DE19843317B4

DE19843317B4 - Beheiztes Einspritzventil für fremdgezündete Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE19843317B4
Application number: DE1998143317
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Hofmann; Dominikus Dr. Klawatsch; Manfred Dipl.-Ing. Klepatsch; Hans Peter Prof. Dr. Lenz; Jaroslav Richter
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2018-09-23
Also published as: DE19843317A1

Abstract

Beheiztes Einspritzventil zum dosierten Einbringen von Kraftstoff in den Ansaugtrakt einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, umfassend ein Ventilgehäuse mit einem Düsenkörper und einem axial im Ventilgehäuse angeordneten beweglichen, die Düse des Düsenkörpers in einer Endlage verschließenden Ventilkörper, einer auf den Ventilkörper in Richtung seiner Schließlage wirkenden Schließfeder, einer Einrichtung zum gesteuerten Abheben des Ventilkörpers vom Düsenkörper entgegen der Kraft der Schließfeder sowie einem unmittelbar vor der Einspritzstelle im Ventilgehäuse angeordneten, in seiner Heizleistung steuerbaren elektrischen Heizelement zur Erwärmung des einzuspritzenden Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement von einem drahtförmigen Widerstandsleiter (15) mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) gebildet ist, der unmittelbar vom Kraftstoff vor dem Düsenkörper (2) umspült ist und der in Wendeln oder Mäandern an der inneren Wandung des Ventilgehäuses (1) um den Ventilkörper (3) herum gehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein beheiztes Einspritzventil zum dosierten Einbringen von Kraftstoff in den Ansaugtrakt einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Einspritzventil ist mit DE 196 29 589 A1 beschrieben. Bei diesem Einspritzventil befindet sich zwischen einer zum gesteuerten Abheben des Ventilkörpers vorgesehenen Magnetspule und einem Wärmetausch-Abschnitt des Ventilgehäuses ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit bzw. ein Peltier-Element, so daß die von der Magnetspule erzeugte thermische Verlustleistung zur Vorwärmung des Brennstoffes ausgenutzt wird. Zur weiteren Beheizung des Kraftstoffes wird eine zusätzliche Heizwicklung vorgeschlagen, die von dem Material hoher Wärmeleitfähigkeit gegenüber dem Kraftstoff abgedeckt wird.
Bei einem Start der Brennkraftmaschine oder bei einem Lastwechsel mit sich erhöhendem Brennstoffbedarf tritt ein Verzug der Kraftstofferwärmung dadurch auf, daß jedesmal die abdeckenden Materialien erwärmt werden müssen, bevor die Heizwärme den Kraftstoff erreicht.
Mit DE 20 57 972 ist ein Einspritzventil dargestellt, bei dem das Heizelement dicht vor der Einspritzstelle aus ei ner Vielzahl von Kapillar-Röhrchen oder engen Spalten besteht, durch welche der Kraftstoff geleitet wird. Bei einer solchen Ausführung besteht die Gefahr, dass die Kapillaren bzw. die Spalten durch Verunreinigungen im Kraftstoff verstopfen und damit die Kraftstoffversorgung der Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird.
Bei dem nach DE 22 10 250 beschriebenen Einspritzventil besteht das dicht vor der Einspritzstelle befindliche Heizelement aus einer sich um die Düsennadel erstreckenden Hülse, die als stromdurchflossener elektrischer Leiter ausgebildet ist oder in der ein Heizleiter eingebettet ist.
Ferner sei auf die DE 195 42 318 A1 , DE 195 04 175 C2 , DE 38 31 989 A1 , DE 28 43 534 C2 , EP 0 693 623 A1 und WO 9737121 A1 verwiesen, die ebenfalls Kraftstoffeinspritzventile mit Heizelementen offenbaren.
In beiden vorgeschlagenen Fällen werden sich an der dem Kraftstoff zugewandten Seite der Hülse Ablagerungen ansetzen, die den Wärmeübergang behindern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein beheiztes Einspritzventil der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die Beheizung des Kraftstoffes ohne Regelverzug möglich ist und eine Verstopfung durch Verunreinigungen sowie ein nachteiliges Ansetzen von Ablagerungen an den Heizkörper vermieden wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Vorteil eines NTC-Heizleiters gegenüber einem so genannten Kaltleiter bzw. PTC-Heizelement liegt darin, dass die Heizleistung unabhängig von der Heizungstemperatur gesteuert werden kann. Dadurch wird die Dynamik soweit verbessert, dass es mit einer entsprechenden Steuerung der Heizleistung ab dem Startvorgang möglich ist, bereits beim ersten Einspritzvorgang eine für die Kraftstoffaufbereitung optimale Kraftstofftemperatur zu erreichen.
Als optimale Kraftstofftemperatur ist die Temperatur anzusehen, bei der sich der an sich bekannte Flash-Boiling-Effekt einstellt, ein Zustand, bei dem es beim Drucksprung des aus der Mündung der Düse austretenden Kraftstoffs zum schlagartigen Verdampfen leicht siedender Kraftstoffkomponenten kommt. Dieser Effekt ist z. B. für Dieselkraftstoff mit DE 32 43 809 beschrieben. Durch den entstehenden Kraftstoffdampf wird jedoch der bei Otto-Kraftstoff noch flüssige Kraftstoffanteil des Einspritzstrahles zusätzlich zerstäubt, so daß sich ein wesentlich feineres Tropfenspektrum ergibt als bei ausschließlicher Nutzung von Druckenergie zur Zerstäubung. Gleichzeitig führt das schlagartige Verdampfen nach dem Austritt zu einer starken Aufweitung des Einspritzstrahls. Der Flash-Boiling-Effekt ist saugrohrdruckabhängig, wobei bei höheren Saugrohrabsolutdrücken der Verdampfungseffekt bei höheren Kraftstofftemperaturen auftritt. Es ist somit zweckmäßig, die Steuerung der Heizleistung des Einspritzventiles auch vom Saugrohrabsolutdruck abhängig zu machen.
Ein weiterer Vorteil des NTC-Heizleiters liegt darin, daß sich durch die Dichteänderung beim Heizen keine Ablagerungen bzw. Verkokungen am Heizleiter bilden. Dieses Selbstreinigungsverhalten wird durch die Ausbildung des Heizleiters als drahtförmiger Widerstandsleiter weiter verstärkt. Die Anordnung des drahtförmigen Widerstandsleiters als Spirale oder Mäander an der Wandung des Ventilgehäuses rings um den Ventilkörper und nahe der Einspritzstelle sichert eine gleichmäßige und schnelle Erwärmung der unmittelbar vor dem Abspritzen befindlichen Kraftstoffmenge. Die unmittelbare Umspülung des drahtförmigen Widerstandleiters bewirkt einen guten Wärmeübergang auf den Kraftstoff, so daß kaum ein Regelverzug bei der Regelung der Kraftstofftemperatur eintritt.
In besonders vorteilhafter Weise kann der drahtförmige Wiederstandsleiter an Ösen aufgehängt sein, die an einem speziellen die innere Wandung des Ventilgehäuses bildenden Heizleiterträger befestigt sind und den Widerstandsleiter mit Abstand von der Wandung tragen. Durch diese Aufhängung des Widerstandleiters erfolgt eine Verwirbelung und Durchmischung des ihm umgebenden Kraftstoffes, welche die gleichmäßige Aufheizung des gesamten Kraftstoffs unterstützt.
Darüberhinaus erlaubt die Aufhängung des Widerstandleiters mittels Ösen eine Längenänderung des Widerstandleiters beim Beheizen, ohne daß es zu Berührungen zwischen den einzelnden Schleifen des Widerstandleiters bzw. zwischen dem Widerstandsleiters und der benachbarten Wandung kommt.
Da bei Erreichen einer Kraftstofftemperatur, bei der sich der Flash-Boiling-Effekt einstellt, sich das Strahlbild der Einspritzung ändert und Otto-Kraftstoffe bekanntlich aus mehreren Kraftstoffkomponenten mit unterschiedlichen Siedepunkten bestehen, kann das Strahlbild durch Veränderung der aktuellen Heizleistung und damit der Kraftstofftemperatur variiert werden. Dies kann gezielt zur Optimierung des Betriebsverhaltens der Bremskraftmaschine, z. B. des Warmlaufbetriebes, eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
1: einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Einspritzventil;
2: eine vergrößerte Darstellung des Ventilge häuses des Einspritzventils nach 1 in perspektivischer Darstellung und geschnitten.
Das Einspritzventil besteht im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 1 mit einem Düsenkörper 2 und einem dazu axial beweglich geführten Ventilkörper 3, einer Schließfeder 4 sowie einer Einrichtung 5 zum gesteuerten Abheben des Ventilkörpers 3 vom Düsenkörper 2. Dazu ist die Einrichtung 5 mit einer Magnetspule 6 versehen, die bei Ansteuerung mit einem elektrischen Strom von einer Steuereinheit aus über die Kontakte 7 einen mit dem Ventilkörper 3 verbundenen Anker 8 entgegen der Kraft der Schließfeder 4 anzieht und so vom Ventilsitz des Düsenkörpers 2 abhebt. Das Einspritzventil ist mit einer Kraftstoffzuführöffnung 9 versehen, die mit einer Dichtung 10 gegenüber eines Kraftstoffzuführleiste abgedichtet ist. Mit einer weiteren Dichtung 11 ist das Einspritzventil in einer Öffnung des Ansaugtraktes der Brennkraftmaschine abgedichtet. Die Einrichtung 5 ist von einem Gehäuse 12 umschlossen.
Wie 2 zeigt, befindet sich in dem Ventilgehäuse 1 ein Heizleiterträger 13, der gegenüber dem Ventilgehäuse 1 durch eine Isolierfolie 14 isoliert ist. Der Heizleiterträger 13 trägt einen in Mäandern angeordneten drahtförmigen Widerstandsleiter 15 mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC). Der Widerstandsleiter 15 ist über Kontakte 16 mit elektrischer Energie versorgbar, welche durch eine Steuereinheit regelbar ist. Mit 17 ist eine obere Ventilkörperführung bezeichnet. Eine untere Ventilkörperführung 18 ist von der inneren Wandung des Düsenkörpers 2 gebildet.
Der Widerstandsleiter 15 ist an dem Heizleiterträger 13 mittels Ösen 19 aufgehängt, die an der Wandung des Heizleitersträgers 13 befestigt sind.
Dem Einspritzventil wird von einer Kraftstoffpumpe Kraftstoff unter Druck an der Kraftstoffzuführöffnung 9 zugeführt, so daß der Kraftstoff den Innenraum des Ventilgehäuses 1 ausfüllt. Er umspült somit auch den Widerstandsleiter 15, der beim Start der Brennkraftmaschine mit Strom versorgt wird, so daß er sich sehr schnell erwärmt und dabei auch die relativ kleine Menge Kraftstoff unmittelbar vor der Einspritzstelle aufheizt. Durch ein getaktetes Anheben des Ventilkörpers 3 durch Beschicken der Magnetspule 6 mit Strom, wobei die Taktung von der Steuereinheit bemessen wird, gelangt der aufgeheizte Kraftstoff durch die Düse des Düsenkörpers 2 in den Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Beim Austreten des Kraftstoffes aus der Düse tritt eine teilweise Verdampfung ein, wie weiter vorne beschrieben.
Der direkt im Kraftstoff liegende Widerstandsleiter 15 mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) kann einerseits in seiner Heizleistung unabhängig von der bereits erreichten Heiztemperatur gesteuert werden, so daß eine sehr schnelle Erwärmung des Kraftstoffes auch bei Kaltstart ermöglicht wird, andererseits wird durch die Dichteänderung des Widerstandsleiters 15 beim Heizen ein Ablagern von Verunreinigungen oder eine Verkokung sicher vermieden, so daß die Heizwirkung auch über eine längere Lebensdauer gleichmäßig erhalten wird. Der Energieaufwand zur Erwärmung der unmittelbar vor der Einspritzstelle im Einspritzventil befindlichen Kraftstoffmenge ist sehr niedrig, da diese Kraftstoffmenge gering ist und ein optimaler Wärmeübergang direkt auf diese Kraftstoffmenge gegeben ist.
Die Anbringung des Widerstandsleiters 15 an dem Heizleiterträger 13 erleichtert die Fertigung des Einspritzventils, da der Heizleiterträger 13 mit dem Widerstandsleiter 15 als Montageeinheit vorgefertigt werden kann, um dann als Einheit in das Ventilgehäuse 1 eingesetzt werden zu können. Auch die Isolierfolie 14 kann bei der Vormontage dieser Einheit berücksichtigt werden. Die Isolierfolie 14 zwischen dem Heizleiterträger 13 und der Wand des Ventilgehäuses 1 reduziert den Wärmeabfluß auf das Ventilgehäuse 1 und damit auch den Energieverbrauch für die Kraftstoffheizung.
Durch die Aufhängung des Widerstandsleiters 15 mittels Ösen 19 an dem Heizleiterträger 13 hat der Widerstandsleiter 15 immer einen geringen Abstand von der Wandung des Heizleitersträgers 13. Ebenso wird dadurch Berührungen der einzelnen Schleifen des Widerstandsleiters 15 auch bei Längenänderungen infolge des Heizvorganges sicher vorgebeugt.
Die Aufhängung des Widerstandsleiters 15 an den Ösen 19 fördert die Verwirbelung des aufzuheizenden Kraftstoffes und damit die Gleichmäßigkeit der Aufheizung.

Claims

Beheiztes Einspritzventil zum dosierten Einbringen von Kraftstoff in den Ansaugtrakt einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, umfassend ein Ventilgehäuse mit einem Düsenkörper und einem axial im Ventilgehäuse angeordneten beweglichen, die Düse des Düsenkörpers in einer Endlage verschließenden Ventilkörper, einer auf den Ventilkörper in Richtung seiner Schließlage wirkenden Schließfeder, einer Einrichtung zum gesteuerten Abheben des Ventilkörpers vom Düsenkörper entgegen der Kraft der Schließfeder sowie einem unmittelbar vor der Einspritzstelle im Ventilgehäuse angeordneten, in seiner Heizleistung steuerbaren elektrischen Heizelement zur Erwärmung des einzuspritzenden Kraftstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement von einem drahtförmigen Widerstandsleiter (15) mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) gebildet ist, der unmittelbar vom Kraftstoff vor dem Düsenkörper (2) umspült ist und der in Wendeln oder Mäandern an der inneren Wandung des Ventilgehäuses (1) um den Ventilkörper (3) herum gehalten ist.
Einspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsleiter (15) von einem Heizleiterträger (13) gehalten ist, der sich an der inneren Wandung des Ventilgehäuses (1) rund um den Ventilkörper (3) abstützt.
Einspritzventil nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsleiter (15) am Heizleiterträger (13) mittels an dessen Wandung befestigten Ösen (19) aufgehängt ist.
Einspritzventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Heizleiterträger (13) und der Wandung des Ventilgehäuses (1) eine Isolierfolie (14) vorgesehen ist.