EP1511934A1

EP1511934A1 - Injektor zum einspritzen von kraftstoff

Info

Publication number: EP1511934A1
Application number: EP03756968A
Authority: EP
Inventors: Andreas Fath
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2003-06-03
Publication date: 2005-03-09
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: EP1511934B1; DE10225683A1; WO2003104640A1; JP4288233B2; DE50301874D1; JP2005534844A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Raum (10). Der Injektor umfasst wenigstens ein Spritzloch (1) mit einer Einlassöffnung (2) und einer Auslassöffnung (3). Das Spritzloch (1) weist eine Einrichtung zur gezielten Erzeugung von Kavitation an der Auslassöffnung (3) auf, um im Betrieb erzeugte Ablagerungen (9) der Auslassöffnung (3) zu entfernen.

Description

Beschreibung

Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine durch wenigstens ein Spritzloch.

Bei bekannten Injektoren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum sind Einspritzlöcher, durch welche der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, üblicherweise zylindrisch ausgebildet. Bisher wurden hierbei ein oder zwei Spritzlöcher vorgesehen. Um ein verbessertes Abgasverhalten der Brennkraftmaschine zu erreichen, wurde vorgeschlagen, die Spritzlöcher mit kleinerem Durchmesser zu fertigen und gleichzeitig die Anzahl der Spritzlöcher zu erhöhen. Umfangreiche motorische Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass bei einem Einsatz von kontaminiertem Kraftstoff, welcher beispielsweise eine erhöhte Konzentration von Beistoffen wie Zink, Kupfer, usw. sowie deren Verbindungen enthält, sich Ablagerungen (Verkokungen) an der Auslassöffnung der Spritzlöcher bilden. Dadurch wird der Durchfluss durch die Spritzlöcher verringert, so dass die Einspritzmenge in den Motor abnimmt und die Leistung des Motors somit kontinuierlich sinkt. Dieses Problem tritt insbesondere bei großen und maximalen Lastbedingungen auf, bei denen sehr hohe Temperaturen herrschen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Injek- tor mit einem Spritzloch zum Einspritzen von Kraftstoff bereitzustellen, welcher bei einfachem Aufbau und einfacher, kostengünstiger Herstellbarkeit eine Verkokung von Spritzlöchern sicher verhindern kann.

Diese Aufgabe wird durch einen Injektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, jedes Spritzloch mit einer Einrichtung zur gezielten Erzeugung von Kavitation an der Auslassöffnung zu versehen, um im Betrieb angelagerte Ablagerungen zu entfernen bzw. das Entstehen der Ablagerungen zu verhindern. Erfindungsgemäß wird somit bewusst Kavitation erzeugt, d.h. es werden am Spritzloch gezielt Dampfblasen durch Unterschreitung des Dampfdrucks erzeugt, welche dann gezielt am Auslass des Spritzlochs, wo die unerwünschten Ab- lagerungen auftreten, zum Implodieren gebracht werden. Hierbei entstehen an diesen Stellen Druckwellen von mehreren tausend bar, wodurch die Spritzlöcher von Ablagerungen befreit werden bzw. eine Ablagerung von Anfang an verhindert wird. Somit kann erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Selbstreini- gung der Auslassöffnungen der Spritzdüsen bereitgestellt werden.

Besonders bevorzugt ist die Einrichtung zur gezielten Erzeugung von Kavitation durch Ausgestaltung der geometrischen Ab- essungen des Spritzlochs in das Spritzloch integriert. Um hierbei die Kavitationsneigung des Spritzlochs zu steigern, wird somit die Spritzlochform strömungstechnisch etwas ungünstiger gestaltet, so dass in einem gewissen Umfang eine gezielte Kavitation auftritt. Dabei wird eine strö ungsbe- dingte Kavitation dadurch erreicht, dass aufgrund der Form des Spritzlochs die Strömung nicht länger in der Lage ist, der vorgegebenen Geometrie des Einspritzlochs zu folgen, so dass Kavitation auftritt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Spritzloch im Schnitt eine tonnenartige Form auf. Unter einer tonnenartigen Form wird erfindungsgemäß dabei eine Form verstanden, welche sich in Durchflussrichtung zuerst erweitert und anschließend wieder verjüngt. Hierdurch' kann durch einfache geometrische Gestaltung des Spritzlochs das Implodieren der Kavitationsblasen an die Auslassöffnung des Spritzlochs gelegt werden, um die unerwünschten Ablage- rungen zu vermeiden. Um eine einfache Herstellbarkeit aufzuweisen, weist das Spritzloch vorzugsweise eine symmetrische Tonnenform auf. Weiter bevorzugt ist die Einlassquerschnitts- fläche des tonnenförmigen Einspritzlaufs größer oder gleich der Auslassquerschnittsflache. Weiter bevorzugt sind die Ein- lassquerschnittsfl che und die Auslassquerschnittsflache jeweils kreisförmig, wobei ein Einlassdurchmesser gleich oder größer einem Auslassdurchmesser ist. Vorzugsweise ist dabei das Verhältnis des Einlassdurchmessers zu einem maximalen Durchmesser des tonnenförmigen Spritzlochs zwischen 0,9 und 0,95. Dabei ist bei einem Verhältnis Einlassdurchmesser zum maximalem Durchmesser des tonnenförmigen Spritzlochs von 0,91 eine sichere Verhinderung von Ablagerungen möglich. Besonders vorteilhaft ist der Einlassdurchmesser zwischen 5 um bis 25 um kleiner als der maximale Durchmesser des tonnenförmigen Spritzlochs. Bei einem Unterschied des Einlassdurchmessers zum maximalen Durchmesser von mindestens 10 μ können Ablagerungen sicher verhindert werden. Weiterhin bevorzugt ist das Verhältnis des Einlassdurchmessers zum Auslassdurchmesser des tonnenförmigen Spritzlochs zwischen 1 und 1,3, insbesondere bei 1,1.

Eine weitere bevorzugte Form des Spritzlochs ist, wenn das Spritzloch eine sich in Durchströmungsrichtung erweiternde, insbesondere konisch erweiternde, Form aufweist. Dabei treten an der Einlassöffnung des Spritzlochs infolge der starken Um- lenkung des Kraftstoffs Kavitationsblasen auf, welche bei Druckanstieg in dem als Diffusor wirkenden Spritzloch an der Auslassöffnung implodieren, so dass die unerwünschten Ablage- rungen verhindert werden können bzw. abgetragen werden können.

Gemäß einer anderen bevorzugten geometrischen Ausgestaltung des Spritzlochs ist das Verhältnis der Spritzlochlänge zu ei- nem mittleren Durchmesser des Spritzlochs kleiner oder gleich 6,5. Dabei ist der mittlere Durchmesser der durchschnittliche Durchmesser über die Länge des Spritzlochs. Durch Auslegung des Spritzlochs gemäß der obigen Formel kann das gezielte Auftreten von Kavitation in einem vorbestimmten Umfang erreicht werden. Die Form des Spritzlochs ist dabei beliebig und kann beispielsweise zylindrisch, sich verjüngend, insbe- sondere konisch, oder tonnenförmig sein.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann die Verkokungsneigung des Spritzlochs dadurch reduziert werden, dass an der Auslassöffnung eine scharfe Kante ausgebildet ist. D.h., an der Auslassöffnung wird keine Verrundung der Kante vorgenommen, so dass ein scharfer Übergang zwischen dem Spritzloch und dem Brennraum vorhanden ist. Dieser scharfe Übergang verhindert das Ablagern der Beistoffe, wobei gleichzeitig gewährleistet wird, dass Kavitationsblasen am Spritzlochrand auftreten und dort implodieren können.

Es sei angemerkt, dass bei Verwendung von Kraftstoff ohne Verunreinigungen durch Zink, Kupfer usw. trotz der Einrich- tung zur gezielten Erzeugung von Kavitation an der Auslassöffnung kein Kavitationsverschleiß an der Auslassöffnung selbst auftritt, da erfindungsgemäß die Kavitation so genau eingestellt werden kann, dass ausschließlich bei Auftreten von Ablagerungen diese entfernt werden. Weiterhin werden die aus Verkokungen bestehenden Ablagerungen leichter herausgeschlagen als das Material, in welchem das Spritzloch gebildet ist, da dieses Material widerstandsfähiger gegen Kavitation ist.

Die vorliegende Erfindung kann sowohl bei Injektoren mit

Sitzlochdüsen (VCO) als auch bei Injektoren mit Sacklochdüsen verwendet werden.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von bevor- zugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist: Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Spritzlochs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Figur 2 eine vergrößerte Ansicht der Auslasskante des Spritzlochs von Figur 1,

Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines Spritzlochs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorlie- genden Erfindung und

Figur 4 eine schematische Schnittansicht eines Spritzlochs gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 ein Spritzloch 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weist das Spritzloch 1 eine symmetrische Tonnenform auf. Das Spritzloch 1 ist dabei sowohl zu einer die Mittelachse des Spritzlochs enthaltenden Ebene symmetrisch als auch in einer durch den maximalen Durchmesser D_max des Spritzlochs 1 gedachten Ebene symmetrisch. Das Spritzloch 1 weist eine Einlassöffnung 2 und eine Auslassöffnung 3 auf. Hierbei ist der Durchmesser D_Ein der Einlassöffnung 2 gleich wie der Durchmesser D_Aus der Auslassöffnung 3, wobei die Öffnungen 2, 3 kreisförmig sind.

Das Spritzloch 1 ist in bekannter Weise in einem Düsenkörper 6 gebildet und an einem einspritzseitigen Ende einer Sacklochbohrung angeordnet. Die Sacklochbohrung umfasst eine Ventilsitzfläche, welche mittels einer Ventilnadel freigegeben bzw. verschlossen wird, um eine Einspritzung auszuführen.

Der Kraftstoff tritt an der Einlassöffnung 2 in das Spritzloch 1 ein und strömt aus der Auslassöffnung 3 in einen Brennraum 10 einer Brennkraftmaschine ein. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, ist der maximale Durchmesser D_max des Spritzlochs 1 an der halben Länge L/2 der Gesamtlänge L des Spritzlochs angeordnet.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis des Einlassdurchmessers D_Ein zum maximalen Durchmesser D_maχ 0,91. Da der Einlassdurchmesser D_Ein gleich dem Auslassdurchmesser D_Aus ist, beträgt das Verhältnis Einlassdurchmesser zu Auslassdurchmesser 1.

Die Durchströmungsrichtung sowie die Umlenkungen am Spritzloch 1 der Strömung sind durch die Pfeile in der Figur angedeutet. Durch die geometrische Formung des Spritzlochs in Tonnenform wird an der Einlassöffnung 2 eine starke Ablenkung der Strömung erzeugt, so dass Kavitationsbläschen 7 entstehen. Um an der Einlassöffnung 2 eine möglichst gute Strömung zu erreichen, ist die Einlasskante 4 der Einlassöffnung 2 mit einem vorbestimmten Radius R gerundet. Abhängig vom Durchmes- ser D_Ein und der Abrundung R der Einlasskante wird dabei die Kavitationsneigung durch entsprechende Beeinflussung von Druck und Strömungsgeschwindigkeit gezielt erhöht. Die entstandenen Kavitationsbläschen 7 werden von der Strömung mitgerissen. Durch die großen Druckunterschiede im Spritzloch 1 implodieren die Kavitationsbläschen, was in den Figuren mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet ist. Aufgrund der implo- dierenden Kavitationsbläschen 8 entstehen Druckwellen von mehreren 1000 bar, wodurch die Auslassöffnung 3 von den dort auftretenden Ablagerungen 9 befreit wird. Somit ist eine Selbstreinigung des Spritzlochs 1 möglich. Es sei angemerkt, dass die Neigung der Kavitationsbläschen 7 zum Implodieren an der Auslassöffnung 3 weiterhin durch Ausbilden einer scharfen Auslasskante 5 ebenfalls gezielt eingestellt werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Auslasskante 5 als scharfe Kante ausgebildet. Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 3 ein Spritzloch 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Dabei sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeich- net .

Das Spritzloch 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, mit dem Unterschied, dass es nur symmetrisch hinsichtlich einer Ebene durch die Mittelachse des Spritzlochs ausgebildet ist und unsymmetrisch hinsichtlich einer Ebene in Höhe der haben Länge L/2 der Wandstärke L des Düsenkörpers 6. Mit anderen Worten ist der maximale Durchmesser D_max des tonnenförmigen Spritzlochs 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zwischen der Einlassöffnung 2 und der halben Länge L/2 des Spritzlochs 1 angeordnet (vgl. Figur 3). Das Verhältnis des Einlassdurch- messers D_Ein zum maximalen Durchmesser D_max beträgt dabei 0,94. Weiterhin beträgt das Verhältnis des Einlassdurchmessers D_Ei_n zum Auslassdurchmesser D_Aus 1,05. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dortige Beschreibung verwiesen werden kann.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung be- schrieben, wobei gleich Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet sind.

Wie aus Figur 4 ersichtlich ist, ist dabei zwischen der Aus- senflache des Düsenkörpers 6 und dem Spritzloch 1 an der Auslassöffnung 3 eine Auslasskante 5 mit einem Winkel α ausgebildet, so dass sich ein scharfkantiger Übergang vom Spritzloch zum Brennraum 10 ergibt.

Wie in Figur 4 gezeigt, ist das Spritzloch 1 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel in Durchströmungsrichtung sich erweiternd, genauer sich konisch erweiternd, ausgebildet. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen werden dabei an der Einlassöffnung Kavitationsbläschen 7 erzeugt, welche infolge des Druckanstiegs beim Austritt aus dem Spritzloch 1 kavitie- ren, so dass eventuell vorhandene Ablagerungen 9 mittels der implodierenden Kavitationsbläschen 8 entfernt werden können.

Claims

Patentansprüche

1. Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum (10) durch wenigstens ein Spritzloch (1) mit einer Einlassöffnung (2) und einer Auslassöffnung (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (1) eine Einrichtung zur gezielten Erzeugung von Kavitation an der Auslassöffnung (3) aufweist, um im Betrieb auftretenden Ablagerungen (9) an der Auslassöffnung (3) zu entfernen.

2. Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur gezielten Erzeugung von Kavitation durch spezielle geometrische Ausbildung der Form des Einspritzlochs in das Einspritzloch integriert ist.

3. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (1) eine im Schnitt tonnenartige Form aufweist.

4. Injektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einlassquerschnittsflache des tonnenförmigen Spritzlochs (1) größer oder gleich einer Auslassquerschnittsflache ist.

5. Injektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (1) eine symmetrische Tonnenform aufweist.

6. Injektor nach Anspruch 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Einlassquerschnittsflache und die Aus- lassquerschnittsfläche kreisförmig sind und ein Einlassdurch- messer (D_Ein) gleich einem Auslassdurchmesser (D_Aus) ist.

7. Injektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des Einlassdurchmessers (D_Ein) zu einem maximalen Durchmesser (D_max) des Spritzlochs (1) zwischen 0,9 und 0,95, insbesondere bei 0,91, liegt.

8. Injektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassdurchmesser (D_Ein) zwischen 5 um bis 25 um kleiner, insbesondere um 10 um kleiner, als der maximale Durchmesser (DMΛX) ist.

9. Injektor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Einlassdurchmessers (D_Ei_n) zum Auslassdurchmesser (D_Aus) zwischen 1 und 1,1, insbesondere bei 1,05, liegt.

10. Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Spritzloch (1) eine sich in Durchströmungsrichtung erweiternde, insbesondere konisch erweiternde, Form aufweist.

11. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der

Spritzlochlänge (L) zu einem mittleren Durchmesser kleiner o- der gleich 6,5 ist, wobei der mittlere Durchmesser ein durchschnittlicher Durchmesser über die Länge (L) des Spritzlochs (1) ist.

12. Injektor nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzloch (1) zylindrisch ist.

13. Injektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass an der Auslassöffnung (3) eine scharfe Kante (5) ausgebildet ist und an der Kante (4) der Einlassöffnung (2) eine vorbestimmte Verrundung (R) ausgebildet ist.