-
Stand der Technik
-
Die Erfindung geht aus von einem Einspritzventil, insbesondere für Kraftstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Aus der
DE 103 51 206 A1 ist ein Einspritzventil bekannt, das ein Ventilgehäuse mit einer Spritzöffnung und einem Kraftstoff-Zulaufkanal und ein Heizmodul aufweist. Das Heizmodul ist dabei an dem der Spritzöffnung abgekehrten Ende des Ventilgehäuses angeordnet. Das Heizmodul umfasst ein Modulgehäuse und ein Heizelement, wobei das Heizelement den durch das Modulgehäuse fließenden Kraftstoff aufwärmt. Zur strömungsmechanischen und thermodynamischen optimalen Anpassung des Heizmoduls an die Geometrie des Einspritzventils ist am Modulgehäuse ein tief in den Zulaufkanal eintauchendes Tauchrohr ausgebildet, an dessen ventilseitigen freien Ende ein das Modulgehäuse axial durchziehender, kraftstoffführender Heizkanal mündet. Das Heizelement ist stabförmig ausgebildet und erstreckt sich durch den gesamten Heizkanal.
-
Vorteile der Erfindung
-
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.
-
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruchs 1 angegebenen Einspritzventils möglich.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Auf diese Weise wird vermieden, dass sich ein heißer Kraftstofffilm in der Nähe der Heizfläche bildet und infolgedessen ein Teil des Kraftstoffs kalt vorbeifließt.
-
Zeichnung
-
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Längsschnitt eines Kraftstoff-Einspritzventils mit einem Heizelement zur Erwärmung des Kraftstoffs,
-
2 einen Längsschnitt des Heizelements im Kraftstoff-Einspritzventil gemäß 1 und
-
3 einen Längsschnitt eines Heizelements für ein Kraftstoff-Einspritzventil gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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.
