CN103939251A - 用于内燃机的注射喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于内燃机的注射喷嘴。一种注射喷嘴，包括：主体，喷嘴针阀在主体中被可移动地导向；压力室，其与加料钻孔连通且通过通道与喷射室连通，其中，所述通道包括用于与喷嘴针阀的针阀尖端配合的针阀座；以及至少一个注射孔，喷射室通过至少一个注射孔与主体的外侧连通。至少一个注射孔具有基本上瓶颈状的轮廓且具有至少一个预燃室以及导向通道，所述预燃室在一端通过入口通向喷射室，导向通道与所述预燃室的另一端连接且通过出口与主体的外侧连通。所述预燃室至少在入口处的直径或截面比导向通道的直径或截面至少大50%；其中，所述预燃室包括具有至少一个收缩部的至少一个颈缩部。导向通道的长度与所述预燃室的长度的比例为1:0.2至1:0.8。

Description

用于内燃机的注射喷嘴

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的注射喷嘴，尤其是孔式喷嘴。本发明还特别涉及这种注射喷嘴的注射孔的结构。

背景技术

注射喷嘴被提供用来通过注射泵或压力管路系统（共轨系统）在（高）压力下将液态物质、气态物质或粉状（粉末状的）物质、尤其是燃料注入内燃机（诸如，气压式自点火内燃机，例如，柴油发动机）的燃烧室内，以使得内燃机实现了在任何工作状态下的最佳效率（生态效率和经济效率）。在燃烧室中的燃料的燃料/空气混合物的形成以及因此燃烧顺序相关地受到注射喷嘴的注射孔的内部形状的影响。

存在不同种类的注射喷嘴，本文将讨论这些喷嘴中的所谓的孔式喷嘴。由于通过孔式喷嘴实现了燃料的特别精细的分配，故孔式喷嘴被用于直接注射的内燃机中。孔式喷嘴被布置成单孔喷嘴和多孔喷嘴。单孔喷嘴包括在喷嘴轴线的方向上布置的注射孔或者在喷嘴轴线的方向的一侧布置的注射孔。

例如，多孔喷嘴可包括多达14个注射孔，这些注射孔大多数相对于彼此对称布置。单孔喷嘴和多孔喷嘴被布置在一个高度或多个高度上（喷嘴的注射孔的几何形状）。孔径或孔截面以及孔长影响射流的形状和穿透深度以及射流的注射图案。孔径取决于燃烧室的构造。

在过去的二十年中，通过系统性科学工作开发了用于气体内燃机、柴油内燃机、重油内燃机和生物质内燃机的新型注射系统，尤其是具有环保（EURO、TIER、IMO标准）和燃料的最佳燃烧的目标的注射系统。这产生具有相关的整体电子监控单元的共轨系统。在良好调整全部组件的情况下，可实现在生态和经济方面上效率的提高。

燃料阀（喷嘴）的一个或多个注射孔的内轮廓的布置可相应地影响压缩点火发动机的燃烧室内的注射过程。用于说明的一个示例为DE3934587C2，其描述了一种用于在通过激光束制造的工件中制造高精度通孔的方法，尤其在包括瓶颈状注射孔的注射喷嘴中制造高精度通孔的方法。

文献EP2365207A1描述了一种用于内燃机的注射喷嘴。该注射喷嘴包括具有基本上瓶颈状内轮廓的至少一个注射孔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的注射喷嘴。

通过具有权利要求1的特征的注射喷嘴实现该目的。

还通过具有权利要求15的特征的注射孔的形状实现该目的。

因此，一种注射喷嘴，尤其是用于内燃机的孔式喷嘴，包括：主体，喷嘴针阀在该主体中被可移动地引导；和，压力室，所述压力室与入口通道连通且通过通道与注射室连通，其中，所述通道包括用于与所述喷嘴针阀的针阀尖端配合的针阀座，以及至少一个注射孔，所述注射室通过该至少一个注射孔与主体的外侧连通。所述至少一个注射孔具有基本上瓶颈状的轮廓且具有至少一个预燃室以及导向通道，其中，所述至少一个预燃室的一端通过入口通向注射室，所述导向通道与所述至少一个预燃室的另一端连接且通过出口与主体的外侧（圆顶端）连通。所述至少一个预燃室至少在入口处的直径或截面比导向通道的直径或截面大至少50%，其中，至少一个预燃室包括具有至少一个收缩部的至少一个颈缩部。导向通道的长度与预燃室的长度的比例在1:0.2至1:0.8的范围内。

基于比较式研究、计算和模拟，证实了注射孔的内轮廓的特定几何形状具有特定优势。注射喷嘴的注射孔设置有基本上瓶颈状的内轮廓。这种注射孔也称作瓶颈式注射孔或瓶颈式喷射孔。

注射孔的功能区的同轴且依次布置可以进行最佳调节以符合内燃机的相关的燃烧室的要求，例如，燃料/空气混合物的形成。优选地，导向通道的长度与预燃室的长度的比例在1:0.2至1:0.8的范围内。

这导致相对于现有的注射系统（例如，共轨系统）的优势，即，注射压力可大幅降低，同时具有更好的生态效应和经济效应，这导致注射系统的更低的功耗以及全部有关的组件的更长的使用寿命。

与现有技术相比，另一优势在于：由于更低的压应力，故高压泵、泵元件、注射器、喷嘴和整个注射系统获得了更长的使用寿命。

有利地，基本上瓶颈状的内轮廓包括以下装置：

至少一个预燃室，该预燃室的一端通过入口通向注射室；以及，导向通道，该导向通道与所述至少一个预燃室的另一端连接且通过出口与主体的外侧连通。

瓶颈式注射孔或瓶颈式喷射孔的基本上瓶颈状的内轮廓具有以下功能：

-喷射介质进入预燃室内的入口；

-接纳预燃室内的喷射介质；

-漏斗区的收缩功能；

-导向通道的导向功能；

-在喷嘴主体的外侧的介质的出口（通向燃烧室）。

另外有利地是，所述至少一个预燃室的入口布置有倒圆入口边缘，从而导致较少的摩擦损失且改进注射喷嘴的长期特性。入口的倒圆入口边缘可布置有相同的倒圆半径，从而提供生产优势。

导向通道可被布置成圆柱形、截头锥形状或者这些形状的组合，通过这样的形状，可进一步影响流动。关于这点，至少在入口的区域中，所述至少一个预燃室的直径或截面比导向通道的直径或截面大至少50%。因此，颈缩部可在预燃室内形成，该预燃室包括至少一个收缩部。通过该收缩部、以及所引起的受影响的直径上的渐变和/或突变或者截面上的变化可影响流动介质的流动类型。因此，可设定层流或湍流或者过渡类型的流动。

在一个实施方式中，圆柱形布置形式的所述至少一个预燃室延伸到具有至少一个收缩部的至少一个颈缩部。作为预燃室的替选实施方式或者与其相结合，例如，所述至少一个预燃室可以在导向通道的方向上分段布置成截头锥形式。

导向通道的出口可被布置有锐缘，通过该锐缘能够调节所供给的注射流的喷射图案。通过主体的外表面和导向通道的内壁或中心轴线而形成出口角，如果导向通道的出口的出口角优选小于90°，则是有利的。导向通道的出口的出口角可以布置成截头锥的方式。

所述至少一个注射孔在其整个长度上可包括多个功能区（A-E），该功能区可依次连续布置在同一轴线上且旋转对称。由于这些划分，这些功能区可被单独地布置成，使得针对指定的内燃机最佳地提供射流。功能区的这种机械-液压优化可通过电子发动机控制单元（EECU）与另外优化的边界条件、参数设置和状态叠加。

在这些功能区中，第一功能区（A）可包括入口；第二功能区（B）包括至少一个预燃室；第三功能区（C）包括至少一个颈缩部；第四功能区（D）包括导向通道；以及，第五功能区（E）包括出口。

同一功能区还能够连续布置多次，例如具有两个预燃室和两个颈缩部的两个第二功能区。因此，在预燃室中可发生渐进的压力累积。还可以是，代替压力累积，中间阶段可设置压力下降，例如通过膨胀使压力下降。

在调节的钻孔操作中，瓶颈状功能区（A-E）可从外侧被引入到注射喷嘴的注射孔的内侧。例如，可以使用不同的机械加工方法，诸如激光。

可替选地，瓶颈状功能区（A-E）还能够被组合成模块单元且被压入圆柱形注射孔中。由于用于产生内轮廓的注射孔的机械加工能够在另一位置进行，故这可有助于生产顺序。

注射孔的基本上瓶颈状的内轮廓还至少取决于内燃机的相关燃烧室的内部形状、容积、空气涡流、以及燃烧压力。

注射喷嘴的注射孔的形状（该注射孔具有基本上瓶颈状的内轮廓）可根据上文所述的信息来实现。

根据本发明的注射喷嘴既能够用于将粉状的、液态的或气态的燃料注入燃烧装置（例如内燃机）的燃烧室内，还可以用于粉状的、液态的或气态的介质的雾化。

此外，还可进行有利的调整，以符合与射流相关的燃烧室内的内燃机的各种要求，使得各个功能区的钻孔长度比例可以可变的方式调整。

因此，利用上文所述的信息，可尤其调节注射孔，使注射孔的内轮廓或内部形状或者注射孔的通用形状适合于相应关联的燃烧室的构造。根据注射压力，这产生功能区的比例的大量变型，例如长度、宽度、直径、截面。借助于相应的模拟方法，出于相应的目的可调节和优化相应的几何条件，从而获得与燃烧、燃料消耗以及组件的使用寿命相关的最佳状态。

附图说明

结合在附图中示出的实施方式，下面将更详细地解释本发明，其中：

图1示出作为孔式喷嘴的处于关闭位置的根据本发明的注射喷嘴的示意性局部剖视图；

图2示出处于打开位置的根据图1的注射喷嘴的示意性局部剖视图；

图3示出根据本发明的注射喷嘴的注射孔的示意性剖视图；

图4示出根据图3的根据本发明的注射喷嘴的入口的放大视图；和

图5示出根据图3的根据本发明的注射喷嘴的具有颈缩部的预燃室的放大视图。

具体实施方式

在附图中，具有相同功能的相同的组件或功能单元采用相同的附图标记。

图1示出作为孔式喷嘴的处于关闭位置的根据本发明的注射喷嘴1的示意性的局部剖视图。图2示出了处于打开位置的该注射喷嘴1。

图1和图2仅示出了具有喷嘴圆顶3（以圆形突出强调）的注射喷嘴1的主体2的下部区域。主体2在注射喷嘴1的上部具有圆形截面，其中，喷嘴针阀7以在钻孔7’中纵向可移动的方式沿着主体2的纵向方向设置。钻孔7’靠拢形成于主体2的压力室5中。平行于钻孔7’的进料钻孔4被布置在主体2的一侧。进料钻孔4在其底端通向压力室5，该压力室5向下变窄进入通道9。通道9包括圆锥形针阀座9’，且最终通向喷射室6，喷射室6布置在具有圆形基部的注射喷嘴1的喷嘴圆顶3内。注射喷嘴1的主体2以半球形方式被布置成喷嘴圆顶3且具有比顶部小的壁厚3’。在该示例中，两个注射孔10延伸贯穿喷嘴圆顶3的壁厚3’，该注射孔贯穿向内设置的喷射室壁11进而贯穿一个相应的入口12通向喷射室6的圆形基部，且贯穿一个相应的出口18通向喷嘴圆顶3的外表面20。

喷嘴针阀7从钻孔7’延伸贯穿压力室5进入通道9直到喷射室6。在该情况下，喷嘴针阀7渐缩成圆锥形针阀尖端8，圆锥形针阀尖端8与通道9的圆锥形针阀座9’一起配合作为密封阀座。

例如，通过驱动机构（未示出）机械地或电磁驱动地或者还借助压力室内的燃料的升压可纵向调节喷嘴针阀7。为了打开针阀座9’，通过所述驱动机构向上移动喷嘴针阀7。在图2中示出了注射喷嘴1的打开位置。圆锥形针阀尖端8具有松开的针阀座9’。在压力室5内受压且在压力下被供给通过进料钻孔4的燃料，此时从压力室5流经通道9进入注射室6内，且从注射室6通过注射孔10作为相应射流流到外侧并进入内燃机的燃烧室（未示出）。

关于射流的喷射图案，相应射流21尤其受到相应注射孔10的几何形状的影响。注射流21的速度、流动类型、压力和压力传播尤其继续发挥特定的作用。

图3示出了根据本发明的注射喷嘴1的喷射孔的示意性剖视图。

由于图3中的注射孔10的形状，故该注射孔被称为瓶颈式喷射孔。在加硬特种钢（例如，DUALLOY）制成的喷嘴圆顶3内，这样的注射孔10形成在注射喷嘴1的大量主体2中。喷嘴针阀7由特种钢或陶瓷材料制成。

基于导入喷射室6的喷射室壁11内的入口13，注射孔10首先在预燃室14（例如，该预燃室布置成圆柱形的方式）内延伸，然后聚拢成具有收缩部16的颈缩部15（如同具有瓶颈的瓶子）以及导向通道17。预燃室14的直径或截面比导向通道17的截面的直径大至少50%。导向通道17的末端通向在喷嘴圆顶3的外表面20内的出口18。注射孔10在整个纵剖面上基本上具有旋转对称的瓶形状。

注射孔10包括功能区A至E，功能区A至E通过圆、附图标记和水平线被局部地指示且具有不同的功能。

在入口13处的圆指出具有燃料入口的第一功能区A。图4示出根据图3的根据本发明的注射喷嘴1的入口13的放大示图。在该情况下，入口13的入口边缘被倒圆。阴影区域指示在入口13区域中喷射室6内的喷射室壁11的轮廓变型。该变型表示多个可能的变型中的一个变型。

在下面用虚线圆表示的功能区B指示预燃室14。在图5中示出了功能区B，图5示出了根据图3的根据本发明的注射喷嘴1的具有颈缩部15的预燃室14的放大示图。在该情况下，至少在入口13的区域中，预燃室14的直径或截面比导向通道17的直径或截面大至少50%。

与导向通道17的功能区D邻接的颈缩部15的功能区C位于两条水平线之间。

最后，设置具有出口18的末尾功能区E。

在针阀座9’的开启期间（参见图2），通过具有漏斗状的收缩部16的颈缩部15到随后的导向通道17，在预燃室14的功能区B中，在从入口13流至出口18的燃料中产生压力，其中，进行初步定量。在预燃室14内的压力传播中，燃料的这种流速仅略微减小，从而导致注射喷嘴1的全部注射孔10的准时注射（参见图1和图2）。与目前的共轨系统比较，注射压力可大幅减小并且改善生态效果和经济效果，这导致系统的更低的功耗，且由于所涉及的组件的更低的压应力，进而导致高压泵、泵元件、注射器、喷嘴和整个注射系统的更长的使用寿命。

具有漏斗状的收缩部16的颈缩部15的功能区C被布置成一种控制凸轮，其在图5中以阴影区的轮廓变型示出。此处指出了两种这样的轮廓变型：预燃室14的截头圆锥的形式的布置和圆柱布置（非阴影区）。根据该布置，该控制凸轮影响了流动燃料的流动类型，使得流动类型会改变，例如，流动类型为层流或湍流。在该阶段，燃料或注射介质的流速会显著增加。通过漏斗状的收缩部16的构造和功能，补偿了较低的系统压力产生的负作用。

在该压缩过程的下一阶段中或在随后的导向通道17的功能区D中，流动的燃料被导向且浓缩成燃料射流，使得流动的燃料以具体调节的形式（例如，轴瓦状、伸展等）下可用于内燃机的设计者所布置的燃烧室。

在具有出口18的末尾功能区E中，导向通道17的钻孔被设置在具有锐缘型流动分离边缘19的出口18处，其中，通过喷嘴圆顶3的外表面20或外壁以及导向通道17的内壁或中心轴线形成出口角22，如果具有出口角，则出口角小于90°。

例如，关于各个功能区的不同直径或截面、长度，作为瓶颈式注射孔或瓶颈式喷射孔的该注射孔10的尺寸，收缩部16内的漏斗形状的构型，以及各个功能区相对于彼此的尺寸关系可利用模拟模型来优化。该模拟模型也可模拟各种注射介质的流动状况。通过内燃机的设计者提供的燃烧室（在形式和容积上）、燃料（关于组成、粘度和密度）以及目标评价（更具有经济效益或生态效益）来形成计算基础。在任一情况下通过迭代试验进行形状的优化。

在一个实施方式中，导向通道17（在该情况下，导向通道17位于收缩部16和出口18之间，参见图3）的长度与预燃室14（在该情况下，预燃室14位于入口13和收缩部16之间，也参见图3）的长度的比例为1:0.2至1:0.8。

在上述实施方式中，根据有关的燃烧室的布置来调整注射孔形状或者注射孔10的内轮廓。燃烧室的内部形状、容积、空气涡流以及燃烧压力的因素对注射孔10的布置起着相应的作用。

上文描述的实施方式不限制本发明。在所附的权利要求书的范围内，上文描述的实施方式可以变动。

因此，注射孔10可包括多于一个的预燃室14，其中提供多个第二功能区B。因此，可以具有多个收缩部16和由此产生的多个功能区C。

附图标记列表

1   注射喷嘴

2       主体

3       喷嘴圆顶

3’     喷嘴圆顶的壁厚

4       进料钻孔

5       压力室

6       喷射室

7       喷嘴针阀

7’     钻孔

8       针阀尖端

9       通道

9’     针阀座

10      喷射孔

11      喷射室壁

12      入口边缘

13      入口

14      预燃室

15      颈缩部

16      收缩部

17      导向通道

18      出口

19      用于注射流的流动分离边缘

20      外表面

21      注射流

22      出口角

A…E    功能区

Claims (15)

1.一种注射喷嘴（1），尤其是用于内燃机的孔式喷嘴，包括：

a)主体（2），喷嘴针阀（7）在所述主体（2）中被可移动地引导；

b)压力室（5），所述压力室（5）与加料钻孔（4）连通且所述压力室（5）通过通道（9）与喷射室（6）连通，其中，所述通道（9）包括用于与所述喷嘴针阀（7）的针阀尖端（8）配合的针阀座（9’），以及

c)至少一个注射孔（10），所述喷射室（6）通过所述至少一个注射孔（10）与所述主体（2）的外侧连通；

d)其中，所述至少一个注射孔（10）具有基本上瓶颈状的内轮廓且具有至少一个预燃室（14）以及圆柱形导向通道（17），其中，所述至少一个预燃室（14）的一端通过入口（13）通向所述喷射室（6），所述圆柱形导向通道（17）与所述至少一个预燃室（14）的另一端连接且通过出口（18）与所述主体（2）的外侧（圆顶）连通；

e)所述至少一个预燃室（14）至少在所述入口（13）处的直径或截面比所述导向通道（17）的直径或截面大至少50%；

f)其中，所述至少一个预燃室（14）包括具有至少一个收缩部（16）的至少一个颈缩部（15）；

其特征在于：

g)所述导向通道（17）的长度与所述预燃室（14）的长度的比例在1:0.2至1:0.8的范围内。

2.根据权利要求1所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述至少一个预燃室（14）的入口（13）形成有倒圆入口边缘（12）。

3.根据权利要求2所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述至少一个预燃室（14）的入口（13）的倒圆入口边缘（12）设置有相同的倒圆半径（12）。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述至少一个预燃室（14）以圆柱形装置的形式延伸到具有所述至少一个收缩部（16）的所述至少一个颈缩部（15）。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述至少一个预燃室（14）以截头锥的形式沿着所述导向通道（17）的方向布置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述导向通道（17）的出口（18）设置有锐缘。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的注射喷嘴（1），其特征在于，通过所述主体（2）的外表面（20）和所述导向通道（17）的内壁或中心轴线而形成出口角（22），所述导向通道（17）的出口（18）的所述出口角（22）小于90°。

8.根据权利要求7所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述导向通道（17）的出口（18）的出口角（22）以截头锥的形式设置。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述至少一个注射孔（10）在其整个长度上包括多个功能区（A-E），所述功能区依次被布置在同一轴线上且旋转对称。

10.根据权利要求9所述的注射喷嘴（1），其特征在于，第一功能区（A）包括所述入口（13）；第二功能区（B）包括所述至少一个预燃室（14）；第三功能区（C）包括所述至少一个颈缩部（15）；第四功能区（D）包括所述导向通道（17）；以及，第五功能区（E）包括所述出口（18）。

11.根据权利要求10所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述至少一个功能区（A-E）被多次设置。

12.根据权利要求10或11所述的注射喷嘴（1），其特征在于，在调节的钻孔操作中，所述瓶颈状的功能区（A-E）从所述外侧（20）被引入到内侧（13、14、16）。

13.根据权利要求10或11所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述瓶颈状的功能区（A-E）被组合成模块单元且被压入圆柱形注射孔中。

14.根据前述权利要求中任一项所述的注射喷嘴（1），其特征在于，所述注射孔（10）的基本上瓶颈状的内轮廓还至少取决于内燃机的相关燃烧室的内部形状、容积、空气涡流、以及燃烧压力。

15.根据前述权利要求中任一项所述的注射喷嘴（1）的注射孔（10）的具有基本上瓶颈状的内轮廓的注射孔结构。