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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einer Wärmetauscheinrichtung,
die im Betrieb des Kraftstoffinjektors insbesondere als Kühleinrichtung
fungiert. Der Kraftstoffinjektor eignet sich insbesondere für Dieselmotoren
und ist beispielsweise ein Common-Rail-Injektor oder ein 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 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 höheren Anzahl von Einspritzungen
pro Zyklus zu rechnen sein, da aufgrund 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, wodurch ein Aufheizen des Kraftstoffinjektors
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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Ferner
ist es zur Reduzierung einer Hysterese bei einer Temperatur-Kompensation
des Kraftstoffinjektors erwünscht,
dass ein schneller Wärmeaustausch
mit der Umgebung vom Kraftstoffinjektor weg und auch zum Kraftstoffinjektor
hin stattfindet. Es ist also erwünscht,
dass der Kraftstoffinjektor bei sämtlichen Umgebungsbedingungen
möglichst schnell
seine Betriebstemperaturen erreicht.
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Die
DE 198 56 185 A1 offenbart
einen Vielschicht-Piezoaktor, dessen Aktormodul in einer Modulwand
eingeschlossen ist. In einem Zwischenraum zwischen dem Aktormodul
und der Modulwand befindet sich ein Metallgewölle oder -geflecht, das den
Piezoaktor elektrisch kontaktiert. Der Zwischenraum ist dabei mit
einem gut wärmeleitenden
Elastomer verfüllt.
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Die
EP 0 844 678 A1 offenbart
einen monolithischen Vielschicht-Piezoaktor, dessen äußere Metallisierung
eine dreidimensional strukturierte Elektrode aufweist, die über partielle
Kontaktstellen mit der Metallisierung elektrisch leitend verbunden
ist und diese im Betrieb des Piezoaktors mit elektrischer Spannung
versorgt. Hierbei fungiert die dreidimensional strukturierte elektrisch
leitende Elektrode ferner als ein Kühlkörper für den monolithischen Piezoaktor.
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen Kraftstoffinjektor mit
einer geeigneten Wärmetauscheinrichtung,
insbesondere einer Wärmetauscheinrichtung,
die bei Betriebstemperaturen des Kraftstoffinjektors als eine Kühleinrichtung
fungiert, bereit zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird mittels einer passiven Wärmetauscheinrichtung für Kraftstoffeinspritzsysteme
gelöst,
wobei eine wärmeaustauschende
Oberfläche
eines Kraftstoffinjektors wenigstens abschnittweise vergrößert ist.
Diese Vergrößerung der
wärmeabgebenden
Oberfläche
wird mittels einer unebenen bzw. rauen Oberfläche realisiert, die eine Vielzahl von
Erhöhungen
und Vertiefungen aufweist.
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Je
größer eine
Oberfläche
ist, desto mehr Wärme
kann über
diese Oberfläche
an die Umgebung abgegeben bzw. mit der Umgebung ausgetauscht werden.
Mittels der erfindungsgemäßen Wärmetauscheinrichtung
wird bei hohen Betriebstemperaturen des Kraftstoffinjektors eine
Kühlung
des Kraftstoffinjektors sichergestellt, wobei die zulässige Betriebstemperatur
eines Antriebs des Kraftstoffinjektors nicht überschritten wird. In einem
kalten oder kühlen
Betriebszustand des Kraftstoffinjektors (Kaltstart) kann sich der
Kraftstoffinjektor schneller über die
Wärmetauscheinrichtung
erwärmen,
was eine Hysterese bei der Temperatur-Kompensation des Kraftstoffinjektors
reduziert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Oberfläche
eines Abschnitts des Kraftstoffinjektors mikroskopisch strukturiert.
Gerade mittels mikroskopischer Strukturen ist es möglich, eine
wärmeabgebende
Oberfläche
um ein Vielfaches zu vergrößern. Vorzugsweise
weisen die mikroskopischen Ausnehmungen eine Tiefe im Bereich von
einem Zehntel eines Millimeters auf.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden in die Außenoberfläche des
Injektorkörpers
Nuten oder Rillen im Bereich des Piezoaktors in Längs- und/oder
Querrichtung des Injektorkörpers
eingebracht. Spiralförmig
umlaufenden Nuten/Rillen sind ebenfalls möglich. Dies ist eine einfache
und kostengünstige
Methode die Oberfläche
an den gewünschten
Bereichen des Kraftstoffinjektors zu vergrößern und seinen thermischen
Haushalt gezielt zu beeinflussen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Wärmetauscheinrichtung
wenigstens abschnittsweise Noppen auf, die z. B. zylinder- oder
nadelförmig
sein können.
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Ferner
besteht eine Möglichkeit,
die Oberfläche
des Injektorkörpers
dadurch zu vergrößern, indem
man dessen Oberfläche
mittels eines Laserstrahls strukturiert. Gerade mittels einer solchen
Laserstrukturierung können
filigrane Strukturen erzeugt werden, die die Oberfläche des
Kraftstoffinjektors um ein Vielfaches vergrößern. Ferner eignen sich für eine Feinstrukturierung
der Oberfläche
des Kraftstoffinjektors u. a. Ätz-Verfahren.
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Obige
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
eignen sich insbesondere für
Motoren, bei denen der Einbauraum am Zylinderkopf begrenzt ist und
daher die bestehenden Dimensionen des Kraftstoffinjektors nicht überschritten werden
dürfen.
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Steht
jedoch genügend
Einbauraum für
den Kraftstoffinjektor zur Verfügung,
so wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der
Kraftstoffinjektor mittels am Umfang in gleichen Abständen voneinander
angeordneten Wärmetauschblechen,
die insbesondere als Kühlrippen
im Betrieb des Kraftstoffinjektors fungieren, versehen. Bevorzugt
erstrecken sich diese Wärmetauschbleche
entlang der Längsachse
des Kraftstoffinjektors. Wärmetauschbleche
quer dazu oder spiralförmig
umlaufende sind ebenfalls möglich.
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Mittels
einer Berippung einer Oberfläche kann
deren Wärmeaustausch
mit der Umgebung gesteigert werden, wobei die Rippen stets auf der
Seite des schlechteren Wärmeübergangs
anzuordnen sind.
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Eine
weitere Möglichkeit,
einen Kraftstoffinjektor mit einer Wärmetauscheinrichtung zu versehen,
wobei der Kraftstoffinjektor seine bisherigen Dimensionen beibehält, besteht
in einer wenigstens teilweisen Beschichtung der Außenseite
des Kraftstoffinjektors. Hierbei weist die Beschichtung bevorzugt
Partikel auf, die die Oberfläche
des Kraftstoffinjektors vorzugsweise um ein Vielfaches vergrößern können.
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Bevorzugte
weitere Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen Zeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
in einer aufgeschnittenen 3D-Ansicht mit einer oberflächenvergrößerten Außenseite
und einigen beispielhaften Oberflächenstrukturen, und
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2 einen
erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor
in einer aufgeschnittenen 3D-Ansicht mit am Kraftstoffinjektor vorgesehenen
Wärmetauschblechen
bzw. -rippen.
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Mögliche Maßnahmen
zur Verbesserung der Wärmeübertragung
eines Kraftstoffinjektors an dessen Umgebung, insbesondere an die
Umgebungsluft im Motorraum, sind so genannte passive Maßnahmen,
die die Physik des Wärmeübertragungsvorgangs
ausnutzen und neben einer Oberflächengestaltung,
die aber auch herstellungsbedingt sein kann, keine Nachteile mit
sich bringen.
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Man
unterscheidet bei den passiven Maßnahmen zur Verbesserung der
Wärmeübertragung zwischen
strukturierten, präparierten
und berippten Oberflächen.
Nachfolgend werden dafür
Ausführungsbeispiele
gegeben.
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Ist
der Wärmeübergangskoeffizient
auf einer von zwei Seiten einer Wandung (wesentlich) niedriger (Außenseite
eines Kraftstoffinjektors) als auf der anderen (Innenseite des Kraftstoffinjektors),
so kann man die Wärmeabgabe
einer ungünstigen
Seite durch Strukturierung oder Berippung steigern. Die Außenseite
des Kraftstoffinjektors wird z. B. mit Rippen, Flossen, Warzen,
Noppen oder Nadeln ausgerüstet
und dadurch vergrößert. Hierbei
gilt für
den Abstand zweier Rippen, dass dieser größer sein muss, als die doppelte
Grenzschichtdicke an zwei aneinander direkt benachbarten Rippen.
D. h. dass sich an zwei direkt benachbarten Rippen ausbildende Grenzschichten
nicht beeinflussen sollen. Hierbei handelt es sich bei freier Konvektion
um Abstände
in der Größenordnung
von ca. 1 cm und bei einer aufgezwungenen Strömung von ca. 20 m/s um einige
Millimeter.
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Im
Folgenden bezieht sich die Beschreibung der Erfindung auf einen
Wärmeübergang
vom Kraftstoffinjektor in Richtung seiner weniger warmen Außenumgebung,
also auf eine Kühlung
des Kraftstoffinjektors. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass – sollte
die Umgebung des Kraftstoffinjektors wärmer als er selbst sein, z.
B. bei einem Kaltstart bei starkem Frost, – sich eine Umgebung des Kraftstoffinjektors
schneller erwärmen
kann, als z. B. dessen Gehäuse,
an welchem eine erfindungsgemäße Wärmetauscheinrichtung
vorgesehen ist. In einem solchen Fall wird der Kraftstoffinjektor über die
erfindungsgemäße Wärmetauscheinrichtung
erwärmt,
was in diesem Fall auch erwünscht
ist, da sich eine Hysterese bei der Temperatur-Kompensation reduziert.
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Die 1 und 2 zeigen
jeweils einen solchen Kraftstoffinjektor 10 für Dieselmotoren,
der an eine Common-Rail- Kraftstoffversorgung
anschließbar
ist. Der Kraftstoffinjektor 10 weist zur Betätigung eines
Servoventils 50 einen Antrieb 30, bevorzugt einen
Piezoaktor 30, auf. Das Servoventil 50 steuert
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 60 verantwortlich
ist. In einer anderen Ausführungsform
des Kraftstoffinjektors 10 kann der Piezoaktor 30 z.
B. direkt auf die Düsennadel 60 wirken.
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Es
sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht
auf einen Kraftstoffinjektor 10 für eine Common-Rail-Kraftstoffversorgung
beschränkt
sein soll. Vielmehr ist die Erfindung auf sämtliche thermisch hoch belastete
Kraftstoffinjektoren 10, wie beispielsweise für ein Pumpe-Düse-System oder eine Benzineinspritzung,
anwendbar.
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Der
Piezoaktor 30 stellt eine Wärmequelle des Kraftstoffinjektors
dar, welcher zur Realisierung von Mehrfacheinspritzungen pro Einspritzzyklus
entsprechend oft bestromt wird. Hierdurch entsteht im Betrieb eine
unerwünschte
Wärme,
die radial und axial bezüglich
einer Längsachse 40 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 10 möglichst
schnell nach außen
vom Kraftstoffinjektor 10 weg transportiert wird. Erfindungsgemäß wird dies
mit einer wenigstens abschnittsweisen Vergrößerung der Außenoberfläche des
Kraftstoffinjektors 10 realisiert. Sinnvoll ist eine solche
Oberflächenvergrößerung des
Kraftstoffinjektors 10 überall
an denjenigen äußeren Stellen
des Kraftstoffinjektors 10, an welchen dieser thermisch am
höchsten
belastet ist. Dies ist insbesondere im Bereich des Antriebs 30 des
Servoventils 50 der Fall. Dieser Antrieb 30 ist
bei modernen Kraftstoffinjektoren ein Piezoaktor 30, der
insbesondere bei Mehrfacheinspritzungen eine große Wärmemenge Q pro Zeiteinheit
erzeugt.
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Diese
im Betrieb des Kraftstoffinjektors 10 entstehende Wärmemenge
Q muss vollständig über den
Kraftstoffinjektor 10 abtransportiert werden.
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Um
nun ein Überhitzen
des Kraftstoffinjektors 10 zu vermeiden, ist zur Wärmeabfuhr
nach außen
eine Oberfläche
des Kraftstoffinjektors 10 überall dort vergrößert, wo
dieser thermisch hoch belastet ist.
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So
zeigt 1 eine Kühleinrichtung 20 des Kraftstoffinjektors 10,
an dessen Außenseite
in einem Bereich des Piezoaktors 30. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
des Kraftstoffinjektors 10 ist dessen Außenoberfläche im Bereich
des Piezoaktors 30 mittels einer mikroskopischen oder makroskopischen
Struktur vergrößert. Beispielhaft
sind einige Oberflächenstrukturen
der Kühleinrichtung 20 als Ausschnittsvergrößerung dargestellt.
So ist es beispielsweise möglich,
den Kraftstoffinjektor 10 in Umfangsrichtung oder auch
in Richtung seiner Längsachse 40 mittels
einander eng beabstandeten Nuten zu versehen. Mittels einer solchen „Riffelung” ist es auf
einfache und kostengünstige
Weise möglich,
die Oberfläche
des Kraftstoffinjektors 10 zu vergrößern. Andere Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
haben eine Noppen- oder Nadelstruktur auf der Oberfläche des
Kraftstoffinjektors 10. Ferner sind Kombinationen dieser
Ausführungsformen
möglich,
sowie ein spiralförmiges
Umlaufen der Nuten um den Kraftstoffinjektor 10 herum.
Insbesondere radial umlaufende Nuten lassen sich einfach und kostengünstig herstellen.
Solch strukturierte Oberflächen
lassen sich bevorzugt mittels Fräsen herstellen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung weist Strukturen, wie z. B. obige auf, die mittels Laserstrukturierung
in das Gehäuse
des Kraftstoffinjektors 10 eingearbeitet werden. Diese Strukturen
können
eine beliebige Form aufweisen, solange sie die Oberfläche des
ursprünglichen
Kraftstoffinjektors 10 vergrößern. Ferner eignen sich bevorzugt Ätz- Verfahren für die erfindungsgemäße Oberflächenvergrößerung.
Darüber
hinaus sind eine Vielzahl weiterer Verfahren anwendbar, die die
Oberfläche
des Kraftstoffinjektors vergrößern. So
eignen sich z. B. Elektronenstrahl-Abtragung; galvanisches Auftragen
von Strukturen; mechanisch abtragende Verfahren wie Drehen, Fräsen u. ä.; mechanische Verfahren
mit plastischer Verformung wie Drücken, Prägen, Walzen u. ä.; LIGA-/MIGA-Verfahren und ein Aufkleben,
-löten
und -schweißen
von Strukturen.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Oberfläche
des Kraftstoffinjektors 10 zu vergrößern besteht darin, die Oberfläche mittels
einer Beschichtung zu präparieren.
Die Beschichtung sollte im Betriebszustand des Kraftstoffinjektors 10 eine
möglichst
raue Oberfläche besitzen,
die einen entsprechend großen
Oberflächeninhalt
aufweist. Bevorzugt werden hierbei Beschichtungen mit Partikeln
eingesetzt, die eine entsprechende Oberflächenrauhigkeit hervorrufen.
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Obige
Ausführungsformen
finden insbesondere dann Anwendung, wenn für einen Kraftstoffinjektor 10 kein
zusätzlicher
Platz außen
um den Kraftstoffinjektor 10 herum, insbesondere auch außerhalb des
Zylinderkopfs, zur Verfügung
steht. Mittels der erfindungsgemäßen Oberflächenvergrößerung ist
es möglich,
bereits existierende Kraftstoffinjektorkonzepte besser zu kühlen und
diese mit ≥ 5
Einspritzungen pro Einspritzzyklus zu betreiben.
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Eine
weitere Möglichkeit,
einen Kraftstoffinjektor 10 thermisch zu entlasten, besteht
im Vorsehen von Kühlblechen
bzw. -rippen am Kraftstoffinjektor 10, insbesondere an
dessen thermisch hoch belasteten Stellen und, bevorzugt, ein Stückchen darüber hinaus,
um eine Wärmeleitung
der Kühlbleche mit
auszunutzen.
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Bevorzugte
Rippenformen sind beispielsweise Dreiecks- oder Rechtecksrippen.
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Sind
die Rippen auf den Kraftstoffinjektor 10 aufgeschrumpft
oder aufgeschweißt,
so spielt eine einwandfreie (bevorzugt metallische) Verbindung zwischen
dem Körper
des Kraftstoffinjektors 10 und den Rippen eine ausschlaggebende
Rolle, da eventuell vorhandene Luftspalte den Wärmeübergang negativ beeinflussen.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
eines solchen berippten Kraftstoffinjektors 10, wobei die
Kühleinrichtung 20 aus
in Längsrichtung
des Kraftstoffinjektors 10 sich erstreckenden Kühlblechen
oder -rippen 20 besteht. Diese Kühlbleche 20 sind insbesondere
an den thermisch hoch belasteten Stellen des Kraftstoffinjektors 10 angebracht.
Ebenso sind radial umlaufende Kühlbleche
möglich.