EP1548273B1 - Einspritzdüse zum Einspritzen eines Fluides - Google Patents

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EP1548273B1
EP1548273B1 EP04106720A EP04106720A EP1548273B1 EP 1548273 B1 EP1548273 B1 EP 1548273B1 EP 04106720 A EP04106720 A EP 04106720A EP 04106720 A EP04106720 A EP 04106720A EP 1548273 B1 EP1548273 B1 EP 1548273B1
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EP
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injection nozzle
hollow fiber
nozzle
injector
injecting
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Stefan Dr. Tudyka
Andreas Franz
Uwe Dr. Hartmann
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Mann and Hummel GmbH
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Mann and Hummel GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/18—Injection nozzles, e.g. having valve seats; Details of valve member seated ends, not otherwise provided for
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M61/00—Fuel-injectors not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00
    • F02M61/16—Details not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M61/02 - F02M61/14
    • F02M61/166—Selection of particular materials

Definitions

  • the invention relates to an injection nozzle for injecting a fluid according to the preamble of claim 1, as known for example from the publications JP 04 103871 A, JP 04 081568 A and EP 1 138 936 A.
  • the invention is based on the problem of forming an injector for injecting a fluid temperature resistant.
  • the injection nozzle according to the invention has a nozzle channel, which is formed as a ceramic hollow fiber.
  • the ceramic hollow fiber is characterized by a high temperature resistance, it is particularly resistant to thermal shock and also has a low creep behavior. These material properties of the ceramic hollow fiber distinguish these from conventional nozzle channels made of iron alloys.
  • the temperature resistance causes the ceramic hollow fiber does not or only very slightly expands or contracts with temperature fluctuations or temperature gradients and thus is subject to no or only insignificant temperature-induced changes in length.
  • the inner wall of the ceramic hollow fiber with a coating which is produced for example from organometallic sols.
  • the coating effects a sealing of the hollow fiber inner wall so that no fluid passes through the hollow fiber wall can pass through or can penetrate into the Hohlmaschinewandung.
  • the outlet opening of the hollow fiber terminates with the end face of the nozzle body, so that the outlet opening of the hollow fiber and the end face of the nozzle body lie in a common exit plane.
  • This embodiment has the advantage that the hollow-fiber nozzle channel is protected on the one hand inside the nozzle body and on the other hand, the fluid to be injected does not come directly into contact with the nozzle body.
  • the injector finds particular use in injecting fuel into the cylinder of an internal combustion engine. In addition, however, further applications come into consideration, both gaseous and liquid fluids are to be injected via the injection nozzle according to the invention. Fields of application are generally the automobile industry, in addition however also the combustion technology as well as the Spinnerei- and textile technology. The injector can also be used to selectively apply solder to printed circuit boards.
  • the Lötanphase may be punctiform or square shaped.
  • the hollow fiber nozzle or the hollow fiber nozzle cross-section must be designed geometrically.
  • nozzle body 2 of metal, for example of an iron alloy of the composition Fe13Cr1.3Si to Fe17Cr1.5Si.
  • a nozzle channel 3 is embedded, which is formed as a ceramic hollow fiber, which may be made of an inorganic material such as alumina, zirconia, silicon carbide or silicon oxide.
  • the hollow fiber 3 is rectilinear and has, for example, an outer diameter of at least 20-30 ⁇ m to about 1 or 2 mm and an inner diameter which is in the range between 20 ⁇ m and about 1 mm. Typically, the outer diameter is 1.2 mm and the inner diameter is 1 mm.
  • the outlet opening of the nozzle channel 3 terminates with the end face of the nozzle body 2, both the outlet opening and the end face lie in a common exit plane. 5
  • the inner wall of the nozzle channel may be provided with a coating which causes a smoothing and a sealing of the inner wall.
  • an alternative embodiment for an injection nozzle 1 is shown.
  • the nozzle body 2 of the injection nozzle two nozzle channels 3 are introduced, which are parallel and each formed as a ceramic hollow fiber, which are firmly embedded in the nozzle body 2.
  • the inner walls 4 of both nozzle channels 3 are coated.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Nozzles (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Einspritzdüse zum Einspritzen eines Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie beispielsweise aus den Druckschriften JP 04 103871 A, JP 04 081568 A und EP 1 138 936 A bekannt.
  • In der Druckschrift DE 41 37 914 A1 wird eine KraftstoffEinspritzdüse beschrieben, welche einen Düsenkörper und einen Düsenkanal umfasst, der in den Düsenkörper eingebettet ist und über den der einzuspritzende Kraftstoff zuzuführen ist. Der Mündungsbereich des Düsenkanals befindet sich in einer zurückgesetzten Ausnehmung im Düsenkörper, in die ein rohrförmiges Abschirmteil eingesetzt ist, das sich unmittelbar an den Düsenkanal anschließt, wobei die freie Stirnseite des Abschirmteiles über die Stirnseite des Düsenkörpers herausragt. Das Abschirmteil, das aus einem Keramikmaterial besteht, hat die Funktion, den Abbrennvorgang zu verbessern, indem ein Entzünden des Kraftstoffes nach dem Austritt aus dem Düsenkanal erst ermöglicht wird, wenn der Kraftstoffstrahl bereits in feine Tropfen aufgefächert ist. Das Abschirmteil soll insbesondere ein vorzeitiges Entzünden des Kraftstoffes verhindern, ein Entflammen ist erst nach dem Austritt aus dem Abschirmteil möglich.
  • Bei derartigen Einspritzdüsen ist auf eine hohe Temperaturbeständigkeit insbesondere des Düsenkanals zu achten, welcher erheblichen Temperaturschwankungen unterworfen ist und außerdem über seine Länge gesehen einen hohen Temperaturgradienten aufweisen kann. Diese Temperaturänderungen bzw. -unterschiede können zu Wärmespannungen in der Einspritzdüse führen. Außerdem kann ein unerwünschtes Kriechen im Bereich des Düsenkanals auftreten, wodurch sich die Einspritzgeometrie und damit auch das Einspritzverhalten verschlechtern kann.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Einspritzdüse zum Einspritzen eines Fluids temperaturbeständig auszubilden.
  • Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
  • Die erfindungsgemäße Einspritzdüse weist einen Düsenkanal auf, welcher als keramische Hohlfaser ausgebildet ist. Die keramische Hohlfaser zeichnet sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit aus, sie ist insbesondere thermoschockbeständig und besitzt außerdem ein geringes Kriechverhalten. Diese Materialeigenschaften der keramischen Hohlfaser zeichnen diese gegenüber herkömmlichen Düsenkanälen aus Eisenlegierungen aus. Die Temperaturbeständigkeit führt dazu, dass die keramische Hohlfaser sich bei Temperaturschwankungen bzw. Temperaturgradienten nicht oder nur sehr geringfügig dehnt bzw. zusammenzieht und somit keinen oder nur unwesentlichen temperaturbedingten Längenänderungen unterworfen ist.
  • Zur Reduzierung des Strömungswiderstandes kann es zweckmäßig sein, die Innenwandung der keramischen Hohlfaser mit einer Beschichtung zu versehen, welche beispielsweise aus metallorganischen Solen hergestellt wird. Hierdurch wird die erforderliche Glätte an der Innenwandung der Hohlfaser erreicht. Außerdem bewirkt die Beschichtung eine Versiegelung der Hohlfaser-Innenwandung, so dass kein Fluid durch die Hohlfaserwandung hindurchtreten kann bzw. in die Hohlfaserwandung eindringen kann.
  • Es ist sowohl möglich, lediglich eine einzige, keramische Hohlfaser als Düsenkanal einzusetzen, als auch eine Mehrzahl von Hohlfasern in einer einzigen Einspritzdüse vorzusehen, durch die das Fluid geführt und eingespritzt wird. Im Falle mehrerer Hohlfasern können diese entweder parallel oder aber winklig zueinander angeordnet sein, so dass insbesondere bei einem Einsatz der Einspritzdüse für das Einspritzen von Kraftstoff in die Brennräume von Brennkraftmaschinen eine gezielte Verteilung des Kraftstoffes innerhalb der Brennraumgeometrie durchführbar ist.
  • Zweckmäßig schließt die Austrittsöffnung der Hohlfaser mit der Stirnseite des Düsenkörpers ab, so dass die Austrittsöffnung der Hohlfaser und die Stirnseite des Düsenkörpers in einer gemeinsamen Austrittsebene liegen. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass der Hohlfaser-Düsenkanal einerseits innerhalb des Düsenkörpers geschützt liegt und andererseits das einzuspritzende Fluid nicht unmittelbar in Kontakt mit dem Düsenkörper gelangt.
  • Die Einspritzdüse findet insbesondere Verwendung beim Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder einer Brennkraftmaschine. Darüber hinaus kommen aber weitere Anwendungsmöglichkeiten in Betracht, wobei sowohl gasförmige als auch flüssige Fluide über die erfindungsgemäße Einspritzdüse einzuspritzen sind. Anwendungsbereiche sind allgemein der Automobilbau, darüber hinaus aber auch die Verbrennungstechnik sowie die Spinnerei- und Textiltechnik. Die Einspritzdüse kann auch dazu genutzt werden, um Lötzinn gezielt auf Leiterplatten aufzubringen. Die Lötanhäufungen können punktförmig oder quadratisch ausgeformt sein.
  • Entsprechend muss die Hohlfaserdüse bzw. der Hohlfaserdüsenquerschnitt geometrisch ausgestaltet sein.
  • Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
  • Fig. 1
    einen Schnitt durch eine Einspritzdüse mit einem als keramische Hohlfaser ausgebildeten Düsenkanal, welcher in einen metallischen Düsenkörper eingebettet ist,
    Fig. 2
    einen Schnitt durch eine Einspritzdüse in einer alternativen Ausführung, gemäß der zwei parallel verlaufende und als keramische Hohlfasern ausgebildete Düsenkanäle in einem Düsenkörper vorgesehen sind.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Einspritzdüse 1 besitzt einen Düsenkörper 2 aus Metall, beispielsweise aus einer Eisenlegierung der Zusammensetzung Fe13Cr1.3Si bis Fe17Cr1.5Si. In den Düsenkörper 2 ist ein Düsenkanal 3 eingebettet, welcher als keramische Hohlfaser ausgebildet ist, die aus einem anorganischen Material wie zum Beispiel Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid oder Siliziumoxid gefertigt sein kann. Die Hohlfaser 3 ist geradlinig ausgebildet und besitzt beispielsweise einen Außendurchmesser von mindestens 20 - 30 µm bis etwa 1 oder 2 mm und einen Innendurchmesser, der im Bereich zwischen 20 µm bis etwa 1 mm liegt. Typischerweise beträgt der Außendurchmesser 1.2 mm und der Innendurchmesser 1 mm. Die Austrittsöffnung des Düsenkanals 3 schließt mit der Stirnseite des Düsenkörpers 2 ab, sowohl die Austrittsöffnung als auch die Stirnseite liegen in einer gemeinsamen Austrittsebene 5.
  • Zur Verbesserung der Fließeigenschaften des durch den Düsenkanal 3 in der eingetragenen Pfeilrichtung zuzuführenden Kraftstoffes kann die Innenwandung des Düsenkanals mit einer Beschichtung versehen sein, welche eine Glättung sowie eine Versiegelung der Innenwandung bewirkt. Als Material für die Beschichtung der Innenwandung 4 kommen beispielsweise aus metallorganischen Solen hergestellte Metalloxide oder Keramiken in Betracht.
  • In Fig. 2 ist eine alternative Ausführung für eine Einspritzdüse 1 dargestellt. In den Düsenkörper 2 der Einspritzdüse sind zwei Düsenkanäle 3 eingebracht, welche parallel verlaufen und jeweils als keramische Hohlfaser ausgebildet sind, die in den Düsenkörper 2 fest eingebettet sind. Die Innenwandungen 4 beider Düsenkanäle 3 sind beschichtet. Auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 liegen die Austrittsöffnungen der Hohlfasern und die Stirnseite des Düsenkörpers in einer gemeinsamen Austrittsebene 5.
  • Grundsätzlich können auch mehr als zwei Düsenkanäle in einer Einspritzdüse vorgesehen sein, wobei sowohl die Möglichkeit besteht, sämtliche Düsenkanäle als keramische Hohlfasern auszubilden, als auch die Möglichkeit gegeben ist, nur eine oder einen Teil der Düsenkanäle als keramische Hohlfasern und die übrigen Düsenkanäle aus anderen Materialien zu fertigen. Außerdem kann es zweckmäßig sein, die Düsenkanäle 3 winklig zueinander anzuordnen.

Claims (8)

  1. Einspritzdüse zum Einspritzen eines Fluids, mit einem Düsenkörper (2) und mindestens einem in den Düsenkörper (2) eingebetteten Düsenkanal (3),wobei der Düsenkanal (3) als keramische Hohlfaser ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Innenwandung (4) der keramischen Hohlfaser zur Reduzierung des Strömungswiderstandes eine Beschichtung aufweist, wobei die Beschichtung aus über metallorganische Sole hergestellte Metalloxide oder Keramiken besteht.
  2. Einspritzdüse nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Austrittsöffnung der Hohlfaser mit der Stirnseite des Düsenkörpers (2) in einer Austrittsebene (5) liegt.
  3. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Mehrzahl von Hohlfasern als Düsenkanäle (3) in den Düsenkörper (2) eingebettet sind.
  4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Außendurchmesser der Hohlfaser größer als 20 µm und nicht größer als 2 mm ist.
  5. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Innendurchmesser der Hohlfaser zwischen 20 µm und 1 mm liegt.
  6. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Düsenkörper (2) aus Metall besteht.
  7. Verwendung der Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Zylinder einer Brennkraftmaschine.
  8. Verwendung der Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Aufbringen von Lötzinn auf Leiterplatten.
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