DE102007005767A1

DE102007005767A1 - Piezo-Inline-Injektor

Info

Publication number: DE102007005767A1
Application number: DE200710005767
Authority: DE
Inventors: Paul Fuesner
Original assignee: Fuessner Paul Dipl-Ing
Current assignee: Fuessner Paul Dipl-Ing
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2008-08-07
Also published as: DE102006046577A1; DE102006022672A1

Abstract

Es wird ein kleinbauender Common-Rail-Piezo-Inline-Injektor mit guten dynamischen Eigenschaften zur Formung des Einspritzverlaufs vorgeschlagen, der sowohl für die Dieseleinspritzung als auch mit schwächerer Druckfeder für die direkte Benzineinspritzung eingesetzt werden kann. Eine last- und wegabhängige Änderung der tangentialen Einlaufquerschnitte (48) zur Drallkammer (49) bei dem nadelhubgesteuerten Piezo-Inline-Injektor ermöglicht den notwendigen Regelbereich, bei dem der Drall und damit die Zerstäuberfeinheit und eine homogene Gemischverteilung auch bei Teillast erhalten bleiben. Durch eine variable elektrische Ansteuerung des Stellmoduls (6) wird der Stellmodulhub über einen hydraulischen Koppler vergrößert und in entgegengesetzter Richtung an die Düsennadelspitze weitergeleitet, daß diese den Einströmquerschnitt (48) so steuert, daß sofort nach dem Öffnen des Spritzloches (50) und über den ganzen Regelbereich die notwendige Zerstäubergüte erreicht werden. Durch diese innermotorischen Maßnahmen können die künftigen Abgasforderungen erfüllt und der Kraftstoffverbrauch und die Kosten gesenkt werden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Piezo-Inline-Injektor, insbesondere für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Anspruchs 1.
Bei den bekannten nach innen öffnenden Piezo-Inline-Injektoren wird der Düsennadelhub über ein Steuerdruckventil im Niederdruckbereich indirekt über Druckabbau bzw. über Druckaufbau hinter der Düsennadel geregelt.
Das Piezo-Stellmodul und der hydraulische Koppler befinden sich auch im Niederdruckbereich, wo der Druck durch ein Druckhalteventil geregelt wird. Dabei anfallende Leckmengen müssen über eine Leckölleitung zum Tank abgeführt werden und erhöhen die Tanktemperatur unnötig. Gleichzeitig wird dabei der hydraulische Gesamtwirkungsgrad verschlechtert.
Der verbleibende Kraftstoff in den 6 bis 12 Spritzlöchern muß bei jedem Spritzbeginn von Null auf maximale Geschwindigkeit beschleunigt werden und kann in den Einspritzpausen ungenutzt austreten und verdampfen (HC-Emission).
Der keulenförmige Kraftstoffstrahl enthält im Strahlkern einen hohen Anteil an flüssigen unverdampften Kraftstoff, so daß die Gemischaufbereitung unvollständig und die Gemischverteilung im Brennraum inhomogen ist.
Gleichzeitig entstehen während der Nadelöffnung in der Sitzdrosselphase Turbulenzen im Sackloch, die zu einer instabilen Kavitation und in der Folge zu Tropfenkollisionen und -koagulationen führen. Bei der folgenden Verdampfung und Verbrennung entstehen Rußpartikel und Schadstoffe.
Bei den nadelhubgesteuerten Piezo-Inline-Injektoren mit Simplex-Dralldüsen und konstanten tangentialen Zulaufschlitzen geht die Zerstäubungsfeinheit und die Gemischverteilung bei Teillast wegen des sinkenden Dralls zurück.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Piezo-Inline-Injektor mit kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß bei Teillast der Einströmquerschnitt (48) vom Hochdruckraum (5a) zur Drallkammer direkt vom Stellmodul (6) über das Kopplergehäuse (42) und dem Druckraum (45) entgegengerichtet zum Stellmodulhub mit der Kuppe der Düsennadel (47) verändert werden kann. Der Düsennadelhub wird dabei durch die Piezo-Stellmodullänge (6) und durch das wirksame Flächenverhältnis der Druckschultern im Druckraum (45) bestimmt. Beim Stellmodul kann ein Elektromagnet den Piezoblock ersetzen. Durch das Verschieben der Düsennadel wird der Einströmquerschnitt (48) und gleichzeitig die Einspritzmenge über das Spritzloch (50) verändert. Durch diese Regelung werden die Zerstäubungsfeinheit und eine homogenere Gemischverteilung über den ganzen Regelbereich erreicht.
Mit einer gezielten elektrischen Ansteuerung des Stellmoduls (6) ist innermotorisch eine direkte Einspritzverlaufsformung möglich. Durch die Größe und Form der Einströmquerschnitte (48), von Drallkammer (49) und Spritzloch (50) können die Verdampfung und Verbrennung optimiert, die zukünftigen Abgasforderungen besser erfüllt und der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
Entstehende Dampfblasen in der Drallkammer (49) werden zum Luftkern in der Mittelachse geführt (Teetasseneffekt) und führen zu einem verstärkten Strahlaufbruch und vergrößerten Strahlwinkel.
Am Spritzende verschließt die Kuppe der Düsennadel das Spritzloch (50). Die kinetische Bewegungsenergie des eingespritzten Kraftstoffs sorgt dafür, daß nach jeder Einspritzung das Spritzloch kraftstoffleer ist und der Luftkern von der Mittelachse der Drallkammer das Spritzloch ausfüllt.
Die innermotorischen Maßnahmen bei der Entwicklung eines erfolgreichen Brennverfahrens sind mit geringeren Kosten als mit nachmotorischen Maßnahmen zu erreichen.
Zeichnungen:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 den Aufbau eines Piezo-Inline-Injektors mit den steuerbaren tangentialen Einströmquerschnitten (48) am Innenumfang des Dralldüsenkörpers (46).
2 eine mögliche Form und den Verlauf des Einströmquerschnitts (48).
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der elektrische Anschluß (1) zum Piezo-Stellmodul (6) ist im mittleren Teil durch eine Glaseinschmelzung zur Metallhülse (4) isoliert. Die Metallhülsen sind mit dem Düsenhalter (9) dicht verschweißt. Die unteren Enden vom elektr. Anschluß (1) sind mit dem Piezo-Keramikblock (6) verschweißt, der mit einem elastischen Silikonmaterial (7) umspritzt ist.
Dichtrillen am Aktoroberteil (4) und -unterteil (8) isolieren und dichten das Piezo-Stellmodul gegen die Medien im Hochdruckraum (5a) ab. Abschließend werden der Düsenhalter und die elektr. Anschlüsse mit einem Isolierkörper (2) umspritzt. Der Düsenkörper (46) mit den steuerbaren Einströmquerschnitten (48) bildet mit der Düsennadel (47) die regelbare Dralldüse.
Beim Öffnen der Düsennadel (47) kann Kraftstoff vom Hochdruckraum (5a) über die tangentialen Einströmquerschnitte (48) an der Düsennadelspitze in eine Drallkammer (49) strömen.
Die Druckenergie wird dabei nach dem Drallsatz in Umfangsgeschwindigkeit umgesetzt. Der Kraftstoff wird dann mit einer Axialkomponente überlagert und durch ein zentrales konisches Spritzloch (50) als Strahlkegel (51) in den Brennraum eingespritzt.
Die Kraftstoffeinspritzmengen können dabei entsprechend dem gewünschten Einspritzverlauf elektrisch mehrfach vom Stellmodul gesteuert werden.
Ein hydr. Kopplergehäuse (42) nimmt die Druckfeder (43) auf und umschließt den Schaft der Düsennadel. Gleichzeitig ist das Kopplergehäuse (42) über Führungsspiele axial beweglich zwischen Düsenkörper (46) und Düsennadel (47) angeordnet, wobei gleichzeitig der Steuerdruckraum (45) gebildet wird. Mit der Überwurfmutter (44) werden Düsenhalter (9) und Düsenkörper (46) gegeneinander verschraubt und der Hochdruckraum (5a) abgedichtet. Die vorgespannte Druckfeder (43) sorgt dafür, daß nach der elektr. Ansteuerung des Piezo-Stellmoduls die Düsennadel (47) mit der Kuppe das zentrale konische Spritzloch (50) abdichtet und das Kopplergehäuse (42) am Aktorunterteil (8) anliegt.
Über den Hochdruckanschluß (5) werden der Hochdruckraum (5a), der Steuerdruckraum (45) und die Dralldüse mit Kraftstoff gefüllt, so daß die Funktion überprüft werden kann.
Durch die elektrische Ansteuerung des Stellmoduls (6) wird die Düsennadel (47) über den Druckraum (45) entgegengesetzt zum Stellmodulhub und Hub des hydr. Kopplergehäuses angehoben. Sofort strömt vom Hochdruckraum (5a) Kraftstoff über die freigegebenen tangentialen Einströmquerschnitte (48) in die Drallkammer ein. Dabei wird die Druckenergie nach dem Potentialwirbelgesetz in Umfangsgeschwindigkeit umgesetzt. Der Kraftstoff wird dann mit einer Axialkomponente überlagert und durch das zentrale konische Spritzloch (50) in den Brennraum eingespritzt.
Die große Umfangsgeschwindigkeit ergibt eine feine Zerstäubung, die Resultierende aus Umfangs- und Axialgeschwindigkeit die Richtung, in welcher die einzelnen Tröpfchen wegfliegen, woraus sich der Winkel (51) des Zerstäuberkegels ergibt.
Nach der elektr. Ansteuerung entfällt die Piezo-Stellkraft und die Kuppe der Düsennadel verschließt durch die Federkraft und durch die Druckkraft unterstützt das Spritzloch.
Die Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Kraftstoffs in der Drallkammer bleibt bis zum nächsten Spritzbeginn erhalten. Die geringen Leckagemengen bei den extrem kurzen Einspritzzeiten vom Druckraum (45) über die Führungsspiele vom hydr. Koppler und Düsennadel in den Hochdruckraum (5a) werden in den längeren Einspritzpausen zwischen den Einspritzungen wieder zurück aufgefüllt und haben somit keinen Einfluß auf die Funktion des Injektors. Der hydr. Koppler gleicht sowohl die Fertigungstoleranzen der Längenmaße als auch die Längenänderungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten aus.
Wenn der Drall des eingespritzten Kraftstoffs dem Drall der Verbrennungsluft in der Brennkammer entgegengerichtet ist, werden die Verdampfungs- und Oxydationsgeschwindigkeit optimal genutzt. Die bessere Gemischaufbereitung und die homogenere Gemischverteilung des Drall-Injektors schaffen die notwendige Benzin-Luftwolke für eine sichere Zündung bei der direkten Benzineinspritzung.

Claims

Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1 der Patentanmeldung AZ 10 2006 022 672.0 , dadurch gekennzeichnet, daß beim Öffnen der Düsennadel (47) Kraftstoff vom Hochdruckraum (5a) über last- und wegabhängige tangentiale Einströmquerschnitte (48) vorzugsweise am Innenumfang des Dralldüsenkörpers (46) in eine Drallkammer (49) strömt. Die Druckenergie wird in Umfangsgeschwindigkeit umgesetzt und mit einer Axialkomponente überlagert durch ein zentrales, konisches Spritzloch (50) als Strahlkegel eingespritzt (1C).
Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Weg des Nadelhubs das Verhältnis der tangentialen Einströmquerschnitte (48) zum Austrittsquerschnitt am Nadelsitz vorzugsweise konstant und optimiert ist.
Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe und Form der Einströmquerschnitte (48), von der Drallkammer (49) und vom Spritzloch (50) so gewählt werden, daß die bestmögliche Gemischaufbereitung und -verteilung erreicht werden.
Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Einströmquerschnitte verzugsweise am Innenumfang des Dralldüsenkörpers (46) angebracht und die Querschnittsübergänge verrundet sind (2).
Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die entstehende Dampfblase zum Luftkern in der Mittelachse der Drallkammer (49) geführt wird (Teetasseneffekt) und zum Strahlaufbruch im Einspritzkegel und zur Vergrößerung des Strahlwinkels (51) genutzt wird.
Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezo-Stellmodul (6) und der hydr. Koppler (45) im Hochdruckraum (5a) axial in Reihe so angeordnet sind, daß die Düsennadel (47) direkt hydr. entgegengerichtet betätigt und dabei der Steuerweg für den Einströmquerschnitt (48) vergrößert wird (1C).
Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzverlauf durch die elektr. Ansteuerung des Stellmoduls (6) entsprechend den motorischen Anforderungen geformt und gesteuert wird.
Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung und Formung des Einspritzverlaufs lecköllos ist und dadurch der hydr. Gesamtwirkungsgrad vergrößert wird (1C).
Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoff im Hochdruckraum (5a) durch die elektr. Ansteuerung des Stellmoduls (6) vorgewärmt wird und mit dem eingespritzten Kraftstoff abgeführt wird (1C).
Piezo-Inline-Injektor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlkegel aus dem Spritzloch (50) nicht senkrecht, sondern in etwa tangential und entgegengerichtet zur Luftdrehrichtung in den Brennraum eingespritzt wird, damit die Relativgeschwindigkeit von Luft zu Kraftstofftröpfchen vergrößert und somit die Verdampfungs- und Oxydationsgeschwindigkeit verbessert wird.
Inline-Injektor nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Stellmodul (6) der Piezoblock durch einen starken Elektromagneten ersetzt wird, der durch die elektrische Ansteuerung den notwendigen Düsennadelhub erzeugt, damit die wegabhängigen Einströmquerschnitte (48) über den ganzen Regelbereich entsprechend den innermotorischen Anforderungen gesteuert werden können.