Titel:

Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in einen Brennraum oder in einen Ansaug trakt eines Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in einen Brennraum oder in einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbe griffs des Anspruchs 1. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich insbesondere um ei nen Benzinmotor handeln.

Stand der Technik

Zur Reduzierung der Kohlenstoffdioxid- Emissionen gilt es den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren zu optimieren, beispielsweise durch eine Erhöhung der Verdich tung oder durch Downsizing Konzepte in Kombination mit einer Turboaufladung. Bei hoher Motorlast ist jedoch ein Betrieb des Verbrennungsmotors in einem Betriebs punkt, der im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch optimal wäre, in der Regel nicht möglich, da dem Betrieb durch Klopfneigung und hohe Abgastemperaturen Grenzen gesetzt werden. Maßnahmen zur Reduzierung der Klopfneigung und/oder Senkung der Abgastemperaturen sehen die Einspritzung von Wasser vor, wobei die Einspritzung di rekt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors oder in einen Ansaugtrakt des Ver brennungsmotors erfolgen kann.

Bei Verbrennungsmotoren mit Wassereinspritzung besteht die Gefahr, dass wasser führende Leitungen und/oder Komponenten bei tiefen Temperaturen vereisen und durch Eisdruck Schaden nehmen. Um dies zu verhindern, werden die wasserführenden Leitungen und/oder Komponenten in der Regel bei abgestelltem Motor entleert. Aus der DE 10 2015 208 472 Al geht beispielhaft eine Brennkraftmaschine mit einer Wassereinspritzvorrichtung hervor, die einen Wassertank zur Speicherung von Was ser, eine Pumpe zur Förderung des Wassers und ein Wassereinspritzventil zum Ein spritzen von Wasser umfasst. Die Pumpe ist einlassseitig über eine erste Leitung mit dem Wassertank und auslassseitig über eine zweite Leitung mit dem Wassereinspritz ventil verbunden. Zur einfachen Entleerung der Pumpe ist diese oberhalb des Wasser tanks angeordnet, so dass die Entleerung schwerkraftgetrieben erfolgen kann. Alterna tiv oder ergänzend kann die Pumpe in umgekehrter Förderrichtung betrieben werden.

Zur Vermeidung einer Vereisung der Einspritzventile eines solchen Einspritzsystem, müssen auch diese entleert werden. Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2015 208 508 Al ist eine Wassereinspritzvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt, die min destens zwei Einspritzventile bzw. Wasserinjektoren umfasst, die nacheinander durch Umkehrung der Förderrichtung eines Förderaggregats entleert werden. Die Einspritz ventile bzw. Wasserinjektoren müssen demzufolge nicht eisdruckfest ausgelegt wer den. Dadurch, dass die Einspritzventile nacheinander entleert werden, soll vorhande nes Wasser sicher entfernt werden. Die über die geöffneten Einspritzventile angesaug te Luft beim Entleeren soll die Entleerung zusätzlich unterstützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einspritzen von Was ser in einen Brennraum oder in einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors anzuge ben, die möglichst einfach und schnell zu entleeren ist, um ein Vereisen und damit ein hergehende Eisdruckschäden zu vermeiden.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor geschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Die vorgeschlagene Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in einen Brennraum oder in einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors umfasst ein Rail sowie mindestens ein an das Rail angeschlossenes Einspritzventil. Der Anschluss ist dabei über eine Rail- tasse realisiert, die das Einspritzventil an seinem railseitigen Ende umgibt. Erfindungs- gemäß weist das Einspritzventil einen zum Rail hin offenen Zulaufkanal auf, in dem zur Reduzierung des Zulaufquerschnitts ein Einsatz zumindest abschnittsweise aufge nommen ist.

Der Einsatz verringert den freien Strömungsquerschnitt des Zulaufkanals, so dass die Strömungsgeschwindigkeit im Zulaufkanal zunimmt. Dies wirkt sich insbesondere beim Entleeren des Einspritzventils mittels Rücksaugen als vorteilhaft aus, da das Einspritz ventil schneller entleert wird. Im Bereich der Schnittstelle Einspritzventil/Rail weist das zu entleerende Volumen üblicherweise eine besonders große Querschnittsfläche auf, so dass hier die Vorteile der Erfindung besonders deutlich zu Tage treten. Vorteilhaf terweise erstreckt sich der Einsatz über die gesamte Länge des Zulaufkanals, so dass der positive Effekt über die gesamte Länge des Zulaufkanals erreicht wird. Des Weite ren bevorzugt ist der Einsatz dergestalt, dass der freie Strömungsquerschnitt über die Länge des Einsatzes und/oder des Zulaufkanals annähernd konstant ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Zulaufkanal möglichst gleichmäßig durchströmt wird.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass mit Hilfe des Einsatzes das Totvolumen im Einspritzventil reduziert werden kann. Das heißt, dass weniger Volumen vorhanden ist, das bei abgestelltem Verbrennungsmotor entleert werden muss. Auch diese Maßnah me trägt demnach dazu bei, dass die Entleerung beschleunigt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ragt der Einsatz, vorzugs weise ein hohlzylinderförmiger Ansatz des Einsatzes, in das Rail hinein. Das heißt, dass der Einsatz über die Innenwand des Rails vorsteht. Da üblicherweise die Ein spritzventile von unten an das Rail angesetzt werden, kann mit Hilfe des hineinragen den bzw. vorstehenden Teils des Einsatzes eine Schwelle ausgebildet werden, die nach dem Rücksaugen ein Rückläufen von Wasser, das im Rail verblieben ist, in das Einspritzventil verhindert. In der Folge ist das Einspritzventil noch besser vor Eisdruck schäden geschützt.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Einsatz, vorzugsweise ein Bundabschnitt des Einsatzes, einen Außendurchmesser aufweist, der gleich groß wie oder geringfügig größer als ein Innendurchmesser der Railtasse ist. Der Einsatz bzw. Bundabschnitt kommt somit umfangseitig an der Railtasse zu liegen, so dass der Ein- satz das Volumen der Railtasse zumindest weitgehend ausfüllt. Entsprechend reduziert sich das Totvolumen in der Railtasse, so dass auch diese schneller entleert wird. So fern der Einsatz bzw. der Bundabschnitt ein radiales Übermaß aufweist, kann über den Bundabschnitt zugleich eine Abdichtung erzielt werden, da dieser unter einer radialen Vorspannung an der Railtasse anliegt. Der Bundabschnitt vermag somit ggf. einen Dichtring zu ersetzen.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Einsatz, vorzugsweise ein Kragenabschnitt des Einsatzes, das Einspritzventil an seinem railseitigen Ende um greift. Ein entsprechender Einsatz kann in einfacher Weise durch Umspritzen herge stellt werden. Dadurch ist ein optimaler Verbund zwischen dem Einsatz und dem Ein spritzventil gewährleistet. Ferner kann das Volumen der Railtasse besser ausgefüllt werden.

Vorteilhafterweise ist der Einsatz aus einem Elastomermaterial gefertigt und weist ab schnittweise, vorzugsweise im Bereich des Kragenabschnitts, ein radiales Übermaß gegenüber dem Innendurchmesser der Railtasse auf. Die Verwendung des

Elastomermaterials ermöglicht die Nutzung des Einsatzes als Dichtelement, das den Zulaufbereich nach außen abdichtet. In dieser Funktion vermag der Einsatz den übli cherweise zwischen dem Einspritzventil und der Railtasse angeordneten Dichtring zu ersetzen. Das radiale Übermaß gewährleistet eine radiale Vorspannung des Einsatzes gegenüber der Railtasse, wobei die Vorspannkraft zugleich Dichtkraft ist.

Als weiterbildende Maßnahme wird ferner vorgeschlagen, dass der Einsatz zumindest bereichsweise, vorzugsweise zumindest im Bereich einer dem Zulaufkanal zugewand ten Oberfläche, aus einem Material gefertigt ist, das hydrophiler als das Material eines Körpers ist, in dem der Zulaufkanal ausgebildet ist. Üblicherweise ist der Zulaufkanal in einem Körper, insbesondere Ventilkörper, des Einspritzventils ausgebildet, der aus Me tall, beispielsweise aus nichtrostendem Stahl, gefertigt ist. Wird demgegenüber der Einsatz zumindest bereichsweise aus einem Material gefertigt, das hydrophiler, vor zugsweise deutlich hydrophiler, als das Material des Körpers ist, kann mit Hilfe des Einsatzes im Einspritzventil verbliebenes Wasser mittels Adsorption„angesaugf und in das Rail transportiert werden. Der Einsatz unterstützt auf diese Weise eine schnelle und möglichst vollständige Entleerung des Einspritzventils. Vorzugsweise ist der Ein- satz über seine gesamte Länge - zumindest im Bereich der mit Wasser in Kontakt kommenden Oberflächen - aus einem entsprechenden Material ausgebildet.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass sich der Einsatz in axialer Richtung über we nigstens die Hälfte der Länge des Einspritzventils, vorzugsweise über wenigstens Zweidrittel der Länge des Einspritzventils, weiterhin vorzugsweise über wenigstens Dreiviertel der Länge des Einspritzventils, erstreckt. Die Länge des Einspritzventils ist im Wesentlichen durch den axialen Abstand zwischen einer Einspritzöffnung des Ein spritzventils und dem Austritt des Zulaufkanals am railseitigen Ende des Einspritzven tils vorgegeben. Je länger der Einsatz ist, desto weniger Totvolumen verbleibt im Ein spritzventil, das zur Vermeidung von Eisdruckschäden entleert werden muss. Vor zugsweise ist der Einsatz durch eine ringförmige Magnetspule des Einspritzventils hin durchgeführt, die üblicherweise in etwa mittig bezogen auf die axiale Erstreckung des Einspritzventils angeordnet ist. Da der die Einspritzöffnung aufweisende Bereich be sonders eisdruckempfindlich ist, kann zur Vermeidung von Eisdruckschäden der Ein satz bis in diesen Bereich geführt werden, so dass das der Einspritzöffnung zugewand te Ende des Einsatzes näher an der Einspritzöffnung als an der Magnetspule liegt.

Bevorzugt bildet der Einsatz mindestens einen sich in axialer Richtung erstreckenden Kanal aus, der Teil eines Zulaufpfads für das Wasser ist. Das heißt, dass der Zulauf von Wasser zumindest abschnittsweise durch den Einsatz hindurch erfolgt. Darüber hinaus kann der mindestens eine Kanal aber auch radial außen in Bezug auf den Ein satz angeordnet sein und durch den Einsatz sowie einen Körper, beispielsweise einen Ventilkörper, des Einspritzventils begrenzt werden. Es ist demnach nicht zwingend er forderlich, dass der mindestens eine Kanal über seinen gesamten Umfang vom Einsatz begrenzt bzw. umschlossen wird. Beispielsweise kann der Einsatz außenumfangseitig axial verlaufende Stege oder Rippen aufweisen, die mehrere in vorzugsweise gleichem Winkelabstand zueinander angeordnete Kanäle als Zulaufpfad definieren. Der Zulauf pfad kann somit abschnittsweise innenliegend und/oder außenliegend in Bezug auf den Einsatz verlaufen. Die Winkelabstände zwischen den Stegen oder Rippen können zudem derart klein gewählt werden, dass eine Sieb- oder Filterfunktion realisiert wird. Durch die Funktionsintegration kann auf einen separaten Filter verzichtet werden, was den Aufbau des Einspritzventils vereinfacht. Als weiterbildende Maßnahme wird daher vorgeschlagen, dass der Einsatz in zumin dest einem Abschnitt einen Filter ausbildet. Der Filter kann wie zuvor erwähnt, durch den Zulaufpfad unterteilende Stege und/oder Rippen gebildet werden. Darüber hinaus kann zumindest ein Wandabschnitt des Einsatzes aus einem Sieb- oder Filtermaterial gebildet sein. Ein Wandabschnitt des Einsatzes kann auch analog einem Sieb- oder Filtermaterial ausgebildet sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Einsatz einen ersten Abschnitt auf, der einen Vorfilter ausbildet. An diesen schließt sich stromabwärts - in Hauptströmungsrichtung des Wassers - ein weiterer Abschnitt mit Filterfunktion an, wobei der weitere Abschnitt vorzugsweise einen Feinfilter ausbildet.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 4 und

Fig. 6 eine Ansicht eines Rails mit mehreren Einspritzventilen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Der Fig. 1 ist eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in einen Brennraum oder in einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors zu entnehmen. Die Vorrichtung umfasst ein Rail 1, das rohrförmig ist und in einem Umfangsbereich mindestens eine Railtasse 3 für den Anschluss eines Einspritzventils 2 aufweist. Das Rail 1 ist im Wesentlichen horizontal ausgerichtet, so dass die Railtasse 3 senkrecht nach unten zeigt. Das Einspritzventil 2 wird demnach bei der Montage von unten in die Railtasse 3 eingesetzt.

Das Einspritzventil 2 weist einen Ventilkörper 15 auf, dessen railseitiges Ende einen zum Rail 1 hin offenen Zulaufkanal 4 ausbildet. Über den Zulaufkanal 4 wird das Ein spritzventil 2 mit Wasser aus dem Rail 1 versorgt. Der Zulaufbereich ist über einen auf dem Ventilkörper 15 angeordneten Dichtring 13 nach außen abgedichtet. Wird der Verbrennungsmotor abgestellt, werden das Einspritzventil 2 und das Rail 1 entleert, um bei tiefen Außentemperaturen eine Vereisung zu vermeiden. Denn der beim Vereisen entstehende Eisdruck könnte zu einer Beschädigung des Einspritzventils 2 und/oder des Rails 1 führen. Zum Entleeren wird das im Einspritzventil 2 bzw. im Rail 1 vorhan dene Wasser in einen Wassertank zurückgesaugt. Da ein kleineres Volumen schneller zu entleeren ist, weist das dargestellte Einspritzventil 2 einen Einsatz 5 auf, das den Strömungsquerschnitt des Zulaufkanals 4 reduziert und somit das zu entleerende Vo lumen, nachfolgend Totvolumen genannt, verkleinert. Der Einsatz 5 ist dergestalt, dass dieser über einen Bundabschnitt 7, dessen Außendurchmesser an den Innendurch messer der Railtasse 3 angepasst ist, das Volumen der Railtasse 3 ausfüllt. Dadurch wird das Totvolumen weiter verkleinert. Ferner weist der Einsatz 5 der Fig. 1 einen hohlzylinderförmigen Ansatz 6 auf, der in das Rail 1 hineinragt, so dass eine Schwelle ausgebildet wird, die verhindert, dass ggf. im Rail 1 verbleibendes Restwasser zurück in das Einspritzventil 2 läuft. Der Zulauf von Wasser bei gefülltem Rail 1 erfolgt über ei nen Kanal 9 des Einsatzes 5, der vorliegend konzentrisch bzw. koaxial zum Zulaufka nal 4 des Ventilkörpers 15 angeordnet ist. Der Kanal 9 bildet somit einen Teil eines Zu laufpfads 10 für das Wasser aus.

Der Fig. 2 ist eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einspritzen von Wasser in einen Brennraum oder in einen Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors zu entneh men. Im Unterschied zur Vorrichtung der Fig. 1 ist der Ventilkörper 15 des Einspritz ventils 2 nicht von einem Dichtring 13 umgeben, sondern von einem Kragenabschnitt 8 des Einsatzes 5. Der Kragenabschnitt 8 weist zudem ein radiales Übermaß gegenüber dem Innendurchmesser der Railtasse 3 auf, so dass der Einsatz unter einer radialen Vorspannung innenseitig an der Railtasse 3 anliegt. Der Einsatz 5 ersetzt somit den Dichtring 13. Zudem ist der Einsatz 5 bis tief hinein in den Ventilkörper 15 des Ein spritzventils 2 geführt, so dass der freie Strömungsquerschnitt über eine größere Stre cke reduziert wird. In entsprechender Weise verringert sich das Totvolumen im Ein spritzventil 2. Der in der Fig. 2 dargestellte Einsatz 5 ist besonders einfach durch Um spritzen herstellbar. Als Umspritzungsmaterial kann insbesondere ein Material gewählt werden, das analog einem Dichtmaterial eine gewisse Elastizität besitzt.

Der Fig. 3 ist ein Einspritzventil 2 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zu entneh men, das einen Einsatz 5 umfasst, das sich im Wesentlichen über die gesamte Länge des Einspritzventils 2 erstreckt. Das heißt, dass der Einsatz 5 bis fast an eine Ein spritzöffnung 14 heranreicht. Das Totvolumen wird somit auf ein Minimum reduziert. Darüber hinaus ist der in der Fig. 3 dargestellte Einsatz 5 aus einem hydrophilen Mate rial hergestellt, so dass Adsorptionskräfte ein Aufsteigen von Wasser innerhalb des Einspritzventils 2 bewirken.

Fig. 3 zeigt zudem deutlich, dass der Einsatz 5 nicht durchgehend hülsenförmig ausge führt sein muss, sondern eine deutlich komplexere Geometrie aufweisen kann, um das Volumen im Einspritzventil 2 bis auf den erforderlichen Zulaufpfad 10 zu füllen. In Rich tung der Einspritzöffnung 14 zulaufendes Wasser kann somit den Einsatz 5 sowohl durchströmen als auch umströmen.

Den Figuren 4 und 5 ist ein weiteres Einspritzventil 2 für eine erfindungsgemäße Vor richtung zu entnehmen. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Einsatz 5 eine noch komplexere Form auf. Railseitig bildet der Einsatz 5 zunächst einen zentralen Kanal 9 aus. Über umfangseitige Öffnungen 16 im Einsatz 5 wird dann der Zulaufpfad 10 nach außen geführt, so dass der Ventilkörper 15 gemeinsam mit dem Einsatz 5 den Zulauf pfad 10 begrenzt. Hieran schließt sich ein Abschnitt an, der axial verlaufende Stege 17 aufweist, die in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind (siehe Fig. 5). In radialer Richtung reichen die Stege 17 bis an den Ventilkörper 15 heran, so dass über den Umfang verteilt angeordnete Kanäle 9 als Zulaufpfad 10 ausgebildet werden. Der Strömungsquerschnitt der Kanäle 9 ist derart klein gewählt, dass diese einen Filter 11, vorzugsweise einen Vorfilter, ausbilden. Auf den Abschnitt mit den Stegen 17 folgt ein Abschnitt, der einen weiteren Filter 12, vorzugsweise einen Feinfilter, ausbildet. Der Einsatz 5 weist hierzu einen integrierten Konus aus einem Filtergewebe auf. Das Ende des Konus ist an einem Ringabschnitt 18 des Einsatzes 5 abgestützt, der unter einer radialen Vorspannung am Ventilkörper 15 anliegt und somit verhindert, dass der Filter 12 umgangen werden kann. Über den Filter 12 wird somit der Zulaufpfad 10 von radial außen wieder nach radial innen geführt, wobei ein zentral angeordneter zapfenförmiger Abschnitt 19 des Einsatzes 5 eine Verringerung des Totvolumens bewirkt. Der Zulaufpfad 10 verläuft somit über einen Ringraum 20 innerhalb des Zulaufkanals 4.

Der Fig. 6 ist eine mögliche Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zu entnehmen. An das Rail 1 sind beispielhaft vier Einspritzventile 2 angeschlossen. Der Anschluss erfolgt jeweils über eine Railtasse 3.