DE102013010552A1

DE102013010552A1 - Injector

Info

Publication number: DE102013010552A1
Application number: DE102013010552.8A
Authority: DE
Inventors: Andreas Thaysen
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2013-06-15
Filing date: 2013-06-15
Publication date: 2014-12-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, umfassend ein Gehäusebauteil mit wenigstens einem Spritzloch (10) mit einer Spritzlochachse (11) geeignet zum Einspritzen des Kraftstoffs in Form eines Strahlkegels (14) mit Öffnungswinkel α (9), eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche, wobei die Austrittsfläche (13) in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Spritzlochachse (11) liegt, und eine im Wesentlichen parallel zur Spritzlochachse (11) verlaufende Wandfläche mit einer Wandkontur (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche (13) derart ausgestaltet ist, dass der Strahlkegel (14) des einzuspritzenden Kraftstoffs, der die Austrittsfläche (13) schneidet, außerhalb der Wandkontur (12) liegt.The invention relates to an injection device for injecting fuel, comprising a housing component with at least one spray hole (10) with a spray hole axis (11) suitable for injecting the fuel in the form of a jet cone (14) with an opening angle α (9), an inlet surface and an outlet surface , wherein the outlet surface (13) lies in a plane substantially perpendicular to the spray hole axis (11), and has a wall surface running essentially parallel to the spray hole axis (11) with a wall contour (12), characterized in that the outlet surface (13) is designed such that the jet cone (14) of the fuel to be injected, which intersects the outlet surface (13), lies outside the wall contour (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die stetig steigenden Anforderungen an Ottomotoren mit der Direkteinspritzung bezüglich Verbrauch und Schadstoffausstoß lassen die Ansprüche an das direkt einspritzende Kraftstoffsystem ebenfalls ansteigen. Das äußert sich durch immer höhere Einspritzdrücke, während zeitgleich die Genauigkeit im Strahltarget und die Reduzierung der Eindringung weiter im Focus stehen. Als Summe ergibt sich daraus eine filigrane Spritzlochgeometrie die auf Grund der hohen Einspritzdrücke in relativ robuste Wandstärken eingebracht wird. Allerdings führt eine immer wieder auftretende starke Verkokung der Injektorspitze im Bereich der Spritzlöcher, auf Grund von Kraftstoffbenetzung der Injektorspitze, zu Gemischaufbereitungs- und Emissionsproblemen.The invention relates to an injection device for the injection of fuel with the features according to the preamble of claim 1. The ever increasing demands on gasoline engines with the direct injection in terms of consumption and emissions allow the demands on the direct injection fuel system also increase. This is reflected in higher and higher injection pressures, while at the same time the accuracy in the jet target and the reduction of the penetration are still in focus. The sum of these results in a filigree spray hole geometry which is introduced into relatively robust wall thicknesses due to the high injection pressures. However, a recurring strong coking of the injector tip in the area of the injection holes, due to fuel wetting of the injector tip, leads to Gemischaufbereitungs- and emission problems.

Aus dem Dokument DE 102 55 375 A1 ist eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine bekannt, die ein Gehäusebauteil mit wenigstens einem Spritzloch umfasst, welches einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich aufweist. Der Austrittsbereich liegt in einer Ebene senkrecht zu einer Spritzlochachse. In diesem Dokument ist allerdings die konkrete Ausgestaltung des Eintritts- und Austrittsbereichs nicht offenbart.From the document DE 102 55 375 A1 is an injection device for injecting fuel, in particular in a combustion chamber of an internal combustion engine known, comprising a housing component with at least one injection hole, which has an inlet region and an outlet region. The exit region lies in a plane perpendicular to a spray hole axis. In this document, however, the specific design of the entry and exit area is not disclosed.

Von diesem Hintergrund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Ablagerung des Kraftstoffs im Injektor beziehungsweise an der Injektorspitze des Einspritzsystems, die während der Verbrennung in Verkokung umgewandelt wird, zu vermeiden.Against this background, the object of the present invention is to avoid the deposition of the fuel in the injector or at the injector tip of the injection system, which is converted into coking during combustion.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a device having the features of independent claim 1.

Erfindungsgemäß wird eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff vorgestellt, umfassend ein Gehäusebauteil mit wenigstens einem Spritzloch mit einer Spritzlochachse geeignet zum Einspritzen des Kraftstoffs in Form eines Strahlkegels mit Öffnungswinkel α eine Eintrittsfläche und eine Austrittsfläche, wobei die Austrittsfläche in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Spritzlochachse liegt, und eine im Wesentlichen parallel zur Spritzlochachse verlaufende Wandfläche mit einer Wandkontur aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsfläche derart ausgestaltet ist, dass der Strahlkegel des einzuspritzenden Kraftstoffs, der die Austrittsfläche schneidet, außerhalb der Wandkontur liegt.According to the invention, an injection device for injecting fuel is presented, comprising a housing component with at least one injection hole with a spray hole axis suitable for injecting the fuel in the form of a jet cone with opening angle α an entrance surface and an exit surface, wherein the exit surface in a plane substantially perpendicular to the injection hole axis is, and has a substantially parallel to the injection hole axis extending wall surface having a wall contour, characterized in that the exit surface is configured such that the jet cone of the fuel to be injected, which intersects the exit surface, is outside the wall contour.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.Advantageous developments of the invention are characterized in the dependent claims.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass im Vergleich zu den herkömmlichen Lösungen, eine bestimmte Auslegung des Injektors vorliegt. Damit wird der Kraftstoffauftrag im Injektor beziehungsweise an der Injektorspitze vermieden und die anschließend im Rahmen der Verbrennung entstehende Verkokung vorgebeugt. Das Injektorverhalten wird dadurch nicht nachhaltig gestört.An advantage of the device according to the invention is that in comparison to the conventional solutions, there is a specific design of the injector. This avoids the application of fuel in the injector or at the tip of the injector and prevents the coking that subsequently occurs during combustion. The injector behavior is not permanently disturbed.

Bevorzugt ist eine Ausführungsform der Vorrichtung, wonach die Austrittsflächengeometrie im Wesentlichen der Strahlgeometrie des einzuspritzenden Kraftstoffs entspricht. Damit kann die Ablagerung des Kraftstoffs vermieden werden. Geometrische Betrachtungen und Kenntnisse von austretenden Kraftstoffstrahlen unter bestimmten Randbedingungen führen zu dem Schluss, dass ungünstige geometrische Verhältnisse der Austrittsfläche der Auslöser für die Verkokung der Injektoren sind. Durch die Anpassung der Austrittsflächengeometrie an die Strahlgeometrie des Kraftstoffs kann die Vekokungsneigung des Injektors wesentlich verbessert werden.An embodiment of the device is preferred, according to which the exit surface geometry substantially corresponds to the jet geometry of the fuel to be injected. Thus, the deposition of the fuel can be avoided. Geometric considerations and knowledge of exiting fuel jets under certain boundary conditions lead to the conclusion that unfavorable geometrical conditions of the exit surface are the trigger for the coking of the injectors. By adjusting the exit surface geometry to the jet geometry of the fuel, the Vekokungsneigung the injector can be significantly improved.

In bevorzugter Ausführungsform kann der ideale Durchmesser der Austrittsfläche als ein Produkt eine Faktors und einer Summe aus dem Spritzlochdurchmesser und des Produktes des Öffnungswinkels α des Strahlkegels und der Austrittsflächentiefe dargestellt werden. Bei heutigen Auslegungen für Einspritzdrücke von 200 bar und mehr, ist bei der Tiefe der Austrittsfläche auf Grund der Festigkeit (Spritzplattendicke) nicht mehr viel Spielraum (abhängig von der Auslegung). Der Durchmesser bietet aber, ebenfalls abhängig von der Auslegung, noch Möglichkeiten der Vergrößerung. Um bei der Injektorauslegung gleich den richtigen Durchmesser vorzuhalten und nicht empirisch über mehrere Iterationsschleifen zu ermitteln, ist ein Faktor notwendig, der abhängig vom gemessenen/berechneten Strahlaustrittswinkel, der Austrittsflächentiefe und einem frei wählbaren Sicherheitsfaktor den Austrittsflächendurchmesser angibt. Die Faktorgröße liegt bevorzugt in einem Intervall [1,2] ist.In a preferred embodiment, the ideal diameter of the exit surface may be represented as a product of a factor and a sum of the injection hole diameter and the product of the opening angle α of the jet cone and the exit surface depth. In today's designs for injection pressures of 200 bar and more, the depth of the exit surface due to the strength (spray plate thickness) is no longer much leeway (depending on the design). The diameter offers, however, also depending on the design, still possibilities of enlargement. In order to maintain the correct diameter for the injector design and not to determine it empirically over several iteration loops, a factor is necessary which indicates the exit surface diameter depending on the measured / calculated beam exit angle, the exit surface depth and a freely selectable safety factor. The factor size is preferably in an interval [1,2].

Erfindungsgemäß kann der Faktor eine Funktion des Spritzlochdurchmessers ds, des Austrittsflächendurchmessers dv, der Austrittsflächentiefe lv, des Strahlaustrittswinkels α und eines frei wählbaren Sicherheitsfaktors s sein. Der Strahlaustrittswinkel kann abhängig von Druck und Temperatur des einzuspritzenden Mediums pf, Tf, von Druck und Temperatur der Umgebung in die eingespritzt wird pk, Tk und des l/d-Verhältnisses vom Spritzloches ls/ds ist oder ein empirisches Messwert darstellt.

mit d_K = d_S + 2·a_H und a_H = tanα·l_v angenommen
α = f(p_K, T_K, p_F, T_F, l_S, d_S)∪ gemessen ist.

According to the invention, the factor can be a function of the injection hole diameter ds, the exit area diameter dv, the exit area depth lv, the beam exit angle α and a freely selectable safety factor s. Depending on the pressure and temperature of the medium to be injected pf, Tf, the jet outlet angle can be injected from the pressure and temperature of the environment into the pk, Tk and the l / d ratio of the spray hole ls / ds or represents an empirical measured value.

with d _K = d _S + 2 · a _H and a _H = tan α · l _v assumed
α = f (p _K , T _K , p _F , T _F , l _S , d _S ) ∪ is measured.

Der Sicherheitsfaktor s ist frei wählbar und wird empirisch abgesichert.The safety factor s is freely selectable and is empirically verified.

Erfindungsgemäß kann die Wandkontur der Injektors zumindest teilkonisch oder trichterförmig ausgestaltet werden oder gestuft verlaufen. Bestimmte Auslegung der Spritzplatte zeigen das Problem, dass der Durchmesser der Austrittsfläche, aus Festigkeitsgründen, nicht vergrößert werden kann. Dieses Festigkeitsproblem macht alternative Wandkonturgeometrien erforderlich.According to the invention, the wall contour of the injector can be designed to be at least partially conical or funnel-shaped or stepped. Certain design of the spray plate show the problem that the diameter of the exit surface, for reasons of strength, can not be increased. This strength problem requires alternative wall contour geometries.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung kann darin bestehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist. Damit kann in einfacher Weise ein positiver Beitrag für die Emissionsverbesserung geleistet werden.A particularly advantageous arrangement may be that the device according to the invention is installed in a combustion chamber of an internal combustion engine in a motor vehicle. This can be done in a simple manner, a positive contribution to the emission improvement.

Das Kraftfahrzeug kann ein schienenloses Radfahrzeug sein.The motor vehicle may be a trackless wheeled vehicle.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:Further advantages and advantageous embodiments and developments of the invention will be described with reference to the following description with reference to the figures. It shows in detail:

1 ist eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse der erfindungsgemäßen Vorrichtung, 1 is a schematic representation of the geometric relationships of the device according to the invention,

2 ist eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine gestufte Wandkontur aufweist, 2 is an alternative embodiment of the device according to the invention, which has a stepped wall contour,

3 ist eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine konische Wandkontur aufweist, 3 is an alternative embodiment of the device according to the invention, which has a conical wall contour,

4 ist eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine teilkonische Wandkontur aufweist. 4 is an alternative embodiment of the device according to the invention, which has a part-conical wall contour.

In 1 sind die geometrischen Verhältnisse der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Der Injektor mit der vorgegebenen Spritzplattendicke l 7 weist ein Spritzloch 9 mit der Spritzlochlänge ls 6 auf. Durch das Spritzloch 10 wird der Kraftstoff in Form eines Strahlkegels 14 mit dem Strahlkegeldurchmesser dk 2 und dem Strahlaustrittswinkel α 9 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt. Die Austrittsfläche 13 des Injektors mit dem Austrittsflächendurchmesser dv 3 und der Austrittsflächentiefe lv 5 liegt in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Spritzlochachse 11 liegt und im Wesentlichen parallel zur Spritzlochachse 11 verlaufende Wandfläche mit einer Wandkontur 12 aufweist. Der Hilfsabstand 8 ist der halbierte Abstand zwischen dem Strahlkegeldurchmesser dv 3 und dem Spritzlochdurchmesser ds 4.In 1 the geometric relationships of the device according to the invention are shown schematically. The injector with the specified spray plate thickness l 7 has a spray hole 9 with the injection hole length ls 6 on. Through the spray hole 10 the fuel is in the form of a jet cone 14 with the beam cone diameter dk 2 and the beam exit angle α 9 injected into the combustion chamber of an internal combustion engine. The exit surface 13 of the injector with the exit area diameter dv 3 and the exit area depth lv 5 lies in a plane substantially perpendicular to the injection hole axis 11 is located and substantially parallel to the injection hole axis 11 extending wall surface with a wall contour 12 having. The auxiliary distance 8th is the halved distance between the beam cone diameter dv 3 and the injection hole diameter ds 4 ,

In 2 stellt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, die eine gestufte Wandkontur aufweist. Die gestufte Wandkontur ist, geometrisch beschrieben, von zwei mit ihrer Kreisfläche treppenförmig aufeinander liegenden Zylindern unterschiedlichen Durchmessers gebildet, deren Mittellinien aufeinander liegen und der größere Durchmesser an der Außenseite der Spritzplatte liegt. Der Betrag des großen Durchmesser lässt sich mit der Formel für den Faktors Kv berechnen, der Betrag des kleinen Durchmesser ergibt sich aus der Festigkeitsberechnung des jeweiligen Injektor Herstellers. Die Tiefe bzw. Höhe des jeweiligen Zylinders lässt sich ebenfalls über den Faktor Kv in der zweiten Zylinderebene berechnen.In 2 represents an alternative embodiment of the device according to the invention, which has a stepped wall contour. The stepped wall contour is, geometrically described, formed by two with their circular surface staircase superimposed cylinders of different diameters, the center lines lie on each other and the larger diameter is located on the outside of the spray plate. The amount of the large diameter can be calculated with the formula for the factor Kv, the amount of the small diameter results from the strength calculation of the respective injector manufacturer. The depth or height of the respective cylinder can also be calculated using the factor Kv in the second cylinder plane.

3 stellt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, die eine konische Wandkontur aufweist. Die konische Wandkontur ist, geometrisch beschrieben, ein Konus mit dem größeren Durchmesser an der Außenseite der Spritzplatte. Der Betrag des großen Durchmesser lässt sich mit der Formel des Faktors Kv berechnen, der Betrag des kleinen Durchmesser ergibt sich aus der Festigkeitsberechnung des jeweiligen, Injektor Herstellers. 3 represents an alternative embodiment of the device according to the invention, which has a conical wall contour. The conical wall contour is, geometrically described, a cone with the larger diameter on the outside of the spray plate. The amount of the large diameter can be calculated with the formula of the factor Kv, the amount of the small diameter results from the strength calculation of the respective injector manufacturer.

4 ist eine schematische Darstellung des einer alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die eine teilkonische Wandkontur aufweist. Die teilkonische Wandkontur ist, geometrisch beschrieben, ein Zylinder der mit seiner Kreisfläche auf der großen Kreisfläche eines Konus liegt, den gleichen Durchmesser hat und deren Mittellinien aufeinander liegen. Der Zylinder zeigt dabei zur Außenseite der Spritzplatte. Der Betrag des großen Durchmesser lässt sich ebenfalls mit der Formel des Faktors berechnen, der Betrag des kleinen Durchmesser ergibt sich aus der Festigkeitsberechnung des jeweiligen Injektor Herstellers. 4 is a schematic representation of an alternative embodiment of the device according to the invention, which has a part-conical wall contour. The partially conical wall contour is, geometrically described, a cylinder which lies with its circular area on the large circular area of a cone, has the same diameter and whose center lines lie on one another. The cylinder points to the outside of the splash plate. The amount of the large diameter can also be calculated with the formula of the factor, the amount of the small diameter results from the strength calculation of the respective injector manufacturer.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Injektorinjector
22: dk Strahlkegeldurchmesserdk beam cone diameter
33: dv Austrittsflächendurchmesserdv exit area diameter
44: ds Spritzlochdurchmesserds spray hole diameter
55: lv-Austrittsflächentiefe (längste Seite)lv exit depth (longest side)
66: ls Spritzlochlängels spray hole length
7 7: l Spritzplattendickel spray plate thickness
88th: ah Hilfsabstandah auxiliary distance
99: α Strahlaustrittswinkelα beam exit angle
1010: Spritzlochspiracle
1111: SpritzlochachseInjection hole axis
1212: Wandkonturwall contour
1313: Austrittsflächeexit area
1414: Strahlkegeljet cone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10255375 A1 [0002]

Claims

Injection device for injection of fuel, comprising a housing component with at least one injection hole ( 10 ) with a spray hole axis ( 11 ) suitable for injecting the fuel in the form of a jet cone ( 14 ) with opening angle α ( 9 ), an entrance surface and an exit surface, wherein the exit surface ( 13 ) in a plane substantially perpendicular to the injection hole axis ( 11 ), and a substantially parallel to the injection hole axis ( 11 ) extending wall surface with a wall contour ( 12 ), characterized in that the exit surface ( 13 ) is configured such that the beam cone ( 14 ) of the fuel to be injected, the exit surface ( 13 ) cuts, outside the wall contour ( 12 ) lies.

Injection device according to claim 1, characterized in that the exit surface geometry substantially corresponds to the jet geometry of the fuel to be injected.

Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the exit surface ( 13 ) is designed substantially circular.

Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the exit surface is a product of a factor and a sum of the injection hole diameter ( 4 ) and the product of the opening angle α ( 9 ) of the beam cone ( 14 ) and the exit area depth ( 5 ).

Injection device according to claim 4, characterized in that the factor is a number from the interval [1,2].

Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the factor is a function of the injection hole diameter ds ( 4 ), the exit area diameter d _v ( 3 ), the exit area depth l _v ( 5 ), the beam exit angle α ( 9 ) and a safety factor s.

Injection device according to claim 4, 5 and / or 6, characterized in that the beam exit angle α ( 9 ) depending on the pressure and temperature of the medium to be injected p _F , T _F , of the pressure and temperature of the environment is injected into the p _k , T _K and the I / d ratio of the spray hole Is / ds is or represents an empirical reading.

Injection device according to one of the preceding claims, characterized in that the wall contour ( 12 ) is configured at least teilkonisch or funnel-shaped or stepped.

Injection valve device according to one of the preceding claims, characterized in that the injection valve device is inserted in a combustion chamber of an internal combustion engine.

Motor vehicle, characterized in that it contains an anchored in the motor vehicle injection valve device with the features of claim 1 to 9.