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Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen u. dgl. Die üblichen Einspritzdüsen
für Brennkraftmaschinen, durch die die Brennstoffflüssigkeit mit Hilfe von Druckluft
zerstäubt in den Zylinder eingeblasen wird, benötigen sehr hohe Luftdrücke und beträchtliche
Luftmengen, um die für die Verbrennung erforderlichen Zerstäubungsfeinheiten der
Flüssigkeit zu erzielen. Beispielsweise werden bei Dieselmaschinen Luftdrücke verwendet,
die den Kompressionsdruck im Zylinder um ro bis 15 at übersteigen. Die Erzeugung
der so hoch gespannten PreBluft ist mit hohem Energieaufwand verbunden, der der
Leistung der Dieselmaschine entzogen wird. Dadurch wird der gesamte Wirkungsgrad
der Anlage sehr wesentlich beeinträchtigt. Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse,
bei der die Zuführungsleitung der Flüssigkeit innerhalb des Luftkanals mündet. Nach
der Erfindung ist bei Einspritzdüsen dieser Art eine wesentliche Herabsetzung des
für die Einspritzung erforderlichen Überdruckes und der :Menge der Druckluft dadurch
erreicht, daB der Luft auf dem Wege von der Stelle des Eintritts der Flüssigkeit
in den Luftkanal bis zur Düsenmündung durch Druckabfall eine beträchtliche Beschleunigung
erteilt wird. Durch diese Beschleunigung wird die Relativgeschwindigkeit zwischen
Luft und den sich nach vorn beschleunigenden Flüssigkeitsteilchen aufrechterhalten.
Die für die Verbrennung erforderliche
Zerstäubungsfeinheit ist bei
der Vorrichtung nach der Erfindung schon bei wesentlich niedrigerer Mengen und Überdrücken
der- Druckluft erreicht. Dadurch wird an Preßluftenergie gespart und somit der Geschwindigkeitsgrad
derAnlage verbessert.
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Bei Unterschallströmung ist diese Beschleunigung der Luft dadurch
erreicht, daß der von der Luft durchströmte Querschnitt sich in der Strömungsrichtung
verkleinert; bei Überschallströmung verkleinert sich der von der Luft durchströmte
Querschnitt in an sich bekannter Weise in der Strömungsrichtung zuerst und erweitert
sich darauf.
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Insbesondere hat sich bei Unterschallströ,#nungen herausgestellt,
daß bei der Abmessung des vor der Eintrittsstelle .des Brennstoffs liegenden Teils
des von -der Druckluft durchströmten, sich verengenden Kanals die Regel beachtet
werden muß, da.ß das Verhältnis des Mündungsquerschnitts des Kanals zu seinem Querschnitt
an der Eintrittsstelle des Brennstoffs den Wert von o,6o nicht überschreitet. Ferner
darf die Entfernung von der Mündung des Kanals bis zur Eintrittsstelle .des Brennstoffs
den Wert von 3 mm nicht unterschreiten. Bei Einhaltung dieser Verhäatnisse ist gewährleistet,
daß der Druck der Druckluft bei Erreichung des für die Zerstäubung der Brennkraftmaschine
erforderlichen Feinheitsgrades bis unter die Hälfte der bisher üblichen Überdrütlce
herabgesetzt werden kann.
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Führt man die Flüssigkeit unmittelbar durch eine Bohrung des von der
Druckluft durchströmten Kanals in diesen ein, so zeigt sich, daß ein Teil der Flüssigkeit
durch den Druckluftstrom die innere Kanalwandung benetzt. Diese sogenannte Kriechflüssigkeit
wird dann nach vorn durch den Luftdruck getrieben und löst sich erst an der Mündung
des Kanals von dessen Wandung ab. Dabei entstehen aber nur grobe Tropfen, wodurch
der Feinheitsgrad der Zerstähbung schädlich beeinflußt wird. Nach der Erfindung
ist dieser Übelstand dadurch vermieden, daß die Flüssigkeit aus der Kanalwandung
durch in dieser vorgesehene öffnungen hindurch mit solcher Geschwindigkeit in den
Kanal eintritt, daß sie sich infolge ihrer lebendigen Kraft von der von der strömenden
Luft bestrichenen Wandung des Kanals ablöst. Das Auftreten einer Kriechflüssigkeit
ist dadurch wesentlich vermindert, es wird also der gesamte eingeführte Brennstoff
von der Luftströmung allseitig erfaßt.
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Bei dieser Einführungsart der Flüssigkeit kann noch dadurch Kriechflüssigkeit
entstehen, daß Flüssigkeitsteilchen durch allzu große Austrittsgeschwindigkeit beim
Eintritt in den Luftkanal an die gegenüberliegende Innenwand der Düse gelangen.
Um dies zu vermeiden, sind gegenüber den in der Kanalwandung vorgesehenen Zuführungsöffnungen
für die Flüssigkeit in den Kanal Prallkörper eingebaut, die sich in der Strömungsrichtung
der Luft erstrecken und vor der Düsenmündung endigen. Vorteilhaft ist der Prallkörper
für die Flüssigkeitsstrahlen als ein ringförmiger Hohlkörper ausgebildet. Die auf
den Prallkörper auftreffende Flüssigkeit wird durch .die Luftströmung nach vorn
getrieben und beim Verlassen des Prallkörpers von der Luftströmung allseitig erfaßt.
Demzufolge ist eine sehr feine Zerstäubung gesichert.
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Wird die gleiche Druckluft zur Zerstäiubung der aus den Kanalöffnungen
austretenden Flüssigkeit und zur Zerstäubung der Kriechflüssigkeit benutzt, so ist
der Zerstäubungsweg vom Prallkörper bis zur Düsenmündung verhältnismäßig kurz. Die
Kriechflüssigkeit wird dann gröber zerstäubt als die übrige Flüssigkeit: Um diesen
Nachteil zu vermeiden, wird erfindungsgemäß die der Auftreffseite des Prallkörpers
abgewandte Seite von einer durch eine gesonderte Zuleitung geführten Luft höherer
Geschwindigkeit bestrichen. Infolge der größeren Geschwindigkeit dieser Luft an
der abgewandten Seite .des Prallkörpers wird auch die sich von diesem ablösende
Kriechflüssigkeit trotz des geringeren Zerstäubungsweges ebenso fein zerstäubt wie
der übrige Teil der Flüssigkeit.
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Ein weiterer Weg zur Vermeidung von Kriechflüssigkeit besteht erfindungsgemäß
darin, daß der mit der Zuführungsöffnung für die Flüssigkeit versehene Körper in
den von der Luft durchströmten Kanal frei hineinragt. Der bei dem Eintritt des Brennstoffstrahls
in den Kanal von der Luftströmung mitgerissene Teil der Flüssigkeit, der auf die
die Eintrittsöffnung umgebende Wandung abgelenkt wird, kann dann in den Kanal allseitig
frei hineinströmen und an der ZersC#ubung der übrigen Flüssigkeit teilnehmen.
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Vorteilhaft ist vor der Zuführungsstelle für die Flüssigkeit in .den
Kanal für die Luft ein Gleichrichter eingeschaltet, durch den die Strömung der Luft
gleichmäßig gestaltet wird.
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Zur Vermeidung von Wirbeln hinter der in den, Kanal hineinragenden
Mündung der Zuführungsleitung fütr die Flüssigkeit ist der hineinragende Teil der
Zuleitung stromlinienförmig ausgestaltet.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Einspritzdüse
nach der Erfindung dargestellt.
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Fig. i zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform der Düse
und Fig. 2 durch eine Abänderungsform; Fig.3 ist ein Lätngsschnitt durch eine andere
Ausführungsform und Fig. q. ein Querschnitt nach der Linie A-B der Fig. 3; Fig.5
bis 7 zeigen Längsschnitte durch drei weitere Ausführungsformen der Düse.
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In Fig. i ist eine einfache Ausführung einer Einspritzdüse für Unterschallströmung
gemäß der Erfindung dargestellt. Die zurZerstäubung dienende Preßluft wird durch
den Luftkanal i geleitet, der sich an seinem vorderen Ende in der Strömungsrichtung
verengt. Hierdurch wird der strömenden Luft eine beträchtliche Beschleunigung erteilt.
Der Querschnitt der Düsenmündung a ist wesentlich kleiner als der Luftkanalquerschnitt
an der Stelle b, an der die Flüssigkeit in den Kanal i eintritt. Die Brennstoffflüssigkeit
wird durch die Leitung 2 in das Innere des Luftkanals i geführt, gelangt zuerst
in den Innenraum des stromlinienförmigen
Hohlkörpers 3 und tritt
dann durch die zentral angebrachte Bohrung q. in den Luftstrom ein.
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Der zunächst geschlossene Flüssigkeitsstrahl wird von der Luftströmung
erfaßt, die eine höhere Strömungsgeschwindigkeit aufweist als der Flüssigkeitsstrahl
selbst. Infolge der kelativgeschwindigkeit zwischen Luft und Flüssigkeit werden
auf den Flüssigkeitsstrahl dynamische Luftkräfte ausgeübt, die ihn zunächst zum
Zerfall in einzelne Flüssigkeitspartikel bringen. Diese letzteren werden von der
strömenden Luft allseitig erfaßt und infolge der herrschenden Relativgeschwindigkeit
in der Strömungsrichtung beschleunigt. Die dynamischen Kräfte der Relativströmung
bewirken einen weiteren Zerfall der ursprünglich gebildeten, verhältnismäßig groben
Flüssigkeitspartikel. Bekanntlich sind diese dynamischen Kräfte der Luftströmung
um so stärker, je größer die Relativgeschwindigkeit zwischen der Luft und den Flüssigkeitspartikeln
ist. Bei einer Luftströmung gleichbleibender Geschwindigkeit würde infolge der Beschleunigung
der Flüssigkeitsteilchen diese Relativ geschwindigkeit in Richtung der Strömung
ständig geringer «-erden, wodurch aber die den weiteren Zerfall bewirkenden Kräfte
ebenfalls kleiner werden würden. Durch die Beschleunigung der Luft im Zerstäubungsgebiet
wird nach der Erfindung die ursprüngliche Relativgeschwindigleeit zwischen Luft-
und Flüssigkeitspartikeln nicht nur aufrechterhalten, sondern, wenn die Beschleunigung
der Luft größer als die der Flüssigkeitsteilchen ist, auch entsprechend vergrößert.
Infolgedessen behalten die den Zerfall bewirkenden Luftkräfte ebenfalls nicht nur
ihre ursprüngliche Größe an der Eintrittsstelle b der Flüssigkeit, sondern sie werden
auch längs der Strömung stärker. Durch diese Wirkung entsteht bei den Einspritzdüsen
nach der Erfindung die gewünschte Zerstäubungsfeinheit bei einer wesentlich geringeren
Austrittsgeschwindigkeit als bei den bekannten Einspritzdüsen mit gleichbleibender
oder gar abnehmender Luftgeschwindigkeit im Zerstäubungsgebiet. Die Einspritzdüse
nach der Erfindung benötigt daher einen wesentlich geringeren Betriebsdruck der
Luft und geringere Luftmengen.
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Die Größe der erforderlichen Beschleunigung zur Erzielung einer ausreichenden
Wirkung richtet sich nach den Stoffeigenschaften der zu zerstäubenden Flüssigkeit.
Bei flüssigen Brennstoffen ist im allgemeinen erforderlich, daß das die Beschleunigung
der Luft bestimmende Verhältnis des Mündungsquerschnitts a zum Luftkanalquerschnitt
an der Stelle b des Flüssigkeitseintritts höchstens o,6o beträgt.
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Die Zerstäubung eines Flüssigkeitsstrahls geht bekanntlich mit Hilfe
von strömender Luft nicht plötzlich vor sich, die Zerstäubung vollzieht sich vielmehr
in einer gewissen Zeit, während der die Flüssigkeitsteilchen einen gewissen Weg
in der Strömungsrichtung, den sogenannten Zerstäubungsweg, zurücklegen. Es ist daher
erforderlich, um eine ausreichende Wirkung zu erzielen, daß die Beschleunigung der
Luft auf einem möglichst großen Teil des Zerstäubungsweges andauert. Aus diesem
Grunde darf die Entfernung von der Eintrittsstelle b der Flüssigkeit in den Luftkanal
i bis zur Düsenmündung a nicht den Wert von 3 mm unterschreiten.
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Fig.2 stellt eine Zerstäubungsdüse für überschallströmung der Luft
dar. Der Querschnitt des Luftkanals i verringert sich zuerst und vergrößert sich
dann in bekannter Weise an einem die Verlängerung des Luftkanals i bildenden Düsenteil
5 (De-Laval-Düse). Bei Überschallströmung herrscht bekanntlich infolge der Luftexpansion
auch in dem sich erweiternden Teil 5 des Kanals eine Beschleunigung der Luft. Diese
Ausführung ist für höheren Betriebsdruck der Luft zweckmäßig und hat den Vorteil,
eine größere Beschleunigungsstrecke der Luft aufzuweisen. Im übrigen weicht die
Bauart nicht von der nach Fig. i ab.
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Bei der Ausführungsform der Einspritzdüse nach Fig. 3 ist einfachheitshalber
die Ausführung für Unterschallströmungdargestellt, kann natürlich sinngemäß wie
alle nachfolgenden Ausführungsformen auch für Überschallströmung ausgebildet sein.
Die Austrittsöffnungen 6 für die Flüssigkeit sind hier kranzförmig an der Mantelfläche
des vorn geschlossenen, stromlinienförmigen Hohlkörpers angeordnet und münden quer
zur Strömungsrichtung der Luft. Vor den Austrittsöffnungen der Flüssigkeit sind
Prallkö:rper 8 angebracht, die sich zweckmäßig längs der Stromlinien der Luft erstrecken,
um Störungen (Totraum- und Wirbelbildung) in der Strömung zu vermeiden. Die einzelnen
Prallkörper 8 sind mit Trägern 9 an der Innenwandung des Luftkanals i befestigt.
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Tritt die Flüssigkeit mit geringer Geschwindigkeit aus den Öffnungen
6 heraus, so wird sie durch die dynamischen Kräfte der längs der Wand streichenden
Luft so stark in Strömungsrichtung umgelenkt, daß sie an der Mantelfläche des stromlitiienförmigen
Hohlkörpers 7 haftenbleibt und längs seiner Oberfläche nach vorn kriecht. Diese
die Wandung benetzende und durch die Luft nach vorn getriebene Flüssigkeit, genannt
Kriechflüssigkeit, löst sich erst von dem in der Strömungsrichtung hintenliegenden
Ende des Hohlkörpers 7 ab und wird an dieser Stelle, ähnlich wie bei Fig. i und
2, von der Luft allseitig erfaßt. Bei der zentralen Zuführung der FlÜssigkeit (Fig.
i und 2) zeigt sich der Übelstand, daß die Flüssigkeit sich nur verhältnismäßig
wenig mit der Luft vermischt. Es ist vielmehr erwünscht, daß die Flüssigkeit schon
bei ihrem Austritt aus dem Hohlkörper eine möglichst große, den Luftkräften ausgesetzte
Oberfläche hat und in der Luftströmung gut verteilt wird, damit eine günstige Energieausnutzung
aller Luftschichten ermöglicht wird.
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Die Flüssigkeit wird gemäß der Erfindung mit solcher Geschwindigkeit
durch die Austrittsöffnungen 6 geführt, daß die Flüssigkeitsstrahlen die Umlenkkräfte
der Luft überwinden, sich von der Wandung ablösen und sich zunächst quer zur Luftströmung
bewegen. Durch die Unterteilung der Flüssigkeit in einzelne Strahlen ist eine größere
Angriffsfläche
für die Luft geschaffen und eine bessere Vermischung gewährleistet. Die Ermittlung
der erforderlichen Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, um eine Ablösung von
der Wandung zu ermöglichen, kann leicht bei den gegebenen Betriebsverhältnissen
experimentell ermittelt werden.
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Bei noch höheren Austrittsgeschwindigkeiten der Flüssigkeit gelangen
die einzelnen Strahlen an die gegenüberliegende Innenwandung des Luftkanals z und
bleiben zum Teil an dieser Fläche haften, bilden also an dieser Wandung eine Kriechflüssigkeit.
Diese letztere wird zum größten Teil bis zur Düsenmündung a nach vorn getrieben,
wo sie sich dann ablöst. Die sich hier ablösenden Flüssigkeitsteilchen können nicht
ausreichend fein zerstäubt werden, da die Luftströmung von dieser Stelle ab keine
Beschleunigung mehr erfährt. Durch die Kriechflüssigkeit an der Innenwandung des
Luftkanals wird die Güte der Zerstäubung sehr ungünstig beeinflußt.
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Nach .der Erfindung wird dieser Übelstand durch die Anwendung der
Prallkö,rper 8 beseitigt. Die sich quer zur Strömungsrichtung der Luft bewegenden
Flüssigkeitsstrahlen treffen auf die Prallkörper auf und werden durch diese in Strömungsrichtung
umgelenkt. Bei dem Verlassen der in der Strömungsrichtung hintenliegenden Kante
der Prallkörper 8 werden die umgelenkten Flüssigkeitsteile allseitig von der strömenden
Luft erfaßt. Da die Prallkö.rper noch vor der Mündung a der Düse endigen, wird die
an ihrer Oberfläche haftende Kriechflüssigkeit infolge der hier noch herrschenden
Luftbeschleunigung mit größerer Feinheit zerstäubt als eine sich an der Düsenmündung
ablösende Kriechflüssigkeit.
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Bei der Abänderungsform nach Fig. 5 dient als Austrittsöffnung für
die Flüssigkeit der ringförmige Spalt io, der z. B. durch einen Hohlkörper ii und
einen Kegel 1:2 gebildet ist. Der PrallköTper '13 hat hier eine ringförmige Gestalt
und bildet das Ende einer Luftzuleitung 14, in die der Hohlkörper ii und der Kegel
12 eingebaut sind, der am Prallkörper 13 durch Träger 15 befestigt ist. Die Luft,
die die äußere Mantelfläche des Prallkörpers 13, also die seiner Auftrefffläche
abgewandte Fläche bestreicht, wird durch die gesonderte Luftzuleitung 16 zugeführt,
und zwar mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit, als sie die durch die Leitung
14 zugeführte Luft hat. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß die sich vom Prallkörper
13 ablösende Kriechflüssigkeit, für welche eine kürzere Beschleunigungsstrecke der
Luft bis zur Düsenmündung ca zur Verfügung steht als für die aus dem Spalt io austretenden
Flüssigkeitsteile, durch die höhere Geschwindigkeit der aus dem Kanal 16 zufließenden
Luft genau so fein zerstäubt wird wie die übrige Flüssigkeit.
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Die Flüssigkeit wird bei der Ausführungsform nach Fig. 6 durch die
Leitung :2 dem den Luftkanal i umschließenden Ringraum 17 zugeführt. An der Innenwand
des Kanals i sind stromlinienförmig ausgebildete Stutzen 18 angebracht, die frei
in den Kanal i hineinragen. Im Bereich des Ringraumes 17 sind die Stutzen 18 mit
in den Ringraum mündenden Zuführungsöffnungen i9 für die Flüssigkeit versehen. Diese
Ausführungsform zeigt ein Beispiel einer zweclcmäzßigen Ausführung fü!r geringere
Austrittsgeschwindigkeiten der Flüssigkeit, wobei die Entstehung einer Kriechflüssigkeit
auf der freien Fläche c der in den Kanal i hineinragenden Stutzen 18 unvermeidlich
ist. Die Kriechflüssigkeit löst sich aber unter der Wirkung der Luftströmung von
den Stutzen 18 ab und wird an der in der Strömungsrichtung hintenliegenden Kante
von der Luftströmung allseitig erfaßt. Es ist hierdurch vermieden, daß an der inneren
Kanalwandung eine Kriechflüssigkeit entsteht, die sich, wie schon ausgeführt wurde,
besonders ungünstig auswirkt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist der Kanal i im Bereich des
Ringraumes 17 von einem Ring 2o umgeben, der mit den Zuführungsöffnungen ig versehen
ist, die in den Kanal i münden. Um die Bildung von Kriechflüssigkeit zu vermeiden,
muß hierbei die Flüssigkeit mit solcher Geschwindigkeit aus den Öffnungen ig austreten,
daß die Strahlen sich von der Wandung des Kanals i ablösen. Zweckmäßig ist ein Prallkörper
in den Kanal i eingebaut, der als ringförmiger, durch Träger 15 am Kanal i befestigter
Hohlkörper 13 ausgebildet ist.
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Fig. 7 zeigt auch den Einbau eines Gleichrichters 21 fü(r .die Druckluft
in dem Luftkanal vor der Eintrittsstelle der Flüssigkeit in den Kanal i. Er besteht
bei dieser Ausführungsform aus einzelnen Röhren und hat die Aufgabe, die Ungleichmäßigkeiten
in der ankommenden Luftströmung auszugleichen. Ankommende Wirbel und Drehungen in
der Luftströmung, die zu Ablösungen im Zerstäubungsgebiet führen, werden dadurch
beseitigt.
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Zur Vermeidung solcher Ablösungen im Zerstäubungsgebiet sind auch
zweckmäßig alle in den Druckiuftkanal hineinragenden Teile der Flüssigkeitszuleitung
stromlinienförmig ausgebildet. Es zeigt sich nämlich, daß durch die Ablösungen geschaffene
Totraumgebiete sich mit unzerstäubter Flüssigkeit füllen, die sich periodisch ablöst
und nicht genug fein zerstäubt aus .der Düse heraustritt. Dadurch wird -die Güte
der Zerstäubung ungünstig beeinflußt. Durch die stromlinienförmige Ausbildung der
in den Kanal hineinragenden Teile wird die Bildung von Totraumgebieten und dadurch
die Entstehung grober Tropfen beseitigt.