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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlvorrichtung zur Kühlung des Einspritzventils.
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Ein Einspritzventil (auch Einspritzdüse) ist ein Ventil, das an einer Brennkraftmaschine, wie einem Otto- oder einem Dieselmotor, zum Antrieb des Kraftfahrzeugs Kraftstoff in den Ansaugtrakt (PFI – Saugrohreinspritzung) oder den Verbrennungsraum (DI – Direkteinspritzung) der Brennkraftmaschine einspritzt. Bei der Direkteinspritzung wird mit dem Einspritzventil Kraftstoff direkt in den Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, während bei der Saugrohreinspritzung eine Gemischbildung nicht im Brennraum, sondern vor dem Einlassventil, z.B. hinter einer Drosselklappe, erfolgt.
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Die
DE 10 2013 006 420 B4 offenbart einen Kraftstoffinjektor mit einem Düsenkörper, der eine Axialbohrung zur Aufnahme einer Düsennadel aufweist, wobei die Axialbohrung über einen Endabschnitt des Düsenkörpers hin zu einer Düsenanordnung des Injektors geführt ist. Der Injektor weist eine Kühlanordnung auf, mittels welcher eine den Endabschnitt umgebende Ringkammer definiert ist, wobei ein Kühlmitteleinlass und ein Kühlmittelauslass an die Ringkammer geführt sind. In der Ringkammer ist eine Trennwand angeordnet, welche die Ringkammer in einen inneren Kühlmittelraum und einen äußeren Kühlmittelraum teilt.
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Aus der
US 2014 / 0116393 A1 ist ein System mit einem Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine bekannt. Es ist eine Hauptkühlleitung vorgesehen, durch die Kühlmittel durch die Brennkraftmaschine zirkulieren kann. Ferner ist eine Hilfskühlleitung vorgesehen, die die Hauptkühlleitung mit dem Einspritzventil kühlmittelführend verbindet.
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Aus der
US 8,078,386 B2 ist ein Verfahren zum Steuern der Kraftstoffzufuhr zu einer Brennkraftmaschine bekannt, die mittels Saugrohreinspritzung und Direkteinspritzung betrieben werden kann. Es wird eine zweiten Kraftstoffart aus einem zweiten Tank zu einem Direkteinspritzventil und eine erste Kraftstoffart aus einem ersten Tank zu der Saugrohreinspritzeinrichtung zugeführt. Ansprechend auf einen ungeeigneten Kraftstoff wird die erste Kraftstoffart von dem ersten Tank dem Direkteinspritzventil zugeführt. In Antwort auf das Empfangen einer Anzeige einer Falschversorgung kann die Direkteinspritzung mit der zweiten Kraftstoffart versorgt werden. Durch Zuführen von zumindest etwas Kraftstoff zu dem Direkteinspritzventil von der anderen Art kann Kraftstoff unter verschiedenen Bedingungen zugeführt werden, um das Direkteinspritzventil zu kühlen.
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Die
US 6,718,954 B2 offenbart eine Vorrichtung zum Kühlen von Kraftstoff mittels einer Kaltseite einer thermoelektrischen Einheit vor dem Eintritt des Kraftstoffs in Kraftstoff-Förderkomponenten, wie z. B. Injektoren, Vergaser und Drosselklappen. Ein Überschuss an Kühlenergie ist ausreichend, um die Kraftstoff-Förderkomponenten zu kühlen, um einen Kühlpuffer zu versorgen und eine Reabsorption von Wärme zu verhindern, nachdem der Kraftstoff gekühlt wurde. Die heiße Seite der thermoelektrischen Einheit wird durch ein zweites Kühlflüssigkeitssystem separat und getrennt von dem Hauptkühlfluidsystem für den Motorblock gekühlt. Es wird überschüssiger Kraftstoff durch einen Kraftstoffumgehungsdruckregler zu einer Kraftstoffumgehungsleitung geleitet, und der überschüssige Kraftstoff wird zur Kühlflüssigkeit, die in einen Kraftstofftank zurückgeführt wird.
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Aus der
US 2008 / 0196700 A1 ist ein Kraftstoffkühlsystem für einen Dieselmotor mit einer Reihe von Zylindern, einem Kraftstoffvorratstank und einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem bekannt. Das System umfasst eine Kraftstoffverteilerschaltung zum Fördern von Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratstank zu den Zylindern, einen Kraftstoffrecyclingkreislauf für das Recycling von nicht-eingespritzten Kraftstoff, einen Temperatursensor zum Erfassen der Kraftstofftemperatur, ein Kraftstoffkühlmittelwärmeaustauschsystem zum Kühlen des Kraftstoffes, wobei ferner ein Kühlmittelbehälter, eine elektrische Kühlmittelpumpe und ein Wärmeaustauschverteiler vorgesehen sind. Außerdem ist ein Mechanismus zur Steuerung des elektrischen Kühlmittelpumpenbetriebs und ein Luftkühlmittelwärmeaustauschsystem vorgesehen, dass mit dem Kraftstoffkühlmittelwärmeaustauschsystem zum Kühlen des Kraftstoffes gekoppelt ist, um das Kühlmittel zu kühlen, wobei das Luftkühlmittelwärmeaustauschsystem Fahrzeugstauluft ausgesetzt ist. Des Weiteren sind ein Wärmeaustauschverteiler und ein Lüfter sowie ein Mechanismus zur Steuerung des Lüfters vorgesehen.
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Aus der
US 2010 / 0084489 A1 ist eine Steueranordnung für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt. Ein Leckagepfad kanalisiert Leckagekraftstoff, der von einem Einlass stammt, zu einem Kraftstoffabflussanschluss. Die Steueranordnung weist einen Einzeltank auf, der den Einlass versorgt, und weist einen Kühlmittelanschluss mit einer Mehrzahl von Einspritzventilen auf, und sammelt Kraftstoff von dem Kraftstoffabflussanschluss der Mehrzahl der Einspritzventile.
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Aus der
US 8,056,537 B2 ist eine Brennkraftmaschine, wie ein Dieselmotor mit Direkteinspritzung, bekannt. Das Einspritzventil gemäß der
US 8,056,537 B2 weist einen ersten und einem zweiten Eingang sowie eine Aktuatorbaugruppe zur Ventilbetätigung auf. Ferner ist ein Kühlsystem zum Kühlen der Aktuatorbaugruppe vorgesehen, die mit einem Kraftstoffsystem gekoppelt ist. Das Kühlsystem ist ausgebildet, Kühlflüssigkeit über eine Wärmetauscherfläche der Aktuatorbaugruppe zu führen, um Wärmeenergie auszutauschen.
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Aus der
DE 11 2004 000 701 T5 (=
US 7,021,558 B2 ) ist ein Einspritzventil zum Einspritzen von druckbeaufschlagtem Kraftstoff in eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine bekannt. Ein Düsenventilelement weist einen Längsdurchgang auf, der ein äußeres Ende zur Abführung eines Kühlfluidstromes und ein inneres Ende zur Aufnahme eines Kühlfluidstromes aufweist. Ferner weist das Düsenventilelement einen Querdurchgang auf, der sich neben dem inneren Ende des Längsdurchgangs befindet und sich quer zwischen dem Längsdurchgang und der Düsenbohrung erstreckt. Im Betrieb strömt Kühlmittelmenge in die Düsenbohrung, durch den Querdurchgang in den Längsdurchgang und entlang des Längsdurchgangs, um das Düsenventilelement zu kühlen.
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Bekannt sind demnach auch Dual Fuel Fahrzeuge, bei welchen zwei unterschiedliche Kraftstoffe zur Brennkraftmaschine geleitet werden, wobei die Brennkraftmaschine zeitweilig mit dem einen und dann zeitweilig mit dem anderen Kraftstoff betrieben wird. Zum einen kann dies herkömmlicher Otto- oder Dieselkraftstoff sein. Zum anderen kann dies ein gasförmiger Kraftstoff sein. Das Fahrzeug kann so mit dem herkömmlichen Kraftstoff betrieben werden, wenn der Gastank leer ist und eine Nachfüllstation nicht erreichbar ist. Die Reichweite des Fahrzeuges wird so im Vergleich zu lediglich mit gasförmigen Kraftstoffen betriebenen Fahrzeugen erweitert. Der herkömmliche Kraftstoff wird günstiger Weise direkt in den Brennraum eingespritzt, während der gasförmige Kraftstoff in den Ansaugtrakt eingeleitet wird. Insofern erfolgt bei einem als flexible fuel, oder auch als dual fuel ausgebildeten Kraftfahrzeug oder einem Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die sowohl mit Saugrohreinspritzung als auch mit Direkteinspritzung der Brennkraftmaschine betrieben wird, nicht immer eine Durchströmung des Einspritzventils mit herkömmlichen Kraftstoff, so dass eine Kühlwirkung des Einspritzventils durch strömenden Kraftstoff ausbleibt. Denn das Einspritzventil zum direkten Einspritzen des herkömmlichen Kraftstoffs ist aufgrund des Betriebes der Brennkraftmaschine mittels des gasförmigen Kraftstoffs (also z. B. CNG, LNG, Methanol, Ethanol, Erdgas) inaktiv, wird also nicht mit Kraftstoff durchströmt. Wird das Einspritzventil nicht gekühlt, kann die Temperatur an dessen Spitze aber auch an den Dichtungen über einen Grenzwert steigen, wodurch im weiteren Betrieb Fehlfunktionen auftreten können. Zudem kann sich noch Kraftstoff in dem Einspritzventil befinden, welches der erheblichen Temperaturbelastung ausgesetzt ist. So kann sich der gefangene Kraftstoff aufwärmen, und aufgrund der Hitzeeinwirkung cracken und/oder vaporisieren, also verdampfen, was natürlich von den herrschenden Druckverhältnissen und Temperaturbedingungen abhängig ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, das eine Kühlvorrichtung mit verbesserter Kühlwirkung aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Kühlvorrichtung eine Thermosiphon-Kühlvorrichtung ist. Günstiger Weise weist das Einspritzventil die Thermosiphon-Kühlvorrichtung auf, welches Einspritzventil herkömmlichen Kraftstoff direkt in den Brennraum einspritzt.
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Bei der Thermosiphon-Kühlvorrichtung handelt sich um ein geschlossenes Kühlsystem ohne Pumpe. Eine Zirkulation des Kühlmediums, hier Kraftstoff, also bevorzugt flüssiger Kraftstoff wie Diesel- oder Ottokraftstoff wird allein durch die Wirkung der Schwerkraft bewirkt. Durch die geringere spezifische Dichte des wärmeren Mediums ist es leichter als das kältere Medium, demzufolge steigt das wärmere nach oben und das kältere sinkt nach unten. Aufgrund des Betriebes der Brennkraftmaschine im Gasmodus wird das Kühlmedium, also der Otto- oder Dieselkraftstoff im inaktiven Einspritzventil erwärmt und somit leichter. Es steigt somit im Einspritzventil nach oben. Dort wird das Kühlmedium abgekühlt und mithin schwerer. Es sinkt in Richtung zur Spitze des Einspritzventils herab und der gesamte Prozess wiederholt sich. Der Vorteil der Thermosiphon-Kühlvorrichtung ist der einfache Aufbau ohne Pumpe. Ferner kann sich eine schwerkraftbedingte Zirkulation des Kühlmediums auch ohne Zufluss von dem Kühlmittel, d. h. ohne Kraftstoffzufluss einstellen und eine Kühlung bewirken. Somit wird auch ein inaktives, d. h. nicht betriebenes und daher nicht von kühlendem Kraftstoff durchgeflossenes Einspritzventil gekühlt.
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Erfindungsgemäß weist die Thermosiphon-Kühlvorrichtung ein Speichervolumen auf. Eine erste Leitung innerhalb des Einspritzventils ist mit einer Kraftstoffzuführung verbunden. In dem Speichervolumen kann der erwärmte Kraftstoff aufsteigen, wobei gleichzeitig der gekühlte Kraftstoff wieder absinken kann. Dabei ist zielführend, wenn der Querschnitt des Speichervolumens, welches auch als Ringleitung bezeichnet werden könnte, so angepasst ausgeführt ist, dass ein gleichzeitiges Aufsteigen und Absinken möglich ist.
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Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Leitung und das Speichervolumen konzentrisch zueinander angeordnet sind. Durch diese Anordnung wird eine besonders gute thermische Kopplung insbesondere des Speichervolumens bei kompakter Bauform des Einspritzventils erreicht. So wird die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung nochmals verbessert.
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Gemäß der Erfindung ist das Speichervolumen mit der ersten Leitung mediumleitend verbunden. Günstig ist, wenn die erste Leitung im Bereich der Spitze des Einspritzventils mit dem Speichervolumen verbunden ist. Zweckmäßig ist, wenn das Speichervolumen die erste Leitung mantelartig umfasst.
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Möglich ist noch, das Speichervolumen extern zu kühlen, dazu kann zum Beispiel Kühlmittel der Brennkraftmaschine herangezogen werden.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Speichervolumen innerhalb des Einspritzventils außenseitig, also mit seiner äußeren Wand nah an einem äußeren Umfang des Grundkörpers angeordnet ist. Somit kann das Speichervolumen Wärmeenergie auch nach außen abgegeben, was eine verbesserte Abkühlung des Kraftstoffes bewirkt und damit die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung unterstützt.
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In erfindungsgemäßer Ausgestaltung weist das Einspritzventil zumindest ein Kühlelement auf, das thermisch leitend mit der Thermosiphon-Kühlvorrichtung, also mit dessen Speichervolumen verbunden ist. Hierdurch wird die Abkühlung des Kraftstoffs nochmals verbessert und die Kühlwirkung der Kühlvorrichtung ebenfalls unterstützt. Das Kühlelement kann in möglicher Ausgestaltung Rippen aufweisen, welche um das Einspritzventil, also um dessen Grundkörperaußenumfang herum außenseitig angeordnet sind. Die Rippen vergrößern die effektive Oberfläche des Einspritzventils, so dass die Kühlwirkung zur Kühlung des warmen Kraftstoffs in dem Speichervolumen weiter verbessert wird
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In weiter möglicher Ausgestaltung kann vorgesehen sein, den oberen Bereich des Einspritzventils aktiv mit Kühlmittel zu kühlen. Dazu kann als Kühlmittel Kraftstoff aus dem Kraftstofftank zugeführt werden. Insbesondere wird es möglich sein, Kühlmittel der Brennkraftmaschine heranzuführen, so dass der obere Bereich, eventuell zusammen mit dem Speichervolumen, und/oder auch die Rippen, und/oder der äußere Bereich des Einspritzventils mit dem Kühlmittel gekühlt werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Kraftstoff in dem passiven Einspritzventil zwar nur minimal gekühlt, jedoch stellt die erfindungsgemäße Ausgestaltung eine sehr preiswerte Möglichkeit zur Kühlung des in dem Einspritzventil gefangenen Kraftstoffs dar, wobei die Kühlung so ausreichend ist, dass kritische Temperaturbeträge des gefangenen Kraftstoffs vermeidbar sind. Die Vorrichtung kann natürlich auch wirksam sein, wenn das Einspritzventil aktiv ist. Dies insbesondere deswegen, weil die Verbindung der ersten Leitung mit dem Speichervolumen stets also sowohl im passiven Zustand als auch im aktiven Zustand aufrechterhalten ist. So kann das Einspritzventil mit der erfindungsgemäßen Anordnung auch im aktiven Zustand gekühlt werden. Dies wirkt sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch und auf die Leistungsentwicklung der Brennkraftmaschine aus.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei Dual Fuel Fahrzeugen, bei welchen zwei unterschiedliche Kraftstoffe zur Brennkraftmaschine geleitet werden, wobei die Brennkraftmaschine zeitweilig mit dem einen und dann zeitweilig mit dem anderen Kraftstoff betrieben wird. Zum einen kann dies herkömmlicher Otto- oder Dieselkraftstoff sein. Zum anderen kann dies ein gasförmiger Kraftstoff sein. Das Fahrzeug kann so mit dem herkömmlichen Kraftstoff betrieben werden, wenn der Gastank leer ist und eine Nachfüllstation nicht erreichbar ist. Die Reichweite des Fahrzeuges wird so im Vergleich zu lediglich mit gasförmigen Kraftstoffen betriebenen Fahrzeugen erweitert. Der herkömmliche Kraftstoff wird günstiger Weise direkt in den Brennraum eingespritzt, während der gasförmige Kraftstoff in den Ansaugtrakt eingeleitet wird. Insofern erfolgt bei einem als flexible fuel, oder auch als dual fuel ausgebildeten Kraftfahrzeug oder einem Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die sowohl mit Saugrohreinspritzung als auch mit Direkteinspritzung der Brennkraftmaschine betrieben wird, nicht immer eine Durchströmung des Einspritzventils mit herkömmlichen Kraftstoff, wobei eine Kühlwirkung des Einspritzventils durch strömenden Kraftstoff ausbleibt. Denn das Einspritzventil zum direkten Einspritzen des herkömmlichen Kraftstoffs ist aufgrund des Betriebes der Brennkraftmaschine mittels des gasförmigen Kraftstoffs (also z. B. CNG, LNG, Methanol, Ethanol, Erdgas) inaktiv, wird also nicht mit Kraftstoff durchströmt. Bei der Erfindung jedoch wird das passive Einspritzventil, also der darin gefangene Kraftstoff hinreichend gekühlt.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt die einzige
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1 ein Einspritzventil in schematischer Darstellung.
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1 zeigt ein Einspritzventil 1 für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wie z. B. eines PKWs.
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Das Einspritzventil 1 weist einen Grundkörper 2 auf, der sich von einem in der Zeichnungsebene oberen Bereich 3 in Richtung zu einer dazu gegenüberliegenden Spitze 4 des Einspritzventils 1 erstreckt. Die Spitze 4 des Einspritzventils 1 ist in 1 lediglich prinzipiell dargestellt. Das Einspritzventil 1 weist eine Kühlvorrichtung auf, welche eine Thermosiphon-Kühlvorrichtung 5 ist.
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An dem Grundkörper 2 ist außenseitig ein Kühlelement 6 angeordnet, welches in der dargestellten Ausgestaltung als Kühlrippen 7 ausgeführt ist. Innenseitig weist der Grundkörper eine erste, also innere Leitung 8 und ein dieses umfassendes, Speichervolumen 9 auf. Durch die innere Leitung 8 wird Kraftstoff zu der Spitze des Einspritzventils 1 geleitet bzw. gefördert. Ist das Einspritzventil 1 aktiv wird dieses durch den Kraftstofffluss genügend gekühlt, wobei überwiegend in der inneren Leitung 8 Kraftstoff in Richtung zur Spitze 4 strömt. Wie in 1 erkennbar, ist die erste Leitung 8, also die innere Leitung 8 von dem Speichervolumen 9 mantelartig umfasst.
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Das Speichervolumen 9 ist erkennbar sehr nah an einem Außenumfang des Grundkörpers 2 angeordnet. Möglich ist auch, wenn das Speichervolumen 9 mit seiner äußeren Wand zumindest abschnittsweise den Außenumfang des Grundkörpers 2 bildet. So hätte das Speichervolumen 9 über seine äußere wand direkten Kontakt mit der Umgebung.
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Ist das Einspritzventil passiv, unterbleibt eine Kraftstoffströmung durch die innere Leitung 8. Hier setzt die Erfindung zur Kühlung des Einspritzventils, also des darin gefangenen Kraftstoffs an, wenn die Brennkraftmaschine dennoch betrieben wird, wozu ein anderer Kraftstoff genutzt wird.
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Ist das Einspritzventil 1 inaktiv, also passiv, wird der in dem Speichervolumen 9 gefangene Kraftstoff durch die Wärmeeinwirkung der in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine erwärmt, und steigt von der Spitze 4 des Einspritzventils 1 in Richtung zum oberen Bereich 3, also zum Kopfbereich. Dort kühlt sich der gefangene Kraftstoff ab und sinkt innerhalb des Speichervolumens wieder in Richtung zur Spitze 4.
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Der in dem Speichervolumen 9 befindliche erwärmte Kraftstoff gibt dabei bereits einen Teil seiner aufgenommenen Wärme an den Grundkörper 2 nach außen ab, wodurch bereits eine gewisse Kühlwirkung erzeugt wird, wobei der abgekühlte Kraftstoff in Richtung zur Spitze des Einspritzventils 1 geleitet wird.
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So ist ein antriebsfreier, also pumpenfreier Kühlmittelkreislauf gebildet ist. Das Kühlmittel ist dabei Kraftstoff herkömmlicher Art, also Diesel- oder Ottokraftstoff.
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Die Kühlwirkung wird verbessert, indem das Speichervolumen 9 in seinem Volumen, also auch in seiner äußeren Oberfläche entsprechend anpassbar ist, so dass eine Kühlwirkung des in dem Speichervolumen 9 befindlichen Kraftstoffs erreichbar ist. Das Speichervolumen 9 ist also Bestandteil der Thermosiphon-Kühlvorrichtung 5.
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Weiter zeigt 1, dass die Kühlelemente 6 in der Ausgestaltung als Kühlrippen 7 an einer Umfangsfläche des Grundkörpers 2 angeordnet sind, welche die wirksame Oberfläche vergrößern. So ist die Kühlwirkung nochmals verbessert.
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Weiter kann vorgesehen sein, die äußere Oberfläche des Grundkörpers 2, eventuell sogar auch extern mit Kühlmittel der in Betrieb befindlichen Brennkraftmaschine zu kühlen. So kann die Kühlwirkung weiter verbessert werden.
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Natürlich kann auch das Speichervolumen 9 extern, also zum Beispiel ebenfalls mittels des Kühlmittels der Brennkraftmaschine gekühlt werden, um die Kühlwirkung weiter zu verbessern. In 1 ist noch eine an dem oberen Bereich 3 angeordnete Dichtvorrichtung 10 erkennbar, welche von der ersten Leitung 8 durchgriffen wird. Die erste Leitung 8 steht mit einer Kraftstoffzuführung in Verbindung, welche Kraftstoff zum Einspritzventil 1 fördert, wenn dieses aktiv ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einspritzventil
- 2
- Grundkörper
- 3
- Oberer Bereich
- 4
- Spitze
- 5
- Thermosiphon-Kühlvorrichtung
- 6
- Kühlelement
- 7
- Kühlrippen
- 8
- Erste, also innere Leitung
- 9
- Speichervolumen
- 10
- Dichtvorrichtung
