DE102016216608A1 - Two-substance injector for two media - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Zweistoffinjektor 1, aufweisend einen Injektorkörper 2 mit einem auslassseitigen Endbereich, mit einer in dem Injektorkörper 2 ausgebildeten Injektorkörperausnehmung 3, wobei in der Injektorkörperausnehmung 3 eine zumindest eine Injektorkörperaustrittsöffnung 10 für ein zweites Medium in dem Endbereich steuernde äußere Injektornadel 4 längsbeweglich angeordnet ist, und wobei in der Injektornadel 4 eine Injektornadelausnehmung 5 angeordnet ist, in der zumindest eine Injektornadelaustrittsöffnung 19 für ein erstes Medium in der Injektornadel 4 steuernde innere Injektornadel 6 längsbeweglich angeordnet ist Erfindungsgemäß wird ein Zweistoffinjektor 1 bereitgestellt, der hinsichtlich seiner Funktion gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Erreicht wird dies dadurch, dass die Injektorkörperaustrittsöffnung 10 in einer Schließstellung der äußeren Injektornadel 4 in Verlängerung der Injektornadelaustrittsöffnung 19 angeordnet ist.The invention relates to a two-substance injector 1, comprising an injector body 2 with an outlet-side end region, with an injector body recess 3 formed in the injector body 2, wherein an external injector needle 4 controlling at least one injector body outlet opening 10 for a second medium in the end region is arranged longitudinally movably in the injector body recess 3 , and wherein in the Injektornadel 4 a Injektornadelausnehmung 5 is arranged, in which at least one Injektornadelaustrittsöffnung 19 for a first medium in the Injektornadel 4 controlling inner Injektornadel 6 is longitudinally movably arranged According to the invention a Zweistoffinjektor 1 is provided, with respect to its function over the prior art is improved. This is achieved in that the injector body outlet opening 10 is arranged in a closed position of the outer Injektornadel 4 in extension of the Injektornadelaustrittsöffnung 19.
Description
Die Erfindung betrifft einen Zweistoffinjektor für zwei Medien, aufweisend einen Injektorkörper mit einem auslassseitigen Endbereich, mit einer in dem Injektorkörper ausgebildeten Injektorkörperausnehmung, wobei in der Injektorkörperausnehmung eine zumindest eine Injektorkörperaustrittsöffnung für ein zweites Medium in dem Endbereich steuernde äußere Injektornadel längsbeweglich angeordnet ist, und wobei in der äußeren Injektornadel eine Injektornadelausnehmung angeordnet ist, in der zumindest eine Injektornadelaustrittsöffnung für ein erstes Medium in der äußeren Injektornadel steuernde innere Injektornadel längsbeweglich angeordnet ist.The invention relates to a two-substance injector for two media, comprising an injector body with an outlet-side end region, with an injector body recess formed in the injector body, wherein an outer injector needle controlling at least one injector body outlet opening for a second medium in the end region is longitudinally movably arranged in the injector body recess, and wherein the outer injector needle is arranged an injector needle recess in which at least one Injektornadelaustrittsöffnung for a first medium in the outer Injektornadel controlling inner Injektornadel is arranged longitudinally movable.
Stand der Technik State of the art
Eine derartiger Zweistoffinjektor ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweistoffinjektor bereitzustellen, der hinsichtlich seiner Funktion gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.The invention has for its object to provide a two-fluid injector, which is improved in terms of its function over the prior art.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Injektorkörperaustrittsöffnung in einer Schließstellung der äußeren Injektornadel in Verlängerung der Injektornadelaustrittsöffnung angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, dass das von der inneren Injektornadel gesteuerte erste Medium ohne Umlenkung durch die zumindest eine Injektornadelaustrittsöffnung und weiter durch die Injektorkörperaustrittsöffnung in einen Arbeitsraum, in den der auslassseitige Endbereich des Zweistoffinjektors hineinragt, gelangt. Diese Ausgestaltung vermeidet Störungen in der Ausbreitung des ersten Mediums beziehungsweise der Einbringung des ersten Mediums in den Arbeitsraum. Beispielsweise bildet das erste Medium einen Zündstrahl für das nachfolgend in den Arbeitsraum einzubringende zweite Medium.This object is achieved in that the injector body outlet opening is arranged in a closed position of the outer Injektornadel in extension of the Injektornadelaustrittsöffnung. This embodiment makes it possible for the first medium controlled by the inner injector needle to pass through the at least one injector needle outlet opening and further through the injector body outlet opening into a working space into which the outlet-side end region of the two-component injector projects. This embodiment avoids disturbances in the propagation of the first medium or the introduction of the first medium into the working space. For example, the first medium forms an ignition jet for the second medium to be subsequently introduced into the working space.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Injektorkörperaustrittsöffnung koaxial zu der Injektornadelaustrittsöffnung angeordnet. Somit gelangt der von der inneren Injektornadel gesteuerte Strahl des ersten Mediums zuerst durch die Injektornadelaustrittsöffnung und dann zu der koaxial angeordneten Injektorkörperaustrittsöffnung. Dabei ist ein von der Injektornadelaustrittsöffnung festgelegter Strahlkegelwinkel α des ersten Mediums kleiner als ein Strahlwinkel, der von der Injektorkörperaustrittsöffnung bestimmt ist. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass der durch die Injektornadelaustrittsöffnung hindurch tretende Strahl des ersten Mediums ohne eine Auftreffen oder einen Kontakt mit der Injektorkörperaustrittsöffnung durch diese hindurch tritt. Dadurch wird eine Ablenkung des Strahls des ersten Mediums vermieden. Außerdem wird dadurch vermieden, dass eine Ablagerung oder Streuung des Mediums, das von der inneren Injektornadel gesteuert wird, an der Wand der Injektorkörperaustrittsöffnung auftritt. Eine solche Ablagerung oder Streuung könnte als Tropfen oder Ligamente auftreten. Dadurch würde die Funktion des Zweistoffinjektors nachteilig beeinflusst. Beispielsweise ist das von der inneren Injektornadel gesteuerte Medium ein flüssiges Medium und das der äußeren Injektornadel gesteuerte Medium ein gasförmiges Medium. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird nun erreicht, dass das flüssige Medium weitestgehend ohne Beeinflussung des Bereichs in dem Zweistoffinjektor, in dem das gasförmige Medium geführt wird, erfolgt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei der Schließstellung der äußeren Injektornadel der entsprechende auslassseitige Endbereich des Injektorkörpers von einer Befüllung mit gasförmigem Medium abgesperrt ist. Dadurch wird dem flüssigen Medium kein relevanter den entsprechenden Strahl beeinflussender Störparameter aufgedrängt. Idealerweise ist der durch die Injektornadelaustrittsöffnung hindurch tretende Strahl so in Bezug zu der Injektorkörperaustrittsöffnung ausgebildet beziehungsweise geformt, dass dieser beim Eintritt in die Injektorkörperaustrittsöffnung einen deutlichen Abstand zu der die Injektorkörperaustrittsöffnung bildenden Wand hat und auf der Austrittsseite aus der Injektorkörperaustrittsöffnung einen geringen Abstand zu der Wand hat, ohne diese aber in diesem Bereich zu benetzen.In a development of the invention, the injector body outlet opening is arranged coaxially with the injector needle outlet opening. Thus, the jet of the first medium, which is controlled by the inner injector needle, first passes through the injector needle outlet opening and then to the coaxially arranged injector body outlet opening. In this case, a jet cone angle α of the first medium, which is determined by the injector needle outlet opening, is smaller than a jet angle that is determined by the injector body outlet opening. This embodiment ensures that the jet of the first medium passing through the injector needle outlet opening passes through it without striking or making contact with the injector body outlet opening. As a result, a deflection of the beam of the first medium is avoided. In addition, this avoids that a deposit or scattering of the medium, which is controlled by the inner Injektornadel occurs on the wall of the injector body exit opening. Such deposition or scattering could occur as drops or ligaments. This would adversely affect the function of the binary injector. For example, the medium controlled by the inner injector needle is a liquid medium and the medium controlled by the outer injector needle is a gaseous medium. As a result of the embodiment according to the invention, it is now achieved that the liquid medium takes place as far as possible without influencing the region in the two-component injector in which the gaseous medium is conducted. It should be noted that in the closed position of the outer Injektornadel the corresponding outlet-side end portion of the injector is shut off from a filling with gaseous medium. As a result, no relevant interference parameter influencing the corresponding jet is imposed on the liquid medium. Ideally, the jet passing through the injector needle orifice is formed or formed with respect to the injector body orifice such that it has a clear distance from the injector body orifice forming the inlet and exit from the injector body orifice at a small distance from the wall but without wetting them in this area.
In Weiterbildung der Erfindung ist die äußere Injektornadel drehfixiert zu dem Injektorkörper. Diese Drehfixierung ist für die erfindungsgemäße Funktion des Zweistoffinjektors wichtig, indem dadurch die die Koaxialität der Injektorkörperaustrittsöffnung zu der Injektornadelaustrittsöffnung mit hoher Sicherheit in engen Toleranzgrenzen von beispielsweise 1° sichergestellt ist. Dabei kann die Drehfixierung grundsätzlich beliebig ausgebildet und angeordnet sein.In a further development of the invention, the outer injector needle is rotationally fixed to the injector body. This rotational fixation is important for the function of the two-component injector according to the invention, in that the coaxiality of the injector body outlet opening with the injector needle outlet opening is ensured with high safety in close tolerance limits of, for example, 1 °. In this case, the rotational fixation can basically be designed and arranged as desired.
In Weiterbildung der Erfindung weist die äußere Injektornadel kuppenseitig eine mit einer Injektorkörperführungsfläche zusammenwirkende verdrehsichernde Injektornadelführungsfläche auf. Dies ist eine Alternative beispielsweise zu einer Führung der äußeren Injektornadel in einem entfernten Bereich zu dem kuppenseitigen Endbereich. Beispielsweise sind die Injektorkörperführungsfläche und Injektornadelführungsfläche als Dreiflach in einem einen Teil eines Gasraums bildenden Sacklochs ausgebildet, wobei die dadurch gebildete Injektornadelführung den Fluidaustausch zwischen den beiden Seiten der Sacklochführung ermöglicht und zudem eine hydraulisch dämpfende Wirkung beim Aufprall der äußeren Injektornadel in den Endlagen aufweist.In a further development of the invention, the outer injector needle on the dome side has a rotationally locking injector needle guide surface cooperating with an injector body guide surface. This is an alternative to, for example, guiding the outer injector needle in a remote location Area to the dome-side end. For example, the Injektorkörperführungsfläche and Injektornadelführungsfläche are formed as a tri-fold in a part of a gas space forming blind hole, the thus formed Injektornadelführung allows fluid exchange between the two sides of the blind hole guide and also has a hydraulic damping effect on impact of the outer Injektornadel in the end positions.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Injektornadelaustrittsöffnung zumindest über eine äußere Teillänge konisch sich nach außen erweiternd ausgebildet. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Injektornadelaustrittsöffnung eine Stufenbohrung, wobei der größere Durchmesser der Stufenbohrung außen an dem Injektorkörper angeordnet ist. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Injektornadelaustrittsöffnung als Lavaldüse ausgebildet. Alle Ausgestaltungen stellen sicher, dass der Sprühstrahl des flüssigen Mediums so durch die Injektornadelaustrittsöffnung hindurchgeleitet wird, dass er anschließend ungehindert durch die Injektorkörperaustrittsöffnung hindurch tritt. Es wird darauf hingewiesen, dass für die Injektorkörperaustrittsöffnung grundsätzlich die beschriebenen Ausgestaltungen sinngemäß angewendet werden können.In a further development of the invention, the Injektornadelaustrittsöffnung is at least over an outer partial length conically widening outward. In an alternative embodiment, the Injektornadelaustrittsöffnung is a stepped bore, wherein the larger diameter of the stepped bore is arranged on the outside of the injector body. In a further embodiment, the Injektornadelaustrittsöffnung is designed as a Laval nozzle. All embodiments ensure that the spray of the liquid medium is passed through the Injektornadelaustrittsöffnung so that it then passes freely through the Injektorkörperaustrittsöffnung. It should be noted that basically the described embodiments can be applied mutatis mutandis to the injector body outlet opening.
Die Spritzlochauslegung der Injektornadelaustrittsöffnung kann bei einer Ausführungsform des Zweistoffinjektors mit einem Spritzlochdurchmesser von 100 µm bis 160 µm mit einem konischen Sacklochtyp gewählt werden. Dazu wird die Spritzlochlänge der Injektornadelaustrittsöffnung auf beispielsweise zwischen 1mm und 1,3 mm maximiert. Der Lochkreisdurchmesser der (mehreren) Injektornadelaustrittsöffnung(en) wird minimiert auf beispielsweise zwischen 0,60 mm und 0,9 mm. Dabei wird jede Injektornadelaustrittsöffnung so tief wie möglich in das Injektornadelsackloch, das innerhalb der Injektornadelkuppe gebildet ist, eingebracht. Die Kuppenwandstärke im Bereich der Injektornadelaustrittsöffnung wird auf beispielsweise zwischen 0,6 mm und 0,9 mm minimiert. Die Konizität der Injektornadelaustrittsöffnung wird negativ gewählt (beispielsweise mit einem Außendurchmesser von 50 µm größer als der theoretische Wert des Innendurchmessers, wobei ein zylindrischer oder leicht konischer Teil der Spritzlochkontur bis zu etwa 50 % der Spritzlochlänge wünschenswert ist). Eine fertigungstechnisch aufwändige Ausgestaltung ist die Wahl einer Stufenbohrung und eine Idealform ist die Ausbildung als Lavaldüse.The injection hole design of the Injektornadelaustrittsöffnung can be selected in one embodiment of the Zweistoffinjektors with a spray hole diameter of 100 microns to 160 microns with a conical blind hole type. For this purpose, the spray hole length of the Injektornadelaustrittsöffnung is maximized to, for example, between 1mm and 1.3 mm. The pitch circle diameter of the (multiple) injector needle orifice (s) is minimized to, for example, between 0.60 mm and 0.9 mm. In this case, each Injektornadelaustrittsöffnung is as deep as possible in the Injektornadelsackloch, which is formed within the Injektornadelkuppe introduced. The dome wall thickness in the region of the injector needle outlet opening is minimized to, for example, between 0.6 mm and 0.9 mm. The taper of the Injektornadelaustrittsöffnung is selected negative (for example, with an outer diameter of 50 microns greater than the theoretical value of the inner diameter, with a cylindrical or slightly conical part of the injection hole contour is desirable up to about 50% of the injection hole length). An elaborate design is the choice of a stepped bore and an ideal shape is the training as a Laval nozzle.
Um das Verhältnis der Dichte der Flüssigkeit zu der Dichte des Gases bei einer Einspritzung zu maximieren, sollte die Dichte des Gases im Sackloch des Gaspfades minimiert werden. Ein Beitragsleister hierzu ist die Molmasse des Gases (bei gleichen Druck- und Temperaturbedingungen). Dazu sollte eine frühe Piloteinspritzung des Gasstrahls erfolgen, so dass zum Zeitpunkt der Flüssigkeitseinspritzung im Gassackloch und eventuell der näheren Umgebung der Düse eine hohe Konzentration beispielsweise an Methan herrscht. Dieser letztgenannte Beitrag ist aber bei Wahl einer geringen Spritzlochlänge (z.B. zwischen 0,6 mm und 0,9 mm) und deren Durchmesser > 0,5 mm (z.B. 0,75 mm) der Injektornadelaustrittsöffnung nicht erforderlich. Auch ist es gegebenenfalls möglich, den Strahlkegelwinkel auf unter 10° zu reduzieren, falls ein Durchmesser der Injektornadelaustrittsöffnung kleiner 0,5 mm gewählt wird (und alle andere Maßnahmen nicht ausreichen). Falls trotzdem ein geringfügiger Anteil des Flüssigkeitsstrahls an der Wand der Injektorkörperaustrittsöffnung abgelagert wird, ist davon auszugehen, dass die reguläre Einblasung von gasförmigem Medium unter einem Druck von größer 300 bar Flüssigkeitstropfen von der Wand der Injektorkörperaustrittsöffnung mit sich reißt und sie in den Arbeitsraum befördert, ohne dass ein nennenswerter Schaden durch eine strömungstechnisch relevante Ablagerung an der Wand der Injektorkörperaustrittsöffnung (Verkokung) entsteht.In order to maximize the ratio of the density of the liquid to the density of the gas in an injection, the density of the gas in the blind hole of the gas path should be minimized. A contributor to this is the molecular weight of the gas (at the same pressure and temperature conditions). For this purpose, an early pilot injection of the gas jet should take place, so that at the time of the liquid injection in the gas bag hole and possibly the closer environment of the nozzle there is a high concentration, for example of methane. However, this latter contribution is not necessary when choosing a small spray hole length (e.g., between 0.6 mm and 0.9 mm) and a diameter of> 0.5 mm (e.g., 0.75 mm) of the injector needle exit orifice. It may also be possible to reduce the jet cone angle to less than 10 ° if a diameter of the injector needle outlet opening is chosen to be less than 0.5 mm (and all other measures are insufficient). If, nevertheless, a small proportion of the liquid jet is deposited on the wall of the injector body outlet opening, it can be assumed that the regular injection of gaseous medium under a pressure of greater than 300 bar entrains drops of liquid from the wall of the injector body outlet opening and conveys them into the working space, without that appreciable damage is caused by a fluidically relevant deposit on the wall of the injector body outlet opening (coking).
Wenn auch der Gegenstand des erfindungsgemäßen Zweistoffinjektors bei einer beliebigen Anwendung umgesetzt werden kann, ist eine bevorzugte Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem an einer Brennkraftmaschine gegeben, wobei die Medien ein flüssiger Kraftstoff und ein gasförmiger Kraftstoff sind. Der flüssige Kraftstoff ist beispielsweise Dieselkraftstoff und der gasförmige Kraftstoff beispielsweise Methan. Der Dieselkraftstoff wird insbesondere bei einem Start der Brennkraftmaschine in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, wobei während dieser Einspritzung kein Methan eingespritzt wird. Erst wenn die Brennkraftmaschine in Betrieb gesetzt worden ist, wird Methan in den Brennraum eingespritzt und gleichzeitig die Einspritzung von Dieselkraftstoff beendet. Eine solche gesteuerte Einspritzung ist mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor umsetzbar, wobei durch den so ausgebildeten Injektor der Betrieb der entsprechenden Brennkraftmaschine verbessert wird. Dies äußert sich durch eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs bei einer gleichzeitigen Reduzierung der (schädlichen) Abgasemissionen. Dabei ist der erfindungsgemäß ausgestaltete Zweistoffinjektor kostenneutral oder sogar günstiger als ein herkömmlich ausgebildeter Zweistoffinjektor herstellbar.While the subject matter of the bi-fuel injector of the present invention may be used in any application, there is a preferred use in a fuel injection system on an internal combustion engine wherein the media is a liquid fuel and a gaseous fuel. The liquid fuel is for example diesel fuel and the gaseous fuel for example methane. The diesel fuel is injected in particular at a start of the internal combustion engine in a combustion chamber of the internal combustion engine, during which injection no methane is injected. Only when the internal combustion engine has been put into operation, methane is injected into the combustion chamber and simultaneously terminates the injection of diesel fuel. Such a controlled injection can be implemented with the inventively embodied injector, whereby the operation of the corresponding internal combustion engine is improved by the thus formed injector. This is reflected by a reduction in fuel consumption while reducing (harmful) exhaust emissions. Here, the inventively designed Zweistoffinjektor cost neutral or even cheaper than a conventionally trained Zweistoffinjektor produced.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the invention are described in the drawings, are described in more detail in the embodiments illustrated in the figures.
Es zeigen: Show it:
Der in
Der Zweistoffinjektor
Die Injektorkörperaustrittsöffnung
Beim von einer gegenüberliegend zu der Injektornadelkuppe
Die in der inneren Injektornadelausnehmung
Dadurch ist die dauerhafte koaxiale Anordnung der Injektorkörperaustrittsöffnung
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verstellung der äußeren Injektornadel
In der Schnittdarstellung gemäß
Die Schnittdarstellung und die Detailansicht gemäß den
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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