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Die Erfindung betrifft ein Ventil für das Einspritzen von Wasser in einen Verbrennungsmotor, ein Dosierventil für eine Flüssigkeit eines Fahrzeugs und einen Verbrennungsmotor mit Wassereinspritzung.
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Wassereinspritzsysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die
DE 10 2014 222 463 A1 offenbart beispielsweise eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung mit einem Wasserbehälter, der mittels einer Zuleitung mit einer Anzahl von Einspritzdüsen verbunden ist. Eine Pumpe zur Förderung von Wasser zu den Einspritzdüsen dient zusätzlich dem Einwässern der Einspritzdüsen und der Zuleitung.
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Eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung und einem Zylinderkopf ist der
DE 10 2016 200 238 A1 zu entnehmen. Jedem Zylinder ist eine Einspritzdüse zugeordnet, die mit einem Kraftstoffspeicher und einem Wasserspeicher verbunden ist. Problematisch ist hierbei die Leckage von Kraftstoff.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Konzepte für Ventile, insbesondere ein Ventil für das Einspritzen von Wasser in einen Verbrennungsmotor, zu schaffen, welche hinsichtlich der Leckage verbessert sind.
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Gemäß einem Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Ventil für das Einspritzen von Wasser in einen Verbrennungsmotor gelöst. Das Ventil weist einen Elektromagneten mit einer Spule und einem axialverschieblich angeordneten Anker auf. Zudem weist das Ventil einen Hydraulikteil mit einem Wasseranschluss und einem Kraftstoffanschluss auf. Ferner ist in einer Fluidverbindung zwischen dem Wasseranschluss und dem Kraftstoffanschluss ein Kugelsitzventil angeordnet. Das Kugelsitzventil kann durch einen mit dem Anker verbundenen Stößel geöffnet werden. Ferner ist das Ventil bei einem festgelegten Wasserdruck stromlos geschlossen und kann bei einem festgelegten kraftstoffseitigen Druck noch geöffnet werden. Insbesondere kann das Ventil im geschlossenen Zustand eine höchste Dichtigkeit aufweisen, unabhängig davon, welche Seite des Kugelsitzventils mit Druck beaufschlagt ist.
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Das erfindungsgemäße Ventil ermöglicht es, bei einem Wasserdruck von 13,5 bar stromlos geschlossen zu bleiben und bei einem kraftstoffseitigen Druck von 6,5 bar noch geöffnet werden können.
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Der Wasseranschluss kann ein Einlass zum Einführen von Wasser in das Ventil sein. Ferner kann der Kraftstoffanschluss ein Auslass zum Ausgeben einer dosierten Wassermenge sein. Beispielsweise wird die dosierte Wassermenge einer Kraftstoffleitung oder einer Mischvorrichtung zum Mischen der dosierten Wassermenge mit Kraftstoff zugeführt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Ventils weist das Kugelsitzventil ein Ventilgehäuse mit einem Kugelsitz auf, gegen welchen ein als Kugel ausgebildetes Schließelement mittels einer Rückstellfeder vorgespannt anlegbar ist. Dadurch kann das Ventil stromlos geschlossen werden.
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Vorzugsweise ist zwischen dem Hydraulikteil und dem Elektromagneten ein Expansionsraum ausgebildet, welcher die Aufnahme eines zusätzlichen Wasservolumens beim Einfrieren ermöglicht. Das erfindungsgemäße Ventil ist dadurch im befüllten Zustand einfriersicher und die Gefahr, dass bei tiefen Temperaturen das im System befindliche Wasser gefriert und durch die Volumenzunahme Schäden im System entstehen, kann ausgeschlossen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ventils ist der Expansionsraum auf der Hydraulikseite durch ein Innenteil begrenzt. Das Innenteil ist gegen den Druck einer im Expansionsraum angeordneten Feder in Richtung Elektromagnet bewegbar. Durch das Bewegen des Innenteils weg von dem Kugelsitzventil wird der Vorteil erreicht, dass zusätzliches Volumen zur Aufnahme des gefrierenden und sich dadurch ausdehnenden Wassers bereitgestellt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ventils ist ein Ventilgehäuse des Kugelsitzventils in dem Ventil derart verschiebbar gelagert, dass das Ventilgehäuse beim Einfrieren in Richtung des Expansionsraums verschoben wird. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass beim Einfrieren der Flüssigkeit eine Beschädigung des Kugelsitzventils vermieden werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ventils sind Füllelemente vorgesehen, welche die Wassermengen im Ventil begrenzen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Wassermenge in dem Ventil reduziert werden kann. Hierdurch kann zudem ein beim Einfrieren des Wassers benötigtes Aufnahmevolumen zur Kompensation der Volumenzunahme reduziert werden. Beispielsweise sind die Füllelemente aus Edelstahl und/oder Aluminium gefertigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ventils ist zwischen dem Wasseranschluss und einem Gehäuse des Hydraulikteils eine Blende, insbesondere eine Blende zur Steuerung der Dosiermenge, angeordnet. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Dosiermenge des Ventils effizient durch Austausch oder Wahl der Blende eingestellt werden kann. Die Blende kann eine Öffnung aufweisen. Über die Größe der Öffnung kann die Dosierung eingestellt werden. Beispielsweise wird zur Feindosierung eine Blende mit einer kleinen Öffnung verwendet während zur Grobdosierung, wie zum Erreichen einer Absperrfunktion, eine Blende mit einer großen Öffnung gewählt wird. Ferner kann die Blende aus Kunststoff, wie Fluorkautschuk (FKM), gefertigt oder ein mit Kunststoff, wie FKM, überzogenes Metallwerkstück sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Blende eine verformbare Dichtung umfassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ventils sind die wasserführenden Bauteile des Ventils aus korrosionsbeständigem Material ausgeführt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass eine Lebensdauer des Ventils erhöht werden kann. Beispielsweise sind die wasserführenden Bauteile aus Edelstahl und/oder Aluminium gefertigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Ventils sind die Bauteile, die mit Kraftstoff und der Umgebung in Berührung kommen, aus Metall ausgeführt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass eine Lebensdauer des Ventils erhöht werden kann. Beispielsweise sind die vorgenannten Bauteile aus Edelstahl und/oder Aluminium gefertigt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wir die Aufgabe durch ein Dosierventil für eine Flüssigkeit eines Fahrzeugs gelöst. Das Dosierventil weist einen Elektromagneten mit einer Spule und einem axialverschieblich angeordneten Anker auf. Zudem weist das Dosierventil einen Hydraulikteil mit einem Einlass für die Flüssigkeit und einem Auslass zum Ausgeben der dosierten Flüssigkeit auf. In einer Fluidverbindung zwischen dem Einlass und dem Auslass ist ein Sitzventil, insbesondere ein Kugelsitzventil, angeordnet. Das Sitzventil kann durch einen mit dem Anker verbundenen Stößel geöffnet werden. Zudem ist das Dosierventil bei einem ersten festgelegten Druck am Einlass stromlos geschlossen. Ferner kann das Dosierventil bei einem zweiten festgelegten Druck am Auslass noch geöffnet werden. Des Weiteren ist das Dosierventil derart ausgebildet, dass ein bei einer Aggregatszustandsänderung der Flüssigkeit entstehendes Expansionsvolumen, insbesondere gezielt, gegen ein Ausgleichsvolumen gelenkt wird. Durch das Lenken des Expansionsvolumens gegen das Ausgleichsvolumen kann eine Beschädigung des Dosierventils beim Einfrieren der Flüssigkeit vermieden werden. Das erfindungsgemäße Dosierventil kann ein Ventil für das Einspritzen von Wasser in einen Verbrennungsmotor, insbesondere das erfindungsgemäße Ventil für das Einspritzen von Wasser in einen Verbrennungsmotor, bilden. Das erfindungsgemäße Dosierventil und das erfindungsgemäße Ventil können somit dieselben Vorteile und Modifikationen aufweisen.
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Die Flüssigkeit kann Wasser, eine wässrige Lösung, insbesondere eine wässrige Harnstofflösung, Öl, insbesondere Getriebeöl, Dieselkraftstoff und/oder Ottokraftstoff sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Dosierventil zum Dosieren von Wasser verwendet, welches in einen Verbrennungsmotor eingespritzt wird. Beispielsweise wird das Wasser vor dem Einspritzen mit Kraftstoff gemischt. Alternativ oder zusätzlich kann das Dosierventil zum Dosieren des zugeführten Harnstoffs in einem Abgassystem verwendet werden. Das Fahrzeug kann ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, eine Zugmaschine, ein Kraftrad, ein Schiff, ein Boot, ein Flugzeug oder ein Hubschrauber sein. Ferner kann die Aggregatszustandsänderung der Flüssigkeit ein Einfrieren oder ein Verdampfen der Flüssigkeit sein.
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Der erste festgelegte Druck kann ein Flüssigkeitsdruck in einer am Einlass angeschlossenen Flüssigkeitsleitung, wie einer Wasserleitung, sein. In einer bevorzugten Ausführungsform bleibt das Dosierventil zumindest bis zum Erreichen des ersten festgelegten Drucks stromlos geschlossen. Beispielsweise beträgt der erste festgelegte Druck mehr als 5 bar, mehr als 10 bar, mehr als 15 bar oder mehr als 20 bar. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der erste festgelegte Druck 13,5 bar.
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Der zweite festgelegte Druck kann ein Flüssigkeitsdruck in einer am Auslass angeschlossenen Flüssigkeitsleitung, wie einer Kraftstoffleitung, sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Dosierventil zumindest bis zum Erreichen des zweiten festgelegten Drucks geöffnet werden. Beispielsweise beträgt der zweite festgelegte Druck weniger als 5 bar, weniger als 10 bar oder weniger als 15 bar. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der zweite festgelegte Druck 6,5 bar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils ist ein Ventilgehäuse des Sitzventils in dem Dosierventil derart verschiebbar gelagert, dass das Ventilgehäuse bei der Aggregatszustandsänderung der Flüssigkeit in Richtung des Ausgleichsvolumens verschoben wird. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass beim Einfrieren der Flüssigkeit eine Beschädigung des Sitzventils vermieden werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils ist das Ventilgehäuse des Sitzventils gegen den Druck einer Feder verschiebbar gelagert. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Ventilgehäuse nach dem Auftauen wieder in seine Ursprungsposition zurückgeführt werden kann. Die Feder kann eine Tellerfeder oder eine Schraubenfeder sein. Beispielsweise liegt eine zum Komprimieren der Feder benötige Kraft im Bereich von 100 N bis 1 kN. Ferner kann die Feder im Normalbetrieb des Dosierventils vorgespannt sein. Beispielsweise ist das Ausgleichsvolumen durch Federkraft in der Art vorgespannt, dass eine mehrfache Sicherheit gegen das Verschieben der Innenteile im Normalbetrieb gegeben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils weist das Sitzventil ein Ventilgehäuse mit einem Kugelsitz und ein als Kugel ausgebildetes Schließelement auf. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Dosierventil stromlos geschlossen werden kann. Alternativ kann ein beliebiges anderes Sitzventil mit vergleichbarer Dichtwirkung verwendet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils ist die Kugel mittels einer Rückstellfeder vorgespannt an den Kugelsitz anlegbar. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass der erste festgelegte Druck effizient festgelegt werden kann. Die Rückstellfeder kann eine Schraubenfeder sein. Beispielsweise weist die Rückstellfeder eine konische Form, eine Zylinderform oder eine Kegelform auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils weist das Ausgleichsvolumen einen zwischen dem Hydraulikteil und dem Elektromagneten angeordneten Expansionsraum auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils ist an dem Einlass eine Blende zur Steuerung der Dosiermenge angeordnet. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Dosiermenge des Dosierventils effizient durch Austausch oder Wahl der Blende eingestellt werden kann. Über den Durchmesser der Blende und den an der Blende wirkenden Druck kann die maximale Dosiermenge bei voll geöffnetem Dosierventil bestimmt werden. Durch entsprechende Taktung des Dosierventils kann zudem die gewünschte Dosiermenge eingestellt werden. Ferner kann die Blende aus Kunststoff, wie Fluorkautschuk (FKM), gefertigt oder ein mit Kunststoff, wie FKM, überzogenes Metallwerkstück sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Blende eine verformbare Dichtung umfassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils sind die flüssigkeitsführenden Bauteile des Dosierventils aus korrosionsbeständigem Material ausgeführt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass eine Lebensdauer des Dosierventils erhöht werden kann. Beispielsweise sind die wasserführenden Bauteile aus Edelstahl und/oder Aluminium gefertigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils sind die Bauteile des Dosierventils, die mit der Umgebung in Berührung kommen, korrosionsgeschützt ausgeführt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass eine Lebensdauer des Dosierventils erhöht werden kann. Beispielsweise sind die vorgenannten Bauteile aus Edelstahl und/oder Aluminium gefertigt oder mit Edelstahl und/oder Aluminium beschichtet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils ist zumindest ein Bauteil des Dosierventils aus einem hitzebeständigen Material gefertigt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass bei einem Brand des Fahrzeugs eine Beschädigung des Dosierventils und/oder ein Austritt von Flüssigkeit aus dem Dosierventil vermieden werden kann. Das hitzebeständige Material kann Edelstahl und/oder Aluminium sein. Beispielsweise ist das hitzebeständige Material derart gewählt, dass das Bauteil einen Beflammungstest oder eine Erwärmung auf 600°C für mehrere Minuten, beispielsweise drei Minuten, schadensfrei übersteht. Soweit keine Anforderungen bezüglich Flammtest bestehen, beispielsweise bei der Abgasnachbehandlung, können in dem Dosierventil auch Bauteile aus Kunststoff eingesetzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Bauteile des Dosierventils bis auf die Blende und eventuell vorhandene Dichtungen aus hitzebeständigen Materialien gefertigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils ist in dem Dosierventil ein Füllelement angeordnet, welches die Flüssigkeitsmenge in dem Dosierventil begrenzt. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Flüssigkeitsmenge in dem Dosierventil reduziert werden kann. Hierdurch kann zudem ein beim Einfrieren der Flüssigkeit benötigtes Aufnahmevolumen zur Kompensation der Volumenzunahme reduziert werden. Beispielsweise ist das Füllelement aus Metall, wie Edelstahl und/oder Aluminium, oder Kunststoff gefertigt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Füllelement zumindest teilweise in der Rückstellfeder aufgenommen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Volumen der in der Rückstellfeder aufgenommenen Flüssigkeit reduziert werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Rückstellfeder und das Füllelement korrespondierende geometrische Formen auf. Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass das Volumen der in der Rückstellfeder aufgenommenen Flüssigkeit weiter reduziert werden kann. Beispielsweise weisen die Rückstellfeder und das Füllelement zumindest abschnittsweise jeweils eine Zylinderform oder eine konische Form auf.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Dosierventils ist das Dosierventil derart ausgebildet, dass in dem Dosierventil keine Flüssigkeitsansammlungen eingesperrt werden und/oder in einem hinterschnittenen Bereich vorliegen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe durch einen Verbrennungsmotor mit Wassereinspritzung gelöst. Jedem Zylinder oder einem Zylinder des Verbrennungsmotors ist ein erfindungsgemäßes Ventil oder ein erfindungsgemäßes Dosierventil zugeordnet. Beispielsweise ist das erfindungsgemäße Ventil oder das erfindungsgemäße Dosierventil mehreren Zylindern des Verbrennungsmotors zugeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist einer Mehrzahl von Zylindern oder allen Zylindern des Verbrennungsmotors genau ein Ventil oder genau ein Dosierventil zugeordnet. Beispielsweise ist dem kompletten Verbrennungsmotor genau ein Ventil oder genau ein Dosierventil zugeordnet.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Dosierventil gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 2 das Dosierventil gemäß dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel.
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Nachfolgende Beschreibung betrifft sowohl Ventile als auch Dosierventile. Jedes Ventil kann hierbei als Dosierventil ausgelegt und jedes Dosierventil kann als Ventil ausgelegt werden. Ebenso ist der Einsatz von Wasser als Einsatz einer Flüssigkeit auszulegen. Wasser ist hierbei lediglich als Beispiel einer Flüssigkeit zu verstehen, wobei der Einsatz nicht darauf beschränkt ist.
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Im Fahrzeugbereich werden häufig Dosierventile zum Ausgeben einer exakt dosierten Flüssigkeitsmenge verwendet, beispielsweise zum Dosieren von Wasser oder wässrige Harnstofflösung. Hierzu wird ein Dosierventil mit möglichst exakter Dosiermöglichkeit benötigt. Gleichzeitig ist es im Fahrzeugbereich erforderlich, dass in den verwendeten Dosierventilen auch bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser oder unterhalb des Gefrierpunkts der wässrigen Harnstofflösung, keine Leckage auftritt, da ansonsten Betriebsmittel aus dem Fahrzeug auslaufen könnten.
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Diesbezüglich zeigt 1 ein Dosierventil 100 für eine Flüssigkeit eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Dosierventil 100 weist einen Elektromagneten 3 mit einer Spule 23 und einem axialverschieblich angeordneten Anker 24 auf. Zudem weist das Dosierventil 100 einen Hydraulikteil 2 mit einem Einlass 110 für die Flüssigkeit und einem Auslass 111 zum Ausgeben der dosierten Flüssigkeit auf. In einer Fluidverbindung zwischen dem Einlass 110 und dem Auslass 111 ist ein Sitzventil 105, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Kugelsitzventil 5, angeordnet. Das Sitzventil 105 kann durch einen mit dem Anker 24 verbundenen Stößel 6 geöffnet werden. Zudem ist das Dosierventil 100 bei einem ersten festgelegten Druck, beispielsweise 13,5 bar, am Einlass 110 stromlos geschlossen. Ferner kann das Dosierventil 100 bei einem zweiten festgelegten Druck, beispielsweise 6,5 bar, am Auslass 111 noch geöffnet werden. Des Weiteren ist das Dosierventil 100 derart ausgebildet, dass ein bei einer Aggregatszustandsänderung der Flüssigkeit entstehendes Expansionsvolumen gegen ein Ausgleichsvolumen 116 gelenkt wird.
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Der Einlass 110 des Dosierventils 100 kann mit einer Flüssigkeitsleitung verbunden werden. Um eine vorbestimmte Menge an Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsleitung mittels des Dosierventils 100 zu dosieren, wird das Sitzventil 105 mittels des Stößels 6 und des Elektromagneten 3 für eine vorbestimmte Zeit geöffnet. Beispielsweise wird hierzu der Stößel 6 in Richtung des Sitzventils 105 ausgefahren, um ein Schließelement 109 von einem Ventilsitz 107 des Sitzventils 105 abzuheben. Die dosierte Flüssigkeitsmenge kann sich hierbei aus der Öffnungszeit des Sitzventils 105, dem Druck in der Flüssigkeitsleitung und/oder der Temperatur der Flüssigkeit ergeben. Beispielsweise ist zur Bestimmung des Drucks und/oder der Temperatur ein Drucksensor und/oder ein Temperatursensor mit der Flüssigkeitsleitung verbunden. Zudem kann das Fahrzeug eine elektronische Steuerung zur Steuerung des Elektromagneten 3 aufweisen. Beispielsweise wird der Elektromagnet 3 mittels der Motorsteuerung (Englisch: Engine Control Unit, ECU) des Fahrzeugs gesteuert. Ferner kann optional zur Verbesserung der Dosierfunktion eine Blende 19 an dem Einlass 110 angeordnet sein. Beispielsweise weist die Blende 19 eine Öffnung auf, über deren Größe die dosierte Flüssigkeitsmenge beeinflusst werden kann.
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Optional kann das Sitzventil 105 eine Rückstellfeder 8 aufweisen. Mittels der Rückstellfeder 8 kann das Schließelement 109 vorgespannt an den Ventilsitz 107 angelegt werden. Zudem können der Stößel 6 und/oder der Elektromagnet 3 ausgebildet sein, das Schließelement 109 gegen die Federkraft der Rückstellfeder 8 von dem Ventilsitz 107 abzuheben. Ferner kann beim Einfahren des Stößels 6 das Sitzventil 105 durch die Rückstellkraft der Rückstellfeder 8 geschlossen werden. Durch das Schließen des Sitzventils 105 kann die Dosierung der Flüssigkeit beendet werden. In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rückstellfeder 8 eine konische Feder.
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Zudem kann der Auslass 111 mit einer weiteren Flüssigkeitsleitung, beispielsweise einer Kraftstoffleitung, einer Zuleitung zu einem Kraftstoffsystem oder einer Zuleitung zu einem Abgasnachbehandlungssystem, verbunden werden. Bei einem Einfrieren der Flüssigkeit in der weiteren Flüssigkeitsleitung oder im Bereich zwischen Sitzventil 105 und Auslass 111 wird das hierbei entstehende zusätzliche Volumen gegen das Ausgleichsvolumen 116, im vorliegenden Ausführungsbeispiel gegen einen Expansionsraum 16, gelenkt. Hierzu kann ein Ventilgehäuse 14 des Sitzventils 105 verschiebbar in dem Dosierventil 100 gelagert sein. Beispielsweise ist das Ventilgehäuse 15 verschiebbar in einer Bohrung oder einer Aufnahme des Dosierventils 100 gelagert. Optional kann in dem Ausgleichsvolumen 116 eine Feder 17 angeordnet sein. Zwischen der Feder 17 und dem Ventilgehäuse 14 kann zudem ein Innenteil 15 angeordnet sein. Beim Einfrieren der Flüssigkeit können hierbei das Ventilgehäuse 14 und das Innenteil 15 gegen den Druck oder die Rückstellkraft der Feder 17 in Richtung des Ausgleichsvolumens 116 verschoben werden, um die Ausdehnung der gefrierenden Flüssigkeit zu kompensieren und eine Beschädigung des Dosierventils 100 zu vermeiden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Innenteil 15 benachbart zu dem Ausgleichsvolumen 116 angeordnet. In diesem Fall wird das Innenteil 15 beim Einfrieren der Flüssigkeit zumindest teilweise in das Ausgleichsvolumen 116 hineingeschoben. In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Feder 17 eine Tellerfeder oder ein Tellerfederpaket aus zwei oder mehr Tellerfedern. Die Feder 17 kann jedoch auch durch ein beliebiges anderes Federelement gebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Hydraulikteil 2 derart ausgebildet sein, dass sich darin möglichst wenig Flüssigkeit, wie Wasser, befindet. Zudem kann mit Füllelementen 13, wie Füllstücken, gearbeitet werden, um weniger Flüssigkeit einzuschließen. Zusätzlich kann das Dosierventil 100 derart ausgestaltet sein, dass sich die Flüssigkeit, beispielsweise beim Einfrieren, zum Elektromagneten 3 hin ausdehnt. Weiterhin kann das Dosierventil 100 derart ausgestaltet sein, dass keine Flüssigkeitsansammlungen eingesperrt, sondern die entsprechenden Teile, wie das Ventilgehäuse 14 und/oder das Innenteil 15, beweglich gestaltet sind. Des Weiteren kann das Dosierventil 100 auf der Seite mit dem Elektromagneten 3 den Expansionsraum 16 aufweisen, der das zusätzliche Volumen beim Einfrieren aufnehmen kann. Dazu können die beweglichen Innenteile, wie das Ventilgehäuse 14 und/oder das Innenteil 15, mit der Feder 17 so stark vorgespannt sein, dass sie während dem normalen Betrieb des Dosierventils 100 in der in 1 abgebildeten Stellung bleiben. Steigt der Druck durch die Ausdehnung der Flüssigkeit beim Einfrieren jedoch weiter an, kann die Feder 17 nachgeben und die beweglichen Innenteile können zum Elektromagneten 3 hin ausweichen. Taut die Flüssigkeit wieder auf, drückt die Feder 17 die Innenteile wieder in ihre ursprüngliche Lage zurück. Auf diese Weise können Schäden vermieden werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann, um die obig beschriebenen Ventilfunktionen, wie Fördermöglichkeit in beide Richtungen bei den geforderten Systemdrücken bei sehr geringer Leckage, zu erfüllen, das folgende Konzept verwendet werden. Das Kugelsitzventil 5 mit der Rückstellfeder 8 kann mit der Durchflussrichtung Einlass 110 - Auslass 111, beispielsweise Wasser - Kraftstoff, positioniert werden. Die Rückstellfeder 8 kann das Dosierventil 100 gegen den Systemdruck der Flüssigkeit, wie des Wassers, geschlossen halten. Mithilfe des Elektromagneten 3 und des Stößels 6 kann ein Kugelsitz 7 des Kugelsitzventils 5 gegen die Rückstellfeder 8 geöffnet werden und auf diese Weise Flüssigkeit eindosiert werden. Wenn das Fahrzeug steht, kann die Seite des Einlasses 110, wie die Wasserseite, des Dosierventils 100 drucklos sein, um möglichst viel Flüssigkeit aus dem System oder dem Dosierventil 100 zu entfernen. Beispielsweise wird hierzu ein Unterdruck erzeugt. Um auch die Flüssigkeit zu entfernen, welche sich direkt hinter dem Kugelsitz 7 auf der Seite des Auslasses 111, wie der Kraftstoffseite, befindet, kann der Kugelsitz 7 auch gegen die Rückstellfeder 8 und gegen den Systemdruck des am Auslass 111 angeschlossenen Systems, wie eines Kraftstoffsystems, durch den Elektromagneten 3 geöffnet werden, um auch hier Flüssigkeit zu entfernen. Da im geschlossenen Zustand des Dosierventils 100 nach Möglichkeit kein Betriebsstoff, wie Kraftstoff, austreten soll, kann das Dosierventil 100 eine sehr hohe Leckageanforderung aufweisen. Beispielsweise ist die Leckageanforderung höher als eine mit einem Schieberventil erreichbare Leckag eanforderu ng.
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Die 1 und 2 zeigen ein Beispiel eines Dosierventils 100. Das Dosierventil 100 ist als ein Ventil 1 für das Einspritzen von Wasser in einen Verbrennungsmotor ausgebildet. Das Einspritzen von Wasser bewirkt eine Senkung der Verbrennungstemperatur im Brennraum des Motors, wodurch die Leistung oder der Wirkungsgrad gesteigert werden kann.
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Das in 1 im Längsschnitt dargestellte Ventil 1 besteht aus einem Hydraulikteil 2 und einem elektromagnetischen Stellglied (Elektromagnet) 3. Die Verbindung des Hydraulikteils 2 mit dem elektromagnetischen Stellglied 3 wird über Befestigungseingriffe 4 verbunden. Der Hydraulikteil 2, mittels welchem ein nicht gezeigtes Wassersystem mit einem nicht gezeigten Kraftstoffsystem verbindbar ist, weist ein Sitzventil 105, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch ein Kugelsitzventil 5 gebildet ist, auf, welches mittels eines Stößels 6 mit der Durchflussrichtung Wasser - Kraftstoff geöffnet werden kann.
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Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, welche einen vergrößerten Ausschnitt des Ventils 1 zeigt, weist das Kugelsitzventil 5 an einem Ventilgehäuse 14 einen Kugelsitz 7 und eine mit einer Rückstellfeder 8 gegen den Kugelsitz 7 vorgespannte Kugel 9 als Schließelement auf.
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Die Rückstellfeder 8 hält das Kugelsitzventil 5 gegen den Systemdruck des Wassers geschlossen.
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Das Ventil 1 muss bei einem Wasserdruck von 13,5 bar stromlos geschlossen bleiben, zusätzlich muss es bei einem kraftstoffseitigen Druck von 6,5 bar noch geöffnet werden können. Das erfindungsgemäße Ventil 1 erfüllt damit sehr hohe Anforderungen an die Dichtheit in beide Richtungen (Wassersystem und Kraftstoffsystem).
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Mithilfe des Elektromagneten 3 und des Stößels 6 kann der Kugelsitz 7 gegen die Rückstellfeder 8 geöffnet werden und auf diese Weise Wasser eindosiert werden. Wie ersichtlich, sind ein Einlass 110, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen Wasseranschluss 10 gebildet ist, und ein Auslass 111, welcher im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch einen Kraftstoffanschluss 11 gebildet ist, an ein Gehäuse 12 des Hydraulikteils 2 angeschraubt, wobei das Kugelsitzventil 5 in einer Fluidverbindung zwischen dem Wasseranschluss 10 und dem Kraftstoffanschluss 11 angeordnet ist. Die Rückstellfeder 8 wirkt gegen den Wasserdruck und hält das Ventil 1 stromlos geschlossen. Die Kraft des Elektromagneten 3 ist dabei derart konzipiert, dass die Kugel 9 gegen die Federkraft der Rückstellfeder 8 und den Kraftstoffdruck sicher geöffnet werden kann. Der Kugelsitz 7 als Abdichtung zwischen Wasser- und Kraftstoffsystem ermöglicht es, die Leckage möglichst klein zu halten.
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Wenn das Fahrzeug steht, wird die Wasserseite des Ventils 1 drucklos, evtl. wird auch ein Unterdruck erzeugt, um möglichst viel Wasser aus dem System zu entfernen. Um auch das Wasser zu entfernen, welches sich direkt hinter dem Kugelsitz 7 auf der Kraftstoffseite befindet, muss der Kugelsitz 7 auch gegen die Rückstellfeder 8 und gegen den Systemdruck des Kraftstoffsystems durch den Elektromagneten 3 geöffnet werden können, um auch hier das Wasser zu entfernen.
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Da im geschlossenen Zustand kein Kraftstoff austreten darf, hat das Ventil 1 eine sehr hohe Leckageanforderung, die mit einem Schieberventil nicht zu erreichen ist.
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Das Ventil 1 muss im befüllten Zustand einfriersicher sein, d.h. es muss berücksichtigt werden, dass sich das im Ventil 1 befindliche Wasser beim Einfrieren um ca. 10 % ausdehnt.
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Um die Wassermengen im Ventil 1 möglichst gering zu halten, ist auf der Kraftstoffseite ein Füllelement 13 angeordnet, welches sich, im Gehäuse 12 fixiert, innerhalb der Rückstellfeder 8 soweit erstreckt, dass die Kugel 9 noch geöffnet werden kann.
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Auf der Wasserseite ist ein axial bewegliches Innenteil 15 als weiteres Füllelement vorgesehen, durch welches sich der Stößel 6 abgedichtet erstreckt. Ein im Innenteil 15 abgedichtet angeordnetes Lagerelement 18 dient der Lagerung des Stößels 6 und als Anschlag für das Ventilgehäuse 14.
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Das Innenteil 15 begrenzt auf der Hydraulikseite des Ventils 1 einen Expansionsraum 16. Dieser ermöglicht ein Aufnehmen eines zusätzlichen Wasservolumens beim Einfrieren, indem sich das Innenteil 15 gegen die Kraft einer im Expansionsraum 16 vorgespannt angeordneten Feder 17 in Richtung Elektromagnet 3 verschieben kann. Der Expansionsraum 16 ermöglicht eine Ausdehnung des Wassers in Richtung Elektromagnet 3 und verhindert das Einsperren von Wasseransammlungen.
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Das Innenteil 15 und das Lagerelement 18 werden durch die Feder 17 so stark vorgespannt, dass sie während des normalen Betriebs des Ventils 1 in der in 1 gezeigten Stellung bleiben.
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Steigt der Druck durch die Ausdehnung des Wassers beim Einfrieren jedoch weiter an, gibt die Feder 17 nach und die beweglichen Innenteile 17, 18 können zum Elektromagnet 3 hin ausweichen. Taut das Wasser wieder auf, drückt die Feder 17 die Innenteil 17, 18 wieder in ihre ursprüngliche Lage zurück, so dass Schäden des Ventil 1 sicher vermieden werden können.
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Um die maximale Wasserdosiermenge zu begrenzen, ist zwischen dem Wasseranschluss 10 und dem Gehäuse 12 eine Blende 19 angeordnet, durch dessen Öffnung nur geringe Wassermengen zudosiert werden.
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Alle Bauteile, die mit Kraftstoff und der Umgebung in Berührung kommen, sind aus Metall ausgeführt, um der Temperaturprüfung (600 °C für der Min. oder drei Minuten) standhalten zu können. Die wasserführenden Bauteile sind aus korrosionsbeständigem Material ausgeführt.
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Der Expansionsraum 16 ist auf der Elektromagnetseite durch einen Polkern 20 begrenzt, welcher beispielsweise durch Sicken 21 mit einem Gehäuse 22 des Elektromagneten 3 verbunden ist.
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Innerhalb des Gehäuses 22 sind eine Spule 23, ein Anker 24, der Polkern 20 und der Stößel 6 angeordnet. Der Anker 24 liegt koaxial in einer topfförmigen Hülse 25 und stützt sich an einer Antiklebscheibe 26 ab, welche in einer Ausnehmung des Ankers 24 eingepresst vorgesehen ist. Der Anker 24 ist axialverschiebbar in der Hülse 25 gelagert und kann somit zwischen einem ersten Ankerraum 27 und einem zweiten Ankerraum 28 hin- und her bewegt werden.
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An einem Ende des elektromagnetischen Stellglieds 3 sind elektrische Steckerkontakte angeordnet, die von einer Kunststoffbuchse 29 umgeben sind. Ein Deckelelement 31 verschließt das Gehäuse 22 dichtend und nimmt ein Poljoch 30 auf, welches gemeinsam mit einem koaxial ausgerichteten Spulenträger 32 die Hülse 25 aufnimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014222463 A1 [0002]
- DE 102016200238 A1 [0003]
