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Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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DE 10 2017 219 371 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Zuführung einer gefriergefährdeten Flüssigkeit in die Brennräume einer Brennkraftmaschine. Die
DE 10 2014 222 470 A1 zeigt ein Verfahren zur Steuerung der Fluidmenge in der Ansaugluft einer Brennkraftmaschine. Die
DE 10 2014 204 509 A1 zeigt eine Wassereinspritzanlage für einen Verbrennungsmotor. Die
DE 199 01 090 A1 zeigt ein Ventil zum dosierten Einleiten von verflüchtigtem Brennstoff. Die
WO 2017/115318 A1 zeigt eine Ventilanordnung für eine turboverstärkte Maschine.
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Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren werden laufend im Hinblick auf die Dimensionierungen der Verbrennungsmotoren und deren Umgebung überprüft und optimiert. Das damit einhergehende sogenannte Downsizing führt zu dem Problem, dass bei der Verbrennung anfallende Wärme nicht immer aus dem Verbrennungsraum abgeführt werden kann. Dieses Problem tritt vor allem bei Kraftfahrzeugen mit Hochleistungsmotoren auf.
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Vor diesem Hintergrund ist bereits bekannt, bei hohen Lastanforderungen die eingespritzte Menge an Kraftstoff zu erhöhen. Es wird so eine Überfettung des Gemischs aus Kraftstoff und Luft bei hohen Lastanforderungen bewirkt. Dieses Vorgehen führt aber dazu, dass sich auch unverbrannter Kraftstoff im Abgas des Kraftfahrzeugs befindet. Das heißt, dass Kraftstoff verschwendet wird.
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Das beschriebene Vorgehen steht somit im Widerspruch zu einer erwünschten bzw. geforderten Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs vor dem Hintergrund gesetzlicher Regelungen zum CO2-Ausstoss.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, insbesondere von Hochleistungsmotoren, auf effektive Weise.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Motor, insbesondere einen Hochleistungsmotor, so mit Kraftstoff zu versorgen, dass dessen Kraftstoffverbrauch möglichst gering ist, wobei eine Anordnung oder ein Ventil verwendet wird, welches ein möglichst exaktes Dosieren von Kraftstoff oder Kraftstoff-Gemischen ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass im Rennsport bei hohen Lastanforderungen an den Verbrennungsmotor der angesaugten Luft Wasser beigemischt wird. Darauf ist erkannt worden, dass das Zudosieren von Wasser nicht in die Ansaugluft, sondern in den flüssigen Kraftstoff in der Kraftstoff-Hochdruckpumpe erfolgen kann.
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Darauf ist erkannt worden, dass eine Anordnung, mit welcher das Zudosieren von Wasser in den flüssigen Kraftstoff erfolgen kann, mehrere Komponenten aufweisen muss, um das Wasser mit einem definierten Druck zu beaufschlagen. Einige dieser Komponenten sind ein Tank für das Wasser, eine Wasserpumpe zum Fördern des Wassers zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe und ein Dosierventil zum dosierten Fördern des Wassers zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe. Weiter ist ein Druckspeicher vorgesehen, in welchen das Wasser vom Tank kommend einleitbar ist und von welchem das Wasser zum Dosierventil führbar ist.
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Erfindungsgemäß ist ein Ventil zur Entlüftung des Druckspeichers vorgesehen, weil im Wassersystem ein definierter Druck eingeregelt werden muss. Es ist erkannt worden, dass Wasser inkompressibel ist. Daher muss ein definierter Lufteinschluss über der Wasseroberfläche im Druckspeicher sichergestellt werden, um relativ problemlos die Regelbarkeit des Drucks zu gewährleisten, der im Druckspeicher herrscht und unter dem das Wasser steht.
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Diese erfindungsgemäß sehr exakte Regelung des Drucks erfolgt unter der Realisierung extrem kleiner Volumina eines Volumenstroms von Luft. Das Ventil ist erfindungsgemäß mit einer Düse versehen, welche das Zu- und Abströmen sehr kleiner Volumina in bzw. aus dem Druckspeicher sicherstellt.
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Hierdurch ist es möglich, einen Motor, insbesondere einen Hochleistungsmotor, so mit Kraftstoff zu versorgen, dass dessen Kraftstoffverbrauch möglichst gering ist. Es wird erfindungsgemäß eine Anordnung oder ein Ventil verwendet, welche bzw. welches ein möglichst exaktes Dosieren von Kraftstoff oder Kraftstoff-Gemischen ermöglicht, weil Druckverhältnisse in einem Wassersystem sehr exakt geregelt werden können.
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Das Dosierventil könnte mit der Kraftstoff-Hochdruckpumpe in fluidleitender Verbindung stehen, zu welcher es das Wasser leitet, und die Kraftstoff-Hochdruckpumpe könnte mit einem Injektor in fluidleitender Verbindung stehen. So kann der Injektor ein Gemisch aus dem Wasser und dem der Kraftstoff-Hochdruckpumpe außerdem zugeleiteten Kraftstoff in den Verbrennungsmotor einspritzen oder diesem zuleiten. Flüssiger Kraftstoff und Wasser werden beide der Kraftstoff-Hochdruckpumpe zugeleitet und von dort in den Injektor gefördert.
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Zwischen der Wasserpumpe und dem Druckspeicher könnte ein Filterelement angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich könnte das Ventil zwischen dem Druckspeicher und einem Feinfilterelement angeordnet sein. Ein Filterelement verhindert das Eindringen von Schwebeteilchen oder Verunreinigungen aus dem Wassertank in den Druckspeicher. Das Filterelement ist daher bevorzugt ein Flüssigkeitsfilter. So kann der Motor geschützt werden. Ein Feinfilterelement kann in der Luft vorhandene Verunreinigungen herausfiltern und so verhindern, dass diese dem Motor zugeleitet werden. Auch so kann der Motor geschützt werden.
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Ein Ventil zur Entlüftung, welches geeignet ist, in einer Anordnung der hier beschriebenen Art verwendet zu werden, umfasst einen Einlass und einen Auslass, welche mittels einer elektromagnetischen Einrichtung miteinander fluidleitend verbindbar sind, um einen Volumenstrom des Fluids herzustellen. Der Einlass und der Auslass sind auch voneinander so abtrennbar, dass kein Volumenstrom zwischen dem Einlass und dem Auslass stattfindet.
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Vorteilhaft ist bzw. sind dem Einlass und/ oder dem Auslass eine Düse zur Limitierung des Volumenstroms durch das Ventil zugeordnet.
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Die Düse und die elektromagnetische Einrichtung könnten derart aufeinander abgestimmt sein, dass Volumina des Fluids in einem Bereich zwischen 0,1 ml bis 1 ml dosierbar sind. Alternativ oder zusätzlich könnte die Düse einen Innendurchmesser von 0,2 mm aufweisen. Die Limitierung des Volumenstroms kann durch einen sehr engen Innendurchmesser oder Strömungsquerschnitt des Strömungskanals der Düse hergestellt werden.
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Das Ventil könnte über einen elektrischen Anschluss mit einer Steuerung verbindbar oder verbunden sein, welche Spannungspulse im Bereich 5 ms bis 200 ms erzeugt. Alternativ oder zusätzlich könnte das Ventil eine Diode aufweisen, welche dem Magnetkreis der elektromagnetischen Einrichtung zugeordnet ist. Ein elektrischer Anschluss erlaubt ein leichtes Anstecken einer externen vom Ventil zunächst separierten Steuerung. Das Ventil wird bevorzugt mit Spannungspulsen mit sehr kurzer Pulsdauer, bevorzugt 5ms bis 200ms, beaufschlagt. Damit ergibt sich ein Dosiervolumen von 0,1 ml bis 1ml. Um diese kleinen Luftmengen zu dosieren, wird außerdem bevorzugt eine Düse mit typischem Innendurchmesser von 0,2 mm, verwendet, die den Volumenstrom limitiert. Eine am Magnetkreis integrierte Diode stellt sicher, dass beim Abschalten des Ventils keine induzierten Spannungspulse zur Steuerung gelangen, die diese zerstören könnten.
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Es könnte ein beweglicher Ventilkörper vorgesehen sein, der zur Herstellung des Volumenstroms unter Überwindung der Rückstellkraft einer Feder von einem Dichtsitz abhebt und zur Unterbrechung des Volumenstroms an diesem anliegt. Bevorzugt ist der Ventilkörper aus einem Elastomer gefertigt oder weist ein solches auf. Ein Elastomer kann eine hohe Dichtheit bewirken, wenn dieses gegen einen Dichtsitz eines Ventilgehäuses gepresst wird.
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Zwischen dem Einlass und der Düse könnte ein inneres Filterelement innerhalb des Ventilgehäuses angeordnet sein. Hierdurch ist weiter sichergestellt, dass keine Verunreinigungen in den Druckspeicher gelangen.
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Die Düse könnte in einem Einsetzteil ausgebildet sein, welches in das Ventilgehäuse einsetzbar oder eingesetzt ist. Hierdurch kann eine Düse leicht ausgetauscht werden. Es können mehrere Düsen mit geeigneten Strömungsquerschnitten leicht ausgetauscht werden.
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Der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals der Düse könnte kleiner sein, bevorzugt um ein Vielfaches, als der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals im Einlass und/ oder im Auslass. Hierdurch ist eine Limitierung des Volumenstroms effektiv möglich.
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Ein Kraftfahrzeug könnte eine Anordnung und/ oder ein Ventil der hier beschriebenen Art aufweisen.
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In der Zeichnung zeigen
- 1 eine Anordnung zum Zuführen von Wasser in den flüssigen Kraftstoff eines Verbrennungsmotors, wobei die Anordnung ein Ventil zur Entlüftung eines Druckspeichers aufweist, und
- 2 das Ventil zur Entlüftung in detaillierter Schnittansicht, wobei die Düse des Ventils zur Limitierung eines Volumenstroms dargestellt ist.
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1 zeigt eine Anordnung zum Zuführen von Wasser in den flüssigen Kraftstoff 12 eines Verbrennungsmotors 1. Die Anordnung umfasst einen Tank 2 für das Wasser und eine Wasserpumpe 3 zum Fördern des Wassers vom Tank 2 zu einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4.
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Es sind weiter ein Dosierventil 5 zum dosierten Fördern des Wassers zu der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 und ein Druckspeicher 6 vorgesehen, in welchen das Wasser vom Tank 2 kommend einleitbar ist und von welchem das Wasser zum Dosierventil 5 führbar ist. Zwischen der Wasserpumpe 3 und dem Druckspeicher 6 ist ein Filterelement 7 angeordnet. Im Druckspeicher 6 ist Wasser 6a vorhanden und über der Wasseroberfläche ist ein definierter Lufteinschluss 6b vorhanden. Im Druckspeicher 6 herrscht ein definierter Druck.
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Es ist ein Ventil 8 zur Entlüftung des Druckspeichers 6 vorgesehen, welches eine Düse 9, wie in 2 dargestellt, zur Limitierung eines Volumenstroms durch das Ventil 8 aufweist. Das Ventil 8 ist zwischen dem Druckspeicher 6 und einem Feinfilterelement 10 angeordnet.
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Das Dosierventil 5 wiederum steht mit der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 in fluidleitender Verbindung, zu welcher es das Wasser in Pfeilrichtung leitet. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 wiederum steht mit einem Injektor 11 in fluidleitender Verbindung, der ein Gemisch aus dem zugeleiteten Wasser und dem flüssigen Kraftstoff 12 in den Verbrennungsmotor 1 einspritzt. Der flüssige Kraftstoff 12 wird ebenfalls der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 4 in Pfeilrichtung zugeleitet.
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2 zeigt das Ventil 8, das in der zuvor beschriebenen Anordnung verwendet wird, in detaillierter Darstellung. Das Ventil 8 kann selbstverständlich auch in einer anderen Anordnung verwendet werden, in der seine Düse 9 Vorteile bringt. Das Ventil 8, welches zur Entlüftung geeignet ist, umfasst einen Einlass 13 und einen Auslass 14, welche mittels einer elektromagnetischen Einrichtung 15 miteinander fluidleitend verbindbar sind, um einen Volumenstrom des Fluids, nämlich von Luft, herzustellen. Der Einlass 13 und der Auslass 14 sind auch voneinander so abtrennbar, dass kein Volumenstrom zwischen dem Einlass 13 und dem Auslass 14 stattfindet. Die Strömungsrichtung eines Volumenstroms zwischen Einlass 13 und Auslass 14 hängt von den Druckverhältnissen ab. Dies ist schematisch durch die Doppelpfeile dargestellt.
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Im konkret gezeigten Ausführungsbeispiel ist dem Einlass 13, welcher einer Druckseite des Druckspeichers 6 zugewandt ist, die Düse 9 zur Limitierung des Volumenstroms durch das Ventil 8 zugeordnet. Der Auslass 14 ist dem Feinfilterelement 10 gemäß 1 zugewandt.
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Die Düse 9 und die elektromagnetische Einrichtung 15 sind derart aufeinander abgestimmt, dass Volumina der Luft in einem Bereich zwischen 0,1 ml bis 1 ml dosierbar sind, wobei die Düse 9 einen Innendurchmesser von 0,2 mm aufweist. Der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals der Düse 9 ist daher kleiner als der Strömungsquerschnitt des Strömungskanals im Einlass 13 und im Auslass 14.
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Das Ventil 8 ist über einen elektrischen Anschluss 16 mit einer nicht gezeigten Steuerung verbindbar, welche Spannungspulse im Bereich 5 ms bis 200 ms erzeugt. Der Anschluss 16 weist eine Innenaufnahme auf, in die ein männliches Teil einer Steuerung oder eines Steuergeräts eingeführt werden kann.
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Das Ventil 8 weist des Weiteren eine Diode 17 auf, welche dem Magnetkreis der elektromagnetischen Einrichtung 15 zugeordnet ist. Die magnetische Einrichtung 15 weist eine Spule 18 auf, welche ein Magnetfeld erzeugen kann. Durch das Magnetfeld ist ein Anker 19 bewegbar, der mit einem Stößel 20 verbunden ist. Die elektromagnetische Einrichtung 15 weist des Weiteren einen Polkern 21, eine Rückschlussplatte 22 und ein Magnetrückschlussgehäuse 23 auf.
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Im Ventil 8 ist weiter ein beweglicher Ventilkörper 24 vorgesehen, der zur Herstellung des Volumenstroms unter Überwindung der Rückstellkraft einer Feder 25 von einem Dichtsitz 26 abhebt und zur Unterbrechung des Volumenstroms an diesem anliegt.
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Zwischen dem Einlass 13 und der Düse 9 ist ein inneres Filterelement 27 innerhalb des Ventilgehäuses 30 in Reihe angeordnet. Die Düse 9 ist in einem Einsetzteil 28 ausgebildet, welches in das Ventilgehäuse 30 einsetzbar ist. Das Einsetzteil 28 ist im Wesentlichen zylindrisch und durch Dichtringe 29 gegen das Ventilgehäuse 30 abgedichtet.
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Das Ventil 8 hat in der Praxis drei wesentliche Aufgaben: Bei der Erstbefüllung des Wassersystems der Anordnung nach 1 an einem Montageband einer Kraftfahrzeugfabrik ist das Ventil 8 geöffnet, damit die Luft aus dem Druckspeicher 6 entweichen kann. Ein typischer Volumenstrom für die Luft ist 35l/h bei 4 bar.
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Während des Betriebs allerdings muss das Ventil 8 hohe Anforderungen in Bezug auf Leckagen erfüllen, damit nur wenig Luft entweicht. Bevorzugt sollen weniger als 0,1 ml/h in einem Druckbereich von 0,4 bar bis 10 bar entweichen. Da auch eine extrem kleine Leckage dazu führen würde, dass im Druckspeicher 6 zu wenig Luft vorhanden ist, muss durch das Ventil 8 genau dosiert Luft zugeführt werden können. Dabei wird im Druckspeicher 6 ein Unterdruck erzeugt, der typischerweise -300 hPa beträgt.
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Wenn an dem Ventil 8 gemäß 2 bzw. an dessen Spule 18 keine Spannung anliegt, das heißt kein Strom fließt, ist das Ventil 8 geschlossen. Es findet kein Volumenstrom vom Einlass 13 zum Auslass 14 oder umgekehrt statt.
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In 2 ist konkret die Situation dargestellt, bei der durch die Spule 18 ein Strom fließt und ein Magnetfeld erzeugt ist. Dann wird der Anker 19 in Pfeilrichtung zum Polkern 21 gezogen. Da der Anker 19 mit dem Stößel 20 verbunden ist, wird der Ventilkörper 24, der ein Elastomer aufweist, durch den Stößel 20 gegen die Feder 25 gedrückt. Wenn die Rückstellkraft der Feder 25 überwunden wird, wird der Dichtsitz 26 vom Ventilkörper 24 freigegeben, weil sich der Ventilkörper 24 vom Dichtsitz 26 wegbewegt. Dann erfolgt ein Volumenstrom in Abhängigkeit von den Druckverhältnissen vom Einlass 13 zum Auslass 14 oder umgekehrt.
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Überraschend wirkt der hohe Druck im Wassersystem auf den Ventilkörper 24 im Betrieb dichtend. Das Elastomer des Ventilkörpers 24 wird im Betrieb gegen den Dichtsitz 26 gepresst. Somit wird die Leckage mit steigendem Druck sogar geringer.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Tank für Wasser
- 3
- Wasserpumpe
- 4
- Kraftstoff-Hochdruckpumpe
- 5
- Dosierventil
- 6
- Druckspeicher
- 6a
- Wasser
- 6b
- Luft oder Lufteinschluss
- 7
- Filterelement
- 8
- Ventil
- 9
- Düse
- 10
- Feinfilterelement
- 11
- Injektor
- 12
- Kraftstoff, flüssig
- 13
- Einlass von 8
- 14
- Auslass von 8
- 15
- elektromagnetische Einrichtung
- 16
- Anschluss
- 17
- Diode
- 18
- Spule
- 19
- Anker
- 20
- Stößel
- 21
- Polkern
- 22
- Rückschlussplatte
- 23
- Magnetrückschlussgehäuse
- 24
- Ventilkörper
- 25
- Feder
- 26
- Dichtsitz
- 27
- inneres Feinfilterelement
- 28
- Einsetzteil
- 29
- Dichtring
- 30
- Ventilgehäuse
