DE102019201401A1

DE102019201401A1 - Kraftstoff-Injektor mit beheizbarer Injektornadel zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff

Info

Publication number: DE102019201401A1
Application number: DE102019201401.1A
Authority: DE
Inventors: Oliver Berkemeier
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2020-08-06

Abstract

Die Erfindung betrifft einen beheizbarer Kraftstoff-Injektor (10; 50) zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff. Der Kraftstoff-Injektor (10; 50) beinhaltet ein Injektorgehäuse (12), eine im Injektorgehäuse (12) angeordnete Injektornadel (22) zum wahlweisen Öffnen und Schließen einer Kraftstoffauslassöffnung (16) des Injektorgehäuses (12) und eine Heizvorrichtung (34; 52) zur Erwärmung von Kraftstoff im Kraftstoff-Injektor (10; 50). Erfindungsgemäß ist die Heizvorrichtung (34; 52) dazu vorgesehen ist, bei einer Aktivierung zunächst und vornehmlich die Injektornadel (22) zu erwärmen.

Description

Die Erfindung betrifft einen beheizbaren Kraftstoff-Injektor zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, aufweisend ein Injektorgehäuse, eine im Injektorgehäuse angeordnete Injektornadel und zumindest eine Heizvorrichtung zur Erwärmung von Kraftstoff im Kraftstoff-Injektor.
Im Gebiet der Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen ist es bekannt, Injektoren zum Einspritzen bzw. Eindüsen von flüssigem Kraftstoff in den Verbrennungsmotor, insbesondere in einen Brennraum des Verbrennungsmotors, einzusetzen. Derartige Injektoren können mit einem Heizelement ausgestattet sein, das dazu dient, eine Temperatur des Kraftstoffs vor dem Einspritzen zu erhöhen, wodurch eine bessere Vermischung des zumindest teilweise verdampften Kraftstoffs mit der Luft des Brennraums und infolgedessen ein verbesserter Verbrennungsprozess erreicht werden kann. Bei einigen flüssigen Kraftstoffsorten wie beispielsweise Ethanolkraftstoff ist eine Erhöhung der Temperatur des Kraftstoffs vor dem Einspritzen in den Brennraum notwendig, um insbesondere in einer Kaltstartsituation eine Zündfähigkeit des Kraftstoffs zu erreichen.
Aus dem Stand der Technik sind dabei Lösungen für beheizbare Kraftstoff-Injektoren bekannt, bei denen Widerstandsheizungen an einer Außenseite eines Injektorgehäuses angeordnet sind.
Beispielsweise beschreibt die US 8,439,018 B2 ein beheizbares Kraftstoff-Injektorsystem und ein Steuergerät, das eine Temperaturerfassungseinrichtung enthält, um eine Regelung eines Heizelements bereitzustellen, das den von einem beheizbaren Kraftstoff-Injektor abgegebenen Kraftstoff erwärmt. Das Heizelement kann aus einem Dickschicht-Widerstandsmaterial, aus einer Metallfolie oder aus einem metallischen Draht hergestellt und auf einem Gehäuse des Kraftstoff-Injektors angeordnet sein. Eine Regelung mit geschlossenem Regelkreis sorgt für eine genauere Temperatursteuerung des Heizelements, so dass eine Kraftstoffheizung so schnell wie möglich bereitgestellt wird, während der Kraftstoff gleichzeitig vor dem Sieden und der beheizbare Kraftstoff-Injektor vor einer Beschädigung durch zu hohe Temperatur geschützt werden. Durch Überwachen, wie das Signal von der Temperaturerfassungseinrichtung über die Zeit variiert, können Fehlerbedingungen, wie zum Beispiel ein Mangel an Kraftstofffluss und ein prozentualer Anteil von Ethanolkraftstoff, erfasst werden.
Derartige beheizbare Kraftstoff-Injektoren sind kommerziell erhältlich. Aus dem Internet (im Internet verfügbar unter https://www.plastics.gl/automotive/heated-tip-fuelinjector/) ist eine elektrische Heizung in einem Kraftstoff-Injektor bekannt, die durch ein Fahrzeug-Steuergerät mit Energie versorgt wird, wodurch Ethanolkraftstoff schnell erhitzt und eine Verdampfung dramatisch verbessert wird, während Emissionen reduziert werden. Bei der Herstellung der elektrischen Heizung auf dem Injektorgehäuse werden Tintenmaterialien und Tinten-Druckverfahren verwendet. Der Injektor ist mit Polyphthalamid (PPA) umspritzt.
Weiterhin wird in der US 2010/0252653 A1 ein beheizbarer Kraftstoff-Injektor vorgeschlagen. Der Kraftstoff-Injektor beinhaltet einen Kraftstoffeinlass zur Aufnahme von Kraftstoff, einen Kraftstoffauslass zum Abgeben von Kraftstoff aus dem beheizbaren Kraftstoff-Injektor und ein beheizbares Gehäuse mit einer Innenfläche, die den Kraftstoffeinlass mit dem Kraftstoffauslass fluidmäßig verbindet. Der beheizbare Kraftstoff-Injektor weist auch eine hohle Injektornadel auf, die innerhalb des beheizbaren Körpers hin- und herbewegbar ist, um wahlweise die Abgabe von Kraftstoff aus dem Kraftstoffauslass zuzulassen und zu verhindern. Ein Kraftstoffkanal ist zwischen der Innenfläche und der hohlen Injektornadel derart ausgebildet, dass Kraftstoff durch den Kanal vom Kraftstoffeinlass zum Kraftstoffauslass strömt. Die hohle Injektornadel beinhaltet in ihrem Inneren eine abgedichtete Kammer, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird, mit dem das beheizbare Gehäuse den durch den Kraftstoffkanal strömenden Kraftstoff erwärmen kann.
Ferner ist bekannt, dass bei der Beheizung von Kraftstoff-Injektoren die thermische Ausdehnung der Komponenten besonders berücksichtigt werden muss.
So beschreibt die US 9,476,393 B2 einen beheizbaren Kraftstoff-Injektor zum Zuführen von Kraftstoff zu einer Kraftstoffverbrauchsvorrichtung. Der Kraftstoff-Injektor beinhaltet einen Kraftstoffeinlass zur Aufnahme von Kraftstoff, einen Kraftstoffauslass zum Abgeben von Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Injektor und ein Kraftstoff-Injektorgehäuse, das sich entlang einer Achse erstreckt und den Kraftstoffeinlass mit dem Kraftstoffauslass fluidmäßig derart verbindet, dass Kraftstoff innerhalb des Kraftstoff-Injektorgehäuses fließt. Eine Ventilanordnung, die koaxial zu dem Kraftstoff-Injektorgehäuse angeordnet ist, weist eine Injektornadel und ein Ventil auf. Das Ventil ist an einem Ende der Injektornadel angebracht, das dem Kraftstoffauslass zugewandt ist. Zumindest ein Abschnitt der Injektornadel kann hohl sein. Ein zylindrisches Heizelement umgibt das Kraftstoff-Injektorgehäuse radial und dient dazu, durch das Kraftstoff-Injektorgehäuse fließenden Kraftstoff zu erwärmen. Zwischen dem Heizelement und dem Kraftstoff-Injektorgehäuse ist ein ringförmiger Raum definiert, der ausreichend groß ist, um einer thermisch bedingten, unterschiedlichen radialen Ausdehnung zwischen dem Kraftstoff-Injektorgehäuse und dem Heizelement Rechnung zu tragen. Ein wärmeleitfähiges, nachgiebiges Material wie beispielsweise ein Weichlotmaterial füllt den ringförmigen Raum und hat einen Schmelzpunkt, der ausreichend niedrig ist, um in einem flüssigen Zustand zu sein, wenn das Heizelement arbeitet, um dadurch die Übertragung einer mechanischen Spannung auf das Heizelement aufgrund der radialen unterschiedlichen Ausdehnung im Wesentlichen zu verhindern.
Weiterhin sind im Stand der Technik beheizbare Kraftstoff-Injektoren bekannt, bei denen ein Heizelement an einer Innenseite des Gehäuses eines Kraftstoff-Injektors angeordnet ist.
Beispielsweise schlägt die DE 10 2013 102 219 A1 einen beheizbaren Injektor zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine vor, wobei der Injektor ein Injektorgehäuse, einen innerhalb des Injektorgehäuses befindlichen Kraftstoffraum, eine im Injektorgehäuse angeordnete, verstellbare Injektornadel zum Öffnen und Schließen einer Kraftstoffausgabeöffnung des Injektorgehäuses und eine innerhalb des Injektorgehäuses angeordnete Heizeinrichtung mit einem Heizelement zum Erhitzen von im Kraftstoffraum befindlichem Kraftstoff aufweist. Das Heizelement ist als Beschichtung einer Grenzfläche des Injektors zu dessen Kraftstoffraum ausgebildet, wobei die Beschichtung aus einem Kohlenstoff-Nanoteilchenmaterial besteht. Ein solcher Injektor soll bei baulich einfacher Gestaltung besonders gute Heizeigenschaften und eine optimale Wärmeübertragung auf den Kraftstoff gewährleisten.
Ein weiteres derartiges Kraftstoffeinspritzventil beschreibt die JP 2003193936 A . Das Kraftstoffeinspritzventil beinhaltet ein rohrförmiges Isolierelement, das in einem Gehäuse angeordnet ist, in das Kraftstoff eingeführt wird, und das einen darin ausgebildeten Kraftstoffkanal aufweist, und ein Nadelelement, das das Isolierelement durchdringt und das ein Öffnen und Schließen des Ventils durch Längsbewegung ausführt. Dabei ist an dem Isolierelement ein äußerer Heizer zum Erwärmen der Außenseite des Isolierelements im Gehäuseinneren vorgesehen.
Das Nadelelement wird zusammen mit dem Brennstoff durch Aktivierung des äußeren Heizers erhitzt, aber nicht nur das Nadelelement, sondern auch das Gehäuse, das sich an der Außenseite des Isolierelements befindet, wird erwärmt, so dass sich insbesondere ein Abstand zu einem Kraftstoffauslass ebenfalls vergrößert. Infolge der thermischen Ausdehnung sowohl des Nadelelements als auch des Gehäuses wird eine Variabilität der Einspritzmenge aufgrund von Änderungen einer Hublänge des Nadelelements unterbunden, und die Kraftstoffeinspritzmenge kann in zweckdienlicher Weise eingestellt werden. Da das Isolierelement eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann insbesondere die Unabhängigkeit einer Temperatureinstellung innerhalb und außerhalb des Isolierelements verbessert werden.
Eine Alternative zu einer Widerstandsheizung wird von der US 7,681,558 B2 vorgeschlagen, die ein System und Verfahren zur Steuerung der Verdampfung von Kraftstoff vorstellt. Das Verfahren kann die Systemkomplexität und die Kosten reduzieren, wenn Kraftstoff in einem Kraftstoff-Injektor erhitzt wird. In einer Ausführungsform wird Kraftstoff durch das Verfahren unabhängig voneinander erwärmt und eingespritzt, indem die Richtung eines Stromflusses durch einen bidirektionalen Stromkreislauf zur Aktivierung des Kraftstoff-Injektors bzw. zur Versorgung eines Heizelements mit Heizstrom geändert wird. Heizelemente können als keramische PTC (positive temperature coefficient)-Heizelemente oder als NTC (negative temperature coefficient)-Heizelemente ausgebildet sein. Ferner kann eine Aktivierungsspule des Kraftstoff-Injektors mittels ihres elektrischen Wirkwiderstandes als Heizelement verwendet werden, wobei die Aktivierungsspule Wärme an den sie umgebenden Kraftstoff abgibt. Der Kraftstoff kann auch durch Wirbelstromverluste aufgeheizt werden, die durch zeitliche Variation eines elektrischen Stroms durch die Aktivierungsspule in einem eisenhaltigen Material erzeugt werden, das in der Nähe der Aktivierungsspule angeordnet ist, wobei Wärme durch Wärmeleitung von dem eisenhaltigen Material an den Kraftstoff abgegeben wird.
Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der beheizbaren Kraftstoff-Injektoren, insbesondere für flüssige Kraftstoffe, noch Raum für Verbesserungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen beheizbaren Kraftstoff-Injektor, insbesondere für flüssige Kraftstoffe, bereitzustellen, der eine möglichst effiziente Erwärmung des Kraftstoffs innerhalb des Kraftstoff-Injektors ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen beheizbaren Kraftstoff-Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweils abhängigen Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Der erfindungsgemäße Kraftstoff-Injektor zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff, weist ein Injektorgehäuse auf, in dem zwischen einer Kraftstoffeinlassöffnung und einer Kraftstoffauslassöffnung eine fluidtechnische Verbindung ausgebildet ist. Ferner weist der Kraftstoff-Injektor eine im Injektorgehäuse angeordnete Injektornadel auf, die dazu vorgesehen ist, die Kraftstoffauslassöffnung durch Bewegung in Längsrichtung des Injektorgehäuses wahlweise zu öffnen und zu schließen. Zudem ist der Kraftstoff-Injektor mit einer Heizvorrichtung zur Erwärmung von Kraftstoff im Kraftstoff-Injektor ausgestattet. Dabei ist die Heizvorrichtung dazu vorgesehen, bei einer Aktivierung zunächst und vornehmlich die Injektornadel zu erwärmen.
Unter dem Begriff „dazu vorgesehen“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere speziell dafür ausgelegt oder angeordnet verstanden werden.
Unter dem Begriff „vornehmlich“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere ein Anteil von mindestens 50%, bevorzugt mindestens 60%, und, besonders bevorzugt, mindestens 70% einer von der Heizvorrichtung erzeugten Heizleistung verstanden werden. Unter dem Begriff „zunächst“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere verstanden werden, dass die im Moment einer Aktivierung der Heizvorrichtung erzeugte Wärme in der Injektornadel entsteht und sich erst zu einem späteren Zeitpunkt auch auf andere Komponenten ausbreiten kann.
Durch eine Konzentration der Heizleistung der Heizvorrichtung auf die Injektornadel können Wärmeverluste nach außen minimiert werden. Außerdem kann durch die Erfindung eine Lösung mit hoher Betriebssicherheit in Bezug auf eine unbeabsichtigte Entzündung des Kraftstoffs im Falle einer Leckage bereitgestellt werden.
Mit besonderem Vorteil ist der erfindungsgemäße Kraftstoff-Injektor zur Versorgung eines Verbrennungsmotors auf Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen anwendbar. Unter einem „Kraftfahrzeug“ soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, eine Zugmaschine oder ein Kraftomnibus verstanden werden.
In bevorzugten Ausführungsformen des Kraftstoff-Injektors ist in der Injektornadel ein innerer Hohlraum und an einem kraftstoffeinlassseitigen Ende und an einem kraftstoffauslassseitigen Ende der Injektornadel jeweils zumindest eine Durchgangsöffnung vom inneren Hohlraum nach außen ausgebildet. Zudem bildet der innere Hohlraum zu einem überwiegenden Anteil einen kraftstoffauslassseitigen Abschnitt der fluidtechnischen Verbindung zwischen der Kraftstoffeinlassöffnung und der Kraftstoffauslassöffnung.
Unter einem „überwiegenden Anteil“ soll Sinne dieser Erfindung insbesondere ein Anteil von mindestens 50%, bevorzugt mindestens 60%, und, besonders bevorzugt, mindestens 80% verstanden werden. Insbesondere soll der Begriff die Möglichkeit einschließen, dass der innere Hohlraum den kraftstoffauslassseitigen Abschnitt der fluidtechnischen Verbindung zwischen der Kraftstoffeinlassöffnung und der Kraftstoffauslassöffnung vollständig, d.h. zu 100 %, bildet.
Auf diese Weise wird ein überwiegender Anteil des Kraftstoffs zur Versorgung des Verbrennungsmotors durch den inneren Hohlraum der Injektornadel geleitet. Da diese zunächst und vornehmlich von der Heizvorrichtung erwärmbar ist, kann eine besonders effiziente Erwärmung des Kraftstoffs innerhalb des Kraftstoff-Injektors ermöglicht werden.
Bevorzugt ist an dem kraftstoffauslassseitigen Ende der Injektornadel eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen vom inneren Hohlraum nach außen ausgebildet und umfangsmäßig gleichmäßig beabstandet angeordnet. Dadurch kann ein besonders gleichmäßiges Ausströmen des durch den inneren Hohlraum der Injektornadel fließenden Kraftstoffes erreicht werden.
In bevorzugten Ausführungsformen des Kraftstoff-Injektors weist der innere Hohlraum in der Längsrichtung des Injektorgehäuses eine Länge auf, die einen überwiegenden Anteil einer Gesamtlänge der Injektornadel ausmacht. Auf diese Weise kann eine effiziente und gleichzeitig gleichmäßige Erwärmung des Kraftstoffs unter Vermeidung von Temperaturspitzen entlang der Injektornadel erzielt werden.
Bevorzugt beinhaltet die Heizvorrichtung zumindest ein elektrisches Widerstandsheizungselement, das in oder an einer Wandung der Injektornadel angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine effiziente und konstruktiv einfache Lösung zur vornehmlichen Erwärmung der Injektornadel zur Erwärmung von Kraftstoff im Kraftstoff-Injektor bereitgestellt werden.
Das elektrische Widerstandsheizungselement kann, ohne darauf beschränkt zu sein, ein Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) oder ein Material mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) aufweisen. Das elektrische Widerstandsheizungselement kann in Dickschichttechnik oder in Dünnschichttechnik hergestellt sein. Das elektrische Widerstandsheizungselement kann auch im Zuge der Herstellung der Injektornadel mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt sein.
Wenn das zumindest eine elektrische Widerstandsheizungselement in der Wandung der Injektornadel angeordnet ist, sind Zuleitungen zum Widerstandsheizungselement vorgesehen, die eine elektrische Kontaktierung nach außen ermöglichen.
In bevorzugten Ausführungsformen des Kraftstoff-Injektors beinhaltet die Heizvorrichtung eine elektrische Primärwicklung und zumindest eine kurzgeschlossene, elektrische Sekundärwicklung, die in einem betriebsbereiten Zustand mit der Primärwicklung magnetisch gekoppelt ist. Dabei ist die Primärwicklung innerhalb des von dem Injektorgehäuse umschlossenen Volumens angeordnet, und die zumindest eine Sekundärwicklung ist auf einer Außenfläche der Injektornadel oder innerhalb des von der Injektornadel umschlossenen Volumens angeordnet. Die Primärwicklung ist dazu vorgesehen, zur Aktivierung der Heizvorrichtung mit einem zeitlich variablen elektrischen Strom versorgt zu werden.
Unter einem „umschlossenen Volumen“ soll Sinne dieser Erfindung insbesondere ein Volumen eines Objekts einschließlich seiner Ausnehmungen und inneren Hohlräume verstanden werden.
Auf diese Weise kann die vornehmliche Erwärmung der Injektornadel durch die zumindest eine Heizvorrichtung durch induktive Heizung und auf der Seite der Injektornadel ohne eine Verwendung von elektrischen Kontakten erreicht werden, wodurch die Betriebssicherheit erhöht werden kann.
Bevorzugt sind Windungen der Primärwicklung und eine Windung oder Windungen der Sekundärwicklung konzentrisch und Mittelachsen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung parallel zur Längsrichtung des Injektorgehäuses angeordnet. Auf diese Weise kann eine gute magnetische Kopplung zu Übertragung von elektrischer Energie zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung erreicht werden.
Bevorzugt ist die Sekundärwicklung als integraler Bestandteil der Wandung der Injektornadel ausgebildet. Auf diese Weise können störende Aufbauten und Befestigungen vermieden und eine erhöhte Zuverlässigkeit erreicht werden.
In bevorzugten Ausführungsformen des Kraftstoff-Injektors weist die Sekundärwicklung ein Material auf, dessen elektrische Leitfähigkeit ein Vielfaches der elektrischen Leitfähigkeit sowohl des Materials der Injektornadel als auch des Materials des Injektorgehäuses beträgt. Unter einem „Vielfachen“ der elektrischen Leitfähigkeit soll im Sinne dieser Erfindung insbesondere verstanden werden, dass die elektrische Leitfähigkeit mindestens um einen Faktor von drei, bevorzugt mindestens um einen Faktor von fünf, und, besonders bevorzugt, mindestens um einen Faktor von zehn höher ist als ein damit zu vergleichender Wert einer Leitfähigkeit. Dadurch kann die vornehmliche Erwärmung der Injektornadel durch die zumindest eine Heizvorrichtung auf konstruktiv einfache Weise und insbesondere ohne eine Notwendigkeit von Mitteln zur Formung bzw. Abschirmung eines von der Primärwicklung erzeugten magnetischen Wechselfeldes erreicht werden.
Bevorzugt sind die Injektornadel zu einem überwiegenden Anteil aus Stahl und die Sekundärwicklung zu einem überwiegenden Anteil aus Kupfer hergestellt. Auf diese Weise kann eine Heizvorrichtung mit einer induktiven Heizung zur sofortigen und vornehmlichen Erwärmung der Injektornadel bereitgestellt werden, die auch Anforderungen an Festigkeit und Lebensdauer erfüllt.
In bevorzugten Ausführungsformen des Kraftstoff-Injektors sind die Windungen der Primärwicklung zwischen einer Innenseite des Injektorgehäuses und der Injektornadel angeordnet, und die zumindest eine Sekundärwicklung ist von der Injektornadel gebildet.
Auf diese Weise kann für die vornehmliche Erwärmung der Injektornadel durch die zumindest eine Heizvorrichtung eine konstruktiv besonders einfache und teilesparende Lösung bereitgestellt werden.
Bevorzugt sind die Windungen der Primärwicklung nahe oder auf einer äußeren Oberfläche der Injektornadel angeordnet. Dadurch kann das magnetische Wechselfeld der Primärwicklung auf die Injektornadel konzentriert werden. Beispielsweise können die Windungen der Primärwicklung auf einem dielektrischen und magnetisch neutralem Träger angeordnet sein, der konzentrisch zur Injektornadel und radial von dieser beabstandet angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:

1 eine schematische Teildarstellung eines beheizbaren Kraftstoff-Injektors in einer teilgeschnittenen Seitenansicht,
2 eine schematische Darstellung der Injektornadel des Kraftstoff-Injektors gemäß der 1 in einer teilgeschnittenen Seitenansicht, und
3 eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Injektors in einer teilgeschnittenen Seitenansicht.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
1 zeigt eine schematische Teildarstellung einer möglichen Ausführungsform eines beheizbaren Kraftstoff-Injektors 10 in einer teilgeschnittenen Seitenansicht. Der Kraftstoff-Injektor 10 ist zur Versorgung eines als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungsmotors eines Personenkraftwagens (nicht dargestellt) mit von Benzin gebildetem Kraftstoff vorgesehen.
Der Kraftstoff-Injektor 10 beinhaltet in einem brennraumnahen Abschnitt ein Injektorgehäuse 12, dass in dieser speziellen Ausführungsform aus Stahl hergestellt ist. Das Injektorgehäuse 12 weist eine allgemein längliche Rohrform auf und ist mit im Wesentlichen gleichbleibenden Durchmesser rotationssymmetrisch aufgebaut. Das Injektorgehäuse 12 beinhaltet eine Kraftstoffeinlassöffnung 14 und eine Kraftstoffauslassöffnung 16. In dem Injektorgehäuse 12 ist zwischen der Kraftstoffeinlassöffnung 14 und der Kraftstoffauslassöffnung 16 eine fluidtechnische Verbindung zur Beförderung des Kraftstoffs von der Kraftstoffeinlassöffnung 14 zur Kraftstoffauslassöffnung 16 ausgebildet. Die Kraftstoffauslassöffnung 16 an einem unteren Ende des Injektorgehäuses 12 ist von einer Vielzahl von Durchgangslöchern gebildet, aus denen durch das Injektorgehäuse 12 beförderter Kraftstoff aus dem Injektorgehäuse 12 zu einem Brennraum des Verbrennungsmotors (nicht dargestellt) austreten kann.
Der Kraftstoff-Injektor 10 weist eine im Injektorgehäuse 12 angeordnete Injektornadel 22 auf, die in dieser speziellen Ausführungsform beinahe vollständig aus Stahl hergestellt ist. Eine Mittelachse 20 des Injektorgehäuses 12 fluchtet in einem betriebsbereiten Einbauzustand mit einer Mittelachse der Injektornadel 22.
Die Injektornadel 22 weist ein kraftstoffeinlassseitiges Ende 24 und ein kraftstoffauslassseitiges Ende 26 auf (2). An dem kraftstoffeinlassseitigen Ende 24 der Injektornadel 22 ist diese mit einem Zuganker 48 fest verbunden, der sich im Einflussbereich einer oberhalb der Injektornadel 22 im Injektorgehäuse 12 angeordneten Magnetspule 46 befindet (1). Das kraftstoffeinlassseitige Ende 24 der Injektornadel 22 wird von einer oberhalb der Injektornadel 22 im Injektorgehäuse 12 angeordneten Druckfeder 42 gegen ein Widerlager 44 mit einer vorbestimmten Kraft beaufschlagt und gegen die Kraftstoffauslassöffnung 16 des Injektorgehäuses 12 gepresst, um diese zu verschließen.
Durch Aktivieren der Magnetspule 46, d.h. durch Versorgung der Magnetspule 46 mit einem elektrischen Strom, kann die Injektornadel 22 gegen die Kraft der Druckfeder 42 in Richtung der Kraftstoffeinlassöffnung 14 in linearer Weise in Längsrichtung 18 des Injektorgehäuses 12, d.h. parallel zu deren Mittelachse 20, bewegt werden. Durch Aktivieren bzw. Deaktivieren der Magnetspule 46 kann die Kraftstoffauslassöffnung 16 durch die Bewegung der Injektornadel 22 parallel bzw. antiparallel zur Längsrichtung 18 des Injektorgehäuses 12 wahlweise geöffnet bzw. geschlossen werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Injektornadel 22 des Kraftstoff-Injektors 10 gemäß der 1 in einer teilgeschnittenen Seitenansicht. In der Injektornadel 22 ist ein innerer Hohlraum 28 in zylindrischer Form mit gleichmäßigem Durchmesser ausgebildet. In der Längsrichtung 18 des Injektorgehäuses 12 weist der innere Hohlraum 28 eine Länge auf, die beinahe einer Gesamtlänge der Injektornadel 22 entspricht.
An dem kraftstoffeinlassseitigem Ende 24 der Injektornadel 22 ist eine Durchgangsöffnung 30 vom inneren Hohlraum 28 nach außen, d.h. zu einem kraftstoffeinlassöffnungseitigen Teil der fluidtechnischen Verbindung, ausgebildet. An einem kraftstoffauslassseitigen Ende 26 der Injektornadel 22 ist eine Vielzahl von vier Durchgangsöffnungen 32 vom inneren Hohlraum 28 nach außen, d.h. bei geschlossener Kraftstoffauslassöffnung 16 in Richtung des Brennraums, ausgebildet. Diese Durchgangsöffnungen 32 sind umfangsmäßig gleichmäßig beabstandet angeordnet. Der innere Hohlraum 28 bildet somit zu einem überwiegenden Anteil einen kraftstoffauslassseitigen Abschnitt der fluidtechnischen Verbindung zwischen der Kraftstoffeinlassöffnung 14 und der Kraftstoffauslassöffnung 16. Der durch die fluidtechnische Verbindung im Injektorgehäuse 12 fließende Kraftstoff wird somit im Wesentlichen vollständig durch die Durchgangsöffnungen 30, 32 und den inneren Hohlraum 28 der Injektornadel 22 geleitet.
Der Kraftstoff-Injektor 10 weist zudem eine Heizvorrichtung 34 zur Erwärmung von Kraftstoff im Kraftstoff-Injektor 10 auf. Die Heizvorrichtung 34 beinhaltet ein elektrisches Widerstandsheizungselement 36, das in dieser speziellen Ausführungsform in der Wandung der Injektornadel 22 angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen kann das elektrische Widerstandsheizungselement 36 auch an einer Wandung der Injektornadel 22 angeordnet sein.
Das elektrische Widerstandsheizungselement 36 ist als Drahtheizung von einem an sich bekannten Metalldraht mit niedrigem Widerstands-Temperaturkoeffizienten gebildet, beispielsweise von Konstantan^®-Draht.
Das elektrische Widerstandsheizungselement 36 ist mit Stromzuführungsleitungen 38, 40 ausgestattet, die mit Kontakten eines elektrischen Verbindungselements (Buchse oder Stecker, nicht dargestellt) elektrisch verbunden sind. Andere Kontakte des elektrischen Verbindungselements sind mit Leitungsenden der Magnetspule 46 zu deren Versorgung mit elektrischem Strom verbunden, so dass ein Mehraufwand in der Anzahl der für das elektrische Widerstandsheizungselement 36 zusätzlich notwendigen Kontakte besteht.
Zur Aktivierung der Heizvorrichtung 34 wird dem elektrischen Widerstandsheizungselement 36 über die Kontakte des elektrischen Verbindungselements ein Heizstrom (Gleich- oder Wechselstrom) zugeführt. Dadurch wird die Injektornadel 22 zunächst und vornehmlich erwärmt. Die der Injektornadel 22 zugeführte Wärme wird an den durch die Durchgangsöffnungen 30, 32 und den inneren Hohlraum 28 der Injektornadel 22 geleiteten Kraftstoff abgegeben.
In 3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Injektors in einer teilgeschnittenen Seitenansicht dargestellt. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden im Folgenden nur Unterschiede zur Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors 10 gemäß der 1 beschrieben.
Im Unterschied zur Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors 10 gemäß der 1 weist die weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoff-Injektors 50 eine Heizvorrichtung 52 auf, die eine elektrische Primärwicklung 54 und eine Vielzahl von bevorzugt vier kurzgeschlossenen, elektrischen Sekundärwicklungen 60 aufweist. Die Primärwicklung 54 ist als Zylinderspule mit einer Vielzahl von Windungen ausgebildet, durch Wickeln eines Kupferdrahts auf eine angepasste Ausnehmung an der Außenseite des Injektorgehäuses 12 und anschließende Fixierung hergestellt und somit innerhalb des vom Injektorgehäuse 12 umschlossenen Volumens angeordnet.
Die bevorzugt vier identisch aufgebauten Sekundärwicklungen 60 sind in dieser speziellen Ausführungsform innerhalb des von der Injektornadel 22 umschlossenen Volumens als integraler Bestandteil der Wandung der Injektornadel 22 angeordnet. Jede der Sekundärwicklungen 60 besteht aus einer einzigen Windung, die als Hohlzylinder ausgebildet und vollständig aus massivem Kupferblech hergestellt ist. In anderen Ausführungsformen können die Sekundärwicklungen 60 auch auf einer Außenfläche der Injektornadel 22 angeordnet sein.
Die Windungen der Primärwicklung 54 und die Windung jeder der Sekundärwicklungen 60 sind konzentrisch angeordnet. Dabei sind eine Mittelachse der Primärwicklung 54 und Mittelachsen der Sekundärwicklungen 60 parallel zur Längsrichtung 18 des Injektorgehäuses 12 angeordnet und stimmen mit einer Mittelachse 20 des Injektorgehäuses 12 überein. In einem betriebsbereiten Zustand ist die Primärwicklung 54 mit jeder der Sekundärwicklungen 60 magnetisch gekoppelt.
Die Primärwicklung 54 ist dazu vorgesehen, zur Aktivierung der Heizvorrichtung 52 mit einem zeitlich variablen elektrischen Strom versorgt zu werden. Zu diesem Zweck ist die Primärwicklung 54 mit Stromzuführungsleitungen 56, 58 ausgestattet, die mit Kontakten des elektrischen Verbindungselements (Buchse oder Stecker) elektrisch verbunden sein können. Wie bereits erwähnt, sind andere Kontakte des elektrischen Verbindungselements mit Leitungsenden der Magnetspule 46 zu deren Versorgung mit elektrischem Strom verbunden, so dass auch in diesem Fall ein Mehraufwand in der Anzahl der für die Primärwicklung 54 zusätzlich notwendigen Kontakte besteht.
Bei einer Versorgung der Primärwicklung 54 mit einem zeitlich variablen elektrischen Strom wird auf und in der Nähe der Mittelachse der Primärwicklung 54 ein zeitlich variables Magnetfeld erzeugt, dass im Wesentlichen eine parallel bzw. antiparallel zur Längsrichtung 18 des Injektorgehäuses 12 gerichtete Komponente aufweist. Aufgrund der magnetischen Kopplung wird in den Sekundärwicklungen 60 ein tangential ausgerichtetes elektrisches Feld erzeugt. Infolge dieses erzeugten elektrischen Feldes und der guten elektrischen Leitfähigkeit des Materials fließt in den Sekundärwicklungen 60 ein zeitlich variabler elektrischer Strom, der dazu dient, die Injektornadel 22 zunächst und vornehmlich zu erwärmen.
Das zeitlich variable Magnetfeld, das von der Primärwicklung 54 erzeugt wird, umgibt auch Teile des Injektorgehäuses 12 und den nicht als Sekundärwicklung 60 ausgebildeten Teil der Injektornadel 22. Da diese Teile aus Stahl gefertigt sind, beträgt die elektrische Leitfähigkeit des Materials der Sekundärwicklung 60 ein Vielfaches, nämlich etwa das 40-fache der elektrischen Leitfähigkeit des Materials der Injektornadel 22 bzw. des Materials des Injektorgehäuses 12.
Die pro Volumeneinheit induzierte elektrische Leistung $\frac{P}{V}$
ist proportional zu σ · E², wobei σ die elektrische Leitfähigkeit und E den Betrag der elektrischen Feldstärke bezeichnet, die durch das zeitlich variable Magnetfeld B(t) induziert wird und beispielsweise für den Fall einer harmonischen (z.B. sinusförmigen) Zeitabhängigkeit proportional zu ω · B ist (ω: Kreisfrequenz des Magnetfeldes; B: Amplitude des Magnetfeldes). Auf diese Weise kann die Erzeugung von Wärme durch die Heizvorrichtung 52 im Wesentlichen auf die vier Sekundärwicklungen 60 konzentriert werden.
Bezugszeichenliste

10: Kraftstoff-Injektor
12: Injektorgehäuse
14: Kraftstoffeinlassöffnung
16: Kraftstoffauslassöffnung
18: Längsrichtung
20: Mittelachse
22: Injektornadel
24: kraftstoffeinlassseitiges Ende
26: kraftstoffauslassseitiges Ende
28: innerer Hohlraum
30: kraftstoffeinlassseitige Durchgangsöffnung
32: kraftstoffauslassseitige Durchgangsöffnungen
34: Heizvorrichtung
36: Widerstandsheizungselement
38: Stromzuführungsleitung
40: Stromzuführungsleitung
42: Druckfeder
44: Widerlager
46: Magnetspule
48: Zuganker
50: Kraftstoff-Injektor
52: Heizvorrichtung
54: Primärwicklung
56: Stromzuführungsleitung
58: Stromzuführungsleitung
60: Sekundärwicklung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8439018 B2 [0004]
US 2010/0252653 A1 [0006]
US 9476393 B2 [0008]
DE 102013102219 A1 [0010]
JP 2003193936 A [0011]
US 7681558 B2 [0013]

Claims

Beheizbarer Kraftstoff-Injektor (10; 50) zur Versorgung eines Verbrennungsmotors mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff, beinhaltend: - ein Injektorgehäuse (12), in dem zwischen einer Kraftstoffeinlassöffnung (14) und einer Kraftstoffauslassöffnung (16) eine fluidtechnische Verbindung ausgebildet ist, - eine im Injektorgehäuse (12) angeordnete Injektornadel (22), die dazu vorgesehen ist, die Kraftstoffauslassöffnung (16) durch Bewegung in Längsrichtung (18) des Injektorgehäuses (12) wahlweise zu öffnen und zu schließen, und - eine Heizvorrichtung (34; 52) zur Erwärmung von Kraftstoff im Kraftstoff-Injektor (10; 50), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (34; 52) dazu vorgesehen ist, bei einer Aktivierung zunächst und vornehmlich die Injektornadel (22) zu erwärmen.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Injektornadel (22) ein innerer Hohlraum (28) und an einem kraftstoffeinlassseitigem Ende (24) und an einem kraftstoffauslassseitigen Ende (26) der Injektornadel (22) jeweils zumindest eine Durchgangsöffnung (30, 32) vom inneren Hohlraum (28) nach außen ausgebildet ist, und dass der innere Hohlraum (28) zu einem überwiegenden Anteil einen kraftstoffauslassseitigen Abschnitt der fluidtechnischen Verbindung zwischen der Kraftstoffeinlassöffnung (14) und der Kraftstoffauslassöffnung (16) bildet.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem kraftstoffauslassseitigen Ende (26) der Injektornadel (22) eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen (32) vom inneren Hohlraum (28) nach außen ausgebildet und umfangsmäßig gleichmäßig beabstandet angeordnet ist.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Hohlraum (28) in der Längsrichtung (18) des Injektorgehäuses (12) eine Länge aufweist, die einen überwiegenden Anteil einer Gesamtlänge der Injektornadel (22) ausmacht.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (34) zumindest ein elektrisches Widerstandsheizungselement (36) aufweist, das in oder an einer Wandung der Injektornadel (22) angeordnet ist.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (52) eine elektrische Primärwicklung (54) und zumindest eine kurzgeschlossene, elektrische Sekundärwicklung (60) aufweist, die in einem betriebsbereiten Zustand mit der Primärwicklung (54) magnetisch gekoppelt ist, wobei die Primärwicklung (54) innerhalb des von dem Injektorgehäuse (12) umschlossenen Volumens angeordnet und die zumindest eine Sekundärwicklung (60) auf einer Außenfläche der Injektornadel (22) oder innerhalb des von der Injektornadel (22) umschlossenen Volumens angeordnet ist, und wobei die Primärwicklung (54) dazu vorgesehen ist, zur Aktivierung der Heizvorrichtung (52) mit einem zeitlich variablen elektrischen Strom versorgt zu werden.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Windungen der Primärwicklung (54) und eine Windung oder Windungen der Sekundärwicklung (60) konzentrisch und Mittelachsen der Primärwicklung (54) und der Sekundärwicklung (60) parallel zur Längsrichtung (18) des Injektorgehäuses (12) angeordnet sind.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sekundärwicklung (60) als integraler Bestandteil der Wandung der Injektornadel (22) ausgebildet ist.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sekundärwicklung (60) ein Material aufweist, dessen elektrische Leitfähigkeit ein Vielfaches der elektrischen Leitfähigkeit sowohl des Materials der Injektornadel (22) als auch des Materials des Injektorgehäuses (12) beträgt.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektornadel (22) zu einem überwiegenden Anteil aus Stahl und die zumindest eine Sekundärwicklung (60) zu einem überwiegenden Anteil aus Kupfer hergestellt sind.
Kraftstoff-Injektor (10; 50) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen der Primärwicklung (54) zwischen einer Innenseite des Injektorgehäuses (12) und der Injektornadel (22) angeordnet sind und die zumindest eine Sekundärwicklung (60) von der Injektornadel (22) gebildet ist.