WO2015078941A1 - Vorrichtung zum vernebeln oder versprayen von flüssigkeit in einen betriebsraum - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device for atomizing or spraying or injecting liquid into a
- Injector two or more beams are generated, which intersect or collide in the combustion chamber.
- the purpose of this arrangement is that the high
- Combustion chamber collide, whereby a particularly intimate atomization of the fuel and thus comparatively small fuel droplets are realized.
- the object of the invention is in contrast, a device for atomizing or spraying or injecting liquid into an operating room, in particular for injecting
- Exhaust gas quality can be met when burning fuel in a combustion chamber.
- At least one near-field nozzle for generating a near-field liquid spray and that at least one wide-jet nozzle for generating a wide-jet liquid spray are provided, wherein a length of the
- the atomized or atomized liquid esp.
- the fuel in their entirety is advantageously adaptable to different operating rooms or to the combustion chamber.
- an optimization of the liquid distribution and / or the combustion can be realized.
- Liquid or no liquid droplets on the wall can be reflected. This is currently at
- an advantageous adaptation of the spatial extent / distribution of a density and / or a composition and / or a spray parameter of the liquid spray (s) can be provided.
- the droplet size in comparison to the near-field liquid spray in the case of the wide-jet liquid spray, the droplet size,
- the fuel or air-fuel mixture for different locations in the combustion chamber can be varied or adjusted, eg homogeneous distribution, rich and / or lean mixture close to the center, lean-lean-lean gradation in the radial and / or axial direction of the operating room / combustion chamber and / or cylinder.
- the length of the near-field liquid spray is substantially between 10 to 90%, in particular between 30 to 70%, of the length of the wide-jet liquid spray. It has been shown that such lähgenunter Kunststoffe a significant change or adaptability and thus optimization of
- the wide jet nozzle comprises a single jet channel. It has been shown that a relatively long or long jet with a single steel channel in
- Borehole dimensions produces a further / longer beam than e.g. with a corresponding / comparable dimensioned double jet / multiple jet or the like.
- the near-field nozzle is a multi-jet nozzle with at least two, in particular acute angle to each other
- Multi-jet nozzle with two or more jet channels, which are aligned so that the exiting
- Liquid jets meet in a baffle zone, particularly advantageous sprays or liquid mist can be generated, esp. With very small droplets or advantageous droplet size distribution and / or droplet propagation in the operating room.
- Diameter of / the jet channels is, wherein the nozzle body of the multi-jet nozzle comprises at least the two beam channels.
- the stability of the fan jet is very little if ever dependent on an injection pressure and / or a backpressure in the operating room or the combustion chamber. Rather, it has been shown that the aforementioned distance for the beam stability is of great advantage.
- the distance is substantially between 3 times and 5 times the diameter of the jet channel (s).
- the distance is advantageously between 0.5 and 0.7 mm. In this area, a particularly advantageous collision of the liquid jets is generated, wherein the liquid jets are still substantially formed as a uniform beam. Accordingly
- Outlet openings of the jet channels wherein between the outlet openings an offset between the central axes of the jet channels
- Liquid jets is provided in the baffle zone. It has. shown that by an offset of the central axes of the liquid jets, the orientation of the fan level
- the jet channels are the Multi-jet nozzle arranged at an angle to each other and / or is an angle between the two beam channels or liquid jets substantially between 10 ° and 70 °.
- Fan beam shaping is generated by the collision of the two liquid jets and on the other that no adverse reverberation is generated.
- Fluid jets would result in detrimental evaporation in the service room or contact of the fluid with a wall of the service room, i. in this case, especially of the nozzle body. This would be at
- the angle of the jet channels for adjusting the length of the near field liquid spray is provided and / or a first angle of the jet channels of the near field nozzle is greater than a second angle of the jet channels of the wide jet nozzle. So can
- a device or an injector be realized, wherein at least one wide jet nozzle and at least one near field nozzle are each formed as a double jet / Mehrfachstrahldüse.
- at least one wide jet nozzle and at least one near field nozzle are each formed as a double jet / Mehrfachstrahldüse.
- the fan spray or liquid mist becomes narrower and at the same time longer, the smaller the angle between the respective jet channels / liquid jets.
- the angle for setting the length of the wide-beam and / or the near-field Liquid sprays are used or formed, for example, an angle of about 10 ° for a wide beam and an angle of about 50 ° for a near-field beam.
- Liquid sprays / fan beams are provided. Also, by varying or adapting the pressurization of the liquid and / or different diameters of the jet channel (s), different dimensions or lengths of the sprays can be generated, both with respect to the near field nozzle and also with respect to the wide jet nozzle.
- Piston geometry or combustion chamber e.g. an adaptation or training of one or more
- a ratio of a length L of the jet channel (s) with respect to a channel diameter D of the jet channel (s) is greater than 5, in particular substantially between 5 and 10, preferably substantially 7
- Beam stability of the fan beam can be generated. It has It has been shown that it is precisely the L / D ratio which is of significant influence to ensure a stable and reproducible collision in the impact zone or a stable and reproducible one
- a stable and reproducible fan beam is for
- channel diameters are substantially between about 80 and 250 microns, preferably about 120 ym, of
- Outlet cross section is advantageously a (lighter) portion / part of an (outer) envelope surface or lateral surface of the nozzle body.
- Nozzle body to the impact zone or a Kollisionspuhkt the rays remain largely stable, i. especially without
- the substantially stable liquid jets generated with the aforementioned measures advantageously collide with defined collision conditions in the impact zone or at the collision point, so that a defined and very stable fan beam is generated.
- the length L of the jet channel is defined such that the two clear cross-sectional areas or the enveloping surfaces / lateral surfaces of the nozzle body respectively form the beginning and the end of the length of the jet channel.
- the clear surface area of the nozzle body or the corresponding respective area centroid of the inlet and outlet cross-section define the length in the sense of the invention.
- the respective diameter D of Beam channel in the sense of the invention as the diameter of the clear cross-sectional area at the inlet or at the outlet of the
- Liquid defined in / from the nozzle body / jet channel.
- Figure 1 is a schematic plan view from below
- Figure 2 is a schematic side view of the injector according to Figure 1 with a plurality of inventively different lengths trained
- FIG. 3 shows a schematic diagram of the principle with four liquid sprays of different lengths each according to the invention
- Figure 4 is schematic views of pistons of a
- FIG. 1 shows schematically an injector 1 according to the invention, wherein in operation four shorter fan beams 7 and four longer beams 6 can be generated.
- FIG. 1 shows schematically an injector 1 according to the invention, wherein in operation four shorter fan beams 7 and four longer beams 6 can be generated.
- jets 6 are a wide jet spray which is generated by means of a single jet nozzle 11 or so-called “single hole nozzle", ie this nozzle 11 has only a single jet channel, through which a liquid or a force / Fuel flows and after leaving a channel opening it transforms into a spray or mist of countless droplets.
- This spray has a comparatively high flow energy or momentum and can be used in applications in particular
- Combustion engine has a beneficial interaction with the engine
- the shorter fan beams 7 are by means of a
- Double jet nozzle 10 is formed, wherein two jet channels
- Liquid jets formed a fan beam 7, the in the
- an injector 1 can be realized, e.g. two double jet nozzles 10 and six single jet nozzles 11 or six double jet nozzles 10 and a single jet nozzle 11, etc.
- an injector 1 By means of an injector 1 according to the invention can thus different penetration depths or lengths L of the sprays or liquid jets are generated, so that, for example, in the vicinity of the center of an operating room B or a combustion chamber, the desired fuel-air mixture is generated, while the longer jet 6 ensures that the interaction of spray / Piston / air and charge movements in the operating room is carried out in an advantageous manner. It can be realized by means of the invention, inter alia, two different fuel areas or fuel-air mixtures.
- the number of nozzles or sprays can range from a single to numerous nozzles here.
- the liquid or fuel-air mixture is for different locations / areas in the operating room B or
- Adjustable combustion chamber homogeneous, rich mixture
- exit planes in the longitudinal direction of the injector 1 and / or cylinder, e.g. 1st level with double jet nozzles and in the direction of
- Piston 20 offset is the 2nd level for other nozzles, esp. Provided for single jet nozzles,
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zum Vernebeln oder Versprayen oder Einspritzen von Flüssigkeit in einen Betriebsraum, wobei mindestens eine Düse mit wenigstens einem Strahlkanal zur Erzeugung wenigstens eines Flüssigkeitssprays vorgesehen ist, vorgeschlagen, womit die Verteilung der Flüssigkeit im Betriebsraum verbessert wird und insbesondere höhere Anforderungen an die Abgasqualität bei der Verbrennung von Kraftstoff im Brennraum erfüllt werden können. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass wenigstens eine Nahfeld-Düse zur Erzeugung eines Nahfeld-Flüssigkeitssprays (7) und dass wenigstens eine Weitstrahl-Düse zur Erzeugung eines Weitstrahl-Flüssigkeitssprays (6) vorgesehen sind, wobei eine Länge des Nahfeld-Flüssigkeitssprays (7) kleiner als eine Länge des Weitstrahl-Flüssigkeitssprays (6) ist.
Description
"Vorrichtung zum Vernebeln oder Versprayen von Flüssigkeit in einen Betriebsraum"
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vernebeln oder Versprayen oder Einspritzen von Flüssigkeit in einen
Betriebsraum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Es sind beispielsweise Einspritzvorrichtungen in
Verbrennungskraftmaschinen bereits seit langer Zeit bekannt. So wird in der Druckschrift DE 939 670 eine
Einspritzvorrichtung beschrieben, bei der in einer
Einspritzdüse zwei oder mehrere Strahlen erzeugt werden, die sich im Verbrennungsraum kreuzen bzw. zusammenprallen. Der Sinn dieser Anordnung liegt darin, dass die mit hoher
Geschwindigkeit austretenden Brennstoffstrahlen im
Verbrennungsraum aufeinanderprallen, wodurch eine besonders innige Zerstäubung des Brennstoffs und somit vergleichsweise kleine Brennstofftröpfchen realisiert werden.
Aus der DE 10 146 642 AI ist ein Verfahren zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum bekannt, wobei mit zwei oder mehreren Flüssigkeitsstrahlen ein rotierender Nebel erzeugt wird. Rotierende Nebel sind jedoch nicht kontrollierbar und
breiten sich großvolumig im Brennraum aus, so dass sich
Brennstoff an den Wänden niederschlägt. Ein derartiger
Niederschlag, der aufgrund der unkontrollierten Verwirbelung nicht zu verhindern ist, führt jedoch zu einer nachteiligen bzw. ungenügenden Verbrennung. Aufgrund zunehmender
gesetzlicher Vorschriften bezüglich der Abgasqualität ist ein rotierender, nicht kontrollierbarer Flüssigkeitsnebel
zwischenzeitlich bei Verbrennungsmotoren in der Praxis nicht mehr akzeptabel.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vorrichtung zum Vernebeln oder Versprayen oder Einspritzen von Flüssigkeit in einen Betriebsraum, insbesondere zum Einspritzen von
Kraftstoff in einen Brennraum, vorzuschlagen, womit die
Verteilung der Flüssigkeit in einem Betriebsraum verbessert wird und insbesondere höhere Anforderungen an die
Abgasqualität bei der Verbrennung von Kraftstoff in einem Brennraum erfüllt werden können.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den ünteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der
Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße
Vorrichtung dadurch aus, dass wenigstens eine Nahfeld-Düse zur Erzeugung eines Nahfeld-Flüssigkeitssprays und dass wenigstens eine Weitstrahl-Düse zur Erzeugung eines Weitstrahl- Flüssigkeitssprays vorgesehen sind, wobei eine Länge des
Nahfeld-Flüssigkeitssprays kleiner als eine Länge des
Weitstrahl-Flüssigkeitssprays ist .
Mit Hilfe dieser Maßnahme wird erreicht, dass die vernebelte bzw. verdüste Flüssigkeit, insb. der Brenn-/Kraftstoff, in
ihrer Gesamtheit in vorteilhafter Weise an unterschiedliche Betriebsräume bzw. an den Brennraum anpassbar ist. Hiermit kann eine Optimierung der Flüssigkeitsyerteilung und/oder der Verbrennung realisiert werden.
Einerseits kann eine vorteilhafte Anpassung der räumlichen Ausdehnung bzw. der Länge des/der Flüssigkeitssprays in Bezug zum Abstand von der/den Düse/Düsen und/oder des/der
Strahlkanäle und/oder der Austrittsöffnung/Austrittsöffnungen bis zu einer Wand/Oberfläche oder zumindest einem Abschnitt einer Wand/Oberfläche des Betriebsraumes/Brennraumes
vorgesehen werden. Hiermit kann erreicht werden, dass auch bei verschieden Abständen mittels wenigstens einer Weitstrahl-Düse und wenigstens einer Nahfeld-Düse kein Niederschlag der
Flüssigkeit bzw. keine Flüssigkeitströpfchen an der Wand sich niederschlagen können. Hiermit wird gerade bei
Verbrennungsmotoren oder dergleichen gewährleistet, dass keine nachteilige Vernebelung bzw. Verbrennung und somit
unerwünschte Abgase entstehen.
Alternativ oder in Kombination hierzu kann anderseits eine vorteilhafte Anpassung der räumlichen Ausdehnung/Verteilung einer Dichte und/oder einer Zusammensetzung und/oder eines Sprayparameters des/der Flüssigkeitssprays vorgesehen werden. Beispielsweise kann im Vergleich zum Nahfeld-Flüssigkeitsspray beim Weitstrahl-Flüssigkeitsspray die Tröpfchengröße,
Tröpfchendichte, Form der Sprayquerschnittsfläche oder
dergleichen unterschiedlich ausgebildet werden. So kann in vorteilhafter Weise u.a. in einem Brennraum eines
Verbrennungsmotors das Kraft- bzw. Brennstoff-Luftgemisch für unterschiedliche Orte im Brennraum variiert bzw. eingestellt werden, z.B. homogene Verteilung, fettes und/oder mageres Gemisch zentrumsnah, mager-fett-mager Abstufung in radialer und/oder axialer Richtung des Betriebsraumes/Brennraumes und/oder Zylinders.
Vorzugsweise ist die Länge des Nahfeld-Flüssigkeitssprays im Wesentlichen zwischen 10 bis 90%, insbesondere zwischen 30 bis 70%, der Länge des Weitstrahl-Flüssigkeitssprays. Es hat sich gezeigt, dass derartige Lähgenunterschiede eine signifikante Veränderung bzw. Anpassbarkeit und somit Optimierung der
Verteilung bzw. Vernebelung der Flüssigkeit im Betriebsraum ermöglichen. Dies kann zu messbaren Verbesserungen, die außerhalb der üblichen Betriebsschwankungen liegen, bei der Verbrennung von Kraft-/Brennstoff in einem Brennraum eines Verbrennungsmotors führen, insb. bei Fahrzeuganwendungen.
Vorteilhafterweise umfasst die Weitstrahl-Düse einen einzigen Strahlkanal. Es hat sich gezeigt, dass ein relativ weiter bzw. langer Düsenstrahl mit einem einzigen Stahlkanal in
vorteilhafter Weise realisiert werden kann. So wird mit einem einzigen Strahlkanal, durch den die Flüssigkeit bzw. der
Kraft-/Brennstoff strömt und in den Betriebsraum bzw. Hubraum hineinströmt und verdüst wird, bei gegebenen/vergleichbaren Druckbedingungen und gegebenen/vergleichbaren Kanal-/
Bohrlochdimensionen ein weiterer/längerer Strahl erzeugt als z.B. mit einer entsprechenden/vergleichbar dimensionierten Doppelstrahl-/Mehrfachstrahldüse oder dergleichen.
So wird vor allem mittels einer Weitstrahl-Düse mit einem einzigen Stahlkanal ein vergleichsweise großer
fluiddynamischer Impuls bzw. relativ große
Strömungsgeschwindigkeit/-unterschiede im Betriebsraum
realisiert und/oder eine besonders vorteilhafte Interaktion von z.B. Spray, Kolben bzw. Betriebsraum, Luft- und
Ladungsbewegungen generiert. Hiermit können bei
Verbrennungsmotoranwendungen in vorteilhafter Weise mindestens zwei unterschiedliche Kraftstoffbereiche realisiert werden, wie z.B. mager/fett, homogen/inhomogen, etc..
Bevorzugt ist die Nahfeld-Düse als Mehrfachstrahldüse mit wenigstens zwei, insbesondere spitzwinklig zueinander
ausgerichteten Strahlkanälen zur Erzeugung wenigstens zweier, in einer Prallzone wenigstens teilweise aufeinander prallender Flüssigkeitsstrahlen ausgebildet. Mittels einer
Mehrfachstrahldüse mit zwei oder mehreren Strahlkanälen, die derart ausgerichtet sind, dass die austretenden
Flüssigkeitsstrahlen sich in einer Prallzone treffen, können besonders vorteilhafte Sprays bzw. Flüssigkeitsnebel generiert werden, insb. mit sehr kleinen Tröpfchen bzw. vorteilhafter Tröpfchengrößenverteilung und/oder Tröpfchenausbreitung im Betriebsraum.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist die
Mehrfachstrahldüse zur Erzeugung eines Fächerstrahls
ausgebildet, dessen Ausdehnung in einer Fächerebene deutlich größer oder wenigstens doppelt so groß ist als in Querrichtung zu dieser Fächerebene. Das heißt, dass ein sehr flacher, jedoch breit streuender Fächerstrahl erzeugt wird. Durch die flache Fächerstrahlerzeugung kann eine räumliche Anpassung an den Betriebsraum bzw. Brennraum erfolgen. Hiermit kann u.a. eine vorteilhaft definierte und kontrollierte Verteilung und/oder Verbrennung im Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, was für die
Verbrennung und somit für die Abgaszusammensetzung von
wesentlicher Bedeutung ist.
Vorteilhafterweise ist ein Abstand des Düsenkörpers von der Prallzone und/oder von einem Kollisionspunkt der wenigstens teilweise aufeinander prallenden Flüssigkeitsstrahlen im
Wesentlichen zwischen 0 mm und dem 15-Fachen eines
Durchmessers des/der Strahlkanäle ist, wobei der Düsenkörper der Mehrfachstrahldüse wenigstens die beiden Strahlkanäle umfasst. Bei Verbrennungsmotoranwendungen insbesondere für Motorräder, PKW, LKW oder dergleichen ist der Abstand
vorzugsweise etwa zwischen 0 und 0,9 Millimetern.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Stabilität des Fächerstrahls nur sehr wenig, wenn überhaupt von einem Einspritzdruck und/oder einem Gegendruck im Betriebsraum bzw. der Brennkammer abhängig ist. Vielmehr hat sich gezeigt, dass der zuvor genannte Abstand für die Strahlstabilität von großem Vorteil ist.
Vorzugsweise ist der Abstand im Wesentlichen zwischen dem 3- Fachen und dem 5-Fachen des Durchmessers des/der Strahlkanäle. Bei Verbrennungsmotoranwendungen insbesondere für Motorräder, PKW, LKW oder dergleichen ist der Abstand in vorteilhafter Weise zwischen 0,5 und 0,7 mm. In diesem Bereich wird eine besonders vorteilhafte Kollision der Flüssigkeitsstrahlen generiert, wobei die Flüssigkeitsstrahlen im Wesentlichen noch als einheitlicher Strahl ausgebildet. Dementsprechend
kontrolliert findet der Zusammenprall der beiden
Flüssigkeitsstrahlen statt, sodass eine hohe Stabilität und/oder eine definierte Länge/Weite des erzeugten
Fächerstrahls realisiert wird. Entsprechend kann ein
Kontaktieren des Sprays bzw. der Tröpfchen mit der Wand des Betriebsraumes wirkungsvoll verhindert werden.
Vorteilhafterweise weist die Mehrfachstrahldüse
Austrittsöffnungen der Strahlkanäle auf, wobei zwischen den Austrittsöffnungen ein Versatz zwischen Mittelachsen der
Flüssigkeitsstrahlen in der Prallzone vorgesehen ist. Es hat. sich gezeigt, dass durch einen Versatz der Mittelachsen der Flüssigkeitsstrahlen die Orientierung der Fächerebene
eingestellt bzw. planmäßig gedreht werden kann. Hiermit kann u.a. eine räumliche Anpassung an etwas komplexer ausgebildete Brennräume mit Auswölbungen oder Aussparungen etc. vorgenommen werden. Beispielsweise können bei Verbrennungsmotoranwendungen eine Aussparung im Bereich von Ein- und/oder Auslassventilen oder dergleichen realisiert werden.
Vorteilhafterweise sind die Strahlkanäle der
Mehrfachstrahldüse in einem Winkel zueinander angeordnet und/oder ist ein Winkel zwischen den beiden Strahlkanälen bzw. Flüssigkeitsstrahlen im Wesentlichen zwischen 10° und 70°.
Innerhalb dieses Winkelbereichs hat sich gezeigt, dass zum einen eine besonders vorteilhafte Zerstäubung und
Fächerstrahlausformung durch den Zusammenprall der beiden Flüssigkeitsstrahlen generiert wird und zum anderen, dass keine nachteilige Rückstrahlung generiert wird. Eine
entsprechende Rückstrahlung der aufeinander prallenden
Flüssigkeitsstrahlen würde zu einer nachteiligen Verdampfung im Betriebsraum bzw. zu einem Kontakt der Flüssigkeit mit einer Wand des Betriebsraumes führen, d.h. in diesem Fall vor allem des Düsenkörpers. Dies wäre gerade bei
Kraftstoffanwendungen in Verbrennungsmotoren von erheblichem Nachteil .
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist der Winkel der Strahlkanäle zur Einstellung der Länge des Nahfeld- Flüssigkeitssprays vorgesehen und/oder ist ein erster Winkel der Strahlkanäle der Nahfeld-Düse größer ist als ein zweiter Winkel der Strahlkanäle der Weitstrahl-Düse. So kann
beispielsweise eine Vorrichtung oder ein Injektor realisiert werden, wobei wenigstens eine Weitstrahl-Düse und wenigstens eine Nahfeld-Düse jeweils als Doppelstrahl-/Mehrfachstrahldüse ausgebildet sind. Hierbei sind die Winkel zwischen den
jeweiligen Strahlkanälen/Flüssigkeitsstrahlen unterschiedlich groß. So wird der Fächerspray bzw. Flüssigkeitsnebel breiter und zugleich kürzer, je größer der Winkel zwischen den
jeweiligen Strahlkanälen/Flüssigkeitsstrahlen ist.
Entsprechend wird der Fächerspray bzw. Flüssigkeitsnebel schmäler und zugleich länger, je kleiner der Winkel zwischen den jeweiligen Strahlkanälen/Flüssigkeitsstrahlen ist.
Dementsprechend kann in vorteilhafter Weise der Winkel zur Einstellung der Länge des Weitstrahl- und/oder des Nahfeld-
Flüssigkeitssprays verwendet bzw. ausgebildet werden, z.B. ein Winkel von ca. 10° für einen Weitstrahl und ein Winkel von ca. 50° für einen Nahfeld-Strahl.
Vorzugsweise sind mehrere Nahfeld-Düsen und/oder mehrere
Weitstrahl-Düsen und/oder Mehrfachstrahldüsen wenigstens über eine in radialer Richtung ausgerichtete ümfangsflache eines Düsenkörpers verteilt angeordnet. Mit dieser Maßnahme kann eine rundum Abstrahlung bzw. im Wesentlichen vollumfängliche Verteilung der Flüssigkeitssprays verwirklicht werden, so dass der Betriebsraum bzw. Brennraum in vorteilhafter Weise
ausgefüllt bzw. erfasst wird.
Generell können unterschiedliche Eindringbereiche von
unterschiedlichen und/oder jeder einzelnen Düse bzw.
Flüssigkeitssprays/Fächerstrahlen vorgesehen werden. Auch kann durch Veränderung bzw. Anpassung des Druckbeaufschlagens der Flüssigkeit und/oder unterschiedliche Durchmesser des/der Strahlkanäle unterschiedliche Dimensionierungen bzw. Längen der Sprays generiert werden, sowohl bzgl. der Nahfeld-Düse, aber auch bzgl. der Weitstrahl-Düse.
Grundsätzlich kann/sollte gerade bei Anwendungen in
Verbrennungsmotoren oder dergleichen eine Anpassung der
Kolbengeometrie bzw. des Brennraums vorgesehen werden, z.B. eine Anpassung oder Ausbildung einer oder mehrerer
Kolbenmulden und/oder sog. Mehrfachmulden insb. auf jedem Eindringtiefendurchmesser. Hiermit kann eine vorteilhafte Interaktion mit den Flüssigkeitssprays bzw. Fächerstrahlen verwirklicht werden.
Vorteilhafterweise ist ein Verhältnis von einer Länge L des/der Strahlkanäle in Bezug zu einem Kanaldurchmesser D des/der Strahlkanäle größer als 5, insb. im Wesentlichen zwischen 5 und 10, vorzugsweise im Wesentlichen 7 ist
(V = L/D) . Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch ein derartiges L/D-Verhältnis eine besonders hohe
Strahlstabilität des Fächerstrahles generierbar ist. Es hat
sich gezeigt, dass gerade das L/D-Verhältnis von bedeutendem Einfluss ist, um eine stabile und reproduzierbare Kollision in der Prallzone bzw. eine stabile und reproduzierbare
Fäc.herstrahlausformung zu generieren.
Ein stabiler und reproduzierbarer Fächerstrahl ist für
zahlreiche Anwendungsfälle, insbesondere beim Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum eines Verbrennungsmotors oder dergleichen, von entscheidender Bedeutung ist. So konnte ermittelt werden, dass beispielsweise die Temperatur des
Kraftstoffs oder ein nahezu exakt eingestellter Druck der Flüssigkeit bzw. des Kraftstoffs oder der Gegendruck im
Betriebsraum etc. überraschenderweise für die Stabilität und Reproduzierbarkeit des Fächerstrahls in der Praxis von
untergeordneter Bedeutung sind.
Beispielsweise sind Kanaldurchmesser im Wesentlichen zwischen ca. 80 und 250 Mikrometer, vorzugsweise ca. 120 ym, von
Vorteil, insbesondere für Motorräder, PKW, LKW oder
dergleichen. Darüber hinaus sind zum Beispiel bei
Schiffdieselmotoren oder dergleichen Kanaldurchmesser von bis etwa 2 Millimetern denkbar.
Bei Dieselmotoren wird bislang in der Praxis Dieselkraftstoff mittels einer Einzeldüse bei einem Druck von ca. 2000 bar in den Brennraum eingespritzt. Gemäß der Erfindung ist aber auch ein geringerer Druck möglich. Hierdurch wird im Vergleich zum zuvor genannten Stand der Technik bei Dieseleinspritzungen ein erheblich geringerer Druck benötigt. Dies wirkt sich
vorteilhaft einerseits auf die konstruktive Dimensionierung der benötigten Komponenten aus, vor allem auch auf den Aufwand bzgl. Dichtungsmaßnahmen oder Dichtungselemente. Andererseits kann hierdurch eine erhebliche Energieeinsparung, nämlich durch die geringere Druckbeaufschlagung, realisiert werden.
Vorteilhafterweise weist wenigstens einer der Strahlkanäle oder alle Strahlkanäle einen positiven Konizitätsfaktor K auf, wobei der Konizitätsfaktor K = (Diimen - Daußen) * 100/L und/oder im Wesentlichen zwischen 1,0 und 3,0 ist, wobei in
Strömungsrichtung der Flüssigkeit betrachtet Dinneii ein Eintritts- oder Innen-Durchmesser und DaUßen ein Austritts- oder Außen-Durchmesser des/der Strahlkanäle und wobei L die Länge des/der Strahlkanäle ist. Alternativ oder in Kombination hierzu ist eine Eintrittsquerschnittsfläche des/der
Strahlkanäle größer als eine Austrittsquerschnittsfläche des/der Strahlkanäle, wobei der Eintrittsquerschnitt des/der Strahlkanäle in Strömungsrichtung der Flüssigkeit betrachtet vor dem Austrittsquerschnitt angeordnet ist. Der
Austrittsquerschnitt ist in vorteilhafter Weise ein (lichter) Abschnitt/Teil einer (äußeren) Hüllfläche bzw. Mantelfläche des Düsenkörpers.
Mit .Hilfe dieser Maßnahmen wird ein Strahlkanal in
vorteilhafter Weise derart dimensioniert, dass dieser sich in Strömungsrichtung verjüngt bzw. konisch konvergent ausgebildet ist. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass hiermit eine sehr gute Strahlstabilität erzeugt wird. So werden
Strahlen generiert, die nach dem/vom Austritt aus dem
Düsenkörper bis zur Prallzone bzw. einem Kollisionspuhkt der Strahlen weitestgehend stabil bleiben, d.h. insb. ohne
aufzubrechen bzw. ohne dass vereinzelt/teilweise einzelne Tröpfchen oder dergleichen sich abtrennen/ablösen.
Die mit vorgenannten Maßnahmen generierten, im Wesentlichen stabilen Flüssigkeitsstrahlen kollidieren in vorteilhafter Weise mit definierten Kollisionsbedingungen in der Prallzone bzw. im Kollisionspunkt, sodass ein definierter und sehr stabiler Fächerstrahl generiert wird.
Im Sinn der Erfindung ist die Länge L des Strahlkanals derart definiert, dass die beiden lichten Querschnittsflächen bzw. die Hüllflächen/Mantelflächen des Düsenkörpers jeweils den Anfang und das Ende der Länge des Strahlkanals bilden. Das bedeutet, dass die lichte Mantelfläche des Düsenkörpers bzw. der entsprechende jeweilige Flächenschwerpunkt des Eintrittsund des Austrittsquerschnitts die Länge im Sinn der Erfindung definieren. Entsprechend wird der jeweilige Durchmesser D des
Strahlkanals im Sinn der Erfindung als Durchmesser der lichten Querschnittsfläche am Eintritt bzw. am Austritt der
Flüssigkeit in/aus dem Düsenkörper/Strahlkanal definiert.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
Im Einzelnen zeigt:
Figur 1 eine schematische Draufsicht von unten auf
einen Injektor mit mehreren erfindungsgemäß unterschiedlich lang ausgebildeten
Flüssigkeitssprays,
Figur 2 eine schematische Seitenansicht des Injektors gemäß Figur 1 mit mehreren erfindungsgemäß unterschiedlich lang ausgebildeten
Flüssigkeitssprays und einer vergrößerten, schematischen Darstellung,
Figur 3 eine schematische Prinzip-Darstellung mit vier, jeweils erfindungsgemäß unterschiedlich lang ausgebildeten Flüssigkeitssprays und
Figur 4 schematische Ansichten von Kolben eines
Verbrennungsmotors mit verschiedenen Mulden für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
In Figur 1 ist schematisch ein Injektor 1 gemäß der Erfindung dargestellt, wobei im Betrieb vier kürzere Fächerstrahlen 7 und vier längere Strahlen 6 generierbar sind. Figur 1
veranschaulicht, dass hiermit nicht wie ggf. beim Stand der Technik eine nahezu kreisrunde Querschnittskontur erfüllt wird, sondern es besteht die Möglichkeit eine im Wesentlichen quadratische Querschnittskontur auszufüllen.
Bei den längeren Strahlen 6 handelt es sich um einen Weitstrahlspray, der mittels einer Einzelstrahldüse 11 bzw. sog. „Single Hole Düse" generiert wird. D.h. diese Düse 11 weist lediglich einen einzigen Strahlkanal auf, durch den eine Flüssigkeit bzw. ein Kraft-/Brennstoff strömt und nach dem Austritt an einer Kanalöffnung sich zu einem Spray bzw. Nebel aus zahllosen Tröpfchen wandelt bzw. „zerfällt".
Dieser Spray hat eine vergleichsweise hohe Strömungsenergie bzw. Impuls und kann gerade bei Anwendungen in einem
Verbrennungsmotor eine vorteilhafte Interaktion mit der
Verbrennungsluft im Zylinder und/oder dem beweglichen Kolben generieren.
Die kürzeren Fächerstrahlen 7 werden mittels einer
Doppelstrahldüse 10 gebildet, wobei zwei Strahlkanäle
spitzwinklig zueinander angeordnet sind, so dass die durch diese strömende Flüssigkeit bzw. der Brenn-/Kraftstoff nach dem Durchtritt durch entsprechende Kanalöffnungen in einem Abstand zur Düsenwand aufeinanderprallen und zerstäuben.
Hierdurch werden besonders kleine Tröpfchen generiert, was sich vorteilhaft z.B. auf eine Verbrennung bei Kraft-/
Brennstoffanwendungen auswirkt.
Zudem werden durch die beiden aufeinanderprallenden
Flüssigkeitsstrahlen ein Fächerstrahl 7 gebildet, der im
Allgemeinen keinen nahezu kreisrunden Querschnitt, sondern einen elliptischen Querschnitt bzw. einen Querschnitt
aufweist, der in einer Ebene breiter als in einer senkrecht hierzu angeordneten Ebene ist (vgl. insb. Figur 2).
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Variante ist lediglich ein vorteilhaftes Beispiel. So kann auch ein Injektor 1 realisiert werden, der z.B. zwei Doppelstrahldüsen 10 und sechs Einzelstrahldüsen 11 oder sechs Doppelstrahldüsen 10 und eine einzige Einzelstrahldüse 11, etc. aufweist.
Mittels eines erfindungsgemäßen Injektors 1 können somit
unterschiedliche Eindringtiefen bzw. Längen L der Sprays bzw. Flüssigkeitsstrahlen generiert werden, so dass beispielsweise im zentrumsnahen Bereich eines Betriebsraumes B bzw. einer Brennkammer das gewünschte Kraftstoff-Luft-Gemisch generiert wird, während der längere Weitstrahl 6 dafür sorgt, dass die Interaktion von Spray/Kolben/Luft- und Ladungsbewegungen im Betriebsraum in vorteilhafter Weise erfolgt. Es können mittels der Erfindung u.a. zwei unterschiedliche Kraftstoffbereiche bzw. Kraftstoff-Luft-Gemische realisiert werden.
Generell ist von Vorteil, dass mittels der unterschiedlich langen Flüssigkeitsstrahlen 6, 7 eine Anpassung an die
räumliche, dreidimensionale Ausdehnung des Betriebsraumes B verwirklicht werden kann. Dies wird u.a. in Figur 3
schematisch veranschaulicht. Hier sind beispielhaft vier unterschiedliche Flüssigkeitsstrahlen 6, 7 sowie drei
verschiedene Radien bzw. Eindringtiefen I, II, III abgebildet. Beispielsweise ist die Eindringtiefe I für das
Brennraumzentrum bzw. den injektornahen Bereich, Eindringtiefe II für den Zwischenbereich zwischen Zentrum und Wandung und Eindringtiefe III für den Randbereich (bis kurz vor) der Wand des Betriebsraumes/Brennraumes vorgesehen.
So sind hierin schematisch zwei Fächersprays 7 sowie zwei dünnere, längere Sprays 6 aufgeführt, die jeweils
unterschiedliche Längen L aufweisen. Die Anzahl der Düsen bzw. Sprays kann hier von einer einzigen bis zu zahlreichen Düsen reichen.
Bei unterschiedlich langen und ggf. breiten Sprays 6,7 ist eine Anpassung des Kolbens von Brennkraftmaschinen von
Vorteil. So können beispielsweise wie in Figur 4 schematisch dargestellte Kolben 20 mit Mulden 21, 22 bzw. mit sog.
Mehrfachmulden vorgesehen werden. Hierbei können verschiedene, beispielhaft dargestellte Kolbengeometrien X, XI, XII
realisiert werden. Hiermit können die verschieden lang
ausgebildeten Sprays 6, 7, d.h. mit unterschiedlichen
Eindringtiefen I, II, III, in vorteilhafter Weise mit den Mulden 21, 22 interagieren .
Grundsätzlich können mit Hilfe der Erfindung zahlreiche
Vorteile erreicht werden, wie z.B.
- die Kombination unterschiedlicher Eindringtiefen I, II, III,
- das Flüssigkeits- bzw. Brennstoff-Luft-Gemisch ist für unterschiedliche Orte/Bereiche im Betriebsraum B bzw.
Brennraum einstellbar => homogen, fettes Gemisch
zentrumsnah, mageres Gemisch zentrumsnah, mager-fettmager Abstufung, etc.,
- sowohl mit unterschiedlichen Düsenarten (Einzelstrahl-/ Doppelstrahl-Düsen) aber auch mit unterschiedlich
ausgebildeten Doppelstrahldüsen ist eine Abstufung der Eindringtiefen I, II, III realisierbar, wobei z.B. die Winkel zwischen den Strahlkanälen z.B. ca. 10° = weit und ca. 50° = nah ausgebildet werden,
- es können Austrittsebenen (Höhen) in Längsrichtung des Injektors 1 und/oder Zylinders realisiert werden, z.B. 1. Ebene mit Doppelstrahldüsen und in Richtung der
Längsachse des Injektors 1 und/oder Zylinders bzw.
Kolbens 20 versetzt ist die 2. Ebene für weitere Düsen, insb. für Einzelstrahldüsen vorgesehen,
- vorteilhafte Interaktion bzw. weiteres Aufbrechen der
Strahlen 6, 7 durch Geschwindigkeitsunterschiede der verschiedenen Strahlen/Fächer untereinander wird nutzbar sowie
- Anwendung u.a. für Dieselmotoren und Benzinmotoren oder weitere Brennstoffe, insb. mit Ausrichtung von im
Wesentlichen radial und/oder axial.
Bezugszeichenliste
1 Injektor
2 Strahlkanal
3 Strahlkanal
4 Öffnung
5 Öffnung
6 Spray
7 Spray
10 Düse
11 Düse
20 Kolben
21 Mulde
22 Mulde
I Eindringtiefe
II Eindringtiefe
III Eindringtiefe
X Geometrie
XI Geometrie
XII Geometrie
B Betriebsraum L Länge
P Ebene
Claims
1. Vorrichtung zum Vernebeln oder Versprayen oder Einspritzen von Flüssigkeit in einen Betriebsraum (B) , wobei mindestens eine Düse (10, 11) mit wenigstens einem Strahlkanal (2, 3) zur Erzeugung wenigstens eines Flüssigkeitssprays (6, 7)
vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Nahfeld-Düse (10) zur Erzeugung eines Nahfeld- Flüssigkeitssprays (7) und dass wenigstens eine Weitstrahl- Düse (11) zur Erzeugung eines Weitstrahl-Flüssigkeitssprays
(6) vorgesehen sind, wobei eine Länge (L) des Nahfeld- Flüssigkeitssprays (7) kleiner als eine Länge (L) des
Weitstrahl-Flüssigkeitssprays (6) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Nahfeld-Flüssigkeitssprays (7) im Wesentlichen zwischen 10 bis 90%, insbesondere zwischen 30 bis 70%, der Länge des Weitstrahl-Flüssigkeitssprays (6) ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weitstrahl-Düse (11) einen einzigen Strahlkanal (2) umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahfeld-Düse (10) als
Mehrfachstrahldüse (10) mit wenigstens zwei Strahlkanälen (2,
3) zur Erzeugung wenigstens zweier, in einer Prallzone
wenigstens teilweise aufeinander prallender
Flüssigkeitsstrahlen ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachstrahldüse (10) zur Erzeugung eines Fächerstrahls (7) ausgebildet ist, dessen Ausdehnung in einer Fächerebene (P) deutlich größer oder wenigstens doppelt so groß ist als in Querrichtung zu dieser Fächerebene (P) .
6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrfachstrahldüse (10)
Austrittsöffnungen (4, 5) der Strahlkanäle (2, 3) aufweist, wobei zwischen den Austrittsöffnungen (4, 5) ein Versatz vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlkanäle (2, 3) der
Mehrfachstrahldüse (10) in einem. Winkel zueinander angeordnet sind, wobei der Winkel zwischen 10° und 70° ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel der Strahlkanäle (2, 3) zur Einstellung der Länge (L) des Nahfeld-Flüssigkeitssprays (7) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nahfeld-Düsen (10) und/oder mehrere Weitstrahl-Düsen (11) bzw. Mehrfachstrahldüsen
wenigstens über eine in radialer Richtung ausgerichtete
Umfangsfläche eines Düsenkörpers (16) verteilt angeordnet sind.
10. Injektor (1) mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum (B) oder Verbrennungsmotor mit einer Vorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in einen
Brennraum (B) , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten- Ansprüche vorgesehen ist .
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