DE102020205582A1 - Injection valve for a water injection system of an internal combustion engine and water injection system with such an injection valve - Google Patents
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Abstract
Für ein Einspritzventil (1) für ein Wassereinspritzsystem (50) eines Verbrennungsmotors (100), umfassend eine ringförmige Magnetspule (2) zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker (3), der mit einem Ventilglied (4) verbunden ist, ferner umfassend einen hohlzylinderförmigen Kern (5), der zumindest abschnittsweise von der Magnetspule (2) umgeben ist und an einem Einlassstutzen (6) ausbildet oder mit einem Einlassstutzen (6) verbunden ist, wobei das Einspritzventil (1) über den Einlassstutzen (6) mit Wasser versorgbar ist, wird vorgeschlagen, dass in den Einlassstutzen (6) ein Körper (8) eingesetzt ist, der in axialer Richtung (a) von einem Strömungskanal (9) durchsetzt ist, wobei der in dem Körper (8) ausgebildete Strömungskanal (9) eine Einlassöffnung (10) zur Versorgung des Eispritzventils (1) mit Wasser definiert, wobei der Körper (8) in eine Aufnahme (60) des Einlassstutzens (6) eingepresst ist.For an injection valve (1) for a water injection system (50) of an internal combustion engine (100), comprising an annular magnetic coil (2) for acting on a liftable armature (3) which is connected to a valve member (4), further comprising a hollow cylindrical core (5), which is at least partially surrounded by the magnetic coil (2) and is formed on an inlet connector (6) or is connected to an inlet connector (6), wherein the injection valve (1) can be supplied with water via the inlet connector (6), it is proposed that a body (8) is inserted into the inlet connector (6) through which a flow channel (9) passes in the axial direction (a), the flow channel (9) formed in the body (8) having an inlet opening ( 10) for supplying the ice injection valve (1) with water, the body (8) being pressed into a receptacle (60) of the inlet connector (6).
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil für ein Wassereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich insbesondere um einen Benzinmotor handeln. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Einspritzventil.The invention relates to an injection valve for a water injection system of an internal combustion engine with the features of the preamble of
Zur Reduzierung der Kohlenstoffdioxid-Emissionen gilt es den Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren zu optimieren, beispielsweise durch eine Erhöhung der Verdichtung oder durch Downsizing Konzepte in Kombination mit einer Turboaufladung. Bei hoher Motorlast ist jedoch ein Betrieb des Verbrennungsmotors in einem Betriebspunkt, 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 direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors oder in einen Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors erfolgen kann.To reduce carbon dioxide emissions, it is important to optimize the fuel consumption of internal combustion engines, for example by increasing compression or through downsizing concepts in combination with turbocharging. With a high engine load, however, the internal combustion engine can generally not be operated at an operating point that would be optimal with regard to fuel consumption, since the operation is limited by the tendency to knock and high exhaust gas temperatures. Measures for reducing the tendency to knock and / or lowering the exhaust gas temperatures provide for the injection of water, it being possible for the injection to take place directly into a combustion chamber of the internal combustion engine or into an intake tract of the internal combustion engine.
Bei Verbrennungsmotoren mit Wassereinspritzung besteht die Gefahr, dass wasserführende 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.In internal combustion engines with water injection, there is a risk that pipes and / or components carrying water will freeze at low temperatures and be damaged by ice pressure. To prevent this, the water-carrying lines and / or components are usually emptied when the engine is switched off.
Die
Zur Vermeidung einer Vereisung der Einspritzventile eines solchen Einspritzsystem, müssen auch diese entleert werden. Aus der Offenlegungsschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Einspritzventil für ein Wassereinspritzsystem eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen. Das Einspritzventil umfasst eine ringförmige Magnetspule zur Einwirkung auf einen hub-beweglichen Anker, der mit einem Ventilglied verbunden ist. Ferner umfasst das Einspritzventil einen hohlzylinderförmigen Kern, der zumindest abschnittsweise von der Magnetspule umgeben ist und an einem Einlassstutzen ausbildet oder mit einem Einlassstutzen verbunden ist, wobei das Einspritzventil über den Einlassstutzen mit Wasser versorgbar ist. Erfindungsgemäß ist in den Einlassstutzen ein Körper eingesetzt, der in axialer Richtung von einem Strömungskanal durchsetzt ist, wobei der in dem Körper ausgebildete Strömungskanal eine Einlassöffnung zur Versorgung des Eispritzventils mit Wasser definiert, wobei der Körper in eine Aufnahme des Einlassstutzens eingepresst ist.According to the invention, an injection valve for a water injection system of an internal combustion engine is proposed. The injection valve comprises an annular magnetic coil for acting on a stroke-movable armature which is connected to a valve member. The injection valve further comprises a hollow cylinder-shaped core, which is at least partially surrounded by the magnetic coil and is formed on an inlet connector or is connected to an inlet connector, wherein the injection valve can be supplied with water via the inlet connector. According to the invention, a body is inserted into the inlet connector through which a flow channel passes in the axial direction, the flow channel formed in the body defining an inlet opening for supplying the ice injection valve with water, the body being pressed into a receptacle of the inlet connector.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Gegenüber dem Stand der Technik weist das Einspritzventil für ein Wassereispritzsystem eines Verbrennungsmotors den Vorteil auf, dass durch den Körper in dem Einlassstutzen das Einspritzventil in einem Rücksaugbetrieb des Wassereinspritzsystems besonders einfach und schnell entleert werden kann. So kann vorteilhaft eine Vereisung des Einspritzventils und damit Schäden an dem Einspritzventil verhindert werden. Die Versorgung des Einspritzventils mit Wasser erfolgt beispielsweise ausschließlich über den im Körper ausgebildeten Strömungskanal. Dieser erstreckt sich in axialer Richtung, vorzugsweise koaxial zu einer Längsachse des Einspritzventils. Der reduzierte freie Strömungsquerschnitt des im Körper ausgebildeten Strömungskanals erhöht ferner die Strömungsgeschwindigkeit beim Rücksaugen von Wasser, so dass die Entleerung des Einspritzventils zugleich beschleunigt wird. Unterstützend kommt hinzu, dass der reduzierte Strömungsquerschnitt Verwirbelungen entgegenwirkt. Im Ergebnis kann somit bei gleicher Rücksaugleistung eines zum Rücksaugen eingesetzten Förderelements in der gleichen Zeit deutlich mehr Wasser aus dem Einspritzventil rückgesaugt werden. Das heißt, dass sich die Gefahr einer Vereisung und einer Beschädigung des Einspritzventils durch Eisdruck bei tiefen Außentemperaturen signifikant verringert.Compared to the prior art, the injection valve for a water injection system of an internal combustion engine has the advantage that the injection valve can be emptied particularly easily and quickly through the body in the inlet port when the water injection system is sucked back. In this way, icing of the injection valve and thus damage to the injection valve can advantageously be prevented. The injection valve is supplied with water, for example, exclusively via the flow channel formed in the body. This extends in the axial direction, preferably coaxially to a longitudinal axis of the injection valve. The reduced free flow cross-section of the flow channel formed in the body also increases the flow speed when water is sucked back, so that the emptying of the injection valve is accelerated at the same time. In addition, the reduced flow cross-section counteracts turbulence. As a result, significantly more water can be sucked back out of the injection valve in the same time with the same sucking back performance of a conveying element used for sucking back. This means that the risk of icing up and damage to the injection valve due to ice pressure is significantly reduced at low outside temperatures.
Somit wird bei dem erfindungsgemäßen Einspritzventil die Einlassöffnung des Einspritzventils nicht durch den Einlassstutzen, sondern durch den in den Einlassstutzen eingesetzten Körper ausgebildet. Der Körper reduziert somit den zur Wasserversorgung des Einspritzventils zur Verfügung stehenden freien Strömungsquerschnitt. Zugleich wird ein im Einlassstutzen vorhandenes Totvolumen minimiert, das zur Vermeidung einer Vereisung des Einspritzventils entleert werden muss. Das heißt, dass weniger Wasser aus dem Einspritzventil rückgesaugt werden muss. Bevorzugt kann daher der Körper in der Weise in den Einlassstutzen eingesetzt, dass zwischen dem Körper und dem Einlassstutzen kein Hohlraum verbleibt, der unmittelbar oder mittelbar mit dem im Körper ausgebildeten Strömungskanal in Fluidverbindung steht. So kann vorteilhaft durch den in den Einlassstutzen eingesetzten Körper ein beliebiges Einspritzventil, beispielsweise ein Kraftstoffeinspritzventil, auf vorteilhaft einfache Weise zu einem erfindungsgemäßen Einspritzventil für die Wassereinspritzung ertüchtigt werden. Thus, in the case of the injection valve according to the invention, the inlet opening of the injection valve is not through the inlet port, but rather through the formed in the inlet port inserted body. The body thus reduces the free flow cross-section available for supplying water to the injection valve. At the same time, a dead volume present in the inlet connector, which has to be emptied to avoid icing up of the injection valve, is minimized. This means that less water has to be sucked back out of the injection valve. The body can therefore preferably be inserted into the inlet connector in such a way that no cavity remains between the body and the inlet connector that is directly or indirectly in fluid connection with the flow channel formed in the body. Thus any injection valve, for example a fuel injection valve, can advantageously be upgraded to an injection valve according to the invention for water injection in an advantageously simple manner through the body inserted into the inlet connector.
Dadurch, dass der Körper in die Aufnahme des Einlassstutzens eingepresst ist, ist der Körper vorteilhaft fest mit dem Einspritzventil verbunden. Zudem wird durch das Einpressen sichergestellt, dass zwischen dem Körper und dem Einlassstutzen kein Hohlraum verbleibt, der unmittelbar oder mittelbar mit dem im Körper ausgebildeten Strömungskanal in Fluidverbindung steht. Somit kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass der zur Wasserversorgung des Einspritzventils zur Verfügung stehenden freie Strömungsquerschnitt auf den Strömungskanal reduziert wird und damit im Einlassstutzen vorhandenes Totvolumen minimiert wird. Weiterhin stellt das Einpressen des Körpers in den Einlassstutzen eine vorteilhaft einfache und kostengünstige Methode zur Befestigung des Körpers dar. Der Körper ist beispielsweise als Einpressbuchse ausgebildet.Because the body is pressed into the receptacle of the inlet connector, the body is advantageously firmly connected to the injection valve. In addition, the pressing-in ensures that no cavity remains between the body and the inlet connector which is in fluid connection directly or indirectly with the flow channel formed in the body. It can thus advantageously be ensured that the free flow cross-section available for the water supply to the injection valve is reduced to the flow channel and thus dead volume present in the inlet connector is minimized. Furthermore, pressing the body into the inlet connector represents an advantageously simple and inexpensive method of fastening the body. The body is designed, for example, as a press-fit socket.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.Further advantageous refinements and developments of the invention are made possible by the features specified in the subclaims.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Körper in dem Bereich, in dem der Körper mit der Aufnahme des Einlassstutzens in direktem Kontakt steht, ein Tannenzapfenprofil aufweist. Durch das Tannenzapfenprofil kann der Körper vorteilhaft fest und gut in der Aufnahme des Einlassstutzens befestigt sein. So kann der Körper durch das Tannenzapfenprofil beispielsweise auch in der Aufnahme verhakt sein. Der Körper wird dadurch im Einspritzventil fixiert.According to an advantageous embodiment it is provided that the body has a pine cone profile in the area in which the body is in direct contact with the receptacle of the inlet connector. Due to the pine cone profile, the body can advantageously be fixed firmly and well in the receptacle of the inlet connection. For example, the body can also be hooked into the receptacle due to the pine cone profile. The body is thereby fixed in the injection valve.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Tannenzapfenprofil den Körper umlaufend ausgebildet ist. Durch ein solches, den Körper umlaufendes Tannenzapfenprofil, kann der Körper umlaufend vorteilhaft fest in der Aufnahme des Einlassstutzens befestigt sein und beispielsweise auch an mehreren Stellen um den Körper herum in der Aufnahme des Einlassstutzens verhakt sein. Der Körper wird dadurch im Einspritzventil fixiert.According to an advantageous embodiment, it is provided that the pine cone profile is designed to run around the body. By means of such a pine cone profile that encircles the body, the body can advantageously be firmly fixed all around in the receptacle of the inlet connector and, for example, also be hooked into the receptacle of the inlet connector at several points around the body. The body is thereby fixed in the injection valve.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Tannenzapfenprofil in der Aufnahme, insbesondere an einem Innenmantel der Aufnahme des Einlassstutzens, verhakt ist. Der Körper kann somit nicht wieder zerstörungsfrei aus dem Anschlussstutzen entfernt werden. Der Körper ist somit vorteilhaft und dauerhaft im Einspritzventil fixiert.According to an advantageous embodiment, it is provided that the pine cone profile is hooked in the receptacle, in particular on an inner jacket of the receptacle of the inlet connector. The body can therefore not be removed again from the connecting piece without being destroyed. The body is thus advantageously and permanently fixed in the injection valve.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in dem Körper wenigstens ein Schlitz ausgebildet ist. Durch die Auslegung des Schlitzes können die Einpresskräfte, die zum Einpressen des Körpers in die Aufnahme des Einlassstutzens benötigt werden, so gewählt werden, dass es zu einer dauerhaften Verbindung ohne eine mögliche Kaltverschweißung oder Spanbildung an der Aufnahme des Einlassstutzens während dem Einpressvorgang kommt.According to an advantageous embodiment it is provided that at least one slot is formed in the body. Due to the design of the slot, the press-in forces that are required to press the body into the receptacle of the inlet connector can be selected in such a way that a permanent connection occurs without any possible cold welding or chip formation on the receptacle of the inlet connector during the press-in process.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der wenigstens einen Schlitz an dem vom Ventilglied abgewandten Ende des Körpers in dem Körper ausgebildet ist. Durch derartige Schlitze können die Einpresskräfte vorteilhaft gut durch die Gestaltung der Schlitze gesteuert werden.According to an advantageous embodiment it is provided that the at least one slot is formed in the body at the end of the body facing away from the valve member. With slots of this type, the press-in forces can advantageously be controlled well through the design of the slots.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich der Schlitz in dem Körper entlang der axialen Richtung des Körpers erstreckt. Ein so ausgebildeter Schlitz erstreckt sich vorteilhaft in die gleiche Richtung wie beispielsweise auch der Strömungskanal. Gleichzeitig erstreckt sich der Schlitz in die gleiche Richtung, in der der Körper in die Aufnahme eingepresst ist, so dass der Körper beim Einpressen vorteilhaft stabil ist. Durch Auswahl der Länge des Schlitzes können somit die nötigen Einpresskräfte vorteilhaft gut gesteuert werden.According to an advantageous embodiment it is provided that the slot in the body extends along the axial direction of the body. A slot formed in this way advantageously extends in the same direction as, for example, the flow channel. At the same time, the slot extends in the same direction in which the body is pressed into the receptacle, so that the body is advantageously stable when it is pressed in. By selecting the length of the slot, the necessary press-in forces can thus advantageously be well controlled.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Körper zumindest teilweise aus einem geschlossenporigen Material ausgebildet ist. Das geschlossenporige Material kann beispielsweise ein Schaumstoff oder ein Metallschaum sein. Das geschlossenporige Material ist elastisch verformbar. Ist der Körper aus solch einem geschlossenporigen Material gebildet, so kann der Körper auch im Falle von gefrierendem Medium eine Kraft aufnehmen. So kann einer bleibenden Verformung bzw. einem negativen Einfluss auf die Funktion des Einspritzventils vorgebeugt werden. Gefriert Wasser im Einspritzventil, insbesondere im Körper, und dehnt sich dabei aus, so kann sich das geschlossenporige Material des Körpers elastisch verformen. Somit kann der elastisch verformte Körper dem Wasser den beim Gefrieren zusätzlich benötigten Platz zur Verfügung stellen. Verflüssigt sich das Wasser dann wieder, kann sich der Körper wieder ausdehnen und in seine ursprüngliche Form zurückkehren. Die geschlossenporige Einpressbuchse reduziert somit sowohl das Volumen im Einlassstutzen durch den Strömungskanal und kann gleichzeitig Querkräfte aufnehmen, welche im Falle eines Gefrierens des Mediums auftreten, ohne dass die Funktion des Einspritzventils negativ beeinflusst wird.According to an advantageous embodiment, it is provided that the body is at least partially formed from a closed-cell material. The closed-cell material can be, for example, a foam or a metal foam. The closed-cell material is elastically deformable. If the body is formed from such a closed-cell material, the body can also absorb a force in the case of a freezing medium. In this way, permanent deformation or a negative influence on the function of the injection valve can be prevented. If water freezes in the injection valve, especially in the body, and expands, the closed-pore material of the body can deform elastically. The elastically deformed body can thus provide the water with the additional space it needs when it freezes. If the water liquefies again, the body can expand again and return to its original shape. The closed-pore press-fit bushing thus both reduces the volume in the inlet connection through the flow channel and at the same time can absorb transverse forces that occur in the event of the medium freezing without adversely affecting the function of the injection valve.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein Innendurchmesser des in dem Körper ausgebildeten Strömungskanals weniger als 3,0 Millimeter, vorzugsweise weniger als 2,5 Millimeter, insbesondere vorzugsweise weniger als 2,1 Millimeter beträgt. Der Innendurchmesser ist somit so ausgelegt, dass eine ausreichende Wassermenge eingespritzt werden kann und gleichzeitig das Injektor- Todvolumen minimiert wird.According to an advantageous embodiment, it is provided that an inner diameter of the flow channel formed in the body is less than 3.0 millimeters, preferably less than 2.5 millimeters, in particular preferably less than 2.1 millimeters. The inside diameter is thus designed so that a sufficient amount of water can be injected and at the same time the dead volume of the injector is minimized.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass ein Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor ein Einspritzventil umfasst, wobei das Wassereinspritzsystem weiterhin einen Wassertank zum Speichern von Wasser und ein Förderelement zum Fördern von Wasser aus dem Wassertank zu dem Einspritzventil umfasst.According to an advantageous embodiment it is provided that a water injection system for an internal combustion engine comprises an injection valve, the water injection system further comprising a water tank for storing water and a conveying element for conveying water from the water tank to the injection valve.
FigurenlisteFigure list
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
-
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des Einspritzventils, -
2 eine vergrößerte Darstellung des Längsschnitts durch das erste Ausführungsbeispiel desEinspritzventils aus 1 , -
3 eine dreidimensionale Schnittdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels desEinspritzventils aus 1 , -
4 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs zwischen dem Körper und dem Einlassstutzen des ersten Ausführungsbeispiels des Einspritzventils, -
5 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des Einspritzventils, -
6 eine dreidimensionale Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels des Einspritzventils aus5 , -
7 einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel des Einspritzventils, -
8 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Wassereinspritzsystems, -
9 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verbrennungsmotors mit einem Einspritzventil.
-
1 a schematic longitudinal section through a first embodiment of the injection valve, -
2 an enlarged view of the longitudinal section through the first embodiment of theinjection valve 1 , -
3 a three-dimensional sectional view of the first embodiment of theinjection valve 1 , -
4th an enlarged illustration of the area between the body and the inlet port of the first embodiment of the injection valve, -
5 a schematic longitudinal section through a second embodiment of the injection valve, -
6th a three-dimensional representation of the second embodiment of the injection valve5 , -
7th a schematic longitudinal section through a third embodiment of the injection valve, -
8th a schematic representation of an embodiment of a water injection system, -
9 a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine with an injection valve.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Der
Der Kern
Zur Reduzierung eines Totvolumens im Einlassbereich des Einspritzventils
Der im Körper
Durch die Verringerung des Totvolumens durch den in die Aufnahme
In den
Den
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Einspritzventils
In
Üblicherweise weist eine Verteilerleitung
Das Totvolumen der Railtasse hängt von der konkreten Ausgestaltung der Railtasse sowie der Ausgestaltung des einlassseitigen Endes des Einspritzventils
Die Verteilerleitung
Um nach einer Entleerung ein Zurückströmen von Wasser aus dem Wassertank
Bei dem in der
Wie der
Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.Of course, further exemplary embodiments and mixed forms of the exemplary embodiments shown are also possible.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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