DE4310185C1

DE4310185C1 - Vorrichtung zur Vermischung zweier fluider Medien

Info

Publication number: DE4310185C1
Application number: DE4310185A
Authority: DE
Inventors: Guenther Bernecker
Original assignee: EISERMANN ALOISIA
Current assignee: EISERMANN ALOISIA
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1993-03-29
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2013-03-30

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermischung zweier fluider Medien, mit Merkmalen der im Oberbegriff des Anspruch 1 angegebenen Art.

Bekannt sind in Verbindung mit Brennkraftmaschinen und Brennern die verschie densten Methoden, Luft mit Brennstoff so zu vermischen, daß eine der ge wünschten Zielsetzung, zum Beispiel hohe Leistung, niedriger Schadstoffausstoß, Geräuschemissionsminderung entsprechende Verbrennung erzielbar ist. Den be kannten Systemen haftet jedoch der Mangel an, daß regelmäßig nur begrenzt taugliche Maßnahmen vorhanden sind, um die für die Verbrennung notwendige Luft mit dem Brennstoff in günstiger Weise vermischen zu können. Bei direkt ein spritzenden Brennkraftmaschinen wird beispielsweise versucht, der in den Brenn raum einströmenden Luft eine Drallbewegung aufzuprägen und außerdem über eine Vielloch-Einspritzdüse den Brennstoff möglichst gleichmäßig verteilt in den Brennraum einzubringen, um dieses Ziel zu erreichen. Ähnlich wird bei Vergaser motoren versucht, im Saugrohr eine günstige Vermischung von Kraftstoff und Luft zu erreichen. Auch in Brennern wird üblicherweise versucht, durch entspre chende Zufuhr von Druckluft in die Brennzone eine brauchbare Verbrennung des Brennstoffes zu erzielen. Die Qualität der Verbrennung ist jedoch sehr stark ab hängig von der tatsächlich realisierbaren Zerstäubung des Brennstoffes und dem Grad der Vermischung mit Luft bzw. Sauerstoff. Diesbezüglich ergibt sich aus Sicht der bekannten Lösungen durch aus ein Verbesserungsbedarf.

Desweiteren ist aus der DE 40 08 651 A1 eine Mischkammer zum Vermischen oder Zerstäuben zweier fließfähiger Medien bekannt, die ihrem Aufbau und ihrer Funktion nach nur als Dralldüse zu bezeichnen ist. Dies deshalb, weil die Eintritts öffnungen für das erste Medium in der Mischkammer von je einem federelasti schen Blech abgedeckt sind, das einen Spalt und eine spaltförmige Austrittsdüse zwischen sich und der Kammerwand bildet und dem Medium eine rotatorische Bewegung um die Achse der Mischkammer aufprägt. Eine besonders innige Ver mischung mit dem einstrahlig in die Mischkammer eingeleiteten anderen Medi um ist dabei nicht erzielbar, zumindest nicht im Sinne einer Zerstäubung des ei nen Mediums und einer günstigen Vermischung mit dem anderen Medium sowie einer gezielten Weiterleitung der gemischten Medien.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Vermischung von Brennstoff und Luft zu schaffen, die mit einfachen Mitteln eine Aufbereitung des Brennstoffes in dem Sinne ermöglicht, daß die nachfolgende Verbrennung mit besseren Ergebnissen als bisher abläuft.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im An spruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen ge kennzeichnet.

Ein erster Vorteil aus Kostensicht ist jener, daß die Erfindung mit einer vergleichs weise einfachen Ein-Strahl-Düse auskommt, mithin beispielsweise im Falle von Brennstoffeinspritzvorrichtungen auf komplizierte und teure Mehrloch- Einspritzdüsen verzichtet werden kann. Mit besonderem Vorteil jedoch wird mit der dem Austrittsbereich der Ein-Strahl-Düse nachgeordneten Mikrozerstäuber düse eine sehr intensive Anreicherung des Brennstoffes mit Luft (Sauerstoff) so wie eine mikrofeine Zerstäubung des Brennstoffes erreicht. Dieses solchermaßen mit Luft angereicherte, mikrofein zerstäubte Brennstoff-Luft-Gemisch tritt dann unter Druck aus der Mikrozerstäuberdüse aus, zeichnet sich ferner durch eine ho he Zündwilligkeit verbunden mit hoher Energieausnutzung aus und ermöglicht letztendlich, wegen der Anreicherung der Brennstoffteilchen mit reichlich Luft (Sauerstoff) eine optimale Verbrennung. Durch eine entsprechende Regelung bzw. Einstellung der Drücke des Brennstoffs und der Luft besteht zudem auch die Möglichkeit, den Grad der Anreicherung und Zerstäubung zu steuern, was bei spielsweise auch über eine Lambda-Regelung geschehen kann.

Nachstehend ist die erfindungsgemäße Lösung anhand mehrerer in der Zeich nung dargestellter Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich tung,

Fig. 2 die Ausführungsform gemäß Fig. 1 in anderer Anwendung,

Fig. 3 die Ausführungsform gemäß Fig. 1 in einer weiteren Anwen dung,

Fig. 4, 5, 6 und 7 je eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung,

Fig. 8 eine Ansicht der Mikrozerstäuberdüse aus Fig. 7 von hinten, und

Fig. 9 einen Schnitt durch die Mikrozerstäuberdüse gemäß Fig. 8 ent lang der dort eingetragenen Schnittlinie IX-IX.

In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende Teile des besseren Ver ständnisses wegen mit gleichem Bezugszeichen angezogen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus der Kombination einer Ein- Strahl-Düse 1 mit einer sich an deren Austrittsbereich anschließenden Mikrozer stäuberdüse 2. Unter Ein-Strahl-Düse ist dabei eine solche zu verstehen, aus deren Düsenkörper 1/1 das über sie bereitgestellte Medium durch eine zentrale Aus gangsbohrung 1/2 austritt. Bei diesem Medium kann es sich je nach Anwendungs fall um flüssigen Brennstoff jedweder Art oder Druckluft handeln. Die Mikrozer stäuberdüse 2 kann ein- oder mehrteilig ausgebildet und vorne an der Ein-Strahl- Düse 1 angeschraubt oder zumindest teilweise in die Ein-Strahl-Düse, dort an de ren vorderem Ende integriert sein. Grundsätzlich kann somit die Ein-Strahl-Düse 1 zur Bereitstellung eines Brennstoffstrahles ausgebildet und mit einer Mikrozer stäuberdüse 2 kombiniert sein, die zur Zuspeisung mehrerer Druckluftstrahlen in den die Ein-Strahl-Düse 1 verlassenden Brennstoffstrahl dient. Alternativ hierzu kann die Ein-Strahl-Düse 1 grundsätzlich auch zur Bereitstellung eines Druckluft strahles ausgebildet und mit einer Mikrozerstäuberdüse 2 kombiniert sein, die zur Zuspeisung mehrerer Brennstoffstrahlen in den die Ein-Strahl-Düse 1 verlas senden Brennstoffstrahl dient.

Grundsätzlich weist die Mikrozerstäuberdüse 2 eine zentrale, sich an die Aus gangsbohrung 1/2 der Ein-Strahl-Düse 1 in koaxialer Verlängerung derselben an schließende Durchgangsbohrung 3 und eine Mischkammer 4 auf, die durch eine radiale Erweiterung der Durchgangsbohrung 3 gebildet ist. In dieser Mischkam mer 4 führen eingeleitete und dort zentrisch aufeinander treffende Brennstoff- und Luftstrahlen zu einer innigen Brennstoff-Luftvermischung und Brennstoff- Feinzerstäubung. Zu diesem Zweck sind in der Mikrozerstäuberdüse 2 ein Vorla geraum 5 und davon abgehende sowie in die Mischkammer 4 ausmündende Strahlkanäle 6 für das auszubringende Medium gegeben. Die Strahlkanäle 6 sind durch Bohrungen realisiert, die gleichmäßig um die Mischkammer 4 verteilt in diese ausmünden. Dabei können zwei, drei, vier, sechs oder acht Strahlkanäle 6 vorgesehen sein, wobei bei zwei Strahlkanälen 6 diese um 180°, bei drei Strahlka nälen 6 diese um 120°, bei vier Strahlkanälen 6 diese um 90°, bei sechs Strahlkanä len 6 diese um 60° und bei acht Strahlkanälen 6 diese um 45° winkelmäßig zuein ander versetzt sind. Dabei können die Strahlkanäle 6 und deren Austrittsöffnun gen so verlaufen, daß die in die Mischkammer 4 austretenden Medium-Strahlen den aus der Ein-Strahl-Düse austretenden und zentral in die Mischkammer 4 ein geleiteten Strahl dort im wesentlichen senkrecht treffen. Im Fall gemäß Fig. 5 bei spielsweise sind die Strahlkanäle 6 direkt radial in einer senkrechten Ebene zur Rotationsachse angeordnet. Im Fall gemäß Fig. 7, 8, 9 sind die Strahlkanäle 6 achsparallel zur Rotationsachse angeordnet und die aus diesen Strahlkanälen 6 austretenden Strahlen werden durch eine Kante der Mischkammer 4 senkrecht zur Rotationsachse hin umgelenkt. In einer weiteren Alternative können die Strahlkanäle 6 auch so verlaufen, daß die in die Mischkammer 4 austretenden Strahlen schräg nach vorne gerichtet auf den aus der Ein-Strahl-Düse 1 aus- und in die Mischkammer 4 eintretenden Strahl treffen, welche Ausführungsform in den Beispielen gemäß Fig. 1, 2, 3,4 und 5 gegeben ist.

Im Fall des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 7 bis 9 ist die Mikrozerstäuberdüse 2 einteilig ausgebildet und weist ein Innengewinde 7, mit dem sie vorne an der Ein- Strahl-Düse 1 an einem dort gegebenen Außengewinde 8 aufgeschraubt ist, so wie einen Speisekanal mit Anschluß 12 für das in den Vorlageraum 5 einzuleiten de Medium auf.

Im Fall der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1, 2, 3,4 und 5 ist die Mikrozerstäu berdüse 2 zweiteilig ausgebildet und besteht aus einer Außenhülse 9 und einem Innenstück 10. Die Außenhülse 9 weist dabei ein Innengewinde 11 für die An schraubung an der Ein-Strahl-Düse 1 und einen Speisekanal mit Anschluß 12 für das in den Vorlageraum 5 einzuleitende Medium auf. Das Innenstück 10 weist die zentrale Durchgangsbohrung 3, die Mischkammer 4, den in Form wenigstens ei ner außen umlaufenden Ringnut gebildeten Vorlageraum 5 und die Strahlkanäle 6 auf. Das Innenstück 10 ist in Anbaulage der Mikrozerstäuberdüse 2 vorne an einer Schulter 13 der Außenhülse 9 sowie hinten an der vorderen Stirnfläche 14 der Ein-Strahl-Düse 1 abgestützt. Der Vorlageraum 5 ist dabei außen von der In nenwand 16 der Außenhülse 9 begrenzt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist der sich an die Mischkammer 4 im Innenstück 10 vorn anschließende Durch trittskanal 15 in der Außenhülse 9 zusätzlich nach Art eines Venturirohres ausge bildet.

In einer weiteren alternativen Ausgestaltung besteht auch die Möglichkeit, wie aus Fig. 6 ersichtlich, die Mikrozerstäuberdüse 2 zumindest teilweise in die Ein- Strahl-Düse 1, dort in deren vorderen Endbereich zu integrieren. Dabei sind am vorderen Endbereich der Ein-Strahl-Düse 1 der in Form einer außen umlaufenden Ringnut realisierte Vorlageraum 5, die in koaxialer Verlängerung der Ausgangs bohrung 1/2 verlaufende Durchgangsbohrung 3, die Mischkammer 4 und die Strahlkanäle 6 der Mikrozerstäuberdüse 2 ausgebildet. Die solchermaßen gestal tete Ein-Strahl-Düse 1 ist in eine den Vorlageraum 5 außen begrenzende Aufnah mebohrung 17 eines Düsengehäuses bzw. Trägerorganes 18 eingeschraubt und vor sowie hinter dem Vorlageraum 5 durch Dichtungen 19, 20, die einen Austritt des Mediums aus letzteren verhindern, abgedichtet. Der Vorlageraum 5 ist an ei ne durch den Düsenkörper der Ein-Strahl-Düse 1 oder das Düsengehäuse bzw. Trägerorgan 18 gehenden Speisekanal 21 mit dem über die Strahlkanäle 6 auszu bringenden Medium versorgbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in Brennkraftmaschinen verschiedenster Bauart oder Brennern für Haushalts- und Industriezwecke anwendbar. Die Aus führungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen gemäß Fig. 1, 2,4, 6 und 7 bis 9 sind sowohl in einem Brenner-System als auch einem Vergaser verwend bar, welch letzterer einem Ottomotor vorgeordnet ist. Die Druckluftzufuhr in die Mischkammer 4 kann dabei kontinuierlich oder durch eine spezielle Steuerein richtung getaktet sein. Die Brennstoffzufuhr in die Mischkammer 4 kann dabei freisaugend oder kontinuierlich oder durch eine spezielle Steuereinrichtung takt weise erfolgen. Die Ausführungsformen der Fig. 3 und 5 kommen in Verbindung mit der Brennstoffeinspritzvorrichtung einer direkt einspritzenden Brennkraft maschine zur Anwendung, wobei die Brennstoffzufuhr in die Mischkammer 4 durch die taktweise gesteuerte Ventilnadel 1/3 der Ein-Strahl-Düse 1 und die Druckluftzufuhr in die Mischkammer 4 auf die Taktung der Düsennadel 1/3 abge stellt entsprechend taktweise durch eine Steuereinrichtung gesteuert erfolgt.

Ersichtlicherweise läßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Variierung so wohl des Druckes und der Menge des Brennstoffes als auch eine Variierung des Druckes der in die Mischkammer 4 einzuspeisenden Druckluft zu, so daß hier durch gezielt der Grad der Vermischung von Brennstoff mit Luft und der Zerstäu bung des Brennstoffes regelbar ist, beispielsweise auch im Sinne der Herbeifüh rung eines bestimmten Brennstoff-Luft-Verhältnisses (Lambda-Regelung).

Claims

1. Vorrichtung zur Vermischung zweier fluider Medien, wobei das erste Medi um ein Brennstoff und das zweite Medium Luft ist oder umgekehrt, mit ei ner Ein-Strahl-Düse, die eine zentrale Zutrittsbohrung für das unter Druck zugeführte erste Medium aufweist, mit einer zentralen Mischkammer, mit einer Zuleitung für das unter Druck zugeführte zweite Medium und mit ei ner Austrittsöffnung für das Brennstoff/Luft-Gemisch, wobei das erste Me dium und das zweite Medium in der Mischkammer zentrisch aufeinander treffen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mikrozerstäuberdüse (2) vorge sehen ist, deren zentrale Durchgangsbohrung (3) für das erste Medium sich an den Austritt (1/2) der Ein-Strahl-Düse (1) anschließt, daß die Mischkam mer (4) sich an die zentrale Durchgangsbohrung (3) anschließt und in der Mikrozerstäuberdüse (2) ausgebildet ist und daß die Zuleitung für das zwei te Medium durch Kanäle (6) in der Mikrozerstäuberdüse (2) erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein-Strahl- Düse (1) zur Bereitstellung eines Brennstoffstrahles und die Mikrozerstäu berdüse (2) für eine Zuspeisung mehrerer Druckluftstrahlen in den die Ein- Strahl-Düse (1) verlassenden und über die Durchgangsbohrung (3) in die Mischkammer (4) eingeleiteten Brennstoffstrahl ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein-Strahl- Düse (1) zur Bereitstellung eines Druckluftstrahles und die Mikrozerstäuber düse (2) für eine Zuspeisung mehrerer Brennstoffstrahlen in den die Ein- Strahl-Düse (1) verlassenden und über die Durchgangsbohrung (3) in die Mischkammer (4) eingeleiteten Druckluftstrahl ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mikrozerstäuberdüse (2) die Mischkammer (4) durch eine radiale Erweiterung der zentralen Durchgangsbohrung (3) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Mikrozerstäuberdüse (2) ein Vorlageraum (5) und davon abge hende sowie in die Mischkammer (4) ausmündende Strahlkanäle (6) für das auszubringende Medium vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlkanä le (6) gleichmäßig um die Mischkammer (4) verteilt in diese ausmünden, mithin

- bei zwei Strahlkanälen (6) diese um 180°,
- bei drei Strahlkanälen (6) diese um 120°,
- bei vier Strahlkanälen (6) diese um 90°,
- bei sechs Strahlkanälen (6) diese um 60°, und
- bei acht Strahlkanälen (6) diese um 45°

winkelmäßig zueinander versetzt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlkanäle (6) so, daß die in die Mischkammer (4) austretenden Strahlen den zentral in die Mischkammer (4) eingeleiteten Strahl im wesent lichen senkrecht treffen, angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlkanäle (6) so, daß die in die Mischkammer (4) austretenden Strahlen schräg nach vorn gerichtet auf den zentral in die Mischkammer (4) eingeleiteten Strahl treffen, angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrozer stäuberdüse (2) einteilig ausgebildet ist und ein Innengewinde (7) aufweist, mit dem sie vorne an der Ein-Strahl-Düse (1) an einem dort gegebenen Au ßengewinde (8) aufgeschraubt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrozer stäuberdüse (2) zweiteilig ausgebildet ist und aus einer Außenhülse (9) und einem Innenstück (10) besteht, wobei die Außenhülse (9) ein Innengewin de (11) für Anschraubung an der Ein-Strahl-Düse (1) und einen Speisekanal mit Anschluß (12) für das in den Vorlageraum (5) einzuleitende Medium aufweist, und wobei das Innenstück (10) die zentrale Durchgangsboh rung (3), die Mischkammer (4), den in Form wenigstens einer außen umlau fenden Ringnut gebildeten Vorlageraum (5) und die Strahlkanäle (6) auf weist, und wobei das Innenstück (10) in Anbaulage vorne an einer Schul ter (13) der Außenhülse (9) sowie hinten an der vorderen Stirnfläche (14) der Ein-Strahl-Düse (1) abgestützt sowie der Vorlageraum (5) außen von der In nenwand (16) der Außenhülse (9) begrenzt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich an die Mischkammer (4) im Innenstück (10) vorn anschließender Durchtrittska nal (15) in der Außenhülse (9) nach Art eines Venturirohres ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrozer stäuberdüse (2) zumindest teilweise in die Ein-Strahl-Düse (1), dort in deren vorderen Endbereich integriert ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderen Endbereich der Ein-Strahl-Düse (1) der in Form einer außen umlaufenden Ringnut realisierte Vorlageraum (5), die in koaxialer Verlängerung der Aus gangsbohrung (1/2) verlaufende Durchgangsbohrung (3), die Mischkam mer (4) und die Strahlkanäle (6) der Mikrozerstäuberdüse (2) ausgebildet sind, wobei die solchermaßen ausgestaltete Ein-Strahl-Düse (1) in eine den Vorlageraum (5) außen begrenzende Aufnahmebohrung (17) eines Düsen gehäuses bzw. Trägerorganes (18) eingeschraubt und vor sowie hinter dem Vorlageraum (5) durch Dichtungen (19, 20) abgedichtet ist, und wobei zum Vorlageraum (5) durch den Düsenkörper (1/1) der Ein-Strahl-Düse (1) oder das Düsengehäuse bzw. Trägerorgan (18) ein Speisekanal (21) für Zuleitung des über die Strahlkanäle (6) auszubringenden Mediums führt.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch ihre Ver wendung in Verbindung mit der Brennstoffeinspritzvorrichtung einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einem Vergaser, der einem Ottomotor vorgeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, gekennzeichnet durch ihre Verwendung in einem Brenner für Haushalts- oder Industriezwecke.