-
Die
Erfindung betrifft ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff, das
einen Ventilkörper
hat, der eine Ausnehmung aufweist, in der eine Ventilnadel axial
bewegbar angeordnet ist, die in einem abströmseitigen Bereich mit dem Ventilkörper eine
Einspritzdüse
bildet. Ferner betrifft die Erfindung eine Düsenvorrichtung zum Einspritzen
von Brennstoff mit einem Düsenkörper, in
dem in einem abströmseitigen
Bereich eine Einspritzdüse
ausgebildet ist.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil und eine Düsenvorrichtung
zu schaffen, bei dem bzw. bei der ein Sprühbild des eingespritzten Brennstoffs
dauerhaft vor ablagerungsbedingten Veränderungen geschützt ist.
-
Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Gemäß eines
ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Ventil
zum Einspritzen von Brennstoff, das einen Ventilkörper hat,
der eine Ausnehmung aufweist, in der eine Ventilnadel axial bewegbar
angeordnet ist. Die Ventilnadel bildet in einem abströmseitigen
Bereich mit dem Ventilkörper eine
Einspritzdüse.
Die Ventilnadel unterbindet in einer Schließposition einen Brennstoffstrom
durch die Einspritzdüse
und gibt diesen ansonsten frei. Die Einspritzdüse weist an einem abströmseitigen
Ende ein Ablenkelement auf, das so angeordnet ist, dass ein Brennstoffstrom
aus einer stromaufwärts
des Ablenkelements vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt wird.
Das Ablenkelement kann an dem Ventilkörper oder an der Ventilnadel
ausgebildet sein. Die Einspritzdüse
umfasst einen Spalt, der zwischen dem Ventilkörper und der Ventilnadel in
dem abströmseitigen
Bereich vorgesehen ist. Der Brennstoff kann gasförmig oder flüssig sein.
-
Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich an Bereichen eines
Ventils, die heißen
Verbrennungsgasen ausgesetzt sind und die nicht von dem Brennstoffstrom
mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit
angeströmt
werden, während
des Betriebs Ablagerungen bilden. Diese Ablagerungen, die im Wesentlichen
aus Kohlenstoff bestehen, können bei
hohen Temperaturen durch ein Verkoken von Brennstoffrückständen an
der Einspritzdüse
oder durch Verbrennungsrückstände aus
den Verbrennungsgasen entstehen. Diese Ablagerungen können so
weit anwachsen, dass sie sich bis in den Brennstoffstrom erstrecken
und so den Brennstoffstrom unerwünscht
aus der stromaufwärts
vorherrschenden Strömungsrichtung
ablenken. Ein Sprühbild
des Ventils kann dadurch nachteilig verändert sein.
-
Der
Brennstoffstrom strömt
das Ablenkelement mit der hohen Strömungsgeschwindigkeit an und
ermöglicht
so, dass gegebenenfalls an dem Ablenkelement abgelagerte Verbrennungsrückstände oder
Verkokungskeime aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffstroms
von dem Ablenkelement weggespült
werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Ablenkelement so
angeordnet und ausgebildet ist, wie Ablagerungen, die entstehen
würden,
wenn das Ablenkelement nicht vorgesehen wäre. Eine durch den Brennstoffstrom
auf die Ablagerung ausgeübte
Kraft ist dann größer als
eine Adhäsionskraft
der Ablagerungen. Das Ablenkelement hat dadurch die Funktion einer
künstlichen
Ablagerung oder Verkokung, die ei ner künstlichen Alterung des Ventils
in Bezug auf Ablagerungen oder Verkokung entspricht.
-
Das
Ablenkelement soll ein Sprühbild
des eingespritzten Brennstoffs so verändern, wie Ablagerungen und
Verkokung an der Einspritzdüse
nach einer längeren
Betriebsdauer das Sprühbild
verändern. Durch
Vorsehen des Ablenkelements und durch Berücksichtigen des Ablenkens des
Brennstoffstroms durch eine geeignete Anpassung der Geometrie der Einspritzdüse kann
der Brennstoff dauerhaft ohne Veränderung des Sprühbilds durch
weitere Ablagerungen eingespritzt werden.
-
In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils weitet sich die Ausnehmung
in dem abströmseitigen
Bereich in der Strömungsrichtung
kegelförmig oder
kugelförmig
hin zu einer ersten Kante. Die Ventilnadel weist an einem abströmseitigen
Ende einen sich in der Strömungsrichtung
kegelförmig
oder kugelförmig
hin zu einer zweiten Kante weitenden Schließkörper auf. Der Schließkörper sitzt
in der Schließposition
in dem abströmseitigen
Bereich des Ventilkörpers
auf der Wandung der Ausnehmung auf. Ein solches Ventil ermöglicht ein
gleichmäßiges, hohlkegelförmiges Sprühbild durch
ein nach außen öffnendes
Ventil. Dieses Sprühbild
ist vorteilhaft für eine
gute Verbrennung des Brennstoffs, d.h. eine vollständige und
schadstoffarme Verbrennung des Brennstoffs.
-
In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die zweite Kante stromabwärts der
ersten Kante angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass dies besonders
vorteilhaft ist für
eine gute Verbrennung des Brennstoffs.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils ist das Ablenkelement
in einem an die zweite Kante angrenzenden Bereich ausgebildet. Dies
hat den Vorteil, dass die Ventilnadel einfach und preisgünstig herstellbar
ist.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils ist das Ablenkelement
einstückig
mit der Ventilnadel ausgebildet. Das Ablenkelement ist so besonders
haltbar, da die Ventilnadel vorzugsweise aus Stahl gefertigt ist.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ventils ist das Ablenkelement
als eine Beschichtung aufgebracht. Dies hat den Vorteil, dass eine
solche Beschichtung besonders einfach und preisgünstig herstellbar ist.
-
Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenvorrichtung
zum Einspritzen von Brennstoff, die einen Düsenkörper aufweist, in dem in einem
abströmseitigen
Bereich eine Einspritzdüse
ausgebildet ist. Die Einspritzdüse weist
ein Ablenkelement auf, das so angeordnet ist, dass ein Brennstoffstrom
aus einer stromaufwärts des
Ablenkelements vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt wird.
Eine solche Düsenvorrichtung
weist Vorteile und geeignete Weiterbildungsmöglichkeiten entsprechend dem
Ventil auf.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 ein
Ventil,
-
2 ein
abströmseitiger
Bereich des Ventils gemäß 1,
-
3 ein
vergrößerter Ausschnitt
des abströmseitigen
Bereichs des Ventils gemäß 2, und
-
4 eine
Düsenvorrichtung.
-
Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt
ein Ventil zum Einspritzen von Brennstoff, insbesondere für Brennkraftmaschinen
in Kraftfahrzeugen zum Einspritzen von Kraftstoff. Das Ventil hat
ein Injektorgehäuse 1,
in dem eine Bohrung 2 ausgebildet ist, und einen Anschluss 3,
der mit der Bohrung 2 gekoppelt ist und durch den dem Ventil Kraftstoff
zugeführt
werden kann. Das Ventil umfasst ferner einen Ventilkörper 4 mit
einer Ausnehmung 5, in der eine Ventilnadel 6 axial
bewegbar angeordnet ist, die in einer Schließposition eine Einspritzdüse 7 verschließt und andernfalls
einen Brennstoffstrom durch die Einspritzdüse 7 zulässt. Das
Ventil umfasst ferner eine Hubvorrichtung mit einem Aktor 8 und
einem Ausgleichselement 9, die in axialer Richtung miteinander
gekoppelt sind. Der Aktor 8 ist beispielsweise ein Piezoaktor.
Der Hub der Hubvorrichtung ist abhängig von der axialen Ausdehnung
des Aktors 8, die abhängig
ist von einem Stellsignal. Die Hubvorrichtung ist gekoppelt mit
der Ventilnadel 6 und wirkt derart mit der Ventilnadel 6 zusammen,
dass der Hub der Hubvorrichtung auf die Ventilnadel 6 übertragen wird
und dass die Ventilnadel 6 so in ihre Schließposition
oder in eine Offenposition bewegt wird.
-
2 zeigt
einen abströmseitigen
Bereich des Ventils mit einem angedeuteten, hohlkegelförmigen Sprühbild 10. 3 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
des abströmseitigen
Bereichs des Ventils gemäß 2.
Die Ausnehmung 5 in dem Ventilkörper 4 weitet sich
in einem abströmseitigen
Bereich des Ventilkörpers 4 kegelförmig hin
zu einer ersten Kante 11 und bildet so einen Innenkegel 12 des
Ventilkörpers 4.
Der Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 weist einen
Einstellwinkel α auf,
der auf eine Längsachse 13 der
Ausnehmung 5 bezogen ist.
-
Die
Ventilnadel 6 hat an ihrem abströmseitigen Ende einen Schließkörper 14,
der einen ersten Kegel 15 und einen zweiten Kegel 16 aufweist.
Ein Einstellwinkel des ersten Kegels 15 ist etwas kleiner als
der Einstellwinkel α des
Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4 und ein Einstellwinkel
des zweiten Kegels 16 ist etwas größer als der Einstellwinkel α des Innenkegels 12 des
Ventilkörpers 4.
Die Einstellwinkel des ersten Kegels 15 und des zweiten
Kegels 16 sind ebenso bezogen auf die Längsachse 13 der Ausnehmung 5 wie
der Einstellwinkel α.
-
In
der Schließposition
des Ventils sitzt der Schließkörper 14 mit
einem Übergangsbereich
zwischen dem ersten Kegel 15 und dem zweiten Kegel 16 auf
dem Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 auf, der einen
Ventilsitz 17 bildet. Der Übergangsbereich zwischen dem
ersten Kegel 15 und dem zweiten Kegel 16 kann
abgerundet sein oder einen weiteren Kegel aufweisen, dessen Einstellwinkel
vorzugsweise etwa gleich dem Einstellwinkel α des Innenkegels 12 des
Ventilkörpers 4 ist.
Ebenso können
der erste Kegel 15 und der zweite Kegel 16 unmittelbar
aneinander grenzen. Somit ist sichergestellt, dass auch bei fertigungstechnisch
unvermeidlichen Toleranzen bei der Herstellung des Innenkegels 12 des
Ventilkörpers 4,
des ersten Kegels 15 oder des zweiten Kegels 16 das
Ventil in der Schließposition
zuverlässig den
Brennstoffstrom unterbindet. Aufgrund der unterschiedlichen Einstellwinkel
des ersten Kegels 15 und des Einstellwinkels α des Innenkegels 12 des
Ventilkörpers 4 ist
stromabwärts
des Ventilsitzes 17 ein Spalt 18 zwischen dem
ersten Kegel 15 und dem Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 ausgebildet.
Der Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4, der erste Kegel 15, der
zweite Kegel 16 und der Übergangsbereich bilden die
Einspritzdüse 7.
-
Der
erste Kegel 15 erstreckt sich bis zu einer zweiten Kante 19 an
einem abströmseitigen
Ende der Einspritzdüse 7.
In der Schließposition
der Ventilnadel 6 hat die zweite Kante 19 vorzugsweise
einen größeren Abstand
von dem Ventilsitz 17 als die erste Kante 11 des
Ventilkörpers 4.
Es hat sich gezeigt, dass sich dies vorteilhaft auf das Sprühbild 10 auswirkt
und somit eine bessere Verbrennung ermöglicht. Es hat sich jedoch
ebenso gezeigt, dass während
des Betriebs des Ventils in einem Bereich der zweiten Kante 19 Ablagerungen
entstehen, die aufgrund von hohen Temperaturen bei der Verbrennung des
Brennstoffs aus Brennstoffrückständen in
dem Spalt 18 oder durch Verbrennungsrückstände in den Verbrennungsgasen
gebildet werden. Diese Ablagerungen werden auch als Verkokung bezeichnet.
Die Verkokung in dem abströmseitigen
Ende der Einspritzdüse 7 kann
dazu führen,
dass der aus der Einspritzdüse 7 strömende Brennstoffstrom
von seiner stromaufwärts
vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt
wird und so das Sprühbild 10 auf
unerwünschte
Weise verändert.
-
An
dem abströmseitigen
Ende der Einspritzdüse 7 ist
ein Ablenkelement 20 vorgesehen, um die unerwünschte Veränderung
des Sprühbilds 10 durch Verkokung
zu verhindern. Das Ablenkelement 20 lenkt den Brennstoffstrom
vorzugsweise ebenso ab, wie die Verkokung, die sich nach einer längeren Betriebsdauer
in diesem Bereich bilden würde,
wenn das Ablenkelement 20 nicht vorgesehen wäre. Das Ablenkelement 20 entspricht
somit einer künstlichen Verkokung
oder einer künstlichen
Alterung hinsichtlich der Verkokung des Ventils. Durch zusätzliche
Anpassung des Ventilkörpers 4 und
des Schließkörpers 14 der
Ventilnadel 6 kann das Sprühbild 10 wie gewünscht geformt
und dauerhaft vor unerwünschten Veränderungen
durch Verkokung geschützt
sein.
-
Das
Ablenkelement 20 ändert
die Strömungsrichtung
des Brennstoffstroms von einer ersten Strömungsrichtung 21,
die bei einem entsprechenden Ventil ohne das Ablenkelement 20 und
ohne Verkokung gegeben wäre,
hin zu einer zweiten Strömungsrichtung 22 des
Brennstoffstroms. Durch ein Ändern
des Einstellwinkels α kann
die Strömungsrichtung
des Brennstoffstroms entsprechend korrigiert werden, in diesem Ausführungsbeispiel
durch ein Verringern des Einstellwinkels α um einen Winkel, um den der
Brennstoffstrom durch das Ablenkelement 20 aus der stromaufwärts des
Ablenkelements 20 vorherrschenden Strömungsrichtung abgelenkt ist.
Die Einstellwinkel des ersten Kegels 15 und des zweiten
Kegels 16 sind entsprechend korrigiert.
-
Das
Ablenkelement 20 ist so angeordnet und ausgebildet, dass
Ablagerungen, die sich in dem von dem Brennstoffstrom angeströmten Bereich
ablagern, während
nachfolgender Einspritzvorgänge
von dem Ablenkelement 20 weggespült werden, da das Ablenkelement 20 sich
vorzugsweise bis an einen Bereich des Brennstoffstroms erstreckt,
in dem eine geeignet hohe Strömungsgeschwindigkeit
vorherrscht.
-
Das
Ablenkelement 20 kann einstückig mit der Ventilnadel 6 ausgebildet
sein. Vorzugsweise ist das Ablenkelement 20 jedoch als
eine Beschichtung 23 ausgebildet, die sich auch auf einen
Außenbereich
des Ventilkörpers 4 oder
der Ventilnadel 6 erstrecken kann. Eine solche Beschichtung
kann sehr einfach und preisgünstig
hergestellt werden. Die Beschichtung 23 kann beispielsweise
als eine Kohlenstoffschicht aufgebracht sein. Ebenso kann die Beschichtung 23 aus
anderen geeigneten Mate rialen hergestellt sein, die insbesondere
den hohen Temperaturen während
der Verbrennungsvorgänge
stand halten. Die Beschichtung 23 kann ebenso nur an dem abströmseitigen
Ende der Einspritzdüse 7 aufgebracht
sein, um das Ablenkelement 20 zu bilden.
-
Der
Innenkegel 12 des Ventilkörpers 4 oder der Schließkörper 14 in
einem Bereich des ersten Kegels 15, des zweiten Kegels 16 und
des Übergangsbereichs
können
auch kugelförmig
ausgebildet sein. Das Ablenkelement 20 kann ebenso an einem
abströmseitigen
Ende des Innenkegels 12 des Ventilkörpers 4 angeordnet
sein.
-
4 zeigt
eine Düsenvorrichtung
mit einem Düsenkörper 24,
in dem eine Einspritzdüse 7 ausgebildet
ist. An dem abströmseitigen
Ende der Einspritzdüse 7 ist
das Ablenkelement 20 angeordnet. Das Ablenkelement 20 kann
einstückig
mit dem Düsenkörper 24 ausgebildet
sein oder durch die Beschichtung 23 auf den Düsenkörper 24 aufgebracht sein.
Die Düsenvorrichtung
kann ebenso mehrstückig
ausgebildet sein, sodass die Einspritzdüse 7 durch weitere
Bauelemente gebildet ist.
-
Durch
das Ablenkelement 20 an der Einspritzdüse 7 kann erreicht
werden, dass sowohl in einem Neuzustand des Ventils oder der Düsenvorrichtung
als auch nach einer längeren
Betriebsdauer des Ventils oder der Düsenvorrichtung das Sprühbild 10 eine
gewünschte,
verbrennungsgünstige
Form aufweist.