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Die
Erfindung geht aus von einem Einspritzventil, insbesondere für Kraftstoffeinspritzanlagen von
Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Zur
Reduzierung der insbesondere beim Kaltstart der Brennkraftmaschine
in deren Abgas enthaltenen Kohlenwasserstoffe werden Einspritzventile mit
einem elektrischen Heizelement ausgestattet, das durch Erwärmen des
Kraftstoffs vor Ausspritzen aus dem Kraftstoff-Einspritzventil einen
sog. Flash-Boiling-Effekt erzeugt, wodurch eine verbesserte Verbrennung
des Kraftstoffs im Brennraum der Brennkraftmaschine erreicht wird.
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Bei
einem bekannten Kraftstoff-Einspritzventil mit einer stabförmigen Ventilnadel,
die in einem bis zum Ventilsitz reichenden Kraftstoff-Zulaufkanal
koaxial zur Kanalachse angeordnet ist (
US 4 458 655 ), weist das Heizelement
ein auf die Ventilnadel aufgeschobenes Isolationsrohr mit einer
im Außenmantel ausgebildeten,
schrauben- oder spiralförmigen
Nut auf, in der ein elektrischer Heizdraht einliegt. Am ventilsitzfernen
Ende trägt
die Ventilnadel einen Ring aus elektrisch leitendem Material, z.B.
Kupfer, an dem der Heizdraht angeschlossen ist. In einem seitlich,
aus dem Ventilgehäuse
herausgeführten
Gehäusestutzen
ist ein Kontaktstift axial verschieblich angeordnet, der mittels
einer stromleitenden Druckfeder auf den Ring aufgepresst wird und dadurch
einen elektrischen Kontakt zum Heizdraht herstellt. Die stromführende Druckfeder
ist über
einen weiteren Kontaktstift an eine Spannungsquelle angeschlossen.
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Bei
einem bekannten Kraftstoff-Einspritzventil der eingangs genannten
Art (
DE 44 21 881 A1 )
ist der Kraftstoff-Einlassstutzen an dem Ventilgehäuse koaxial
zu dem in der Längsachse
des Ventilgehäuses
verlaufenden Kraftstoff-Zulaufkanal angeordnet. Der Zulaufkanal
ist von einem metallischen Rohr gebildet, an dem über ein
metallisches Zwischenstück ein
Ventilsitzträger
befestigt ist. Auf dem Rohr sitzt die Erregerwicklung eines Elektromagneten
zur Betätigung
der Ventilnadel. Das zugleich den inneren Magnetkern des Elektromagneten
bildende Rohr, der Elektromagnet und teilweise der Ventilsitzträger sind von
einem das Ventilgehäuse
bildenden Kunststoffumguss umschlossen, in dem noch ein Anschlussstecker
für die
Erregerwicklung des Elektromagneten miteingegossen ist. Der Ventilsitzträger ist
endseitig mit einem Ventilsitzkörper
verschlossen, in dem eine Ventilöffnung
mit einem die Ventilöffnung
umgebenden Ventilsitz ausgebildet ist. Die koaxial im Ventilsitzträger angeordnete,
mittels des Elektromagneten gegen die Kraft einer Ventilschließfeder betätigbaren Ventilnadel
ist hohlzylindrisch ausgebildet. Mit ihrem einen offenen Stirnende
ragt sie in den Kraftstoffzulauf und an ihrem anderen Ende ist sie
mit einem Ventilschließ-
oder Nadelkopf verschlossen, der mit dem Ventilsitz zum Schließen und
Freigeben der Ventilöffnung
zusammenwirkt. Im Mantel der hohlzylindrischen Ventilnadel sind
Austrittslöcher
für den aus
dem Kraftstoff-Zulaufkanal in die Ventilnadel über deren offenes Stirnende
einströmenden
Kraftstoff vorhanden. Der durch die Austrittslöcher hindurchströmende Kraftstoff
wird bei Öffnen
des Ventils, also bei Abheben des Nadelkopfes vom Ventilsitz, über die
Ventilöffnung
abgespritzt.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzventil
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ohne nennenswerte
konstruktive Änderungen
in das an sich bekannte Einspritzventil ein elektrisches Heizelement
integriert ist, das durch die hohlzylindrische Ventilnadel hindurch
eine schnelle Erwärmung
des vor dem Ventilsitz vorhandenen Kraftstoffvolumens sicherstellt.
Als konstruktive Änderung
muss lediglich der Einlassstutzen am Ventilgehäuse verlegt werden, so dass
der Kraftstoff-Zulaufstutzen zum freien Zugang für das Heizelement und dessen
elektrischen Anschluss zur Verfügung steht.
Die Wärmeleitlanze
des Heizelements oder das Heizelement selbst können aufgrund ihres kleinen
Außendurchmessers
vollständig
in die Ventilnadel bis nahe an den Ventilkopf und der dort angeordneten
Kraftstoff-Austrittslöcher
eingeschoben werden, so dass eine Wärmeerzeugung auch in unmittelbarer
Nähe des
Ventilsitzes stattfindet und durch die Erwärmung des bei geschlossenem
Ventil unmittelbar vor dem Ventilsitz vorhandenen Kraftstoffvolumens
noch vor dem ersten Ventilöffnen
sichergestellt ist. Um auch bei Kaltstart der Brennkraftmaschine
die Erwärmung
des erstmals abgespritzten Kraftstoffvolumens herbeizuführen, wird
das Heizelement noch vor dem eigentlichen Start der Brennkraftmaschine eingeschaltet,
z.B. über
einen Türkontakt
durch Öffnen
der Fahrzeugtür
oder mit Betätigung
der Fernentriegelung der Kraftfahrzeugtüren.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruchs
1 angegebenen Einspritzventils möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird als Heizelement eine in ihrer geometrischen Abmessungen
modifizierte Glühstiftkerze verwendet,
wie sie bei Dieselmotoren eingesetzt wird. Das einen Heizstift darstellende
Heizelement wird in diesem Fall von dem im Durchmesser reduzierten
Heizrohr der Glühstiftkerze
gebildet, das eine sich über
das Heizrohr erstreckende, elektrische Heizwendel enthält und mit
verpresstem, keramischem Pulver, vorzugsweise Magnesiumoxid-Pulver, gefüllt ist,
wodurch eine sehr gute Wärmeleitung
von der Heizwendel zum Heizrohr bzw. zur Wärmeleitlanze sichergestellt
ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, das Heizelement in Form eines Heizstifts in
seinem vorderen Bereich, mit dem es nah bis an den einen Ventilschließkörper bildenden
Nadelkopf heranragt, mit einem sehr kleinen Durchmesser auszubilden.
Der Durchmesser des Heizelements in diesem vorderen Bereich beträgt nur 1,5
mm bis 2,5 mm.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist das Heizrohr mit einem vom Ventilschließ- oder
Nadelkopf der Ventilnadel abgekehrten, hinteren Rohrabschnitt in
einem Gehäuse
eingebettet und auf das Gehäuse
ein Strömungskörper aus gut
wärmeleitendem
Material aufgeschoben, auf dessen Außenmantel eine Führungsspirale
für den
Kraftstoff in Form einer spiral- oder schraubenförmig verlaufenden Nut ausgebildet
ist. Durch diese Führungsspirale
wird die laminare Strömung
des Kraftstoffs in eine um das Heizelement mehrfach umlaufende, schraubenförmige Strömung umgewandelt,
wodurch der Kraftstoff wesentlich intensiver Wärme von dem Heizelement aufzunehmen
vermag und dadurch sehr gleichmäßig erwärmt wird.
Durch den Strömungskörper mit
seiner bis zu der Innenwand des Kraftstoff-Zulaufkanals reichenden
Spiralsteghöhe
wird auch das lichte Volumen im Zulaufkanal reduziert, was den Zeitgradienten
für die
Erwärmung
des im Kraftstoff-Zulaufkanal befindlichen Kraftstoffs verbessert.
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Die
Erwärmung
des Kraftstoffs kann ebenso wie durch einen Strömungskörper mit einer äußeren Führungsspirale
auch durch einen Dralleinsatz weiter verbessert werden. Dieser Dralleinsatz
bewirkt, dass sich der Kraftstoff noch besser um die Heizfläche verwirbelt.
Außerdem
kann dadurch die Verweilzeit an der heißen Fläche verlängert und somit der Wärmeübertrag
verbessert werden.
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Auf
diese Weise wird vermieden, dass sich ein heißer Kraftstofffilm in der Nähe der Heizfläche bildet
und infolgedessen ein Teil des Kraftstoffs kalt vorbeifließt.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
eines Kraftstoff-Einspritzventils mit einem Heizelement zur Erwärmung des
Kraftstoffs,
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2 einen
Längsschnitt
des Heizelements im Kraftstoff-Einspritzventil
gemäß 1 und
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3 einen
Längsschnitt
eines Heizelements für
ein Kraftstoff-Einspritzventil
gemäß einem alternativen
Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Das
in 1 im Längsschnitt
dargestellte Kraftstoff-Einspritzventil,
das vorzugsweise bei Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen
in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird, weist einen rohrförmigen Ventilsitzträger 11 auf,
in dessen einem Stirnende ein Ventilsitzkörper 12 eingesetzt
ist. Im Ventilsitzkörper 12 ist
eine Ausspritz- oder Ventilöffnung 13 ausgebildet,
die von einem Ventilsitz 14 umgeben ist. Im Ventilsitzträger 11 ist
eine hohlzylindrische Ventilnadel 15 axial verschieblich
geführt.
Die Ventilnadel 15 ist an ihrem vom Ventilsitzkörper 12 abgekehrten
Ende offen und an ihrem den Ventilsitzkörper 12 zugekehrten
Ende mit einem Ventilschließ-
oder Nadelkopf 16 abgeschlossen, der mit dem Ventilsitz 14 zum
Freigeben und Verschließen
der Ventilöffnung 13 zusammenwirkt.
Nahe dem Nadelkopf 16 sind im Mantel der Ventilnadel 15 radiale Austrittslöcher 17 für den in
das offene Ende der Ventilnadel 15 einströmenden Kraftstoff
vorhanden.
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Zum
Betätigen
der aus weichmagnetischem Material hergestellten Ventilnadel 15 dient
ein Elektromagnet 20 mit einem im Innern des Ventilsitzträgers 11,
z.B. durch Pressung, festgelegten, hohlzylindrischen Magnetkern 19,
einer auf den Ventilsitzträger 11 aufgeschobenen
Magnetspule 18 und einem die Magnetspule 18 umschließenden Magnettopf 21, der
auf dem Ventilsitzträger 11 befestigt
ist. Der Elektromagnet 20 ist auf dem Ventilsitzträger 11 so
angeordnet, dass die Ventilnadel 15 teilweise in den Bereich
der Magnetspule 18 hineinragt und mit ihrer endseitigen,
ringförmigen
Stirnfläche
der Stirnfläche des
hohlzylindrischen Magnetkerns 19 mit Spaltabstand gegenüberliegt.
In den hohlzylindrischen Magnetkern 19 ist noch eine Einstellhülse 22 zur
Einstellung der Schließkraft
einer auf die Ventilnadel 15 wirkenden Ventilschließfeder 23 eingepresst.
Die als Druckfeder ausgebildete Ventilschließfeder 23 stützt sich
zwischen einer im Innern der Ventilnadel 15 ausgebildeten
Radialschulter 24 und der Einstellhülse 22 ab.
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In
das vom Ventilsitzkörper 12 abgekehrte
offene Ende des Ventilsitzträgers 11 ragt
eine dünnwandige
Hülse 25 hinein,
die mit dem Ventilsitzträger 11 fest
verbunden ist. Eine Kunststoffumspritzung 26 umschließt teilweise
die Hülse 25,
den Ventilsitzträger 11 und
den Magnettopf 21 und stellt somit eine starre Verbindung
zwischen Hülse 25 und
Ventilsitzträger 11 her.
In der Kunststoffumspritzung 26 ist ein Anschlussstecker 27 für die Magnetspule 18 integriert.
Die Hülse 25 steht
axial aus der Kunststoffumspritzung 26 vor.
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Eine
Aufstülpkappe 28 weist
eine zentrale, axiale Stufenöffnung 29 mit
einem durchmesserkleineren Öffnungsabschnitt 291 und
einem durchmessergrößeren Öffnungsabschnitt 292 auf
und ist so auf das Vorstehende der Hülse 25 aufgesetzt,
dass der durchmesserkleinere Öffnungsabschnitt 291 kongruent
mit der Hülsenöffnung ist
und der den durchmessergrößeren Öffnungsabschnitt 292 aufweisende Kappenabschnitt
die Kunststoffumspritzung 26 übergreift. Die Aufstülpkappe 28 ist
mittels einer z.B. auf die Kunststoffumspritzung 26 aufgeklipsten
Federspange 30 undrehbar und axial unverschieblich an der
Kunststoffumspritzung 26 festgelegt. An dem den durchmesserkleineren Öffnungsabschnitt 291 aufweisenden
Kappenabschnitt der Aufstülpkappe 28 ist ein
Kraftstoff-Einlassstutzen 31 angeformt, dessen radial zu
dem durchmesserkleineren Öffnungsabschnitt 291 verlaufender
Einlasskanal 311 in dem durchmesserkleineren Öffnungsabschnitt 291 mündet. Der
durchmesserkleinere Öffnungsabschnitt 291 in
der Aufstülpkappe 28,
die Hülse 25,
ein oberhalb des hohlzylindrischen Magnetkerns 19 liegender
Teil des Ventilsitzträgers 11 und
der hohlzylindrische Magnetkern 19 umschließen einen
Kraftstoff-Zulaufkanal 32,
der am offenen Ende der Ventilnadel 15 mündet. In
dem Kraftstoff-Zulaufkanal 32 strömt der über den Kraftstoff-Einlassstutzen 31 dem
Ventil zugeführte
Kraftstoff durch die Ventilnadel 15 hindurch zu dem Ventilsitzkörper 12.
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In
dem zur Stirnseite der Aufstülpkappe 28 hin
offenen Kraftstoff-Zulaufkanal 32 ist
ein elektrisches Heizelement 33 mit einer in die Ventilnadel 15 bis
nahe zu deren Nadelkopf 16 hineinragenden Wärmeleitlanze 34 bzw.
einem Heizrohr 36 eingesetzt. Als elektrisches Heizelement 33 wird
eine Glühstiftkerze
verwendet, wie sie bei Dieselbrennkraftmaschinen Anwendung findet,
die jedoch bezüglich
ihrer geometrischen Abmessungen modifiziert ist.
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In 2 ist
ein Längsschnitt
einer als Heizelement 33 eingesetzten Glühstiftkerze
dargestellt. Die Glühstiftkerze
weist ein Heizrohr 36 in Form eines Heizstiftes auf, dessen
Durchmesser gegenüber dem
Heizrohr einer herkömmlichen
Glühstiftkerze
im Durchmesser reduziert ist, und zwar soweit, dass das Heizrohr 36 in
das hohle Innere der Ventilnadel 15 einschiebbar ist. In
dem Heizrohr 36 ist in bekannter Weise eine Heizwendel 37 aufgenommen, die
an einem Kontaktstift 38 angeschlossen ist. Das Heizrohr 36 ist
mit verpresstem, keramischem Pulver, z.B. Magnesiumoxid, gefüllt, wodurch
eine sehr gute Wärmeleitung
von der Heizwendel 37 zum Heizrohr 36 besteht.
Das Heizrohr 36 ist teilweise von einem Kerzengehäuse 39 umschlossen.
Dieses Kerzengehäuse 39 liegt
in dem von der Hülse 25 und
von der Aufstülpkappe 28 umschlossenen
Abschnitt des Kraftstoff-Zulaufkanals 32 ein (1).
Im Bereich des von der Hülse 25 definierten
Abschnitts des Kraftstoff-Zulaufkanals 32 ist
auf das Heizrohr 36 ein Strömungskörper 40 aufgesetzt,
der an der Innenwand der Hülse 25 fast
anliegt. In dem Strömungskörper 40 ist eine
spiral- oder schraubenförmig
verlaufende Führungsnut 41 ausgebildet,
durch welche der in die Hülse 25 eintretende
Kraftstoffstrom in eine Spiralbewegung um das Heizelement 33 herum
gezwungen wird, bevor er über
die Einstellhülse 22 hindurch
in die Ventilnadel 15 eintritt. Zusätzlich wird durch diesen Strömungskörper 40 der
Strömungsquerschnitt des
in der Hülse 25 verlaufenden
Kanalabschnitts des Kraftstoff-Zulaufkanals 32 verengt.
Der Strömungskörper 40 kann
z.B. einstückig
mit der Wärmeleitlanze 34 ausgeführt sein.
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Das
Kerzengehäuse 39 ist
beispielsweise mittels eines Gewindeabschnitts 43 in der
Aufstülpkappe 28 festgelegt.
Der Kontaktstift 38 ist über eine Dichtung 44 am
Kerzengehäuse 39 festgelegt
und steht stirnseitig über
das Kerzengehäuse 39 und
die Aufstülpkappe 28 vor.
Zur Kontaktierung des Kontaktstiftes 38 ist ein Anschlussstecker 45 (2)
auf diesen aufgesetzt.
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In
der 3 ist ein Längsschnitt
eines Heizelements 33 für
ein Kraftstoff-Einspritzventil gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel
gezeigt. Dabei weist das Heizrohr 36 eine gestufte Kontur
auf. Besonders vorteilhaft ist es, das Heizelement 33 in Form
eines Heizstifts oder Heizrohrs 36 in seinem vorderen Bereich,
mit dem es nah bis an den einen Ventilschließkörper bildenden Nadelkopf 16 heranragt,
mit einem sehr kleinen Durchmesser auszubilden. Der Durchmesser
des Heizelements 33 in diesem vorderen Bereich beträgt in idealer
Weise nur 1,5 mm bis 2,5 mm. Die Heizwendel 37 kann trotz dieser
geringen Abmessungen des Heizrohrs 36 erfindungsgemäß bis in
die unmittelbare Spitze hineinragen und somit die Ventilnadel 15 fast
vollständig durchdringen.
Die Heizwendel 37 des Heizrohres 36 ist z.B. an
einem aus dem Kerzengehäuse 39 ragenden
Anschlussbolzen 42 angebracht.
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Die
Erwärmung
des Kraftstoffs kann ebenso wie durch einen Strömungskörper 40 mit einer äußeren Führungsspirale 41 auch
durch einen nicht dargestellten Dralleinsatz weiter verbessert werden. Dieser
Dralleinsatz bewirkt, dass sich der Kraftstoff noch besser um die
Heizfläche
verwirbelt. Außerdem kann
dadurch die Verweilzeit an der heißen Fläche verlängert und somit der Wärmeübertrag
verbessert werden. Auf diese Weise wird vermieden, dass sich ein
heißer
Kraftstofffilm in der Nähe
der Heizfläche bildet
und infolgedessen ein Teil des Kraftstoffs kalt vorbeifließt.