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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Zweistoffdüse nach der Gattung des Patentanspruchs 1. Ferner geht die Erfindung aus von einer Reinigungskammer mit wenigstens einer Zweistoffdüse, von einem Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer Zweistoffdüse sowie von einem Dosiermodul zur Eindosierung eines Mediums in einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mit einer Zweistoffdüse.
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Bei sog. Zweistoffdüsen handelt es sich um Düsen, die zum Zerstäuben einer Flüssigkeit unter Einsatz eines gasförmigen Mediums dienen. Solche Zweistoffdüsen sind bekannt und werden u. a. zum Reinigen von verschmutzten Festkörperoberflächen oder Objekten eingesetzt, indem als Reinigungsfluid zumeist flüssiges Kohlendioxid verwendet wird, wobei das Kohlendioxid beim Austritt aus der Kapillare zerstäubt, durch adiabatische Entspannung gefriert, mittels Mantelstrahl beschleunigt wird und auf die zu reinigende Festkörperoberfläche bzw. das zu reinigende Objekt auftrifft. Der Reinigungseffekt ergibt sich dabei durch die abtragende Wirkung des auftreffenden Schneestrahls.
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Aus der
EP 1 183 133 B1 und
DE 199 26 119 C2 ist beispielsweise eine derartige Zweistoffdüse bekannt, bei der das flüssige Kohlendioxid durch einen Strömungskanal geleitet wird und ein Druckgas als gasförmiges Medium über eine den Strömungskanal umschließende Lavaldüse abströmt. Das durch den Strömungskanal geleitete und am Ende des Strömungskanal expandierte Kohlendioxid tritt an einem ersten Düsenauslass aus, während das Druckgas überschallschnell an einem zweiten Düsenauslass austritt, wobei eine Mischung von ausströmendem Druckgas mit Kohlendioxid als Trockeneisschnee erfolgt. Nachteilig bei dieser Zweistoffdüse ist, dass die durch den Verbrauch von flüssigem Kohlendioxid verursachten Betriebskosten hoch sind.
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Aus der
DE 10 2007 014 857 A1 ist eine Zweistoffdüse bekannt, bei der Druckluft als gasformiges Medium durch einen Strömungskanal geführt wird und seitlich in die Kammer des Düsenkörpers zugeführtes flüssiges Kohlendioxid mit der Druckluft vermischt wird, wobei ein Kohlendioxid-Schneestrahl erzeugt wird, der ins Freie gelangt. Auch diese Düse weist jedoch den Nachteil auf, dass die durch den Verbrauch von flüssigem Kohlendioxid verursachten Betriebskosten relativ hoch sind.
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Ein weiterer genereller Nachteil des Kohlendioxid-Schneestrahls besteht darin, dass er an seiner Auftreffstelle das zu reinigende Bauteil schockartig auf Temperaturen unter –30°C abkühlt sowie elektrische Ladungstrennung erzeugt. Empfindliche Bauteile können im ersten Fall durch Kälterisse, im zweiten Fall durch elektrostatische Entladung geschädigt werden. Weiterhin muss in jedem Fall das Bauteil nach der Behandlung wieder erwärmt und von gefrorenem Kondenswasser befreit werden, bevor es einer weiteren Bearbeitung zugeführt werden kann. Im Fall einer getakteten Einzelteilfertigung stellt dieser Auftauvorgang eine zusätzliche, nicht wertschöpfende Prozessnebenzeit dar, welche nachteilig die erreichbare Gesamttaktzeit nach unten begrenzt oder alternativ (zur Kompensation der zusätzlichen Prozessnebenzeit) den apparativen Aufwand erhöht. Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu beheben.
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Zum weiteren technischen Hintergrund zur Reinigung von Objekten bzw. Bauteilen zählen verschiedene bekannte Reinigungsverfahren, wie z. B. die sog. Strahlreinigungsverfahren, zu denen das Sandstrahlen gehört, bei dem das zu reinigende Objekt unter Hochdruck mit Sandstrahlen gereinigt wird, ferner das Reinigen mit einem Hochdruckwasserstrahl oder die mit relativ hohem apparativem Aufwand verbundene Laserstrahlreinigung, bei der ein fokussierter Laserstrahl hoher Leistung über eine zu reinigende Oberfläche geführt wird und durch die direkte Umwandlung der Laserenergie in thermische Energie auf der Oberfläche abgelagerte Schutzschichten verdampft werden. Ferner sind sogenannte Sprüh- bzw. Spülreinigungsverfahren bekannt, welche auf einer konventionellen Lösungsmittelreinigung oder auf der Reinigung mit wässrigen Reinigern, beispielsweise mit Drückspültechnik, beruhen. Bei dem ebenfalls zum Stand der Technik gehörenden Tauchreinigungsverfahren, bei dem das zu reinigende Objekt in eine mit Flüssigkeit gefüllte Wanne eingesetzt wird, wobei ein Generator Ultraschallwandler mit hochfrequenter Energie so versorgt, dass Ultraschall direkt über die Wannenwände in die Flüssigkeit eingeleitet wird, ist nachteilig, dass ein relativ hoher apparativer Aufwand erforderlich ist. Ebenso ist beim bekannten Plasmareinigungsverfahren einerseits ein relativ hoher apparativer Aufwand erforderlich und andererseits eignet sich dieses Verfahren lediglich zum Entfernen dünnschichtiger organischer Ablagerungen. Nachteilig ist hierbei somit, dass verhältnismäßig dicke Schichten bei relativ hohem apparativem Aufwand nicht vollständig gereinigt werden können.
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Vorteile der Erfindung
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Die Zweistoffdüse mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass sie mit einem relativ preiswerten verfügbaren Reinigungsfluid (z. B. Wasser, voll entsalztes Wasser, mit Reinigungsadditiven versetztes Wasser oder Wasserdampf) betreibbar ist, indem nämlich die Kapillare, durch welche das Reinigungsfluid zum Düsenauslass strömt, so dimensioniert ist, dass ihr abströmseitiges Ende bereits innerhalb des Düsenkörpers endet und zwar mit einem axialen Abstand stromauf vor dem Düsenauslass, so dass die Vermischung des Reinigungsfluids mit dem in die Zweistoffdüse eingeführten gasförmigen Medium noch innerhalb des Düsenkörpers erfolgt und somit auch die Zerstäubung des Reinigungsfluids stromauf in der Nähe der Auslassdüse, also noch innerhalb des Düsenkörpers einsetzt, wodurch ein fokussierter Zerstäubungsstrahl mit Wasser als Reinigungsfluid erzeugbar ist. Indem der fokussierte Strahl bestehend aus zerstäubten Wassertropfen (oder alternativ Wasserdampf) und Druckluft auf ein zu reinigendes Objekt gerichtet wird, ist eine Reinigung des Objekts von auf der Oberfläche des Objekts haftenden Verunreinigungen wie beispielsweise Öl oder Schleifpartikeln o. dgl. mittels einer Kombination von physikalischem Lösen bzw. Emulgieren und mechanischem Impulsübertrag mit relativ geringem apparativem Aufwand bei niedrigen Betriebskosten und ohne Kälteeintrag ins zu reinigende Objekt im Gegensatz zu Zweistoffdüsen gemäß dem Stand der Technik, bei denen als Flüssigkeit Kohlendioxid verwendet wird, möglich, ohne dass toxische oder brennbare Stoffe wie bei anderen bekannten Reinigungsprozeduren verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen. Neben dem nicht weiter interessierenden Schalten der Druckluft ist ein sehr definiertes Schalten und Dosieren des Reinigungsfluids möglich, welches nachfolgend beschrieben wird. Indem zudem die Kapillare für das Reinigungsfluid zuströmseitig mit einer im oberen Bereich des Düsenkörpers angeordneten Kammer verbunden ist, in welcher ein Ventilschließkörper mit nach außen durchgeführtem Ventilkolben aufgenommen ist und welche einen Düseneinlass für die Zufuhr des Reinigungsfluids aufweist, wobei der Übergangsbereich von der Kammer zur Kapillare als Ventilsitz dient, ist durch entsprechende Betätigung des Ventilschließkörpers von außen die Zufuhr der Flüssigkeit innerhalb der Zweistoffdüse im Unterschied zum Stand der Technik, bei dem ein in einer externen Zuleitung aufgenommenes Ventil vorgesehen ist, schaltbar bzw. dosierbar und zwar durch axiale Betätigung bzw. Verschiebung des Ventilkolbens, wobei die Ventilbetätigung sowohl elektromagnetisch als auch pneumatisch ausgebildet sein kann. Durch diesen Aufbau der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse ergibt sich vorteilhaft ein geringes Totvolumen, wobei das Totvolumen als dasjenige Flüssigkeitsvolumen definiert ist, das sich zwischen dem Ventilschließkörper und dem Düsenauslass der Zweistoffdüse befindet, so dass für die erfindungsgemäße Zweistoffdüse ein Maß für das Totvolumen das Innenvolumen der Kapillare ist, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem das entsprechende Totvolumen um Größenordnungen höher ist, da dort das zum Schalten der Flüssigkeit erforderliche Ventil in einer externen Zuleitung vorgesehen ist. Aufgrund des signifikant geringeren Totvolumens der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse ergibt sich vorteilhaft eine kurze Ansprechzeit sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen des in der Kammer aufgenommenen Ventilschließkörpers und mithin im Fall getakteter Teilefertigung ein quasi verzögerungsfreies Schalten zwischen Reinigen (Druckluft- und Flüssigkeitsventil geöffnet) und Trocknen (Druckluftventil geöffnet, Flüssigkeitsventil geschlossen) des Bauteils. Die im Stand der Technik beschriebenen nicht wertschöpfenden Prozessnebenzeiten sowie die Gesamttaktzeit sind somit ohne zusätzlichen apparativen Aufwand vorteilhaft minimiert
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen näher erläutert. Letztere zeigen in 1 den Strahlaustrittsbereich einer Zweistoffdüse zum Erzeugen eines Kohlendioxidschnee-Strahls gemäß dem Stand der Technik, in 2 eine stark schematisch dargestellte Zweistoffdüse von 1 im Längsschnitt, in 3 eine stark schematisch dargestellte Zweistoffdüse im Längsschnitt analog 2, wobei von oben Druckluft als gasförmiges Medium und Wasser bzw. Wasserdampf als Flüssigkeit zugeführt wird und die am Düsenauslass ausströmende Druckluft als Mantelstrahl einen über eine Kapillare austretenden Kernstrahl aus Wasser bzw. Wasserdampf erfasst und zerstäubt, sowie in 4 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse in einer im Schnitt gehaltenen schematischen Ansicht, wobei innerhalb des Düsenkörpers eine Kapillare für die Flüssigkeit vorgesehen ist, wobei jedoch im Unterschied zu 3 ein abströmseitiges Ende der Kapillare stromauf vor dem Düsenauslass mit axialem Abstand endet
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine bestimmungsgemäß für die Zufuhr von flüssigem Kohlendioxid vorgesehene Zweistoffdüse 1 gemäß dem Stand der Technik, aus der düsenaustrittsseitig ein Kernstrahl 3 aus Trockeneis 5 und ein Mantelstrahl 4 aus Druckluft heraustreten, wobei der Kernstrahl 3 mit Eiskristallen 5 aus Trockeneis und der Mantelstrahl 4 auf ein zu reinigendes Objekt 6 auftreffen, wobei die Eiskristalle aus CO2 mit zunehmendem Abstand zum Düsenauslass in sublimierendes CO2 8 übergehen, und eine auf der Oberfläche des Objekts 6 liegende versprödete Verschmutzung bzw. Ablagerung 7 aufbrechen und ablösen.
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2 zeigt stark schematisch eine Zweistoffdüse 10 gemäß dem Stand der Technik, die zum Einspeisen von flüssigem Kohlendioxid (CO2) vorgesehen ist, wobei Druckluft 15 als gasförmiges Medium von oben in die Zweistoffdüse 10 einströmt, in einem konisch verengten Abschnitt 11 beschleunigt wird und über einen Strömungskanal zum Düsenauslass 12 abströmt, während flüssiges Kohlendioxid 16 seitlich in den Düsenkörper 13 eingeleitet wird und in eine Kapillare 14 innerhalb des Strömungskanals getrennt von der Druckluft 15 zum Düsenauslass 12 strömt. Beim Austreten aus dem Düsenauslass 12 des Düsenkörpers 13 vereinigen sich die ausströmende Druckluft 15 als Mantelstrahl und der über die Kapillare austretende Kernstrahl aus Trockeneis.
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In 3 ist stark schematisch eine erfindungsgemäße Zweistoffdüse 20 dargestellt, die zum Einspeisen von Wasser oder Wasserdampf 26 vorgesehen ist, wobei von oben Druckluft 25 als gasförmiges Medium in die Zweistoffdüse 20 einströmt, in einem konisch verengten Abschnitt 21 beschleunigt wird und über einen Strömungskanal zum Düsenauslass 22 abströmt, während Wasser bzw. Wasserdampf 26 über einen gesonderten Einlass in den Düsenkörper 23 eingeleitet wird und in eine Kapillare 24 innerhalb des Strömungskanals getrennt von der Druckluft 25 zum Düsenauslass 22 strömt.
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In 4 ist in ihrer Gesamtheit die bevorzugte Ausführungsform der mit 100 bezeichneten erfindungsgemäßen Zweistoffdüse veranschaulicht, deren Düsenkörper 101 einen im wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten oberen Abschnitt 102, einen konusförmig verlaufenden Abschnitt 103 und einen zylindrischen unteren Endabschnitt 104 aufweist, wobei der Endabschnitt 104 einen gegenüber dem oberen Abschnitt 102 reduzierten Innendurchmesser aufweist. Im oberen Abschnitt 102 des Düsenkörpers 101 sind zuströmseitig ein erster Anschluss 105 für die Zufuhr eines Reinigungsfluids wie Wasser bzw. Wasserdampf und ein zweiter Anschluss 106 für die Zufuhr eines komprimierten gasförmigen Mediums wie Druckluft vorgesehen. Dabei ist der erste Anschluss 105 für die Zufuhr der Flüssigkeit an der Oberseite 107 des oberen Abschnitts 102 rohrförmig nach oben vorstehend ausgebildet, während der zweite Anschluss 106 für die Zufuhr des gasförmigen Mediums an der Seitenwand des oberen Abschnitts 102 rohrförmig seitlich vorstehend ausgebildet ist. Abströmseitig dient die offene Unterseite 108 des zylindrischen unteren Endabschnitts 104 als Düsenauslass.
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Im Innem des Düsenkörpers 101 ist im oberen Abschnitt 102 eine mit der Längsmittelachse 110 des Düsenkörpers 101 koaxiale Kammer 109 angeordnet, die sich ausgehend von der Oberseite 107 des oberen Abschnitts 102 entlang der Längsmittelachse 110 des Düsenkörpers nach unten konusförmig verjüngt und in eine mit der Längsmittelachse 110 koaxiale Kapillare bzw. Kanüle 111 mündet, die sich entlang der Längsmittelachse 110 durch den konisch verlaufenden Abschnitt 103 hindurch erstreckt und bis in den unteren zylinderförmigen Endabschnitt 104 hineinragt. Die Durchmesser der Kapillare 111 ist der Übersicht halber in der 4 nicht-maßstäblich vergrößert dargestellt. Zentrisch in der Oberseite 107 des oberen Abschnitts 102 ist eine Durchführung 112 ausgebildet und radial beabstandet dazu ist eine Eintrittsöffnung für den schräg nach oben von der Oberseite 107 hochstehenden Anschluss 105 zur Zufuhr der Flüssigkeit vorgesehen, so dass die Flüssigkeit über den Anschluss 105 durch die Eintrittsöffnung in der Oberseite 107 in die Kammer 109 der Düse 100 strömen kann; durch die mit der Längsmittelachse 110 koaxiale Durchführung 112 in der Oberseite 107 greift von oben axial ein Ventilkolben 113 eines Ventils 114 hindurch, an deren der Kapillare 111 zugewandten Ende ein innerhalb der Kammer 109 aufgenommener Ventilschließkörper 115, welcher kegelförmig ausgebildet ist, angeordnet ist Da der Ventilkolben 113 des Ventils 114 von außen in axialer Richtung mittels eines Ventilaktuators 116 verschiebbar ist, ist in Abhängigkeit von der axialen Stellung des Ventilschließkörpers 115 innerhalb der Kammer 109 der Zufluss der über den Anschluss 105 zugeführten Flüssigkeit steuerbar, denn als Ventilsitz für den Ventilschließkörper 115 fungiert der abströmseitig nach unten konisch auslaufende Bereich der Kammer 109 am Übergang bzw. Überbrückungsbereich zur Kapillare 111, so dass der Ventilschließkörper 115 in entsprechender Axialstellung des Ventils 114, d. h. in Anschlagposition bzw. Absperrstellung dichtend auf dem Ventilsitz aufsitzt und die Zufuhr der Flüssigkeit aus dem Anschluss 105 über die Kammer 109 in die dazu angrenzende Kapillare 111 absperrt. Dabei ist der Ventilschließkörper 115 im Verhältnis zum Innenquerquerschnitt der Kapillare 111 so bemessen, dass das der Kapillare 111 zugewandte Ende des Ventilschließkörpers 115 geringfügig kleiner ist als der Innenquerschnitt der Kapillare 111, so dass in Absperrstellung des Ventils 114 der in der Kammer 109 aufgenommene Ventilschließkörper 115 mit diesem Ende in den Ventilsitz am zuströmseitigen Ende der Kapillare 111 geringfügig eintaucht und dadurch den Überbrückungsbereich zwischen Kammer 109 und Kapillare 111 dichtend verschließt.
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Wird demgegenüber durch entsprechende Betätigung des Ventils 114 der Ventilschließkörper 115 axial aus dieser Stellung kontinuierlich zurückgezogen, so hebt sich der Ventilschließkörper 115 axial aus dem Ventilsitz und der Überbrückungsbereich bzw. Durchgang zwischen dem konisch auslaufenden Bereich der Kammer 109 und der daran angrenzenden Kapillare 111 wird allmählich freigegeben, so dass die in dieser Offenstellung des Ventils 114 aus dem Anschluss 105 in die Kammer 109 eintretende Flüssigkeit an dem Ventilschließkörper 115 vorbei in die Kapillare 111 strömen kann. Zudem ist in der Offenstellung des Ventils 114 die Durchflussmenge der Flüssigkeit in die Kapillare 111 dosierbar, da sich in Abhängigkeit von der axialen Position des Ventilschließkörpers 115 der freiwerdende Querschnitt und somit der Durchfloss der Flüssigkeit zur Kapillare 111 ändert. Das Ventil 114 dient somit nicht nur zum Öffnen und Absperren der Flüssigkeitszufuhr, sondern auch zum Dosieren der Durchflussmenge der Flüssigkeit mit variabler Zeitdauer und minimalem Totvolumen. Dabei kann der Ventilaktuator 116, der außerhalb des Düsenkörpers 101 an dem der Kapillare 111 abgewandten Ende des Ventilkolbens 113 angeordnet ist, beispielsweise als elektrische Spule zur elektromagnetischen Betätigung des Ventils 114 ausgebildet sein, jedoch ist auch alternativ dazu ein pneumatisch betätigbares Ventil möglich.
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Demgegenüber tritt das gasförmige Medium, bei dem es sich im Ausführungsbeispiel um Druckluft handelt, aus einer externen Zuleitung mit einem an- und ausschaltbaren Ventil 120 über den zweiten Anschluss 106 durch eine entsprechende Eintrittsöffnung in der Seitenwand des Düsenkörpers 101 in dessen Innenhohlraum ein, worauf es im oberen Bereich des Düsenkörpers 101 von einem zwischen der Kammer 109 und dem oberen Abschnitt 102 radial gebildeten Ringspalt als Strömungskanal weiter nach unten in einen Bereich strömt, wo der Ringspalt radial zwischen dem oberen Abschnitt 102 des Düsenkörpers 101 und der Kapillare 111 begrenzt ist. Von dort gelangt das gasförmige Medium stromab in den Bereich des konisch verjüngten Abschnitts 103, wo es aufgrund der Querschnittsverengung des dort zwischen dem Abschnitt 103 des Düsenkörpers 101 und der Kapillare 111 gebildeten Ringspalts beschleunigt wird und stromab zum unteren Endabschnitt 104 gelangt. Da die Kapillare 111 mit ihrem abströmseitigen Ende 130 so in den zylindrischen unteren Abschnitt 104 hineinragt, dass ihr dem Düsenauslass 108 zugewandtes abströmseitiges Ende 130 innerhalb des zylindrischen unteren Endabschnitts 104 mit axialem Abstand 140 zum Düsenauslass 108 endet, erstreckt sich der Ringspalt, der radial zwischen der Außenwand der Kapillare 111 und der Wandung des Düsenkörpers 101 in dessen aufeinanderfolgenden Abschnitten 102, 103, 104 begrenzt ist, in seiner axialen Erstreckung stromab bis zu dieser axialen Position und mündet dann eine Raumzone bzw. Zerstäubungszone ein, die in axialer Richtung durch den axialen Abstand 140 zwischen dem abströmseitigen Ende 130 der Kapillare 111 und dem Düsenauslass 108 und radial durch die Zylindermantelfläche des hohlzylindrisch ausgebildeten Endabschnitts 104 festgelegt ist. Während die Flüssigkeit in Offenstellung des Ventils 114 aus dem abströmseitigen Ende 130 der Kapillare 111 ausströmt und zentral in die Raumzone eintritt, gelangt das getrennt von der Flüssigkeit in dem Ringspalt geführte und im konusförmig verjüngten Abschnitt 103 beschleunigte Gas als Mantelstrahl in die Raumzone, wo die aus der Kapillare 111 austretende Flüssigkeit und das aus dem Ringspalt zugeführte gasförmige Medium aufeinandertreffen. Dabei setzt die Zerstäubung der Flüssigkeit durch den stromauf in dem konusförmig verjüngten Abschnitt 103 beschleunigten Gas-Mantelstrahl ein, der die zerstäubte Flüssigkeit zu dem nach unten offenen Ende 108 des unteren Endabschnitts 104 abführt. Der aus dem offenen Ende 108 des unteren Endabschnitts 104 des Düsenkörpers 101 und somit aus dem Düsenauslass austretende Strahl trifft dann auf ein in der Nähe der Zweistoffdüse positioniertes und zu reinigendes Objekt bzw. Bauteil 117, um dort auf der Oberfläche des Objekts 117 abgelagerte Schmutzschichten o. dgl. abzutragen bzw. zu entfernen. Dabei werden in nicht weiter interessierender Weise die Flüssigkeit und die von der Oberfläche des Objekts 117 abgetragenen bzw. abgelösten Verunreinigungen abgesaugt.
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Um insbesondere bei Verwendung von Wasser als Flüssigkeit einen hohen Fokussierungsgrad und eine hohe Zerstäubungsqualität des austretenden Strahls zu erzielen, ist der axiale Abstand 140 des abströmseitigen Endes 130 der Kapillare 111 zum stromab liegenden Düsenauslass 108 derart bemessen, dass der vom Verhältnis aus Innendurchmesser des Düsenauslasses 108 zum axialen Abstand 140 zwischen dem abströmseitigen Ende 130 der Kapillare 111 und dem offenen Ende 108 des zylindrischen Endabschnitts 104 geometrisch abhängige Austrittswinkel für den aus dem Düsenauslass 108 zerstäubt austretenden Strahl niedrig ist. Dem liegt in erster Näherung und innerhalb eines physikalisch sinnvoll nutzbaren Bereichs des axialen Abstands 140 nachstehende Gleichung für den Austrittswinkel zugrunde: ϕ = 2·arctan( R / d) Gleichung(1)
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Dabei ist ϕ der Austrittswinkel, R der Radius der von dem Düsenauslass 108 umfassten offenen Kreisfläche, durch welche der Strahl aus dem Düsenauslass der Zweistoffdüse austritt, und d der axiale Abstand 140 zwischen dem Düsenauslass 108 und dem abströmseitigen Ende 130 der Kapillare 111.
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In Versuchen wurde ermittelt, dass eine optimale Strahlfokussierung und somit eine optimale Reinigungswirkung des Strahls für einen Austrittswinkel erzielbar ist, der niedriger als 10° ist. Ferner ist im Ausführungsbeispiel der Innendurchmesser der Kapillare 111 so bemessen, dass der Innendurchmesser kleiner als 1 mm ist. Eine gute Zerstäubungsqualität ergibt sich bei Verwendung von Wasser oder Wasserdampf als Flüssigkeit für Werte des Innendurchmessers der Kapillare 111 im Bereich von 0,1–0,5 mm, wobei ein Optimum hinsichtlich Reinigungswirkung und minimaler Ansprechzeit bei einem Wert von 0,4 mm erzielbar ist.
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Da das abströmseitige Ende des Ventilschließkörpers 115 unmittelbar an dem zuströmseitigen Ende der Kapillare 111, welches unmittelbar in den Ventilsitz übergeht, aufsetzt, ergibt sich das nicht steuerbare Totvolumen des Reinigungsfluids gemäß nachstehender Gleichung: V = π / 4 – D2·L Gleichung (2)
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Dabei ist V das Totvolumen der Flüssigkeitssäule zwischen abströmseitigem Ende des Ventilschließkörpers 115 und abströmseitigem Ende 130 der Kapillare 111, D der Innendurchmesser der Kapillare 111, L die Länge der Kapillare 111, d. h. der Abstand zwischen abströmseitigem Ende des Ventilschließkörpers 115 und abströmseitigem Ende 130 der Kapillare 111, und π die Kreiszahl ≈ 3,1416.
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Die Ansprechzeit der Flüssigkeitszudosierung (sowie analog die Ansprechzeit zum Stoppen der Flüssigkeitszudosierung) ergibt sich zu: tA = tS + V / F Gleichung (3)
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Dabei entspricht die Ansprechzeit tA der Zeitdifferenz zwischen dem am Ventil 114 ankommenden Schaltimpuls zum Öffnen des Ventils und dem daraufhin am abströmseitiges Ende 130 der Kapillare 111 ankommenden Reinigungsfluid (sowie dem umgekehrten Vorgang beim Schließen des Ventils 114), tS ist die Schaltzeit des Ventils 114, F ist der sich ergebende Durchfluss des Reinigungsfluids in Volumeneinheiten je Zeit und V ist das Totvolumen.
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Mit Gleichung (2) ergibt sich für das Ausführungsbeispiel mit einer Kapillarlänge L von 50 mm sowie einem Innendurchmesser der Kapillare 111 von 0,4 mm ein Totvolumen V von ca. 0,006 ml und mit Gleichung (3) bei einem empirisch ermittelten Durchfluss von 0,5 ml/s und einer Ventilschaltzeit von 5 ms eine prozessrelevante Ansprechzeit der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse 100 von weniger als 20 ms.
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Die erfindungsgemäße Zweistoffdüse 100 weist zudem eine in 4 lediglich schematisch dargestellte Kapillarzentrierungseinrichtung 118 zum Zentrieren der Kapillare 111 innerhalb des Düsenkörpers 101 auf. Die Kapillarzentrierungseinrichtung 118 weist ein – in 4 nicht dargestelltes – hülsenförmiges Rohrstück auf, dessen Innendurchmesser an den Außendurchmesser der Kapillare 111 angepasst ist und auf einen unteren Außenumfangsabschnitt der Kapillare 111 übergeschoben und dort festgestellt ist; weiterhin weist die Zentrierungseinrichtung 118 sternförmig angeordnete Zentrierstifte 119 auf, die radial benachbart zu dem Außenumfangsabschnitt der Kapillare 111, an der das hülsenförmige Rohrstück vorgesehen ist, in dem Düsenkörper 101 aufgenommen sind. Diese Zentrierstifte 119 sind in Umfangsrichtung des Düsenkörpers 101 gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet und sind derart in dem entsprechenden zylinderförmigen Abschnitt 102 des Düsenkörpers 101 kopfseitig verankert aufgenommen, dass sie mit ihren Enden radial nach innen auf das den Außenumfangsabschnitt der Kapillare 111 umgreifende hülsenförmige Rohrstück weisen bzw. vorstehen. Indem die Zentrierstifte im Ausführungsbeispiel als Schrauben, vorzugsweise als Madenschrauben, ausgebildet sind, ist durch radiales Verstellen der jeweiligen Schrauben, d. h. durch mehr oder weniger Einschrauben, die radiale Position der zur Kapillare weisenden Schraubenenden veränderbar; durch dieses Verstellen werden die Enden der jeweiligen Schrauben in Kontakt mit dem in derselben radialen Ebene liegenden und den entsprechenden Außenumfangsabschnitt der Kapillare umgreifenden hülsenförmigen Rohrstück gebracht. Durch geringfügiges Weiterdrehen der jeweiligen Schrauben erfährt das Rohrstück und damit die von dem Rohrstück dort umgriffene Kapillare radial wirkende Stellkräfte, so dass, wenn sich die Schraubenenden bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Kapillarzentrierungseinrichtung auf dem aufgesteckten hülsenförmigen Rohrstück aufstützen, die Kapillare 111 durch Justage bzw. Drehen der jeweiligen Schrauben zentriert ausgerichtet und weiterhin durch gegenseitiges Verspannen der Schrauben auch gegenüber Eigenschwingungen weitgehend stabilisiert werden kann. Im Ausführungsbeispiel hat es sich für eine lösbare Fixation und stabile Zentrierung der Kapillare 111 als zweckmäßig erwiesen insgesamt drei Schrauben vorzusehen, die in Umfangsrichtung des Düsenkörpers 101 im Abstand von 120° vorgesehen sind und sich mit ihren radial nach innen weisenden Enden auf das in derselben Ebene liegende hülsenförmige Rohrstück aufstützen, das dort auf die Kapillare 111 aufgesteckt ist. Die Kapillarzentrierungseinrichtung 118 ist in dem unteren Bereich des zylinderförmigen Abschnitts 102 aufgenommen, der an den zur Beschleunigung des gasförmigen Mediums vorgesehenen konisch verengten Abschnitt 103 angrenzt.
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Eine – in 4 nicht dargestellte – modifizierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse 100 besteht darin, dass die über den Anschluss 106 zugeführte Druckluft mittels einer Heizeinrichtung erhitzt wird, um die Reinigung und Trocknung des von der Zweistoffdüse bestrahlten Objekts 117 zu beschleunigen. Zudem kann durch die Heizeinrichtung im Falle der Zuführung von in der flüssigen Phase befindlichem Reinigungsfluid das Reinigungsfluid innerhalb der Kapillare 111 durch Wärmeübertragung der erhitzten Druckluft auf die Kapillare 111 oder alternativ im zylindrischen unteren Endabschnitt 104 bei Vermischung mit der erhitzten Druckluft in die Dampfphase überführt werden, um den Reinigungseffekt zu steigern. Eine – in 4 nicht dargestellte – weitere Modifikation der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse 100 sieht vor, dass der Anschluss 105 für die Flüssigkeit zentrisch an der Oberseite 107 des Düsenkörpers 101 angeordnet ist, d. h. koaxial zur längsmittelachse 110 des Düsenkörpers 101 ausgebildet ist und mit der Durchführung 112 für das Ventil 114 in axialer Richtung des Düsenkörpers 101 fluchtet, so dass die Durchführung 112 für das Ventil 114 auch als Durchgang bzw. Eintrittsöffnung für die Flüssigkeit fungiert, wobei die Flüssigkeit den Ventilaktuator 116 durchströmt. Eine – in 4 nicht dargestellte – weitere modifizierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse 100 besteht darin, dass anstelle des kegelförmig ausgebildeten Ventilschließkörpers 115 ein kugelförmiger Ventilschließkörper ausgebildet ist. Weiterhin kann zur Dosierung des Reinigungsfluids alternativ zur weiter oben beschriebenen stufenlosen Änderung der axialen Stellung des Ventilschließkörpers 115 in Offenstellung des Ventilschließkörpers 115 anstelle des Ventils 114 ein binär schaltendes Ventil mit Pulsweitenmodulation verwendet werden.
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Zusammenfassend ergibt sich durch die erfindungsgemäße Zweistoffdüse 100, bei welcher eine mit der Düsenkörperlängsachse 110 koaxiale Kapillare 111 vorgesehen ist, die sich in Richtung des Düsenauslasses 108 erstreckt und deren dem Düsenauslass 108 zugewandtes abströmseitiges Ende 130 mit einem axialen Abstand 140 stromauf vor dem Düsenauslass 108 endet, wobei der axiale Abstand 140 eine Zerstäubungszone innerhalb des Düsenkörpers 101 definiert, in welcher die aus dem abströmseitigen Ende 130 der Kapillare 111 austretende Flüssigkeit und das gasförmige Medium aufeinandertreffen und einen zerstäubten Strahl erzeugen, der aus dem Düsenauslass 108 fokussiert auf ein Bauteil 117 richtbar ist, vorteilhaft die kostengünstige, taktzeitoptimierte und schonende Reinigung von Bauteilen bzw. Objekten 117 im sog. Ein-Teile-Fluss, d. h. in Einzelverarbeitung, im Unterschied zum sog. Batch-Prozess bzw. Stapelverarbeitungsprozess, bei dem zu reinigende Bauteile mittels Stapelverarbeitung gereinigt werden. Dabei ist mit der erfindungsgemäßen Zweistoffdüse 100 auch eine selektive Reinigung, d. h. eine gezielte partielle Reinigung größerer Bauteile möglich. Die erfindungsgemäße Zweistoffdüse 100 ist vorteilhaft justierbar in einer Reinigungskammer installierbar, wobei die Zweistoffdüse auf ein zu reinigendes Bauteil bzw. Objekt 117 innerhalb der Reinigungskammer richtbar ist und die Reinigungskammer für jeden Reinigungszyklus hermetisch versiegelbar ist. Ferner ist die erfindungsgemäße Zweistoffdüse 100 in einem Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einsetzbar bzw. verwendbar oder in einem Dosiermodul zur Eindosierung eines Mediums in einen Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei das Medium ein flüssiges Reduktionsmittel wie z. B. Harnstoff sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1183133 B1 [0003]
- DE 19926119 C2 [0003]
- DE 102007014857 A1 [0004]