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Brennstoffzerstäuber für Brennkraftmaschinen Beim Dieselverfahren
wird der Brennstoff in die hoch verdichtete Luft kurz vor Ende des Verdichtungshubes
eingeführt, und in der kurzen Zeit bis etwa ioo/o des Kolbenweges nach Totpunkt
des Kolbens muß die Brennstoffeinspritzung beendet sein. Zur Erzielung einer nuten
Mischung und Verbrennung ist daher eine ausreichende Zerteilung bzw. Zerstäubung
des Brennstoffes bei entsprechendem Überdruck erforderlich. In Verbindung mit einem
Druckmittel wird diese Zerstäubung durch mechanische Mittel, z. B. Lochplatten,
Siebe o. dgl., gefördert, oder man verwendet eine Druckeinspritzung unter Umständen
in Verbindung mit Vorkammern.
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Daneben versuchte man durch tangential gerichtete Eintrittsöffnungen
oder Leitvorrichtungen innerhalb des Zerstäubers dem mit Druckluft eingeführten
Brennstoff eine Wirbel- bzw. Drehbewegung zu erteilen, um die Zerteilung und Zerstäubung
zu verbessern. Derartige Kreiselkraftzerstäuber besitzen den Nachteil, daß der Flüssigkeitsstrom
nicht in kontinuierlicher Veränderung der Geschwindigkeitskomponenten aus der Wirbelkammer
austritt, sondern durch den Druck in ungeordneter Strömung herausgeworfen wird,
so daß sich erhebliche, den Zerstäubungsgrad beeinflussende Energieverluste ergeben,
welche sich in ihrer Auswirkung vor allem in der gegenüber der Austrittsöffnung
auf die Rückwand gerichteten Reaktionskraft zeigen. Bei den Kreiselkraftzerstäubern
mit an die tangentialen Leitvorrichtungen sich anschließender, mit gerader oder
in Richtung
des austretenden Stromes mehr oder weniger stark ausgebogener
Führungsfläche hat die Normal-(Umfangs-)geschwindigkeit wenigstens einigermaßen
die Möglichkeit, allmählich in Axialgeschwindigkeit überzugehen, jedoch ergeben
auch a11 diese bekannten Zerstäuber infolge der strömungstechnisch nicht richtigen
Durchbildung der Begrenzungsflächen den Zerstäubungsgrad und die Leistung herabmindernde
Energieverluste.
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Die Erfindung bezweckt durch eine neuartige mathematisch festlegbare
Formgebung der Strömungsvorrichtung für den flüssigen Brennsto@tff vor dessen Austritt
aus der Düsenöffnung eine nahezu verlustlose und somit weitgehende Umsetzung des
Flüssigkeitsdruckes in Geschwindigkeit. Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht,
daß die Strömungsvorrichtungen vor der 1)iiseiiiniiticlung, und zwar die Düsennadel
und die äußere 13egrenzungsflächrdes Strömungsraumes, im Anschluß <in eine in
gewöhnlicher Schraubenlinie oder nach der log. Spirale beginnenden Balin durch die
Paranietergleichung r = a # e _ "° T; z = a #
e be-
stimmt werden, wobei bedeuten: r den Radiusvektor, z die jeweilige Höhe
vorn K-t-;ordinatennullpunkt, a den Radiusvektor beim Kurvenbeginn bzw. bei ii,
= o, ip die Abweichung des Leitstrahles von der Aufatigslage, m einen von Null an
wachsenden Zahlenwert und e die Basis zum natürlichen Logarithmus = 2,718.
Die Strömung besitzt hierbei drei Geschwindigkeitskomponenten, und die Beschleunigung
erstreckt sich auf drei Raumkomponenten, und zwar in tangentialer, radialer und
axialer, vornehmlich aber in tangentialer und axialer Richtring. Zwei einen Strömungsraum
einschließende Hüllflächen werden nach gleichartigen Parametergleichungen errechnet.
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Aus der geometrischen Formgebung der Begrenzungs- oder Hüllflächen
ergeben sich in weiterer Entwicklung die Gleichungen für die Steigung der Strombahn,
für die Geschwindigkeit und deren Komponenten, für den Druck, für den geonietrischen
und kinetischen Wert von m, für die Durchflußmenge usw., welche weitere Bestandteile
der Erfindung bilden und nach welchen die Düsen in ihrer Gesamtheit ausgeführt werden.
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Eine nach Gien Berechnungen gemäß der E'rfind'ung durchgeführte Düse
in Ausführung als Zerstäul>erdüse ergibt einen nahezu verlustlosen Mertritt des
Stromes aus der tarigentialen Leitvorrichtung nie den Beschleunigungsraum und in
diesem einunstetigen Anstieg der AxialgeschNvincligkeit bis zur Austrittsgeschwindigkeit,
so daß der Austritt der Flüssigkeit aus der Düse bei beliebig wählbarem Zerstäubungskegel
nahezu verlustfrei erfolgt und die Reaktionskräfte auf ein 1Linimuni herabgesetzt
werden. Die Energieverluste sind deswegen gering, so daß man hei gegebenem Druck
eine weitestgehende Umsetzung in Geschwindigkeit, d. 1i. eine größtmögliche- Zerstäubungsfeinheit,
erreicht. _ [in einzelnen gehen die erfindungsgemäßen Bereclin@ungsgrundlagen in
Verbindung mit den neuartigen Strömungsgesetzen der Wirbelsenke aus nachstehender
Beschreibung hervor, welche durch beispielsweise Darstellungen ergänzt wird, und
zwar zeigt Fig. i eine Gesamtansicht einer Wirbelsenke, Fig. 2 und 3 geometriselie
Figuren fier die mathematlischen Dwrchrechnungen. und zwar Tangentenvektor mit Komponenten
und eine log. Spirale mit Strombreite, Fig.4 eine vergrößerte Parstellung der Stromflächen,
Fig. 5 und < geometrische Einführung des Stromes in den Ströniungsrauin, Fig.
7 ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzerstäubers.
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In an sich bekannter Weise besteht der Brennstoffzerstäuber (vgl.
l;i('. 7), z. B. für Dieselmotoren oder Ottomotoren mit Finspritzung eines
Zündbrennstoffes, aus einer in 1-iingsrichtung verschiebbaren Düsennadel t, welche
nach der AustrittsöffnUng 2 zu eine konisch verjüngte Führungsfläche 3 aufweist.
Diese befindet sich in einem Strömungsraum d, der nach außen <Lurch eine 13egrenzungsfläche
5 seine Foren erhält. 1)1r Brennstoff wird in eincr lzreisenden Be«-egting in den
Strönungsrauin 1 eiiigcführt, ivas z. 13. durch vorgeschaltete Schrauben'iiii<1e
C, oder durch eine tangentiale Einführung in Vcrlrinclung finit einer log. Spirale
bewirkt Nverdeu kaim. 1>1e Schraubengänge können mit der Düsennadel verschiebbar
sein oder ortsfest angeordnet werden. Dein Strömungsrauen wird entweder 13rennstott
allein weiter Druck oder mit einem Druckmittel, z. K Druckluft. zugeführt. welche
gesondert oder zusammen mit dein Br-nnstoff dein Zerstäuber zuzuleiten ist. Zur
Absperrung des Zerstäubers können die 13egreiezuigsflächeei selbst oder besondere
Dichtungsflächen dietieii, welche an dem oberen "Feil der I"liichen 3 1111d ; vorgesehen
werden. I?s sind selbstverständlich auch anders geartete _\lislierrmöglichkeitcn
denkbar. welche sich gegebenenfalls an anderen Stellen (:s Zerstäubers befinden
k('innen.
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Den Zerstäubungsvorgang in Kreiselkraftdiisen der vorbeschriebenen
Art kann inan sich derart (lenken, daß der Stromfaden infolge der nachdrängenden
Flüssigkeit eine Spirale mit immer kleiner werdendem Leitstrahl zieht. Die Austrittsöffnung
hat einen so kleinen Durchmesser, daß der Stromfaden sich schratihenförinig herausdreht
und sich dabei durch die Zentrifugalkraft in kegelförmigem Schleier verteilt. 131i
strömttn-stechnischer Gestaltung des Zceitriftigalzerstiiul>ers setzt sich der Druck
weitestgehend in Geschwindigkeit um. Entsprechend nimmt die Zentrifugalkraft und
damit der Feinlieitsgrad der Zerstäubung zu. Die Aufgabe, welche der 7erstätil>er
somit stellt, ist die -,veitestgehende Unisetzung von Druck in Drehgeschwindigkeit
1>1i möglichst verlustlosem Austritt des Flüssigkeitsstrahles aus der Miilidung
mit gegebeneiefalls wählbarem Zerstäubungskegel.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der 1?rfindung die Strömungsvorrichtung
nach bestimmten neuartigen mathematischen Berechnunen ausz#
gebildet
und festgelegt, welche als die Strömungsgesetze der \\'irl>elsetike bezeichnet werden
und wie folgt entwickelt wurden: Ausgehend von der bernoullischen Gleichung Orts-
und Geschwindigkeitsänderung einer in
durch welche die Druck-, gerader Bahn oder in nur einer Richtung strömenden reibungsfreien
Flüssigkeit erklärt wird, ergibt sich zunächst für die krummlinige Strömung in der
Ebene nach bekannter mathematischer Ableitung eine ebene logarithmische Spirale.
Erfindungsgemäß wird nun die ebene logarithmnische Spirale in Richtung der .Achse
so ausgezogen, daß die Projektion der räumlichen Stromlinie auf die Grnndrißebene
immer wieder die ebene logarithmische Spirale darstellt. Aus der geometrischen Gleichung
dieser sowie der Gleichung einer die räumliche Strömung umschließenden Hüllfläche,
z. B. Kegelfläche, ergibt sich die Gleichung für eine räumliche Stromlinie. Weitere
mathematische Betrachtungen liefern die Erkenntnis, daß ein Stromteilchen, <las
sich auf der räumlichen Bahn bewegt, in gleicher V`Jeise eine bestimmte Zu- oder
Abnahme der llesclileutiigutig erfahren muß wie bei (lern Strornlitiienverlauf nach
der ebenen log. Spirale. !Mit dieser I?rkenntnis wurde in weiterer mathematischer
Entwicklung die Parametergleichung r = ae '', z = ae'- x und
der Hüllfläche gefunden, welche in allgemeinster Form (las charakteristische Merkmal
und das Grundelement der vorliegenden Erfindung darstellt. Es bedeuten r den Radiusvektor,
z die jeweilige Höhe voni Koordinatennullpunkt, a den Radiusvektor bei x = o, x
einen veränderlichen Wert in den Grenzen o G x G c,o und e die Basis zum natürlichen
Logaritlimus = 2,718.
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Die vorstehende 1'aranietergleichung kennzeichnet die Meridianschnittkurve
der S,trömungshüllflä che H der Fig. i. Ist der Zuflußstrom lotrecht zur Grundrißfläche
Gier Hüllfläche oder axial gerichtet, dann ist die -.NIeri,dianschnittkurve gleichzeitig
eine Stromlinie und die Hüllfläche setzt sich aus unendlich vielen derartigen Stromlinien
zusammen. Bei einer derartigen Strömung treten nur eine axiale und radiale Geschwindigkeitskomponente
auf, wobei die letztere gegenüber der ersten im allgemeinen unbedeutend ist.
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Tritt der Zuflußstrom in Drehbewegung ein, was bei den Düsen allgemein
der Fall ist, dann wird die Bahn eines Stromteilchens oder die Stromlinie durch
die spezifizierte Parametergleichung r = rre- 11111, = ae und
dargestellt, wobei sich x in den Wert
und in die Almeichung (p des Leitstrahles von der Anfangslage aufteilt, d. 1i.
x = m - 99.
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Mit y wird der Winkel, den die an die Spirale im Grundriß gelegte
Tangente mit dem Leitstrahl bildet, bezeichnet. Für die Hüllfläche kann man wie
oben m (p
= x setzen. Entsprechend der Parametergleichung beginnen sämtliche
Stromlinien und die Hüll- oder Begrenzungsflächen bei
99 = o mit den Koordinaten
r = .,
= a. Die Hüllfläche hat daher eine Anfangsneigung
d.h. x = 45°. Durch das Vorzeichen der Exponenten ist jeweils ein bestimmter Bereich
abgegrenzt, und zwar
| Bereich I r = z = a bis j z # °# ) für S z = ae |
| l ll l +m |
| Bereich II r = z = a bis #z # ö für
jz = ae± m n |
| mr |
Für die Düsen nach vorliegender Erfindung kommt Bereich I in Frage. Daneben findet
Bereich I und auch Bereich 1I noch sonstige Anwendung.
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Neben dein gezeichneten Stromfaden B der Fig. i lassen sich unendlich
viel gleichartige Stromfäden eintragen, die in, ihrer Gesamtheit den Verlauf der
ganzen Strömung kennzeichnen.
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Man erkennt deutlich die Übereinstimmung der Begrenzungsfläche mit
der bei einer Wirbelsenke auftretenden Hohlraumfläche. Deswegen wird die Stromlinie
oder Bahnkurve ihrem Wesen entsprechend als Wirbelbahn und die Hüllfläche als Wirbelfläche
der Wirbelsenke bezeichnet.
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Bei zwei einen Strömungsraum R einschließenden Hüllflächen Ho, H;
wird die äußere Begrenzungsfläche Hl, als Hüllfläche der Parametergleichung
r = aoe#- O"T z = aoe=ln'P und die innere Begrenzungsfläche H; als
Hüllfläche der Parametergleicliutig r = ale ` mvl, z =.aiel
m'1' ausgeführt, wobei a" und a; die Anfangshalbmesser der äußeren bzw. inneren
Begrenzungsfläche darstellen (vgl. Fig. _I).
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Zur weiteren Charakterisierung der Wirbelbahn werden sowohl die Bahn
selbst sowie die Geschwindigkeit und Beschleunigung eines sich auf der Wirbelbahn
bewegender Stromteilchens mathematisch genauer betrachtet. Dabei ergibt sich ein
Steigungswinkel der an die Wirbelbahn zu legenden Tangente:
daraus z. B.
wobei der Index o auf die äußere Begrenzungs-oder Stromfläche hinweist (vgl. weiter
unten) und dartun soll, daß die einzelnen Größen immer auf eine bestimmte ins Auge
gefaßte Stromfläche zu beziehen sind. Um einen bestimmten Steigungswinkel der Strombahn
und damit einen bestimmten Zerstäubungskegel zu erreichen, kann man auch unmittelbar
die weiter unten erklärten Geschwindigkeitskomponenten, insbesondere v" und v.,
zueinander in Beziehung setzen.
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Der Tangentenwinkel wird nach dieser Gleichung im Bereich I immer
steiler und im Bereich 1I immer flacher; im Unendlichen erreicht er 9o bzw. o°,
d. h. die Strombahn verläuft im Unendlichen im Bereich 1 parallel zur Z-Achse und
im Bereich II
parallel zur Leitstrahlebene. Zur Veranschaulichung
des Steigungswinkels t sind die Geschwindigkeitsvektoren in Einheitsvektoren dargestellt
(Fig, z), d. h. sämtliche Vektoren sind in den Koordinatennullpunkt verschoben,
und ihre Maßzahlen sind in das Verhältnis zum Einh@eitsvektor mit der Maßzahl i
gesetzt. Aus dem Differentialquotienten der Strombahn oder des Weges nach der Zeit
in Verbindung mit dem bekannten Strömungsgesetz der Wirbelsenke
ergibt sich die Bahngeschwindigkeit als resultierende Geschwindigkeit nach der Formel
Die resultierende Geschwindigkeit v zerlegt sich in die Komponenten:
Die Geschwindigkeiten sind also, abgesehen von m, das später noch erklärt wird,
nur von dem Radiusvektor r abhängig. Mit der Anfangs- und Endgeschwindigkeit lautet
die Druckgleichung:
a weist auf den Anfang (Stromeintritt), r, auf das Ende (Stromaustritt) hin.
Ferner bezeichnen p den Druck in kg/m2, g die Erdbeschleunigung, e die Stoffkonstante
Bei dem geringen Höhenunterschied (ze - za) kann dieses Glied im allgemeinen
vernachlässigt werden.
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Der Wert m hat eine doppelte Bedeutung, eine geometrische und eine
kinetische. Geometrisch gesehen ist, wie oben schon angegeben, m = cotgcp (Fig.
a). Da die Kurve der Wirbelsenke im Anfangspunkt im gleichen Maße in axialer Richtung
wie in radialer Richtung (Fig. a als Grundriß) gekrümmt ist, gibt m auch gleichzeitig
die Steigung des Stromes an. In kinetischer Hinsicht ergibt sich mk unter der Voraussetzung,
daß die Zuflußgeschwindigkeit über den ganzen Bereich des einmündenden Stromes konstant
bleibt, aus der Gleichung
denn es ist die Anfangsgeschwindigkeit
C" stellt nämlich an und für sich eine Konstante dar, und c ist ebenso eine beliebige,
unabhängig angenommene Konstante, die auch gleich i gesetzt werden kann.
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Für den Strömungsraum der Wirbelsenke ist der geometrische und kinetische
Zahlenwert ein und derselbe und ist nur nach dem Sinn zu unterscheiden. Der Wert
in kann auch als eine Maßzahl für das Verhältnis der Umlauf- zur Axialströmung
aufgefaßt «-erden. Weitere Einzelheiten der exakten Strömung lassen sich durch Betrachtungen
über Divergenz, Rotation usw. gewinnen. Der Radiusvektor a kann sich von dem Radiusvektor
a, der äußeren Begrenzungsfläche bis zum Radiusvektor a1 der inneren Begrenzungsfläche
verändern, womit sich auch m verändert. Jeder Wert von a kennzeichnet geometrisch
eine zur äußeren oder inneren Begrenzungsfläche konforme Fläche, die strömungstechnisch
eine Stromfläche mit einem über ihr konstanten Wert m darstellt (Fig.4). Entsprechend
den verschiedenen Stromflächen mit dien Radien ao, a, . . . a1 ergeben sich
auch die zugeordneten Werte mko, mki, mk2 . . . mki.
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Da durch den Wert m Stromlinien bestimmt sind, welche im Anfangspunkt
in gleichem Maße in radialer wie in axialer Richtung gekrümmt sind und außerdem
das Maß der Krümmung nach der Gleichung für mk bei c = i (bei der Wirbelsenke als
Naturströmung) derart ändern, daß bei a = a;
= 0,7071 « a. der Wert
nzk = o wird, müßte auch der Strom in gleicher Weise eingeführt werden. Dies
bietet jedoch Schwierigkeiten. Praktisch kommen zwei Einführungsmöglichkeiten in
Frage, nämlich die Einführung in gewöhnlicher Schraubenlinie oder nach der log.
Spirale. In beiden Fällen wird die Gleichung für lnk nicht erfüllt. Für technische
Zwecke hat diese daher wohl nur die Bedeutung, daß a1 nicht kleiner als 0,7071 a,
(vgl. unten) ,gewählt werden soll. Im übrigen wird die praktische Einführung zweckmäßig
nach der Fig. 5 und 6 mit den dort angegebenen und in der Beschreibung erläuterten
Bezeichnungen ausgeführt. Fig. 5 stellt die Einführung in gewöhnlicher Schraubenlinie,
Fig.6 die Eiiifiihrung nach der ebenen log. Spirale dar.
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Die Breite des Stromes x\-iililt man zweckmäßig gleich der Höhe (:@angli<ihe),
also b = h. Der Wert a1 errechnet sich folgen<lerinaßen. Aus yE
= a1, e+ n@ yund zF = ai e "@ y; ergibt sich durch DiN-ision
und
Da aber auch yI"=ao-aiemw ist, folgt
In beiden Fällen der Stromzuführung (Fig. 5 und 6) fließt der Strom nach der log.
Spirale von dem äußeren Strömungsraum in den Strömungsraum der Wirbelsenke. Die
geometrische Maßzahl für m der Zuführung läßt sich .in einfacher Weise aus dem Umlauf
der log. Spirale um 9p = 36o° = 2 n bestimmen (Fig. 3, 5 und 6). Es ist nämlich
der Radiuevektor des Einlaufendes yE = a. eT m (IP=0) - a. der Radiusvektor
des Einlaufanfanges yA - aoefm(lp-2,9) = ao +. b
und damit
Es sei bemerkt, daß bei der Erklärung von mgo der geometrische Drehsinn bezogen
auf a. in Betracht gezogen wurde. Der Strom fließt in umgekehrter Richtung zu. Man
kann auch m mit b/n entsprechend einem Teilumlauf 9p = 2 ac/n errechnen.
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Düsen gleicher geometrischer Ähnlichkeit werden so gestaltet, daß
die Gleichung
erfüllt ist.
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Der Schraubenstrom kann auch entgegen der Fig. 5 auf dem Bereich ai
-> a. mit der Breite b = a"- ai eingeführt werden. In diesem Falle ist
und der geometrische Drehsinn gleich der Stromrichtung.
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Der Anfangshalbmesser a. der äußeren Begrenzungsfläche Ho (5) und
der Anfangshalbmesser ai der inneren Begrenzungsfläche Hi (3) sind außerdem
so festzulegen, daß durch den Strömungsraum R (.I) die geforderte Strommenge h hindurchgeht.
Diese errechnet sich aus dem Integral über die mit
veränderliche Axial- und Radialgeschwindigkeit, vervielfacht mit der Einströmfläche.
Für die Praxis kann aus der Ringfläche mit dem Halbmesser a. und der Höhe h sowie
der radialen Zuflußgeschwindigkeit die Durchflußmenge nach der Gleichung
errechnet werden.
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C" wird aus der Druckgleichung ermittelt, und s stellt einen Berichtigungswert
dar, welcher die praktische Abweichung der Durchflußmenge von dem Rechnungswert
infolge Reibung, Ausführungsungenauigkeit usw. berücksichtigt.
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Nach den mathematischen Berechnungen einer Wirbelsenke gemäß der Erfindung
lassen sich je nach den gewählten Verhältnissen Zerstäuberdüsen beliebiger Art für
Dieselmotoren, Dieselgasmaschinen oder sonstige Brennkraftmaschinen berechnen und
herstellen.
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Durch eine zentrale Bohrung der Düsennadel kann auch bei einer gegebenenfalls
erfindungsgemäßen strömungstechnischen Ausbildung derselben ein zweites Strömungsmedium,
und zwar Luft, mit dem äußeren Brennstoffzerstäuberkegel vermischt werden: Die zwei
Medien können auch in getrennter oder gemeinsamer Einführung unmittelbar dem äußeren
Strömungsraum zugeleitet werden. In Verbindung mit einem Druckmittel, z. B. Druckluft,
wie auch bei Einspritzung von unter Druck stehendem Brennstoff, kann dieser gegenüber
den bekannten Zerstäubern bedeutend weitgehender zerstäubt werden, so daß die Verbrennung
im T\lotor verbessert wird. Die Düsennadel i kann auch als Absperrorgan dienen in
der Weise, daß die Düsennadel gegenüber der Begrenzungsfläche 5 des Düsenkörpers
gehoben und gesenkt wird. Da die Düsennadel durch Wärmespannungen leicht verbogen
wird, kann sie auch soweit fortfallen, daß nur noch für Absperrzwecke eine ausreichende
Sitzfläche gegenüber der Begrenzungsfläche 5 bleibt.
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Die Düse nach vorstehender Erfindung läßt sich auch für andere Zerstäubungszwecke
unter Berücksichtigung der besonderen Eigenheiten verwenden.