EP2529101B1 - Einspritzvorrichtung mit reduzierten druckschwingungen - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an injection device with reduced pressure oscillations during the injection process.
- Injection devices are known from the prior art in different configurations.
- the known injection devices have a valve element which can be actuated by an actuator, for example a valve needle, which opens an injection hole for an injection and closes it again after an injection.
- an actuator for example a valve needle
- the valve When the valve is opened, the fuel begins to flow out, so that the pressure drops in the area of the valve seat. Since the remaining fuel quantity in the injection device is initially still at a higher pressure level at rest, this pressure drop continues in the form of a pressure wave upstream through the fuel supply path. This pressure wave is reflected on changes in cross-section or projections and a pressure wave system is formed within the valve.
- a device with at least one pressure accumulator, which is connected to an injector via a high pressure line is already known. It is provided that parallel to the high pressure line a resonance line connecting the injector to the pressure accumulator is provided, which has a resonance throttle at the inlet to the pressure accumulator, the length of the resonance line being matched to the length of the high pressure line so that pressure oscillations induced by the injector mutually weaken or extinguish.
- the high pressure line and the resonance line can be designed as bores in the housing of a storage injector.
- an injection device for injecting a medium comprising a medium supply path through which medium can be supplied, an injector and a throttle which is arranged in the medium supply path, is already known.
- a distance of the throttle from the injection hole along the medium path has a length which corresponds to a wavelength of a natural frequency of the injection device in the case of the third harmonic.
- the throttle is arranged on the shaft belly of the standing speed wave.
- the invention is based on the object of creating an injection device which is designed to be very compact and at the same time has a high metering accuracy and in which the development of noise is reduced in a particularly effective manner.
- the injection device according to the invention for injecting a medium with the features of claim 1 has the advantage that undesirable pressure waves in the system are attenuated to the greatest possible extent, so that no adverse effects on the metering accuracy occur and no undesirable noise generation occurs. In this way, according to the invention, fluctuations in the injection rate as well as undesired temporal changes in the spray geometry during the injection can be avoided.
- the injection device has a Having throttle, wherein a distance of the throttle from an injection hole of the injection device along a medium path has a length which corresponds to a wavelength of a natural frequency of the injection device.
- a natural frequency of the injection device is thus determined and the throttle is then positioned in the medium path in such a way that the distance between the throttle and the injection hole corresponds to the wavelength of the natural frequency. In this way, excellent damping can be achieved, so that the pressure waves that arise when the injection device is opened do not have any negative effects, in particular with regard to metering accuracy and noise emissions.
- the throttle is arranged in the injector of the injection device.
- the structure of the injection device is such that the injection device has a natural frequency such that the throttle is arranged in the injector of the injection device.
- the throttle is provided as a separate component.
- the throttle is integrated into a component of the medium path, e.g. a housing component. This allows the number of components to be reduced.
- the throttle is further preferably designed in such a way that the throttle has a ratio of length to passage diameter L / D of preferably 0.01 to 100, preferably 1 to 5 and particularly preferably 2 to 3.
- the passage diameter is the minimum passage cross section of the throttle. In particular, when the ratio of length to passage diameter is between 2 and 3, excellent damping can be achieved.
- the throttle is designed symmetrically to a central axis and / or symmetrically to a plane perpendicular to the central axis. This geometric shape also provides a high level of damping.
- the throttle has a wide bevel on the inlet side and the outlet side. In this way, a favorable flow through the throttle can be achieved.
- the chamfers on the inlet side and the outlet side are conical and more preferably have the same design.
- the medium supply path is preferably designed to be essentially straight between the spray hole and the throttle.
- the term “essentially straight” is understood to mean a medium path whose flow direction does not change or changes only minimally. The medium path thus has no major flow deflections. With this form of the medium supply path, which is as straight as possible, between the spray hole and the throttle, excellent damping can be achieved.
- the injection device according to the invention can be used in various applications, for example direct injection or port injection. Furthermore, the injection device according to the invention is also independent of the medium and can be used both for diesel and gasoline or in exhaust gas aftertreatment, for. B. the additional water injection for No x - reduction in large diesels, etc. can be used. In addition, a shape of the valve element of the injection device can be freely selected and is, for example, a valve needle or a valve ball.
- the injection device 1 comprises an injector 5 (injection valve) which is connected to a pump 7 via a rail 6.
- a continuous fuel path 2 is provided from the pump to an injection port 3 on the injector 5.
- a spray 8 emerges from the spray hole 3.
- the injection device 1 further comprises a throttle 4 which is arranged in the fuel path 2.
- the throttle 4 is arranged at a position in the fuel path in such a way that corresponds to a wavelength of a natural frequency of the injection device 1.
- a distance from the injection port 3 to the throttle 4 is in Figure 1 marked with the reference number 9.
- a natural frequency of the entire injection device 1 is thus first determined and its wavelength is determined.
- the throttle 4 is arranged in the fuel path at a position which corresponds to the wavelength of the natural frequency. In this way, vibrations which arise as a result of the opening of the injection port 3 can be effectively damped.
- the throttle 4 is arranged in the injector 5.
- an operating state of the injection device is selected which corresponds to the later operating conditions.
- the injection device is to be used, for example, for a diesel vehicle, a standardized diesel fuel is used and a temperature of the fuel that is customary during operation is established and the natural frequency of the injection device is then determined at this temperature.
- the near-operational state of the injection device is simulated, so that the throttle can be arranged in the correct position in the fuel supply path 2.
- the positioning of the throttle is therefore carried out separately for different types of fuel as well as for different purposes, ie for different vehicle types.
- the throttle is preferably installed in this way in the injector arranged so that their position can be easily changed and then fixed in the correct position. This can be realized, for example, by providing a sleeve in which the throttle is arranged displaceably. When the throttle is then arranged in the corresponding position, it can be fixed, for example by means of welding.
- FIG. 2 shows a sectional view of the throttle 4.
- the throttle 4 is designed both symmetrically to a central axis XX and symmetrically to a plane E which is perpendicular to the central axis XX.
- the arrows in Figure 2 indicate the direction of flow.
- a wide bevel 10 or 11 is formed both on the inlet side and on the outlet side, which allow a flow-favorable flow through the throttle 4.
- the bevels 10, 11 are conical and have the same geometry.
- the idea of positioning the throttle as a function of the natural frequency of the system is thus taken up for the first time.
- This surprisingly results in excellent damping properties, so that the injection devices according to the invention achieve excellent operating results with regard to metering accuracy and noise behavior with only little additional expenditure.
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung mit reduzierten Druckschwingungen während des Einspritzvorgangs.
- Einspritzvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Die bekannten Einspritzvorrichtungen weisen ein von einem Aktor betätigbares Ventilelement, z.B. eine Ventilnadel, auf, welches ein Einspritzloch für eine Einspritzung freigibt und nach einer Einspritzung wieder verschließt. Aufgrund von hierbei auftretenden Druckschwingungen im Kraftstoff können sich Ungenauigkeiten bei der Kraftstoffzumessung ergeben und ferner können unerwünschte Geräusche auftreten. Beim Öffnen des Ventils beginnt der Kraftstoff auszuströmen, so dass der Druck im Bereich des Ventilsitzes abfällt. Da sich die restliche, in der Einspritzvorrichtung befindliche Kraftstoffmenge zunächst noch auf einem höheren Druckniveau in Ruhe befindet, setzt sich dieser Druckeinbruch in Form einer Druckwelle stromaufwärts durch den Kraftstoffzufuhrpfad fort. Diese Druckwelle wird an Querschnittsänderungen bzw. Vorsprüngen reflektiert und es bildet sich ein Druckwellensystem innerhalb des Ventils aus. Aufgrund dieser Druckschwingungen ändert sich somit auch ein Druckgefälle zwischen dem Ventilsitz und der Umgebung, z.B. dem Saugrohr oder Brennraum, als Funktion der Zeit. Dies führt bei einem voll geöffneten Ventil zu einer zeitlich nicht konstanten Einspritzrate, wodurch die Zumessgenauigkeit verschlechtert wird. Weiterhin können die Druckschwingungen auch nachteiligen Einfluss auf die Geometrie des Kraftstoffsprays sowie die Tropfendurchmesser des Sprays haben. Darüber hinaus können aufgrund der Druckschwankungen im Kraftstoffspray fettere und magerere Zonen entstehen, wodurch die Verbrennung und auch das Abgasverhalten verschlechtert werden können. Neben den Problemen mit der Zumessgenauigkeit führen die Druckschwingungen auch zu unerwünschten Geräuschen und können auf Dauer Schädigungen der Bauteile hervorrufen. Von daher wäre es wünschenswert, eine Einspritzvorrichtung zu haben, welche höchste Anforderungen an eine Zumessgenauigkeit und ein Geräuschverhalten aufweist.
- Aus der
WO 2007/012092 A1 ist bereits eine Vorrichtung mit zumindest einem Druckspeicher, welcher über eine Hochdruckleitung mit einem Injektor verbunden ist, bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass parallel zur Hochdruckleitung eine den Injektor mit dem Druckspeicher verbindende Resonanzleitung vorgesehen ist, welche am Eintritt in den Druckspeicher eine Resonanzdrossel aufweist, wobei die Länge der Resonanzleitung auf die Länge der Hochdruckleitung abgestimmt ist, so dass sich vom Injektor induzierte Druckschwingungen gegenseitig abschwächen oder auslöschen. Die Hochdruckleitung und die Resonanzleitung können als Bohrungen im Gehäuse eines Speicherinjektors ausgeführt sein. - Aus der
EP 1 403 510 A1 ist bereits eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Mediums, umfassend einen Mediumzufuhrpfad, durch welches Medium zuführbar ist, einen Injektor und eine Drossel, welche im Mediumzufuhrpfad angeordnet ist, bekannt. Eine Entfernung der Drossel vom Spritzloch entlang des Mediumpfades weist dabei eine Länge auf, welche einer Wellenlänge einer Eigenfrequenz der Einspritzvorrichtung im Fall der dritten Oberschwingung entspricht. Die Drossel ist am Wellenbauch der stehenden Geschwindigkeitswelle angeordnet. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzvorrichtung zu schaffen, die sehr kompakt ausgestaltet ist und dabei eine hohe Zumessgenauigkeit besitzt und bei der die Geräuschentwicklung in besonders wirksamer Weise reduziert ist. Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass unerwünschte Druckwellen im System in höchstem Maße gedämpft werden, so dass keine nachteiligen Auswirkungen auf die Zumessgenauigkeit auftreten und keine unerwünschte Geräuschentwicklung auftritt. Somit können erfindungsgemäß Schwankungen der Einspritzrate sowie auch unerwünschte zeitliche Veränderungen der Spraygeometrie bei der Einspritzung vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Einspritzvorrichtung eine Drossel aufweist, wobei eine Entfernung der Drossel von einem Spritzloch der Einspritzvorrichtung entlang eines Mediumpfades eine Länge aufweist, welche einer Wellenlänge einer Eigenfrequenz der Einspritzvorrichtung entspricht. Erfindungsgemäß wird somit eine Eigenfrequenz der Einspritzvorrichtung bestimmt und dann die Drossel derart im Mediumpfad positioniert, dass die Entfernung der Drossel zum Spritzloch der Wellenlänge der Eigenfrequenz entspricht. Hierdurch kann eine exzellente Dämpfung erreicht werden, so dass die beim Öffnen der Einspritzvorrichtung entstehenden Druckwellen keine negativen Auswirkungen insbesondere hinsichtlich Zumessgenauigkeit und Geräuschemission aufweisen.
- Erfindungsgemäß ist die Drossel im Injektor der Einspritzvorrichtung angeordnet. Hierbei ist der Aufbau der Einspritzvorrichtung so, dass die Einspritzvorrichtung eine Eigenfrequenz derart aufweist, dass die Drossel im Injektor der Einspritzvorrichtung angeordnet ist.
- Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
- Um eine möglichst einfache Herstellbarkeit der Drossel zu ermöglichen, ist die Drossel als separates Bauteil vorgesehen.
- Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Drossel in ein Bauteil des Mediumpfades integriert, z.B. ein Gehäusebauteil. Hierdurch kann die Bauteileanzahl reduziert werden.
- Weiter bevorzugt ist die Drossel derart ausgebildet, dass die Drossel ein Verhältnis von Länge zu Durchtrittsdurchmesser L/D von vorzugsweise 0,01 bis 100, bevorzugterweise 1 bis 5 und besonders bevorzugt 2 bis 3 aufweist. Der Durchtrittsdurchmesser ist dabei der minimale Durchtrittsquerschnitt der Drossel. Insbesondere wenn das Verhältnis von Länge zu Durchtrittsdurchmesser zwischen 2 und 3 liegt, kann eine exzellente Dämpfung erreicht werden.
- Weiter bevorzugt ist die Drossel symmetrisch zu einer Mittelachse und/oder symmetrisch zu einer Ebene senkrecht zu der Mittelachse ausgebildet. Diese geometrische Form stellt ebenfalls eine hohe Dämpfung bereit.
- Weiter bevorzugt weist die Drossel an der Einlaufseite und der Auslaufseite eine breite Fase auf. Hierdurch kann ein strömungsgünstiges Durchströmen der Drossel erreicht werden. Besonders bevorzugt sind dabei die Fasen an der Einlaufseite und der Auslaufseite konisch und weiter bevorzugt gleich ausgebildet.
- Um möglichst wenig Querschnittssprünge im Mediumzufuhrpfad aufzuweisen, ist der Mediumzufuhrpfad vorzugsweise zwischen dem Spritzloch und der Drossel im Wesentlichen geradlinig ausgebildet. Erfindungsgemäß wird unter dem Begriff "im Wesentlichen geradlinig" dabei ein Mediumpfad verstanden, dessen Strömungsrichtung sich nicht oder nur minimal ändert. Der Mediumpfad weist somit keine großen Strömungsumlenkungen auf. Bei dieser möglichst geradlinigen Form des Mediumzufuhrpfades zwischen dem Spritzloch und der Drossel kann eine exzellente Dämpfung erreicht werden.
- Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung kann dabei bei verschiedenen Anwendungen, beispielsweise einer Direkteinspritzung oder einer Kanaleinspritzung verwendet werden. Ferner ist die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung auch unabhängig vom Medium und kann sowohl für Diesel als auch Benzin oder bei der Abgasnachbehandlung z. B. der zusätzlichen Wassereinspritzung zur Nox- Senkung bei Großdieseln, etc. eingesetzt werden. Darüber hinaus kann eine Form des Ventilelements der Einspritzvorrichtung frei gewählt werden und ist beispielsweise eine Ventilnadel oder eine Ventilkugel.
- Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- Figur 1
- eine schematische Darstellung einer Einspritzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- Figur 2
- eine schematische Schnittansicht einer Drossel der Einspritzvorrichtung von
Figur 1 . -
- Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die
Figuren 1 und 2 eine Einspritzvorrichtung 1 zur Kraftstoffeinspritzung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. - Wie aus
Figur 1 ersichtlich ist, umfasst die Einspritzvorrichtung 1 einen Injektor 5 (Einspritzventil), welcher über ein Rail 6 mit einer Pumpe 7 verbunden ist. Von der Pumpe bis zu einem Spritzloch 3 am Injektor 5 ist ein durchgehender Kraftstoffpfad 2 vorgesehen. Bei geöffnetem Ventil tritt ein Spray 8 aus dem Spritzloch 3 aus. Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung 1 eine Drossel 4, welche im Kraftstoffpfad 2 angeordnet ist. - Die Drossel 4 ist dabei an einer Position im Kraftstoffpfad derart angeordnet, welche einer Wellenlänge einer Eigenfrequenz der Einspritzvorrichtung 1 entspricht. Eine Entfernung vom Spritzloch 3 zur Drossel 4 ist in
Figur 1 mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet. Zur Bestimmung der Position der Drossel wird somit zuerst eine Eigenfrequenz der gesamten Einspritzvorrichtung 1 bestimmt und deren Wellenlänge ermittelt. Dann wird die Drossel 4 im Kraftstoffpfad an einer Position angeordnet, welche der Wellenlänge der Eigenfrequenz entspricht. Hierdurch können Schwingungen, welche durch das Öffnen des Spritzlochs 3 entstehen, wirksam gedämpft werden. In diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist die Drossel 4 im Injektor 5 angeordnet. Bei der Bestimmung der Eigenfrequenz der Einspritzvorrichtung 1 wird dabei ein Betriebszustand der Einspritzvorrichtung gewählt, welcher den späteren Einsatzbedingungen entspricht. Wenn die Einspritzvorrichtung beispielsweise für ein Dieselfahrzeug eingesetzt werden soll, wird ein standardisierter Dieselkraftstoff verwendet und eine im Betrieb übliche Temperatur des Kraftstoffs festgelegt und dann die Eigenfrequenz der Einspritzvorrichtung bei dieser Temperatur bestimmt. Hierdurch wird bei der Bestimmung der Eigenfrequenz der betriebsnahe Zustand der Einspritzvorrichtung simuliert, so dass die Drossel an die richtige Position im Kraftstoffzufuhrpfad 2 angeordnet werden kann. Die Positionierung der Drossel wird somit für verschiedene Kraftstoffarten als auch für verschiedene Einsatzzwecke, d.h. für verschiedene Fahrzeugtypen, jeweils separat ausgeführt. Um hierbei einen möglichst standardisierten Injektor verwenden zu können, wird vorzugsweise die Drossel derart im Injektor angeordnet, dass ihre Position leicht veränderbar ist und dann an der richtigen Position fixiert werden kann. Dies kann beispielsweise durch Vorsehen einer Hülse, in welcher die Drossel verschiebbar angeordnet ist, realisiert werden. Wenn die Drossel dann an der entsprechenden Position angeordnet ist, kann diese beispielsweise mittels Schweißen, fixiert werden. -
Figur 2 zeigt eine Schnittansicht der Drossel 4. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Drossel 4 sowohl symmetrisch zu einer Mittelachse X-X als auch symmetrisch zu einer Ebene E, welche senkrecht zur Mittelachse X-X ist, ausgebildet. Die Pfeile inFigur 2 geben dabei die Durchströmungsrichtung an. Hierbei ist sowohl an der Einlaufseite als auch an der Auslaufseite eine breite Fase 10 bzw. 11 ausgebildet, welche eine strömungsgünstige Durchströmung der Drossel 4 ermöglichen. Die Fasen 10, 11 sind dabei konisch und mit gleicher Geometrie ausgebildet. - Erfindungsgemäß wird somit zum ersten Mal die Idee aufgenommen, die Positionierung der Drossel in Abhängigkeit von der Eigenfrequenz des Systems vorzunehmen. Hierdurch ergeben sich überraschenderweise exzellente Dämpfungseigenschaften, so dass die erfindungsgemäßen Einspritzvorrichtungen bei nur geringem zusätzlichem Kostenaufwand hervorragende Betriebsergebnisse hinsichtlich Zumessgenauigkeit und Geräuschverhalten erzielen.
Claims (7)
- Einspritzvorrichtung zur Einspritzung eines Mediums, umfassend- einen Mediumzufuhrpfad (2), durch welches Medium zuführbar ist,- einen Injektor (5) mit einem Spritzloch (3), aus welchem das zugeführte Medium ausgespritzt wird,- ein Ventilelement, welches mittels eines Aktors bewegbar ist, um das Spritzloch (3) freizugeben und zu verschließen, und- eine Drossel (4), welche im Mediumzufuhrpfad (2) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet,
dass eine Entfernung (9) der Drossel (4) vom Spritzloch (3) entlang des Mediumpfades (2) eine Länge aufweist, welche einer Wellenlänge einer Eigenfrequenz der Einspritzvorrichtung entspricht,
wobei die Drossel (4) im Injektor (5) angeordnet ist und
wobei die Entfernung (9) vom Spritzloch (3) zur Drossel (4) dabei größer ist als die Entfernung von der Drossel (4) zum Einlass des Injektors (5) und
wobei der Einlass des Injektors (5) mit einem Rail (6) als Teil des durchgehenden Mediumpfades (2) verbunden ist. - Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (4) ein separates Bauteil ist.
- Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (4) ein Verhältnis von Länge (L) zum Durchtrittsdurchmesser (D) aufweist, welches zwischen 2 und 3 liegt.
- Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (4) symmetrisch zu einer Mittelachse (X-X) und/oder zu einer Ebene (E) senkrecht zur Mittelachse (X-X) ausgebildet ist.
- Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel an einer Einlaufseite und einer Auslaufseite eine breite Fase (10, 11) aufweist.
- Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumzufuhrpfad (2) zwischen dem Spritzloch (3) und der Drossel (4) im Wesentlichen geradlinig verläuft.
- Verwendung einer Einspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Einspritzung von Kraftstoff oder Wasser zur Abgasnachbehandlung.
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