EP0151122B1 - Device for injecting fuel into combustion chambers - Google Patents
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
- F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
- F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
Definitions
- the heating also takes place in two stages when the two heating layers 35, 37 are connected in parallel.
- the heating layer 35 heats up quickly and reaches the end temperature for the starting process in a relatively short time, which is advantageously less than 0.5 seconds.
- the second heating layer 37 heats the ceramic layer and thereby increases and stabilizes the heat capacity of the entire incandescent body. In this circuit arrangement too, thermal overheating of heating layer 35 is prevented by heating layer 37.
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Einrichtung dieser Gattung ist eine einzige Heizlage im Glühkörper angeordnet. Das hat den Nachteil, daß sich die Temperatur der Heizlage mit der thermischen Pulsation des vorbeiströmenden Mediums ändert. Um dies zu verhindern muß die Heizlage überdimensioniert werden, wodurch ein Energieverlust auftritt.The invention relates to a device for injecting fuel according to the preamble of the main claim. In a known device of this type, a single heating position is arranged in the incandescent body. This has the disadvantage that the temperature of the heating position changes with the thermal pulsation of the flowing medium. In order to prevent this, the heating position must be oversized, which leads to a loss of energy.
Aufgrund der hohen Wärmekapazität der keramischen Wärmeschutzschicht des Glühkörpers und ihres Aufbaus erfordern die bisher bekannten Einrichtungen eine relativ lange Zeitspanne, um ihre zur Zündung bzw. Vorglühung des Kraftstoffluftgemisches erforderliche Endtemperatur zu erreichen.Due to the high thermal capacity of the ceramic heat protection layer of the incandescent body and its structure, the previously known devices require a relatively long period of time in order to reach their final temperature required for ignition or preheating of the fuel-air mixture.
Ferner ist in der älteren unter Art. 54 (3) EPÜ fallende Druckschrift W084/04 567 eine Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in Brennräume beschrieben, bei der eine Heizvorrichtung ein Schnellheizelement zur schnellen Aufheizung im Kaltzustand und ein Dauerheizelement für den konstanten Betriebseinsatz aufweist. Da die Heizelemente aber nicht übereinander und ohne Isolierschicht angeordnet sind, ist auch hier eine optimale Aufheizung noch nicht möglich.Furthermore, in the older publication W084 / 04 567 falling under Art. 54 (3) EPC, a device for fuel injection into combustion chambers is described, in which a heating device has a rapid heating element for rapid heating in the cold state and a permanent heating element for constant operation. However, since the heating elements are not arranged one above the other and without an insulating layer, optimum heating is not yet possible here either.
Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs ist demgegenüber den Vorteil, daß die für die Vorglühung notwendige Temperatur in relativ kurzer Zeit erreicht wird. Die innere Heizlage kann sich praktisch ohne Wärmeabfluß in die keramische Schutzschicht aufheizen. Die gleichzeitig mit aufgeheizte, zweite Heizlage übernimmt das Aufheizen der keramischen Schutzschicht und gewährleistet eine hohe und relativ konstante Wärmekapazität der Schutzschicht. Thermische Pulsationen des Kraftstoffluftgemisches bewirken somit nur geringste Temperaturänderungen der Heizlage. Am Ort des strömenden Gemisches besitzt die Einrichtung eine hohe und relativ konstante Energiedichte. Die zweite Heizlage verhindert gleichzeitig eine thermische Überbeanspruchung der inneren Heizlage.The device according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the temperature required for preheating is reached in a relatively short time. The inner heating layer can heat up practically without heat flow into the ceramic protective layer. The second heating layer, which is also heated, takes over the heating of the ceramic protective layer and ensures a high and relatively constant heat capacity of the protective layer. Thermal pulsations of the fuel-air mixture therefore only cause the slightest temperature changes in the heating position. At the location of the flowing mixture, the device has a high and relatively constant energy density. The second heating layer also prevents thermal overloading of the inner heating layer.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Merkmale möglich.Advantageous further developments and improvements of the features specified in the main claim are possible through the measures listed in the subclaims.
Durch das Herstellungsverfahren wird vorteilhafterweise die innere Heizlage mechanisch stabilisiert. Bei den z.B. aus verschiedenen Platinlegierungen bestehenden Heizlagen wird ein Abdampfen des Platins verninaert, wodurch eine Langzeitveränderung des Heizlagenwiderstandes verhindert wird. Die Einrichtung weist dadurch eine hervorragende Lebensdauer auf und erlaubt eine kostengünstige Herstellung mittels moderner Fertigungsverfahren.The manufacturing process advantageously mechanically stabilizes the inner heating position. With e.g. Evaporation of the platinum is made from different platinum alloy heating layers, thereby preventing a long-term change in the heating layer resistance. As a result, the device has an excellent service life and allows cost-effective production using modern manufacturing processes.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 den brennraumseitigen Teil einer Einspritzdüse nach einem Ausführungsbeispiel in Seitenansicht und teilweise im Schnitt, Figur 2 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des Glühkörpers in schematischer Darstellung, Figur 3 eine Modifikation des Ausführungsbeispiels nach Figur 2, die Figuren 4 bis 6 schematisch die Verfahrensschritte zur Herstellung des Ausführungsbeispiels nach Figur 2, die Figuren 7 und 9 je eine Ausführung des Stützkörpers für eine Heizwendel aus dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2, die Figuren 8 und 10 schematisch je ein Herstellungsverfahren des Stützkörpers nach Figur 7 bzw. 9.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. 1 shows the part of an injection nozzle on the combustion chamber side according to an exemplary embodiment in a side view and partly in section, FIG. 2 shows a longitudinal section through an exemplary embodiment of the incandescent body in a schematic illustration, FIG. 3 shows a modification of the exemplary embodiment according to FIG. 2, and FIGS. 4 to 6 schematically show the method steps 2, FIGS. 7 and 9 each show an embodiment of the supporting body for a heating coil from the exemplary embodiment according to FIG. 2, FIGS. 8 and 10 schematically each show a manufacturing method of the supporting body according to FIGS. 7 and 9.
Die Einspritzdüse 10 nach Figur 1 hat einen Düsenkörper 11 der durch eine Überwurfmutter 12 an einem Düsenhalter 14 festgespannt ist. Die Teile 11 bis 14 sind handelsüblich und daher im einzelnen nicht gezeigt und beschrieben. Die Einspritzdüse 10 ist als Drosselzapfendüse ausgeführt, deren Ventilnadel einen aus den Düsenkörper 11 herausragenden Drosselzapfen 16 trägt. Die Linien 18 deuten einen Spritzkegel des Kraftstoffspritzstrahls an. Anstelle einer Drosselzapfendüse könnte auch eine Lochdüse vorgesehen sein.The
An der Überwurfmutter 12 ist ein verhältnismäßig dünnwandiger tubenförmiger Glühkörper 20 befestigt, dessen zylindrischer Mantelabschnitt 22 einen Schaft 24 des Düsenkörpers 11 mit engem Spiel umgibt. Der Boden 26 des Glühkörpers 20 ist sphärisch gewölbt und mit einer zentralen Bohrung 28 zum Durchtreten des Spritzkegels 18 versehen. Zwischen den Boden 26 und der Stirnwand des Düsenkörpers 11 ist ein Kanal 30 gebildet, in welchen seitliche Öffnungen 32 im Glühkörper 20 einmünden. Der Glühkörper 20 trägt an seinen Boden 26 eine in Figur 1 nur schematisch dargestellte Doppelheizschicht 33, welche über einen elektrischen Anschluß 34 mit einer nicht dargestellten Stromquelle verbindbar ist.A relatively thin-walled tubular
In Figur 2 ist diese Doppelheizschicht 33 in tubenförmigen Bereich des Glühkörpers 20 vergrößert dargestellt. Auf einer inneren Heizlage 35, die vorzugsweise als Heizwendel ausgebildet ist, ist eine dünne dielektrische Isolierschicht 36 aufgebracht. Diese Isolierschicht 36 kann z.B. eine A1203-Schicht sein. In diese Isolierschicht 36 ist die Heizlage 35 teilweise eingebettet. Eine zweite Heizlage 37 ist auf die Außenseite der Isolierschicht 36 angeordnet. Beide Heizlagen 35, 37 können als Heizwendel ausgeführt sein, oder in Schichttechnik wie z.B. mit Hilfe des Tampondruckverfahrens aufgebracht werden. Bei einem röhrchenförmigen Glühvorsatz sollte aber die innere Heizlage 35 vorteilhafterweise als Drahtwendel ausgeführt sein. Die zweite Heizlage 37 ist vollständig von einem massiven keramischen Träger 38 umgeben. Dieser Träger 38 dient zur mechanischen Stabilisierung der Doppelheizschicht 33 und zur Erhöhung der Wärmekapazität. Wie in Figur 3 dargestellt, kann auf den Träger 38 eine Heizlage 39 aufgebracht werden. Dadurch wird die Wärmekapazität des Trägers 38 noch zusätzlich erhöht und stabilisiert.In Figure 2, this
Die beiden Heizlagen 35, 37 können sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden. Auch sind für beide Heizlagen ein gemeinsamer oder jeweils ein eigener elektrischer Anschluß möglich.The two
Sind die Heizlagen 35, 37 elektrisch in Reihe geschaltet, so wird die innere Heizlage 35 erfindungsgemäß aus einem Werkstoff mit einem niedrigen, negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten hergestellt. Es hat sich hierfür eine Platinlegierung mit ca. 5 bis 10 Gewichtsprozent Wolfram oder 30 Gewichtsprozent Iridium vorteilhaft erwiesen. Die Heizlage 37 sollte aus einem Werkstoff mit einem hohen, positiven Temperaturkoeffizienten hergestellt sein. Es eignet sich hierzu z.B. Platin. Nach dem Einschalten der Heizspannung fällt der größte Teil der Spannung an der relativ hochohmigen inneren Heizlage 35 ab. Dadurch wird diese stark aufgeheizt. Die äußere Heizlage 37 wird durch die beim Stromdurchgang abgegebene Joulesche Wärme und durch die Wärmemenge der inneren Heizlage 35 ebenfalls schnell aufgeheizt. Durch den Temperaturanstieg in der direkten Umgebung der Heizlage 37 steigt aufgrund des hohen, positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand) der Widerstand der Heizlage 37 an. Dadurch wird die Leistungsabgabe der Heizlage 35 begrenzt, so daß keine thermische Überbelastung der Heizlage 35 auftreten kann. Die Heizlage 37 kann als Heizwendel ausgebildet sein, oder in Schichttechnik z.B. Tampondruckverfahren mit Dickschichtpasten aufgebracht werden. Bei derartigen keramischen PTC-Widerständen ist aber zu beachten, daß der Schaltpunkt im Temperaturbereich zwischen 100° und 200° C liegt, der Glühkörper aber viel heißer wird. Die Heizlage 37 wird dann vorteilhafterweise im Bereich des Düsenkörpers angeordnet.If the
Bei einer Parallelschaltung der beiden Heizlagen 35, 37 wird für die Heizlage 35 ein Werkstoff mit, hohem, positiven Temperaturkoeffizienten und für die Heizlage 37 ein Werkstoff mit niedrigem, negativen oder positiven Temperaturkoeffizienten (NTC- oder PTC-Widerstand) verwendet. Durch den geringen Kaltwiderstand heizt sich auch hier die innere Heizlage 35 wieder schnell auf.When the two
Erfindungsgemäß läuft auch bei der Parallelschaltung der beiden Heizlagen 35, 37 das Aufheizen zweistufig ab. Die Heizlage 35 heizt sich schnell auf und erreicht in relativ kurzer Zeit, die vorteilhafterweise kleiner als 0,5 Sekunden ist, die Endtemperatur für den Startvorgang. Die zweite Heizlage 37 heizt die Keramikschicht auf und erhöht und stabilisiert dadurch die Wärmekapazität des gesamten Glühkörpers. Auch bei dieser Schaltungsanordnung wird ein thermisches Überhitzen der Heizlage 35 durch die Heizlage 37 verhindert.According to the invention, the heating also takes place in two stages when the two
Die Herstellung dieser Doppelheizschicht 33 erfolgt erfindungsgemäß in folgenden Schritten, die in den Figuren 4 bis 6 dargestellt sind. Auf einem Dorn 41 wird die Heizlage 35 in Form einer Heizwendel 35' aufgewickelt. Auf diese Heizwendel 35' wird anschließend eine dünne Schicht einer elektrischen Isolierschicht 36, vorzugsweise aus AI203, z.B. nach dem Tampondruckverfahren aufgedruckt oder auch aufgepinselt. Darauf wird nun eine zweite Heizlage 37 aufgebracht. Über diese gesamte Anordnung kann nun eine teigartige, plastifizerbare Keramikmasse als Träger 38 außen aufgetragen werden. Es kann aber auch ein handelsübliches Keramikrohr über die Heizlage 37 geschoben werden und mit handelsüblichen Keramikkleber verbunden werden. Anschließend wird der Dorn 41 aus dem Glühkörper herausgezogen. Es kann jetzt auch von der Innenseite her die Heizlage 35 mit elektrisch isolierender Paste beschichtet werden, so daß ein Abdampfen des Platins und damit eine Langzeitveränderung des Widerstands der Heizlage 35 verhindert wird. Zum Schluß wird der gesamte Glühkörper gesintert.This
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 7 ist die Heizlage 35 als Heizwendel 35' auf einen keramischen Stützkörper 42 aufgewickelt. Dieser Stüzkörper 42 hat mehrere Keramikstifte 43, die einen annähernd dreieckförmigen Querschnitt aufweisen. Auf diese Keramikstifte 43 ist die Heizwendel 35' außen aufgewickelt. Diese kann erfindungsgemäß einen dünnen Querschnitt aufweisen und damit hochomiger als bisher sein. Durch die geringen Berührungspunkte der Heizwendel 35' mit den Keramikstiften 43 wird der Wärmeübergang weitgehend reduziert; die mechanische Stabilität der Heizwendel 35' bleibt dabei erhalten und ist gewährleistet. Durch das anschließende Sintern wird infolge des maßlichen Schwundes der Keramik die Heizwendel 35' an den Berührungspunkten in die Stifte 43 eingeklemmt und gleichzeitig auch radial nachgespannt. Gegebenenfalls kann die Heizwendel 35' auch vor dem Sintern mittels eines Keramikklebers fixiert werden.In the exemplary embodiment according to FIG. 7, the
Die Herstellung der Keramikstifte 43 ist in Figur 8 näher dargestellt Aus einem Keramikrohr 44, das vorteilhafterweise aus "vorgesinterter" Keramik besteht, d.h. gepreßt aber noch nicht gesintert ist, werden Rohrbereiche 45 bis zu den ein gleichseitiges Dreieck bildenden Schnittebenen 46 abgetrennt oder abgefräst. Der Mittelpunkt des Dreiecks liegt in der Achse des Keramikrohrs 44. Es bleiben somit drei Keramikstifte 43 stehen. Ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen können durch mehrere Schnittebenen auch mehrere Stifte herstellt werden.The production of the
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 9 werden aus einem "vorgesinterten" Keramikzylinder 49 vier gleich große, sich überschneidende Längsbohrungen 50 herausgebohrt. Die Mittelpunkte der Längsbohrungen 50 liegen auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt auf der Achse des Keramikzylinders 49 liegt. Es ergeben sich somit vier Stege 51, an denen die Heizwendel 35', wie in Figur 10 näher dargesstellt, angeordnet ist. Die Stege 51 tragen somit die Heizwendel 35', die im Bedarfsfall durch einen handelsüblichen Keramikkleber fixiert werden kann. Anschließenid wird die gesamte Anordnung gesintert.In the exemplary embodiment according to FIG. 9, four equally overlapping
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