DE10355039A1 - Electric heater for fuel injection valve has an electric element embedded in ceramic and applied to a ceramic rod positioned centrally in the fuel supply duct - Google Patents

Electric heater for fuel injection valve has an electric element embedded in ceramic and applied to a ceramic rod positioned centrally in the fuel supply duct Download PDF

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Abstract

An electric heater for a fuel injection valve has an electric element sandwiched between ceramic layers and applied to a ceramic rod (20) positioned centrally in the fuel supply duct. The insulating ceramic layers comprise aluminium oxide while the ceramic rod is made from yttrium doped zirconium oxide. The heating element has a flat strip profile for maximum heat transfer.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention is based on a fuel injection valve after Preamble of claim 1.

Bei einem bekannten Kraftstoffeinspritzventil für fremdgezündete Brennkraftmaschinen ( DE 20 57 972 A1 ) ist im Ventilgehäuse ein mit elektrischen Zuleitungen versehenes Heizelement angeordnet. Das Heizelement besitzt eine kleine Masse und eine große wärmeleitende Oberfläche. Die Heizleistung des Heizelements wird von einem Steuerorgan gesteuert, das von an verschiedenen Orten platzierten Temperaturfühlern erhaltene Signale verarbeitet, wobei die Temperaturfühler die Temperatur des Kraftstoffs im Einspritzventil, die Temperatur der Verbrennungsluft und die Temperatur des Kühlwassers der Brennkraftmaschine messen.In a known fuel injection valve for spark-ignition internal combustion engines ( DE 20 57 972 A1 ) is arranged in the valve housing provided with electrical leads heating element. The heating element has a small mass and a large heat-conducting surface. The heating power of the heating element is controlled by a controller which processes signals received from temperature sensors placed at different locations, the temperature sensors measuring the temperature of the fuel in the injection valve, the temperature of the combustion air and the temperature of the cooling water of the internal combustion engine.

Ein ebenfalls bekanntes Kraftstoffeinspritzventil ( DE 196 29 589 A1 ) weist eine Ventilnadel mit einem Ventilschließkörper, der mit einem Ventilsitzkörper zur Ausbildung eines Dichtsitzes zusammenwirkt, und einen von einem Kraftstoffeinlass im Ventilgehäuse bis zu dem Dichtsitz sich erstreckenden Kraftstoff-Zuführkanal auf der abschnittweise von einer Magnetspule eines die Ventilnadel betätigenden Elektromagneten umgeben ist. Zur Vorwärmung des Kraftstoffes wird die Verlustleistung der Magnetspule genutzt, wozu die Magnetspule unmittelbar oder über einen die Magnetspule aufnehmenden, wärmeleitenden Wicklungsträger thermisch mit dem von der Magnetspule umgebenen Abschnitt des Kraftstoff-Zuführkanals gekoppelt ist.A likewise known fuel injection valve ( DE 196 29 589 A1 ) has a valve needle with a valve closing body, which cooperates with a valve seat body to form a sealing seat, and one of a fuel inlet in the valve housing to the sealing seat extending fuel supply channel is surrounded in sections by a magnetic coil of a valve needle actuating electromagnet. For preheating the fuel, the power loss of the solenoid coil is used, to which the magnetic coil is thermally coupled directly or via a magnetic coil receiving, thermally conductive winding carrier with the surrounded by the magnetic coil portion of the fuel supply channel.

Ein bekanntes Sensorelement für einen elektrochemischen Messfühler, insbesondere für eine Lambdasonde zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen ( DE 198 03 562 A1 ), weist eine Heizeinrichtung, bestehend aus zwei parallelen Heizleiterbahnabschnitten und zwei Heizleiterzuleitungen zu den Heizleiterbahnabschnitten auf. Heizleiterbahnabschnitte und Heizleiterzuleitungen sind zwischen zwei Isolationsschichten aus Aluminiumoxid eingebettet, wobei die eine Isolationsschicht auf einer keramischen Trägerfolie aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid aufgetragen ist. Auf die obere Isolationsschicht ist eine Referenzgaskanalfolie und auf die Referenzgaskanalfolie eine Sensorfolie aufgesintert. Beide Folien bestehen ebenfalls aus Yttrium stabilisertem Zirkoniumoxid. Die Heizleiterzuleitungen sind an ihrem freien Ende durch die Referenzgaskanalfolie und die Sensorfolie hindurch auf die eine Großfläche des Sensorelementes kontaktiert, so dass die Heizeinrichtung auf der Oberfläche des Sensorelements an eine Heizspannung angeschlossen werden kann.A known sensor element for an electrochemical measuring sensor, in particular for a lambda probe for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of internal combustion engines ( DE 198 03 562 A1 ), has a heater consisting of two parallel Heizleiterbahnabschnitten and two Heizleiterzuleitungen to the Heizleiterbahnabschnitten on. Heizleiterbahnabschnitte and Heizleiterzuleitungen are embedded between two insulating layers of aluminum oxide, wherein the one insulating layer is applied to a ceramic support film of yttrium stabilized zirconia. A reference gas channel foil is sintered onto the upper insulating layer and a sensor foil is sintered onto the reference gas channel foil. Both films also consist of yttrium stabilized zirconia. The Heizleiterzuleitungen are contacted at its free end by the reference gas channel foil and the sensor film on the one large area of the sensor element, so that the heating device can be connected to the heating voltage of the surface of the sensor element.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch den Einbau eines Heizelements, das einen bei Lambdasonden bekannten Aufbau aufweist, in das Kraftstoffeinspritzventil eine deutlich verbesserte Heizleistung zur Vorwärmung des Kraftstoffs erreicht wird. Das Heizelement kann auf 100 – 150°C mit einer sehr schnellen Aufheizrampe aufgeheizt werden, so dass es bereits nach 1 bis 1,5 sek. die Betriebstemperatur erreicht. Der vorbeiströmende Kraftstoff wird dadurch rasch erwärmt, wodurch seine Zerstäubung am Austritt des Kraftstoffeinspritzventils sehr viel feiner wird und eine niedrige Abgasemission auch bei Kaltstart sehr schnell erreicht wird. Außerdem wird durch die verbesserte Vorwärmung des Kraftstoffs auch die Startfähigkeit von Brennkraftmaschinen, die mit Kraftstoff betrieben werden, die einen hohen Ethanolgehalt aufweisen, deutlich verbessert. Das Heizelement hat eine hohe Standfestigkeit und ist mit niedrigen Gestehungskosten zu realisieren, so dass die Fertigungskosten des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils gegenüber den bekannten Kraftstoffeinspritzventilen mit Kraftstoffvorwärmung deutlich reduziert sind.The Fuel injection valve according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that by the Installation of a heating element, the one known in lambda probes Structure, in the fuel injection valve, a significantly improved Heating power for preheating of the fuel is achieved. The heating element can be heated to 100 - 150 ° C with a heated up very fast heating ramp, so it already after 1 to 1.5 sec. the operating temperature is reached. The passing fuel is thereby heated rapidly, causing his atomization becomes much finer at the exit of the fuel injector and a low exhaust emission even at cold start very fast is reached. Furthermore is due to the improved preheating of the Fuel also the starting ability of internal combustion engines that are fueled by a high ethanol content, significantly improved. The heating element has a high stability and is low cost realize, so that the manufacturing cost of the fuel injection valve according to the invention across from the well-known fuel injection valves with fuel preheating clearly are reduced.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Kraftstoffeinspritzventils möglich.By in the further claims listed activities are advantageous developments and improvements of the claim 1 specified fuel injection valve possible.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Ventilgehäuse eine Verlängerungs- oder Distanzhülse mit einem Kraftstoff-Zuführkanal vorgesetzt und das Heizelement koaxial im Kraftstoff-Zuführkanal angeordnet. Distanzhülsen werden zur geometrischen Anpassung der Kraftstoffeinspritzventile an unterschiedliche Einbauverhältnisse und zur Verbindung mit einem Kraftstoffverteiler verwendet, wobei die Länge der Distanzhülsen individuell zugeschnitten werden. Die Anordnung des Heizelements innerhalb der Distanzhülse, und zwar direkt in dessen Kraftstoff-Zuführkanal, hat den Vorteil, dass der Kraftstoff direkt und über eine größere Fließstrecke hinweg mit dem Heizelement in Wärmekontakt ist und dadurch schnell und gleichmäßig erwärmt wird. Darüber hinaus bietet der Einbau des Heizelements in die Distanzhülse den Vorteil, dass am Kraftstoffeinspritzventil selbst keine Änderungen vorgenommen werden müssen und der Einbau des Heizelements in die Distanzhülse im Gegensatz zur Integration in das Ventilgehäuse völlig unproblematisch ist, da in der Distanzhülse – anders als im Ventilgehäuse – ausreichend Einbauraum vorhanden ist.According to one preferred embodiment of Invention is the valve housing an extension or spacer sleeve with a fuel supply channel preset and the heating element coaxial in the fuel supply passage arranged. Spacers are for the geometric adjustment of the fuel injection valves to different installation conditions and used for connection to a fuel rail, wherein the length the spacer sleeves be tailored individually. The arrangement of the heating element within the spacer sleeve, and directly in the fuel supply channel, has the advantage that the fuel directly and over a larger flow path away with the heating element in thermal contact is and thereby heated quickly and evenly. Furthermore the installation of the heating element in the spacer sleeve offers the Advantage that made no changes to the fuel injector itself Need to become and the installation of the heating element in the spacer sleeve as opposed to integration in the valve body completely unproblematic is, as in the spacer sleeve - unlike in the valve body - sufficient Installation space is available.

Zeichnungdrawing

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:The Invention is based on an embodiment shown in the drawing closer in the following described. Show it:

1 eine Seitenansicht eines Kraftstoffeinspritzventils, teilweise geschnitten, 1 a side view of a fuel injection valve, partially cut,

2 eine Draufsicht eines Heizelements im Kraftstoffeinspritzventil der 1 bei abgenommener oberer Isolationsschicht, 2 a plan view of a heating element in the fuel injection valve of 1 with removed upper insulation layer,

3 einen Schnitt des Heizelements gemäß Linie III – III in 2, 3 a section of the heating element according to line III - III in 2 .

4 einen Schnitt des Heizelements gemäß Linie IV – IV in 2, 4 a section of the heating element according to line IV - IV in 2 .

5 eine gleiche Darstellung wie in 3 eines modifizierten Heizelements. 5 a same representation as in 3 a modified heating element.

Beschreibung des Ausführungsbeispielsdescription of the embodiment

Das in 1 in Seitenansicht zu sehende Kraftstoffeinspritzventil weist ein Ventilgehäuse 11 auf, auf das eine koaxiale Verlängerungs- oder Distanzhülse 12 mit einem Kraftstoff-Einlassstutzen 16 koaxial aufgesetzt ist. Die Distanzhülse 12 übergreift mit einem Stirnrand 121 das Ventilgehäuse 11 und ist an diesem festgelegt. In der Distanzhülse 12 ist ein im Kraftstoff-Einlassstutzen 16 mündender koaxialer Kraftstoff-Zuführkanal 13 ausgebildet. Darüber hinaus trägt die Distanzhülse 12 eine seitlich abgewinkelten Stutzen 122, in dessen von der Distanzhülse 12 abgekehrten Stirnende eine Aufnahmekammer 14 ausgebildet ist, in die ein elektrischer Anschlussstecker 19 eingesetzt ist. Im Ventilgehäuse 11 ist in bekannter Weise ein hier nicht dargestellter Kraftstoffkanal vorhanden, in den sich der Kraftstoff-Zuführkanal 13 der Distanzhülse 12 fortsetzt. Dieser Kraftstoffkanal erstreckt sich im Ventilgehäuse 11 bis zu einer Ventilnadel, die mit einem Ventilsitz zusammenwirkt und von einem im Ventilgehäuse 11 angeordneten Elektromagneten betätigt wird. Eine detaillierte Darstellung und Beschreibung des Kraftstoffeinspritzventils findet sich in der DE 196 29 589 A1 . Das Ventilgehäuse 11 ist von einem unteren Dichtring 15 umschlossen, während der am ventilgehäusefernen Ende der Distanzhülse 12 ausgebildete Kraftstoff-Einlassstutzen 16 von einem oberen Dichtring 17 umschlossen ist. Die Stormversorgung des Elektromagneten im Ventilgehäuse 11 erfolgt über elektrische Steckkontakte 18 des in der Aufnahmekammer 14 einliegenden Anschlusssteckers 19.This in 1 in side view to be seen fuel injection valve has a valve housing 11 on top of that, a coaxial extension or spacer sleeve 12 with a fuel inlet nozzle 16 is placed coaxially. The spacer sleeve 12 overlaps with a front edge 121 the valve housing 11 and is committed to this. In the spacer sleeve 12 is one in the fuel inlet nozzle 16 opening coaxial fuel feed channel 13 educated. In addition, the spacer sleeve carries 12 a laterally angled neck 122 in which of the spacer sleeve 12 averted front end of a receiving chamber 14 is formed, in which an electrical connector 19 is used. In the valve housing 11 is in a known manner, not shown here fuel passage exists, in which the fuel supply channel 13 the spacer sleeve 12 continues. This fuel channel extends in the valve housing 11 to a valve needle which cooperates with a valve seat and one in the valve housing 11 arranged electromagnet is actuated. A detailed illustration and description of the fuel injection valve can be found in the DE 196 29 589 A1 , The valve housing 11 is from a lower sealing ring 15 enclosed during the valve housing distal end of the spacer sleeve 12 trained fuel inlet nozzle 16 from an upper sealing ring 17 is enclosed. The power supply of the electromagnet in the valve housing 11 via electrical plug contacts 18 in the receiving chamber 14 inset connector plug 19 ,

Zur schnellen Vorwärmung des aus dem Kraftstoffeinspritzventil ausgespritzten Kraftstoffs auf ca. 100 – 150°C, die wesentlich zur Verbesserung der Kraftstoffzerstäubung und damit zur Reduzierung von Abgasemissionen beiträgt, ist im Kraftstoff-Zuführkanal 13 der Distanzhülse 12 ein stabförmiges, elektrisches Heizelement 20 koaxial angeordnet, so dass es vom Kraftstoff direkt umströmt wird. Das Heizelement 20 ist von zwei Anschlussfahnen 27 kontaktiert, deren freie Enden als Steckerstifte 28 des Anschlusssteckers 19 ausgebildet sind.For rapid preheating of the ejected from the fuel injection fuel to about 100 - 150 ° C, which contributes significantly to improve the fuel atomization and thus reduce exhaust emissions, is in the fuel supply channel 13 the spacer sleeve 12 a rod-shaped, electrical heating element 20 Coaxially arranged so that it is flowed around by the fuel directly. The heating element 20 is from two connection flags 27 contacted, whose free ends as plug pins 28 of the connector 19 are formed.

Das in 2 – 4 in verschiedenen Ansichten und Schnitten vergrößert dargestellte Heizelement 20 weist einen Keramikträger 21, z.B. aus einem Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) auf, auf dem ein in einer Isolierung eingebetteter Heizleiter 22 angeordnet ist. Die Isolierung setzt sich aus zwei Isolationsschichten 23, 24 zusammen, die jeweils aus Aluminiumoxid (Al2O3) bestehen. Die untere Isolationsschicht 23 ist auf den Keramikträger 21 aufgetragen. Auf dieser Isolationsschicht 23 ist der Heizleiter 20 aus elektrischem Widerstandsmaterial, z.B. Platin oder einem Platincermet, angeordnet. Der Heizleiter 22 ist mit der oberen Isolationsschicht 24 abgedeckt. Die beiden freien Endabschnitten 221, 222 des Heizleiters 22 sind durch die obere Isolationsschicht 24 hindurchkontaktiert und mit auf der Oberfläche der oberen Isolationsschicht 24 angeordneten Außenkontaktflächen 25, 26 elektrisch leitend verbunden. An den beiden Außenkontaktflächen 25, 26 sind die Kontaktfahnen 27 angeschlossen. Im Ausführungsbeispiel der 2 – 4 weist der Heizleiter 22 einen mäanderförmig verlegten Abschnitt 223 und zwei parallelverlaufende, geradlinige Abschnitte auf, die an ihrem vom Mäanderabschnitt abgekehrten Enden mit jeweils einer der Außenkontaktflächen 25, 26 durch die obere Isolationsschicht 24 hindurch kontaktiert sind. Alle Heizleiterabschnitte 22 sind als flache Widerstandsbahnen ausgeführt.This in 2 - 4 in various views and sections enlarged heating element shown 20 has a ceramic carrier 21 , For example, of a yttrium stabilized zirconium oxide (ZrO 2 ) on which an insulator embedded in an insulation 22 is arranged. The insulation consists of two insulation layers 23 . 24 together, each consisting of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). The lower insulation layer 23 is on the ceramic carrier 21 applied. On this isolation layer 23 is the heating conductor 20 made of electrical resistance material, such as platinum or a Platincermet arranged. The heating conductor 22 is with the upper insulation layer 24 covered. The two free end sections 221 . 222 of the heating conductor 22 are through the upper insulation layer 24 through-contacted and with on the surface of the upper insulating layer 24 arranged external contact surfaces 25 . 26 electrically connected. At the two external contact surfaces 25 . 26 are the contact flags 27 connected. In the embodiment of 2 - 4 points the heating conductor 22 a meandered section 223 and two parallel, rectilinear sections which, at their ends remote from the meandering section, each have one of the outer contact surfaces 25 . 26 through the upper insulation layer 24 are contacted through. All heating conductor sections 22 are designed as flat resistance paths.

Bei dem in 5 in einer gleichen Schnittführung wie in 3 dargestellten, modifizierten Ausführungsbeispiel des Heizelements 20 ist auf die obere Isolationsschicht 24 noch eine weitere Keramikschicht 29 aufgetragen, die vorzugsweise eine gleiche Dicke aufweist wie der Keramikträger 21, so dass der Heizleiter 22 mit seinem Mäanderabschnitt 233 und seinen verbreiterten Endabschnitten 221, 222 symmetrisch zwischen zwei gleichen Keramiken 21, 29 angeordnet ist. Damit treten beim Stromfluss durch den Heizleiter 21 und der damit einsetzenden Erwärmung der Keramiken keine temperaturbedingten, einseitigen Zugspannungen auf, die zu Rissbildungen in den Keramiken und zu Ablöserscheinungen an den Schichten führen könnten.At the in 5 in a same cut as in 3 illustrated, modified embodiment of the heating element 20 is on the upper insulation layer 24 yet another ceramic layer 29 applied, which preferably has a same thickness as the ceramic carrier 21 so that the heating conductor 22 with its meander section 233 and its widened end sections 221 . 222 symmetrical between two identical ceramics 21 . 29 is arranged. This occurs when current flows through the heating element 21 and the incipient heating of the ceramics no temperature-related, unilateral tensile stresses, which could lead to cracking in the ceramics and peeling phenomena on the layers.

Claims (10)

Kraftstoffeinspritzventil mit einem Ventilgehäuse (11) und einem elektrischen Heizelement (20) zum Vorwärmen des durch das Ventilgehäuse (11) hindurchströmenden Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (20) einen in einer Isolierung eingebetteten Heizleiter (22) aufweist, der auf einem stabförmigen Keramikträger (21) angeordnet ist.Fuel injection valve with a valve housing ( 11 ) and an electric heating element ( 20 ) for preheating the through the valve housing ( 11 ) flowing fuel, characterized in that the heating element ( 20 ) embedded in an insulation heating conductor ( 22 ) mounted on a rod-shaped ceramic carrier ( 21 ) is arranged. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierung eine zwischen Keramikträger (21) und Heizleiter (22) angeordnete erste Isolationsschicht (23) und eine den Heizleiter (22) abdeckende zweite Isolationsschicht (24) aufweist.Fuel injection valve according to claim 1, characterized in that the insulation between a ceramic carrier ( 21 ) and heating conductors ( 22 ) arranged first insulating layer ( 23 ) and a heating conductor ( 22 ) covering second insulation layer ( 24 ) having. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschichten aus Aluminiumoxid (Al2O3) bestehen.Fuel injection valve according to claim 2, characterized in that the insulating layers consist of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 – 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikträger (21) aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) besteht.Fuel injection valve according to one of claims 1 - 3, characterized in that the ceramic carrier ( 21 ) consists of yttrium stabilized zirconia (ZrO 2 ). Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 – 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleiter (22) als eine flache Widerstandsbahn ausgeführt ist.Fuel injection valve according to one of claims 1 - 4, characterized in that the heating conductor ( 22 ) is designed as a flat resistance path. Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ventilgehäuse (11) eine Distanzhülse (12) mit einem Kraftstoff- Zuführkanal (13) vorgesetzt und das Heizelement (20) vorzugsweise koaxial im Kraftstoff-Zuführkanal (13) angeordnet ist.Fuel injection valve according to one of claims 1 - 5, characterized in that the valve housing ( 11 ) a spacer sleeve ( 12 ) with a fuel feed channel ( 13 ) and the heating element ( 20 ) preferably coaxially in the fuel supply channel ( 13 ) is arranged. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzhülse (12) einen seitlich abgewinkelten Stutzen (122) trägt, in dem mit dem Heizelement (20) verbundene Steckerstifte (28) eines elektrischen Anschlusssteckers (19) angeordnet sind.Fuel injection valve according to claim 6, characterized in that the spacer sleeve ( 12 ) a laterally angled neck ( 122 ), in which with the heating element ( 20 ) connected pins ( 28 ) of an electrical connector plug ( 19 ) are arranged. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanzhülse (12) koaxial zum Gehäuse (11) angeordnet und mit einem Übergreifungsrand (121) auf dem Gehäuse (11) festgelegt ist.Fuel injection valve according to claim 6 or 7, characterized in that the spacer sleeve ( 12 ) coaxial with the housing ( 11 ) and with a Überrandungsrand ( 121 ) on the housing ( 11 ). Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 2 – 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolationsschicht (24) mit einer Keramikschicht (29) abgedeckt ist, die vorzugsweise eine gleiche Dicke wie der Keramikträger (21) aufweist.Fuel injection valve according to one of claims 2 - 8, characterized in that the second insulation layer ( 24 ) with a ceramic layer ( 29 ), which is preferably of the same thickness as the ceramic carrier ( 21 ) having. Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikschicht (29) aus Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid (ZrO2) besteht.Fuel injection valve according to claim 9, characterized in that the ceramic layer ( 29 ) consists of yttrium stabilized zirconia (ZrO 2 ).
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