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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Zerstäuberdüse nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus
der
DE 198 47 625
A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, bei
dem am stromabwärtigen
Ende eine schlitzförmige
Austrittsöffnung vorgesehen
ist. Die Austrittsöffnung
ist entweder in einer Lochscheibe oder unmittelbar im Düsenkörper selbst
ausgebildet. Die schlitzförmigen
Austrittsöffnungen
sind stets zentral an der Ventillängsachse eingebracht, so dass
die Abspritzung des Brennstoffs achsparallel aus dem Brennstoffeinspritzventil
heraus erfolgt. Stromaufwärts
des Ventilsitzes ist eine Drallnut vorgesehen, die den zum Ventilsitz
strömenden
Brennstoff in eine kreisförmige
Drehbewegung versetzt. Die flache Austrittsöffnung sorgt dafür, dass der
Brennstoff fächerartig
abgespritzt wird.
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Bekannt
ist zudem noch ein Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen
von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine aus der
US 6,019,296 A ,
bei dem am stromabwärtigen Ende
eine schlitzförmige
Austrittsöffnung
vorgesehen ist, aus der Brennstoff unter einem Winkel zur Ventillängsachse
austreten kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Zerstäuberdüse mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass
auf einfache Art und Weise eine gleichmäßige Feinstzerstäubung eines Fluids,
insbesondere eines Brennstoffs erreicht wird, wobei eine besonders
hohe Aufbereitungsqualität und
Zerstäubungsgüte mit sehr
kleinen Fluidtröpfchen
erzielt wird, und in beliebige Raumrichtungen Fluidsprays in Fächerstrahlform
mit Mehrfachlamellen abgespritzt werden können. Dies wird in vorteilhafter
Weise dadurch erreicht, dass in dem Zerstäubervorsatz mehrere radial
gerichtete, kanalartige Bereiche vorgesehen sind, entlang denen
eine Strömung
jeweils einen Halbfreistrahl bildet, welcher einseitig geführt wird
und gegenüberliegend
dazu eine freie Oberfläche
zur Gasphase hat.
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In
vorteilhafter Weise wird dem abzuspritzenden Fluid noch am Zerstäubervorsatz
möglichst
viel Energie übertragen,
bevor es außerhalb
der Zerstäuberdüse in Tröpfchen zerfällt. Mit
einer großen
Oberfläche,
die erfindungsgemäß durch
eine Vielzahl von Zerstäubergeometrien
erzeugt wird, können
die austretenden Strahlen in entsprechend viele kleine Tröpfchen zerfallen,
da eine große
Strahloberfläche Voraussetzung
dafür ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch
angegebenen Zerstäuberdüse möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, die Zerstäubergeometrien
unter Ausnutzung des maximal möglichen
Zerstäubervorsatzdurchmessers
möglichst gleichmäßig und
großflächig zu
verteilen. Durch diese Aufteilung ist pro einzelner Strömungsgeometrie die
zu zerstäubende
Durchflussmenge entsprechend klein. Je kleiner die zu zerstäubende Durchflussmenge
ist, desto besser ist die Zerstäubung.
In diesem Fall ist die einzelne Fluidlamelle wegen der geringen Durchflussmenge
extrem dünn,
hat also eine größtmögliche freie
Strahloberfläche
im Verhältnis
zu der zu zerstäubenden
Menge. Entsprechend zerfällt
jede Lamelle in feinste Tröpfchen.
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Mittels
galvanischer Metallabscheidung lassen sich in vorteilhafter Weise
Zerstäubervorsätze in reproduzierbarer
Weise äußerst präzise und
kostengünstig
in sehr großen
Stückzahlen
gleichzeitig herstellen. Außerdem
erlaubt diese Herstellungsweise eine extrem große Gestaltungsfreiheit, da
die Konturen der Öffnungen
in dem Zerstäubervorsatz
frei wählbar
sind.
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In
idealer Weise ist der Zerstäubervorsatz
als zweischichtige Zerstäuberscheibe
ausgeführt.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein
teilweise dargestelltes Ventil in der Form eines Brennstoffeinspritzventils
mit einem Ausführungsbeispiel
eines Zerstäubervorsatzes, 2 den
Zerstäubervorsatz
als Zerstäuberscheibe
in einer Draufsicht, 3 eine Schnittdarstellung eines Schnittes
entlang der Linie III-III in 2, 4 eine Schnittdarstellung
eines Schnittes entlang der Linie IV-IV in 2, der dem
in 1 bereits gezeigten Schnitt durch die Zerstäuberscheibe
entspricht, 5 den Ausschnitt V in 3 in
einer vergrößerten Darstellung
und 6 den Ausschnitt VI in 3 in einer
vergrößerten Darstellung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
der 1 ist als ein Ausführungsbeispiel für eine Zerstäuberdüse ein Ventil 100 in
der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen von
gemischverdichtenden fremdgezündeten
Brennkraftmaschinen teilweise dargestellt. Das Ventil 100 hat
einen nur schematisch angedeuteten, einen Teil eines. Ventilgehäuses bildenden,
rohrförmigen
Ventilsitzträger 1,
in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet
ist. In der Längsöffnung 3 ist
eine z. B. rohrförmige
Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit
einem z. B. kugelförmigen
Ventilschließkörper 7,
an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 zum
Vorbeiströmen
des Brennstoffs vorgesehen sind, fest verbunden ist.
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Die
Betätigung
des Ventils 100 erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise
elektromagnetisch. Eine Betätigung
des Ventils 100 mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven
Aktor ist jedoch ebenso denkbar. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und
damit zum Öffnen
entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder
bzw. Schließen
des Ventils 100 dient ein schematisch angedeuteter elektromagnetischer
Kreis mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und
einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten
Ende der Ventilnadel 5 durch z.B. eine mittels eines Lasers
ausgebildete Schweißnaht
verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.
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In
dem stromabwärts
liegenden Ende des Ventilsitzträgers 1 ist
ein Ventilsitzkörper 16 z.B. durch
Schweißen
dicht montiert. An seiner dem Ventilschließkörper 7 abgewandten,
unteren Stirnseite 17 ist der Ventilsitzkörper 16 mit
einem Zerstäubervorsatz 23,
hier einer flachen, zweilagigen Zerstäuberscheibe 24 fest
verbunden. Der Zerstäubervorsatz 23 weist
eine innere Zuströmöffnung 19 auf,
an die sich in Strömungsrichtung
nachfolgend eine erfindungsgemäße Struktur
mit mehreren Zerstäubergeometrien 25 anschließt, durch
die dünnste
Fluidlamellen, bei Brennstoffeinspritzventilen z.B. Brennstofflamellen
aufweisende Brennstoffsprays mit sehr kleinen Tröpfchen abspritzbar sind. Anhand
der 2 bis 6 wird der Aufbau des Zerstäubervorsatzes 23 näher beschrieben.
Die Zuströmöffnung 19 im Zerstäubervorsatz 23 ist
so groß gewählt, dass
der aus einer Austrittsöffnung 27 im
Ventilsitzkörper 16 kommende
Brennstoff in die Zuströmöffnung 19 ungehindert
eintreten kann. Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Zerstäubervorsatz 23 erfolgt
beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, mittels eines Lasers
ausgebildete Schweißnaht 26,
die z.B. am äußeren Umfang
von Ventilsitzkörper 16 und Zerstäubervorsatz 23 vorgesehen
ist.
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Die
Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 16 mit
dem Zerstäubervorsatz 23 in
der Längsöffnung 3 bestimmt
die Größe des Hubs
der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung der Ventilnadel 5 bei
nicht erregter Magnetspule 10 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an
einer sich stromabwärts
konisch verjüngenden
Ventilsitzfläche 29 des
Ventilsitzkörpers 16 festgelegt
ist. Die andere Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei
erregter Magnetspule 10 beispielsweise durch die Anlage
des Ankers 11 an dem Kern 12 festgelegt. Der Weg
zwischen diesen beiden Endstellungen der Ventilnadel 5 stellt
somit den Hub dar.
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Anhand
der 2 bis 6 werden im Folgenden der Aufbau
des Zerstäubervorsatzes 23 und die
Geometrien der abspritzbaren Fluidlamellen, insbesondere Brennstoffsprays
erläutert.
Der Zerstäubervorsatz 23 ist
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als zweischichtig aufgebaute Zerstäuberscheibe 24 ausgeführt. Insbesondere
ist die Zerstäuberscheibe 24 mittels
galvanischer Metallabscheidung hergestellt (Multilayergalvanik).
In den einzelnen planaren Schichten jeweils konstanter Dicke sind
Querschnitte für
die Strömung
ausgespart, so dass in diesen Bereichen über die ganze Schichtdicke
kein Material vorhanden ist. Ausgesparte Querschnitte sind von annähernd senkrechten
Wandungen begrenzt. Die Schichten der Zerstäuberscheibe 24 liegen
formschlüssig
aufeinander.
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Eine
stanztechnische Herstellung der Zerstäuberscheibe 24 ist
ebenso denkbar. So kann der Zerstäubervorsatz 23 auch
aus mehreren Blechlagen zusammengesetzt sein. Auch mittels Verfahren
wie Drehen, Prägen,
Fräsen,
Sintern lassen sich einzelne Scheiben für einen Zerstäubervorsatz 23 erzeugen.
Auf diese Weise können
in den jeweiligen Scheiben ganz gezielt durch Vertiefungen oder
Ausnehmungen die Zuströmöffnung 19 konturiert
und Zerstäubergeometrien 25 definiert
werden.
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Erfindungsgemäß wird das
Fluid, insbesondere der Brennstoff in Form mehrerer Lamellen über Zerstäubergeometrien 25,
die gebogene Schlitze in der Zerstäuberscheibe 24 darstellen,
abge spritzt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind zwei kreisförmige Schichten
vorgesehen, die den Zerstäubervorsatz 23 bilden,
wobei die Schichten z.B. den gleichen Außendurchmesser aufweisen. Die
Zerstäuberscheibe 24 weist
eine erste stromaufwärtige
Schicht 33 und eine zweite stromabwärtige Schicht 34 auf,
wobei die zweite Schicht 34 deutlich dicker als die erste Schicht 33 ausgeführt ist.
Die zweite Schicht 34 gibt der Zerstäuberscheibe 24 ihre
Stabilität
und definiert die Austrittsgeometrie. Mikrogalvanisch wird zuerst die
zweite Schicht 34 und darauf die erste Schicht 33 abgeschieden.
Zur Realisierung der durchströmten Geometrie
gibt es pro Schicht 33, 34 strukturierte Bereiche,
in denen über
die vollständige
Schichtdicke kein Galvanikmaterial abgeschieden wird. Es entstehen
auf diese Weise Strömungshohlräume mit
fast senkrechten Wandungen. Die aus beiden Schichten 33, 34 miteinander
korrespondierenden Strömungshohlräume sind
zur Erzielung der gewünschten
Strömungseffekte
teilweise lateral zueinander versetzt, d.h. deren Wandungen verlaufen
nicht deckungsgleich. 3 und 4 verdeutlichen
als Schnittdarstellungen entlang der Linien III-III und IV-IV in 2 anschaulich
die Zuordnung von Materialbereichen, Absätzen und durchströmbaren Öffnungsstrukturen.
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Von
der inneren Zuströmöffnung 19 aus
sind in der oberen Schicht 33 mehrere, im Ausführungsbeispiel
acht radial nach außen
verlaufende, sichelförmig
gebogene Radialöffnungen 35 vorgesehen. Die
Radialöffnungen 35 weisen
jeweils zwei Bereiche 35a, 35b auf, die unmittelbar
benachbart liegen. Die ersten Bereiche 35a der Radialöffnungen 35 gehen direkt
aus der Zuströmöffnung 19 hervor
und bilden weitgehend umschlossene Kanäle, die einerseits von der
unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 abgedeckt
sind und andererseits von unten durch Material der zweiten Schicht 34 der
Zerstäuberscheibe 24 abgeschlossen
sind. Einzig und allein sind die Kanäle der ersten Bereiche 35a der
Radialöffnungen 35 offen
zu den zweiten Bereichen 35b der Radialöffnungen 35. Unterhalb
der zweiten Bereiche 35b der Radialöffnungen 35 in der
ersten Schicht 33 weist die zweite Schicht 34 ebenfalls Öffnungen,
nämlich
die eigentlichen Austrittsöffnungen 36 auf.
Im Übergang der
beiden Bereiche 35a, 35b der Radialöffnungen 35 besitzt
insofern jede Öffnungsstruktur
einen wasserfallähnlichen
Absatz 37 zur Austrittsöffnung 36. Der
Bereich 35b weist z.B. eine deutlich größere Breite auf als der Bereich 35a jeder
Radialöffnung 35, womit
auch die Austrittsöffnungen 36 breiter
als die Bereiche 35a, die die radialen Kanäle bilden,
ausgeführt
sind. Radial nach außen
nimmt in Strömungsrichtung
zudem die Breite der Bereiche 35a ab, wie der 2 zu
entnehmen ist.
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Die Übergangsbereiche 38 von
der Zuströmöffnung 19 zu
den Bereichen 35a der Radialöffnungen 35 haben
den engsten Strömungsquerschnitt
auf dem Weg der Strömung
zu den Austrittsöffnungen 36.
Folglich sind diese Übergangsbereiche 38 durchflussbestimmend;
der statische Druck der Strömung erreicht
dort annähernd
den Umgebungsdruck, und es herrscht die höchste Strömungsgeschwindigkeit. Da die
Querschnitte der Austrittsöffnungen 36 deutlich
größer sind
als die Querschnitte der Übergangsbereiche 38 füllt die
Strömung
die Austrittsquerschnitte nur zu einem geringen Teil aus und die
Gasphase aus der Umgebung nimmt den restlichen Platz ein. Die Gasphase
erstreckt sich folglich stromaufwärtig bis zur Strömung in
den sichelförmigen
Bereichen 35a der Radialöffnungen 35. Insofern
handelt es sich bei der Strömung
entlang der kanalartigen Bereiche 35a um einen Halbfreistrahl,
welcher durch die sichelförmige
Wandung in der Schicht 33 einseitig geführt wird und gegenüberliegend
dazu eine freie Oberfläche
zur Gasphase hat.
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In
den 5 und 6, die Ausschnitte V und VI
in 3 in einer vergrößerten Darstellung sind, sind
symbolhaft die Strömungsverhältnisse
und -richtungen mit Pfeilen gekennzeichnet. Während die Strömung in
der sichelförmigen
Radialöffnung 35 gleichmäßig über den
kanalseitig gelegenen Absatz 37 auf die Austrittsöffnung 36 verteilt
wird, taucht sie als dünne
Fluidlamelle in die Austrittsöffnung 36 ab. Die
dünne Lamelle
zerfällt
in der Umgebung in entsprechend kleine Tröpfchen. Von Vorteil ist es,
dass sich die gekrümmte
Wandung der sichelförmigen
Radialöffnung 35 in
Strömungsrichtung
gleichmäßig der Berandung
der Austrittsöffnung 36 (Absatz 37)
annähert.
Der Abstand zwischen äußerer Wandung
und Absatz 37 nimmt entlang der sichelförmigen Radialöffnung 35 von
der Breite des Übergangsbereichs 38 bis
auf nahe Null ab. Somit kann sich der Halbfreistrahl nicht vollständig im
sichelförmigen
Bereich 35a halten. Mit abnehmendem Abstand zwischen der äußeren Wandung
und dem Absatz 37 wird kontinuierlich ein Teil der Strömungsmenge
in die Austrittsöffnung 36 abgeleitet.
Dies sichert zusätzlich
eine gleichmäßige Mengenverteilung
entlang dem Absatz 37 und damit der Berandung der Austrittsöffnung 36 und
sorgt somit für
eine gleichmäßig dünne Fluidlamelle.
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Die
erfindungsgemäß ausgestaltete
Zerstäuberdüse eignet
sich als Ventil 100 insbesondere als Brennstoffeinspritzventil
zum Einspritzen von Brennstoff in ein Saugrohr oder zum direkten
Einspritzen von Brennstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Allerdings kann eine solche Zerstäuberdüse auch zum Abspritzen von
Flüssigkeiten
in Lamellenform, die dann in feinstzerstäubte Tröpfchen zerfallen, z.B. in der
Chemie, Landwirtschaft, Lackiertechnik oder Heiztechnik zur Anwendung
kommen.