DE3713253A1

DE3713253A1 - Ultraschallzerstaeuberanlage

Info

Publication number: DE3713253A1
Application number: DE19873713253
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Anders; Werner Dipl Phys Dr Bez; Arnold Prof Dr Rer Nat Frohn; Helmut Dipl Phys Dr Schwarz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1986-07-23
Filing date: 1987-04-18
Publication date: 1988-02-04
Also published as: GB8717496D0; GB2192935B; GB2192935A; US4742810A; FR2601889A1; FR2601889B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Ultraschallzerstäuberanlage für Flüssigkeiten nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind bereits Ultraschallzerstäuberanlagen bekannt, die beispielsweise zur Einspritzung von Kraftstoff bei Brennkraftmaschinen Verwendung finden und bei denen Ultraschallschwingungen verwendet werden, um den aus Ultraschallzerstäuberdüsen auftretenden Flüssigkeitsstrahl durch die Schwingungen in kleine Tröpfchen aufzubrechen. Dabei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die Durchmesser der durch die Ultraschallzerstäuberdüse erzeugten Flüssigkeitströpfchen in einem sehr weiten Bereich streuen, was in vielen Anwendungsbereichen als nachteilig anzusehen ist. So ist bei einer Anwendung dieser bekannten Ultraschallzerstäuberdüse zur Kraftstoffversorgung in Brennkraftmaschinen nachteilig, daß sich aufgrund dieser unterschiedlichen Tröpfchenstrukturen kein optimal aufbereitetes Kraftstoff-Luft-Gemisch ergibt und eine ungleiche Gemischverteilung auf die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine erfolgt. Außerdem ist für jeden Zylinder der Brennkraftmaschine eine Ultraschallzerstäuberdüse mit einem Ultraschallschwinger erforderlich.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Ultraschallzerstäuberanlage mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß auf einfache Art und Weise die Erzeugung auch großer Flüssigkeitsmengen als Aerosol, insbesondere auch mit monodispersen Tröpfchen, also Tröpfchen gleichen Durchmessers durch einen Ultraschallschwinger an verschiedenen Einspritzstellen gewährleistet wird. Insbesondere dient eine derartige Ultraschallzerstäuberanlage zur Erzeugung eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches in einer Gemischbildungseinheit einer Brennkraftmaschine und zur gleichmäßigen Kraftstoffverteilung auf die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Ultraschallzerstäuberanlage möglich.

In einer vorteilhaften Ausführung kann die Transportleitung aus elastischem Material gefertigt werden und zur Übertragung der Schwingungen vom Ultraschallschwinger zu jeder Düse dient je ein metallener Verbindungsstrang.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 1 und 2 Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 und 2 ist eine Ultraschallzerstäuberanlage schematisch dargestellt, die bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen zur Zerstäubung von Kraftstoff zur Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches für eine Brennkraftmaschine dient. Hierfür weist die Ultraschallzerstäuberanlage ein Zerstäubergehäuse 2 auf, das einen Druckraum 3 umschließt und von dem mehrere Transportleitungen 4 abzweigen und zu je einem Luftansaugrohr 5 führen, insbesondere vor die Einlaßventile der Brennkraftmaschine. Die Transportleitungen 4 münden dabei über Düsen 6 in die Luftansaugrohre 5, in deren Stirnseiten 7 mehrere Spritzöffnungen 8 vorgesehen sind, die alle einen gleichen Durchmesser d _G haben. Die Spritzöffnungen 8 führen vom Innern der Düse 6 nach außen und sind beispielsweise durch Laserstrahl-Bohren gefertigt. Die erforderliche Anzahl der Spritzöffnungen 8 bestimmt sich aus der Flüssigkeitsmenge, im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Kraftstoffmenge, die maximal abgespritzt bzw. vernebelt werden soll. Zur Bildung des der nicht dargestellten Brennkraftmaschine zuzuführenden Kraftstoff-Luft-Gemisches ist die Düse 6 so an oder in jedem Luftansaugrohr 5 der Brennkraftmaschine angeordnet, daß die strömende Ansaugluft sich intensiv mit den aus den Düsen 6 austretenden Kraftstofftröpfchen 9 zur Bildung eines homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisches vermischt. Die Versorgung der Ultraschallzerstäuberanlage mit Kraftstoff erfolgt durch eine Kraftstoffpumpe 10, die über eine Ansaugleitung 11 Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter 12 ansaugt und mit Druck in eine Kraftstoffversorgungsleitung 13 fördert, die zu dem Zerstäubergehäuse 2 führt. In der Kraftstoffversorgungsleitung 13 kann zwischen dem Zerstäubergehäuse 2 und der Kraftstoffpumpe 10 oder integriert in das Zerstäubergehäuse 2 ein Kraftstoffzumeßelement 15 angeordnet sein, das in bekannter Weise eine feste oder variable Drosselstelle enthält, die elektromagnetisch oder mechanisch über ein Betätigungsglied 16 in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine betätigbar ist. Das Betätigungsglied 16 des Kraftstoffzumeßelementes 15 kann dabei in bekannter Weise beispielsweise durch eine im Luftansaugrohr 5 angeordnete Drosselklappe oder ein im Luftansaugrohr 5 angeordnetes Luftmeßorgan axial verschoben oder verdreht werden. Bei einer elektromagnetischen Betätigung des Kraftstoffzumeßelementes 15 erfolgt die Ansteuerung durch ein elektronisches Steuergerät 17, dem in elektrische Signale umgewandelte Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine wie beispielsweise Last 18, Ansaugluftmenge 19, Temperatur 20 u. a. eingebbar sind.

Am Zerstäubergehäuse 2 ist ein Ultraschallschwinger 22 angeordnet, der beispielsweise als piezokeramischer Schwinger ausgebildet mit einem Schwingteller 23 in den Druckraum 3 ragt und durch das elektronische Steuergerät 17 in Abhängigkeit von Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine ansteuerbar ist. Der Ultraschallschwinger 22 kann natürlich auch in das Zerstäubergehäuse 2 integriert sein. Der unter Druck in dem Druckraum 3 des Zerstäubergehäuses 2 sich befindliche Kraftstoff strömt über die Schwingungen übertragenden Transportleitungen 4 zu den Düsen 6 und tritt aus diesen über die Spritzöffnungen 8 als feiner Kraftstoffstrahl aus, wobei er durch den Ultraschallschwinger 22 zu einem Zerfall in Tröpfchen angeregt wird, und zwar zu einem Zerfall von Tröpfchen mit gleichen Durchmessern d _T. Es treten also monodisperse Tröpfchen in das Luftansaugrohr 5 der Brennkraftmaschine ein und vermischen sich mit der angesaugten Luft zu einem homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Ultraschallschwingers 22 durch das elektronische Steuergerät 17 in Abhängigkeit von den Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine mit Wellenlängen λ, die zu einem Zerfall der aus den Spritzöffnungen 8 austretenden Flüssigkeitsstrahlen unter Bildung von Tröpfchen mit gleichen Durchmessern führen. Dabei liegt der zulässige Bereich der Wellenlängen λ der Schwingungen des Ultraschallschwingers 22 zur Erzeugung von Tröpfchen mit gleichen Durchmessern zwischen einer minimalen Wellenlänge λ _min und einer maximalen Wellenlänge λ _max. Die minimale Wellenlänge λ _min bestimmt sich aus dem Produkt aus dem Durchmesser d _G der Spritzöffnungen 8 mit Pi ( Π ). Die maximale Wellenlänge λ _max zur Bildung von Tröpfchen mit gleichen Durchmessern beträgt das sechsfache Produkt aus dem Durchmesser d _G der Spritzöffnungen 8 mit Pi ( Π ), also dem sechsfachen Betrag der minimalen Wellenlänge λ _min. Dabei ergibt sich für die minimale Wellenlänge λ _min des Ultraschallschwingers 22 der kleinste Durchmesser d _T der monodispersen Tröpfchen.

Das durch eine Spritzöffnung 8 durchgesetzte Kraftstoffvolumen pro Zeiteinheit beträgt:

= Π/4 · d _G² · v _G

mit v _G als mittlere Geschwindigkeit des Kraftstoffes in der Spritzöffnung 8. Dabei hängt die mittlere Geschwindigkeit v _G des Kraftstoffes in der Spritzöffnung 8 von dem Druckgefälle zwischen dem Druckraum 3 und dem Luftansaugrohr 5 ab.

Die Wellenlänge λ der auf den aus der Spritzöffnung 8 austretenden Kraftstoffstrahl aufgebrachten Schwingung beträgt:

λ = v _G/f _G

mit f _G als Anregungsfrequenz des Ultraschallschwingers 22.

Der jeweils gleiche Durchmesser d _T der Kraftstofftröpfchen ergibt sich zu

Unter Berücksichtigung der beiden oben angeführten Formeln ergibt sich daraus der Durchmesser der Kraftstofftröpfchen zu

Erfindungsgemäß wird, wie bei den Ausführungsbeispielen dargestellt, für alle metallenen Düsen 6 zugleich die Schwingungsanregung zentral in dem, insbesondere metallenen Zerstäubergehäuse 2 durch einen einzigen Ultraschallschwinger 22 vorgenommen. Dabei können, wie bei der in Fig. 1 links dargestellten Transportleitung 4, die Transportleitungen 4 aus einem die Schwingungen zu den Düsen 6 übertragenden Material gefertigt sein, beispielsweise aus Metall, wie Stahl. Bei einer anderen Ausbildung, wie bei der in Fig. 1 rechts dargestellten Transportleitung 4, können die Transportleitungen 4 aus einem elastischen Material gefertigt sein, und ein gestrichelt dargestellter metallener Verbindungsstrang 24 erstreckt sich innen oder außen entlang jeder Transportleitung, wobei jeder Verbindungsstrang 24 einerseits mit dem Zerstäubergehäuse 2 und andererseits mit der jeweiligen Düse 6 verbunden ist oder in dem Inneren der jeweiligen Düse 6 endet. Der metallene Verbindungsstrang 24 kann beispielsweise auch als Stahldraht in eine aus Kunststoff gefertigte Transportleitung 4 eingelegt sein. In der Zeichnung verläuft der metallene Verbindungsstrang 24 entlang des Umfanges der Transportleitung 4. Jeder metallene Verbindungsstrang 24 ist geeignet, die erzeugten Schwingungen auf die Flüssigkeit in den einzelnen Düsen 6 zu übertragen.

Bei einer weiteren, in Fig. 2 rechts dargestellten Ausbildung sind die Transportleitungen 4 aus einem elastischen Material gefertigt und je ein metallener, Schwingungen übertragender Verbindungsstrang 24 a ist mit dem Ultraschallschwinger 22 und am anderen Ende mit je einer Düse 6 verbunden. Es genügt auch, wenn das dem Ultraschallschwinger abgewandte Ende des Verbindungsstranges 24 a nur in die Flüssigkeit innerhalb jeder Düse 6 ragt.

Bei der in Fig. 2 links dargestellten Ausbildung ist die Transportleitung 4 ebenfalls aus elastischem Material gefertigt und ein metallener, Schwingungen übertragender Verbindungsstrang 24 b ist einerseits mit dem Schwingteller 23 des Ultraschallschwingers 22 und andererseits mit einer Düse 6 verbunden. Die Verbindungsstränge 24 a und 24 b sind vorzugsweise innerhalb der Transportleitungen 4 geführt. Ausreichend ist es ebenfalls, wenn das dem Schwingteller 23 abgewandte Ende des Verbindungsstranges 24 b nur in die sich in jeder Düse 6 befindliche Flüssigkeit ragt.

Claims

1. Ultraschallzerstäuberanlage für Flüssigkeiten, insbesondere zur Zerstäubung von in Brennkraftmaschinen einzuspritzendem Kraftstoff, mit einem Flüssigkeit unter Druck aufnehmenden Zerstäubergehäuse und einem auf die aus dem Zerstäubergehäuse austretende Flüssigkeit wirkenden Ultraschallschwinger, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Zerstäubergehäuse (2) mehrere Transportleitungen (4) verbunden sind, die Flüssigkeit vom Zerstäubergehäuse (2) zu je einer am anderen Ende jeder Transportleitung (4) angeordneten Düse (6) mit mindestens einer Spritzöffnung (8) leiten und daß die vom Ultraschallschwinger (22) ausgehenden Schwingungen auch auf die Flüssigkeit innerhalb jeder Düse (6) wirken.

2. Ultraschallzerstäuberanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Transportleitung (4) aus einem Schwingungen übertragenden Material gefertigt ist.

3. Ultraschallzerstäuberanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Transportleitung (4) aus elastischem Material gefertigt und mit dem Ultraschallschwinger (22, 23) ein metallener, Schwingungen übertragender Verbindungsstrang (24 a, 24 b) verbunden ist, der zu jeder Düse (6) führt.

4. Ultraschallzerstäuberanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsstrang (24 b) einerseits mit einem Schwingteller (23) des Ultraschallschwingers (22) verbunden ist.

5. Ultraschallzerstäuberanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verbindungsstrang (24 a, 24 b) innerhalb einer Transportleitung (4) verläuft.

6. Ultraschallzerstäuberanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Transportleitung (4) aus elastischem Material gefertigt ist und innerhalb oder außerhalb jeder Transportleitung (4) ein metallener, Schwingungen übertragender Verbindungsstrang (24) verläuft, der mit dem Zerstäubergehäuse (2) verbunden ist und der zu je einer der Düsen (6) führt.

7. Ultraschallzerstäuberanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse (6) mehrere Spritzöffnungen (8) gleichen Durchmessers (d _G ) hat und die auf die aus den Spritzöffnungen (8) austretenden Flüssigkeitsstrahlen wirkenden Schwingungen eine Wellenlänge ( λ ) haben, die zu einem Zerfall der austretenden Flüssigkeitsstrahlen unter Bildung von Tröpfchen (9) mit gleichen Durchmessern (d _T ) führen.

8. Ultraschallzerstäuberanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Düse (6) in ein Luftansaugrohr (5) vor jedem Einlaßventil einer Brennkraftmaschine mündet.