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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit Kühleinrichtung,
insbesondere einen Kraftstoffinjektor für Dieselmotoren wie z. B. einen
Common-Rail-Injektor oder einen Pumpe-Düse-Injektor.
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Kraftstoffeinspritzsysteme
der neueren Generation weisen piezoelektrisch betriebene Kraftstoffinjektoren
auf, bei welchen der Piezoantrieb im Inneren des Kraftstoffinjektorkörpers integriert
ist. Bedingt durch eine hohe Energieaufnahme des Piezoantriebs,
welche insbesondere durch Mehrfacheinspritzungen generiert wird,
heizt sich der Kraftstoffinjektor sehr stark auf. Bei heute bekannten
Kraftstoffeinspritzsystemen finden maximal vier Einspritzungen pro
Zyklus statt, wodurch die Energieaufnahme des Piezoaktors und eine
damit verbundene Erwärmung des
Injektorantriebs und des Kraftstoffinjektors noch beherrschbar ist.
Bei zukünftigen
Einspritzsystemen wird mit einer deutlichen höheren Anzahl von Einspritzungen
pro Zyklus zu rechnen sein, da auf Grunde der Emissionsgesetzgebung
immer strenger werdende Schadstoffgrenzwerte eingehalten werden müssen. Um
dies zu erreichen, ist eine steigende Anzahl von Einspritzungen
pro Zyklus notwendig. Daher werden Mehrfacheinspritzkonzepte der
Zukunft mit ≥ 5
Einspritzungen pro Zyklus gefahren werden, wodurch ein Aufheizen
des Kraftstoffinjektors, insbesondere in heißen Gegenden so stark sein
kann, dass sich der Antrieb des Kraftstoffinjektors bei nicht ausreichender
Kühlung
selbst zerstört
und es zu einem Totalausfall des Kraftstoffinjektors kommt.
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Aus
dem Stand der Technik, beispielsweise aus dem
US Patent 3,945,353 , aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 003 453
A1 und aus der französischen
Offenlegungsschrift
FR
2 877 055 A1 , sind Kühlvorrichtungen
oder Kühleinrichtungen für Kraftstoffinjektoren
bekannt, welche einen Kraftstoffinjektor gezielt hydraulisch durch
Kühlfluid
kühlen.
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Ferner
sind im Stand der Technik gekühlte Ventile,
insbesondere Auslassventile, von Kraftfahrzeugmotoren bekannt, welche
mit Hohlschaft ausgeführt
sind und der Hohlraum mit Natrium gefüllt ist. Ab ca. 98°C verflüssigt sich
das Natrium und wird im Schaft hin- und hergeschleudert, wodurch
die Wärme des
Tellers des Ventils rascher, als nur über eine Wärmeleitung eines Vollschafts,
von einer heißen Region
des Ventils in eine kältere,
gegenüber
des Ventiltellers liegende, Region transportiert werden kann. Hierdurch
sind Temperaturabsenkungen von ca. 80°C bis 150°C erreichbar.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Kraftstoffinjektor mit
einer geeigneten Kühleinrichtung
bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
beschrieben. Die Erfindung hat den Vorteil, dass ein Kühlmittel
innerhalb des Kraftstoffinjektors möglichst nah am Aktor des Kraftstoffinjektors
angeordnet ist. Das Kühlmittel
sollte neben einer hohen Wärmeleitfähigkeit
auch eine möglichst
hohe Wärmekapazität und einen
niedrigen Schmelzpunkt aufweisen. Bevorzugt ist hierbei ein Kühlmittel,
welches im Betrieb des Kraftstoffinjektors flüssig ist und aus einem Metall
besteht.
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Das
metallische Kühlmittel
ermöglicht
eine bessere Wärmeabfuhr.
Aufgrund einer hohen Wärmeleitfähigkeit
von flüssigmetallischen
Kühlmitteln und
einer ausreichend hohen Wärmekapazität ermöglicht dies
einen schnellen Wärmetransport
von den hitzebelasteten Stellen des Kraftstoffinjektors weg. Mittels
einer solchen Kühlung
ist ein störungsfreier
Betrieb eines Kraftstoffinjektors, insbesondere eines piezoelektrisch
betriebenen, möglich.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
hat das Kühlmittel
direkt Kontakt mit einer thermisch hochbelasteten Stelle des Kraftstoffinjektors.
Mittels dieser Anordnung befindet sich z. B. der zu kühlende Piezoaktor
direkt in dem flüssigen,
metallischen Kühlmittel,
sodass der Wärmeübergang
zwischen dem Piezoaktor und dem Kühlmittel verbessert ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
befindet sich das Kühlmittel
in wenigstens einer Ausnehmung des Kraftstoffinjektors, wobei zur
Verbesserung des radialen Wärmetransports
nach außen
eine Wanddicke zwischen dem Aktor und der Ausnehmung möglichst
gering ausgestaltet ist. Mittels der Realisierung einer solchen
kleinstmöglichen
Wandstärke
ist ein guter Wärmeübergang
erzielbar, falls z. B. der Antrieb nicht direkt mit dem Kühlmittel
in Verbindung kommen darf. Ferner sollte ebenso zur Erzielung eines
möglichst
hohen Wärmeübergangs eine
Wanddicke zwischen Außenwand
des Kraftstoffinjektors und dem Kühlmittel möglichst gering sein.
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Aufgrund
des flüssigen
Kühlmittels
ist ein guter Abtransport der Wärme
vom Aktor möglich.
Dies wird insbesondere dadurch unterstützt, dass die im Betrieb vorhanden
Vibrationen des Kraftstoffinjektors wie ein Shaker wirken, wodurch
eine Art „Pumpwirkung” erzeugt
wird (erzwungene Flüssigkeitsströmung), die
ein Durchmischen von heißem
und kühlem
Kühlmittel
fördern,
was den Wärmetransport nach
außen
zusätzlich
maßgeblich
beeinflusst.
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In
einer weiteren Ausführungsform
befindet sich das Kühlmittel
in einer Mehrzahl von als Sacklöchern
ausgeführten
Kühlbohrungen,
die im Wesentlichen parallel zur Kraftstoffinjektorachse ausgeführt sind.
Hierdurch erzielt man einen Wärmetransport
in zwei Richtungen. Zum Einen in radialer Richtung aus dem Inneren
des Kraftstoffinjektors (Piezokristallantrieb) nach außen in Richtung
der Haltebohrung des Kraftstoffinjektors im Zylinderkopf und zum
Anderen in axialer Richtung vom Motorbrennraum und dem Steuerventilantrieb
des Kraftstoffinjektors weg in Regionen mit geringer thermischer Belastung
des Motors. Diese Bohrungen werden vor der Montage des Kraftstoffinjektors
mit dem Kühlmittel
befüllt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
sind die Kühlmittelbohrungen
nicht vollständig
mit Kühlmittel gefüllt, was
bei den existierenden Vibrationen die Durchmischung des Kühlmittels
fördert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein solches Kühlmittel
Natrium, welches bei ca. 98°C schmilzt,
eine gute thermische Leitfähigkeit
aufweist und kostengünstig
in ausreichenden Mengen zur Verfügung
steht. Aber auch andere metallische Kühlmittel wie z. B. Kalium (Schmelzpunkt
bei ca. 64°C) oder
niedrigschmelzende Metalllegierungen z. B. auf Gallium-, Wismut-,
Zinn- oder Blei-Basis (Schmelzpunkte zwischen 8°C bis über 150°C) sind ebenso anwendbar.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen
erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
in einer aufgeschnitten 3-D-Ansicht.
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Die
folgenden Ausführungen
gemäß 1 beziehen
sich auf einen im Betrieb mit flüssigem
Natrium gekühlten
Kraftstoffinjektor. Der Kraftstoffinjektor ist ebenfalls mit anderen,
vorzugsweise metallischen Kühlmitteln
kühlbar,
welche ähnliche
Eigenschaften bei dem im Betrieb des Kraftstoffinjektors entstehenden
Temperaturen aufweisen.
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1 zeigt
einen Kraftstoffinjektor 10 für Dieselmotoren, der an eine
Common-Rail-Kraftstoffversorgung anschließbar ist. Der Kraftstoffinjektor 10 weist
zur Betätigung
eines Servoventils 60 einen Antrieb 70, bevorzugt
einen Piezoaktor 70 auf. Das Servoventil 60 steuert
wiederum einen Steuerraum auf oder zu, wobei der im Steuerraum sich
auf- oder abbauende Druck von einem Common-Rail oder zu einer Leckage
für das Öffnen und
Schließen
einer Düsennadel 90 verantwortlich
ist. In einer anderen Ausführungsform
des Kraftstoffinjektors kann der Piezoaktors 70 z. B. direkt
auf eine Düsennadel 90 wirken.
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Der
Piezoaktor 70 stellt eine Wärme- bzw. Hitzequelle des Kraftstoffinjektors 10 dar,
welcher zur Realisierung von Mehrfacheinspritzungen pro Einspritzzyklus
entsprechend oft bestromt wird. Hierdurch entsteht im Betrieb eine
unerwünschte
Wärme, die
radial und axial bezüglich
des Kraftstoffinjektors 10 abgeführt werden muss.
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Um
diese Hitzeentwicklung zu kompensieren, ist es notwendig, dass die
Hitze aus dem Inneren des Kraftstoffinjektors möglichst schnell nach außen und
vor allem möglichst
schnell in einen hinteren dem Zylinderkopf abgewandten Bereich zugeführt wird. Dies
geschieht erfindungsgemäß mittels
einer Kühlung
durch Natrium. Hierzu sind im Gehäuse des Kraftstoffinjektors 10 Ausnehmungen 20,
insbesondere Sacklockbohrungen 20 vorgesehen, in welchen vor
der Montage des Kraftstoffinjektors 10 Natrium in fester
Phase eingefüllt
ist.
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Kraftstoffinjektoren 10 sind
meist aus Stahl und/oder Keramik aufgebaut, wobei für thermisch hoch
belastete Bereiche des Kraftstoffinjektors 10 bevorzugt
Stahl und Keramik, für
mechanisch hoch beanspruchte Teile insbesondere Stahl verwendet wird.
Stahl und auch Keramik weisen eine vergleichsweise geringe Wärmeleitfähigkeit λ auf. So
beträgt
z. B. die Wärmeleitfähigkeit λ von Stahl
für einen
Temperaturbereich von 0–100°C, λ = 13–57 W/(m·K) und die
Wärmeleitfähigkeit λ von Keramik,
ebenfalls in diesem Temperaturbereich, λ = 1–4 W/(m·K) (Siliziumkeramik) bzw.
6–30 W/(m·K) (Oxidkeramik).
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Die
schlechten Wärmetransporteigenschaften
von Stahl und Keramik verhindern ein schnelles Abtransportieren
der Wärme
in Bereiche außerhalb des
Kraftstoffinjektors 10, welcher dort einer Luftströmung ausgesetzt
ist und so seine Wärme
abgeben kann. Die schlechten Wärmetransporteigenschaften der
Kraftstoffinjektormaterialien führen
zu einer signifikanten Erhöhung
der Temperatur des Kraftstoffinjektors 10, was bei nicht
ausreichender Kühlung
zu Selbstzerstörung
führen
kann. Ferner wird der Wärmestau
im Kraftstoffinjektor 10 dadurch begünstigt, dass der Kraftstoffinjektor 10 einerseits
meist aus einer Kombination dieser Materialien aufgebaut ist und andererseits
die Bestandteile des Kraftstoffinjektors 10 an ihren Stoßflächen fertigungsbedingt
Spalte aufweisen, die einen Wärmeweitertransport
erschweren.
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Mittels
Vorsehen von Kühlkanälen am Aktor 70,
in welchen ein Kühlmittel 30 mit
hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit λ vorhanden
ist, kann diesem Problem begegnet werden. So hat z. B. Natrium bei
0°C eine
spezifische Wärmeleitfähigkeit λ von 135
W/(m·K),
welche mit der Temperatur noch zunimmt. Vorzugsweise befinden sich
diese Kühlkanäle möglichst
nahe am Aktor 70.
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Idealerweise
ist der Aktor 70 nach Möglichkeit
direkt vom Kühlmittel 30 umgeben.
Dort wo dies nicht möglich
ist, sollten die Kühlkanäle, bevorzugt Bohrungen
oder Sacklochbohrung 20 sich möglichst nah am Aktor befinden.
Ebenso sollte die Bohrung 20 derart verlaufen oder einen
solchen Durchmesser aufweisen, dass eine äußere Begrenzung des Kraftstoffinjektors 10 nahe
an dieser Bohrung 20 liegt.
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Die
Pfeile in 1 verdeutlichen den Wärmetransport
aufgrund des flüssigen
Natriums innerhalb des Kraftstoffinjektors 10 in radialer
und in axialer Richtung.
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Ferner
ist die erfindungsgemäße Kühleinrichtung
nicht nur für
die Kühlung
eines Piezoaktors 70 geeignet, vielmehr eignet sich die
erfindungsgemäße Kühleinrichtung
für sämtliche
thermisch hoch belasteten Stellen des Kraftstoffinjektors 10.
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Ferner
ist die erfindungsgemäße Kühleinrichtung
nicht nur auf Kraftstoffinjektoren 10 mit Common-Rail-Versorgung
anwendbar. Vielmehr ist die Erfindung für sämtliche Kraftstoffinjektoren 10 bzw. Kraftstoffeinspritzdüsen verwendbar,
wie z. B. bei einer Pumpe-Düse.
Ferner ist die Erfindung auch für Einspritzanlagen
von Benzinmotoren verwendbar.
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Mittels
Vorsehen von einfachen Sacklochbohrungen 20, in welche
Natrium gefüllt
wird, ist es möglich,
den Kraftstoffinjektor 10 auch bei Einspritzungen ≥ 5 pro Zyklus
ausreichend zu kühlen.
Für die erfindungsgemäße Kühlung, ist
keine Pumpe notwendig, die das Kühlmittel
innerhalb des Kraftstoffinjektors 10 umwälzt, wodurch
eine drucklose Kühlung des
Kraftstoffinjektors 10 ermöglicht wird. Zusätzlich wird
der Wärmetransport
der Kühleinrichtung
dadurch verbessert, dass die im Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 vorhanden
Vibrationen das Kühlmittel 30 ständig durchmischen,
wodurch ein besserer Wärmeübergang
innerhalb des Kühlmittels 30 stattfindet.
Dies ist insbesondere mit nicht vollständig gefüllten Bohrungen 20 erreichbar.
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Bevorzugt
besteht die erfindungsgemäße Kühleinrichtung
aus einer Mehrzahl von radial im Kraftstoffinjektor 10,
bevorzugt in der Nähe
des Piezoaktors 70, angeordneten Sacklochbohrungen 20.
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Ein
bevorzugtes Kühlmittel
ist Natrium. Dieses weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit λ bei einer hohen Wärmekapazität c und
einem niedrigen Schmelzpunkt TS auf. Insbesondere
eine hohe Wärmeleitfähigkeit λ ist für diese
druck- und pumpenlose Kühlung
notwendig, da das Kühlfluid
die Wärme
von selbst weitertransportieren muss. Im flüssigen Zustand von 0° bis 200°C beträgt dessen
Wärmeleitfähigkeit λ = 5,6–6,6 W/(m·K).
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Neben
Natrium eignet sich auch Kalium für die erfindungsgemäße Kühleinrichtung.
Kalium hat ebenfalls eine gute, spezifische Wärmeleitfähigkeit λ (bei 0°C, λ = 104 W/(m·K) und auch eine ausreichende
Wärmekapazität (bei 0°C, c = 742
J/(kg·K).
Darüber
hinaus gibt es eine Vielzahl weiterer niedrig schmelzender Metalllegierungen,
die sich als Kühlmittel 30 für die erfindungsgemäße Kühleinrichtung eignen.
Hierbei ist dann ein Kühlmittel
wählbar,
welches einerseits wiederum eine möglichst gute Wärmeleitfähigkeit λ aufweisen
sollte und andererseits eine hohe Wärmekapazität c sowie einen niedrigen Schmelzpunkt
TS besitzen sollte.