EP0435973B1 - Atomization arrangement - Google Patents
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- F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
- F02M69/08—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel characterised by the fuel being carried by compressed air into main stream of combustion-air
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Definitions
- the invention relates to an arrangement for atomizing liquids according to the preamble of the main claim.
- the invention therefore lies in the field of atomization of liquids by means of externally generated compressed air or use of the negative pressure in the intake manifold of internal combustion engines.
- Liquids in particular are fuels which are to be processed into combustion mixtures for internal combustion engines with external mixture formation. So far, compressed air or negative pressure in the intake manifold has been used for atomizing fuels in such a way that the air expanding at an annular gap detects the fuel jet emerging from the mouth of the injection valve at high speed. The large speed difference between air and fuel leads to atomization.
- the invention is explained with the aid of a central injection unit, but is not restricted to use with such a central injection unit.
- the invention is also not limited to fuel atomization, but any liquid that needs to be atomized can be used in the present invention.
- the central injection unit according to Fig. 1 has an injection valve 1 and is mounted directly on the intake manifold and supplies the engine with finely prepared fuel.
- it consists of a pressure regulator 2 connected to it via a line 7 and a throttle valve housing 9 with a throttle valve 10.
- the construction of such a central injection unit is known and will not be explained further here.
- an intermediate ring 6 which encloses an arrangement 11 according to the invention, to which two air lines lead.
- This arrangement 11 according to the invention is shown in more detail in FIG.
- the injection valve has a valve seat, via which the valve is opened and closed.
- a housing 12 is arranged sealed on the injection valve 1 with an annular disk 13, the housing 12 being provided in different planes with annular air supply lines 4, 5 which are separated from one another by a web 21.
- These air inlets 4, 5 receive compressed air from the air lines 30, 31.
- a separating ring 22 is inserted into the housing 12, into which at least one upper slot 15 connected to the upper air inlet 4 and at least one with the lower one Air supply 5 connected lower slot 16 are incorporated.
- 3 and 4 also show, two upper slots 15 and two lower slots 16 are provided in the exemplary embodiment shown.
- Each upper slot 15 of the upper level opens tangentially into an upper annular channel 23 and each lower slot 16 of the lower level opens tangentially into a lower annular channel 24.
- the slots 15, 16 taper in the circumferential direction.
- the ring channels 23 and 24 taper with a decreasing radius in the axial direction up to an upper gap 25 or to a lower gap 26 and open into a central cylinder opening 14, which is also supplied with the fuel jet.
- the gaps 25 and 26 are also ring-shaped.
- the upper slot 15, the upper ring channel 23 and the upper gap 25 are up through the ring disc 13 limited.
- the annular disc 13 has a through opening 29 aligned with the valve mouth 3, which is followed by the gap 25, the cylinder opening 14 and the lower gap 26 in the direction of flow.
- the upper vertebral plane is shown in Fig. 5 and the lower vertebral plane in Fig. 6.
- an air flow 17 is introduced clockwise through the upper slots 15 into the annular channel 23, swirls the fuel jet 19 through the upper gap 25 and then leaves the upper swirl plane through the cylinder opening 14.
- the air is supplied via the lower slots 16 and the air flow 18 now swirls around the fuel jet 19 in the clockwise direction opposite direction and also leaves the lower vortex plane via the cylinder opening 14. If the vortex flows of the air streams 17 and 18 are of the same size, the rotation of the total stream downstream of the lower gap 26 is canceled and a well-mixed fuel-air mixture is fed to the intake manifold .
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Zerstäubung von Flüssigkeiten nach der Gattung des Hauptanspruches. Die Erfindung liegt also auf dem Gebiet der Zerstäubung von Flüssigkeiten mittels fremderzeugter Druckluft oder Nutzung des Unterdruckes im Saugrohr von Brennkraftmaschinen. Als Flüssigkeiten kommen insbesondere Kraftstoffe, die zu Brenngemischen für Brennkraftmaschinen mit äußerer Gemischbildung aufbereitet werden sollen, in Verwendung. Bisher hat man zur Zerstäubung von Kraftstoffen Druckluft bzw. Unterdruck im Saugrohr so angewendet, daß die an einem Ringspalt expandierende Luft mit hoher Geschwindigkeit den aus der Mündung des Einspritzventiles austretenden Kraftstoffstrahl erfaßt. Die große Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Luft und Kraftstoff führt zur Zerstäubung.The invention relates to an arrangement for atomizing liquids according to the preamble of the main claim. The invention therefore lies in the field of atomization of liquids by means of externally generated compressed air or use of the negative pressure in the intake manifold of internal combustion engines. Liquids in particular are fuels which are to be processed into combustion mixtures for internal combustion engines with external mixture formation. So far, compressed air or negative pressure in the intake manifold has been used for atomizing fuels in such a way that the air expanding at an annular gap detects the fuel jet emerging from the mouth of the injection valve at high speed. The large speed difference between air and fuel leads to atomization.
Diese Art der Zerstäubung ist jedoch nachteilig, indem die aus dem Zerstäubungsprozeß resultierenden feinen Tröpfchen im Luftstrom auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt werden, so daß sie teilweise nicht mehr in der Lage sind, einer Strömungsumlenkung der Ansaugluft zu folgen. Die Tröpfchen prallen gegen die Saugrohrwand und tragen zur Wandfilmbildung bei. Für die Exzentrizität der Kraftstoffeinbringung in den Strahl der Luft sind nur sehr geringe Toleranzen zulässig. Zu große Fertigungstoleranzen in diesem Bereich führen zu einer seitlichen Ablenkung des zerstäubten Kraftstoffstrahles, woraus in der Folge eine erhöhte Kraftstoffehlverteilung zwischen den einzelnen Zylindern einer Mehrzylindermaschine bei Zentraleinspritzung resultiert. Es ist auch bereits eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der die Mündung eines Einspritzventiles in eine Hilfsluftdüse gerichtet ist, wobei in einer darin ausgebildeten Wirbelkammer der Kraftstoff und die Luft durch Verwirbelung aufbereitet werden. Die Luftzufuhr erfolgt hier tangential in den Innenraum der Hilfsluftdüse (US-A-44 34 766).However, this type of atomization is disadvantageous in that the fine droplets resulting from the atomization process are accelerated to high speed in the air stream, so that they are sometimes no longer able to follow a flow deflection of the intake air. The droplets hit the intake manifold wall and contribute to the formation of the wall film. For the eccentricity of the fuel delivery Only very small tolerances are permitted in the jet of air. Excessive manufacturing tolerances in this area lead to a lateral deflection of the atomized fuel jet, which results in an increased fuel misalignment between the individual cylinders of a multi-cylinder engine with central injection. A fuel injection device for internal combustion engines is also already known, in which the mouth of an injection valve is directed into an auxiliary air nozzle, the fuel and the air being processed by swirling in a swirl chamber formed therein. The air is supplied tangentially into the interior of the auxiliary air nozzle (US-A-44 34 766).
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Zerstäubung von Flüssigkeiten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hautanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die niedrige Austrittsgeschwindigkeit der Flüssigkeitströpfchen aus der Anordnung, diese in der Lage sind, Strömungsumlenkungen der Ansaugluft zu folgen. Die Kraftstoffehlverteilung zwischen den einzelnen Zylindern einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine kann z.B. bei Zentraleinspritzung dadurch insbesondere im Vollastbereich wirkungsvoll verringert werden. Die Menge an wandfilmförmiger Flüssigkeit wird ebenfalls verringert, wodurch bei Brennkraftmaschinen das Instationärverhalten positiv beeinflußt wird. Der aus der Anordnung austretende, zerstäubte Flüssigkeitsstrahl weist eine sehr gute Strahlsymmetrie auf, so daß keine Fehlverteilung, insbesondere seitliche Ablenkung des Flüssigkeitsstrahles, auftritt. Dies ist insbesondere bei Brennkraftmaschinen von großer Bedeutung.The arrangement according to the invention for atomizing liquids with the characterizing features of the skin claim has the advantage that, due to the low exit velocity of the liquid droplets from the arrangement, they are able to follow flow deflections of the intake air. The misalignment of fuel between the individual cylinders of a multi-cylinder internal combustion engine can e.g. with central injection, this can be effectively reduced, particularly in the full load range. The amount of liquid in the form of a wall film is also reduced, which has a positive effect on the transient behavior in internal combustion engines. The atomized liquid jet emerging from the arrangement has a very good jet symmetry, so that there is no incorrect distribution, in particular lateral deflection of the liquid jet. This is of great importance in particular with internal combustion engines.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich.Advantageous further developments and improvements of the arrangement specified in the main claim are possible through the measures listed in the subclaims.
Es ist günstig, wenn die in verschiedenen, übereinanderliegenden Ebenen vorgesehenen Schlitze jeweils in einen Ringkanal münden und die Ringkanäle sich mit abnehmendem Radius verjüngen und in eine Zylinderöffnung münden. Es ist überdies günstig, wenn jedem Ringkanal mehrere, insbesondere zwei Schlitze zugeordnet sind. Durch die Auswahlmöglichkeit der Anzahl der tangential einmündenden Schlitze pro Wirbelebene und die geometrische Lage der Schlitze der oberen bzw. unteren Wirbelebene zueinander kann die Geometrie des zerstäubten Flüssigkeitsstrahles und bei Verwendung von Kraftstoffen die Konzentrationsverteilung der Kraftstofftröpfchen im Einspritzstrahl beeinflußt werden. Dadurch erhält man ein weiteres Mittel durch die Zerstäubung des Kraftstoffes, die Kraftstoffehlverteilung zwischen den einzelnen Zylindern zu verringern.It is convenient if the are in different, one on top of the other The slots provided in the planes each open into an annular channel and the annular channels taper with a decreasing radius and open into a cylinder opening. It is also favorable if several, in particular two, slots are assigned to each ring channel. The geometry of the atomized liquid jet and, when using fuels, the concentration distribution of the fuel droplets in the injection jet can be influenced by the choice of the number of tangentially opening slots per swirl plane and the geometrical position of the slots of the upper and lower swirl plane. This provides another means of atomizing the fuel to reduce the misalignment of fuel between the individual cylinders.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt. Es zeigen Fig.1 die Schnittdarstellung einer Zentraleinspritzeinheit mit der Anordnung der Erfindung, Fig.2 ein Detail der Fig.1 nämlich die eigentliche erfindungsgemäße Anordnung, Fig.3 ist ein Schnitt entlang der Linie A-A der Fig.2 und Fig.4 ist ein Schnitt entlang der Linie B-B der Fig.2, die Fig. 5 und 6 sind axonometrische Darstellungen der Luft- und Flüssigkeitsströmung durch die erfindungsgemäße Anordnung.The invention is shown for example in the drawings. 1 shows the sectional view of a central injection unit with the arrangement of the invention, FIG. 2 shows a detail of FIG. 1 namely the actual arrangement according to the invention, FIG. 3 is a section along the line AA of FIG. 2 and FIG Section along the line BB of Figure 2, Figures 5 and 6 are axonometric representations of the air and liquid flow through the inventive arrangement.
Die Erfindung wird anhand einer Zentraleinspritzeinheit dargelegt, ist jedoch nicht auf die Anwendung bei einer derartigen Zentraleinspritzeinheit eingeschränkt. Die Erfindung ist auch nicht auf die Kraftstoffzerstäubung beschränkt, sondern es kann jede Flüssigkeit, die zerstäubt werden muß, bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.The invention is explained with the aid of a central injection unit, but is not restricted to use with such a central injection unit. The invention is also not limited to fuel atomization, but any liquid that needs to be atomized can be used in the present invention.
Die Zentraleinspritzeinheit nach Fig.1 besitzt ein Einspritzventil 1 und ist direkt auf dem Saugrohr montiert und versorgt den Motor mit fein aufbereitetem Kraftstoff. Sie besteht neben dem Einspritzventil 1 aus einem mit diesem über eine Leitung 7 verbundenen Druckregler 2 und einem Drosselklappengehäuse 9 mit einer Drosselklappe 10. Der Aufbau einer derartigen Zentraleinspritzeinheit ist bekannt und soll hier nicht weiter erläutert werden.The central injection unit according to Fig. 1 has an injection valve 1 and is mounted directly on the intake manifold and supplies the engine with finely prepared fuel. In addition to the injection valve 1, it consists of a
Zwischen dem Drosselklappengehäuse 9 und einem das Einspritzventil lagernden Obergehäuse 8 ist ein Zwischenring 6 vorgesehen, der eine erfindungsgemäße Anordnung 11 umschließt, zu der zwei Luftleitungen führen. Diese erfindungsgemäße Anordnung 11 ist in Fig.2 näher dargestellt.Between the
Das Einspritzventil hat in bekannter Weise einen Ventilsitz, über den das Ventil geöffnet und geschlossen wird. Unterhalb der Ventilmündung 3, also hinter dem Ventilsitz ist ein Gehäuse 12 abgedichtet am Einspritzventil 1 mit einer Ringscheibe 13 angeordnet, wobei das Gehäuse 12 in verschiedenen Ebenen mit ringförmigen Luftzuführungen 4, 5 versehen ist, die durch einen Steg 21 voneinander getrennt sind. Diese Luftzuführungen 4, 5 erhalten Druckluft von den Luftleitungen 30, 31. Auf den Steg 21 ausgerichtet,ist in das Gehäuse 12 ein Trennring 22 eingesetzt, in den wenigstens ein mit der oberen Luftzuführung 4 verbundener,oberer Schlitz 15 und wenigstens ein mit der unteren Luftzuführung 5 verbundener unterer Schlitz 16 eingearbeitet sind. Wie auch die Fig. 3 und 4 zeigen, sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel zwei obere Schlitz 15 und zwei untere Schlitze 16 vorgesehen. Jeder obere Schlitz 15 der oberen Ebene mündet tangential in einen oberen Ringkanal 23 und jeder untere Schlitz 16 der unteren Ebene mündet tangential in einen unteren Ringkanal 24. Mit abnehmendem Radius verjüngen sich die Schlitze 15, 16 in Umfangsrichtung. Die Ringkanäle 23 und 24 verjüngen sich mit abnehmendem Radius in axialer Richtung bis zu einem oberen Spalt 25 bzw. bis zu einem unteren Spalt 26 und münden in eine mittige Zylinderöffnung 14, der auch der Kraftstoffstrahl zugeführt wird. Die Spalte 25 und 26 sind ebenfalls ringförmig ausgebildet. Der obere Schlitz 15, der obere Ringkanal 23 und der obere Spalt 25 werden nach oben durch die Ringscheibe 13 begrenzt. Die Ringscheibe 13 hat eine zur Ventilmündung 3 fluchtende Durchgangsöffnung 29, der in Strömungsrichtung der Spalt 25, die Zylinderöffnung 14 und der untere Spalt 26 folgen. Die Zylinderöffnung 14 erstreckt sich axial verlaufend über den Trennring 22 bis in das Gehäuse 12. Der Kraftstoffstrahl, der über die Ventilmündung 3 in die zu dieser fluchtende Zylinderöffnung 14 eintritt, wird von der aus dem oberen Spalt 25 austretenden Wirbelströmung (Luftwirbel) in der oberen Wirbelebene erfaßt und es erfolgt hier der Impulsaustausch zwischen Luft und Kraftstoff. Die Luftströmungsrichtung über die unteren Schlitze 16 in der unteren Wirbelebene ist zu der Luftströmungsrichtung über die oberen Schlitze 15 in der oberen Wirbelebene entgegengesetzt gerichtet, so daß in der unteren Wirbelebene eine zur oberen Wirbelebene entgegengesetzte Drehrichtung des Kraftstoffluftwirbels entsteht. Durch diese entgegengesetzten Drehrichtungen der Wirbelströmungen wird die Drehbewegung der Gesamtströmung stromabwärts des unteren Spaltes 26 aufgehoben, so daß ein Ausschleudern der Kraftstofftröpfchen aus dem über eine Austrittsöffnung 28 der Anordnung 11 austretenden Kraftstoff-Luft-Gemisch infolge Fliehkraftwirkung vermieden wird.In a known manner, the injection valve has a valve seat, via which the valve is opened and closed. Below the
Dadurch, daß die Ringkanäle 23, 24 sich mit abnehmendem Radius verjüngen, steigt die Geschwindigkeitskomponente der Luftströmung in radialer und tangentialer Richtung mit abnehmendem Radius der Ringkanäle 23, 24 und es läßt sich so eine gewünschte hohe Geschwindigkeit der Luftwirbel erreichen.Because the
Zur Verdeutlichung ist in Fig.5 die obere Wirbelebene und in Fig.6 die untere Wirbelebene dargestellt. Man sieht in Fig.5, daß ein Luftstrom 17 im Uhrzeigersinn über die oberen Schlitze 15 in den Ringkanal 23 eingebracht wird, über den oberen Spalt 25 den Kraftstoffstrahl 19 umwirbelt und die obere Wirbelebene dann durch die Zylinderöffnung 14 verläßt. In der unteren Wirbelebene gemäß Fig.6 erfolgt die Luftzufuhr über die unteren Schlitze 16 und die Luftströmung 18 wirbelt nun um den Kraftstoffstrahl 19 in dem Uhrzeigersinn entgegengesetzter Richtung und verläßt die untere Wirbelebene ebenfalls über die Zylinderöffnung 14.Sind die Wirbelströmungen der Luftströme 17 und 18 gleich groß, so wird die Drehung des Gesamtstromes stromabwärts des unteren Spaltes 26 aufgehoben und es wird dem Saugrohr ein gut durchgemischtes Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeleitet.For clarification, the upper vertebral plane is shown in Fig. 5 and the lower vertebral plane in Fig. 6. It can be seen in FIG. 5 that an
Wählt man das Verhältnis aus Querschnittsfläche der vertikalen Zylinderöffnung 14 zur jeweiligen Summe der Flächen der Schlitze 15, 16 entsprechend groß, so ist gewährleistet, daß die Geschwindigkeitskomponente in Richtung der Ventillängsachse gering bleibt. Damit ist auch sichergestellt, daß die Austrittsgeschwindigkeit der Kraftstofftröpfchen aus der Austrittsöffnung 28 klein ist.If the ratio of the cross-sectional area of the vertical cylinder opening 14 to the respective sum of the areas of the
Es sei noch darauf hingewiesen, daß es selbstverständlich auch möglich ist, eine Abgasrückführung vorzusehen, und daß man den Luftstrom 17, 18 durch einen Abgasstrom ersetzen kann.It should also be pointed out that it is of course also possible to provide exhaust gas recirculation and that the
Claims (6)
- Arrangement for atomising liquids, particularly fuel for an internal combustion engine sprayed through an injection valve (1), in which a vortex flow generated by compressed air or exhaust gas acts on the liquid in a space formed by a cylindrical opening (14), characterised in that two separate vortex flows (17, 18) with mutually opposed flow directions enter the cylindrical opening (14) in two planes, one above the other, and act on the liquid.
- Arrangement according to Claim 1, characterised in that in the upper plane, at least one upper slot (15) is provided which emerges tangentially into an upper annular duct (23), and in the lower plane, at least one lower slot (16) is provided which emerges tangentially into a lower annular duct (24) in such a way that there is a vortex flow (18) in the lower annular duct (24) whose flow direction is opposed to the vortex flow (17) in the upper annular duct (23).
- Arrangement according to Claim 2, characterised in that the slots (15, 16) taper with decreasing radius.
- Arrangement according to Claim 2 or 3, characterised in that the annular ducts (23, 24) taper in the axial direction with decreasing radius.
- Arrangement according to Claim 4, characterised in that the upper annular duct (23) emerges via an upper gap (25) into the cylindrical opening (14) accepting the injected liquid and the lower annular duct (24) emerges via a lower gap (26) into the cylindrical opening (14) accepting the injected liquid.
- Arrangement according to Claim 1, characterised in that the two vortex flows (17, 18) are of the same magnitude.
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