EP3211210B1

EP3211210B1 - Fuel injector

Info

Publication number: EP3211210B1
Application number: EP17155942.0A
Authority: EP
Inventors: Udo Dr.Reiländer; Bodo Dr.Durst
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-02-26
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2037-02-14
Also published as: DE102016203028A1; EP3211210A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a fuel injector having the features of the preamble of patent claim 1.

Aktuelle Hochdruck-Einspritzinjektoren für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Benzin-Direkteinspritzung, werden derzeit auf dem Markt grundsätzlich entweder als Spritzlochinjektoren angeboten, bei denen sich die Düsennadel nach innen hin öffnet oder als Ringspaltinjektoren, bei denen sich die Düsennadel nach außen hin öffnet. Als Antrieb dienen in der Regel entweder ein Magnet-Aktor oder ein Piezo-Aktor. Die am Weitesten verbreitete Bauform ist ein magnetisch angetriebener Spritzlochinjektor mit einer nach innen öffnender Nadel.Current high-pressure injection injectors for internal combustion engines, in particular for gasoline direct injection, are currently offered on the market either as injection injectors in which the nozzle needle opens inwards or as annular gap injectors, in which the nozzle needle opens to the outside. As drive usually serve either a solenoid actuator or a piezo actuator. The most widespread design is a magnetically driven injection hole injector with an inwardly opening needle.

Bei dieser Bauform wird der Kraftstoffzufluss dadurch unterbrochen, dass eine im Weitesten Sinne spitze, kegelförmige Nadel mit einem Dichtbereich in der Nähe des Grundkreises des Kegels gegen einen weiteren Dichtbereich auf der Innenseite einer an der Spitze weitestgehend kegelförmig ausgebildeten Düse drückt. Zwischen dem Dichtbereich und dem Spritzloch (den Spritzlöchern bei Mehrlochdüsen) befindet sich ein kleines Totvolumen. Zur Einspritzung wird die Nadel angehoben, so dass der Durchfluss vom Kraftstoff in Richtung Spritzloch freigegeben wird. Zur Beendigung der Kraftstoffeinspritzung wird die Nadel wieder gesenkt und der Durchfluss von Kraftstoff gestoppt.In this design, the fuel flow is interrupted by the fact that in the broadest sense pointed, conical needle presses with a sealing area in the vicinity of the base circle of the cone against another sealing area on the inside of a cone largely formed at the tip nozzle. Between the sealing area and the spray hole (the spray holes in multi-hole nozzles) there is a small dead volume. For injection, the needle is raised, so that the flow from the fuel is released in the direction of the injection hole. To terminate the fuel injection, the needle is lowered again and the flow of fuel is stopped.

Nach Beenden der Einspritzung sind somit das gesamte Totvolumen sowie auch der gesamte Innenbereich des Spritzloches (der Spritzlöcher) mit Kraftstoff gefüllt. An der Außenseite der Spritzlöcher, die weitgehend in einen Brennraum der Brennkraftmaschine ragen, kommt es nun dazu, dass Kraftstoff vom Spritzlochrand aufgrund verschiedener physikalischer Effekte, wie z.B. dem Kapillareffekt, auf die äußere Oberfläche der Düse gelangt und dort entweder verbrennt, kaltverbrennt, sauerstoffarm verbrennt oder verkohlt. Hierdurch entsteht eine große Anzahl von Russpartikel im Abgas, was sich negativ auf das Erreichen einer Emissionsgesetzgebung, wie z. B. EU 6c auswirkt. Dies ist in nachteiliger Weise sogar der Fall, wenn durch eine optimierte Gestaltung von Nadel und Düse das Totvolumen minimiert wird.After completion of the injection thus the total dead volume and also the entire interior of the spray hole (the injection holes) are filled with fuel. On the outside of the injection holes, which largely protrude into a combustion chamber of the internal combustion engine, it now happens that fuel from the spray hole edge due to various physical effects, such. the capillary effect, reaches the outer surface of the nozzle where it either burns, burns cold, low-oxygen burns or charred. This results in a large number of soot particles in the exhaust gas, which has a negative impact on the achievement of emissions legislation, such. B. EU 6c effects. This is disadvantageously even the case when the dead volume is minimized by an optimized design of the needle and nozzle.

Mit diesem Problem befasst sich beispielsweise die Deutsche Patentschrift DE 10 2009 009 796 B3 . Aus dieser Patentschrift ist ein Verfahren zur Diagnose und/oder Steuerung von Brennkraftmaschinen bekannt. Bei diesem Verfahren zur Diagnose und/oder Steuerung von Brennkraftmaschinen mit über Spritzlöcher einspritzenden Kraftstoffinjektoren werden Querschnittsänderungen, insbesondere durch Verkokung der Spritzlöcher festgestellt und es werden bei auftretenden Querschnittsänderungen Korrekturmaßnahmen, insbesondere auch Maßnahmen zur Reinigung der Spritzlöcher eingeleitet.For example, the German patent specification deals with this problem DE 10 2009 009 796 B3 , From this patent a method for diagnosis and / or control of internal combustion engines is known. In this method for the diagnosis and / or control of internal combustion engines with injectors via injection fuel injectors cross-sectional changes, in particular by coking of the injection holes are determined and it will be introduced at occurring cross-sectional changes corrective measures, in particular measures for cleaning the spray holes.

Auch wenn ein derartiges Verfahren beim Betrieb der Brennkraftmaschine von großem Vorteil ist, so wäre es besser, die Verkokung der Spritzlöcher eines Kraftstoffinjektors für eine Brennkraftmaschine zu vermeiden.Although such a method is of great advantage in the operation of the internal combustion engine, it would be better to avoid the coking of the injection holes of a fuel injector for an internal combustion engine.

Weitere gattungsgemäße Kraftstoffinjektoren sind aus dem Deutschen Patent DE 10 2014 220 104 B3 und der Deutschen Patentanmeldung DE 103 18 989 A1 bekannt.Further generic fuel injectors are known from the German patent DE 10 2014 220 104 B3 and the German patent application DE 103 18 989 A1 known.

Weiter ist mit der Deutschen Offenlegungsschrift DE 103 00 177 A1 die Aufgabe gelöst, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung aufzuzeigen, die ein besseres Emissions- und Verbrauchsverhalten aufweist. Aus dieser Offenlegungsschrift ist eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung bekannt, mit einem Gehäuse mit einem Ventilsitz, mit mindestens einer Kraftstoff-Auslassvorrichtung, welche stromabwärts vom Ventilsitz angeordnet ist, mit mindestens einem Ventilelement, welches mit dem gehäuseseitigen Ventilsitz zusammenarbeitet und einen Wandabschnitt aufweist, welcher der Kraftstoff-Auslassöffnung gegenüber liegt. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der der Kraftstoff-Auslassöffnung gegenüber liegende Wandabschnitt des Ventilelements wenigstens in etwa parallel zur Wand des Gehäuses im Bereich der Kraftstoff-Auslassöffnung ist.Next is with the German disclosure DE 103 00 177 A1 the object is achieved to show a fuel injection device, which has a better emission and consumption behavior. From this publication, a fuel injection device is known, comprising a housing with a valve seat, with at least one fuel outlet device, which is arranged downstream of the valve seat, with at least one valve element, which cooperates with the housing-side valve seat and has a wall portion which the fuel Outlet opening is opposite. The object is achieved in that the wall of the valve element opposite the fuel outlet opening is at least approximately parallel to the wall of the housing in the region of the fuel outlet opening.

Auch wenn dieser bekannte Kraftstoffinjektor das Emissions- und Verbrauchsproblem einigermaßen löst, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe vor, einen Kraftstoffinjektor aufzuzeigen, bei dem ein Verkoken der Spritzlöcher und der Injektorspitze (Düse) vermieden ist.Although this known Kraftstoffinjektor solves the emissions and consumption problem reasonably, the present invention has the object to show a fuel injector, in which a coking of the injection holes and the injector tip (nozzle) is avoided.

Diese Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the feature in the characterizing part of patent claim 1.

Durch die Erfindung wird in den Spritzlöchern der Kraftstoff nach erfolgter Kraftstoff-Einspritzung in den Zylinder der Brennkraftmaschine aufgrund der rückfedernden erfindungsgemäßen Elastizität etwas zurückgesaugt, wodurch mindestens ein negativer Meniskus an der Kraftstoff-Oberfläche im Spritzloch entsteht. Es kann auch so weit gehen, dass das Spritzloch, bzw. die Spritzlöcher teilweise von Kraftstoff durch Rücksaugen entleert werden. Dadurch kann kein Kraftstoff aus dem Spritzloch auf die Oberfläche der Düse gelangen und dort verkoken oder verbrennen. Ein weiterer Vorteil ist die reduzierte Verkokungsneigung des Spritzlochs selbst. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme können die zukünftigen Emissionsgesetze leichter erfüllt werden ohne gegebenenfalls weiterer teurer Zusatzmaßnahmen.Due to the invention, the fuel is sucked back into the cylinder of the internal combustion engine due to the rebounding elasticity of the invention in the spray holes after fuel injection, whereby at least one negative meniscus is formed on the fuel surface in the spray hole. It can also go so far that the injection hole, or the injection holes are partially emptied of fuel by sucking back. As a result, no fuel from the spray hole can reach the surface of the nozzle and coke or burn there. Another advantage is the reduced coking tendency of the spray hole itself. With the measure according to the invention, the future emission laws be met more easily without any additional expensive additional measures.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von 3 Figuren mit 2 Ausführungsbeispielen und zwei Bestromungsdiagrammen eines Kraftstoffinjektors näher erläutert.

Figur 1: zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor für ein erstes Ausführungsbeispiel.
Figur 2: zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor für ein zweites Ausführungsbeispiel.
Figur 3: zeigt in einem Diagramm eine Bestromung eines Kraftstoffinjektors gem. dem Stand der Technik und einem zweiten Diagramm eine Bestromung eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.

In the following the invention with reference to 3 figures with 2 embodiments and two Bestromungsdiagrammen a fuel injector is explained in more detail.

FIG. 1: shows a section through a fuel injector according to the invention for a first embodiment.
FIG. 2: shows a section through a fuel injector according to the invention for a second embodiment.
FIG. 3: shows a graph of energization of a fuel injector acc. the prior art and a second diagram energization of a fuel injector according to the invention.

Im Folgenden gelten in den Figuren 1 und 2 für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern.The following apply in the Figures 1 and 2 for same components the same reference numbers.

In den Figuren 1 und 2 ist jeweils auf einer linken Seite einer nicht bezifferten, strichpunktierten Mittelachse eine erfindungsgemäße Ausgestaltung dargestellt und rechts der Mittelachse eine Injektorspitze gemäß dem Stand der Technik (S. d. T.).In the Figures 1 and 2 an embodiment of the invention is shown in each case on a left side of an unnumbered, dot-dashed central axis and right of the central axis of an injector tip according to the prior art (S. d.

Figur 1 zeigt einen Schnitt durch eine Spitze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1. Der Kraftstoffinjektor 1 ist für eine Einspritzung von Kraftstoff, vorzugsweise Benzin, direkt in einen nicht dargestellten Zylinder einer Brennkraftmaschine vorgesehen, mit einem Injektorgehäuse 2 an dessen, in einem eingebauten Zustand dem Zylinder zugewandten Ende ein Spritzloch 3 angeordnet ist, zum Einbringen des Kraftstoffs in den Zylinder, wobei das Spritzloch 3 von einem in dem Injektorgehäuse 2 angeordneten, von einem nicht dargestellten Stellelement (z. B. Piezo- oder Magnet-Aktor), lageveränderbarem Ventilelement 4 über einen Dichtsitz 5 schließbar ist, wobei das Spritzloch 3 von Kraftstoff durchströmt ist, wenn das Ventilelement 4 in einer zylinderfernen Lage ist. Erfindungsgemäß ist in einem Bereich des Dichtsitzes 5 in dem Ventilelement 4 und/oder in dem Injektorgehäuse 2 eine Elastizität eingebracht. FIG. 1 shows a section through a tip of a fuel injector according to the invention 1. The fuel injector 1 is for an injection of fuel, preferably Gasoline, provided directly in a cylinder of an internal combustion engine, not shown, with an injector 2 at the, in an installed state facing the cylinder end an injection hole 3 is arranged for introducing the fuel into the cylinder, wherein the injection hole 3 of a in the injector 2, by a non-illustrated adjusting element (eg., Piezo or magnetic actuator), variable position valve element 4 via a sealing seat 5 is closed, wherein the injection hole 3 is traversed by fuel when the valve element 4 is in a remote cylinder position. According to the invention, an elasticity is introduced in a region of the sealing seat 5 in the valve element 4 and / or in the injector housing 2.

Erfindungsgemäß ist die Elastizität durch eine Materialschwächung erzeugt. Beispielsweise ist die Materialschwächung durch eine außen radial umlaufende Ringnut 6 in dem Injektorgehäuse 2 erzeugt.According to the invention, the elasticity is generated by a material weakening. For example, the material weakening is generated by an outer radial circumferential annular groove 6 in the injector 2.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine Spitze eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1 für ein zweites Beispiel. Der Gegenstand in Figur 2 unterscheidet sich vom Gegenstand in Figur 1 dadurch, dass die Elastizität durch eine Materialschwächung durch eine radial außen umlaufende Ringnut 6 in dem Ventilelement 4 erzeugt ist. FIG. 2 shows a section through a tip of a fuel injector 1 according to the invention for a second example. The object in FIG. 2 is different from the object in FIG. 1 in that the elasticity is generated by a material weakening by a radially outer circumferential annular groove 6 in the valve element 4.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches figürlich nicht dargestellt ist, kann die Elastizität auch durch einen weicheren Werkstoff in dem Injektorgehäuse 2 und/oder in dem Ventilelement 4 im Bereich des Dichtsitzes 5 erzeugt sein.In a further preferred embodiment, which is not shown figuratively, the elasticity can also be generated by a softer material in the injector housing 2 and / or in the valve element 4 in the region of the sealing seat 5.

Bevorzugt befindet sich stromabwärts des Dichtsitzes 5 zwischen dem Injektorgehäuse 2 und dem Ventilelement 4 ein Totvolumen 8, durch welches das Rücksaugen des Kraftstoffs aus dem Spritzloch 3 unterstützt wird.Preferably, downstream of the sealing seat 5 between the injector housing 2 and the valve element 4 there is a dead volume 8, by which the sucking back of the fuel from the injection hole 3 is assisted.

Erfindungsgemäß wird ein Rückfedern des Ventilelements 4 in geschlossenem Zustand von dem nicht dargestellten Stellelement (Piezo- oder Magnet-Aktor) unterstützt. Dies ist in Figur 3 anhand zwei Diagrammen anhand des Standes der Technik und gemäß der Erfindung näher erläutert.According to the invention, springback of the valve element 4 in the closed state is assisted by the actuating element (piezo or magnetic actuator), not shown. This is in FIG. 3 explained in more detail with reference to two diagrams based on the prior art and according to the invention.

Figur 3 zeigt in einem Diagramm eine Bestromung des Stellelementes, in diesem Fall ein Magnet-Aktor, eines Kraftstoffinjektors 1 gem. dem Stand der Technik und einem zweiten Diagramm eine Bestromung des Stellelementes des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 1. FIG. 3 shows in a diagram energization of the control element, in this case, a solenoid actuator, a fuel injector 1 gem. the prior art and a second diagram energization of the control element of the fuel injector 1 according to the invention.

Über eine y-Achse ist jeweils ein Bestromungsstrom I (t) für das Stellelement und über eine x-Achse ist die Zeit t dargestellt. Direkt auf der Zeitachse x ist das Stellelement unbestromt (I = 0), SOI bedeutet "start of injection" (Start der Einspritzung), EOI bedeutet "end of injection" (Ende der Einspritzung). Durch Bestromen des Stellelements zum Zeitpunkt SOI wird das Ventilelement 4 von seinem Sitz abgehoben und der Kraftstoff tritt durch Spritzloch 3 in den Brennraum ein. Ab dem Zeitpunkt EOI ist das Stellelement unbestromt und das Ventilelement 4 verschließt wieder das Spritzloch 3. Dies entspricht im oberen Diagramm dem bekannten Stand der Technik.In each case, a current flow I (t) for the actuating element is shown via a y-axis, and the time t is shown over an x-axis. Directly on the time axis x, the actuator is de-energized (I = 0), SOI means "start of injection", EOI means "end of injection". By energizing the control element at the time SOI, the valve element 4 is lifted from its seat and the fuel enters through injection hole 3 in the combustion chamber. From the time EOI the actuator is de-energized and the valve element 4 again closes the spray hole 3. This corresponds to the prior art in the upper diagram.

Im zweiten Diagramm, unten, ist dieser Sachverhalt, nochmal verdeutlicht, jedoch ist auch eine Entlastung des Ventilelements 4 durch ein zeitlich nachgelagertes Bestromen des Stellelementes 4 dargestellt. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Stellelement 4 nach EOI für einen definierten Zeitraum nochmals ein wenig bestromt, wodurch das Ventilelement 4 eine Entlastung zum Rücksaugen des Kraftstoffs aus dem Spritzloch 3 erfährt, ohne dass das Ventilelement 4 von dem Dichtsitz 5 abhebt und Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird.In the second diagram, below, this fact is again clarified, but also a relief of the valve element 4 is shown by a temporally downstream energizing the control element 4. In this embodiment of the invention, the control element 4 EOI for a defined period of time again energized a little, whereby the valve element 4 a relief for sucking the fuel from the injection hole 3 learns without the valve element 4 lifts from the sealing seat 5 and fuel into the cylinder is injected.

Es wird somit erfindungsgemäß eine, durch einen elastisch gestalteten Dichtbereich 5 leicht federnd gelagerte Nadelspitze 4 in der Kraftstoffdüse 2 vorgeschlagen. Beispielsweise durch eine elastisch gestaltete Nadelspitze 4, durch gegebenenfalls eine umlaufende Rille, die der Nadelspitze 4 die Funktion eines, im weitesten Sinne eines Federtellers gibt oder eine geeignete Materialpaarung (partiell weicheres Material) für die Nadelspitze 4 und/oder die Kraftstoffdüse 2 im Bereich des Dichtbereichs 5.It is thus proposed according to the invention one, by a resiliently shaped sealing region 5 slightly spring-mounted needle tip 4 in the fuel nozzle 2. For example, by an elastically designed needle tip 4, possibly by a circumferential groove, which gives the needle tip 4 the function of a, in the broadest sense of a spring plate or a suitable material pairing (partially softer material) for the needle tip 4 and / or the fuel nozzle 2 in the region of Sealing area 5.

Ebenfalls ist eine elektrische Ansteuerung des Stellelementes dahingehend denkbar, dass im Augenblick des Schließens der Nadelspitze 4 eine höhere Schließkraft auf die Nadelspitze 4 wirkt als in den daran anschließenden Zeitbereich im geschlossenen Zustand (Figur 3, unten). Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Nadel 4 nach Beendigung des Durchflusses des Kraftstoffes sich leicht zurückbewegt und dadurch - ohne den Durchfluss erneut freizugeben - das Totvolumen 8 zwischen dem Dichtbereich 5 und dem Spritzloch 3 wieder etwas vergrößert. Somit wird durch die Erfindung in den Spritzlöchern 3 der Kraftstoff etwas zurückgesaugt, wodurch mindestens ein negativer Meniskus im Spritzloch 3 entsteht. Es kann auch so weit gehen, dass das Spritzloch oder die Spritzlöcher 3 teilweise von Kraftstoff entleert werden. Dadurch kann kein Kraftstoff aus dem Spritzloch 3 auf die Oberfläche der Kraftstoffdüse 2 gelangen und dort verkoken oder verbrennen.An electrical control of the actuating element is also conceivable in that at the moment of closing the needle tip 4 a higher closing force acts on the needle tip 4 than in the adjoining time range in the closed state ( FIG. 3 , below). Essential to the invention is that the needle 4 after the completion of the flow of the fuel easily moved back and thereby - without releasing the flow again - the dead volume 8 between the sealing region 5 and the injection hole 3 again increases slightly. Thus, the fuel is sucked back slightly by the invention in the spray holes 3, whereby at least one negative meniscus in the spray hole 3 is formed. It can also go so far that the injection hole or the injection holes 3 are partially emptied of fuel. As a result, no fuel from the injection hole 3 can reach the surface of the fuel nozzle 2 and coke or burn there.

Mit dieser erfindungsgemäßen Maßnahme können die zukünftigen Emissionsgesetze leichter erfüllt werden ohne gegebenenfalls teure Zusatzmaßnahmen.With this measure according to the invention, the future emission laws can be met more easily without possibly expensive additional measures.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

1. Fuel injector
2. Injector housing
3rd spray hole
4. Valve element
5. sealing seat
6. annular groove
7th raised area
8. Dead volume

Claims

A fuel injector (1) for injecting fuel directly into a cylinder of an internal combustion engine, with an injector housing (2) on the end of which which in an installed state faces the cylinder an injection hole (3) is arranged, for introducing the fuel into the cylinder, wherein the injection hole (3) can be closed by a valve element (4), which is arranged in the injector housing (2) and the position of which can be changed by an actuating element, by means of a sealing seat (5), wherein fuel can flow through the injection hole (3) if the valve element (4) is in a position remote from the cylinder, wherein elasticity is introduced in a region of the sealing seat (5) in the valve element (4) and/or the injector housing (2), which elasticity is produced by a weakening of the material, wherein the weakening of the material is produced by an annular groove (6) in the injector housing (2) and/or in the valve element (4),
characterised in that springing-back of the valve element (4) in the closed state is supported by the actuating element by passing current through the actuating element.
A fuel injector according to Claim 1,
characterised in that there is a dead volume downstream from the sealing seat (5) between the injector housing (2) and the valve element (4).