DE102011085680B4

DE102011085680B4 - Heizspule für ein Einspritzventil und Einspritzventil

Info

Publication number: DE102011085680B4
Application number: DE102011085680A
Authority: DE
Inventors: Stephan Bolz
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-11-03
Filing date: 2011-11-03
Publication date: 2013-07-04
Anticipated expiration: 2031-11-04
Also published as: WO2013064495A1; BR112014010738A2; DE102011085680A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizspule (8) zum induktiven Erwärmen eines Kraftstoffventils (1), bei dem die Wicklungen (6) der Spule (8) so auf einem Wicklungsträger (5) angeordnet sind, dass sich über die Länge der Heizspule (8) eine nahezu gleichmäßige magnetische Flussdichte ergibt. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass an den Enden der Heizspule (8) pro Längeneinheit mehr Wicklungen (6) auf den Wicklungsträger (5) aufgebracht sind als in der Mitte der Heizspule (8).

Description

Kraftstoff für Ottomotoren insbesondere Bio-Ethanol kann zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens mittels einer im Einspritzventil befindlichen Heizvorrichtung erwärmt werden. Die DE 600 18 718 T2 offenbart ein solches Einspritzventil mit einer nicht näher erläuterten Heizung. In der US 2007/200006 A1 , der WO 2011/091121 A1 , der EP 2 100 028 B1 , der US 7,481,376 B2 und der JP 3 039120 B2 ist jeweils eine Heizvorrichtung für ein Einspritzventil beschrieben, die darauf beruht, mittels einer mit hochfrequentem Strom betriebenen Heizspule metallische oder ferromagnetische Teile des Ventils induktiv zu erwärmen.
Dazu wird ein im Folgenden als Heizelement bezeichnetes Teil des Einspritzventils von einer Induktionswicklung umschlossen, sodass sich bei Anlegen eines geeigneten Wechselspannungssignals im Heizelement ein Magnetfeld aufbaut. Dieses Heizelement ist entweder das Ventilgehäuse selbst oder ein zusätzliches Element, welches sich im Injektor befindet und vom Kraftstoff umflossen ist. Das Magnetfeld induziert im Heizelement Wirbelströme, welche im elektrischen Widerstand des Heizelementes Verluste erzeugen. Die dabei entstehende Wärme wird an den umströmenden Kraftstoff abgegeben. Besteht das Heizelement aus einem ferromagnetischen Werkstoff, so entstehen zusätzlich noch Ummagnetisierungsverluste, welche die Wirksamkeit des Heizelementes ganz wesentlich verbessern.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass die Erwärmung des Kraftstoffes längs des Spule nicht gleichförmig ist. Ursachen dafür sind die oberhalb und unterhalb befindlichen Konstruktionselemente des Einspritzventils, also Solenoid und Düsenplatte, welche während des Anheizvorganges einen Teil der Heizleistung aufnehmen. Desweiteren ist das magnetische Feld der Spule nur in ihrem Inneren homogen und weitet sich in den Endbereichen auf. Dadurch sinkt die Flussdichte in den Endbereichen ab.
Die ungleichförmige Verteilung der Heizleistung hat nun zur Folge, dass sich der Kraftstoff während des Anheizvorganges ungleichförmig erwärmt. Im mittleren Bereich steigt die Kraftstofftemperatur wesentlich schneller an, als in den Randbereichen der Spule. Dadurch kann es passieren, dass sich im mittleren Bereich bereits Dampfblasen bilden, während der Kraftstoff im Randbereich die gewünschte Solltemperatur noch gar nicht erreicht hat. Dies ist äußerst nachteilig, da die Bildung von Dampfblasen die genaue Kraftstoffzumessung durch die Ventile stark beeinträchtigt, bzw. den Kraftstofffluss sogar vollständig blockieren kann. Andererseits führt eine zu niedrige Kraftstofftemperatur aus den Randbereichen zu einer Verschlechterung des Kaltstartverhaltens. Insgesamt wird die Wirksamkeit der induktiven Kraftstoffheizung durch die ungleichförmige Verteilung der Heizleistung ganz wesentlich beeinträchtigt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Verteilung der Heizleistung längs des Heizerbereiches im Einspritzventil weitgehend zu harmonisieren, so dass oben genannte Nachteile beseitigt werden.
Dies geschieht gemäß Anspruch 1 bei einer Heizspule zum induktiven Erwärmen eines Kraftstoffventils dadurch, dass an den Enden der Heizspule pro Längeneinheit mehr Wicklungen auf den Wicklungsträger aufgebracht sind als in der Mitte der Heizspule, wodurch erreicht werden kann, dass die Flussdichte des magnetischen Feldes bis in die Randbereiche des Heizelements weitgehend konstant bleibt, bzw. sogar leicht ansteigen kann.
Üblicherweise werden die Windungen einer Heizspule gleichförmig in einer oder mehreren Lagen auf einen Wicklungsträger aufgebracht. Bei langgestreckten Zylinderspulen mit hinreichend guter Kopplung an das Heizelement ergibt sich in der Regel auch ein hinreichend gleichförmiger Verlauf der längs des Heizers eingetragenen Heizleistung.
Ist jedoch das Verhältnis von Durchmesser zu Länge der Heizspule ungünstig, wie dies bei einer kurzen Zylinderspule der Fall ist, so tritt in den Randbereichen der Spule eine Aufweitung des Magnetfeldes auf, was eine geringere Flussdichte zur Folge hat. Besteht zudem ein Abstand zwischen Spule und Magnetkern – etwa bedingt durch den Wicklungsträger – so verringert sich die Kopplung zwischen Spule und Kern, was zu erhöhtem Streufluss führt. Dieser bewirkt eine weitere Verringerung der magnetischen Flussdichte in den Randbereichen.
Wird nun in erfindungsgemäßer Ausbildung die Windungsdichte im Mittelbereich der Heizspule reduziert bzw. an den Randbereichen erhöht, reduziert sich in der Mitte bzw. erhöht sich an den Randbereichen auch der magnetische Fluss. Damit kann die geringere Flussdichte ausgeglichen werden.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer erfindungsgemäßen Heizspule.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
1 ein Kraftstoffeinspritzventil mit Induktionsheizung,
2 die Verteilung der Heizleistung längs des Injektorgehäuses im Heizelement mit gleichmäßiger Wicklung,
3 die Verteilung der Heizleistung bei verbesserter Wicklungsgeometrie,
4 eine einlagige Wicklung mit veränderlicher Windungsdichte und
5 den Querschnitt einer mehrlagigen Wicklung mit veränderlicher Windungsdichte.
1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil 1, wie es beispielsweise aus der DE 600 18 718 T2 bekannt ist und daher nicht im Einzelnen beschrieben werden muss. Der Kraftstoffauslass 4 des Kraftstoffeinspritzventils 1 wird durch eine magnetisch betätigte Ventilnadel 2 geöffnet oder geschlossen. Die Ventilnadel 2 ist in einem Kraftstoffkanal 3 beweglich gelagert, wobei der Kraftstoffkanal 3 in einem Ventilgehäuse 7 ausgebildet ist. Um das Ventilgehäuse 7 ist ein Wicklungsträger 5 mit einer darauf gewickelten Heizwicklung 6 angeordnet. Die Heizwicklung 6 kann beispielsweise gemäß der US 2007/200006 A1 mit Energie beaufschlagt werden, so dass das Ventilgehäuse und ggf. die metallische Ventilnadel induktiv erwärmt werden. Um die Heizwicklung 6 ist eine diese schützende Ummantelung aus vorzugsweise Kunststoff angeordnet.
Bei gewickelten Spulen mit gleichmäßigem Wicklungsverlauf ist die magnetische Flussdichte in der Mitte am größten und verringert sich aufgrund von Streufluss zu den Randbereichen. Entsprechend ist die in ein metallisches oder ferromagnetisches Material aufgrund von induzierten Wirbelströmen eingebrachte Heizleistung in der Mitte am größten und nimmt zu den Randbereichen hin ab. Dies ist in 2 schematisch dargestellt.
Gemäß der Erfindung sollen nun die Wicklungen 6 der Spule 8 so auf einem Wicklungsträger 5 angeordnet sind, dass sich über die Länge der Heizspule 8 eine nahezu gleichmäßige magnetische Flussdichte ergibt. Es kann dabei ein in der 3 dargestellter Verlauf der Heizleistung über die Länge des Injektorgehäuses 7 erzielt werden. Eine Möglichkeit zur Erreichung dieses gleichmäßigen Verlaufs besteht darin, die Wicklungszahl pro Längeneinheit zu variieren, insbesondere in den Randbereichen mehr Wicklungen pro Längeneinheit vorzusehen als in der Mitte der Spule.
Die Veränderung der Wicklungsdichte kann auf mehrere Arten erfolgen. Bei einer einlagigen Spule 8 vergrößert sich gemäß 4 der Wicklungsabstand vom einen Ende der Spule 8 zur Mitte hin und verringert sich dann wiederum zum anderen Ende hin. Durch geeignete Variation der Windungsabstände längs der Spule 8 bleibt so die magnetische Flussdichte längs der Spule 8 weitgehend konstant.
Bei einer mehrlagigen Spule 8 gemäß 5 werden die einzelnen Lagen dergestalt aufgebracht, dass sich in der Mitte weniger Lagen befinden als an den Rändern. Auch dies hat den gewünschten Effekt.
Durch geeignete Ausgestaltung der Wicklungsdichte wird erreicht, dass die Heizleistung längs des Heizelements weitgehend konstant bleibt. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung der Heizeelementeffektivität dar, da nunmehr die Gefahr von Dampfblasenbildung bei gleichzeitig zu geringer Kraftstofftemperatur vermieden wird. Da keine weiteren Hilfsmittel benötigt werden, stellt dies eine sehr kostengünstige Lösung der Aufgabe dar. Abhängig von der Wicklungsgeometrie muss die Gesamtwicklungszahl gegebenenfalls angepasst werden, damit sich Induktivität und Heizleistung nicht verändern.

Claims

Heizspule (8) zum induktiven Erwärmen eines Kraftstoffventils (1), dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der Heizspule (8) pro Längeneinheit mehr Wicklungen (6) auf den Wicklungsträger (5) aufgebracht sind als in der Mitte der Heizspule (8), so dass sich über die Länge der Heizspule (8) eine nahezu gleichmäßige magnetische Flussdichte ergibt.
Heizspule (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (6) an den Enden der Heizspule enger beabstandet sind als in der Mitte der Heizspule (8).
Heizspule (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der Heizspule (8) die Wicklungen (6) in mehr Lagen übereinander gewickelt sind als in der Mitte der Heizspule (8).
Kraftstoffventil (1) mit einer Heizspule (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.