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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wassereinspritz-Ventilanordnung für eine Brennkraftmaschine.
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Eine Wassereinspritz-Ventilanordnung dient dazu, in einen Gaskanal einer Brennkraftmaschine, in der Regel in den Lufteinlasskanal, bei Bedarf Wasser einzuspritzen, um die Kühlung zu verbessern bzw. den thermischen Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen.
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DE 10 2015 208 508 A1 ist eine Wassereinspritz-Ventilanordnung bekannt, bei der ein Wassereinspritzventil, durch das bei Bedarf Wasser in zerstäubter Form in die Ansaugluft eingespritzt wird, vollständig in dem Gaskanal angeordnet ist. Durch das Wassereinspritzventil wird ein nicht unerheblicher Luftwiderstand generiert, der unerwünscht sein kann. Aus
DE 10 2015 208 472 A1 ist eine Wassereinspritz-Ventilanordnung bekannt, bei der das Wassereinspritzventil in das Gaskanalgehäuse bzw. in den Zylinderkopf eingesetzt ist, so dass im Wesentlichen nur die Einspritzdüse in den Lufteinlasskanal hineinragt. Allerdings besteht bei dieser Anordnung grundsätzlich die Gefahr, dass in Schlitzen und Spalten zwischen dem Gaskanalgehäuse und dem Wassereinspritzventil Wasser verbleibt, das bei Temperaturen unter 0°C gefrieren und erhebliche Schäden anrichten kann. Zusätzlich können Ablagerungen und Verschmutzungen das Ventil zusetzen und Schäden anrichten.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Wassereinspritz-Ventilanordnung zu schaffen, bei der das Wassereinspritzventil strömungsgünstig verbaubar und frostsicher ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Wassereinspritz-Ventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Wassereinspritz-Ventilanordnung für eine Brennkraftmaschine weist ein Wassereinspritzventil mit einer Einspritzdüse zum Einspritzen von Wasser in einen Gaskanal der Brennkraftmaschine auf. Das Wassereinspritzventil ist nicht vollständig innerhalb des Gaskanals angeordnet, sondern ist teilweise oder vollständig in das Gaskanalgehäuse eingebettet, derart, dass die Einspritzdüse des Wassereinspritzventils auf den Gaskanal gerichtet ist. Das Wassereinspritzventil steckt mindestens zu einem großen Teil in einer korrespondierenden Ausnehmung des Gaskanalgehäuses.
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Das Gaskanalgehäuse bildet und definiert sowohl den Gaskanal als auch den Träger für das Wassereinspritzventil. Das Gaskanalgehäuse weist ferner eine Spülleitung auf, deren einspritzdüsenseitige Spülöffnung der Einspritzdüse zugeordnet ist und deren kanalseitige Kanalöffnung an einem anderen Ort mündet, beispielsweise in demselben Gaskanal, dem auch das Wassereinspritzventil zugeordnet ist. Die Kanalöffnung kann stromabwärts oder stromaufwärts des Wassereinspritzventils an dem Gaskanal angeordnet sein bzw. in diesen münden. Die Spülöffnung ist der Einspritzdüse räumlich und/oder fluidisch zugeordnet, derart, dass ein die Spülöffnung passierender Luftstrom das im Bereich der Einspritzdüse angesammelte Wasser entfernt. Bei einem Gasstrom in dem Gaskanal entsteht zwischen der Spülöffnung einerseits und der Kanalöffnung andererseits zwangsläufig ein Druckgefälle in der einen oder anderen Richtung. Durch dieses Druckgefälle wird in der Spülleitung eine Spülströmung erzwungen, durch die Wasser im Bereich der Einspritzdüse entweder abgesaugt oder weggeblasen wird. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass bei Betrieb der Brennkraftmaschine der Bereich der Einspritzdüse stets freigehalten wird von Wasser und die durch den Betrieb entstehenden Verschmutzungen abtransportiert werden.
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Wenn die Brennkraftmaschine abgeschaltet wird, kann sich praktisch kein Wasser mehr im Bereich der Einspritzdüse befinden. Auf diese Weise ist die Wassereinspritz-Ventilanordnung frostsicher und zwar auch dann, wenn die Einspritzdüse in einer sich nach oben öffnenden Mulde des Gaskanalgehäuses angeordnet wäre, in der sich aufgrund der Schwerkraft das Wasser und ggfl. Schmutzungen grundsätzlich sammeln. Damit bestehen bei der räumlichen Konzeption der Wassereinspritz-Ventilanordnung große Freiheiten insbesondere bei der räumlichen Anordnung des Wassereinspritzventils, das dort angeordnet werden kann, wo genügend Bauraum zur Verfügung steht. Ferner kann das Wassereinspritzventil im Prinzip vollständig in das Gaskanalgehäuse versenkt eingebaut werden, so dass der durch das Wassereinspritzventil begründete Strömungswiderstand minimal ausfällt.Grundsätzlich kann ein Teil der Spülleitung auch außerhalb des Gaskanalgehäuses verlaufen. Die Spülöffnung wird in jedem Fall von dem Gaskanalgehäuse gebildet.
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Vorzugsweise ist die Kanalöffnung der Spülleitung an dem geodätisch tiefsten Punkt der Spülleitung angeordnet. Unter dem tiefsten Punkt ist vorliegend der Punkt zu verstehen, der in Bezug auf die Schwerkraft den tiefsten Punkt der Spülleitung bildet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass durch die Spülleitung Wasser schwerkraftbedingt auch dann abläuft, wenn zwischen der Spülöffnung und der Kanalöffnung der Spülleitung kein Druckgefälle besteht, beispielsweise dann, wenn der Verbrennungsmotor nicht mehr läuft.
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Grundsätzlich kann das Wassereinspritzventil dem Auslasskanal oder dem Lufteinlasskanal eines Zylinders oder mehrerer Zylinder zugeordnet sein. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Gaskanal, in dem das Wassereinspritzventil angeordnet ist, ein Lufteinlasskanal der Brennkraftmaschine, der fluidisch in einen Zylinderraum führt. Es wird also die Ladeluft gekühlt. Besonders bevorzugt ist jedem Zylinder ein eigenes Wassereinspritzventil zugeordnet. Es können jedem Zylinder auch mehrere Wassereinspritzventile zugeordnet sein.
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Während des Betriebs der Brennkraftmaschine besteht bei geschlossenem Zylinder-Einlassventil im Bereich der Einspritzdüse ein höherer Fluiddruck als stromaufwärts der Einspritzdüse, und besteht im Bereich der Einspritzdüse bei geöffnetem Zylinder-Einlassventil ein niedrigerer Fluiddruck als stromaufwärts der Einspritzdüse. Wenn die kanalseitige Kanalöffnung also an einem Ort stromaufwärts der Einspritzdüse in den Gaskanal mündet, wird durch das Druckgefälle bei geschlossenem Zylinder-Einlassventil in der Spülleitung eine Fluidströmung in Richtung kanalseitige Kanalöffnung und bei geöffnetem Zylinder-Einlassventil eine Fluidströmung in Richtung der Spülöffnung erzwungen. In beiden Fällen werden durch die erzwungene Fluidströmung das im Bereich der Einspritzdüse angesammelte Wasser und ggf. Verschmutzungen entweder abgesaugt oder aus- bzw. weggeblasen.
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Vorzugsweise ist das Wassereinspritzventil derart hängend angeordnet, dass die Einspritzdüse aufwärts gerichtet ist. Die Wassereinspritzung erfolgt also mit einer vertikal nach oben gerichteten Komponente. Hieraus folgt, dass das Wassereinspritzventil in einer entsprechenden Öffnung und Ausnehmung des Gaskanalgehäuses sitzt, in der sich aufgrund der Schwerkraft Wasser ansammeln kann. Selbst bei einer derartigen räumlichen Einbausituation kann durch die erfindungsgemäße Spülleitung sichergestellt werden, dass das sich in der Gaskanalgehäuse-Öffnung sammelnde Wasser bei jedem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine mehrmals entfernt wird.
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In einem bevorzugen Ausführungsbeispiel bilden die Einspritzdüse am proximalen Ende des Wassereinspritzventils und das die Einspritzdüse umgebende Gaskanalgehäuse einen Ringspalt, der die Einspritzdüse umgibt, beispielsweise zylinderförmig umgibt. Die der Einspritzdüse zugeordnete Spülöffnung ist bevorzugt an dem Gaskanal abgewandten Längsende des Ringspalts angeordnet, vorzugsweise in dem letzten Drittel der axialen Länge des Ringspalts. Die Spülöffnung ist also sozusagen am Boden des Ringspalts angeordnet. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die gesamte Länge des Ringspalts von Wasser freigehalten wird.
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Besonders bevorzugt ist die Spülöffnung am tiefsten Punkt des Ringspalts angeordnet, wobei der tiefste Punkt der Punkt ist, der bezüglich der Schwerkraft am Tiefsten liegt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Wasser sich dort schwerkraftbedingt sammelt, wo sich auch die Spülöffnung der Spülleitung befindet.
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Vorzugsweise beträgt der weitgehend konstante Durchmesser des Spülkanals 1,0-10 mm, bezogen auf einen kreisförmigen Durchmesser des Spülkanals. Selbstverständlich kann der Spülkanal auch eine andere Querschnittsform aufweisen und eine zu einem Durchmesser von 1,0-10 mm äquivalente Querschnittsfläche aufweisen. Eine große Querschnittsfläche des Spülkanals verbessert die Wasserablaufeigenschaften bei Stillstand der Brennkraftmaschine, da keine Kapillarkräfte das Wasser am Ablaufen hindern. Ein kleiner Querschnitt des Spülkanals stellt hohe Strömungsgeschwindigkeiten sicher, wodurch die fluidische Dynamik verbessert wird, so dass die Wasserablaufeigenschaften bei Betrieb der Brennkraftmaschine gut sind.
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Vorzugsweise ist in dem Spülkanal eine Drossel angeordnet, wobei die Drossel nahe an der Spülöffnung angeordnet ist. Durch die Drossel wird in der Nähe der Spülöffnung eine hohe Strömungsgeschwindigkeit sichergestellt. Zwischen der Drossel und der Kanalöffnung weist die Spülleitung einen relativ großen Querschnitt auf, so dass in diesem Bereich die Kapillarkräfte gering sind und Wasser allein durch die Schwerkraft bewegt aus dem Spülkanal ablaufen kann.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Wassereinspritz-Ventilanordnung mit einem vollständig versenkt angeordneten Wassereinspritzventil, und
- 2 eine vergrößerte und detailliertere Darstellung der Wassereinspritz-Ventilanordnung der 1.
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In der 1 ist schematisch ein Teil einer Brennkraftmaschine 10 mit einer Wassereinspritz-Ventilanordnung 30 dargestellt. Die Brennkraftmaschine 10 weist einen Motorblock 12 auf, der einen Motorzylinder 18 definiert, in dem sich ein Kolben 20 vorliegend auf- und abwärts bewegt. Ferner weist die Brennkraftmaschine 10 ein Zylinder-Einlassventil 14 und ein Zylinder-Auslassventil 16 auf. An das Einlassventil 14 schließt sich stromaufwärts ein Gaskanalgehäuse 32 an, durch das die Ladeluft in einem Ladeluft-Strom 38 von einem Gaskanalgehäuse-Gaseinlass 31 durch den von dem Gaskanalgehäuse 32 definierten Gaskanal 34 zu dem Einlassventil 14 strömt. An das Zylinder-Auslassventil 16 schließt sich ein Gasauslasskanal 22 an, der von einem Gasauslasskanal-Gehäuse 24 definiert wird.
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Das Gaskanalgehäuse 32 weist einen Gaskanal-Gehäusekörper 36, der den Gaskanal 34 definiert und einen einstückig damit ausgebildeten Ventilhaltekörper 40 auf, der in einer Ausnehmung 42 ein im Wesentlichen zylindrisches Wassereinspritzventil 44 in sich aufnimmt. Das Wassereinspritzventil 44 weist an seinem distalen Längsende eine Wasser-Einspritzdüse 46 auf und ist hängend angeordnet, so dass die Einspritzdüse 46 aufwärts gerichtet angeordnet ist. Das Wassereinspritzventil 44 ist vollständig versenkt angeordnet, so dass die Einspritzdüse 46 nicht in den Gaskanal 34 hineinragt. Durch die Einspritzdüse 46 wird bedarfsweise ein Einspritzwasser-Strom 47 in den Gaskanal 34 eingespritzt.
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Die zylindrische Einspritzdüse 46 weist einen geringeren Außendurchmesser auf als der zylindrische Grundkörper des Wassereinspritzventils 44. Die Einspritzdüse 46 sitzt in einer korrespondierenden zylindrischen Ausnehmung 42'. Zwischen der zylindrischen Außenwand der Einspritzdüse 46 und der Innenwand der zylindrischen Ausnehmung 42' ist ein zylindrischer Ringspalt 45 gebildet, der sich mit Wasser füllen kann.
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An dem ringförmigen Absatz zwischen der Einspritzdüse 46 und dem Grundkörper des Wassereinspritzventils 44 ist ein Dichtungsring 56 vorgesehen, durch den verhindert wird, dass Wasser aus dem Ringspalt 45 zu dem Grundkörper hin ablaufen kann.
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Das Gaskanalgehäuse 32 weist im Bereich des Ventilhaltekörpers 40 eine Spülleitung 50 auf, deren einspritzdüsenseitige Spülöffnung 52 fluidisch und räumlich der Einspritzdüse 46 zugeordnet ist und deren kanalseitige Kanalöffnung 54 den tiefsten Punkt der Spülleitung 50 bildet und stromaufwärts der Einspritzdüse 46 in den Gaskanal 34 mündet. Die Spülleitung 50 ist, von der Spülöffnung 52 aus gesehen, durchgehend geodätisch abschüssig angeordnet, so dass das Wasser in der Spülleitung 50 auch ohne eine Druckdifferenz zwischen der Spülöffnung 52 und der Kanalöffnung 54 aus der Spülleitung durch die Kanalöffnung 54 in das Gaskanalgehäuse 42 nach unten in den Gaskanal 34 ablaufen kann.
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Die Spülöffnung 52 befindet sich am tiefsten Punkt des Ringspalts 45, also an dem dem Gaskanal 34 abgewandten Längsende des Ringspalts 45. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der gesamte Ringspalt 45 durch die Spülleitung 50 gelüftet wird.
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Bei geschlossenem Zylinder-Einlassventil 14 ist der Fluiddruck an der Spülöffnung 52 höher als an der Kanalöffnung 54, so dass eine Fluidströmung durch die Spülleitung 50 in Richtung Kanalöffnung 54 erzwungen wird. Auf diese Weise werden das im Ringkanal 45 angesammelte Wasser und ggf. Verschmutzungen durch die Spülleitung 50 in Richtung Kanalöffnung 54 abgesaugt. Sobald das Zylinder-Einlassventil 14 geöffnet ist, kehren sich die Druckverhältnisse um, so dass der Fluiddruck an der Kanalöffnung 54 größer ist als an der Spülöffnung 52. Hierdurch wird in der Spülleitung 50 eine Fluidströmung in Richtung Spülöffnung 52 erzwungen, so dass der Ringkanal 45 durch die aus der Spülöffnung 52 austretende Luft freigeblasen wird und kein Wasser und keine Verschmutzungen in dem Ringkanal 45 verbleiben. Während des Betriebes der Brennkraftmaschine 10 finden während eines Arbeitszyklus zwei Wechsel der Strömungsrichtung der Fluidströmung in der Spülleitung 50 statt.
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Die Spülleitung 50 weist vorliegend einen konstanten Durchmesser von mehreren Millimetern auf, beispielsweise von 10 mm. In unmittelbarer Nähe der Spülöffnung 52 weist die Spülleitung eine Drossel 68 auf, durch die die Geschwindigkeit der Fluidströmung im Bereich der Spülöffnung 52 erheblich erhöht wird. Der Durchmesser bzw. der Querschnitt des Spülkanals 50 jenseits der Drossel 68 ist mit beispielsweise 10 mm so groß, dass die Kapillarkräfte ein schwerkraftbedingtes Ablaufen des Wassers nicht verhindern können.
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Es ist ein Wassertank 70 mit destilliertem Wasser 72 vorgesehen, das durch eine Wasser-Einspritzpumpe 74 zu dem Wassereinspritzventil 44 gepumpt wird. Ferner ist eine Steuerung 80 vorgesehen, durch die die Wassereinspritzung des Wassereinspritzventils 44 bedarfsabhängig gesteuert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015208508 A1 [0003]
- DE 102015208472 A1 [0003]
