Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere dessen Injektorspitze, die zur direkten Einspritzung in einen Brennraum in diesen hineinragt. Durch diese Konstruktion besteht die Gefahr, dass sich Verbrennungsrückstände auf der Injektorspitze ablagern. Ablagerungen, die sich insbesondere in der Nähe des Kraftstoffaustrittsspaltes niederschlagen, beeinflussen die Geometrie des austretenden Kegelstrahles, insbesondere die Form des Strahlkegelwinkels und die Strähnigkeit des Strahles. Strahlgeführte Brennverfahren basieren jedoch auf der genauen Reproduzierbarkeit der Einspritzvorgänge in engen Toleranzbereichen über die gesamte Lebensdauer des Motors hinweg, so dass die Bildung von Ablagerungen vermieden werden muss.
Aus der
Die Wirkung dieser Ausführung soll das Ansammeln und Festsetzen von Verbrennungsrückständen im Bereich des Düsenaustritts vermeiden. Dazu wird an der Gehäusestirnseite der Einspritzdüse mit dem Verschlusskörper im geschlossenen Zustand der Einspritzdüse eine gemeinsame plane Oberfläche gebildet, so dass insbesondere mit einer Kegelmanteloberfläche die dem Brennraum zugewandte Oberfläche der Einspritzdüse und des Verschlusskörpers frei von Verbrennungsrückständen bleiben soll. Die Vermeidung von Niederschlägen von Verbrennungsrückständen an der Oberfläche der Injektorspitze lässt sich jedoch mit einer lediglich planen Oberfläche nicht optimieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil zu beschreiben, an dessen Spitze im Bereich des Fluidauslasses Niederschläge von Verbrennungsrückständen vermieden werden.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zur Vermeidung von Ansätzen von Verbrennungsrückständen im Bereich der Trennungslinie zwischen einem Ventilteller und dem Ventilsitz eines Ventilgehäuses, also im Bereich des Fluidauslasses bzw. der Entstehung des Fluideinspritzstrahles, eine gemeinsame glatte Oberfläche vorliegt, die stufen- und kantenlos ist und gleichzeitig gekrümmt. Unter Krümmung ist in diesem Fall eine Krümmung nach außen zu verstehen, was gleichbedeutend ist mit einem Werkstückradius, der kleiner ist als unendlich.
Durch die Erfindung wird zusätzlich der Krümmungsradius der Oberfläche im Bereich der Trennlinie als Optimierungsparameter herangezogen. Mit Hilfe einer gekrümmten Oberfläche, die beispielsweise die Form einer Kugelkalotte aufweisen kann, ergeben sich besondere Vorteile hinsichtlich der Strahlstabilität und der Vermeidung von Niederschlag von Verbrennungsrückständen am Einspritzventil bzw. an der Spitze des Injektors. Mittels der gezielten Einstellung des Krümmungsradius wird nachhaltig Einfluss auf die Gasströmung in der Nähe des Kraftstoffaustrittes genommen, was sich wiederum positiv auf die Strahlstabilität bei offenem Injektor während des Einspritztaktes auswirkt. Weiterhin wird die Niederschlagsneigung von Verbrennungsrückständen bei geschlossenem Injektor während des Verbrennungs- und Auslasstaktes vermieden.
Durch eine besondere Form der Oberflächenausgestaltung an der Trennlinie, beispielsweise als Paraboloid, Ellipsoid oder Hyperboloid, können die individuellen Einflüsse innerhalb eines Verbrennungsraumes in Zusammenhang mit dem in den Verbrennungsraum hineinragenden Injektor und den damit verbundenen Gasströmungen durch eine entsprechend konstruktive Anpassung berücksichtigt werden.
Verbunden mit einer Geometrie des Austrittskanals für das Fluid, durch die Kavitation vermieden wird, kann somit eine optimale Gestaltung einer Injektorspitze erzeugt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der austretende Kegelstrahl die Tangente an die dem Brennraum zugewandten Oberfläche von Ventilkörper und Ventilteller im axialen Schnitt gesehen senkrecht oder nahezu senkrecht, vorzugsweise im Winkel von ca. 90° ± 20° schneidet.
Im folgenden wird anhand einer schematischen Figur ein Ausführungsbeispiel beschrieben:
Die Figur zeigt einen axialen Schnitt durch die dem Brennraum zugewandte achsensymmetrische Injektorspitze. Sie besteht aus einem Ventilgehäuse 1 mit seiner dem Brennraum zugewandten Oberfläche 5. Durch einen Raum 9 innerhalb des Injektors wird druckbeaufschlagter Kraftstoff zugeführt, der über einen Austrittskanal 3 in Anschluss an den Raum 9 am vordersten Ende des Injektors ansteht. Das hier dargestellte Ventil bestehend aus einem Ventilsitz am Ventilgehäuse 1 entsprechend der inneren Oberfläche 7 des Ventilgehäuses 1 und der damit zusammenwirkenden inneren Oberfläche 8 des Ventiltellers 4 und erzeugt beim Öffnen einen Kegelstrahl. Dieser sollte möglichst gleichmäßig und nicht durch Verbrennungsrückstände, die sich an der äußeren Oberfläche des Injektors angesetzt haben, zerrissen sein. Die Ventilnadel 2 ist an ihrem unteren Ende fest mit dem Ventilteller 4 ausgebildet bzw. verbunden. Der Ventilteller 4 besitzt die dem Brennraum zugewandte Oberfläche 6 und die dem Raum 9 zugewandte innere Oberfläche 8. Im geschlossenen Zustand des Injektors bilden die dem Brennraum zugewandten Oberflächen 5, 6 von Ventilkörper 1 und Ventilteller 4 eine gemeinsame glatte Oberfläche ohne Stufen und ohne Kanten. Diese Betrachtungen erfolgen jeweils bezogen auf die umlaufende Trennlinie 10 zwischen dem Ventilkörper 1 und dem Ventilteller 4, da an dieser Stelle Verbrennungsrückstände, die den Kegelstrahl beeinflussen könnten dauerhaft vermieden werden sollen. Die Oberflächen 5, 6 bilden gemeinsam eine gekrümmte Oberfläche. Mit Hilfe einer gekrümmten Oberfläche, wie sie in der Figur dargestellt ist, beispielsweise einer Kugelkalotte, erhält man somit zusätzlich Optimierungsparameter bezüglich der Strahlstabilität und der Vermeidung von Niederschlag von Verbrennungsrückständen an dieser Stelle. Über den Krümmungsradius wird nachhaltig positiver Einfluss genommen auf die Gasströmung in der Nähe des Kraftstoffaustrittes und damit auf die Strahlstabilität bei offenem Injektor während des Einspritztaktes. Gleiches gilt für die Niederschlagsneigung von Verbrennungsrückständen bei geschlossenem Injektor während des Verbrennungs- oder Auslasstaktes.
Selbstverständlich ist die Form der gemeinsamen Außenkontur von Ventilkörper 1 und Ventilteller 4 nicht auf Kugelkalotten beschränkt, sondern es kommen alle einfach herzustellenden Oberflächenformen in Frage, wie z.B. Paraboloide, Ellipsoide, Hyperboloide, wenn durch diese die Strahlstabilität und die Verkokungsneigung günstig beeinflusst werden können. Als Endabschluss an der Ventilspitze kann eine stumpfförmige Ausbildung vorgesehen sein.
Die innere Oberfläche 7 des Ventilkörpers 1 bildet zusammen mit der inneren Oberfläche 8 des Ventiltellers 4 den Austrittskanal 3 für den Kraftstoff. Der Austrittskanal 3 des Kraftstoffes muss so gestaltet sein, dass der durchströmte Querschnitt in Strömungsrichtung, also von innen nach außen, konstant oder abnehmend ist. Somit wird Kavitation im Kraftstoff sicher vermieden und die Dichtfläche oder Dichtlinie, die sich am äußeren Rand des Austrittskanals 3 befindet, wird nicht beschädigt. Die inneren Oberflächen 7, 8 von Ventilkörper 1 und Ventilteller 4 treffen sich in Strömungsrichtung unter einem flachen Winkel, d.h. entweder fast parallel oder in tangentialer Form bei geschlossenem Injektor. Die Tangentenrichtung, in der Figur der Verlauf der Oberfläche 8, bestimmt den Kegelstrahlwinkel α.
Durch diese Gestaltung werden trotz allem evtl. im Bereich der Trennlinie 10 abgelagerte Verbrennungsrückstände beim Öffnen des Ventils aufgebrochen und mit dem Hochdruckkraftstoffstrahl fortgerissen, so dass eine weitere Beeinflussung der Kegelstrahlgeometrie minimiert wird.
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