DE3405400C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein gemischbildendes Ventil zur Erzeugung eines Gemisches aus flüssigem Brennstoff und Luft zum Einbringen in die Zuführleitung einer Verbrennungseinrichtung, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit einer Brennstoffzuleitung, deren Austrittsende als Ventilsitz für einen Ventilkopf ausgebildet ist, der an einem durch die Brennstoffzuleitung geführten Ventilschaft angeordnet ist und mit dem Ventilsitz bei geöffnetem Ventil eine ringförmige, gegen den Ventilkopf gerichtete Ausmündung für den Brennstoff bildet, mit einer diese Ausmündung eng benachbart ringförmig umschließenden Ausströmöffnung für aus einer Zuleitung zuströmende, unter Druck stehende Luft, deren Ausströmrichtung quer zur Ausströmrichtung des Brennstoffs verläuft, und mit einer Gemischaustrittsöffnung.

Ein derartiges Ventil ist aus der DE-PS 3 45 394 bekannt, die einen Zerstäuberbrenner für flüssige Brennstoffe zeigt, bei dem in einer das Ölzuführungsrohr ringförmig umgebenden Druckluftleitung die Luft in einen Primärluftstrom und einen Sekundärluftstrom aufgeteilt wird, wobei der Primärluftstrom innerhalb und der Sekundärluftstrom außerhalb einer sich kegelstumpfförmig gegen die Austrittsöffnung verjüngenden, düsenartigen Haube geleitet wird und der Brennstoff durch eine sich bei Öffnung des Ventils bildende, ringförmige Ausmündung quer zur Strömungsrichtung der innerhalb der Haube deren Öffnung zuströmenden Pri­ märluft in Richtung auf die Haubenwandung austritt und das sich bildende Gemisch aus der Austrittsöffnung der Haube ausströmt, wo ihm der Sekundärluftstrom beitritt, der zwischen der Haube und dem Brennergehäuse der Brennerdüse zuströmt.

Bei dieser Konstruktion, die speziell auf die Anforderungen eines Brenners für flüssige Brennstoffe abgestimmt ist, wird der durch ringförmige Ausmündung austretende Brennstoff von einem mächtigen Primärluftstrom mitgerissen, der weitgehend geradlinig entlang der Innenfläche der Haube deren Öffnung zuströmt.

Im Gegensatz zu der bekannten Konstruktion strebt die Erfindung ein gemischbildendes Ventil an, das universeller einsetzbar ist und sich insbesondere auch für Verbrennungsmotoren eignen soll.

Bei Verbrennungsmotoren erfolgte lange Zeit die Einspritzung des Brennstoffs direkt in den Verbrennungsraum. Dies hat den Nachteil, daß sich der Brennstoff vor der Verbrennung nur unzureichend mit der Verbrennungsluft vermischt, was Wirkungsgrad und Emissionswerte ungünstig beeinflußt. Man ist deshalb bereits dazu übergegangen, den Brennstoff in die Ansaugleitung des Verbrennungssystems einzuspritzen, d. h. in die Leitung, über die bei direkter Brennstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum die Verbrennungsluft angesaugt wird. Dadurch ergibt sich eine bessere Gemischbildung, die noch dadurch gefördert werden kann, daß ein Teil der Verbrennungsluft unter Druck unmittelbar dem Ventilbereich zugeführt wird und dadurch unmittelbar am Brennstoffaustritt zu einer Gemischbildung führt, wobei dann diese im Ventilbereich gebildete Gemisch in den durch die Ansaugleitung zuströmenden Luftstrom eingespritzt wird und sich dort mit der angesaugten Luft auf dem Weg zum Verbrennungsraum weiter vermischt. Es findet dabei sozusagen eine zweistufige Gemischbildung statt, die sehr wirkungsvoll ist und zu einer hohen Ausnützung der Brennstoffenergie führt.

In Verbindung mit einer Brennkraftmaschine, nämlich einem Gasturbinenstrahltriebwerk, ist aus der DE-PS 20 60 158 eine Brennstoffeinspritzvorrichtung bekannt, die eine ringförmige, einen zentralen Prallkörper umgebende Gemischaustrittsöffnung aufweist und bei der durch eine zentrale Leitung zugeführter Hilfsbrennstoff in einem Düsenkopf durch einen Kranz von Bohrungen austritt, die auf einem Kegelmantel angeordnet sind, der sich in Austrittsrichtung erweitert, und die den Hilfsbrennstoff etwa in Richtung auf die Gemischaustrittsöffnung richten und ihn in einen durch eine Ringdüse erzeugten Sprühkegel des Hauptbrennstoffs mit etwas geringerem Kegelwinkel einbringen, der ebenfalls gegen die Gemischaustrittsöffnung gerichtet ist. Bei besonders hohem Energiebedarf kann kurzzeitig gasförmiger Brennstoff über eine ringförmige Öffnung zugeführt werden, die die zylindrische Außenwand des Düsenkörpers der Ringdüse für den Hauptbrennstoff umschließt, so daß der Gasstrom in etwa axialer Richtung gegen die Gemischaustrittsöffnung gerichtet ist und vor dieser auf das Gemisch von Haupt- und Hilfsbrennstoff trifft. Die Brennluft wird durch eine ringförmige, in Richtung auf den Prallkörper und das ihr zugewandte Ende des erwähnten Düsenkörpers konvergierende Öffnung zugeführt und - vermischt mit Haupt- und Hilfsbrennstoff und gegebenenfalls dem Gas - durch den Prallkörper in Richtung auf die Gemischaustrittsöffnung umgelenkt. Bei alleinigem Betrieb der Vorrichtung mit flüssigem Brennstoff wird über das düsenartige Ende der Gaszuführung Druckluft eingeleitet, die im Kreuzstrom auf den Brennstoffkegel trifft und zur Zerstäubung beiträgt. Spezielle Vorkehrungen zu einer besonders intensiven Gemischbildung sind dabei nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an einem gemischbildenden Ventil der eingangs erwähnten Art ohne besonderen baulichen Aufwand die Gemischbildung weiter zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei dem eingangs beschriebenen Ventil darin, daß die Ausströmöffnung für die Luft als Ringspalt ausgebildet ist, dessen Ausströmquerschnitt der die Ausmündung für den Brennstoff begrenzenden Fläche des Ventilkopfs gegenüberliegt, und daß anschließend an den Ringspalt mindestens eine, den Ventilkopf umgebende Wirbelkammer angeordnet ist.

Durch diese Konstruktion wird der aus der ringförmigen Ausmündung der Brennstoffzuleitung austretende Brennstoff sofort bei seinem Austritt durch die aufgrund des Ringspalts unter erhöhtem Druck stehende Luft aus seiner Bewegungsrichtung gerissen und dabei einerseits zerstäubt, andererseits einer heftigen Wirbelbewegung unterworfen, weil das Gemisch aus zerstäubtem Brennstoff und Luft sofort auf den Ventilkopf aufschlägt, von diesem erneut umgelenkt wird und anschließend an den Ringspalt in mindestens einer den Ventilkopf umgebenden, durch eine plötzliche Erweiterung des Strömungsquerschnitts sich ergebenden, Wirbelkammer einer weiteren Verwirbelung unterworfen wird. Dieses gemischbildende Ventil kann zur Verbes­ serung der Energieausbeute aus flüssigen Brennstoffen nicht nur bei Verbrennungsmotoren, sondern z. B. auch bei Brennern eingesetzt werden. Es gestattet eine besonders innige Vermischung von Luft und Brennstoff mit einfachen und kostengünstigen Mitteln.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 7 zeigen jeweils Axialschnitte durch sieben verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils.

In den Figuren werden miteinander übereinstimmende oder einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Das gemischbildende Ventil besitzt einen Grundkörper 10, der von der Brennstoffzuleitung 12 durchzogen wird, durch welche ein Ventilschaft 14 hindurchgeführt ist, der mit dem Ventilkopf 16 verbunden ist. Der Endabschnitt 18 der Brennstoffzuleitung 12 wird durch einen halsförmigen Vorsprung gebildet, der aus der den Boden 20 einer Ventilkammer 22 bildenden Stirnfläche des Grundkörpers 10 vorspringt.

Der Grundkörper 10 wird von einem Wandungsteil 24 umschlossen, der von mindestens einer Zuleitung 26 für die unter Druck dem Ventil zugeführte Luft durchquert wird. Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 4 ist eine Zuleitung 26 vorgesehen, bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 5 bis 7 sind es zwei einander diametral gegenüberliegende Zuleitungen 26a und 26b. Diese Zuleitungen 26, 26a und 26b münden in radialer Richtung in die Ventilkammer 22.

Im Anschluß an den Ventilschaft 14 erweitert sich der bewegliche Ventilteil mit einer sphärischen Außenfläche 28 zum Ventilkopf 16. Diese sphärische Außenfläche 28 wirkt mit einer entsprechenden, einen Ventilsitz 30 bildenden Stirnfläche am Endabschnitt 18 der Brennstoffzuleitung 12 zusammen. Dieser Ventilsitz 30 besitzt dabei eine etwa trichterförmige, sich in Öffnungsrichtung des Ventils erweiternde Form, so daß sich bei geöffnetem Ventil eine Ausmündung 32 in Form eines Ringspalts ergibt, dessen Strömungsrichtung schräg nach außen gerichtet ist. Die Außenseite 34 des Endabschnitts 18 ist dem Ventilsitz 30 benachbart nach innen abgeschrägt, wobei die Stirnfläche 36 etwa rechtwinklig auf den Ventilsitz 30 trifft. In Richtung auf die Gemischaustrittsöffnung 38 des Ventils wird in der Ventilkammer 22 durch eine ringförmige Trennwand 40 eine Eintrittskammer 42 für die über die Zuleitungen 26, 26a und 26b zugeführte Luft abgegrenzt. Die Trennwand 40 ist nahe an den Ventilkopf 16 herangeführt und begrenzt zusammen mit der schrägen Oberfläche 36 einen Ringspalt 44, durch welchen die unter Druck stehende Luft aus der Eintrittskammer 42 quer zur Strömungsrichtung des aus dem Ringspalt austretenden Brennstoffs auf diesen trifft, wodurch die Brennstofftröpfchen sehr fein zerstäubt werden. Durch den Aufprall der den Brennstoff zerstäubenden Druckluft auf die sphärische Außenfläche 28 des Ventilkopfs 16 wird das Luft-Brennstoff-Gemisch sofort abgelenkt und es bildet sich ein Wirbel, der die intensive Vermischung von Brennstoff und Luft för­ dert.

Um diese Verwirbelung weiter zu unterstützen, sind bei den einzelnen Ausführungsbeispielen unterschiedliche Maßnahmen getroffen, die nachfolgend im einzelnen beschrieben werden.

Bei allen Ausführungsbeispielen ist die Trennwand 40 kostengünstig als Blechstanzteil ausgebildet, das zwischen einem auf dem Boden 20 der Ventilkammer 22 aufsitzenden Distanzkörper 46 und einem ringförmigen Gehäuseteil 48 eingeschlossen ist. Das ringförmige Gehäuseteil 48 begrenzt den vom Ringspalt 44 bis zur Gemischaustrittsöffnung 38 führenden Strömungsbereich und ist entweder - wie bei den Beispielen nach den Fig. 1 bis 4 - bis zum Grundkörper 10 geführt, oder - wie bei den Beispielen nach den Fig. 5 bis 7 - nur bis zur Trennwand 40 und wird durch eine Umbördelung 50 am äußeren Wandungsteil 24 festgehalten.

Die als Stanzteil ausgebildete Trennwand 40 ist in dem die zentrale Öffnung umgebenden Bereich gegen die Eintrittskammer 42 konvex ausgewölbt und demnach auf der von der Eintrittskammer 42 abgewandten Seite mit einer konkaven Wölbung versehen, wodurch sich einerseits, wie aus den Fig. 1, 2, 5, 6 und 7 ersichtlich ist, die entsprechende Führung der Trennwand 40 im Bereich des Ringspalts 44 ergibt, während andererseits stromab vom Ringspalt 44 eine Wirbelkammer 52 begrenzt wird, deren Umgrenzung allerdings bei der Ausführungsform nach Fig. 1 noch verhältnismäßig unvollkommen ist, während bei der Ausführungsform nach Fig. 2 und ähnlich auch bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 ein zweites, ringförmiges Blechstanzteil 54 gemeinsam mit der Trennwand 40 eingespannt ist, das mit einer in entgegengesetzter Richtung gewölbten, die Wölbung der Trennwand 40 zu einer im Querschnitt etwa kreisringförmigen Wirbelkammerbegrenzung 56 ergänzenden Wölbung versehen ist.

Damit ergibt sich bereits eine weitgehend geschlossene, sich über einen Ringspalt 58 zwischen dem Blechstanzteil 54 und dem Ventilkopf 16 öffnende Wirbelkammer 52′, deren Querschnitt in Fig. 3 noch dadurch verbessert ist, daß durch eine konkave Einkerbung 60 am Ventilkopf 16 die kreisringförmige Begrenzung der Wirbelkammer 52′ zu einem Vollkreis ergänzt wird, wobei bei Ausführungsform nach Fig. 4 die Konstruktion nach Fig. 3 noch dadurch verändert ist, daß am Ventilkopf 16 eine schräg auswärts verlaufende Facette 62 ausgebildet ist, die das aus dem Ringspalt 58 austretende Gemisch breit verteilt in eine nicht gezeigte Ansaugleitung eines Verbrennungsmotors leitet, wodurch dort die Vermischung der Luft und des Brennstoffs weiter gefördert wird.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen jeweils drei ringförmige, in Strömungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnete Wirbelkammern 52a, 52b und 52c, wobei zur Begrenzung dieser Wirbelkammern das Gehäuseteil 48 und der Ventilkopf 16 mit entsprechenden Profilierungen versehen sind. Um die Fertigung zu erleichtern, könnte das Gehäuseteil 48 auch in drei ringförmige Elemente 48a, 48b und 48c aufgeteilt sein, wie dies durch unterbrochene Linien in Fig. 7 gezeigt ist. Diese Elemente könnten günstig in Form von Stanzteilen hergestellt werden.

In Fig. 5 wird die erste Wirbelkammer 52a einerseits von der Trennwand 40, andererseits von einer Profilierung 64a am Gehäuseteil 48 und von der Außenfläche des Ventilkopfs 16 begrenzt. Die zweite und die dritte Wirbelkammer 52b und 52c werden von Profilierungen 64b bzw. 64c am Gehäuseteil 48 und Profilierungen 66b und 66c am Ventilkopf 16 begrenzt, die sich jeweils zu einem etwa kreisförmigen Querschnitt der Wirbelkammern 52b und 52c ergänzen. Zwischen den einzelnen Wirbelkammern 52a und 52c sind ringförmige Spalte 68a bzw. 68b vorgesehen und die letzte Wirbelkammer 52c öffnet sich nach der Ansaugleitung ebenfalls über einen Ringspalt 68c.

In Fig. 6 wird die erste Wirbelkammer 52a ähnlich wie in Fig. 2 bis 4 durch zwei Stanzteile 40 und 54 begrenzt, außerdem sind die Querschnitte der beiden nachfolgenden Wirbelkammern 52b und 52c vergrößert, wobei sich der Querschnitt jeweils im Anschluß an den Ringspalt 68a bzw. 68b keilförmig erweitert, so daß durch die dem Spalt gegenüberliegende Prallfläche die innige Vermischung von Luft und Brennstoff gefördert wird.

Die Ausführungsform nach Fig. 7 unterscheidet sich von der nach Fig. 6 dadurch, daß die erste Wirbelkammer 52a einerseits von dem gewölbten Abschnitt der Trennwand 40 und andererseits von einer angepaßten Profilierung 64a am Gehäuseteil 48a begrenzt wird und daß der Spalt 68b in Fig. 6 nur durch eine Einschnürung gebildet wird, die keine Längsausdehnung in Strömungsrichtung besitzt.

In Fig. 7 ist an der die Wirbelkammer 52a begrenzenden Profilierung am Ventilkopf 16 dem Ringspalt 44 gegenüberliegend eine Trennkante 70 ausgebildet, die den auftreffenden, den Brennstoff mit sich reißenden Luftstrahl teils aufprallen läßt, teil in die Wirbel­ kammer 52a ablenkt, wodurch die Gemischbildung weiter intensiviert wird.

Die beschriebenen Konstruktionen besitzen gemeinsam das Merkmal, daß der aus der Brennstoffleitung austretende Brennstoff sofort durch eine Druckluftquerströmung einer starken Zerstäubungswirkung ausgesetzt wird, wobei durch unterschiedliche Maßnahmen zur Wirbelbildung die innige Vermischung von Brennstoff und Luft noch gefördert wird.

Claims (7)

1. Gemischbildendes Ventil zur Erzeugung eines Gemisches aus flüssigem Brennstoff und Luft zum Einbringen in die Zuführleitung einer Verbrennungseinrichtung, insbesondere eines Verbrennungsmotors, mit einer Brennstoffzuleitung (12), deren Austrittsende als Ventilsitz (30) für einen Ventilkopf (16) ausgebildet ist, der an einem durch die Brennstoffzuleitung (12) geführten Ventilschaft (14) angeordnet ist und mit dem Ventilsitz (30) bei geöffnetem Ventil eine ringförmige, gegen den Ventilkopf (16) gerichtete Ausmündung (32) für den Brennstoff bildet, mit einer diese Ausmündung (32) eng benachbart ringförmig umschließenden Ausströmöffnung für aus einer Zuleitung (26) zuströmende, unter Druck stehende Luft, deren Ausströmrichtung quer zur Ausströmrichtung des Brennstoffs verläuft, und mit einer Gemischaustrittsöffnung (38), dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnung für die Luft als Ringspalt (44) ausgebildet ist, dessen Ausströmquerschnitt der die Ausmündung (32) für den Brennstoff begrenzenden Fläche des Ventilkopfs (16) gegenüberliegt, und daß anschließend an den Ringspalt (44) mindestens eine den Ventilkopf (16) umgebende Wirbelkammer (52, 52′, 52a, 52b, 52c) angeordnet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Ventilgehäuse mit einer zumindest annähernd rotationssymmetrischen Ventilkammer (22), an deren einem Ende sich die Gemischaustrittsöffnung (38) befindet und deren anderes Ende durch einen Boden (20) begrenzt ist, aus welchem konzentrisch zur Symmetrieachse halsförmig der Endabschnitt (18) der Brennstoffzuleitung (12) vorspringt, der von einer ringförmigen Eintrittskammer (42) für die Luft anschließend an die Zuleitung (26, 26a, 26b) umgeben ist, die in Richtung der Gemischaustrittsöfffnung (38) von einer Trennwand (40) abgeschlossen ist, die mit geringem, den Ringspalt (44) bildendem Abstand über die quer zur Brennstoffaustrittsrichtung verlaufende Stirnfläche (36) des halsförmigen Endabschnitts (18) geführt ist, und daß die Trennwand (40) an den Ringspalt (44) anschließend mit einer stromauf konkaven, eine ringförmige Wirbelkammer (52, 52′, 52a) begrenzenden Wölbung versehen ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Blechstanzteil ausgebildeten Trennwand (40) in Strömungsrichtung benachbart ein deren Wölbung mit einer entgegengesetzten Auswölbung zur Wirbelkammer ergänzendes Stanzteil (54) zugeordnet ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkopf (16) mit einer Profilierung (60, 66b, 66c) zur Begrenzung der zumindest einen Wirbelkammer (52′, 52a, 52b, 52c) versehen ist.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Wirbelkammern (52b, 52c) in Strömungsrichtung im Querschnitt keilförmig erweitert ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wirbelkammern (52a, 52b, 52c) durch Ringspalte (68a, 68b) miteinander verbunden sind.

7. Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (16) an seinem stromab gelegenen Ende mit einer seinen Querschnitt konisch erweiternden Facette (62) versehen ist.