FR2878583A1

FR2878583A1 - Fuel injector nozzle for e.g. direct injection diesel engine of motor vehicle, has injection conduit with inner cylindrical wall against which liquid fuel boundary layer reseals, after passage of bump formed by convex portions

Info

Publication number: FR2878583A1
Application number: FR0412639A
Authority: FR
Inventors: Franck Levy; Nathalie Hilaire; Manuela Hennequin
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-02

Abstract

The nozzle has a nozzle body with an injection conduit having an inner cylindrical wall (31) and a circular cross section with two convex portions (33). A liquid fuel boundary layer reseals against the wall, after passage of a bump formed by the portions, so that fuel pressure is less than evaporating pressure, at a fuel temperature in the conduit to allow formation of gasified fuel pockets between the wall and layer. An independent claim is also included for a fuel injection harness for a motor vehicle engine, comprising multiple fuel injector nozzles.

Description

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BUSE D'INJECTION DE CARBURANT La présente invention concerne une buse d'injection de carburant pour un moteur de véhicule automobile. La présente invention concerne également une 5 rampe d'injection pour un moteur de véhicule automobile. The present invention relates to a fuel injection nozzle for a motor vehicle engine. The present invention also relates to an injection rail for a motor vehicle engine.

La sévérité des normes définissant le taux de pollution autorisé et la demande du marché pour des moteurs de plus en plus puissants obligent les constructeurs automobiles à concevoir des moteurs ayant de bonnes performances (puissance/couple), qui néanmoins ne produisent pas trop d'émissions polluantes (NO), et suies, notamment) et qui, de plus, ne soient pas trop bruyants. The severity of standards defining the permissible pollution rate and the market demand for increasingly powerful engines are forcing car manufacturers to design engines with good performance (power / torque), which nevertheless do not produce too much emissions. pollutants (NO), and soot, in particular) and which, moreover, are not too noisy.

La buse d'injection est une pièce destinée à l'injection du carburant, par exemple, du gazole, dans la chambre de combustion du moteur. Cette buse comporte un corps de buse perforé qui définit une cavité dans laquelle se déplace une aiguille formant piston. L'aiguille est pilotée par un dispositif électromagnétique ou piézoélectrique. Le corps de buse comporte une pluralité de conduits d'injection par lesquels le carburant contenu dans le corps de buse est injecté dans le moteur sous l'effet du déplacement de l'aiguille. Ces conduits d'injection débouchent dans la cavité du corps de buse au niveau d'orifices d'injection. The injection nozzle is a part intended for the injection of fuel, for example diesel, into the combustion chamber of the engine. This nozzle has a perforated nozzle body which defines a cavity in which a piston needle moves. The needle is driven by an electromagnetic or piezoelectric device. The nozzle body has a plurality of injection conduits through which the fuel contained in the nozzle body is injected into the engine by the movement of the needle. These injection ducts open into the cavity of the nozzle body at the level of injection orifices.

La tendance actuelle, afin d'améliorer les performances des moteurs, est d'accroître le débit hydraulique des buses tout en réduisant le diamètre des orifices des conduits d'injection et en augmentant le nombre de ces conduits. On obtient ainsi une meilleure pulvérisation du carburant dans le moteur et on réduit donc la formation des polluants. The current trend to improve engine performance is to increase the hydraulic flow of the nozzles while reducing the diameter of the orifices of the injection pipes and increasing the number of these conduits. This results in a better spray of fuel in the engine and thus reduces the formation of pollutants.

La pulvérisation est d'autant meilleure que les orifices des conduits ont une perméabilité accrue, par exemple, du fait d'un conduit de forme conique ou de la présence d'un arrondi au niveau de l'orifice du conduit, et sont de faible diamètre (de l'ordre de 100 à 120 m). Spraying is all the better as the orifices of the conduits have an increased permeability, for example because of a conically shaped duct or the presence of a rounded at the orifice of the duct, and are low diameter (of the order of 100 to 120 m).

Cependant, la Demanderesse a constaté que l'augmentation de la perméabilité des conduits d'injection de la buse ou la diminution du diamètre des conduits induit une réduction de l'intensité de la cavitation dans l'écoulement interne de la buse. Il s'ensuit qu'il y a parfois un encrassement des conduits d'injection de la buse. On observe alors, en sortie de la buse, voire 2878583 2 même parfois à l'intérieur des conduits d'injection, des dépôts de matières charbonneuses qui réduisent le débit hydraulique de la buse et donc les performances du moteur. However, the Applicant has found that the increase in the permeability of the injection ducts of the nozzle or the decrease in the diameter of the ducts induces a reduction in the intensity of the cavitation in the internal flow of the nozzle. It follows that there is sometimes a fouling of the injection ducts of the nozzle. Then, at the exit of the nozzle, even sometimes inside the injection pipes, there are deposits of carbonaceous materials which reduce the hydraulic flow of the nozzle and therefore the performance of the engine.

Le but de la présente invention est de proposer une buse d'injection de 5 carburant qui permet de réduire ou d'éviter le phénomène d'encrassement précité. The object of the present invention is to provide a fuel injection nozzle which makes it possible to reduce or avoid the aforementioned fouling phenomenon.

Ce but est atteint dans le cadre d'une buse d'injection de carburant dans un moteur de véhicule automobile, comprenant un corps de buse qui comprend une paroi formant une cavité dans laquelle est disposée une aiguille mobile formant piston, le corps de buse comportant au moins un conduit d'injection, présentant une surface interne globalement cylindrique et définissant un axe longitudinal, débouchant dans la cavité et traversant l'épaisseur de la paroi du corps de buse, de manière que le carburant contenu dans le corps de buse s'écoule hélicoïdalement dans le conduit d'injection et soit éjecté vers l'extérieur de ce dernier sous l'effet du déplacement de l'aiguille. Une telle buse peut être une buse de type dit VCO (en anglais, valve covered orifice , telle que décrite par exemple dans les documents US 5549121 ou EP 0 352 926 ou EP 2 460 326) , car la Demanderesse a découvert et confirmé par des simulations numériques, et ceci constitue en soi une partie de l'invention, que l'écoulement était hélicoïdal dans ces buses. De manière caractéristique, selon l'invention, la surface interne du conduit d'injection présente, au moins sur une portion de sa longueur, un relief au moins en partie longitudinal qui perturbe la couche limite du carburant, située au niveau de la surface interne, moyennant quoi la pression du carburant devient alors ponctuellement inférieure à sa pression d'évaporation à la température du carburant dans le conduit, et le carburant est donc partiellement vaporisé, augmentant ainsi la cavitation de l'écoulement du carburant dans le conduit d'injection et à l'extérieur de la buse d'injection. This object is achieved in the context of a fuel injection nozzle in a motor vehicle engine, comprising a nozzle body which comprises a wall forming a cavity in which is disposed a movable needle forming a piston, the nozzle body comprising at least one injection duct, having a generally cylindrical internal surface defining a longitudinal axis, opening into the cavity and passing through the thickness of the wall of the nozzle body, so that the fuel contained in the nozzle body flows helically into the injection pipe and is ejected towards the outside of the latter under the effect of the movement of the needle. Such a nozzle may be a so-called VCO type nozzle, as described for example in documents US Pat. No. 5,549,121 or EP 0,352,926 or EP 2,460,326, because the Applicant has discovered and confirmed by Numerical simulations, and this in itself constitutes a part of the invention, that the flow was helical in these nozzles. Characteristically, according to the invention, the internal surface of the injection duct has, at least over a portion of its length, a relief at least partly longitudinal which disrupts the boundary layer of the fuel, located at the inner surface. whereby the fuel pressure then becomes punctually lower than its evaporation pressure at the fuel temperature in the conduit, and the fuel is thus partially vaporized, thereby increasing the cavitation of fuel flow in the injection conduit and outside the injection nozzle.

La Demanderesse a en effet constaté qu'une proportion plus grande de carburant gazeux réparti dans l'écoulement de carburant liquide injecté vers la chambre de combustion du moteur permet d'éviter le phénomène d'encrassement précité. Le relief interne du conduit permet de plus de ne pas trop affaiblir la perméabilité du conduit ce qui ne nuit donc pas aux performances du moteur. The Applicant has indeed found that a larger proportion of gaseous fuel distributed in the flow of liquid fuel injected to the combustion chamber of the engine avoids the aforementioned fouling phenomenon. The internal relief of the conduit also allows not to weaken the permeability of the conduit which does not affect the performance of the engine.

2878583 3 D'autre part, le relief créé participe à l'augmentation de l'énergie turbulente (zone de recirculation, décollements puis recollements de la couche limite, cavitation) ce qui favorise le mélange carburant liquide-carburant gazeux, à la fois dans la buse et dans la chambre de combustion du moteur. On the other hand, the created relief contributes to the increase of turbulent energy (recirculation zone, delamination and then bonding of the boundary layer, cavitation) which promotes the mixture of liquid fuel and gaseous fuel, both in the nozzle and into the combustion chamber of the engine.

Selon l'invention, le relief peut s'étendre sur tout ou partie de la longueur du conduit, de manière continue ou discontinue. L'orientation du relief n'est pas limitée selon l'invention, du moment qu'elle conduit à perturber l'écoulement hélicoïdal du carburant dans le conduit. Ainsi, le relief peut être orienté longitudinalement sur la surface interne globalement cylindrique du conduit d'injection ce qui permet de réaliser facilement ce relief lors du perçage des conduits d'injection par électrodes ou par laser, par exemple. According to the invention, the relief may extend over all or part of the length of the conduit, continuously or discontinuously. The orientation of the relief is not limited according to the invention, as long as it leads to disrupt the helical flow of the fuel in the conduit. Thus, the relief may be oriented longitudinally on the generally cylindrical inner surface of the injection conduit which makes it easy to achieve this relief during the drilling of the injection pipes by electrodes or laser, for example.

Comme mentionné précédemment, la buse d'injection est conformée de manière que l'écoulement du carburant dans la cavité du corps de buse et dans le conduit d'injection soit sensiblement hélicoïdal. Un tel écoulement permet d'obtenir, avec des reliefs simples à usiner, l'effet désiré. As previously mentioned, the injection nozzle is shaped so that the flow of fuel into the cavity of the nozzle body and into the injection conduit is substantially helical. Such a flow makes it possible to obtain, with reliefs that are simple to machine, the desired effect.

Le conduit d'injection peut avoir une section circulaire, sensiblement circulaire, ovale ou similaire, sur toute sa longueur ou sur une portion ou plusieurs de sa longueur. La section circulaire est facile à usiner et permet d'avoir un changement brusque de relief ce qui favorise le phénomène de cavitation recherché. The injection conduit may have a circular, substantially circular, oval or similar section, along its entire length or over a portion or more of its length. The circular section is easy to machine and allows to have a sudden change of relief which favors the desired cavitation phenomenon.

Selon un premier mode de réalisation, le conduit d'injection présente, au moins sur une portion de sa longueur, une section qui comporte au moins une portion convexe formant, au niveau de la surface interne, au moins une bosse orientée vers l'intérieur du conduit d'injection. Cette portion convexe formant une aspérité orientée vers l'intérieur du conduit d'injection, permet de décoller localement la couche limite de carburant, :laquelle se recolle ensuite contre la paroi interne du conduit. Elle permet donc de vaporiser partiellement le carburant comme il le sera plus amplement expliqué dans la suite de la description. Par ailleurs, cette forme permet de ne pas trop diminuer le débit de carburant passant à travers le conduit d'injection afin de ne pas trop perturber les performances du moteur. According to a first embodiment, the injection conduit has, at least over a portion of its length, a section which comprises at least one convex portion forming, at the inner surface, at least one bump facing inwards injection duct. This convex portion forming an inwardly directed asperity of the injection conduit, allows the local layer to loosen the fuel boundary layer, which then collects against the inner wall of the conduit. It therefore makes it possible to partially vaporize the fuel as will be explained in more detail later in the description. Moreover, this shape makes it possible not to reduce too much the flow of fuel passing through the injection conduit so as not to disturb the performance of the engine too much.

Selon une première variante de ce mode de réalisation, le conduit d'injection présente, au moins sur une portion de sa longueur, une section qui comporte deux portions convexes, disposées face à face. According to a first variant of this embodiment, the injection duct has, at least over a portion of its length, a section which comprises two convex portions arranged face to face.

2878583 4 Selon une seconde variante de ce même mode de réalisation, le conduit d'injection présente, au moins sur une portion de sa longueur, une section qui comporte quatre portions convexes, disposées face à face, deux à deux. According to a second variant of this same embodiment, the injection conduit has, at least over a portion of its length, a section which comprises four convex portions, arranged face to face, two by two.

Selon un second mode de réalisation qui peut se combiner avec le mode de réalisation précité et l'une ou l'autre de ses variantes, le conduit d'injection présente au moins sur une portion de sa longueur, une section qui comporte au moins une portion concave, formant, au niveau de la surface interne du conduit d'injection, au moins un creux. According to a second embodiment which can be combined with the aforementioned embodiment and one or other of its variants, the injection duct has at least a portion of its length, a section which comprises at least one concave portion, forming, at the inner surface of the injection conduit, at least one hollow.

Selon une variante de ce seconde mode de réalisation, le conduit 10 présente, au moins sur une portion de sa longueur une section qui comporte au moins deux portions concaves disposées face à face. According to a variant of this second embodiment, the duct 10 has, at least over a portion of its length, a section which comprises at least two concave portions disposed face to face.

La présente invention concerne également une rampe d'injection de carburant pour un moteur de véhicule automobile qui comporte une pluralité de buses d'injection selon l'invention. The present invention also relates to a fuel injection ramp for a motor vehicle engine which comprises a plurality of injection nozzles according to the invention.

La présente invention, ses caractéristiques et les divers avantages qu'elle procure apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de trois exemples particuliers de réalisation de la présente invention, cités à titre d'exemples non limitatifs, et qui fait référence aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'une portion d'une buse d'injection; - les figures 2a, 2b et 2c de la figure 2, représentent chacune une vue en coupe transversale, respectivement, d'un premier, second et troisième mode de réalisation d'un conduit d'injection équipant une buse d'injection selon l'invention; et la figure 3 représente une vue en coupe schématique du phénomène obtenu par l'utilisation d'une buse selon l'invention. The present invention, its characteristics and the various advantages that it provides will appear better on reading the following description of three particular embodiments of the present invention, given by way of non-limiting examples, and which refers to the drawings. appended in which: - Figure 1 shows a longitudinal sectional view of a portion of an injection nozzle; FIGS. 2a, 2b and 2c of FIG. 2 each represent a cross-sectional view, respectively, of a first, second and third embodiment of an injection duct fitted to an injection nozzle according to FIG. invention; and Figure 3 shows a schematic sectional view of the phenomenon obtained by the use of a nozzle according to the invention.

En référence à la figure 1, la buse d'injection comporte un corps de buse 1 qui comprend une paroi 11 dont l'épaisseur e est traversée par deux conduits d'injection 3. A l'intérieur du corps de buse 1 se trouve une aiguille mobile 5 faisant office de piston. Lorsque:l'aiguille 5 se rapproche de la paroi interne du corps de buse, le carburant contenu dans le corps de buse 1 est éjecté à travers les conduits d'injection 3, vers la chambre de combustion du moteur, équipé de la buse d'injection de l'invention. La ligne hélicoïdale E représente 2878583 5 l'écoulement du carburant dans le corps de buse 1 et dans l'un des conduits d'injection 3. Referring to Figure 1, the injection nozzle comprises a nozzle body 1 which comprises a wall 11 whose thickness e is traversed by two injection pipes 3. Inside the nozzle body 1 is a moving needle 5 acting as a piston. When: the needle 5 approaches the inner wall of the nozzle body, the fuel contained in the nozzle body 1 is ejected through the injection pipes 3, to the combustion chamber of the engine, equipped with the nozzle of the nozzle injection of the invention. The helical line E represents the flow of fuel in the nozzle body 1 and in one of the injection conduits 3.

Sur la figure 2a, on constate que lorsque le conduit d'injection 3 a une section transversale circulaire qui présente deux portions convexes 33, diamétralement opposées, la couche limite de carburant circulant le long de la paroi 31 du conduit et représentée par les flèches F 1 et F2, est décollée en passant sur ces portions convexes 33 qui forment des bosses s'étendant vers l'intérieur du conduit d'injection 3. La couche limite se recolle ensuite contre la paroi interne 31 du conduit, après le passage de la bosse formée par la portion convexe 33. Il en résulte que ponctuellement, au niveau du sommet de la bosse, la pression du carburant est abaissée jusqu'à une valeur inférieure ou égale à la pression de vaporisation du carburant, à la température T, qui est la température du carburant dans le conduit d'injection 3. La pression du carburant étant inférieure à sa pression de vaporisation à la température T considérée, il y a formation de poches de carburant gazéifié 6 entre la paroi 31 du conduit d'injection 3 et la couche limite de carburant liquide. In FIG. 2a, it can be seen that when the injection duct 3 has a circular cross-section which has two convex portions 33, diametrically opposite, the fuel boundary layer circulating along the wall 31 of the duct and represented by the arrows F 1 and F2, is detached by passing on these convex portions 33 which form bumps extending inwardly of the injection conduit 3. The boundary layer is then stuck against the inner wall 31 of the conduit, after the passage of the bump formed by the convex portion 33. It follows that punctually, at the top of the bump, the fuel pressure is lowered to a value less than or equal to the vaporization pressure of the fuel, the temperature T, which is the temperature of the fuel in the injection pipe 3. Fuel pressure being lower than its vaporization pressure at the temperature T considered, there is formation of fuel pockets gasified 6 between the wall 31 of the injection pipe 3 and the liquid fuel boundary layer.

La figure 2a représente un second exemple de section du conduit d'injection 3 permettant d'obtenir une cavitation du carburant, par décollement de la couche limite. Dans ce second mode de réalisation, ce sont deux portions concaves 34, diamétralement opposées (la section du conduit étant circulaire) qui permettent d'obtenir le phénomène précité. Le phénomène de cavitation apparaît au niveau de ces portions concaves 34 qui forment des creux s'étendant vers l'extérieur du conduit d'injection 3. Ces creux se remplissent de carburant gazeux qui est ensuite entraîné par l'écoulement global du carburant dans le conduit d'injection 3. FIG. 2a shows a second exemplary section of the injection duct 3 making it possible to obtain a cavitation of the fuel, by detachment of the boundary layer. In this second embodiment, there are two concave portions 34, diametrically opposed (the section of the duct being circular) which make it possible to obtain the aforementioned phenomenon. The cavitation phenomenon appears at these concave portions 34 which form recesses extending outwardly of the injection duct 3. These cavities are filled with gaseous fuel which is then driven by the overall flow of the fuel into the fuel. injection pipe 3.

La figure 2c représente un troisième mode de réalisation du conduit d'injection 3. Selon ce mode de réalisation, la section circulaire du conduit d'injection 3 présente quatre portions convexes 35, diamétralement opposées deux à deux et également réparties sur le périmètre de la section. Ces portions concaves 35 forment des bosses à l'intérieur du conduit d'injection 3. Le phénomène de cavitation précité apparaît, la couche limite de carburant étant soulevée à chaque passage sur une bosse, comme décrit en référence à la figure 2a. L'augmentation du nombre de portions convexes permet d'augmenter la cavitation globale dans l'écoulement du carburant, dans les conduits d'injection 2878583 6 3 et à l'extérieur de ceux-ci, c'est-à-dire clans la chambre de combustion du moteur. FIG. 2c represents a third embodiment of the injection duct 3. According to this embodiment, the circular section of the injection duct 3 has four convex portions 35, diametrically opposite two by two and evenly distributed over the perimeter of the section. These concave portions 35 form bumps inside the injection duct 3. The aforementioned cavitation phenomenon appears, the fuel boundary layer being lifted with each passage on a bump, as described with reference to FIG. 2a. The increase in the number of convex portions makes it possible to increase the overall cavitation in the fuel flow, in the injection ducts 2878583 6 3 and outside thereof, that is to say in the combustion chamber of the engine.

La figure 3 schématise la formation d'une poche de carburant gazeux 6 dans l'écoulement de carburant. Cette poche de carburant gazeux 6 est ensuite entraînée par le flux de carburant et se retrouve dans la chambre de combustion du moteur sur lequel est fixée la buse d'injection de l'invention. Figure 3 schematizes the formation of a gaseous fuel pocket 6 in the fuel flow. This pocket of gaseous fuel 6 is then driven by the fuel flow and is found in the combustion chamber of the engine on which is fixed the injection nozzle of the invention.

Dans les exemples précités, les conduits d'injection ont une section circulaire et le relief s'étend sur toute la longueur du conduit pour des raisons de facilité de fabrication. Ainsi, les portions convexes et concaves forment respectivement et indépendamment les unes autres des nervures et des rainures rectilignes ou hélicoïdales s'étendant sur toute la longueur du conduit d'injection. Il est, de plus, possible selon l'invention d'avoir une buse d'injection qui comporte un relief du type bosse ou nervure sur une portion de sa longueur et un relief du type creux ou rainure sur la même portion et/ou sur une seconde portion contiguë ou non de la première portion. De même, tous les conduits d'injection présents sur la buse peuvent ne pas avoir le même relief interne en fonction de l'intensité de la cavitation que l'on veut obtenir dans la chambre de combustion du moteur. In the aforementioned examples, the injection ducts have a circular section and the relief extends over the entire length of the duct for reasons of ease of manufacture. Thus, the convex and concave portions form respectively and independently of each other ribs and rectilinear or helical grooves extending along the entire length of the injection conduit. It is also possible according to the invention to have an injection nozzle which comprises a relief of the bump or rib type over a portion of its length and a relief of the hollow type or groove on the same portion and / or on a second portion contiguous or not of the first portion. Similarly, all the injection ducts present on the nozzle may not have the same internal relief depending on the intensity of the cavitation that is to be obtained in the combustion chamber of the engine.

La buse d'injection et la rampe d'injection de l'invention peuvent équiper 20 un moteur diesel à injection directe. The injection nozzle and injection manifold of the invention can equip a direct injection diesel engine.

Claims

7 2878583 CLAIMS

A fuel injection nozzle in a motor vehicle engine comprising a nozzle body (1) which comprises a wall (11) forming a cavity in which is arranged a movable needle (5) forming a piston, said nozzle body ( 1) comprising at least one injection duct (3) having an inner surface (31) generally cylindrical and defining a longitudinal axis, said injection duct (3) opening into said cavity and passing through the thickness (e) of said wall (11) so that said fuel contained in said nozzle body (1) flows helically in the conduit and is ejected outwardly of said nozzle body (1), through said injection conduit (3), under the effect of the displacement of said needle (5), said injection nozzle being characterized in that said inner surface (31) of said injection duct (3) has, at least over a portion of its length, a relief at least partly longitudinal which disturbs the boundary layer e said fuel located at said inner surface, whereby the pressure of said fuel then becomes punctually lower than the evaporation pressure of said fuel at the fuel temperature in the conduit and said fuel is partially vaporized thereby increasing the cavitation of the fuel flowing said fuel into said injection pipe (3) and outside said injection nozzle.

2. Injection nozzle according to claim 1, characterized in that said relief is oriented longitudinally on said generally cylindrical inner surface (31) of said injection duct (3).

3. injection nozzle according to any one of claims 1 or 2, characterized in that said injection conduit (3) has, on at least a portion of its length, a substantially circular section.

4. Injection nozzle according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said injection conduit (3) has, at least over a portion of its length, a section which comprises at least one convex portion ( 33), forming, at said inner surface (31), at least one bump facing inwardly of said injection conduit (3).

5. Injection nozzle according to claim 4, characterized in that said injection duct (3) has, at least over a portion of its length, a section which comprises two convex portions (33) arranged opposite to face.

6. injection nozzle according to claim 5, characterized in that said injection conduit (3) has, at least over a portion of its length, a section which comprises four convex portions (35), arranged face to face, two by two.

7. Injection nozzle according to any one of claims 1 to 6, characterized in that said injection conduit (3) has at least a portion of its length, a section which comprises at least one concave portion (34). ) forming, at said inner surface (31), at least one hollow.

8. Injection nozzle according to claim 7, characterized in that said injection conduit (3) has, at least over a portion of its length, a section which comprises at least two concave portions (34) arranged face to face. .

9. A fuel injection rail for a motor vehicle engine characterized in that it comprises a plurality of injection nozzles according to any one of claims 1 to 8.