EP0568989A1 - Einspritzdüse für flüssige Medien - Google Patents

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EP0568989A1
EP0568989A1 EP93107270A EP93107270A EP0568989A1 EP 0568989 A1 EP0568989 A1 EP 0568989A1 EP 93107270 A EP93107270 A EP 93107270A EP 93107270 A EP93107270 A EP 93107270A EP 0568989 A1 EP0568989 A1 EP 0568989A1
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EP
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cover plate
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nozzle body
outlet opening
depression
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EP93107270A
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Ulrich Dr.-Ing. Rohs
Heinrich Dr.-Ing. Jeuken
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Calsim Gesellschaft fur Simulationstechnik mbH
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Calsim Gesellschaft fur Simulationstechnik mbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B1/00—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means
    • B05B1/34—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl
    • B05B1/3405—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl
    • B05B1/341—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B05B1/3436—Nozzles, spray heads or other outlets, with or without auxiliary devices such as valves, heating means designed to influence the nature of flow of the liquid or other fluent material, e.g. to produce swirl to produce swirl before discharging the liquid or other fluent material, e.g. in a swirl chamber upstream the spray outlet with channels emerging substantially tangentially in the swirl chamber the channels being formed at the interface of cooperating elements, e.g. by means of grooves the interface being a plane perpendicular to the outlet axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/02—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00 of valveless type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/38—Nozzles; Cleaning devices therefor
    • F23D11/383—Nozzles; Cleaning devices therefor with swirl means

Definitions

  • the invention relates to an injection nozzle for liquid media, in particular fuels according to the preamble of claim 1.
  • Such an injection nozzle is known from DE-PS 24 07 856 and has proven itself well for spraying quantities of 0.05-10 kg / h.
  • the increasing requirements for keeping the environment clean and for the economic efficiency of combustion devices and engines make it necessary to further reduce the spray volume to extremely low values.
  • the invention has for its object to improve the known injection nozzle in terms of its spray accuracy.
  • the task is solved in specified injection nozzle according to the invention in the features specified in the characterizing part of claim 1. This ensures that the cover plate is held exactly in the center of the swirl chamber, thereby avoiding deflection of the spray jet due to insufficient centering of the outlet opening with respect to the swirl chamber.
  • the spray medium enters the swirl chamber at high pressure and undergoes swirl amplification there. It then flows at high pressure through the disk-shaped gap between the nozzle core surrounded by the swirl chamber and the cover plate and then, with maximum acceleration, enters the outlet opening of the cover plate from all sides, where the atomization takes place.
  • claim 2 provides a further improvement of the injection nozzle in that the central outlet opening of the cover plate has a depression on the inlet side over a substantial part of the thickness of the cover plate.
  • the depression forms a calming space running in the direction of spraying for the spray medium flowing in, even with the small possible dimensions.
  • the spraying is further improved according to the invention in that the collar of the nozzle housing located on the outlet side of the cover plate and carrying it forms a conical spraying opening, the opening angle of which is greater than 100 °.
  • a suction forms at the boundary layer of the spray jet, which leads to the deposition of a film of spray around and on the outlet opening. This also influences the spray jet, for example deflects it.
  • the embodiment according to the invention avoids this, the suction which arises at the boundary layer sucking in a sufficient amount of air and contributing to self-cleaning of the injection nozzle.
  • the configuration of the injection nozzle according to the invention enables a very wide control range with extremely small spray quantities.
  • Fig. 1 shows the lower part of an injection nozzle for a liquid medium, e.g. Fuel with a nozzle housing 1, which has a central bore 2, which is reduced in diameter at its outlet end by a collar 3.
  • a liquid medium e.g. Fuel with a nozzle housing 1, which has a central bore 2, which is reduced in diameter at its outlet end by a collar 3.
  • a cylindrical nozzle body 4 Arranged above this collar 3 is a cylindrical nozzle body 4, in the lower end face 5 of which a plurality of concentric grooves 6, 7 are incorporated, which are connected to one another by tangential swirl channels (not shown) in the web 8 located between the grooves 6 and 7.
  • the nozzle body 4 also has a central return duct 10.
  • the lower end face 5 of the nozzle body 4 also has one central depression 11, which serves for the positive reception of a part of the thickness of a cover plate 12.
  • This covers the above-mentioned grooves 6, 7 and forms with the end face 13 of the nozzle core 14 enclosed by the groove 7 a disk-shaped gap 15, the lateral surface of which is many times smaller than the cross section of a central outlet opening 16 in the cover plate 12 Cover plate 12 with the groove 6 a receiving chamber and with the groove 7 a swirl chamber 18 for the spray medium.
  • the cover plate 12 the thickness of which is a few ⁇ , advantageously consists of elastic material, e.g. Spring steel and can put on the end face 13 of the nozzle core 14 so that the thickness of the disk-shaped gap 15 is practically zero in the rest position and only increases by a small amount with the appropriate spray pressure.
  • elastic material e.g. Spring steel
  • the depression 11 in the nozzle body 4 ensures a perfect central position of the cover plate 12 with respect to the swirl chamber and avoids inaccuracies that could result from the tolerance between the nozzle housing 1 and the nozzle body 4.
  • FIG. 2 shows a modified and further improved embodiment of an injection nozzle according to the invention, the parts corresponding to FIG. 1 having the same reference numerals and not being described again.
  • the return duct is made larger in diameter at a distance from the end face 13 of the nozzle core 14.
  • an injector channel 21 leads out from the swirl chamber 18, the diameter of which is much smaller than that of the enlarged part 20 of the return channel 10. This results in a particularly favorable return of the unused spray material enables.
  • This injector channel 21 is, however, not absolutely necessary in view of the other features of this exemplary embodiment that differ from FIG.
  • the outlet opening 16 in the cover plate 12 has a depression 22 on its side facing the nozzle core 14, the depth of which makes up a substantial part of the thickness of the cover plate 12.
  • This depression forms a calming space for the spray material coming through the disk-shaped gap 15 under high acceleration even when the spray material flows from the swirl chamber from all sides at different speeds or amounts. This avoids that the spray jet is deformed or deflected in that the spray material emerges with pressure distributed uniformly over the entire cross section of the outlet opening 16.
  • the collar 3 of the nozzle housing 1 has a conical depression which forms a conical spray opening 23, the opening angle ⁇ of which is greater than 100 °.
  • This configuration causes air to be sucked into the conical boundary layer 24 of the spray jet, which air moves along the wall of the spray opening 23 to the outlet opening 16 and prevents the accumulation of a disruptive spray material film. This would deflect the spray jet and change the outlet opening. This training thus also causes self-cleaning of the injection nozzle.

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Abstract

Einspritzdüse für flüssige Medien mit einem Düsenkörper (4) mit einem Einlaßkanal (9) und daran anschließenden, tangential in einen Drallraum (18) gerichteten Drallkanälen sowie einem Rückführkanal (10), wobei der Drallraum (18) im wesentlichen aus einer ringförmigen Nut (7) in der auslaßseitigen Stirnseite des Düsenkörpers (4) und einer hierauf befestigten mit einer zentralen Auslaßöffnung (16) versehenen Abdeckplatte (12) gebildet ist die mit dem Düsenkern (14) einen scheibenförmigen schmalen Spalt (15) bildet, wobei der Düsenkörper (4) in seiner ausgangsseitigen Stirnfläche eine zentrische Einsenkung (11) zur formschlüssigen Aufnahme der Abdeckplatte (12) aufweist, deren Durchmesser kleiner ist, als der Durchmesser des Düsenkörpers (4), wobei ferner die Tiefe der Einsenkung (11) geringer ist, als die Dicke der Abdeckplatte (12) und die Abdeckplatte (12) auf einem Bund (3) des den Düsenkörper (4) einschließenden Düsengehäuses (1) sitzt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse für flüssige Medien, insbesondere Kraftstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Eins solche Einspritzdüse ist aus der DE-PS 24 07 856 bekannt und hat sich für Abspritzmengen von 0,05-10Kg/h gut bewährt. Die zunehmenden Erfordernisse an die Reinhaltung der Umwelt sowie an die Wirtschaftlichkeit von Verbrennungseinrichtungen und Motoren machen eine weitere Verminderung der Abspritzmengen auf extrem niedrige Werte erforderlich. Hierbei kommt es sehr wesentlich auf eine sehr genaue Ausbildung des Sprühstrahles an, die wiederum eine sehr genaue Fertigung voraussetzt.
  • Es wurde festgestellt, daß die einfache Einlagerung der Abdeckplatte und des daran befestigten Düsenkörpers bei den unterschiedlichen Toleranzen zu erheblichen Störungen im Spritzverhalten, insbesondere der Ausbildung des Sprühstrahles führten und bei jedem Ein- und Ausbau der Düse zu erneuten Fehlern führten. Ein gutes Spritzverhalten erfordert eine extrem genaue Fluchtung der Spritzkanäle und Auslaßöffnung sowie eine sehr genaue Zentrizität der Auslaßöffnung in bezug auf die Drallkammer, um eine Ablenkung des Sprühstrahles zu vermeiden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Einspritzdüse hinsichtlich ihrer Spritzgenauigkeit zu verbessern.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht erfindungsgemäß in angegebenen Einspritzdüse erfindungsgemäß in den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Hierdurch wird sicher gestellt, daß die Abdeckplatte genau zentrisch zur Drallkammer gehalten und hierdurch ein Ablenken des Sprühstrahles durch mangelnde Zentrierung der Auslaßöffnung in bezug auf die Drallkammer vermieden wird.
  • Das Spritzmedium gelangt mit hohem Druck in die Drallkammer und erfährt dort eine Drallverstärkung. Es strömt dann mit hohem Druck durch den scheibenförmigen Spalt zwischen dem von der Drallkammer umgebenen Düsenkern und der Abdeckplatte und tritt dann mit maximaler Beschleunigung unmittelbar von allen Seiten in die Auslaßöffnung der Abdeckplatte, wo die Zerstäubung erfolgt.
  • Dies gilt jedoch nur für den theoretischen Fall, daß der Zulauf des Spritzmediums von allen Seiten mit der gleichen Intensität, Menge und Geschwindigkeit erfolgt, was bei den geringen Abmessungen im µ-Bereich nicht realisierbar ist. Die Folge sind starke Deformationen der Sprühstrahlform.
  • Um dies zu vermeiden, sieht Anspruch 2 eine weitere Verbesserung der Einspritzdüse dahingehend vor, daß die zentrale Auslaßöffnung der Abdeckplatte einlaufseitig auf einem wesentlichen Teil der Dicke der Abdeckplatte eine Einsenkung aufweist. Die Einsenkung bildet für das zulaufende Spritzmedium, selbst bei den geringen möglichen Abmessungen einen in Abspritzrichtung verlaufenden Beruhigungsraum.
  • Die Abspritzung wird erfindungsgemäß weiterhin dadurch verbessert, daß der auf der Auslaufseite der Abdeckplatte befindliche, sie tragende Bund des Düsengehäuses eine konische Abspritzöffnung bildet, deren Öffnungswinkel größer als 100° ist. Bei der bekannten Einspritzdüse kann es nämlich vorkommen, daß sich an der Grenzschicht des Sprühstrahles ein Sog bildet, der zur Ablagerung eines Spritzmittelfilmes um die und auf der Auslaßöffnung führt. Hierdurch wird ebenfalls der Sprühstrahl beeinflußt, z.B. abgelenkt. Die erfindungsgemäße Ausführung vermeidet dies, wobei der entstehende Sog an der Grenzschicht eine genügende Menge Luft ansaugt und zu einer Selbstreinigung der Einspritzdüse beiträgt.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Einspritzdüse ermöglicht einen sehr weiten Regelbereich mit extrem geringen Abspritzmengen.
  • Nachstehend ist die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig.1
    einen Querschnitt durch einen Teil einer Einspritzdüse und
    Fig.2
    einen Längsschnitt durch einen Teil einer abgewandelten Einspritzdüse.
  • Fig.1 zeigt den unteren Teil einer Einspritzdüse für ein flüssiges Medium, z.B. Kraftstoff mit einem Düsengehäuse 1, das eine zentrische Bohrung 2 aufweist, die an ihrem Auslaßende durch einen Bund 3 im Durchmesser vermindert ist.
  • Über diesem Bund 3 ist ein zylindrischer Düsenkörper 4 angeordnet, in dessen unterer Stirnseite 5 mehrere konzentrische Nuten 6,7 eingearbeitet sind, die durch nicht dargestellte tangentiale Drallkanäle in dem zwischen den Nuten 6 und 7 befindlichen Steg 8 miteinander verbunden sind. In die äußere Nut 6 mündet ein durch den Düsenkörper 4 gehender Zulaufkanal 9 für das Spritzmedium.
  • Der Düsenkörper 4 weist ferner einen zentralen Rückführkanal 10 auf.
  • Die untere Stirnseite 5 des Düsenkörpers 4 weist ferner eine zentrale Einsenkung 11 auf, die zur formschlüssigen Aufnahme eines Teiles der Dicke einer Abdeckplatte 12 dient. Diese bedeckt die oben erwähnten Nuten 6,7 und bildet mit der Stirnfläche 13 des von der Nut 7 eingeschlossenen Düsenkernes 14 einen Scheibenförmigen Spalt 15, dessen Mantelfläche um ein Vielfaches kleiner ist als der Querschnitt einer zentralen Auslaßöffnung 16 in der Abdeckplatte 12. Ferner bildet die Abdeckplatte 12 mit der Nut 6 eine Aufnahmekammer und mit der Nut 7 eine Drallkammer 18 für das Spritzmedium.
  • Die Abdeckplatte 12, deren Dicke einige µ ausmacht, besteht vorteilhaft aus elastischem Werkstoff, z.B. Federstahl und kann sich an die Stirnseite 13 des Düsenkernes 14 so anlegen, daß die Dicke des scheibenförmigen Spaltes 15 in Ruhestellung praktisch gleich Null ist und sich erst bei entsprechendem Spritzdruck um ein geringes Maß vergrößert.
  • Die Einsenkung 11 im Düsenkörper 4 gewährleistet eine einwandfreie zentrische Lage der Abdeckplatte 12 in bezug auf die Drallkammer und vermeidet Ungenauigkeitseinflüsse, die sich aus der Toleranz zwischen Düsengehäuse 1 und Düsenkörper 4 ergeben könnten.
  • Fig.2 zeigt eine abgewandelte und weiter verbesserte Ausführung einer Einspritzdüse nach der Erfindung, wobei die mit Fig. 1 übereinstimmenden Teile die gleichen Bezugszeichen aufweisen und nicht erneut beschrieben sind.
  • Wie die Zeichnung zeigt, ist der Rückführkanal mit Abstand von der Stirnseite 13 des Düsenkernes 14 im Durchmesser größer ausgeführt. An der Übergangsstelle 19 zum größeren Durchmesser mündet ein von der Drallkammer 18 abgehender Injektorkanal 21, dessen Durchmesser viel kleiner ist als derjenige der erweiterten Teiles 20 des Rückführkanals 10. Hierdurch wird eine besonders günstige Rückführung des nicht verwendeten Spritzgutes ermöglicht. Dieser Injektorkanal 21 ist im Hinblick auf die übrigen von der Fig.1 abweichenden Merkmal dieses Ausführungsbeispieles jedoch nicht zwingend erforderlich.
  • Die Auslaßöffnung 16 in der Abdeckplatte 12 weist an ihrer dem Düsenkern 14 zugewandten Seite eine Einsenkung 22 auf, deren Tiefe einen wesentlichen Teil der Dicke der Abdeckplatte 12 ausmacht. Diese Einsenkung bildet für das unter hoher Beschleunigung durch den scheibenförmigen Spalt 15 kommende Spritzgut auch dann einen Beruhigungsraum, wenn das Spritzgut von allen Seiten aus dem Drallraum mit unterschiedlicher Geschwindigkeit oder Menge zuströmt. Hierdurch wird vermieden, daß der Sprühstrahl deformiert oder abgelenkt wird indem das Spritzgut mit gleichförmig über den ganzen Querschnitt der Auslaßöffnung 16 verteiltem Druck austritt.
  • Wie Fig.2 ferner zeigt, weist der Bund 3 des Düsengehäuses 1 eine konische Einsenkung auf, die eine konische Abspritzöffnung 23 bildet, deren Öffnungswinkel β größer als 100° ist.
  • Durch diese Ausbildung wird bewirkt, daß auf der konischen Grenzschicht 24 des Sprühstrahles Luft angesaugt wird, die sich entlang der Wandung der Abspritzöffnung 23 bis zur Auslaßöffnung 16 bewegt und das Anlagern eines störenden Spritzgutfilmes verhindert. Dieser würde den Sprühstrahl ablenken und die Austrittsöffnung verändern. Diese Ausbildung bewirkt somit zugleich eine Selbstreinigung der Einspritzdüse.

Claims (3)

  1. Einspritzdüse für flüssige Medien, insbesondere Kraftstoff, bestehend aus einem Düsenkörper mit einem Einlaßkanal und daran anschließenden, tangential in einen Drallraum gerichteten Drallkanälen sowie einem zentralen, im Düsenkern angeordneten Rückführkanal, wobei der Drallraum im wesentlichen aus einer ringförmigen Nut in der auslaßseitigen Stirnseite des Düsenkörpers und einer hierauf befestigten, mit einer zentralen Auslaßöffnung versehenen Abdeckplatte gebildet ist, die mit dem Düsenkern einen scheibenförmigen Spalt bildet, der die Drallkammer einerseits mit der Auslaßöffnung der Abdeckplatte und andererseits mit dem Rückführkanal verbindet und wobei der Querschnitt der Auslaßöffnung um ein Mehrfaches größer ist, als die Mantelfläche des scheibenförmigen Spaltes, und wobei die Abdeckplatte (12) auf einem Bund (3) des den Düsenkörper (4) einschließenden Düsengehäuses (1) sitzt,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Durchmesser der Abdeckplatte (12) kleiner ist, als der Durchmesser des Düsenkörpers (4),daß der Düsenkörper (4) in seiner ausgangsseitigen Stirnfläche eine zentrische Einsenkung (11) zur formschlüssigen Aufnahme der Abdeckplatte (12) aufweist, und daß die Tiefe der Einsenkung (11) geringer ist, als die Dicke der Abdeckplatte (12).
  2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Auslaßöffnung (16) der Abdeckplatte (12) einlaufseitig auf einem wesentlichen Teil der Dicke der Abdeckplatte (12) eine Einsenkung (22) aufweist.
  3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der Auslaufseite der Abdeckplatte (12) befindliche, sie tragende Bund (3) des Düsengehäuses (1) eine konische Abspritzöffnung (23) bildet, deren Öffnungswinkel (β) größer als 100° ist.
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