EP0704620B1 - Fuel injection apparatus - Google Patents
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- EP0704620B1 EP0704620B1 EP95114025A EP95114025A EP0704620B1 EP 0704620 B1 EP0704620 B1 EP 0704620B1 EP 95114025 A EP95114025 A EP 95114025A EP 95114025 A EP95114025 A EP 95114025A EP 0704620 B1 EP0704620 B1 EP 0704620B1
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- grid
- fuel
- valve
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
- F02M69/08—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel characterised by the fuel being carried by compressed air into main stream of combustion-air
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M51/00—Fuel-injection apparatus characterised by being operated electrically
- F02M51/06—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle
- F02M51/061—Injectors peculiar thereto with means directly operating the valve needle using electromagnetic operating means
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
- F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
- F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
- F02M61/1853—Orifice plates
Definitions
- the invention is based on a fuel injection device according to the preamble of claim 1.
- a device for is already known from WO 92/13188 A. Improve fuel atomization by adding Air in the liquid fuel before one Injector.
- the air is supplied on the intake side via an air jet pump at negative pressure in a fuel pump.
- the air is blown in via a only hole in the fuel flow path made so that the fuel is only ever in one place is enriched with inflowing air bubbles.
- the fuel injection device with the Features of claim 1 has the Advantage that a low cost Atomizing grille on a fuel injector can be provided without any auxiliary energy contributes to a significant improvement in the quality of atomization, because the fuel hitting the atomizing grille is atomized particularly finely into tiny droplets that a reduced so-called Sauter Mean Diameter (SMD) have a reduced mean Drop diameter of the sprayed fuel.
- SMD Sauter Mean Diameter
- Consequences can include the exhaust emission of one Internal combustion engine further reduced and also one Reduction in fuel consumption can be achieved.
- the Atomizing grille for fuel injection has completely new atomizer structures, which especially through a simple and very variable to manufacture in geometry, however, complicated arrangement of Atomizer bars with atomizer edges.
- the Erennstoff meets the sharp-edged Atomizer structures with their valve closing body facing atomizer edges, it becomes unstable and disintegrates into finer droplets.
- the atomizing grille can either be downstream of an orifice plate or directly downstream of a valve seat surface without additional Spray hole disk very easy on the injection valve for example by means of gluing, soldering, welding or Be snapped into place. If a spray washer Atomizing grille is connected to the Atomization grid a so-called secondary atomization instead of.
- the Fuel injector Before reaching the Fuel injector is in the fuel with this Device injected a gas.
- the gas is supplied via an injection grille with a Variety of openings.
- the injection grille can also be produce very well using the LIGA process.
- the desired fuel pressure is immediately after the Gas injection the mixture of fuel and gas bubbles slowed down by the cross section for the fuel flow is enlarged again. With increasing pressure the Gas bubbles compressed in the mixture. Up to a certain one There is still a gas concentration in the mixture Bubble flows in the injection valve. Immediately downstream of a sealing edge of the Injector relax during the injection Gas bubbles suddenly and thus ensure a fine Atomization of the fuel. The sharp-edged
- the atomizer structure then immediately provides for a further atomization improvement according to the operations already mentioned.
- FIG. 1 shows it partially shown injection valve with Atomizing grids according to the invention
- Figure 2 a simplified atomization area with a Atomizing grid
- Figure 3 is an enlargement of the Atomizer structure from Figure 2
- Figure 4 to Figure 9
- Figure 10 an atomizing grille with a square basic structure
- Figure 11 is an atomizing grid with a circular Basic structure
- Figure 12 with an atomizing grid hexagonal base structure
- Figure 13 a Atomizing grille with triangular basic structure
- figure 14 shows a schematic illustration of the fuel injection device with a gas injection device
- Figure 15 Exemplary embodiment of a gas injection device
- FIG. 16 an injection grille for a gas injection device.
- a valve is shown in FIG. 1 as an exemplary embodiment the shape of an injector for Fuel injection systems from mixture compressors spark-ignited internal combustion engines partially shown.
- the injector has a tubular valve seat support 1, in which a valve axis 2 concentric Longitudinal opening 3 is formed.
- a valve axis 2 concentric Longitudinal opening 3 is formed in the longitudinal opening 3 .
- tubular valve needle 5 arranged on the its downstream end 6 with a z.
- the injection valve is actuated in a known manner Way, for example electromagnetic.
- a return spring (not shown) or An indicated closing serves to close the injection valve electromagnetic circuit with a magnetic coil 10, one Anchor 11 and a core 12.
- the anchor 11 is with the End of valve needle 5 facing away from valve closing body 7 through z. B. connected a weld using a laser and aligned with the core 12.
- Valve seat body 16 To guide the valve closing body 7 during the A guide opening 15 serves for axial movement Valve seat body 16.
- the core 12 opposite end of the valve seat support 1 is in the concentric to the longitudinal axis 2 of the valve Longitudinal opening 3 of the cylindrical valve seat body 16 through Welding tightly assembled.
- the Valve seat body 16 At its the valve closing body 7 facing away, lower end face 17 is the Valve seat body 16 with a cup-shaped, for example trained spray plate 21 concentric and firm connected, that is, directly to the valve seat body 16 is present.
- valve seat body 16 and spray orifice plate 21 are carried out, for example, by a circumferential and dense, first weld seam 22 formed by a laser. With this type of assembly there is a risk of undesired deformation of the spray plate 21 in her central area 24, in which at least one, for example, four formed by stamping or eroding Spray holes 25 are avoided.
- the spray hole disc 21 is further with the wall of the longitudinal opening 3 in Valve seat support 1, for example, by a rotating and tight second weld 30 connected.
- the insertion depth of the valve seat body 16 and pot-shaped spray plate 21 existing Valve seat part in the longitudinal opening 3 determines the size of the Hubs of the valve needle 5, since the one end position of the Valve needle 5 when the solenoid 10 is not energized by the System valve body 7 against a valve seat surface 29 of the valve seat body 16 is fixed.
- the other The end position of the valve needle 5 is when the solenoid is excited 10, for example, by the anchor 11 resting against the core 12 set. The path between these two end positions the valve needle 5 thus represents the stroke.
- the spherical valve closing body 7 acts with the in Direction of flow tapering in the shape of a truncated cone Valve seat surface 29 of the valve seat body 16 together, the in the axial direction between the guide opening 15 and the lower end face 17 of the valve seat body 16 is formed is.
- the atomizing grille 32 represents a thin disc with the valve seat support 1 is firmly connected for example by gluing.
- the area of attachment of the atomizing grille 32 is in of Figure 1 shown only as an example and schematically, because the various connection techniques 33 for fixing the Atomizing grid 32 can be used, such as. B. Welding, soldering or snapping.
- a second one in FIG Atomizing grille 32 shown in the circumferential direction is limited by a circumferential clamping ring 34.
- Clamping ring 34 By doing Clamping ring 34, the atomizing grid 32 is clamped, clamped or cast.
- the clamping ring 34 enables one very easy assembly of the atomizing grille 32, since that Atomizing grille 32 with the clamping ring 34 in one Process step between the downstream end of the Valve seat support 1 and the downstream end of the injector-forming protective cap 35 is clamped can be.
- the assembly can take place, for example, that the atomizing grille 32 is already in the protective cap 35 inserted and then together with the protective cap 35 on Valve seat carrier 1 is fastened by the protective cap 35 and the valve seat support 1 enter into a latching connection.
- Joining methods 33 such as welding or soldering, are also conceivable for attaching the atomizing grid 32.
- the Connection techniques 33 only play one subordinate role, since atomizer structures 36 in middle areas 37 of the invention Atomizing grid 32 is critical to a desired one excellent atomization quality of the fuel.
- the four injection holes 25, for example Spray plate 21 are z. B. symmetrically around the Longitudinal valve axis 2 in the form of corner points of a square distributed and thus have the same distance to each other and to the valve longitudinal axis 2.
- On the atomizing grille 32 so there is a so-called secondary atomization, through which the fuel droplets continue to grow in size be reduced.
- the arrangement of the spray plate 21 is under no circumstances a condition for the optimal working of the Atomizing grid 32; rather, it turns out Atomizer arrangement without spray plate 21 downstream the valve seat surface 29 in the injection valve as special effective.
- the Figure 2 simplifies the spray area of the Injector, especially the areas around the Valve seat surface 29 and the atomizing grid 32 around.
- a spray orifice plate 21 is not provided.
- Valve closing body 7 In the direction of the atomizing grille 32 so delivered fuel hits immediately without Influencing a spray plate 21 on the Atomizer structure 36.
- the atomizing grid 32 especially the atomization quality of the fuel without additional auxiliary energy can be improved, whereby in particular the new geometries of the atomizer structure 36 contribute.
- spraying disks 21 So far it has been common for injectors the atomization of the fuel, among other means Spraying disks 21 to make.
- the pressure drop at the Spray plate 21 is about 90% of Pressure difference between the injector and one is not illustrated intake manifold of the internal combustion engine.
- the Pressure energy becomes more turbulent due to viscous friction Dissipation in thermal energy and also in kinetic Energy converted.
- In the spray holes 25 of the Spray plate 21 takes the speed of Due to the narrowing of the cross-section, which is a factor in the atomization quality of the fuel.
- By contact with the sharp edges of the Spray holes 25 are due to the disturbance of the surface of the fluid, here the fuel, and the formation of local cavitation the fuel jets downstream of the Spray plate 21 unstable and turbulent.
- Atomizer structure 36 with its special geometry.
- In 2 shows the atomizer structure 36 and the Fluid movements shown schematically.
- the pressure drop on the atomizing grille 32 is transverse due to its relatively large size to the longitudinal axis 2 of the cross-sectional areas of Flow areas 38 between the atomizer structures 36 much less than the pressure drop across the Spray hole disk 21.
- FIG. 3 shows a partial area of the Atomizing grid 32 is shown enlarged, the triangular grid profile in cross section particularly becomes clear.
- the atomizing grid 32 has e.g. Legs such a triangular atomizer structure 36 that a flat Surface 41 with an inner and outer atomizing edge 42 to the valve closing body 7 shows while a Triangle tip 43 facing away from the valve closing body 7 is trained.
- the atomization process of the fuel is recognizable from the figure 3.
- the fluid jet 40 with a large inflow velocity, which is indicated by an arrow 45 is indicated, is initially due to the flow at the sharp-edged atomizer structure 36, especially on the Atomizer edges 42 are unstable and then disintegrate into fine Droplet. From the atomizer edges 42 extending Streamlines 47 illustrate the instability of the Fuel.
- the aim of this type of preparation is to be particularly fine atomized fuel in the form of tiny droplets from the Spray injector, for example, very low To achieve exhaust gas emissions from the internal combustion engine and Reduce fuel consumption.
- the atomizing grille 32 can do precisely this requirement in a particularly advantageous manner be fulfilled.
- By tearing the fuel on Atomizing grid 32 is created downstream of the Atomizing grating 32 of the fine just described Droplet mist.
- the droplet mist forming fuel droplets now have an essential larger surface area than the fuel jets before Impingement on the atomizing grille 32, which in turn for good atomization is an indication. You can also do it speak that a downstream of the atomizing grille 32 Fuel spray is formed. This just described Mode of action also records all of the following Embodiments of the atomizer structures 36.
- Figures 4 to 9 are some advantageous and simple producible atomizer structures 36 in cross section shown in atomizing grids 32 for Injectors can be used.
- the angles of the Fuel sprays can be different Geometries of the atomizer structures 36 can be varied.
- the Figures 4 and 5 show triangular atomizer structures 36, which differ from each other by their angles. On the triangular tip 43 facing away from the valve closing body 7 there is, for example, an acute angle (FIG. 4) and in the embodiment in Figure 5 an obtuse angle in front.
- FIG. 4 an acute angle
- FIG. 4 Further exemplary embodiments for atomizer structures 36 are shown in Figures 6 and 7, the Atomizer structures 36 here a diamond or have a kite-shaped cross-section.
- the fuel does not meet one of these atomizer structures 36
- Flat surface perpendicular to the longitudinal axis of the valve 2 41, but on two diagonally to the valve longitudinal axis 2 extending surfaces 44 which are adjacent to the two atomizer edges 42 still another towards the valve closing body 7 have directed tear-off edge 50 which is exactly between the two inclined surfaces 44.
- the working examples 8 and 9 each have a flat surface 41 and a curved surface 46, the curved, the Valve closing body 7 facing away from surface 46 both with a shaped constant as well as with a variable radius can be.
- the transitions from the flat surface 41 to the curved surface 46 each represent the two Atomizer edges 42.
- FIGS. 10 to 13 show some embodiments of Atomizing grids 32 in their plan view and clarify thus the arrangement of the atomizer structures 36 also in radial extension.
- the circular atomizing grille 32 each have an outer annular edge zone 52 on the central region 37 in the circumferential direction with the atomizer structure 36 and between them resulting flow areas 38 completely surrounds.
- the Atomizer structures 36 can be made and manufactured very variably tailored to the desired forms of fuel mist become.
- the atomizer structures 36 thus have in their Basic tendency, for example, quadrangular (FIG. 10), circular (Figure 11), hexagonal (Figure 12) or triangular (Figure 13) geometries.
- FIGS Atomizer structures 36 mostly by one Center 54 of the atomizing grid 32 extending and from the edge zone 52 outgoing atomizer webs 55 are provided. These atomizer webs 55 cross according to the training the basic structure 53 of the atomizer structure 36 below different angles. This is how the atomizer webs 55 run with the circular basic structure 53 (FIG. 11) for example at right angles to each other from the Edge zone 52 to the center 54, while the atomizer webs 55 for the hexagonal basic structure 53 (FIG. 12) enclose an angle of 60 ° each.
- the circular, the quadrangular or the hexagonal basic structure 53 with radial Distance from the edge zone 52 inside the Atomizing grid 32 is formed. Since the atomizer webs 55 run from the edge zone 52 to the center point 54 and thereby cross the basic structure 53, arise both between the edge zone 52 and the basic structure 53 as well as between the basic structure 53 and the center point 54 Flow areas 38. In the atomizer structure 36 with the hexagonal base structure 53 are characterized by the Atomizer webs 55 consequently six outer and six inner Flow areas 38 formed. The atomizer structure 36 with the square-shaped basic structure 53 z. B.
- the method applied which is three-dimensional particularly for the production -
- the so-called LIGA example Li thographie, G alvanoformung, A bformung
- MIGA Magnetic kro Mathtechnik, G alvanoformung, A bformung
- the LIGA process is described in more detail, for example, in Heuberger: “Micromechanics", Springer-Verlag 1989, page 236 ff. And in Reichl: “Micro System Technologies 90", Springer-Verlag 1990, page 521 ff resist structuring was carried out by means of optical lithography.
- Atomizer structures 36 or atomizer webs 55 which have a greatest width between ⁇ 50 ⁇ m and 200 ⁇ m and an axial extension, that is to say a profile height of approximately 200 ⁇ m, can be produced with the aforementioned methods without any problems.
- the atomizer structures 36 can also be used, for example Plastic injection molding can be generated. Some are suitable for this plastics resistant to fuels, in particular Polyether ether ketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), Epoxy resin (EP) and phenolic resin (PH). With injection molding very precise structures can also be achieved, the sharp one Have atomizer edges 42. Because of a desired The individual atomizer bars 55 should have inherent stability a minimum width at its widest point of 100 ⁇ m and have a minimum profile height of 100 ⁇ m. You can also the atomizer structures 36 by known means Silicon technology z. B. are produced by etching.
- FIG 14 shows a schematic representation of a Fuel injector, in which one Gas injector 57 an injection valve with the The atomizer structure 36 according to the invention is connected upstream.
- the gas injection device 57 is, for example, between a mass flow sensor, not shown, and the Injector arranged.
- the gas supply 58 in the Gas injection device 57 is, for example, vertical to the direction of fuel flow.
- FIG Gas injection device 57 An exemplary embodiment is shown in FIG Gas injection device 57 enlarged compared to FIG. 14 shown again schematically as a single component.
- the Gas injection device 57 is designed so that in a clear gas injection area 59 Cross-sectional constriction 60 is provided for the fuel. There is therefore a narrow gap in the gas injection region 59 Flow through the fuel before. The speed of the Erennstoff takes 60 due to the narrowing of the cross-section noticeably too, with those flowing in with a system pressure Fuel stored pressure energy in kinetic energy is converted. In the fuel with low overpressure The gas is now blown in at, for example, 0.5 bar.
- an inlet port 61 is provided.
- the Use of recirculated exhaust gas enables a reduction the pollutant emission of the internal combustion engine.
- the feeder of the gas up to the gas injector 57 is not shown in more detail.
- the Gas injection device 57 can also be designed such that in two chambers 63 and two inlet grille 64 gas in the fuel is inflatable, with the chambers 63 can be connected or separated from each other with gas via different inlet connections 61 can be supplied. Furthermore, it is possible to use one Chamber 63 with an annular cross section and one internally delimiting tubular injection grille 64 to provide. Instead of the inlet grille 64 in the Gas injector 57 also has several perforated tubes be used. About molded in the injection grille 64 Openings 66 direct the gas into the fuel.
- the mixture of fuel and Gas bubbles 67 slowed down by the cross section for the Fuel flow for example, back to the size of the Cross section when entering the gas injection device 57 is enlarged.
- the gas bubbles become 67 compressed in the mixture.
- Pressure in the gas bubbles 67 correspondingly higher than that Mixture pressure.
- the gas bubbles 67 relax during the injection suddenly. The process is called a bubble explosion referred to after the "shear-type" decay mechanisms of Fuel ensures a very fine atomization.
- the sharp-edged atomizer structure 36 then ensures immediately below for further improvement in Atomization quality according to that already described Operations.
- fuel with gas bubbles 67 should be between the sealing edge 39 and the atomizer structure 36 can be dispensed with the spray plate 21 to a To avoid bubble clogging in the spray holes 25.
- FIG Figure 16 An embodiment of the injection grille 64 is shown in FIG Figure 16 shown.
- the injection grille 64 provides represents a rectangular base body, the edge lengths of which are e.g. be between 1 mm and 5 mm and in which a variety of Openings 66 are arranged in a sieve-like manner, so that one of a perforated film can speak.
- the one already described LIGA process can also be used to manufacture the injection grille 64 can be used very well.
- Injection grids 64 are also other sieve or lattice-shaped Blowing agent conceivable.
- the inlet grille 64 with openings 66, the diameter z. B. have between 10 ⁇ m and 50 ⁇ m.
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1.The invention is based on a fuel injection device according to the preamble of claim 1.
Aus der JP 61-104156 A ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das stromabwärts einer Ventilsitzfläche eine Abspritzöffnung besitzt, der wiederum in stromabwärtiger Richtung ein netzähnliches Zerstäuberelement folgt. Dieses Zerstäuberelement weist eine Vielzahl von Maschen auf, die jeweils voneinander durch im Querschnitt keilförmige Stege getrennt sind. Die Querschnitte der keilförmigen bzw. dreieckigen Stege vergrößern sich stetig von der stromaufwärtigen bis zur stromabwärtigen Stirnseite des Zerstäuberelements. Mit Hilfe der keilförmigen, sich in stromabwärtiger Richtung verbreiternden Stege soll der als Schnurstrahl auf das Zerstäuberelement treffende Brennstoff aufgespreizt werden, wobei vor allen Dingen die Winkel der Stege Einfluß auf den Abspritzwinkel des Brennstoffs haben. From JP 61-104156 A is already a Fuel injector known, the downstream one Valve seat has a spray opening, which in turn downstream a mesh-like atomizer element follows. This atomizer element has a large number of meshes on each other by wedge-shaped in cross section Webs are separated. The cross sections of the wedge-shaped or triangular webs are steadily increasing from the upstream to the downstream face of the Atomizer element. With the help of the wedge-shaped, in downstream widening webs is said to be Line jet of fuel hitting the atomizer element be spread, especially the angles of the webs Influence the spray angle of the fuel.
Es ist bereits aus der EP 0 302 660 A ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, an dessen stromabwärtigem Ende ein Adapter vorgesehen ist, in den aus einer Austrittsöffnung kommender Brennstoff gelangt, der wiederum am stromabwärtigen Ende des Adapters auf eine ebene, Maschen aufweisende Metallscheibe zum Aufbrechen des Brennstoffs trifft. Die Metallscheibe ist dabei so angeordnet, daß ein Luftstrom über Löcher in dem Adapter dafür sorgt, daß an der Metallscheibe hängenbleibende Brennstofftropfen weggerissen werden. Eine bessere Zerstäubungsgüte wird also erst dann erreicht, wenn der Brennstoff nahe der Metallscheibe von einem Luftstrom umfaßt wird, durch den aber eine genaue Abspritzgeometrie nicht erreicht werden kann. Die quadratischen Maschen der Metallscheibe sind aufgrund des gleichmäßigen Geflechts gleich groß und bilden ein in alle Richtungen symmetrisches, kariertes Muster. Das Geflecht der Metallscheibe ist also gitterförmig ausgebildet, wobei das Geflecht in axialer Richtung keine Querschnittsveränderungen aufweist. Es sind somit keine speziellen Zerstäuberkanten vorgesehen.It is already known from EP 0 302 660 A. Fuel injector known at its downstream An adapter is provided in the end of a Coming out fuel coming, which in turn on the downstream end of the adapter onto a flat, mesh metal disc to break up the fuel meets. The metal disc is arranged so that a Airflow through holes in the adapter ensures that at the Torn metal drops of stuck fuel drops become. Only then will a better atomization quality be achieved reached when the fuel near the metal disc of an air flow is included, but through which an accurate Spray geometry cannot be achieved. The square meshes of the metal disc are due to the uniform braid of equal size and form one in all Symmetrical checkered pattern. The braid of The metal disc is thus lattice-shaped, the Braid in the axial direction no changes in cross-section having. There are therefore no special atomizer edges intended.
Außerdem ist schon aus der DE 27 23 280 A bekannt, an einem Brennstoffeinspritzventil stromabwärts einer Dosieröffnung ein Brennstoffaufbrechglied in der Form einer ebenen dünnen Scheibe auszuführen, die eine Vielzahl von gebogenen schmalen Schlitzen aufweist. Die bogenförmigen Schlitze, die durch Ätzen in der Scheibe eingebracht sind, sorgen mit ihrer Geometrie, also mit ihrer radialen Breite und ihrer Bogenlänge, dafür, daß ein Brennstoffschleier gebildet wird, der in kleine Tröpfchen aufbricht. Der Ätzvorgang zur Herstellung der Schlitze ist dabei kostenintensiv. Außerdem müssen die einzelnen Schlitzgruppen sehr exakt zueinander eingebracht werden, um das Aufbrechen des Brennstoffs in gewünschter Weise zu erreichen. Über die gesamte axiale Erstreckung des Aufbrechgliedes weisen die bogenförmigen Schlitze jeweils eine konstante Öffnungsweite auf. Die Zerstäubung soll also durch die horizontale, radial ausgebildete Geometrie der Schlitze in der Ebene des Aufbrechgliedes verbessert werden.It is also known from DE 27 23 280 A, on one Fuel injector downstream of a metering opening a fuel breaker in the form of a flat thin Run disc that has a variety of curved has narrow slits. The arcuate slots that introduced into the pane by etching, also provide their geometry, i.e. their radial width and their Arc length, for the formation of a fuel veil, that breaks up into small droplets. The etching process for The production of the slots is expensive. Furthermore the individual slot groups must be very precise to each other be brought in to break up the fuel desired way to achieve. Over the entire axial Extension of the rupture member have the arcuate Slit a constant opening width each. The So atomization is supposed to be horizontal, radial trained geometry of the slots in the plane of the Can be improved.
Aus der Literatur, beispielsweise aus Heuberger: "Mikromechanik", Springer-Verlag 1989, Seite 236 ff. und aus Reichl: "Micro System Technologies 90", Springer-Verlag 1990, Seite 521 ff. ist bereits das sogenannte LIGA-Verfahren zur Herstellung mikromechanischer Bauelemente bekannt. Dieses Verfahren umfaßt die Schritte Lithographie, Galvanoformung und Abformung. Einfach lassen sich so äußerst genaue Mikrostrukturen in sehr guter Qualität und großen Stückzahlen herstellen. Im Gegensatz zu beispielsweise Erodierverfahren läßt sich mit dem LIGA-Verfahren eine ungleich größere Geometrievielfalt fertigen.From the literature, for example from Heuberger: "Micromechanics", Springer-Verlag 1989, page 236 ff. And from Reichl: "Micro System Technologies 90", Springer-Verlag 1990, page 521 ff. Is the so-called LIGA process for production micromechanical components known. This method comprises the steps of Li thographie, G alvanoformung and molding. Extremely precise microstructures in very good quality and large quantities can be easily produced in this way. In contrast to, for example, EDM processes, the LIGA process can be used to produce an incomparably greater variety of geometries.
Bekannt ist aus der WO 92/13188 A bereits eine Vorrichtung zur Verbesserung der Brennstoffzerstäubung durch Zuführen von Luft in den flüssigen Brennstoff noch vor einer Einspritzdüse. Das Zuführen der Luft erfolgt dabei ansaugseitig über eine Luftstrahlpumpe bei Unterdruck in eine Brennstoffpumpe. Die Einblasung der Luft wird über eine einzige Bohrung in den Brennstoffströmungsweg hinein vorgenommen, so daß der Brennstoff immer nur an einer Stelle mit einströmenden Luftblasen angereichert wird.A device for is already known from WO 92/13188 A. Improve fuel atomization by adding Air in the liquid fuel before one Injector. The air is supplied on the intake side via an air jet pump at negative pressure in a fuel pump. The air is blown in via a only hole in the fuel flow path made so that the fuel is only ever in one place is enriched with inflowing air bubbles.
Die erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß mit geringem Kostenaufwand ein Zerstäubungsgitter an einem Brennstoffeinspritzventil vorgesehen sein kann, das ohne jegliche Hilfsenergie zu einer deutlichen Verbesserung der Zerstäubungsgüte beiträgt, da der auf das Zerstäubungsgitter treffende Brennstoff besonders fein in kleinste Tröpfchen zerstäubt wird, die einen reduzierten sogenannten Sauter Mean Diameter (SMD) aufweisen, also einen verringerten mittleren Tropfendurchmesser des abgespritzten Brennstoffs. Als Konsequenz können u.a. die Abgasemission einer Brennkraftmaschine weiter reduziert und ebenso eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs erzielt werden.The fuel injection device according to the invention with the Features of claim 1 has the Advantage that a low cost Atomizing grille on a fuel injector can be provided without any auxiliary energy contributes to a significant improvement in the quality of atomization, because the fuel hitting the atomizing grille is atomized particularly finely into tiny droplets that a reduced so-called Sauter Mean Diameter (SMD) have a reduced mean Drop diameter of the sprayed fuel. As Consequences can include the exhaust emission of one Internal combustion engine further reduced and also one Reduction in fuel consumption can be achieved.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Zerstäubungsgitter für die Einspritzung von Brennstoffen völlig neuartige Zerstäuberstrukturen aufweist, die sich besonders durch eine einfach und sehr variabel herstellbare, in der Geometrie jedoch komplizierte Anordnung von Zerstäuberstegen mit Zerstäuberkanten auszeichnet. Die Zerstäuberstege bzw. die gesamte Zerstäuberstruktur weisen bzw. weist dabei nicht nur horizontal, also radial verlaufend neue Geometrien auf, sondern besitzen auch in axialer stromabwärtiger Erstreckung, also über die Dicke des Zerstaubungsgitters Querschnittsverjüngungen, die eine optimale Zerstäubung des Brennstoffs ermöglichen. Der Erennstoff trifft auf die scharfkantigen Zerstäuberstrukturen mit ihren zum Ventilschließkörper zugewandten Zerstäuberkanten, wird dadurch instabil und zerfällt in feinere Tröpfchen. Stromabwärts der Zerstäuberkanten kommt es aufgrund der Geometrie der Zerstäuberstruktur, speziell wegen der Querschnittsverkleinerung der Zerstäuberstege, zu lokalen Kavitationen, also Unterdruckbereichen. Das Aufprallen des Brennstoffs auf die Zerstäuberstruktur hat ebenfalls zur Folge, daß in dem zerstäubten Brennstoff stromabwärts der Zerstäuberkanten Wirbel und Rückströmungen auftreten, wobei diese Turbulenzen besonders die Zerstäubungsgüte erhöhen.This is achieved in that the Atomizing grille for fuel injection has completely new atomizer structures, which especially through a simple and very variable to manufacture in geometry, however, complicated arrangement of Atomizer bars with atomizer edges. The Have atomizer bars or the entire atomizer structure or not only points horizontally, i.e. radially running new geometries, but also in axial downstream extension, i.e. over the thickness of the Atomizing grating cross-sectional tapering, one enable optimal atomization of the fuel. Of the Erennstoff meets the sharp-edged Atomizer structures with their valve closing body facing atomizer edges, it becomes unstable and disintegrates into finer droplets. Downstream of the Atomizer edges occur due to the geometry of the Atomizer structure, specifically because of the Reduction in cross-section of the atomizer bars, to local ones Cavitation, i.e. negative pressure areas. The impact of the Fuel on the atomizer structure has also been used Consequence that in the atomized fuel downstream of the Atomizing edges of vortex and backflow occur, whereby this turbulence particularly increases the quality of atomization.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Brennstoffeinspritzvorrichtung möglich.By the measures listed in the dependent claims advantageous developments and improvements in Claim 1 specified fuel injector possible.
Besonders vorteilhaft ist es, die Zerstäubungsgitter mittels der sogenannten LIGA- bzw. MIGA-Verfahren zu fertigen. Mit hoher Formgenauigkeit sind so große Stückzahlen von Zerstäubungsgittern mit sehr geringen Abmessungen der Zerstäuberstrukturen herstellbar. Das Zerstäubungsgitter kann entweder stromabwärts einer Spritzlochscheibe oder direkt stromabwärts einer Ventilsitzfläche ohne zusätzliche Spritzlochscheibe sehr einfach am Einspritzventil beispielsweise mittels Klebens, Lötens, Schweißens oder Einrastens befestigt werden. Wenn eine Spritzlochscheibe dem Zerstäubungsgitter vorgeschaltet ist, findet an dem Zerstäubungsgitter eine sogenannte sekundäre Zerstäubung statt.It is particularly advantageous to use the atomizing grid the so-called LIGA or MIGA process. With high form accuracy are such large quantities of Atomizing grids with very small dimensions of the Atomizer structures can be produced. The atomizing grille can either be downstream of an orifice plate or directly downstream of a valve seat surface without additional Spray hole disk very easy on the injection valve for example by means of gluing, soldering, welding or Be snapped into place. If a spray washer Atomizing grille is connected to the Atomization grid a so-called secondary atomization instead of.
Von Vorteil kann es sein, zur Zerstäubungsverbesserung des Erennstoffs eine zusätzliche Gaseinblasvorrichtung vorzusehen. Noch vor dem Erreichen des Brennstoffeinspritzventils wird in den Brennstoff mit dieser Vorrichtung ein Gas eingeblasen. In vorteilhafter Weise erfolgt die Gaszufuhr über ein Einblasgitter mit einer Vielzahl von Öffnungen. Auch das Einblasgitter läßt sich sehr gut mittels LIGA-Verfahren herstellen. Zur Gewinnung des gewünschten Brennstoffdruckes wird direkt nach der Gaseinblasung das Gemisch aus Brennstoff und Gasblasen abgebremst, indem der Querschnitt für die Brennstoffströmung wieder vergrößert wird. Bei zunehmendem Druck werden die Gasblasen im Gemisch komprimiert. Bis zu einer bestimmten Gaskonzentration im Gemisch herrscht noch eine Blasenströmung (bubbly flows) im Einspritzventil. Unmittelbar stromabwärts einer Dichtkante des Einspritzventils entspannen sich bei der Einspritzung die Gasblasen schlagartig und sorgen somit für eine feine Zerstäubung des Brennstoffs. Die scharfkantige Zerstäuberstruktur sorgt dann unmittelbar nachfolgend für eine weitere Zerstäubungsverbesserung entsprechend der bereits erwähnten Vorgänge.It can be advantageous to improve the atomization of the An additional gas injection device to provide. Before reaching the Fuel injector is in the fuel with this Device injected a gas. Advantageously the gas is supplied via an injection grille with a Variety of openings. The injection grille can also be produce very well using the LIGA process. For extraction the desired fuel pressure is immediately after the Gas injection the mixture of fuel and gas bubbles slowed down by the cross section for the fuel flow is enlarged again. With increasing pressure the Gas bubbles compressed in the mixture. Up to a certain one There is still a gas concentration in the mixture Bubble flows in the injection valve. Immediately downstream of a sealing edge of the Injector relax during the injection Gas bubbles suddenly and thus ensure a fine Atomization of the fuel. The sharp-edged The atomizer structure then immediately provides for a further atomization improvement according to the operations already mentioned.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein teilweise dargestelltes Einspritzventil mit erfindungsgemäßen Zerstäubungsgittern, Figur 2 einen vereinfachten Zerstäubungsbereich mit einem Zerstäubungsgitter, Figur 3 eine Vergrößerung der Zerstäuberstruktur aus Figur 2, Figur 4 bis Figur 9 Beispiele für Zerstäuberstrukturen mit dreieckförmigen, rauten- bzw. drachenviereckförmigen und zumindest teilweise gekrümmte Begrenzungen aufweisenden Querschnitten, Figur 10 ein Zerstäubungsgitter mit viereckförmiger Grundstruktur, Figur 11 ein Zerstäubungsgitter mit kreisförmiger Grundstruktur, Figur 12 ein Zerstäubungsgitter mit sechseckförmiger Grundstruktur, Figur 13 ein Zerstäubungsgitter mit dreieckförmiger Grundstruktur, Figur 14 eine schematische Darstellung der Brennstoffeinspritzvorrichtung mit einer Gaseinblasvorrichtung, Figur 15 ein Ausführungsbeispiel einer Gaseinblasvorrichtung und Figur 16 ein Einblasgitter für eine Gaseinblasvorrichtung.Embodiments of the invention are in the drawing shown in simplified form and in the following Description explained in more detail. 1 shows it partially shown injection valve with Atomizing grids according to the invention, Figure 2 a simplified atomization area with a Atomizing grid, Figure 3 is an enlargement of the Atomizer structure from Figure 2, Figure 4 to Figure 9 Examples of atomizer structures with triangular, diamond-shaped or kite-quadrangular and at least partially curved cross sections, Figure 10 an atomizing grille with a square basic structure, Figure 11 is an atomizing grid with a circular Basic structure, Figure 12 with an atomizing grid hexagonal base structure, Figure 13 a Atomizing grille with triangular basic structure, figure 14 shows a schematic illustration of the fuel injection device with a gas injection device, Figure 15 Exemplary embodiment of a gas injection device and FIG. 16 an injection grille for a gas injection device.
In der Figur 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in
der Form eines Einspritzventils für
Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden
fremdgezündeten Brennkraftmaschinen teilweise dargestellt.
Das Einspritzventil hat einen rohrförmigen Ventilsitzträger
1, in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine
Längsöffnung 3 ausgebildet ist. In der Längsöffnung 3 ist
eine z. B. rohrförmige Ventilnadel 5 angeordnet, die an
ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit einem z. B. kugelförmigen
Ventilschließkörper 7, an dessen Umfang beispielsweise fünf
Abflachungen 8 vorgesehen sind, verbunden ist.A valve is shown in FIG. 1 as an exemplary embodiment
the shape of an injector for
Fuel injection systems from mixture compressors
spark-ignited internal combustion engines partially shown.
The injector has a tubular valve seat support
1, in which a
Die Betätigung des Einspritzventils erfolgt in bekannter
Weise, beispielsweise elektromagnetisch. Zur axialen
Eewegung der Ventilnadel 5 und damit zum Öffnen entgegen der
Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder bzw.
Schließen des Einspritzventils dient ein angedeuteter
elektromagnetischer Kreis mit einer Magnetspule 10, einem
Anker 11 und einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem
Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende der Ventilnadel 5
durch z. B. eine Schweißnaht mittels eines Lasers verbunden
und auf den Kern 12 ausgerichtet.The injection valve is actuated in a known manner
Way, for example electromagnetic. For axial
Movement of the
Zur Führung des Ventilschließkörpers 7 während der
Axialbewegung dient eine Führungsöffnung 15 eines
Ventilsitzkörpers 16. In das stromabwärts liegende, dem Kern
12 abgewandte Ende des Ventilsitzträgers 1 ist in der
konzentrisch zur Ventillängsachse 2 verlaufenden
Längsöffnung 3 der zylinderförmige Ventilsitzkörper 16 durch
Schweißen dicht montiert. An seiner dem Ventilschließkörper
7 abgewandten, unteren Stirnseite 17 ist der
Ventilsitzkörper 16 mit einer beispielsweise topfförmig
ausgebildeten Spritzlochscheibe 21 konzentrisch und fest
verbunden, die also unmittelbar an dem Ventilsitzkörper 16
anliegt.To guide the
Die Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Spritzlochscheibe
21 erfolgt beispielsweise durch eine umlaufende und dichte,
mittels eines Lasers ausgebildete erste Schweißnaht 22.
Durch diese Art der Montage ist die Gefahr einer
unerwünschten Verformung der Spritzlochscheibe 21 in ihrem
zentralen Bereich 24, in dem sich wenigstens eine,
beispielsweise vier durch Stanzen oder Erodieren ausgeformte
Abspritzlöcher 25 befinden, vermieden. Die Spritzlochscheibe
21 ist des weiteren mit der Wandung der Längsöffnung 3 im
Ventilsitzträger 1 beispielsweise durch eine umlaufende und
dichte zweite Schweißnaht 30 verbunden.The connection of
Die Einschubtiefe des aus Ventilsitzkörper 16 und
topfförmiger Spritzlochscheibe 21 bestehenden
Ventilsitzteils in die Längsöffnung 3 bestimmt die Größe des
Hubs der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung der
Ventilnadel 5 bei nicht erregter Magnetspule 10 durch die
Anlage des Ventilschließkörpers 7 an einer Ventilsitzfläche
29 des Ventilsitzkörpers 16 festgelegt ist. Die andere
Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei erregter Magnetspule
10 beispielsweise durch die Anlage des Ankers 11 an dem Kern
12 festgelegt. Der Weg zwischen diesen beiden Endstellungen
der Ventilnadel 5 stellt somit den Hub dar.The insertion depth of the
Der kugelförmige Ventilschließkörper 7 wirkt mit der sich in
Strömungsrichtung kegelstumpfförmig verjüngenden
Ventilsitzfläche 29 des Ventilsitzkörpers 16 zusammen, die
in axialer Richtung zwischen der Führungsöffnung 15 und der
unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 ausgebildet
ist.The spherical
Stromabwärts der Spritzlochscheibe 21 ist in der
Längsöffnung 3 des Ventilsitzträgers 1 ein erfindungsgemäßes
Zerstäubungsgitter 32 angeordnet. Das Zerstäubungsgitter 32
stellt eine dünne Scheibe dar, die mit dem Ventilsitzträger
1 beispielsweise mittels Klebens fest verbunden ist. Der
Bereich der Befestigung des Zerstäubungsgitters 32 ist in
der Figur 1 nur beispielhaft und schematisch dargestellt, da
die verschiedensten Verbindungstechniken 33 zum Fixieren des
Zerstäubungsgitters 32 zum Einsatz kommen können, wie z. B.
Schweißen, Löten oder Einrasten. Alternativ zu dem
beispielsweise in der Längsöffnung 3 eingeklebten
Zerstäubungsgitter 32 ist in der Figur 1 noch ein zweites
Zerstäubungsgitter 32 dargestellt, das in Umfangsrichtung
von einem umlaufenden Klemmring 34 begrenzt wird. In dem
Klemmring 34 ist das Zerstäubungsgitter 32 eingeklemmt,
eingespannt oder umgossen. Der Klemmring 34 ermöglicht eine
sehr einfache Montage des Zerstäubungsgitters 32, da das
Zerstäubungsgitter 32 mit dem Klemmring 34 in einem
Verfahrensschritt zwischen dem stromabwärtigen Ende des
Ventilsitzträgers 1 und einer den stromabwärtigen Abschluß
des Einspritzventils bildenden Schutzkappe 35 eingespannt
werden kann. Die Montage kann beispielsweise so erfolgen,
daß das Zerstäubungsgitter 32 bereits in die Schutzkappe 35
eingelegt und dann zusammen mit der Schutzkappe 35 am
Ventilsitzträger 1 befestigt wird, indem die Schutzkappe 35
und der Ventilsitzträger 1 eine Rastverbindung eingehen.
Weitere hier nicht beschriebene, aber durchaus übliche
Fügeverfahren 33, wie Schweißen oder Löten, sind ebenfalls
zur Befestigung des Zerstäubungsgitters 32 denkbar. Die
Verbindungstechniken 33 spielen jedoch nur eine
untergeordnete Rolle, da Zerstäuberstrukturen 36 in
mittleren Bereichen 37 der erfindungsgemäßen
Zerstäubungsgitter 32 entscheidend für eine gewünschte
hervorragende Zerstäubungsqualität des Brennstoffs sind.Downstream of the
Die beispielsweise vier Abspritzlöcher 25 der
Spritzlochscheibe 21 befinden sich z. B. symmetrisch um die
Ventillängsachse 2 in Form von Eckpunkten eines Quadrates
verteilt und besitzen damit jeweils den gleichen Abstand
zueinander und zur Ventillängsachse 2. Die aus den
Abspritzlöchern 25 austretenden Brennstoffstrahlen
kollidieren stromabwärts der Spritzlochscheibe 21 mit den
Zerstäuberstrukturen 36 des Zerstäubungsgitters 32. Das
Kollidieren bzw. Aufprallen und Umströmen des Brennstoffs an
den erfindungsgemäßen Zerstäuberstrukturen 36 stellt eine
besonders wirksame Aufbereitungsart dar, bei der eine
Zerstäubung in besonders kleine Tröpfchen erfolgt und die
nachfolgend näher erläutert wird. An dem Zerstäubungsgitter
32 findet also eine sogenannte sekundäre Zerstäubung statt,
durch die die Brennstofftröpfchen in ihrer Größe weiter
reduziert werden. Die Anordnung der Spritzlochscheibe 21 ist
keinesfalls Bedingung für das optimale Wirken des
Zerstäubungsgitters 32; vielmehr erweist sich die
Zerstäuberanordnung ohne Spritzlochscheibe 21 stromabwärts
der Ventilsitzfläche 29 im Einspritzventil als besonders
wirksam.The four
Um das Aufbereitungsprinzip näher zu erläutern, zeigt die
Figur 2 vereinfacht den Abspritzbereich des
Einspritzventils, besonders die Bereiche um die
Ventilsitzfläche 29 und das Zerstäubungsgitter 32 herum.
Eine Spritzlochscheibe 21 ist dabei nicht vorgesehen. Der
bei von der Ventilsitzfläche 29 abgehobenem
Ventilschließkörper 7 in Richtung Zerstäubungsgitter 32
abgegebene Brennstoff trifft also unmittelbar ohne
Beeinflussung einer Spritzlochscheibe 21 auf die
Zerstäuberstruktur 36. To explain the treatment principle in more detail, the
Figure 2 simplifies the spray area of the
Injector, especially the areas around the
Mit dem erfindungsgemäßen Zerstäubungsgitter 32 soll
besonders die Zerstäubungsqualität des Brennstoffs ohne
zusätzliche Hilfsenergie verbessert werden, wobei
insbesondere die neuen Geometrien der Zerstäuberstruktur 36
dazu beitragen. Bisher ist es bei Einspritzventilen üblich,
die Zerstäubung des Brennstoffs unter anderem mittels
Spritzlochscheiben 21 vorzunehmen. Der Druckabfall an der
Spritzlochscheibe 21 beträgt dabei ca. 90 % der
Druckdifferenz zwischen dem Einspritzventil und einem nicht
dargestellten Saugrohr der Brennkraftmaschine. Die
Druckenergie wird infolge viskoser Reibung und turbulenter
Dissipation in Wärmeenergie und außerdem in kinetische
Energie umgewandelt. In den Abspritzlöchern 25 der
Spritzlochscheibe 21 nimmt die Geschwindigkeit des
Brennstoffs aufgrund der Querschnittsverengung deutlich zu,
die ein Faktor für die Zerstäubungsgüte des Brennstoffs ist.
Durch den Kontakt mit den scharfkantigen Rändern der
Abspritzlöcher 25 werden aufgrund der Störung der Oberfläche
des Fluids, hier des Brennstoffs, und der Entstehung von
lokaler Kavitation die Brennstoffstrahlen stromabwärts der
Spritzlochscheibe 21 instabil und turbulent.With the
Für eine gute Zerstäubung des Brennstoffs ist eine Turbulenz
des Fluidstrahls erforderlich, die sich in einer großen
Reynoldschen Zahl ausdrückt. Zur Realisierung der Turbulenz
des Brennstoffstrahls bietet sich z. B. die erfindungsgemäße
Zerstäuberstruktur 36 mit ihrer besonderen Geometrie an. In
der Figur 2 sind die Zerstäuberstruktur 36 und die
Fluidbewegungen schematisch dargestellt. Der Druckabfall an
dem Zerstäubungsgitter 32 ist aufgrund relativ großer, quer
zur Ventillängsachse 2 verlaufender Querschnittsflächen von
Durchströmbereichen 38 zwischen den Zerstäuberstrukturen 36
wesentlich geringer als der Druckabfall an der
Spritzlochscheibe 21. Deshalb verlagert sich ein großer Teil
des Gesamtdruckabfalls im Einspritzventil an eine Dichtkante
39, die an der Ventilsitzfläche 29 genau dort gebildet ist,
wo der Ventilschließkörper 7 im geschlossenen Zustand des
Einspritzventils weitgehend mit einer Linienberührung an der
Ventilsitzfläche 29 anliegt. Infolgedessen ist die
Anströmgeschwindigkeit des Fluidstrahles 40 stromaufwärts
des Zerstäubungsgitters 32 höher als im Fall einer folgenden
Spritzlochscheibe 21, so daß eine qualitativ hochwertige
Zerstäubung an der Zerstäuberstruktur 36 möglich ist.For a good atomization of the fuel there is turbulence
of the fluid jet required, which can be in a large
Expresses Reynold's number. To realize the turbulence
the fuel jet offers z. B. the
In der Figur 3 ist noch einmal ein Teilbereich des
Zerstäubungsgitters 32 vergrößert dargestellt, wobei das
dreieckförmige Gitterprofil im Querschnitt besonders
deutlich wird. Das Zerstäubungsgitter 32 besitzt z. B. eine
solche dreieckförmige Zerstäuberstruktur 36, daß eine ebene
Fläche 41 mit einer inneren und äußeren Zerstäuberkante 42
zum Ventilschließkörper 7 hin zeigt, während eine
Dreieckspitze 43 vom Ventilschließkörper 7 abgewandt
ausgebildet ist. Der Zerstäubungsvorgang des Brennstoffs ist
anhand der Figur 3 erkennbar. Der Fluidstrahl 40 mit einer
großen Anströmgeschwindigkeit, die durch einen Pfeil 45
angedeutet ist, wird zunächst durch die Anströmung an der
scharfkantigen Zerstäuberstruktur 36, speziell an den
Zerstäuberkanten 42 instabil und zerfällt danach in feine
Tröpfchen. Von den Zerstäuberkanten 42 aus verlaufende
Stromlinien 47 verdeutlichen die Instabilität des
Brennstoffs. Stromabwärts der Zerstäuberkanten 42 kommt es
aufgrund der dreieckigen Geometrie der Zerstäuberstruktur 36
zu lokalen Kavitationen 48, also Unterdruckbereichen. Das
Aufprallen des Brennstoffs auf die Zerstäuberstruktur 36 hat
ebenfalls zur Folge, daß in dem zerstäubten Brennstoff
stromabwärts der Zerstäuberkanten 42 Wirbel bzw.
Rückströmungen 49 auftreten. Die Zerstäubung des Brennstoffs
wird zudem durch aerodynamische Kräfte der Umgebungsluft
verbessert. Als Resultat liegt ein aus kleinsten Tröpfchen
gebildeter feiner Brennstoffnebel vor, wobei sich die
Brennstofftröpfchen durch einen deutlich reduzierten
sogenannten Sauter Mean Diameter (SMD), also einen
verringerten mittleren Tropfendurchmesser des abgespritzten
Brennstoffs, auszeichnen.FIG. 3 shows a partial area of the
Ziel dieser Aufbereitungsart ist es, besonders fein
zerstäubten Brennstoff in Form kleinster Tröpfchen aus dem
Einspritzventil abzuspritzen, um beispielsweise sehr geringe
Abgasemissionen der Brennkraftmaschine zu erreichen und den
Brennstoffverbrauch zu senken. Mit dem Zerstäubungsgitter 32
kann genau diese Forderung in besonders vorteilhafter Weise
erfüllt werden. Durch das Aufreißen des Brennstoffs am
Zerstäubungsgitter 32 entsteht nämlich stromabwärts des
Zerstäubungsgitters 32 der eben beschriebene feine
Tröpfchennebel. Diese besonders kleinen, den Tröpfchennebel
bildenden Brennstofftröpfchen besitzen nun eine wesentlich
größere Oberfläche als die Brennstoffstrahlen vor dem
Auftreffen auf dem Zerstäubungsgitter 32, die wiederum für
eine gute Zerstäubung ein Indiz ist. Man kann auch davon
sprechen, daß stromabwärts des Zerstäubungsgitters 32 ein
Brennstoffspray gebildet wird. Diese soeben beschriebene
Wirkungsweise zeichnet auch alle nachfolgend aufgeführten
Ausführungsbeispiele der Zerstäuberstrukturen 36 aus.The aim of this type of preparation is to be particularly fine
atomized fuel in the form of tiny droplets from the
Spray injector, for example, very low
To achieve exhaust gas emissions from the internal combustion engine and
Reduce fuel consumption. With the atomizing
In den Figuren 4 bis 9 sind einige vorteilhafte und einfach
herstellbare Zerstäuberstrukturen 36 im Querschnitt
dargestellt, die in Zerstäubungsgittern 32 für
Einspritzventile einsetzbar sind. Die Winkel der
Brennstoffsprays können durch die unterschiedlichen
Geometrien der Zerstäuberstrukturen 36 variiert werden. Die
Figuren 4 und 5 zeigen dreieckförmige Zerstäuberstrukturen
36, die sich durch ihre Winkel voneinander unterscheiden. An
der vom Ventilschließkörper 7 abgewandten Dreieckspitze 43
liegt beispielsweise einmal ein spitzer Winkel (Figur 4) und
bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 5 ein stumpfer Winkel
vor. Weitere Ausführungsbeispiele für Zerstäuberstrukturen
36 sind in den Figuren 6 und 7 dargestellt, wobei die
Zerstäuberstrukturen 36 hier einen rauten- bzw.
drachenviereckförmigen Querschnitt aufweisen. Der Brennstoff
trifft bei diesen Zerstäuberstrukturen 36 nicht auf eine
senkrecht zur Ventillängsachse 2 verlaufende ebene Fläche
41, sondern auf zwei schräg zur Ventillängsachse 2
verlaufende Flächen 44, die neben den zwei Zerstäuberkanten
42 noch eine weitere zum Ventilschließkörper 7 hin
gerichtete Aufreißkante 50 besitzen, die genau zwischen den
beiden schrägen Flächen 44 liegt. Die Ausführungsbeispiele
in den Figuren 8 und 9 weisen jeweils eine ebene Fläche 41
und eine gekrümmte Fläche 46 auf, wobei die gekrümmte, dem
Ventilschließkörper 7 abgewandte Fläche 46 sowohl mit einem
konstanten als auch mit einem variablen Radius ausgeformt
sein kann. Die Übergänge von der ebenen Fläche 41 zu der
gekrümmten Fläche 46 stellen jeweils die zwei
Zerstäuberkanten 42 dar.Figures 4 to 9 are some advantageous and simple
Die Figuren 10 bis 13 zeigen einige Ausführungsbeispiele von
Zerstäubungsgittern 32 in ihrer Draufsicht und verdeutlichen
damit die Anordnung der Zerstäuberstrukturen 36 auch in
radialer Erstreckung. Die kreisförmigen Zerstäubungsgitter
32 weisen jeweils eine äußere kreisringförmige Randzone 52
auf, die damit in Umfangsrichtung den mittleren Bereich 37
mit der Zerstäuberstruktur 36 und den sich dazwischen
ergebenden Durchströmbereichen 38 vollständig umgibt. Die
Zerstäuberstrukturen 36 können sehr variabel hergestellt und
auf gewünschte Formen von Brennstoffnebeln abgestimmt
werden. So weisen die Zerstäuberstrukturen 36 in ihrer
Grundtendenz beispielsweise viereckförmige (Figur 10),
kreisförmige (Figur 11), sechseckförmige (Figur 12) oder
dreieckförmige (Figur 13) Geometrien auf. Neben dieser
Grundstruktur 53 im Zerstäubungsgitter 32 sind in den
Zerstäuberstrukturen 36 weitere meist durch einen
Mittelpunkt 54 der Zerstäubungsgitter 32 verlaufende und von
der Randzone 52 ausgehende Zerstäuberstege 55 vorgesehen.
Diese Zerstäuberstege 55 kreuzen entsprechend der Ausbildung
der Grundstruktur 53 der Zerstäuberstruktur 36 diese unter
verschiedenen Winkeln. So verlaufen die Zerstäuberstege 55
bei der kreisförmigen Grundstruktur 53 (Figur 11)
beispielsweise unter rechten Winkeln zueinander von der
Randzone 52 zum Mittelpunkt 54, während die Zerstäuberstege
55 bei der sechseckförmigen Grundstruktur 53 (Figur 12)
jeweils einen Winkel von 60° einschließen. In der
dreieckförmigen Grundstruktur 53 (Figur 13) sind die
Zerstäuberstege 55 z. B. unter einem Winkel von jeweils 120°
eingebracht und verlaufen vollständig innerhalb der
dreieckförmigen Grundstruktur 53, da diese ebenfalls von der
Randzone 52 ausgehend ausgebildet ist.Figures 10 to 13 show some embodiments of
Im Gegensatz dazu sind die kreisförmige, die viereckförmige
bzw. die sechseckförmige Grundstruktur 53 mit radialem
Abstand von der Randzone 52 im Inneren des
Zerstäubungsgitters 32 ausgeformt. Da die Zerstäuberstege 55
von der Randzone 52 zum Mittelpunkt 54 verlaufen und dabei
die Grundstruktur 53 kreuzen, ergeben sich sowohl zwischen
der Randzone 52 und der Grundstruktur 53 als auch zwischen
der Grundstruktur 53 und dem Mittelpunkt 54
Durchströmbereiche 38. In der Zerstäuberstruktur 36 mit der
sechseckförmigen Grundstruktur 53 werden durch die
Zerstäuberstege 55 folglich sechs äußere und sechs innere
Durchströmbereiche 38 gebildet. Die Zerstäuberstruktur 36
mit der viereckförmigen Grundstruktur 53 ist z. B. so
ausgebildet, daß die das Viereck bildenden Zerstäuberstege
55 jeweils bis zur Randzone 52 verlaufen, während innerhalb
der viereckförmigen Grundstruktur 53 in Form eines Kreuzes
Zerstäuberstege 55 angeordnet sind, wodurch vier
Durchströmbereiche 38 innerhalb der Grundstruktur 53
entstehen. Zwischen der viereckförmigen Grundstruktur 53 und
der Randzone 52 ergeben sich aufgrund der Anordnung der
Zerstäuberstege 55 z. B. acht Durchströmbereiche 38, wobei
jeweils vier Durchströmbereiche 38 eine gleiche Größe
aufweisen. In contrast, the circular, the quadrangular
or the hexagonal
Zur Herstellung der Zerstäubungsgitter 32 als Metallgitter
mit diesen Zerstäuberstrukturen 36 werden beispielsweise die
sogenannten LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung)-
bzw. MIGA (Mikrostrukturierung, Galvanoformung, Abformung)-
Verfahren angewandt, die sich besonders zur Herstellung
dreidimensionaler Mikrostrukturen eignen. Näher beschrieben
ist das LIGA-Verfahren beispielsweise in Heuberger:
"Mikromechanik", Springer-Verlag 1989, Seite 236 ff. und in
Reichl: "Micro System Technologies 90", Springer-Verlag
1990, Seite 521 ff. In einem ersten Verfahrensschritt wird
dabei mittels optischer Lithographie eine
Resiststrukturierung vorgenommen. Von einer Maske werden die
entsprechenden Strukturen auf die resistbeschichtete
Substratoberfläche z. B. mittels Projektionsbelichtung
übertragen. Nach der Resistentwicklung liegt ein
strukturiertes Resistprofil auf dem Träger vor, das nun
weiterverarbeitet werden kann. Da die mikromechanischen
Anwendungsmöglichkeiten von Lackprofilen begrenzt sind,
bietet sich eine galvanoplastische Abformung der
Resiststrukturen an. Als Materialien hierfür kommen alle
galvanikfähigen Metalle (z. B. Nickelsulfamat) in Betracht.
Die nach der Galvanoformung entstandenen metallischen
Strukturen können anschließend mit konventionellen
Abformtechniken vervielfältigt werden. Dazu ist zunächst
eine Kunststoff-Zwischenform herzustellen, aus der dann
z. B. mittels galvanischer Abformung das endgültige
Werkstück gefertigt werden kann. Besonders vorteilhaft beim
LIGA-Verfahren ist der Fakt, daß eine Vielzahl von
Materialien verwendet werden kann, z. B. Metalle,
Kunststoffe oder Keramiken, und eine Herstellung großer
Stückzahlen gleichzeitig möglich ist. Mit den genannten
Verfahren sind problemlos Zerstäuberstrukturen 36 bzw.
Zerstäuberstege 55 erzeugbar, die eine größte Breite
zwischen < 50 µm und
200 µm und eine axiale Erstreckung, also eine Profilhöhe von
rund 200 µm aufweisen. The method applied, which is three-dimensional particularly for the production - For the preparation of the
Die Zerstäuberstrukturen 36 sind beispielsweise auch mittels
Kunststoffspritzgießens erzeugbar. Dafür eignen sich einige
gegen Erennstoffe beständige Kunststoffe, insbesondere
Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS),
Epoxidharz (EP) und Phenolharz (PH). Mit dem Spritzgießen
sind ebenfalls sehr exakte Strukturen erzielbar, die scharfe
Zerstäuberkanten 42 aufweisen. Wegen einer erwünschten
Eigenstabilität sollten die einzelnen Zerstäuberstege 55
eine Mindestbreite an ihrer breitesten Stelle von 100 µm und
eine Mindestprofilhöhe von 100 µm besitzen. Außerdem können
die Zerstäuberstrukturen 36 durchaus mittels bekannter
Siliziumtechnologie z. B. durch Ätzen hergestellt werden.The
Eine weitere Verbesserung der Zerstäubungsgüte des
Brennstoffs ist erreichbar, wenn der Brennstoff mit Gas,
beispielsweise mit Luft versetzt wird. Die Figur 14 zeigt
eine schematische Darstellung einer
Brennstoffeinspritzvorrichtung, bei der eine
Gaseinblasvorrichtung 57 einem Einspritzventil mit der
erfindungsgemäßen Zerstäuberstruktur 36 vorgeschaltet ist.
Die Gaseinblasvorrichtung 57 ist beispielsweise zwischen
einem nicht dargestellten Massenstromsensor und dem
Einspritzventil angeordnet. Die Gaszufuhr 58 in die
Gaseinblasvorrichtung 57 erfolgt beispielsweise senkrecht
zur Brennstoffströmungsrichtung.A further improvement in the atomization quality of the
Fuel is attainable if the fuel is with gas,
for example with air. Figure 14 shows
a schematic representation of a
Fuel injector, in which one
In der Figur 15 ist ein Ausführungsbeispiel einer
Gaseinblasvorrichtung 57 vergrößert gegenüber der Figur 14
nochmals als einzelnes Bauteil schematisch dargestellt. Die
Gaseinblasvorrichtung 57 ist dabei so ausgestaltet, daß in
einem mittleren Gaseinblasbereich 59 eine deutliche
Querschnittsverengung 60 für den Brennstoff vorgesehen ist.
In dem Gaseinblasbereich 59 liegt also ein enger Spalt zum
Durchströmen des Brennstoffs vor. Die Geschwindigkeit des
Erennstoffs nimmt aufgrund der Querschnittsverengung 60
spürbar zu, wobei die in mit einem Systemdruck einströmenden
Brennstoff gespeicherte Druckenergie in kinetische Energie
umgewandelt wird. In den Brennstoff mit niedrigem Überdruck
von beispielsweise 0,5 bar wird nun das Gas eingeblasen.An exemplary embodiment is shown in FIG
Zur Zuführung des Gases, das der verbesserten Aufbereitung
und Zerstäubung des Brennstoffs dient, ist an der
Gaseinblasvorrichtung 57 ein Einlaßstutzen 61 vorgesehen.
Als Gas kann z. B. die durch einen Bypass vor einer
Drosselklappe in einem Saugrohr der Brennkraftmaschine
abgezweigte Saugluft, durch ein Zusatzgebläse geförderte
Luft, aber auch rückgeführtes Abgas der Brennkraftmaschine
oder eine Mischung von Luft und Abgas verwendet werden. Die
Verwendung rückgeführten Abgases ermöglicht eine Reduzierung
der Schadstoffemission der Brennkraftmaschine. Die Zuführung
des Gases bis hin zu der Gaseinblasvorrichtung 57 ist nicht
näher dargestellt.To supply the gas for improved treatment
and atomization of the fuel is used at the
Von dem Einlaßstutzen 61 aus tritt das Gas in eine Kammer
63, die zu der Querschnittsverengung 60 hin von einem
scheibenförmigen Einblasgitter 64 begrenzt ist. Die
Gaseinblasvorrichtung 57 kann auch derart ausgebildet sein,
daß über zwei Kammern 63 und zwei Einblasgitter 64 Gas in
den Brennstoff einblasbar ist, wobei die Kammern 63
miteinander verbunden sein können oder auch getrennt
voneinander mit Gas über verschiedene Einlaßstutzen 61
versorgt werden können. Des weiteren ist es möglich, eine
Kammer 63 mit kreisringförmigem Querschnitt und einem sie
innen begrenzenden, rohrförmigen Einblasgitter 64
vorzusehen. Anstelle des Einblasgitters 64 können in der
Gaseinblasvorrichtung 57 auch mehrere gelochte Röhrchen
verwendet werden. Über im Einblasgitter 64 ausgeformte
Öffnungen 66 gelangt das Gas direkt in den Brennstoff.From the
Zur Gewinnung des gewünschten Brennstoffdruckes wird direkt
nach der Gaseinblasung das Gemisch aus Brennstoff und
Gasblasen 67 abgebremst, indem der Querschnitt für die
Brennstoffströmung beispielsweise wieder auf die Größe des
Querschnitts beim Eintritt in die Gaseinblasvorrichtung 57
vergrößert wird. Bei zunehmendem Druck werden die Gasblasen
67 im Gemisch komprimiert. Aufgrund der Oberflächenspannung
zwischen Gas und Brennstoff ist je nach Blasengröße der
Druck in den Gasblasen 67 entsprechend höher als der
Gemischdruck. Bis zu einer bestimmten Gaskonzentration im
Gemisch herrscht noch eine Blasenströmung (bubbly flows) im
Einspritzventil. Unmittelbar stromabwärts der Dichtkante 39
entspannen sich bei der Einspritzung die Gasblasen 67
schlagartig. Der Vorgang wird als Blasenexplosion
bezeichnet, die nach den "Shear-Type"-Zerfallmechanismen des
Brennstoffs für eine Feinstzerstäubung sorgt. Die
scharfkantige Zerstäuberstruktur 36 sorgt dann unmittelbar
nachfolgend für eine weitere Verbesserung der
Zerstäubungsgüte entsprechend der bereits beschriebenen
Vorgänge. Bei Verwendung von Brennstoff mit Gasblasen 67
sollte zwischen der Dichtkante 39 und der Zerstäuberstruktur
36 auf die Spritzlochscheibe 21 verzichtet werden, um eine
Blasenverstopfung in den Abspritzlöchern 25 zu vermeiden.To obtain the desired fuel pressure, directly
after the gas injection, the mixture of fuel and
Gas bubbles 67 slowed down by the cross section for the
Fuel flow, for example, back to the size of the
Cross section when entering the
Ein Ausführungsbeispiel des Einblasgitters 64 ist in der
Figur 16 dargestellt. Das Einblasgitter 64 stellt dabei
einen rechteckigen Grundkörper dar, dessen Kantenlängen z.B.
zwischen 1 mm und 5 mm betragen und in dem eine Vielzahl von
Öffnungen 66 siebähnlich angeordnet sind, so daß man von
einer Löcherfolie sprechen kann. Das bereits beschriebene
LIGA-Verfahren kann auch zur Herstellung des Einblasgitters
64 sehr gut verwendet werden. Dabei sind die Einblasgitter
64 in sehr großen Stückzahlen mit hoher Formgenauigkeit
herstellbar. Anstelle des in Figur 16 gezeigten
Einblasgitters 64 sind auch andere sieb- bzw. gitterförmige
Einblasmittel denkbar. Da mit dem LIGA-Verfahren kleinste
Strukturen präzise fertigbar sind, ist es jederzeit möglich,
das Einblasgitter 64 mit Öffnungen 66, die Durchmesser z. B.
zwischen 10 µm und 50 µm aufweisen, vorzusehen.An embodiment of the
Claims (17)
- Fuel injection device for fuel injection systems of internal combustion engines, with a fuel injection valve, with a valve longitudinal axis (2), with a valve closing body (7) which cooperates with a valve seat face (29), with at least one spray orifice (25) and with an atomizing grid (32) arranged downstream of the at least one spray orifice (25), the atomizing grid (32) is equipped with an atomizing structure (36) which at least partially possesses taperings in cross section in the axial, downstream direction, that is to say over the thickness of the atomizing grid (32), the atomizing structure (36) containing throughflow regions (38) having cross-sectional areas extending transversely relative to the valve longitudinal axis (2), and the cross sectional areas being at least partially enlarged in the axial, downstream direction.
- Device according to Claim 1, wherein the atomizing structure (36) of the atomizing grid (32) has at least partially a triangular cross section in the axial direction.
- Device according to Claim 2, wherein the atomizing structure (36) possessing a triangular cross section is designed with a plane face (41) extending perpendicularly to the valve longitudinal axis (2) and facing the valve closing body (7), with atomizing edges (42) limiting the face (41), whilst a triangle vertex (43) is provided so as to face away from the valve closing body (7).
- Device according to Claim 1, wherein the atomizing structure (36) of the atomizing grid (32) has at least partially a square cross section in the axial direction.
- Device according to Claim 4, wherein the atomizing structure (36) has the cross section in the form of a kite square, a breakup edge (50) being formed nearest the valve closing body (7), whilst further atomizing edges (42) follow only further downstream.
- Device according to Claim 1, wherein the atomizing structure (36) of the atomizing grid (32) has in the axial direction a cross section possessing at least partially curved limitations.
- Device according to Claim 6, wherein the curved limitations are formed by curved faces (46), and the faces (46) of the atomizing structure (36) face away from the valve closing body (7), whilst a plane face (41) having atomizing edges (42) is designed to face the valve closing body (7).
- Device according to one of the preceding claims, wherein the atomizing grid (32) is made circular, an annular edge zone (52) completely surrounding a middle region (37) having the atomizing structure (36).
- Device according to Claim 8, wherein the atomizing structure (36) possesses, in the middle region (37) of the atomizing grid (32), a basic geometrical structure (53) which is connected at least partially via atomizing webs (55) to the edge zone (52).
- Device according to Claim 8, wherein the atomizing structure (36) possesses, in the middle region (37) of the atomizing grid (32), a basic geometrical structure (53) which extends directly out of the edge zone (52).
- Device according to Claim 9, wherein the atomizing webs (55) which do not belong to the basic structure (53) pass through a midpoint (54) of the atomizing grid (32).
- Device according to Claim 9 or 10, wherein the basic structure (53) has the form of a polygon.
- Device according to Claim 9, wherein the basic structure (53) has the form of a circle.
- Device according to one of the preceding claims, wherein the atomizing structure (36) of the atomizing grid (32) is produced by means of LIGA, i.e. Lithographie, Galvanoformung, Abformung [Lithography, Electroforming, Cast-taking], or MIGA Mikrostrukturierung, Galvanoformung, Abformung [Microstructuring, Electroforming, Cast-taking] processes, plastic injection-moulding or etching.
- Device according to Claim 1, wherein the fuel injection valve is preceded by a gas blow-in device (57), by means of which gas bubbles (67) are blown into the fuel to be sprayed.
- Device according to Claim 15, wherein the direct feed of gas to the fuel takes place in the gas blow-in device (57) via at least one blow-in grid (64) which has a multiplicity of orifices (66).
- Device according to Claim 16, wherein the blow-in grid (64) is produced by means of LIGA or MIGA processes.
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