EP1565650A1 - Einspritzvorrichtung zum einspritzen von kraftstoff - Google Patents

Einspritzvorrichtung zum einspritzen von kraftstoff

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EP1565650A1
EP1565650A1 EP03767413A EP03767413A EP1565650A1 EP 1565650 A1 EP1565650 A1 EP 1565650A1 EP 03767413 A EP03767413 A EP 03767413A EP 03767413 A EP03767413 A EP 03767413A EP 1565650 A1 EP1565650 A1 EP 1565650A1
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spray hole
injection device
injection
spray
area
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Grit KRÜGER
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Siemens Corp
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Siemens AG
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M61/1806—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for characterised by the arrangement of discharge orifices, e.g. orientation or size

Definitions

  • the present invention relates to an injection device for injecting fuel, in particular for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • Injectors for injecting fuel into a combustion chamber of an internal combustion engine are known in a wide variety of configurations from the prior art.
  • Injection devices of this type comprise a nozzle needle guided in a nozzle body, a sealing seat being formed at a tip of the nozzle needle for a T-seal between the nozzle needle and the nozzle body.
  • a plurality of spray holes are usually formed below the sealing seat and branch off from a blind hole in the nozzle body. The fuel is injected into the combustion chamber through these spray holes.
  • the end of the nozzle is usually in the form of a cone or truncated cone, and the spray holes run from the outside of the cone inwards to the blind hole. Due to the arrangement of the spray holes in the cone area, there is a non-planar exit surface on the outside of the cone, as shown in FIG. 4. As a result, when the fuel jet is viewed in a plane perpendicular to the central axis XX of the spray hole, some of the fuel particles emerge from the spray hole while they are still being guided at the spray hole wall in other areas of the spray hole. This results in a different deflection of the beam over the exit area and a different fanning out of the beam at the exit area. Furthermore, the different guide lengths of the fuel particles at the outlet area lead to non-symmetrical injection geometries and also to a geometry of the outlet jet that is not or only with difficulty reproducible.
  • FIG. 5 also shows a known nozzle inclined to a combustion chamber, in which there are different guide lengths of individual spray holes due to the inclination.
  • the guide length at the left spray hole 4 is larger by A than at the right spray hole 4 ', where the guide is B. This also causes scattering of the spray pattern from spray hole to spray hole.
  • the injection device for injecting fuel, it has an outlet area which lies in a plane perpendicular to an injection hole axis.
  • all edge points at the exit area of the spray hole lie in a plane perpendicular to the spray hole axis, so that a planar exit surface is present.
  • An exact beam geometry can thus be obtained by the measure according to the invention.
  • the arrangement of the outlet area according to the invention in a vertical plane for an exact and faster alignment of the beam.
  • the design of the exit area according to the invention further improves the atomization within the jet and significantly reduces the pressure dependence of the jet geometry. Another advantage lies in the fact that tests on engine test benches or the like can be significantly simplified.
  • the exit geometry according to the invention thus provides an optimal exit jet cone, which leads to an improved combustion process and to improved exhaust gas emission.
  • the outlet region of the spray hole is in a region which is in particular recessed by means of depressions.
  • a depression at the exit area of the spray hole is carried out such that after the depression all edge points of the exit-side spray hole end lie in a plane perpendicular to the spray hole axis.
  • the outlet region of the spray hole is arranged on a flat-ground outer region of the housing component.
  • the exit area according to the invention can also be provided in a particularly simple manner. It is possible to form the flat area on the outside of the housing component either before the spray hole is made or after the spray hole is made.
  • the outer design of the housing component is preferably designed as a polyhedron.
  • a polyhedron can be produced with an essentially conical basic shape.
  • the housing component in which the spray hole is arranged is furthermore preferably an essentially conical or spherical component.
  • the injection device according to the invention is preferably installed at an angle to a combustion chamber axis.
  • the greatest problems have hitherto been encountered in the prior art, since it is only from this that different length differences and thus different jet geometry of the individual spray holes occur from spray hole to spray hole. According to the invention, however, this problem can now be easily solved and the same spray geometry can be ensured at each spray hole.
  • the injection device according to the invention is used in particular in storage injection systems, such as common rail systems, for the injection of fuel under high pressure.
  • the present invention achieves particularly good injection results with corresponding advantages with regard to combustion and the exhaust gas behavior, since, due to the high pressure, a large amount of fuel is injected within a short period of time with a predetermined, easily reproducible jet geometry.
  • FIG. 1 shows a schematic partial sectional view of an injection device according to a first exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows an enlargement of the exit area of the spray hole marked X in FIG. 1
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of an exit region according to a second exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 4 shows an exit area according to the prior art
  • Figure 5 is a schematic sectional view of a nozzle inclined to the combustion chamber according to the prior art.
  • An injection device 1 for a memory injection system according to a first exemplary embodiment of the present invention is described below with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the injection device 1 comprises a housing 2 in the form of a nozzle body, in which a blind hole 3 with a seat cone 10 is formed.
  • a sealing seat 8 on the seat cone 10 is closed or released in a known manner by a nozzle needle, not shown.
  • a fuel under pressure flows in a known manner through the blind hole 3 and via the spray holes 4 into a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • FIG. 2 shows the exit area 5 of the spray hole 4 of the first exemplary embodiment in detail.
  • a depression 6 is formed at the exit area 5 of the spray hole 4 such that the exit area 5 of the spray hole lies in a plane E.
  • all edge points 9 of the outlet-side spray hole end lie in a plane E which is perpendicular to a spray hole axis YY.
  • This configuration of the spray-hole end on the outlet side achieves an exact and rapid alignment of the spray jet with a predictable and reproducible jet geometry.
  • one can uniform jet symmetry of the fuel injected into the combustion chamber can be obtained.
  • the jet becomes more independent of pressure fluctuations.
  • an improved combustion process can also be obtained.
  • FIG. 3 An injection device according to a second exemplary embodiment of the present invention is described below with reference to FIG. 3. The same parts are designated with the same reference numerals.
  • the injection device 1 according to the second exemplary embodiment essentially corresponds to that of the first exemplary embodiment, with a flat-ground region 7 being formed instead of the countersink in the second exemplary embodiment.
  • the flat ground area 7 forms the plane E, which is arranged perpendicular to the spray hole axis Y-Y, so that the exit area 5 of the spray hole 4 lies in this plane E.
  • the flat ground area 7 can be created before or after the spray hole 4 is produced.
  • the injection device 1 according to the invention is used in particular in storage injection systems, such as, for example, common rail systems for injecting diesel fuel under high pressure into a combustion chamber.
  • storage injection systems such as, for example, common rail systems for injecting diesel fuel under high pressure into a combustion chamber.
  • the design according to the invention of the exit-side end of the spray hole shows significant advantages over the conventional spray hole geometries previously used, in particular at high pressures and in the event of pressure fluctuations.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Gehäusebauteil (2) mit wenigstens einem Spritzloch (4), welches einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich (5) aufweist. Der Austrittsbereich (5) liegt in einer Ebene (E) senkrecht zu einer Spritzlochachse (Y-Y).

Description

Beschreibung
Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff, insbesondere zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Einspritzvorrichtungen zum Einspritzen von Kraftstoff in ei- nen Brennraum einer Brennkraftmaschine sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichsten Ausgestaltungen bekannt. Insbesondere in Verbindung mit Speichereinspritzsystemen, wie beispielsweise Co mon-Rail-Systemen zur Einspritzung von Dieselkraftstoff, werden derartige Einspritzvorrichtungen zur Kraftstoffeinspritzung unter hohem Druck verwendet. Derartige Einspritzvorrichtungen umfassen eine in einem Düsenkörper geführte Düsennadel, wobei ein Dichtsitz an einer Spitze der Düsennadel für eine TAbdichtung zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper ausgebildet ist. Unterhalb des Dichtsitzes sind üblicherweise mehrere Spritzlöcher ausgebildet, welche von einem Sackloch im Düsenkörper abzweigen. Durch diese Spritzlöcher wird der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt.
Üblicherweise ist der Düsenkörper am Ende in Form eines Kegels bzw. Kegelstumpfes ausgebildet und die Spritzlöcher verlaufen von der Außenseite des Kegels nach innen zum Sackloch. Aufgrund der 7Λnordnung der Spritzlöcher im Kegelbereich ergibt sich dabei eine nicht planare Austrittsfläche an der Au- ßenseite des Kegels, wie in Fig. 4 gezeigt. Dies führt dazu, dass Kraftstoffteilchen bei Betrachtung des KraftstoffStrahls in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse X-X des Spritzlochs zum Teil schon aus dem Spritzloch austreten, während sie an anderen Bereichen des Spritzloches noch an der Spritzlochwan- düng geführt werden. Hieraus resultiert eine unterschiedliche TAblenkung des Strahls über den Austrittsbereich und eine unterschiedliche Auffächerung des Strahls am Austrittsbereich. Weiterhin führt die unterschiedliche Führungslänge der Kraftstoffteilchen am Austrittsbereich zu nicht symmetrischen Ein- spritzgeometrien und weiterhin auch zu einer nicht bzw. nur schwer reproduzierbaren Geometrie des Austrittstrahls.
In Figur 5 ist weiterhin eine bekannte, zu einem Brennraum geneigte Düse dargestellt, bei der aufgrund der Neigung unterschiedliche Führungslängen einzelner Spritzlöcher vorhanden sind. Dabei ist die Führungslänge am linken Spritzloch 4 um A größer als am rechten Spritzloch 4', an dem die Führung B beträgt. Hierbei kommt es zusätzlich noch zu Streuungen des Spritzbildes von Spritzloch zu Spritzloch.
Es ist von daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff bereitzustellen, welche eine verbesserte Einspritzung von Kraftstoff ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des /Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß der erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff weist diese einen Austrittsbereich auf, welcher in einer Ebene senkrecht zu einer Spritzlochachse liegt. Mit anderen Worten liegen alle Randpunkte am Austrittsbereich des Spritzlochs in einer Ebene senkrecht zur Spritzlochachse, sodass eine planare Austrittsfläche vorhanden ist. Dadurch wird erreicht, dass der Kraftstoff im Aus- trittsbereich des Spritzlochs nicht unterschiedlich lange geführt wird, sodass ein optimaler Austritt von Kraftstoff aus dem Spritzloch erreicht wird. Dabei treten keine durch unterschiedliche Spritzlochlängen verursachte 7Ablenkungen oder unterschiedliche Auffächerungen des Strahls auf. Somit kann durch die erfindungsgemäße Maßnahme eine exakte Strahlgeometrie erhalten werden. Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung des Austrittsbereich in einer zur Spritzlochach- se senkrechten Ebene eine exakte und schnellere Ausrichtung des Strahls. Dies ermöglicht auch eine leichter reproduzierbare Strahlgeometrie, sodass der Verbrennungsvorgang im Motor gleichmäßiger ablaufen kann. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Austrittsbereichs verbessert weiterhin die Zerstäubung innerhalb des Strahls und verringert die Druckabhängigkeit der Strahlgeometrie signifikant. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass auch Versuche an Motorprüfständen o.a. deutlich vereinfacht werden können. Die erfindungsgemäße Aus- trittsgeometrie stellt somit einen optimalen Austrittsstrahlkegel bereit, was zu einem verbesserten Verbrennungsvorgang und zur verbesserten 7Abgasemission führt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfin- düng liegt der Austrittsbereich des Spritzlochs in einem, insbesondere mittels Senken ausgesparten Bereich. Mit anderen Worten wird z.B. eine Senkung am Austrittsbereich des Spritzlochs ausgeführt derart, dass nach der Senkung alle Randpunkte des austrittseitigen Spritzlochendes in einer Ebene senk- recht zur Spritzlochachse liegen. Eine derartige Senkung kann beispielsweise vor oder nach der Herstellung des Spritzlochs mit einem entsprechend ausgebildeten Bohrwerkzeug oder mittels Funkenerosion o.a. erzeugt werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Austrittsbereich des Spritzlochs an einem plangeschliffenen Außenbereich des Gehäusebauteils angeordnet. Auf diese Weise kann der erfindungsgemäße Austrittsbereich ebenfalls besonders einfach bereitgestellt werden. Dabei ist es möglich, den planen Bereich an der Außenseite des Gehäusebauteils entweder vor dem Herstellen des Spritzlochs oder nach dem Herstellen des Spritzlochs auszubilden.
Weiterhin bevorzugt ist bei Verwendung von plangeschliffenen Bereichen als Austrittsbereiche des Spritzlochs die äußere Gestaltung des Gehäusebauteils als Polyeder ausgebildet. Da- bei kann z.B. ein Polyeder mit einer im Wesentlichen kegelförmigen Grundform erzeugt werden.
Weiterhin bevorzugt ist das Gehäusebauteil, in welchem das Spritzloch angeordnet ist, ein im Wesentlichen kegel- oder kugelartiges Bauteil.
Weiterhin bevorzugt ist die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung geneigt zu einer Brennraumachse eingebaut. Bei einem derartigen schrägen Einbau relativ zum Brennraum ergaben sich im Stand der Technik bisher die größten Probleme, da es erst dadurch von Spritzloch zu Spritzloch zu unterschiedlichen Längendifferenzen und somit zu unterschiedlicher Strahlgeometrie der einzelnen Spritzlöcher kommt. Erfindungsgemäß kann dieses Problem jedoch nun einfach gelöst werden und an jedem Spritzloch die gleiche Strahlgeometrie sichergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung wird insbesondere in Speichereinspritzsystemen, wie beispielsweise Common-Rail- Systemen, zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck verwendet. Hierbei erzielt die vorliegende Erfindung besonders gute Einspritzergebnisse mit entsprechenden Vorteilen hinsichtlich der Verbrennung und des Abgasverhaltens, da aufgrund des hohen Drucks eine große Menge Kraftstoff innerhalb eines kleinen Zeitraums mit vorbestimmter, leicht reproduzierbarer Strahlgeometrie, eingespritzt wird.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine schematische Teilschnittansicht einer Ein- spritzvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungs- beispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine Vergrößerung des mit X in Figur 1 gekennzeichneten Austrittsbereich des Spritzlochs, Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines Austrittsbereichs gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 ein Austrittsbereich gemäß dem Stand der Technik, und
Figur 5 eine schematische Schnittansicht einer zum Brenn- räum geneigten Düse gemäß dem Stand der Technik.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 eine Einspritzvorrichtung 1 für ein Speichereinspritzsystem gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin- düng beschrieben.
Wie in Figur 1 gezeigt, umfasst die Einspritzvorrichtung 1 ein Gehäuse 2 in Form eines Düsenkörpers, in welchem ein Sackloch 3 mit einem Sitzkegel 10 ausgebildet ist. Ein Dicht- sitz 8 auf dem Sitzkegel 10 wird in bekannter Weise von einer nicht dargestellten Düsennadel verschlossen bzw. freigegeben. Bei freigegebenem Dichtsitz strömt in bekannter Weise ein unter Druck stehender Kraftstoff durch das Sackloch 3 und über die Spritzlöcher 4 in einen Brennraum einer Brennkraftmaschi- ne.
In Figur 2 ist der Austrittsbereich 5 des Spritzlochs 4 des ersten Ausführungsbeispiels im Detail dargestellt. Wie in Figur 2 gezeigt, ist am Austrittsbereich 5 des Spritzlochs 4 eine Senkung 6 derart ausgebildet, dass der Austrittsbereich 5 des Spritzlochs in einer Ebene E liegt. Mit anderen Worten liegen alle Randpunkte 9 des austrittseitigen Spritzlochendes in einer Ebene E, welche senkrecht zu einer Spritzlochachse Y-Y ist. Durch diese Ausbildung des austrittseitigen Spritz- lochendes wird eine exakte und schnelle Ausrichtung des Spritzstrahls bei vorberechenbarer und reproduzierbarer Strahlgeometrie erreicht. Insbesondere kann eine besonders gleichmäßige Strahlsymmetrie des in den Brennraum eingespritzten Kraftstoffs erhalten werden. Weiterhin wird der Strahl unabhängiger gegenüber Druckschwankungen. Infolge der verbesserten Zerstäubung im Vergleich mit den herkömmlichen Spritzlochgeometrien kann auch ein verbesserter Verbrennungsvorgang erhalten werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 3 eine Einspritzvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vor- liegenden Erfindung beschrieben. Dabei sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Die Einspritzvorrichtung- 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbei- spiel entspricht im Wesentlichen dem des ersten Ausführungs- beispiels, wobei anstelle der Senkung beim zweiten Ausführungsbeispiel ein plan geschliffener Bereich 7 ausgebildet ist. Der plan geschliffene Bereich 7 bildet die Ebene E, welche senkrecht zur Spritzlochachse Y-Y angeordnet ist, sodass der Austrittsbereich 5 des Spritzlochs 4 in dieser Ebene E liegt. Der plan geschliffene Bereich 7 kann dabei vor oder nach Herstellung des Spritzlochs 4 erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 1 wird insbesondere bei Speichereinspritzsystemen, wie beispielsweise Common- Rail-Systemen zur Einspritzung von Dieselkraftstoff unter hohem Druck in einen Brennraum verwendet. Hierbei zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung des austrittseitigen Endes des Spritzlochs insbesondere bei hohen Drücken und bei Druckschwankungen signifikante Vorteile gegenüber den herkö mli- chen, bisher verwendeten Spritzlochgeometrien.
Im Rahmen der Erfindung sind vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Einspritzvorrichtung zur Einspritzung von Kraftstoff, insbesondere in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Gehäusebauteil (2) mit wenigstens einem Spritzloch (4) , welches einen Eintrittsbereich und einen Austrittsbereich (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsbereich (5) in einer Ebene (E) senkrecht zu einer Spritzlochachse (Y-Y) liegt.
2. Einspritzvorrichtung nach 7Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittsbereich (5) in einem, insbesondere mittels Senken, ausgesparten Bereich (6) liegt.
3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene (E) des Austrittsbereichs (5) in einem plan geschliffenen Bereich (7) des Gehäusebau- teils (2) liegt.
4. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Gestaltung des Gehäusebauteils (2) ein Polyeder ist.
5. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Spritzloch (4) in einem Abschnitt des Gehäusebauteils (2) mit einer im Wesentlichen kegel- oder kugelartigen Gestalt angeordnet ist.
6. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einspritzvorrichtung senkrecht oder geneigt zu einer Brennraumachse angeordnet ist.
7. Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden /Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ein- spritzvorrichtung in einem Speichereinspritzsystem verwendet wird.
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