DE102011078068A1 - Device for injecting fluid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluides (26) mittels eines Ventiles (34) und umfasst einen Kanal (28). Dieser weist einen sich in Förderrichtung (30) des Fluides (26) gesehenen verjüngenden Querschnitt (32) auf. Ein Aktor (20) zur Förderung des Fluides (26) weist eine im Wesentlichen hutförmige Gestalt (44, 46) auf.The invention relates to a device for injecting a fluid (26) by means of a valve (34) and comprises a channel (28). This has a tapering cross-section (32) seen in the conveying direction (30) of the fluid (26). An actuator (20) for conveying the fluid (26) has an essentially hat-shaped shape (44, 46).
Description
Stand der TechnikState of the art
Als Stoßwelle oder Schockwelle wird in der Strömungslehre eine Druckwelle bezeichnet, die durch Explosionen oder andere Phänomene erzeugt wird, und die extreme Druckunterschiede hervorruft. Die Druckwelle läuft dabei als Wellenfront durch ein Medium. As a shock wave or shock wave in fluid mechanics a pressure wave is called, which is generated by explosions or other phenomena, and causes extreme pressure differences. The pressure wave runs as a wavefront through a medium.
In kompressiblen, d.h. verdichtbaren Medien, so zum Beispiel Gasen, breiten sich Störungen etwa von hindurch bewegten Festkörpern hervorgerufenen Änderungen durch das Medium als Druckwellen aus, die sich mit der Schallgeschwindigkeit des Mediums bewegen. Bewegt sich die Störung nur langsam im Vergleich zur Schallgeschwindigkeit, erlaubt es die Druckwelle, dem Medium, sich neu zu verteilen, um die Störung auszugleichen und verhält sich genau wie ein inkompressibles Medium.In compressible, i. For example, in the case of compressible media, such as gases, disturbances, such as changes caused by moving solids, propagate through the medium as pressure waves that move with the speed of sound of the medium. If the perturbation moves slowly compared to the speed of sound, it allows the pressure wave, the medium, to redistribute to balance the perturbation and behave exactly like an incompressible medium.
Bewegt sich die Störung jedoch schneller als die durch sie verursachten Druckwellen, kann die Materie des Mediums nahe der Störungsquelle nicht schnell genug reagieren, um der Störung auszuweichen. Die Zustandsgrößen des Mediums, so zum Beispiel Dichte, Druck, Temperatur, Geschwindigkeit usw., verändern sich daher nahezu momentan, um sich der Störung anzupassen. Dadurch werden Störungswellen mit stark ansteigendem Druck erzeugt, die auch als Stoßwellen bezeichnet werden, und die eine schockartige Erhitzung des Materials bewirken. Die Stoßwellen klingen schließlich zu normalen Druckwellen ab, wenn ihre Energie vom Medium absorbiert wird. However, if the perturbation moves faster than the pressure waves caused by it, the matter of the medium near the perturbation source can not react fast enough to avoid the perturbation. The state quantities of the medium, such as density, pressure, temperature, velocity, etc., therefore change almost instantaneously to accommodate the disturbance. As a result, interference waves are generated with strongly increasing pressure, which are also referred to as shock waves, and cause a shock-like heating of the material. The shockwaves eventually decay to normal pressure waves when their energy is absorbed by the medium.
Ähnliche Probleme sind auch außerhalb der Strömungslehre bekannt. Beispielsweise erzeugen Teilchen, die sich in bestimmten Medien, wie etwa Wasser, schneller als die dort geltende Lichtgeschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) bewegen, sie beträgt im Wasser nur etwa 230.000 km/s, einen Schockeffekt, der als Tscherenkow Strahlung bekannt ist. Es lassen sich zwei grundlegende Typen von Stoßwellen unterscheiden, die allerdings physikalisch äquivalent sind und sich nur durch die Wahl des Bezugsystems unterscheiden. Similar problems are also known outside of fluid mechanics. For example, particles moving in certain media, such as water, faster than the speed of light (phase velocity) present there, is only about 230,000 km / s in water, a shocking effect known as Cherenkov radiation. It is possible to distinguish two basic types of shock waves, which are physically equivalent and differ only in the choice of the reference system.
1. Fortschreitende Wellen in stehendem Medium: 1. Progressive waves in stagnant medium:
Sie werden durch plötzliche Störungen im Medium, etwa durch eine Explosion oder ein Projektil, hervorgerufen und bewegen sich mit Überschallgeschwindigkeit.They are caused by sudden disturbances in the medium, such as an explosion or a projectile, and move at supersonic speed.
2. Stehende Wellen in einem fließenden Medium:2. Standing waves in a flowing medium:
Sie werden dadurch hervorgerufen, dass von einer Quelle kontinuierlich Materie ausgestoßen wird, wie zum Beispiel der Sonnenwind der Sonne oder die Antriebsgase in einem Raketentriebwerk. Solche Wellen können einen Gleichgewichtszustand erreichen, indem sie den Windausstoß begrenzen.They are caused by the continuous ejection of matter from a source, such as the solar wind of the sun or the propulsion gases in a rocket engine. Such waves can reach a state of equilibrium by limiting the wind output.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluides vorgeschlagen, welches einen mit einem Fluid, insbesondere einer Flüssigkeit, wie zum Beispiel Kraftstoff, befüllten Kanal aufweist, der durch einen Aktor beaufschlagt ist. Der Aktor hat ein im Wesentlichen hutförmiges Aussehen mit einer zentrisch ausgebildeten, einem umgekehrten Topf entsprechenden Erhebung, die von einer Planfläche umschlossen ist, wobei die Planfläche die Aktorfläche darstellt und die Stirnseite der Erhebung eine Kolbenfläche darstellt. Neben einer einteilig ausgebildeten Ausführungsmöglichkeit besteht auch eine zweiteilige Ausführungsmöglichkeit, wobei bei der zweiteiligen Ausführungsvariante die Planfläche aus einem Material gefertigt wird, welches in magnetischer Hinsicht für einen eingesetzten Magnetaktor gute bis sehr gute magnetische Eigenschaft aufweist. Die Geometrie des Aktors lässt sich vor allem dadurch charakterisieren, dass der Durchmesser der Wirkfläche der Erhebung, d.h. eine Kolbenfläche π d2 Kolben/4 zumindest um den Faktor 2 kleiner ist als die Wirkfläche der Planseite des Aktors, π d2 Aktor/4. Die Geometrie des Aktors lässt sich mithin dadurch charakterisieren, dass diese einer Hutform entspricht mit einem zylindrischen topfförmigen Zentrum, welches von einer Planseite, welches die „Krempe“ des Hutes bildet und der Durchmesser der „Krempe“ um den Faktor 2 größer bemessen ist als der Durchmesser der den Hut abschließenden Stirnfläche, die im vorliegenden Zusammenhang als Kolben fungiert. In vorteilhafter Weise können insbesondere bei der zweiteilig ausgebildeten Ausführungsmöglichkeit die Planseite, auf welche die Erregerspule einwirkt, aus einem Material mit hervorragenden elektromagnetischen Eigenschaften gefertigt werden. Bei diesem Material handelt es sich im Allgemeinen um relativ hochpreisige Materialien, deren Festigkeit begrenzt ist. Bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aktor kann die Erhebung, d.h. der übrige Kolben aus einem kostengünstigeren, jedoch eine sehr hohe Festigkeit aufweisenden Material ausgestaltet werden. Das Fügen der beiden Komponenten des in diesem Fall zweiteilig ausgebildeten Aktors kann beispielsweise durch einfaches Aufkleben auf der Kolbenunterseite ermöglicht werden. Eine Erhöhung der Festigkeit, insbesondere des Kolbenteiles des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aktors, kann des Weiteren durch eine seitlich verlaufende „Krempe“ erzielt werden. According to the invention, a device for injecting a fluid is proposed, which has a filled with a fluid, in particular a liquid, such as fuel, channel, which is acted upon by an actuator. The actuator has a substantially hat-shaped appearance with a centrally formed, a reverse pot corresponding survey, which is enclosed by a plane surface, wherein the planar surface is the actuator surface and the end face of the survey represents a piston surface. In addition to a one-piece design option, there is also a two-part design option, wherein in the two-part embodiment, the flat surface is made of a material which has good to very good magnetic property in magnetic terms for a solenoid actuator used. The geometry of the actuator can be characterized in particular by the fact that the diameter of the effective area of the elevation, ie a piston area π d 2 piston / 4 is at least a factor of 2 smaller than the effective area of the plan side of the actuator, π d 2 actuator / 4. The geometry of the actuator can thus be characterized in that it corresponds to a hat shape with a cylindrical cup-shaped center, which is dimensioned by a plan side, which forms the "brim" of the hat and the diameter of the "brim" by a factor of 2 greater than that Diameter of the end face of the hat, which acts as a piston in the present context. In an advantageous manner, in particular in the case of the two-part design option, the plan side, on which the exciter coil acts, can be manufactured from a material with outstanding electromagnetic properties. This material is generally relatively high-priced materials whose strength is limited. In the actuator proposed according to the invention, the elevation, ie the remaining piston, can be configured from a more cost-effective but very high-strength material. The joining of the two components of the actuator formed in two parts in this case can be made possible for example by simply sticking on the underside of the piston. An increase in the strength, in particular of the piston part of the inventively proposed actuator, can be further achieved by a laterally extending "brim".
In vorteilhafter Weise kann mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluides gegenüber bekannten Designs ein verbesserter modularer Aufbau erreicht werden, der es ermöglicht, eine Druckpulsformung sowie die Stärke der zu erzeugenden Stoßwelle im mit einem Fluid befüllten Kanal zu variieren und insbesondere stufenweise zu erhöhen.Advantageously, with the device proposed according to the invention for injecting a fluid over known designs, an improved modular construction can be achieved, which makes it possible to vary a pressure pulse forming and the strength of the shock wave to be generated in the filled with a fluid channel and in particular to increase gradually.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird der Umstand ausgenutzt, dass bei konstanter Kraft der Druck in einem Fluid, insbesondere in einer Flüssigkeit, in Relation zur Kolbenfläche linear und zum Durchmesser quadratisch zunimmt. Des Weiteren lässt sich ein Druckpuls verlängern, was sich in vorteilhafter Weise auf die einzuspritzende Menge der Flüssigkeit, beziehungsweise des Fluides auswirkt. Der Druck nimmt auch mit kleinerer Kolbenmasse ebenfalls überproportional zu. Die Aktorkraft nimmt jedoch demgegenüber proportional zur Fläche zu.By the inventively proposed solution, the fact is exploited that at constant force, the pressure in a fluid, in particular in a liquid, in relation to the piston surface increases linearly and the diameter square. Furthermore, a pressure pulse can be extended, which has an advantageous effect on the amount of liquid or fluid to be injected. The pressure also increases disproportionately with smaller piston mass. The actuator force, however, increases in proportion to the area.
In vorteilhafter Weise kann die Kombination aus einer kleinen Kolbenfläche und einer großen Aktorfläche gemäß der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung dazu ausgenutzt werden, die Druckkraft zu erhöhen und mittels des Prinzips der Flächenübersetzung einen Druckpuls zu erzeugen, der eine sehr hohe Amplitude aufweist. Die vorgeschlagene Umsetzung, d.h. das Design des Aktors, erinnert an einen Hut, dessen Geometrie wie obenstehend kurz skizziert, beschaffen ist. Die konkrete Ausgestaltung der Kolbenfläche, d.h. der Wirkfläche, die in den Kanal im Gehäuse der Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluides hineinragt, in dem die Flüssigkeit bevorratet wird, ist auf verschiedenste Weise denkbar. Es besteht die Möglichkeit, die Kolbenfläche, d.h. die Stirnseite der zentrischen Erhebung des hutförmig konfigurierten Aktors, plan oder mit einer Rundung zu versehen. Beispielsweise kann die Stirnseite mit einer konkaven Mulde versehen sein, wobei die Stirnseite, sei sie plan, sei sie gewölbt ausgerundet, Teil der zentrischen Erhebung des Aktors ist. Die Mantelfläche der zentrischen Erhebung, welche den eigentlichen Kolben des Aktors darstellt, kann in vorteilhafter Weiser in einer Führung innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung zum Einspritzen des Fluides geführt sein. In der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluides ist dem mindestens einen Aktor eine scheibenförmig ausgestaltete Magnetspule als Erregerspule zugeordnet. Die Magnetspule kann auf einem Aktorträger aufgebracht sein und eine Durchgangsöffnung umfassen, wobei die im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildete Magnetspule im in dem Aktor beziehungsweise in dessen Gehäuse eingebauten Zustand sich im Wesentlichen, d.h. parallel zur „Krempe“ des hutförmig konfigurierten Aktors erstreckt. Wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung einer Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluides im Gehäuse ein Hohlraum vorgesehen, so kann der im Wesentlichen hutförmig konfigurierte Aktor in diesem Gehäuse beziehungsweise in einer Kanalmündung des die Flüssigkeit aufnehmenden Kanals, der in das Gehäuse mündet, in einer Führung aufgenommen sein. Bei einer Bestromung der unterhalb des im Wesentlichen hutförmig ausgebildeten Aktors angeordneten Magnetspule, verfährt der mindestens eine Aktor im Gehäuse in seiner Führung im Wesentlichen in vertikale Richtung und komprimiert das im Kanal des Gehäuses enthaltene Fluidvolumen, insbesondere eine Flüssigkeit, zum Beispiel Kraftstoff. Diese kann bei entsprechender Ansteuerung eines am Ende des beispielsweise verjüngenden Querschnitt aufweisenden Kanals angeordneten Ventils in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden.Advantageously, the combination of a small piston surface and a large actuator surface according to the solution proposed by the invention can be exploited to increase the pressure force and produce by means of the principle of surface translation a pressure pulse having a very high amplitude. The proposed implementation, i. the design of the actuator, reminiscent of a hat, the geometry of which, as briefly sketched above, is designed. The specific embodiment of the piston surface, i. The active surface, which projects into the channel in the housing of the device for injecting a fluid, in which the liquid is stored, is conceivable in various ways. It is possible to have the piston area, i. the front of the central elevation of the hat-shaped actuator configured to plan or provide a rounding. For example, the front side may be provided with a concave depression, wherein the end face, be it flat, rounded out, is part of the central elevation of the actuator. The lateral surface of the central elevation, which represents the actual piston of the actuator, can be guided in an advantageous manner in a guide within the housing of the device for injecting the fluid. In the device proposed according to the invention for injecting a fluid, the at least one actuator is assigned a disk-shaped magnetic coil as the exciter coil. The magnet coil may be mounted on an actuator carrier and comprise a passage opening, wherein the substantially disk-shaped magnetic coil in the installed state in the actuator or in the housing substantially, i. extends parallel to the "brim" of the hat-shaped configured actuator. If a cavity is provided in the solution proposed according to the invention of a device for injecting a fluid in the housing, then the actuator which is essentially hat-shaped can be accommodated in a guide in this housing or in a channel mouth of the liquid-receiving channel which opens into the housing , When energizing the arranged below the substantially hat-shaped actuator solenoid, moves the at least one actuator in the housing in its leadership substantially in the vertical direction and compresses the fluid contained in the channel of the housing volume, in particular a liquid, for example fuel. This can be injected into the combustion chamber of an internal combustion engine with appropriate control of a arranged at the end of, for example, tapered cross-section channel valve.
Es besteht die Möglichkeit, innerhalb eines Gehäuses eine Anzahl der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Aktoren in Stapelanordnung im Wesentlichen in vertikaler Richtung übereinander anzuordnen. Einem jedem der im Wesentlichen hutförmig beschaffenen Aktoren ist bei dieser Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluides in Stapelanordnung jeweils eine separat ansteuerbare Magnetspule als Erregerspule zugeordnet. Ein jedes Paar von Aktor und Erregerspule bildet bei der Stapelanordnung jeweils einen Wirbelstromaktor. It is possible, within a housing, to arrange a number of the inventively proposed actuators stacked in a substantially vertical direction one above the other. Each one of the essentially hat-shaped actuators in this embodiment, the device proposed according to the invention for injecting a fluid in a stacked arrangement is assigned in each case a separately controllable magnetic coil as an excitation coil. Each pair of actuator and excitation coil forms an eddy current actuator in the stack arrangement.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Anhand der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann ein guter Wirkungsgrad der Aktorik erreicht werden. Es lässt sich ein Druckpuls mit einer hohen Amplitude erzeugen, bei Wahl eines geeigneten Flächenverhältnisses von Aktorfläche zu Kolbenfläche. Das Verhältnis ist dabei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend auf Basis der gewünschten Druckpulsamplitude und der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung zu wählen. Für die vorstehend dargestellte Anwendung ist anzustreben, dass das Durchmesserverhältnis von Aktorfläche zur Kolbenfläche größer als
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawings, the invention will be described in more detail below.
Es zeigen:Show it:
Ausführungsvariantenvariants
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben, welches eine Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluides zeigt, beispielsweise einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Neben der hier benannten Anwendungsmöglichkeit der nachstehend beschriebenen Vorrichtung zum Einspritzen eines Fluides, bestehen darüber hinaus vielfältige weitere Anwendungsmöglichkeiten, auf die im Einzelnen hier nicht eingegangen werden kann.The present invention will be described below with reference to an embodiment which shows a device for injecting a fluid, for example a fuel injector for injecting fuel into the combustion chamber of an internal combustion engine. In addition to the above-mentioned application possibility of the device described below for injecting a fluid, beyond there are a variety of other applications, which can not be discussed in detail here.
Aus der Darstellung gemäß
Der Darstellung gemäß
Wie aus der Darstellung gemäß
Aus der Darstellung gemäß
In Abwandlung der Darstellung gemäß
Der Darstellung gemäß
Bei sämtlichen Ausführungsvarianten des im Wesentlichen hutförmig gestalteten Aktors
Der Schnittdarstellung gemäß
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Einspritzvorrichtung
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Einspritzvorrichtung
Schließlich ist im Druckverlauf gemäß
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