreicht ist, wird ein Wirkungsgrad von nahezu 100% erreicht. Der elektrostatisch zerstäubte Sprühnebel ist elektrisch neutral und kann wie konventionell mechanisch zerstäubter Sprühnebel vorteilhaft gesteuert werden, insbesondere auch problemlos über längere Rohrstrecken transportiert werden, wobei der durch die elektrostatische Zerstäubung erzielte wesentlich höhere Feinheitsgrad der einzelnen Flüssigkeitströpfchen erhalten bleibt. Damit ist es möglich, die elektrische Zerstäubung von Kraftstoff auch bei einem Zentraleinspritzsystem einzusetzen, bei dem zerstäubter Kraftstoff durch ein enges Saugrohr transportiert werden muß.

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

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Einrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung eine Vielzahl von Koronaspitzen auf, die mit radialer Ausrichtung am Innenumfang eines Rings aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet sind. Der Ring ist im Abstand von und koaxial zu der Düsenöffnung angeordnet und an einem zum Hochspannungspotential der Elektrode gegensinnigen Hochspannungspotential angeschlossen.

Durch die Plazierung des auf gegensinnigem Potential sich befindlichen Rings in Strahlnähe nahe der Düsenöffnung werden zusätzlich elektrische Kräfte auf die sich ausbreitenden, noch geladenen Tröpfchen im Sprühnebel ausgeübt, und zwar derart, daß diese Tröpfchen weg von der geerdeten Düse hin zum Ring gelenkt werden. Damit wird die störende Benetzung der Düsenaußenseite mit geladenen Flüssigkeitströpfchen weitgehend unterbunden. Der Ring ist dabei so angeordnet, daß der elektrostatische Zerstäubungsvorgang des aus der Düsenöffnung austretenden Flüssigkeitsstrahls nicht gestört wird.

Die an dem Ring anliegende Hochspannung kann positiv oder negativ sein, je nachdem, ob die Elektrode in der Düse negatives oder positives Hochspannungspotential führt. Es ist auch möglich, für die Koronaentladung eine Wechselspannung einzusetzen. Von den entstehenden positiven und negativen Ionen im Umgebungsgas führen immer jeweils die geeigneten zur Entladung der Flüssigkeitströpfchen im Sprühnebel.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Kraftstoff mit abschnittweise dargestellter Einspritzdüse,

Fig. 2 eine Draufsicht der Einrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung in der Zerstäubungs­ vorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt der Einspritzdüse in der Zerstäubungsvorrichtung gemäß Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Kraftstoff, als Beispiel für die Zerstäubung von elektrisch nicht leitenden Flüssigkeiten, weist eine Einspritzdüse 10 zur elektrostatischen Zerstäubung eines aus der Einspritzdüse 10 austretenden Kraftstoffstrahls zu einem sog. Sprühnebel 11 und eine der Einspritzdüse 10 in Flüssigkeitsaustrittsrichtung nachgeordnete Einrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung 12 auf.

Die in Fig. 1 nur abschnittweise dargestellte Einspritzdüse 10 ist an sich bekannt und in Fig. 3 im Längsschnitt dargestellt.

Diese Einspritzdüse 10 ist Teil eines Kraftstoffeinspritzventils, das sich als top feed-Ventil in der DE 35 40 660 A1 und als side feed-Ventil in der DE 37 05 848 A1 dargestellt und beschrieben findet. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil ist elektromagnetisch betätigt und nimmt in dem unteren Teil seines Ventilgehäuses die Einspritzdüse 10 auf. Diese besteht aus einem Düsenkörper 13, der eine kraftstoffgefüllte Ventilkammer 14 umschließt, die über radiale Bohrungen 15 mit einem kraftstoffgefüllten Gehäuseraum des Ventilgehäuses in Verbindung steht, der seinerseits über einen Anschlußstutzen des Ventilgehäuses mit Kraftstoff versorgt wird. An seinem unteren Ende ist der Düsenkörper 13 kegelstumpfförmig ausgebildet und trägt in seiner freien Stirnfläche eine koaxiale Düsenöffnung 16. An der Innenwand des kegelstumpfförmigen Bereichs ist mit Abstand von der Düsenöffnung 16 ein Ventilsitz 17 ausgebildet, der mit einer an einer Ventilnadel 19 ausgebildeten Ventilschließfläche 18 zum Öffnen und Schließen der Einspritzdüse 10 zusammenwirkt. Der Ventilsitz 17 mit aufliegender Ventilnadel 19 begrenzt zusammen mit dem die Düsenöffnung 16 enthaltenden unteren Wandbereich des Düsenkörpers 13 einen Zwischenraum 20, den der Kraftstoff bei vom Ventilsitz 17 abgehobener Ventilnadel 19 durchströmt, um dann aus der Düsenöffnung 16 auszutreten. Die Ventilnadel 19 ist in der Ventilkammer 14 axial verschieblich geführt, wozu sie zwei durchmessergrößere Gleitabschnitte 21, 22 aufweist, die an der Innenwand des Düsenkörpers 13 anliegen. Wie in Fig. 3 schematisch angedeutet ist, sind die Gleitabschnitte 21, 22 abgeflacht, so daß ein Kraftstofffluß von den Radialbohrungen 15 zu dem Ventilsitz 17 möglich ist. Die Ventilnadel 19 wird von einem hier nicht dargestellten, im oberen Teil des Ventilgehäuses angeordneten Elektromagneten oder bei Dieseleinspritzpumpen vom Pumpendruck betätigt. Mittels einer hier nicht dargestellten Schließfeder wird die Schließfläche 18 der Ventilnadel 19 auf den Ventilsitz 17 aufgepreßt und die Einspritzdüse 10 geschlossen. Zur Einspritzung wird für eine vorgegebene Dauer der Elektromagnet erregt, dessen Anker mit der Ventilnadel 19 verbunden ist. Der Anker wird angezogen und die Ventilnadeln 19 gegen die Schließfeder vom Ventilsitz 17 abgehoben. Die Einspritzdüse 10 ist für eine vorgegebene Einspritzdauer geöffnet, und der unter Druck stehende Kraftstoff tritt über die Düsenöffnung 16 aus.

Zur Erzielung einer sehr guten Zerstäubung des austretenden Kraftstoffs in Form des Sprühnebels 11 wird in der Einspritzdüse 10 vor der Düsenöffnung 16 ein elektrisches Hochspannungsfeld aufgebaut, durch welches der Kraftstoff elektrisch negativ aufgeladen wird. Dabei ist eine sog. Emitter-Elektrode 23 an der Stirnseite der Ventilnadeln 19 angeordnet. Die Emitter-Elektrode 23 ist als Zapfen 24 ausgebildet, der stirnseitig eine Kegelspitze 241 trägt. Der Zapfen 24 ist isoliert in der Ventilnadel 19 derart eingesetzt, daß im wesentlichen die Kegelspitze 241 vorsteht und in den Zwischenraum 20 hineinragt. Hierzu ist der Zapfen 24 in einem Isolierzylinder 25 eingesetzt, der koaxial in einer von der Stirnseite her eingebrachte Ausnehmung 26 in der Ventilnadel 19 angeordnet ist. Am flachen Ende ist der Zapfen 24 mit einer elektrischen Anschlußleitung 27 verbunden die, von einer Isolierhülle 28 umgeben, koaxial durch die Ventilnadel 19 hindurchgeführt ist. Die Emitter-Elektrode 23 ist an dem negativen Hochspannungspotential einer Hochspannungsquelle 29 angeschlossen, während der Düsenkörper 13 an dem Massepotential liegt. Die Emitter-Elektrode 23 besteht aus einem für die Feldemission von elektrischen Ladungsträgern geeigneten Material. Ein Beispiel eines solchen Materials ist ein eutektisches Gemisch aus Uranoxid und Wolfram. Das Material hat genügend viele feine Spitzen oder Kanten, so daß an der Materialoberfläche zur Feldemission ausreichend hohe elektrische Felder erzeugt werden. Bei geöffneter Einspritzdüse 10 wird der unter Druck stehende Kraftstoff durch das im Zwischenraum 20 ausgebildete elektrostatische Feld geführt, wobei Ladungen vom Kraftstoff mitgenommen werden und der Kraftstoff den Zwischenraum 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.

Die der Einspritzdüse 10 in Kraftstoffaustrittsrichtung nachgeordnete Einrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung 12 besteht aus einem Ring 30 aus elektrisch leitfähigem Material, an dessen Innenumfang eine Vielzahl von sog. Koronaspitzen 31 radial wegstehen. Der Ring 30 ist im Abstand zu der Düsenöffnung 16 im Düsenkörper 13 und koaxial zu dieser angeordnet. Er liegt an dem positiven Hochspannungspotential einer Hochspannungsquelle 32, die mit ihrem anderen Pol ebenso wie der Düsenkörper 13 an Masse liegt. Durch die von dem Ring 30 mit den Koronaspitzen 31 hervorgerufene Koronaentladung wird das Umgebungsgas ionisiert, wobei einer Vielzahl von positiv geladenen Ionen entstehen. Diese positiven Gasionen werden von den negativen Ladungen der Flüssigkeitströpfchen im Sprühnebel 11 des austretenden Kraftstoffs angezogen, bis die einzelnen Flüssigkeitströpfchen elektrische Neutralität erreicht haben. Damit ist der aus der elektrostatischen Zerstäubung hervorgegangene Sprühnebel nicht mehr negativ geladen sondern elektrisch neutral und läßt sich nachfolgend ohne die aus einer elektrischen Aufladung sich ergebenden Nachteile weiter transportieren und steuern. Der sich auf positivem Potential befindliche Ring mit Koronaspitzen übt außerdem eine elektrische Kraft auf die im Sprühnebel 11 noch geladenen Flüssigkeitströpfchen derart aus, daß diese weg von der geerdeten Einspritzdüse 10 hin in Richtung des positiven Potentials des Rings 30 gelenkt werden. Durch diesen zusätzlichen Effekt wird verhindert, daß sich geladene Flüssigkeitströpfchen an der Außenseite des Düsenkörpers 13 niederschlagen und der hier entstehende Flüssigkeitsfilm die elektrostatische Zerstäubung des Kraftstoffstrahls durch teilweise Entladung des Sprühnebels 11 stört. Der Ring 30 mit Koronaspitzen 31 ist räumlich so angeordnet, daß die nach der Düsenöffnung 16 einsetzende elektrostatische Zerstäubung des ausgespritzten Kraftstoffs nicht gestört wird.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann die Emitter-Elektrode 23 auch an positivem Potential liegen. Entsprechend wäre dann der Ring 30 mit Koronaspitzen 31 an negatives Potential zu legen. Im Umgebungsgas werden dann negativ geladene Gasionen erzeugt.

Weiterhin ist es auch möglich, den Ring 30 mit Koronaspitzen 31 an eine Wechselhochspannung anzuschließen. In diesem Fall sind im Umgebungsgas positiv und negativ geladene Ionen vorhanden, von denen die jeweils geeigneten zur Entladung der Tröpfchen im Sprühnebel 11 führen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur elektrostatischen Zerstäubung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kraftstoff, mit einer Düse, die einen Düsenkörper aus elektrisch leitfähigem Material mit einer Düsenöffnung zum Austreten eines unter Druck stehenden Flüssigkeitsvolumens und eine im Düsenkörper der Düsenöffnung koaxial gegenüberliegende Elektrode aufweist, die in Bezug zu dem Düsenkörper an einem Hochspannungspotential liegt, gekennzeichnet durch eine der Düse (13) in Flüssigkeitsaustrittsrichtung nachgeordnete Einrichtung (12) zur Erzeugung einer Koronaentladung derart, daß im gasförmigen Medium der Düsenumgebung zu der elektrischen Ladung des aus der Düsenöffnung (16) austretenden Flüssigkeitsvolumens gegensinnig geladene Ionen entstehen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) so angeordnet ist, daß die Koronaentladung den elektrostatischen Zerstäubungsvorgang des Flüssigkeitsvolumens nach dem Austreten aus der Düsenöffnung (16) nicht stört.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (12) eine Vielzahl von Koronaspitzen (31) aufweist, die mit radialer Ausrichtung am Innenumfang eines Rings (30) aus elektrisch leitfähigem Material angeordnet sind, daß der Ring (30) im Abstand von und koaxial zu der Düsenöffnung (16) angeordnet ist und daß der Ring (30) an einem zum Hochspannungspotential der Elektrode (23) gegensinnigen Hochspannungspotential angeschlossen ist.