DE19955344B4

DE19955344B4 - Baugruppe aus einem Kraftstoff-Einspritzventil und einem Modul zur Wasser-Einspritzung in einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE19955344B4
Application number: DE19955344A
Authority: DE
Inventors: Manfred Ruoff; Marc Bareis; Horst Dr. Harndorf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-11-17
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: ITMI20002394A1; JP2001173517A; IT1319317B1; FR2801076B1; DE19955344A1; FR2801076A1

Abstract

Baugruppe aus einem Kraftstoff-Einspritzventil (10) und einem davon funktional unabhängigen, ringförmigen Modul (12) zur Wasser-Einspritzung in einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Modul (12) einen ringförmigen Trägerkörper (14, 18) aufweist, der mit Spritzlöchern (16) versehen ist, und wobei das Modul (12) das Kraftstoff-Einspritzventil (10) umgibt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe aus einem Kraftstoff-Einspritzventil und einem davon funktional unabhängigen, ringförmigen Modul zur Wasser-Einspritzung in einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine.
Die Einspritzung von Wasser während der Verbrennungsphase, insbesondere bei direkteinspritzenden Dieselmotoren, dient dazu, den Stickoxidausstoß der Verbrennungskraftmaschine zu verringern. Üblicherweise erhöht sich der Stickoxidausstoß bei modernen, direkteinspritzenden Dieselmotoren, die extrem rauch- und partikelarm betrieben werden, als Ausdruck höchster Verbrennungsgüte. Dem kann durch die Einspritzung einer bestimmten Menge Wasser entgegengewirkt werden.
Bei bisher bekannten Konzepten wurde das einzuspritzende Wasser direkt in das Einspritzventil eingebracht, so daß eine bifluide Einspritzung erzielt wird, also die Einspritzung eines Gemischs aus Kraftstoff und Wasser. Dies erfordert aber, daß das Einspritzventil auf den erhöhten Durchfluß ausgelegt werden muß, um Nachteile unzulässig langer Spritzdauern während der Vollastphasen zu vermeiden. Dies hat wiederum negative Konsequenzen für die Gemischbildung in Betriebspunkten niedriger Last, bei denen kein Wasser eingespritzt werden muß.

Aus der EP 0 825 341 A1 ist eine Kraftstoff-Einspritzdüse bekannt, bei der im Ventilblock ein separates, räumlich getrenntes Einspritzventil zur Einspritzung von Wasser angeordnet ist.

Aus der EP 0 546 985 A1 ist eine Kraftstoff-Einspritzdüse bekannt, bei der eine innenliegende Düsennadel zur Einspritzung von Dieselöl und eine außenliegende, hohle Düsennadel zur Einspritzung eine gasförmigen Brennstoffs verwendet wird.

Aus den Patent Abstracts of Japan JP 11030164 AA ist eine Kraftstoff-Einspritzdüse bekannt, bei der im Inneren der Düse ein Sammelraum für ein Luft-/Wasser-Gemisch ausgebildet ist. Das Luft-Wasser-Gemisch wird durch dieseselben Spritzlöcher in den Brennraum eingespritzt wie der Kraftstoff, jedoch mit einer zeitlichen Verzögerung, die von der Kraftstoff-Düsennadel gesteuert wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, die Wassereinspritzung in einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine zu ermöglichen, ohne daß sich bei bestimmten Betriebsbedingungen negative Auswirkungen auf die Einspritzung des Kraftstoffs ergeben.

Vorteile der Erfindung

Eine Baugruppe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, daß eine Wassereinspritzung vollkommen unabhängig von der Kraftstoffeinspritzung möglich ist. Die erfindungsgemäße Baugruppe basiert im Grundgedanken auf der funktionalen Trennung der Kraftstoffeinspritzung einerseits und der Wassereinspritzung andererseits. Zur Kraftstoffeinspritzung wird ein herkömmliches Kraftstoff-Einspritzventil verwendet, das im Hinblick auf die Wassereinspritzung in keiner Weise überarbeitet werden muß. Somit ergibt sich unter allen Betriebsbedingungen eine optimale Bereitstellung des einzuspritzenden Kraftstoffs. Auch können bei dieser funktionalen Trennung die übrigen Probleme, die von Einspritzventilen für eine bifluide Einspritzung bekannt sind, nicht auftreten. So entfallen beispielsweise alle Probleme, die mit der Einbringung des einzuspritzenden Wassers in das Einspritzventil verbunden sind, beispielsweise das Unterbrechen des am Einspritzventil anstehenden Systemdrucks für den Vorgang des Einbringens des Wassers. Weiterhin müssen keine ungünstig großen Spritzlochquerschnitte gewählt werden, die für Vollastphasen erforderlich sind, bei Teillastphasen jedoch zu Nachteilen führen. Auch ergeben sich keine kritischen Schmier-/Mischreibungsbedingungen am Einspritzventil, und es werden unerwünschte Vermischungseffekte von Kraftstoff und Wasser vermieden. Schließlich ist verhindert, daß ein Ausfall der Wassereinspritzung, beispielsweise durch einen entleerten Wassertank oder einen Defekt an der Wasser-Förderpumpe, Auswirkungen auf die Kraftstoffzumessung hat. Das ringförmige Modul zur Wassereinspritzung ist in platzsparender Weise um das Einspritzventil herum angeordnet und ermöglicht eine symmetrische Wassereinbringung in den Zylinder. Da das Modul zur Wassereinbringung unabhängig vom Kraftstoff-Einspritzventil arbeitet, ergibt sich ein großes Potential zur Verringerung des Stickoxidausstoßes, da das Wasser während eines frei wählbaren, flexiblen Zeitfensters in den Zylinder eingebracht werden kann. Schließlich kann das den Ventilkörper des Einspritzventils umgebende Wassereinspritzungs-Modul zur Kühlung des Körpers herangezogen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Trägerkörper ein ringförmiger Zufuhrkanal für das einzuspritzende Wasser vorgesehen sowie ein ringförmiger Verteilkanal, der von dem Zufuhrkanal versorgt wird und zu den Spritzlöchern führt, und ein Rückschlagventil, welches ein Rückströmen von den Spritzlöchern zum Zufuhrkanal verhindert. Das Rückschlagventil, das vorzugsweise durch eine ringförmige Membran gebildet ist, die in dem Verteilkanal an einem ringförmigen Dichtsitz anliegen kann, minimiert das Schadvolumen und verringert die Dampfblasenbildung. Weiterhin gewährleistet es einen gewünschten Systemdruck, beispielsweise kleiner 10 bar, in den Absteuerphasen, also gegen Ende der Wassereinspritzung. Die an der Membran voreingestellte Rückstellkraft wird während der Hochdruckphasen im Zylinder verstärkt, was die Dichtwirkung im Wassereinspritzsystem zusätzlich erhöht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
1 in einer schematische, teilgeschnittenen Ansicht eine erfindungsgemäße Baugruppe;
2 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt II von 1; und
3 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt III von 2.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die erfindungsgemäße Baugruppe besteht aus einem Kraftstoff-Einspritzventil 10, das in einem Zylinderkopf 11 einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Im Bereich des vorderen, dem vom Zylinderkopf 11 abgegrenzten Zylinder der Verbrennungskraftmaschine zugewandten Ende des Einspritzventils 10 ist ein ringförmiges Modul 12 zur Wassereinspritzung angeordnet. Dieses Modul umschließt das vordere Ende des Kraftstoff-Einspritzventils 10 und ist in einer ringförmigen Aufnahme im Zylinderkopf 11 durch Formschluß und/oder Kraftschluß aufgenommen.
Das Modul 12 weist einen Trägerkörper auf, der aus einem Außenring 14 besteht, der mit Spritzlöchern 16 für das einzuspritzende Wasser versehen ist, sowie einem Innenring 18, der den Innenraum des Außenringes so unterteilt, daß ein ringförmiger Zufuhrkanal 20 sowie ein ebenfalls ringförmiger Verteilkanal 22 gebildet sind. Der Zufuhrkanal 20 steht über Versorgungsöffnungen 24, die in der Außenwand des Außenringes 14 gebildet sind, mit einer Versorgungsleitung 26 für das einzuspritzende Wasser in Verbindung, die im Zylinderkopf 11 ausgebildet ist. In der Versorgungsleitung 26 ist ein federbelastetes Kugel-Rückschlagventil 28 unmittelbar vor dem Modul zur Wassereinspritzung vorgesehen. Der Zufuhrkanal 20 und der Verteilkanal 22 stehen miteinander durch Überströmöffnungen 30 in Verbindung, die im Innenring 18 ausgebildet sind.
Auf der vom Zylinder abgewandten Seite des Moduls ist ein Deckel 32 vorgesehen, der den Außenring 14 abschließt und dabei den Innenring 18 abstützt. Zur Verbesserung der Abdichtung ist zwischen dem Deckel 32 und dem Innenring 18 noch ein O-Dichtring 34 angeordnet.
Zwischen dem Außenring 14 und dem Innenring 18 ist eine ringförmige Membran 36 angeordnet, die ein Rückschlagventil bildet, das eine Rückströmung von den Spritzlöchern 16 zum Zufuhrkanal 20 verhindert. Die Membran 36 hat in einem radialen Schnitt betrachtet einen L-förmigen Querschnitt, wobei einer der Schenkel zwischen dem Innenring 18 und dem Außenring 14 eingespannt ist. Der andere Schenkel wirkt mit einem ringförmigen Dichtsitz 38 zusammen, der am Innenring 18 ausgebildet ist. Die Membran ist dabei so vorgespannt, daß sie am Dichtsitz 38 mit einer bestimmten Vorspannung anliegt, so daß ein Überströmen des einzuspritzenden Wassers aus dem Verteilkanal 22 in die Spritzlöcher 16 erst oberhalb eines bestimmten Systemdrucks möglich ist, vorzugsweise in der Größenordnung von 10 bar.
Mit dem beschriebenen Modul kann in einfacher Weise Wasser in den Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden, indem der Systemdruck auf der Zulaufseite geeignet gesteuert wird. Besonders vorteilhafte Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Spritzlöcher 16 des Moduls so mit den Spritzlöchern des Kraftstoff-Einspritzventils 10 ausgerichtet sind, daß sich die von ihnen vorgegebenen Spritzwege kreuzen (siehe 2).
Gemäß einer nicht dargestellten Weiterbildung kann das Modul aus einem Keramik-Kompositwerkstoff auf Siliziumnitrid-Basis hergestellt werden. Vorteilhaft dabei ist, daß kleinste Spritzlochgeometrien bereits im Sinterprozeß realisiert werden können. Es wäre dann nicht mehr erforderlich, ein Rückschlagventil im Inneren des Moduls vorzusehen; das Rückschlagventil 28 in der Versorgungsleitung 26 wäre ausreichend.

10: Kraftstoff-Einspritzventil
11: Zylinderkopf
12: Modul
14: Außenring
16: Spritzloch
18: Innenring
20: Zufuhrkanal
22: Verteilkanal
24: Versorgungsöffnung
26: Versorgungsleitung
28: Rückschlagventil
30: Überströmöffnung
32: Deckel
34: Dichtring
36: Membran
38: Dichtsitz

Claims

Baugruppe aus einem Kraftstoff-Einspritzventil (10) und einem davon funktional unabhängigen, ringförmigen Modul (12) zur Wasser-Einspritzung in einen Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das Modul (12) einen ringförmigen Trägerkörper (14, 18) aufweist, der mit Spritzlöchern (16) versehen ist, und wobei das Modul (12) das Kraftstoff-Einspritzventil (10) umgibt.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Trägerkörper (14, 18) ein ringförmiger Zufuhrkanal (20) für das einzuspritzende Wasser vorgesehen ist sowie ein ringförmiger Verteilkanal (22), der von dem Zufuhrkanal (20) versorgt wird und zu den Spritzlöchern (16) führt, und daß ein Rückschlagventil (36, 38) vorgesehen ist, welches ein Rückströmen von den Spritzlöchern (16) zum Zufuhrkanal (20) verhindert.
Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil durch eine ringförmige Membran (36) gebildet ist, die in dem Verteilkanal (22) an einem ringförmigen Dichtsitz (38) anliegen kann.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper einen Außenring (14) aufweist, der mit den Spritzlöchern (16) versehen ist, sowie einen Innenring (18), der mit dem Dichtsitz (38) versehen ist, und daß die Membran (36) zwischen dem Innenring (18) und dem Außenring (14) eingespannt ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Deckel (32) vorgesehen ist, der den Trägerkörper (14, 18) abschließt.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spritzlöcher des Kraftstoff-Einspritzventils (10) und die Spritzlöcher (16) des Moduls (12) so ausgerichtet sind, daß sich die von ihnen vorgegebenen Spritzwege kreuzen.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul (12) kraftschlüssig in einem Zylinderkopf (11) aufgenommen ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul (12) formschlüssig in einem Zylinderkopf (11) aufgenommen ist.
Baugruppe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zylinderkopf (11) eine Versorgungsleitung (26) für das Modul (12) vorgesehen ist und daß in der Versorgungsleitung (26) ein Rückschlagventil (28) angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (28) eine federbelastete Ventilkugel aufweist.