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WO1995025601A1 - Vorrichtung zur zumessung und zerstäubung von fluiden - Google Patents

Vorrichtung zur zumessung und zerstäubung von fluiden Download PDF

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Publication number
WO1995025601A1
WO1995025601A1 PCT/DE1995/000369 DE9500369W WO9525601A1 WO 1995025601 A1 WO1995025601 A1 WO 1995025601A1 DE 9500369 W DE9500369 W DE 9500369W WO 9525601 A1 WO9525601 A1 WO 9525601A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nozzle
metering
fuel
unit
nozzle plate
Prior art date
Application number
PCT/DE1995/000369
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Randolf Mock
Andreas Kappel
Hans Meixner
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO1995025601A1 publication Critical patent/WO1995025601A1/de

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B05B17/0638—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers spray being produced by discharging the liquid or other fluent material through a plate comprising a plurality of orifices
    • B05B17/0646—Vibrating plates, i.e. plates being directly subjected to the vibrations, e.g. having a piezoelectric transducer attached thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F02M61/1853—Orifice plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/04—Injectors peculiar thereto
    • F02M69/041—Injectors peculiar thereto having vibrating means for atomizing the fuel, e.g. with sonic or ultrasonic vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/34—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by ultrasonic means or other kinds of vibrations
    • F23D11/345—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space by ultrasonic means or other kinds of vibrations with vibrating atomiser surfaces

Definitions

  • the invention relates to a device for metering and atomizing fuel for use in internal combustion engines.
  • a fuel injector for a combustion engine with controllable characteristics of the fuel jet is known.
  • a valve element is moved by means of a piezo element and acts on the nozzle of the fuel injection valve in an opening or closing manner.
  • a fuel atomization is superimposed on this fuel metering.
  • a second piezo element excites the nozzle to oscillate, which leads to accelerated jet decay. If a change in the decay characteristics of the fuel jet is to be brought about, a new injection valve with a modified nozzle must be built, since this cannot be separated from the metering unit. Furthermore, a change in the nozzle geometry has a direct effect on the metering quantity. Thus, two interdependent parameters have to be taken into account when choosing the geometry, which increases the requirements for the development of the nozzle enormously.
  • the object of the invention is to create a device in which the atomization of the fuel jet can be set independently of the fuel metering.
  • a training designed according to claim 2 has the advantage of a ready-to-install installation unit.
  • the development according to claim 3 has the advantage that the atomizer units are encapsulated by dirt and liquids are and the electrical connection of the piezo elements with the control electronics can be made easily.
  • a development designed according to claim 4 has the advantage that the atomizer unit can actively influence the jet atomization.
  • a drive element chosen according to claim 5 is particularly well suited because of its short reaction time.
  • FIG. 1 shows an injection module in cross section
  • FIG. 2 shows the enlarged support plate of the atomizer unit
  • FIG. 3 shows an assembly consisting of a plurality of metering units, a corresponding number of atomizing units and control electronics,
  • FIG. 5 shows the jet decay in the case of a round nozzle hole compared to that in the case of a rectangular nozzle hole
  • FIG. 6 shows a possible combination of different nozzle hole diameters in a nozzle plate, 7a to 7c the basic galvanoplastic production process for a nozzle plate,
  • Figure 8a, 8b a nozzle with a square nozzle hole in plan view and in cross section in the anisotropic
  • 9a, b show a conventional nozzle in comparison to several novel nozzles in plan view and in cross section.
  • the device as shown in Fig • 1, is suitable for metering and atomizing fuel for internal combustion engines.
  • a valve needle VN is movably mounted in a valve housing V. It can be driven by means of the mechanism described in patent application P 43 06 073.0.
  • the fuel flows through a channel K in the direction of the sealing seat DS. If the valve needle VN presses on the sealing seat DS, the fuel flow is inhibited. If the valve needle VN is lifted from the sealing seat DS, the fuel flows out through the metering opening ZMO in the sealing seat DS, the atomizer opening ZSO in the nozzle plate DP and through the bore in the cover plate D.
  • the screws provided in the threaded holes S press the cover plate D, the leaf spring BF and the earring OR against the carrier plate TP, which is supported on a piezo actuator P.
  • the piezo actuator P is mounted in a housing G.
  • the piezo actuator P is held under static pressure by the pressure exerted on the leaf spring BF and the carrier plates TP by the screw connection.
  • a nozzle plate DP is embedded in the carrier plate TP.
  • the path between the metering opening ZMO and nozzle plate DP should be kept as short as possible.
  • the carrier plate TP shown enlarged in FIG. 2 is drawn in cross section.
  • the nozzle plate DP with its atomizer opening ZSO is arranged on its outside.
  • the atomizer units are arranged on the mounting plate MP.
  • the control electronics E are also located there in connection with the contact pins KS. Since the piezo actuators P are freely accessible, the electrical connections V between the control electronics E and the piezo actuators P can be easily established. The plug otherwise required for each atomizer unit can thus be omitted. Only a single plug with the KS contact pins is required to control the electronics E and thus all atomizer units.
  • the electronics are supplied via the on-board voltage network.
  • the control signal ST is used to control the electronics and thus the piezo actuators P.
  • the piezo actuators are supported on the housing cover GD.
  • threaded holes are provided in the housing cover GD, so that the metering units can each be detachably connected to the atomizing units by means of a screw connection SV. This means that a complete range of injection modules is available.
  • FIG. 4 shows a thin sheet metal membrane DP (orifice disk), also referred to as a nozzle plate or atomizing plate, which has a circular opening ZSO in the center with a very narrowly tolerated geometry and is arranged on the outside of the carrier plate TP.
  • the hole diameter d of the metering opening ZSO has a tolerance in the range of 1 ⁇ m and a precisely defined corner rounding of the hole edge.
  • the membrane DP with the atomizer opening ZSO is placed on a carrier plate TP.
  • the nozzle plate DP can be connected to the carrier plate TP by welding, for example. This rests on a drive element P, a piezoceramic.
  • a periodic voltage for example a sinusoidal voltage
  • the carrier plate TP and the membrane DP are forced to oscillate, ie not resonantly.
  • this forced movement of the membrane DP leads to the decay of the fuel jet into small drops.
  • the optimal excitation frequency is approximately 5 kHz, but an effective excitation of the nozzle plate DP for jet decay can also be achieved with other frequencies.
  • the membrane DP can be shaped in the form of a dome in the manufacture to determine the radiation direction.
  • the invention relates in particular to a low-pressure injection with approximately 1 to 10 bar.
  • the field of application of the invention is not limited to the metering and atomization of fuel for internal combustion engines, but can be used wherever a fluid has to be metered exactly and the possibility of atomization must be given.
  • the excitation frequency F of the control signal, with which the piezo element P is driven and which in turn sets the atomizing plate ZP in vibration, is to be matched to the atomizing hole diameter d of the atomizing plate DP.
  • FIGS. 4a-1 show various nozzle plates DP which are suitable for supporting the jet decay.
  • the nozzle plate DP as shown in FIG. 4a, has several round openings, the diameter d of which is less than 10 ⁇ m.
  • the aspect ratio is approximately 1.5 to 5, i.e. the length of the nozzle hole D ⁇ (FIG. 9) is many times larger than the nozzle hole diameter d.
  • FIGS. 4g and 41 Further particularly suitable hole shapes are shown in FIGS. 4g and 41.
  • the nozzle plate holes can have almost any shape. The asymmetry of the flow and surface tension forces induced in the case of a non-circular cross-sectional area of the emerging fuel jet leads, as shown in FIG.
  • a nozzle cross-sectional shape that deviates from the circular shape causes the liquid jet to disintegrate into individual drops earlier.
  • the liquid emerging from a round nozzle hole disintegrates into individual drops at a distance l_, whereas a liquid passing through a rectangular cross-sectional shape already disintegrates into individual drops at a distance I2, I2 ⁇ I3 . ,
  • the nozzle plate DP has a large nozzle hole in the center, which is surrounded by many small nozzle holes in the shape of a hexagon.
  • Such nozzle plates DP can be manufactured using the galvanoplastic process using Siemens microstructure technology (MS).
  • MS Siemens microstructure technology
  • FIGS. 7a-c in the case of Siemens microstructure technology, a negative resist NR laminated onto a substrate S is formed by a very thin mask M which was previously connected to the substrate S by photostructuring irradiated with UV light UVL. Synchrotron radiation can also be used to expose the photoresist. The unexposed portion of the photo layer is then washed out in the developer.
  • the former mask M can be galvanically reinforced at the exposed points, the photoresist (negative resist) NR can be molded to almost its full height and the additively produced metal layer GP can be chemically or mechanically separated from NI, CU, AU or AG as the desired flat part .
  • the creation of double nozzles is also possible
  • etching rate which varies greatly according to the crystallographic orientation, is used for certain single-crystal materials, such as silicon and gallium, in certain etching solutions, such as EDP (ethylenediamine) or KOH.
  • etching solutions such as EDP (ethylenediamine) or KOH.
  • FIG. 8 for example a (100) oriented Si substrate is first provided with an etching stop layer on both sides, for example in the form of SiO 2 or Si 3 4, into which one-sided square openings of length Wg are etched, the edges of the exposed ones Areas must be aligned parallel to the crystallographic (110) directions of the substrate.
  • tgi is the thickness of the Si substrate.
  • the nozzles are finally exposed by etching off the SiO 2 or Si3N4 etch stop layer.
  • the production of rectangular nozzle cross-sectional shapes is also possible using this method.
  • FIG. 9a, b shows a comparison of a conventional nozzle in the top view and in cross section (FIG. 9a) in comparison to several hexagonal arranged nozzles as described in the previous one (FIG. 9b).
  • this results in approximately ⁇ 1.5 - 5.
  • nozzle holes with aspect ratios of ⁇ > 0.5 can be produced, cf. Figure 9b.
  • Nozzle hole diameter d of each nozzle is approx. 20 ⁇ m.

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Abstract

Mehrere in einem Gehäuse in Reihe angeordnete Zerstäubereinheiten zur Zerstäubung von Kraftstoff sind mittels einer lösbaren Verbindung (SV) mit den dazugehörigen Zumeßeinheiten (V), welche die Kraftstoffmenge bestimmen, verbunden. In dem Gehäuse ist weiterhin eine Elektronik (E) angeordnet, mit welcher die Zerstäubereinheiten ansteuerbar sind. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, die Kraftstoffzumessung unabhängig von der Zerstäubung einstellen zu können. Der Aufwand für die Herstellung der elektrischen Verbindungen reduziert sich.

Description

Vorrichtung zur Zumessung und Zerstäubung von Fluiden
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Zumessung und Zerstäubung von Kraftstoff für den Einsatz in Ver¬ brennungsmotoren.
Aus der OS-DE 38 33 093 AI ist ein für eine Verbrennungs- kraftmaschine vorgesehene Kraftstoffeinspritzdüse mit steuerbarer Charakteristik des KraftstoffStrahls bekann . Mittels eines Piezoelements wird eine Ventilnadel bewegt, die öffnend oder schließend auf die Düse des Kraftstoffeinspritzventils wirkt. Dieser Kraftstoffzumessung ist eine KraftstoffZerstäubung überlagert. Ein zweites Piezoelement regt die Düse zur Schwingung an, was zu einem beschleunigten Strahlzerfall führt. Soll eine Änderung der Zerfallscharakterstik des Kraftstoffstrahls bewirkt werden, so ist ein neues Einspritzventil mit geänderter Düse zu bauen, da diese nicht von der Zumeßeinheit trennbar ist. Weiterhin wirkt sich eine Änderung der Düsengeometrie direkt auf die Zumeßmenge aus. Somit sind zwei voneinander abhängige Parameter bei der Geometriewahl zu berückksichtigen, was die Anforderung an die Entwicklung der Düse enorm erhöht.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaf¬ fen, bei der die Zerstäubung des KraftstoffStrahls unabhängig von der Kraftstoffzumessung einstellbar ist.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Patentan¬ spruch 1 gelöst.
Eine gemäß Patentanspruch 2 ausgebildete Weiterbildung hat den Vorteil einer montagefertigen Einbaueinheit.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 hat den Vorteil, daß die Zerstäubereinheiten von Schmutz und Flüssigkeiten gekappselt sind und die elektrische Verbindung der Piezoelemente mit der Ansteuerelektronik einfach erfolgen kann.
Eine gemäß dem Patentanspruch 4 ausgebildete Weiterbildung hat den Vorteil, daß die Zerstäubereinheit aktiv Einfluß auf die Strahlzerstäubung nehmen kann.
Ein gemäß Patentanspruch 5 gewähltes Antriebselement eignet sich wegen seiner kurzen Reaktionszeit besonders gut.
Gemäß dem Patentanspruch 6 ist es von Vorteil, den Durchfluß mittels einer Zumeßöffnung zu bestimmen.
Um eine einfache lösbare Verbindung zwischen Zumeßeinheit und Zerstäubereinheit zu erreichen, kann die Vorrichtung nach Pa¬ tentanspruch 7 weitergebildet werden. Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher errläutert.
Dabei zeigt:
Figur 1 ein Einspritzmodul im Querschnitt,
Figur 2 die vergrößerte Trägerplatte der Zerstäubereinheit,
Figur 3 eine Baugruppe bestehend aus mehreren Zumeßeinheiten, entsprechend vielen Zerstäubereinheiten und einer Ansteuerelektronik,
Figur 4a bis 41 eine Auswahl möglicher Düsenplatten mit ver- schiedenen Düsenlöchern,
Figur 5 den Strahlzerfall bei einem runden Düsenloch gegenüber dem bei einem rechteckigen Düsenloch,
Figur 6 eine mögliche Kombination von verschiedenen Düsen- lochdurchmessern in einer Düsenplatte, Figur 7a bis 7c das prinzipielle galvanoplastische Herstel¬ lungsverfahren für eine Düsenplatte,
Figur 8a,8b eine Düse mit quadratischem Düsenloch in der Draufsicht und im Querschnitt beim anisotropen
Ätzverfahren, und
Figur 9a, b eine konventionelle Düse im Vergleich zu mehreren neuartigen Düsen in der Draufsicht und im Quer- schnitt.
Die Vorrichtung, wie in Figur • 1 gezeigt, ist zur Zumessung und Zerstäubung von Kraftstoff für Verbrennungsmotoren geeignet. Eine Ventilnadel VN ist in einem Ventilgehäuse V beweglich gelagert. Sie kann mittels der in der Patentanmeldung P 43 06 073.0 beschriebenen Mechanik angetrieben werden. Der Kraftstoff strömt durch einen Kanal K in Richtung des Dichtsitzes DS. Drückt die Ventilnadel VN auf den Dichtsitz DS, so wird der Kraftstofffluß gehemmt. Wird die Ventilnadel VN vom Dichtsitz DS abgehoben, so strömt der Kraftstoff durch die Zumeßöffnung ZMO im Dichtsitz DS, die Zerstäuberöffnung ZSO in der Düsenplatte DP und durch die Bohrung in der Deckelplatte D nach außen. Die in den Gewindebohrungen S vorgesehenen Schrauben drücken die Deckelplatte D, die Blattfeder BF und den Ohrring OR gegen die Trägerplatte TP, welche sich an einem Piezoaktor P abstützt. Der Piezoaktor P ist in einem Gehäuse G gelagert. Durch den durch die Verschraubung erzeugten Druck auf die Blattfeder BF und die Trägerplatate TP wird der Piezoaktor P unter statischem Druck gehalten. In die Trägerplatte TP ist eine Düsenplatte DP eingelassen. Der Weg zwischen Zumeßöffnung ZMO und Düssenplatte DP ist so klein wie möglich zu halten.
Die in Figur 2 vergrößert gezeigte Trägerplatte TP ist im Querschnitt gezeichnet. Auf ihrer Außenseite ist die Düsen¬ platte DP mit ihrer Zerstäuberöffnung ZSO angeordnet. Je kleiner die Höhe h der Trägerplatte TP gehalten werden kann, desto kleiner ist das Totvolumen.
Für die Montagefreundlichkeit ist es von Vorteil, mehrere Zu- meßeinheiten mit entsprechend vielen Zerstäubereinheiten kom¬ biniert in einem gemeinsamen Gehäuse aneinanderzureihen (Figur 3). Auf der Montageplatte MP werden die Zerstäubereinheiten angeordnet. Weiterhin befindet sich dort die Ansteuerelektronik E in Verbindung mit den Kontaktstiften KS. Da die Piezoaktoren P frei zugänglich sind, können die elektrischen Verbindungen V zwischen der Ansteuerelektronik E und den Piezoaktoren P einfach hergestellt werden. Der sonst für jede Zerstäubereinheit notwendige Stecker kann somit entfallen. Lediglich ein einziger Stecker mit den Kontaktstiften KS ist zur Ansteuerung der Elektronik E und damit aller Zerstäubereinheiten notwendig. Die Elektronik wird über das Bordspannungsnetz versorgt. Mit Hilfe des Steuersignals ST erfolgt die Ansteuerung der Elektronik und damit der Piezoaktoren P. Am Gehäusedeckel GD stützen sich die Piezoaktoren ab. Weiterhin sind im Gehäusedeckel GD Gewindebohrungen vorgesehen, so daß die Zumeßeinheiten jeweils mittels einer Schraubverbindung SV lösbar mit den Zerstäubereinheiten verbunden werden können. Damit steht eine komplette Einspritzmodulreihe zur Verfügung.
Figur 4 zeigt eine dünne Blechmembran DP (Orifice disk) , auch als Düsenplatte oder Zerstäuberplatte bezeichnet, die im Zen¬ trum eine kreisförmige Öffnung ZSO mit sehr eng tolerierter Geometrie aufweist und auf der Außenseite der Trägerplatte TP angeordnet ist. Der Lochdurchmesser d der Zumeßöffnung ZSO weist eine Toleranz im Bereich von lμm und eine genau defi¬ nierte Eckenverrundung des Lochrandes auf. Die Membran DP mit der Zerεtäuberöffnung ZSO wird auf eine Trägerplatte TP ge¬ setzt. Die Düsenplatte DP kann beispielseise durch Schweißen mit der Trägerplatte TP verbunden werden. Diese liegt auf ei¬ nem Antriebselement P, einer Piezokeramik, auf. Legt man an die Piezokeramik P eine periodische Spannung an, beispielsweise eine SinusSpannung, so werden die Trägerplatte TP und die Membran DP zwangsweise, d.h. nicht resonant, in Schwingung versetzt. Diese erzwungene Bewegung der Membran DP führt gemäß einer von Lord Rayleigh entwickelten Theorie der schwingungsindizierten Erzeugung von Flüssigkeitströpfchen zum Zerfall des TreibstoffStrahls in kleine Tropfen. Die optimale Anregungsfrequenz liegt im Falle der Anordnung gemäß Figur 1 bei etwa 5 kHz, jedoch ist eine effektive Anregung der Düsenplatte DP zum Strahlzerfall auch mit anderen Frequenzen erzielbar.
Die Membran DP ist bei der Herstellung zur Bestimmung der Ab¬ strahlrichtung kalottenförmig formbar.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Nieder¬ druckeinspritzung mit etwa 1 bis 10 bar.
Der Einsatzbereich der Erfindung beschränkt sich nicht auf die Zumessung und Zerstäubung von Kraftstoff für Verbren¬ nungsmotoren, sondern ist überall dort einsetzbar, wo ein Fluid exakt zu dosieren ist und die Möglichkeit der Zerstäu¬ bung gegeben sein muß.
Die Anregungsfrequenz F des Steuersignals, mit welchem das Piezoelement P angesteuert wird und das wiederum die Zerstäu¬ berplatte ZP in Schwingung versetzt, ist auf den Zerstäuber¬ lochdurchmesser d der Zerstäuberplatte DP abzustimmen. Je hö¬ her die Anregungsfrequenz F ist, desto kleiner ist die Ein- dringtiefe in die Flüssigkeit. Zwischen der Anregungsfrequenz F und der Zerstäuber-Lochdurchmesser d ergibt sich folgender Zusammenhang:
F2 Mit d = Durchmesser des Düsenlochs und F = Anregungsfrequenz des Piezoele entε, das das Düsenloch ZSO bzw. die Düsenplatte DP in Schwingungen versetzt.
In Figur 4 a - 1 sind verschiedene zur Unterstützung des Strahlzerfalls geeignete Düsenplatten DP dargestellt. Die Düsenplatte DP, wie sie in Figur 4a gezeigt ist, weist mehrere runde Öffnungen auf, deren Durchmesser d weniger als 10 μm betragen. Bei den Düsenplatten DP, wie sie in Figur 4a bis 1 gezeigt sind, liegt das Aspektverhältnis bei ca. 1,5 bis 5, d.h. die Länge des Düsenlochs D^ (Fig. 9) ist gegenüber dem Düsenlochdurchmesser d um ein vielfaches größer. Weitere besonders geeignete Lochformen sind in Figur 4g und 41 abgebildet. Die Düsenplattenlöcher können nahezu beliebige Formen haben. Die bei einer nicht kreisförmigen Querschnittsfläche des austretenden KraftstoffStrahls indu¬ zierte Asymmetrie der Strömungs- und Oberflächenspannungε- kräfte führt, wie in Figur 5 dargestellt, zu einer Ver¬ stärkung der periodischen Aufwellungen des Strahlquer- Schnitts, wodurch der beschleunigte Zerfall der Flüssigkeit in sehr kleine Tropfen bewirkt wird. Bei laminarer Düsen- strömung gelten dabei in erster Näherung folgende Zusammen¬ hänge zwischen dem Tropfenabstand λ, dem Tropfendurchmesser D-p und dem Düsenlochdurchmesser d (bei nicht kreisförmiger Düsenquerschnittsfläche ist anstelle des Düsenlochdurch- messers d der Ersatzdurchmesser einer der Düsenquerschnitts- fläche nach äquivalenten kreisförmigen Düse zu verwenden) :
λ = 4,5 • d Dτ s 1,9 • d
Im Unterschied zur annähernd konstanten Tropfengröße bei la¬ minarer Strömung, führen turbulente Strömungsvorgänge zu einer charakteristischen Tropfengrößenverteilung, d.h. neben dem häufigen Auftreten einer mittleren Tropfengröße sind auch erhebliche Anteile klein- und großvolumiger Tropfen im Aerosol enthalten. Dieser häufig zum Zerstäuben genutzte Effekt kann durch besonders extreme Querschnittsprofile mit scharfen Spitzen und Kanten, wie sie in Figur 4f, g, h, i, j, k, 1 gezeigt sind, verstärkt werden. Die Düsen haben in diesem Fall die Funktion von Turbulatoren.
Wie in Figur 5 gezeigt, bewirkt eine von der Kreisform abwei¬ chende Düsenquerschnittsform einen früheren Zerfall des Flüssigkeitsstrahls in Einzeltropfen. Die aus einem runden Düsenloch austretende Flüssigkeit zerfällt im Abstand lι_ in einzelne Tropfen, wohingegen eine durch eine rechteckige Querschnittsform hindurchtretende Flüssigkeit bereits im Abstand I2 in einzelne Tropfen zerfällt, wobei gilt I2 < I3..
Neben der Düsenlochform kann auch die Anordnung und Größe der Düsenlöcher auf der Düsenplatte in weiten Grenzen verändert werden, wie in Figur 6 gezeigt. Die Düsenplatte DP weist im Zentrum ein großes Düsenloch auf, welches von vielen kleinen Düsenlöchern in Form eines Sechsecks umgeben ist. Durch Kombination verschiedener Düsenlochgrößen, Düsenlochformen und der Düsenlochanordnung auf einer Düsenplatte DP können die Strahleigenschaften den unterschiedlichen Erfordernissen angepaßt werden. Damit lassen sich unterschiedliche Betriebs¬ bedingungen des Motors besser abdecken, da einerseits durch den feinen Aerosolmantel ein homogeners Kraftstoff/Luft- gemisch erzeugt wird, wodurch beim Kaltstart die Wandbe- netzung und der Schadstoffausstoß reduziert werden und gleichzeitig andererseits bei betriebswarmen Motor eine gute Füllung (Leistungsabgabe) durch den kompakten Zentralstrahl erzielt werden kann. Zusätzlich wird die Verstopfungsgefahr der Düse verringert.
Hergestellt werden können derartige Düsenplatten DP nach dem Galvanoplastikverfahren mit der Siemens Mikrostrukturtechnik (MS) . Wie in Figur 7a - c dargestellt, wird bei der Siemens Mikrostrukturtechnologie ein auf ein Substrat S kaschierter Negativresist NR durch eine vorher durch Photostrukturierung hergestellte sehr dünne mit dem Substrat S verbundene Maske M mit UV-Licht UVL bestrahlt. Zur Belichtung des Photoresists kann auch Synchrotronstrahlung verwendet werden. Anschließend wird der unbestrahlte Photoschichtanteil im Entwickler ausgewaschen. Die vormalige Maske M kann an den freiliegenden Stellen galvanisch verstärkt, der Photoresist (Negativresist) NR also bis knapp zu seiner vollen Höhe abgeformt und die so additiv erzeugte Metallschicht GP aus z.B. NI, CU, AU oder AG als gewünschtes Flachteil chemisch oder mechanisch abgetrennt werden. Mit speziellen Belichtungstechniken und Photolacken ist zudem die Erzeugung von Doppeldüsen, also z.B. ein
Einlauf und zwei Düsenaustritte, schrägen Düsen und Düsen mit konischen oder exponentieilen Einlauftrichtern möglich. Beschrieben ist dies in Trausch Günter: "Neuartige photolithographische Strukturerzeugung zur Herstellung von Präzisionsflachteilen im Galvanoplastikverfahren", Siemenε- Forschungε- und Entwicklungεbericht Band 8, 1979, Nr. 6. Figur 7c zeigt die fertige Galvanoplaεtik GP im Querschnitt.
Eine andere Möglichkeit zur Herstellung der Düsenplatten DP besteht in der Verwendung der anisotropen Ätztechnik. Man macht sich die nach kristallographischer Orientierung stark unterschiedliche Ätzrate bei einigen einkristalligen Materialien, wie Silizium und Gallium, in bestimmten Ätzlöεungen, wie EDP (Ethylendiamin) oder KOH zunutze. Dazu wird, wie in Figur 8 gezeigt, beiεpielsweise ein (100) orientiertes Si-Subεtrat zunächεt mit einer beidseitigen Ätzstopεchicht, z.B. in Form von Siθ2 oder Si3 4 versehen, in die einseitig quadratische Öffnungen der Länge Wg geätzt werden, wobei die Kanten der freiliegenden Bereiche parallel zu den kristallographischen (110) Richtungen deε Substrats ausgerichtet sein müssen. Beim darauf folgenden selbst- εtoppenden Naßätzprozeß in EDP oder KOH enεtehen pyramiden¬ förmige Vertiefungen mit (101) orientierten Seitenwänden unter φ = 54,74° Neigung. Bei geeigneter Dimenεionierung des Ätzfenεterε Wg bilden εich quadratische Durchbrüche mit einer Kantenlänge WQ von
Figure imgf000011_0001
wobei tgi die Dicke des Si- Substrates ist. Durch Abätzen der Siθ2 oder Si3N4 Ätzstopschicht werden die Düsen abεchließend freigelegt. Auch die Herεtellung rechteckiger Düεenquer- εchnittεformen iεt nach dieεem Verfahren möglich.
Figur 9a, b zeigt einen Vergleich einer konventionellen Düεe in der Draufεicht und im Querεchnitt (Fig. 9a) im Vergleich zu mehereren εechseckig angeordneten Düsen, wie sie im vorigen beschrieben wurden (Fig. 9b) . Bisher übliche Düsen¬ lochdurchmesser d lagen im Bereich von ca. d = 0,3 mm bis d = 0,6 mm bei typischen Dicken der Düsenplatte DP von ca. Dj_.p = 0,05 bis 0,15 mm. Als Aspektverhältniε ergibt sich daraus ca. η = 1,5 - 5. Mit Hilfe von Photostrukturierungstechniken in Verbindung mit galvanischen Abformtechniken oder anisotroper Ätztechniken können Düsenlöcher mit Aspektverhältnissen von η > 0,5 hergestellt werden, vgl. Figur 9b. Bei Verwendung von Synchrotronstrahlung zur Beschichtung des Photoreεiεtε sind sogar Aspektverhältniεεe η> 100 möglich. Der
Düεenlochdurchmesser d einer jeden Düse liegt bei ca. 20 μm. Die Dicke der Düsenplatte DP beträgt ca. D^p = 100 μm.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Zumessung und Zerstäubung von Fluid,
- bei der eine Zumeßeinheit vorgesehen ist,
- bei der eine Zerstäubereinheit vorgesehen ist, - bei der die Zerstäuberei heit eine Düsenplatte (DP) und ein Antriebselement (P) aufweist, welches die Düsenplatte (DP) in Schwingung versetzen kann,
- bei der die Zumeßeinheit lösbar mit der Zerstäubereinheit verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der eine Trägerplatte (TP) vorgesehen ist, die die Düsenplatte (DP) mit dem Antriebselement (P) verbindet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Antriebselement (P) ein Piezoelement ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Düsenplatte (DP) wenigstens ein Loch mit einem Aspektverhältnis η > 0,5 aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Form des Lochs rund, oval, dreieckig, vier- eckig, mehreckig oder sternförmig ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 5, bei der die Zumeßeinheit eine den Durchfluß bestimmende Zu¬ meßöffnung (ZMO) und ein Schließelement (VN) aufweist, wel¬ ches wahlweise die Zumeßöffnung (ZMO) schließt oder öffnet.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, bei der die Verbindung zwischen der Zumeßeinheit und der Zerstäubereinheit als Schraubverbindung ausgeführt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, zur Kraftstoffzumessung und Zerstäubung für Verbrennungs¬ motoren.
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