DE102019106237A1

DE102019106237A1 - Fluideinspritzventil zum Einspritzen eines Fluids sowie eine Brennkraftmaschinenanordnung

Info

Publication number: DE102019106237A1
Application number: DE102019106237.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Schürg
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: DE102019106237B4

Abstract

Fluideinspritzventil zum Einspritzen eines Fluids, das zumindest Wasser aufweist, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschinenanordnung (2), mit einer Gehäuseanordnung (38), die zumindest ein Fluidzuführgehäuseteil (40) und ein Antriebsgehäuseteil (42) aufweist, in dem ein Ventilglied (50), das mittels einer Antriebseinrichtung (44) antreibbar ist, beweglich gelagert ist, wobei das Ventilglied (50) ein Ventilverschlussglied (54) aufweist, das mit einer Durchströmöffnungsanordnung (58) zusammenwirkt, wobei eine Elektrolyse-Anordnung (62) in der Gehäuseanordnung (38) vorgesehen ist, die zumindest einen Teil des Wassers in Wasserstoff- und Sauerstoffbestandteile aufspaltet. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Brennktaftmaschinenanordnung mit mindestens einem derartigen Fluideinspritzventil (26,28,30,32).

Description

Die Erfindung betrifft ein Fluideinspritzventil zum Einspritzen eines Fluids, das zumindest Wasser aufweist, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschinenanordnung, mit einer Gehäuseanordnung, die zumindest ein Fluidzuführgehäuseteil und ein Antriebsgehäuseteil aufweist, in dem ein Ventilglied, das mittels einer Antriebseinrichtung antreibbar ist, beweglich gelagert ist, wobei das Ventilglied ein Ventilverschlussglied aufweist, das mit einer Durchströmöffnungsanordnung zusammenwirkt. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Brennkraftmaschinenanordnung mit einem derartigen Fluideinspritzventil.
Derartige Brennkraftmaschinenanordnungen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Neben einer Brennstoffeinspritzanordnung, die geeigneten Brennstoff in den Brennraum einspritzt, ist ein Fluidspritzventil vorgesehen, das zumindest Wasser in den wesentlichen Verbrennungsluft führenden Einlasskanal spritzt. Hierdurch soll eine Kühlung des Verbrennungsgases und damit eine Wirkungsgradverbesserung erreicht werden. Beispiele hierfür sind bekannt aus der DE 44 16 886 A1 , der DE 10 2013 020 421 A1 und der DE 10 2014 204 509 A1 . Darüber hinaus ist es beispielsweise aus der US 9,920,714 B2 bekannt, eine Brennkraftmaschinenanordnung mit einer Elektrolyse-Anordnung vorzusehen, so dass ein Fluid bestehend aus Wasserstoff und Sauerstoff in den Brennraum zu leiten ist. Hierdurch kann aufgrund einer verbesserten Entflammbarkeit des Brenstoffgemisches der Wirkungsgrad noch einmal erhöht werden. Jedoch sollte deutlich sein, dass eine derartige Brennkraftmaschinenanordnung sehr aufwendig in der Herstellung ist und einen großen Bauraum benötigt, der bei aktuellen Fahrzeugen nicht zur Verfügung steht.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Fluideinspritzventil sowie eine Brennkraftmaschinenanordnung bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile auf einfache und kostengünstige Weise vermeidet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Elektrolyse-Anordnung in der Gehäuseanordnung vorgesehen ist, die zumindest einen Teil des Wassers in Wasserstoff- und Sauerstoffbestandteile aufspaltet. Hierdurch ist es möglich, die Vorteile der Elektrolyse mit der Wassereinspritzung zu kombinieren. Es findet hierdurch insbesondere ein Strahlaufbruch des Wasserstrahls statt, wodurch die Kühlwirkung mittels der Wassereinspritzung noch einmal erhöht werden kann. Zudem sind keine weiteren Bauteile notwendig, die im Motorenraum angeordnet werden müssen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind eine Elektrolyse-Kathode und/oder eine Elektrolyse-Anode der Elektrolyse-Anordnung im Antriebsgehäuseteil vorgesehen. Hierbei kann in vorteilhafter Weise die Elektrolyse-Kathode oder die Elektrolyse-Anode im Fluidzuführgehäuseteil vorgesehen sein.
Alternativ kann die Elektrolyse-Kathode oder die Elektrolyse-Anode auch als ein metallisch ausgebildetes Filterelement ausgeführt sein.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Antriebseinrichtung als ein Magnetaktuator ausgebildet, wobei das Ventilglied zumindest teilweise als Anker ausgebildet ist.
Das Ventilglied kann eine Schließkugel als Ventilverschlussglied aufweisen. In besonders vorteilhafter Weise ist die Durchströmöffnungsanordnung als Spritzlochscheibe ausgeführt. Das feine Wasserspray kann hierdurch besonders effektiv verteilt werden.
Die Erfindung wird ebenfalls gelöst, durch eine Brennkraftmaschinenanordnung mit mindestens einem Zylinderblock, in dem mindestens ein Zylinder vorgesehen ist, und mindestens einem Zylinderkopf, wobei in dem Zylinder ein Brennraum vorgesehen ist, der durch einen Kolben und den Zylinderkopf begrenzt ist, wobei in dem Zylinderkopf eine Einlasskanalanordnung mit mindestens einem Einlassventil und eine Auslasskanalanordnung mit mindestens einem Auslassventil vorgesehen sind, wobei des Weiteren eine Fluidzulaufanordnung vorgesehen ist, um Fluid, das zumindest Wasser aufweist, über zumindest ein erfindungsgemäß ausgebildetes Fluideinspritzventil in den Brennraum zu führen.
Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass in der Fluidzulaufanordnung mindestens eine zusätzliche Elektrolyse-Anordnung vorgeshen ist.
Auch kann es vorteilhaft sein, dass im Zylinderkopf eine integrierte Wasserrail mit einem Fluidanschluss vorgesehen ist, die fluidisch mit den Fluideinspritzventilen verbunden ist. Alternativ ist es natürlich auch denkbar, eine seperate Wasserrail vor zu sehen, die auf dem Zylinderkopf aufgesetzt ist.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt:

1 eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung in einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Fluideinspritzventils.

1 zeigt eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinenanordnung 2. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Brennkraftmaschinenanordnung 2 als sogenannter V-Motor ausgebildet, von dem hier ein Zylinderkopf 4 dargestellt ist, der eine Einlasskanalanordnung 6 mit Einlasskanälen 8,10,12,14 und einer Auslasskanalanordnung 16 mit Auslasskanälen 18,20,22,24 aufweist. Der Zylinderkopf 4 verschließt auf bekannte Weise einen hier nicht weiter dargestellten Zylinderblock, in dem vier Zylinder mit jeweils einem Brennraum vorgesehen sind, die auf bekannte Weise durch einen Kolben und den Zylinderkopf begrenzt sind. Dem jeweiligen Einlasskanal 8,10,12,14 ist auf bekannte Weise jeweils ein nicht weiter dargestelltes Einlassventil und dem jeweiligen Auslasskanal 18,20,22,24 jeweils ein Auslassventil zugeordnet.
Um nun über eine Verbesserung der Verbrennungsschwerpunktlage und über den entfallenden Anfettungsbedarf eine Wirkungsgradverbesserung sowie über die Senkung der Prozesstemperaturen eine Reduktion der Abwärme zu erreichen, wird in die einzelnen Einlasskanälen 8,10,12,14 mittels Fluideinspritzventilen 26,28,30,32 ein Fluid als Wasser/Sauerstoff/Wasserstoff-Gemisch zugeführt. In besonders vorteilhafter Art und Weise findet hierbei eine Kühlung des Verbrennungsgases dadurch statt, dass das Fluid als Spray eingespritzt wird, da hierdurch die für einen Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert wird und es zudem einfacher für die Luftströmung in den jeweiligen Einlasskanälen 8,10,12,14 ist, das Fluid mitzuführen und eine optimale Verteilung im Brennraum zu gewährleisten. In vorteilhafter Weise ist eine nicht weiter dargestellte Steuereinrichtung vorgesehen, die die Fluideinspritzventile 26,28,30,32 in Abhängigkeit von der Öffnung der Einlassventile ansteuert, sodass lediglich Wasser bei geöffnetem Fluideinspritzventil in den jeweiligen Einlasskanal 8,10,12,14 eingespritzt wird.
Im Zylinderkopf 4 ist eine integrierte Wasserrail 34, die Teil einer nicht nicht vollständig dargestellten Fluidzulaufanordnung ist, vorgesehen, mit der die Fluideinspritzventile 26,28,30,32 fluidisch verbunden sind. Die Wasserrail 34 besitzt hierzu einen Wasseranschluss 36.
Die 2 zeigt nun eine schematische Schnittansicht des Fluideinspritzventils 26, das baugleich mit den Fluideinspritzventilen 28,30,32 ausgebildet ist. Das Fluideinspritzventil 26 besitzt eine Gehäuseanordnung 38, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Fluidzuführgehäuseteil 40 und einem Antriebsgehäuseteil 42 aufgebaut ist. Im Antriebsgehäuseteil 42 ist eine Antriebseinrichtung 44 angeordnet, die als Magnetaktuator ausgebildet ist. Dieser besteht im einfachsten Fall aus einer elektrisch zu bestromenden Spule 46, die auf bekannte Weise auf einen Anker 48, der Teil eines Ventilgliedes 50 ist, einwirkt, wobei das Ventilglied 50 beweglich gelagert ist und durch ein Federorgan 52 in Geschlossenstellung des undbestromten Fluideinspritzventils unter Vorspannung gehalten ist. Das Ventilglied 50 besitzt des Weiteren eine Schließkugel 54 als Ventilverschlussglied, die auf bekannte Weise eine Durchströmöffnung 56 verschließt oder freigibt. Die Durchströmöffnung 56 ist Teil einer Durchströmöffnungsanordnung 58, die durch eine Spritzlochscheibe 60 vervollständigt wird. Erfindungsgemäß ist im Fluidzuführgehäuseteil 40 eine Elektrolyse-Anordnung 62 vorgesehen, die eine Elektrolyse-Kathode 64 und eine Elektrolyse-Anode 66 aufweist.
Das erfindungsgemäße Fluideinspritzventil 26 funktioniert nun wie folgt: Das Federorgan 52 drückt im unbestromten Zustand des Fluideinspritzventils 26 das Ventilschließglied 50 mit der Schließkugel 54 gegen die Durchströmöffnung 56 und verschließt diese. Über das Fluidzuführgehäuseteil 40 wird Wasser zugeführt, das zum Teil durch die Elektrolyse-Anordnung 62 in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten wird. Mit Bestromung der Spule 46 wird der Anker 48 und damit das Ventilglied 50 gegen die Vorspannkraft des Federorgans 52 in Richtung der Elektolyse-Anordnung 62 bewegt, wodurch die Durchströmöffnung 56 freigegeben wird und das Fluid bestehend aus Wasser, Wasserstoff und Sauerstoffdurch die Spritzlochscheibe 60 in Sprayform in den Einlasskanal 8 geführt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4416886 A1 [0002]
DE 102013020421 A1 [0002]
DE 102014204509 A1 [0002]
US 9920714 B2 [0002]

Claims

Fluideinspritzventil zum Einspritzen eines Fluids, das zumindest Wasser aufweist, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschinenanordnung (2), mit einer Gehäuseanordnung (38), die zumindest ein Fluidzuführgehäuseteil (40) und ein Antriebsgehäuseteil (42) aufweist, in dem ein Ventilglied (50), das mittels einer Antriebseinrichtung (44) antreibbar ist, beweglich gelagert ist, wobei das Ventilglied (50) ein Ventilverschlussglied (54) aufweist, das mit einer Durchströmöffnungsanordnung (58) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrolyse-Anordnung (62) in der Gehäuseanordnung (38) vorgesehen ist, die zumindest einen Teil des Wassers in Wasserstoff- und Sauerstoffbestandteile aufspaltet.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrolyse-Kathode (64) und/oder eine Elektrolyse-Anode (66) der Elektrolyse-Anordnung (62) im Antriebsgehäuseteil (42) vorgesehen sind.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse-Kathode (64) oder die Elektrolyse-Anode (66) im Fluidzuführgehäuseteil (40) vorgesehen ist.
Fluideinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolyse-Kathode (64) oder die Elektrolyse-Anode (66) als ein metallisch ausgebildetes Filterelement ausgeführt ist.
Fluideinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung (44) als ein Magnetaktuator ausgebildet ist, wobei das Ventilglied (50) zumindest teilweise als Anker (48) ausgebildet ist.
Fluideinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilglied (50) eine Schließkugel (54) als Ventilverschlussglied aufweist.
Fluideinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmöffnungsanordnung (58) als Spritzlochscheibe (60) ausgeführt ist.
Brennkraftmaschinenanordnung mit mindestens einem Zylinderblock, in dem mindestens ein Zylinder vorgesehen ist, und mindestens einem Zylinderkopf (4), wobei in dem Zylinder ein Brennraum vorgesehen ist, der durch einen Kolben und den Zylinderkopf (4) begrenzt ist, wobei in dem Zylinderkopf (4) eine Einlasskanalanordnung (6) mit mindestens einem Einlassventil und eine Auslasskanalanordnung (16) mit mindestens einem vorgesehen sind, wobei des Weiteren eine Fluidzulaufanordnung (34) vorgesehen ist, um Fluid, das zumindest Wasser aufweist, über mindestens ein Fluideinspritzventil (26,28,30,32) nach einem der Ansprüche 1-7 in den Brennraum zu führen.
Brennkraftmaschinenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidzulaufanordnung (34) mindestens eine zusätzliche Elektrolyse-Anordnung vorgeshen ist.
Brennkraftmaschinenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Zylinderkopf (4) eine integrierte Wasserrail (44) mit einem Fluidanschluss (26) vorgesehen ist, die fluidisch mit den Fluideinspritzventilen (26,28,30,32) verbunden ist.