EP0158739B1

EP0158739B1 - Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräumen

Info

Publication number: EP0158739B1
Application number: EP84116262A
Authority: EP
Inventors: Werner Dr. Dipl.-Phys. Grünwald; Ernst Imhof; Iwan Komaroff; Rolf Dipl.-Ing. Mayer; Günther Schmid; Helmut Reum
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-04-14
Filing date: 1984-12-22
Publication date: 1988-06-01
Also published as: EP0158739A3; DE3471718D1; EP0158739A2; US4572146A; JPS60219450A; DE3414201A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei bekannten Einrichtungen dieser Gattung (EP-A-0102507) ist der Glühkörper so ausgebildet, dass sich über seine ganze axiale Länge hinweg annähernd die gleiche Glühtemperatur ergibt, oder es können einzetne Bereiche eines auf einem keramischen Trägerkörper aufgebrachten Leiterbelags unabhängig vonsanderen Bereichen kontrolliert zum Glühen gebracht werden, um dadurch gezielt verschiedene Glühzustände hervorzurufen und die Strahl- bzw. Zündqualität an die Erfordernisse eines optimalen Betriebs im jeweiligen Arbeitspunkt des Motors anzupassen. Bei diesen Ausführungen lässt es sich jedoch nicht in jedem Fall vermeiden, dass die mit weiterführenden Leitungselementen kontaktierten Enden des Glühkörpers und ggf. auch die dem Glühkörper zugekehrte Stirnseite der Einspritzdüse unerwünscht hohe Temperaturen annehmen.
Ferner ist nach Art 54 (3) des EPÜ die WO-A-8404567 als Stand der Technik zu berücksichtigen, bei der eine Einrichtung der gattungsmässigen Art einen Glühkörper stromab der Einspritzdüse hat, welcher aus einem hohlzylindrischen Keramikkörper und einem gewendelten Glühdraht besteht, der in seiner Längsrichtung gewellt ist und mit seinen nach aussen weisenden Wellenbergen in eine entsprechend gewendelte Nut in der Bohrungswand des Keramikkörpers eingelagert ist. Der Glühdraht ist über seine ganze Länge hinweg mit einem gleichbleibenden Drahtquerschnitt versehen, die Wellenteilung ist jedoch in mehreren axial aufeinanderfolgenden Teilbereichen unterschiedlich gross bemessen, so dass die Teilbereiche in einem unterschiedlich grossen Wärmekontakt mit dem Keramikkörper und mit der durchtretenden Verbrennungsluft stehen. Die Anordung ist so getroffen, dass ein aussenliegender Teilbereich des Glühdrahtes die Funktion eines Schnellaufheizelementes ausübt, während die anderen Teilbereiche zusammen mit dem Keramikkörper als Dauerheizelemente für den konstanten Betriebseinsatz wirken.

Vorteile der Erfindung:

Die erfindungsgemässe Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass der Glühkörper den unterschiedlichen Anforderungen von kurzen Aufheizzeit und guter Dauerglühqualität genügt, ohne dass die an den Stirnenden des Glühkörpers bzw. eines mit dem Glühkörper versehenen Tragkörpers angeordneten Kontaktierungsstellen und Halterungen unzulässig stark erhitzt werden. Der mittlere, wesentlich heissere Bereich des Glühkörpers ermöglicht kurze Aufheizzeiten und aufgrund der höheren Temperaturdifferenz zu dem im Luftmantel vorbeiströmenden Kraftstoffstrahl einen besseren Wärmeübergang. Die intensive Infrarotstrahlung dieses Glühkörperbereichs heizt die Kraftstofftröpfchen der Luft-Kraftstoffverwirbelung auf, während die Luft durch Konvektion dort, wo sie am Glühkörper vorbeiströmt, erhitzt wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist somit wirkungsvoll für seine leichte Entflammbarkeit vorgeheizt, ohne dass der Glühkörper mit Kraftstoff in Berührung kommt. Durch die Ausbildung des Glühkörpers als elektrisches Widerstandselement kann sehr genau ein gewünschtes Temperaturprofil gestaltet werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung nach dem Hauptanspruch möglich.
Eine einfache und stabile Ausführung ergibt sich, wenn der Glühkörper als ein zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist, der an seinen beiden Stirnflächen kontaktierbar ist und dessen Durchmesser vorteilhaft zu den Stirnenden hin vergrössert ist. Der Glühkörper kann in dieser Ausgestaltung auch Träger eines Heizwiderstandes sein und für die notwendige mechanische Festigkeit sorgen. Ausserdem ermöglicht der grössere Durchmesser der Stirnflächen einen grösseren elektrisch wirksamen Querschnitt und eine besonders sichere Kontaktierung. Der Glühkörper bzw. der auf ihn aufgebrachte Heizwiderstand kann vorteilhaft mit Kontaktierungsscheiben verbunden sein, die an den Stirnflächen des Glühkörpers angelötet sind.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Glühkörper als wendelförmiger Heizwiderstand ausgebildet, der im mittleren Bereich einen geringeren Windungsquerschnitt als in den äusseren Bereichen hat. Dieses Merkmal erlaubt auf einfache Weise, das Temperaturprofil über den Querschnitt der Widerstandswendel festzulegen.
Insbesondere für keramische Widerstandsmaterialien lassen sich gut reproduzierbare Eigenschaften dadurch erzielen, dass der wendelförmige Heizwiderstand aus einem Rohr eines Widerstandsmaterials herausgefräst ist, wobei zur Querschnittsänderung der Widerstandswendel die Steigerung der gefrästen Wendel variabel ist. Dabei besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform der wendelförmige Heizwiderstand aus dem Material Molybdändisilizid (MoSi₂). Die temperaturkritischen Zonen des Glühkörpers können nach diesem Erfindungsmerkmal den thermisch wenig belasteten Zonen an den Stirnseiten des Glühkörpers zugeordnet werden, denn bei dem Werkstoff MoSi2 kann im Langzeitbetrieb bei ca. 500-600 °C sogenannte Tieftemperaturoxydation auftreten, andererseits erlauben geeignete Temperaturen an den Stirnseiten des Glühkörpers, dass die Kontaktierungsscheiben schmelzsicher an den Glühkörper anlötbar sind.
Ist der wendelförmige Heizwiderstand aus dem Material MoSi₂ gefertigt, und aus einem Rohr dieses Materials herausgefräst, so kann es zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit vorteilhaft sein, das Stützmittel zwischen mindestens einigen Windungen des wendelförmigen Heizwiderstandes in der Art von Stegen vorhanden sind. Diese Stützmittel können dabei aus axial angebrachten Schichten elektrisch isolierender Keramikpaste bestehen, so dass die Vorteile von gewünschtem Temperaturprofil des Glühkörpers mit den Vorteilen des Widerstandsmaterials M_OSi₂ kombinierbar sind. Ein Vorteil des M_OSi₂ besteht darin, dass es einen sogenannten PTC-Effekt aufweist (Widerstandserhöhung bei Temperaturanstieg), so dass die Aufheizzeiten sehr kurz sind, und dass sich die aufgenommene elektrische Leistung ohne externes Steuergerät an wechselnde Lastzustände selbsttätig anpasst. Da MoSi₂ sehr gute Hochtemperaturfestigkeit aufweist, ist es als gut verfügbarer Stoff geeignet, Platinheizelemente zu ersetzen. Ein mechanisch besonders stabiler Glühkörper ist dadurch gekennzeichnet, dass als Stützmittel ein elektrisch isolierender Zylinder vorhanden ist, der den wendelförmigen Heizwiderstand umfasst.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung des Erfindungsgedankens besteht darin, dass der zylindrische Glühkörper auf seiner Mantelfläche Löcher in der Art einer Perforation aufweist und dass die Dichte der Löcher in seinen mittleren Bereichen höher als in seinen äusseren Bereichen ist. Dabei kann es für die Erzeugung des gewünschten Temperaturprofils bereits ausreichen, dass die Perforation nur in mittleren Bereichen des zylindrischen Glühkörpers vorhanden ist. Eine der Perforation gleichwertige Struktur kann auch dadurch erzielt werden, dass der zylindrische Glühkörper mindestens teilweise in der Art einer Zellenstruktur aufgebaut ist, wobei der wirksame elektrische Widerstand im mittleren Bereich, durch die Zellstruktur bedingt, höher als in den äusseren Bereichen ist.
Weitere vorteilhafte Konstruktionsmerkmale gehen aus den in Verbindung mit der Zeichnung nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen hervor.

Fig. 1 zeigt an einer Einspritzdüse ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Einrichtung;
Fig. 2 zeigt einen wendelförmigen Heizwiderstand, der als zylindrischer Glühkörper ausgebildet ist;
Fig. 3 zeigt einen wendelförmigen Heizwiderstand mit Kontaktierungsscheiben;
Fig. 4 zeigt zwei Ausgestaltungen des Glühkörpers und
Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Glühkörper, der von einem Keramikschutzrohr umschlossen ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in einem Motorblock 10 über einem Distanzring 11 eine Kraftstoffeinspritzdüse 12 mittels einer Düsenspannmutter 13 eingesetzt. Die Kraftstoffeinspritzdüse 12 weist eine in einem Düsenkörper 14 arbeitende Ventilnadel 15 auf. Mit der Düsenspannmutter 13 ist der Düsenkörper 14 an einen nicht in der Fig. 1 dargestellten Düsenhalter gespannt. In eine eingedrehte Nut 16 am brennraumseitigen Ende der Düsenspannmutter 13 ist ein Gehäuse 17 einer Heizvorrichtung befestigt. Der Boden des Düsenkörpers 14 ist über einen Stützteller 18 gegen das Gehäuse 17 der Heizvorrichtung abgestützt. Das Gehäuse 17 ist mit einem Deckel 19 brennraumseitig abgeschlossen. Stützteller 18 und Deckel 19 sind als konzentrische Elemente ausgebildet, so dass der Kraftstoffstrahl 20 ungehindert in den in der Figur nicht weiter dargstellten Brennraum gelangen kann. Zwischen einer Kontaktierungsscheibe 21 und dem zur Kontaktierung mitverwendeten Deckel 19 befindet sich ein zylindrischer Glühkörper 22, dessen mechanische Festigkeit von einem oder mehreren Stützstegen 23 verbessertwird. Zur sicheren Kontaktierung des Deckels 19 über den Stützteller 18 mit dem Boden des Düsenkörpers 14 kann zwischen Stützteller 18 und Deckel 19 ein Kontaktsteg 24 vorgesehen sein. Die Betriebsspannung wird dem Glühkörper 22 über die mit ihm verbundene Kontaktierungsscheibe 21 zugeführt, die über einen Drahtbügel 25 und einen Kontaktstift 26 mit einer Zuleitung 27 verbunden ist. Der Kontaktstift 26 ist dabei Teil einer temperatur- und druckdicht eingelöteten elektrischen Durchführung 28 im Gehäuse 17. Das Gehäuse 17 weist Öffnungen 29 auf, durch die einerseits der Drahtbügel 25 zur Kontaktierungsscheibe 21 geführt ist und durch die andererseits ein Luftstrom aus dem . Brennraum an den Boden des Düsenkörpers 14 gelangen kann, und zwar genau an die Stelle, wo der Kraftstoffstrahl 20 zwischen Düsenkörper 14 und Ventilnadel 15 entsteht.
Die Arbeitsweise des dargestellten Beispiels ist folgende: Ist die Kraftstoffeinspritzdüse für die Dauer eines Einspritzaktes geöffnet, so saugt der Kraftstoffstrahl nach dem Strahlpumpenprinzip Luft an, die ihn mantelförmig umgibt und so den zylindrischen Glühkörper passiert, dass dieser mit dem Kraftstoff nicht in Berührung kommt, sondern den Luftmantel aufheizt, der dann seinerseits den Kraftstoffmantel aufheizt. Es wird jedoch nicht nur der vorbeiströmende Luftmantel von dem Heizelement aufgeheizt, sondern die Infrarotstrahlung des Heizelementes wirkt auf die Kraftstofftröpfchen des eingespritzten Kraftstoffstrahles ein und erhitzt sie. Dadurch, dass der Düsenboden mit Frischluft umspült wird, kann sich die Düse nicht mit Russteilen zusetzen und die Qualität bezüglich Menge und Tröpfchengrösse des Kraftstoffstrahles bleibt über lange Betriebszeiten gleichbleibend.
Die Fig. 2 zeigt einen als wendelförmigen Heizwiderstand ausgebildeten zylindrischen Glühkörper ohne Kontaktierungsscheiben. Der zylindrische Glühkörper 22 besteht aus einem wendelförmigen Heizwiderstand 36, wobei dessen Querschnitt in einem mittleren Bereich 37 des Glühkörpers 22 niedriger und somit der Widerstand höher ist, als in seinen äusseren Bereichen 38. Dadurch wirkt der Bereich 37 als Hochtemperaturbereich, da sein auf die Länge des Heizwiderstandes bezogener Widerstand höher ist, als in den äusseren Bereichen 38. Die äusseren Bereiche 38 werden zu einem Niedertemperaturbereich, der geringere elektrische Widerstand hat eine geringere Stromwärme zur Folge, so dass hier eine haltbare Kontaktierung und Befestigung möglich ist.
In der Fig. 3 ist der wendelförmige Heizwiderstand 36, der zwischen zwei Kontaktierungsscheiben 21 befestigt ist, zwischen seinen Wendel mit axial angebrachten Schichten 41 aus Keramikpaste mechanisch verfestigt.
Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel eines zylindrischen Glühkörpers 22 ist in den beiden Varianten A und B dargestellt. Beide Varianten enthalten zur Halterung und Kontaktierung Endbünde 42. Bei der Variante A wird der als Hochtemperaturbereich arbeitende mittlere Bereich 37 durch eine zellenähnliche Perforation 40 gebildet, die den Querschnitt des Widerstandsmaterials verringert und damit eine Widerstandserhöhung herbeiführt.
In der Variante B der Fig. 4 ist der wendelförmige Heizwiderstand 36 gezeigt, der aufgrund der gleichförmigen Steigung im gesamten Wendelbereich gleichen Querschnitt aufweist. Die gewünschte Temperaturabsenkung im Kontaktierbereich bewirkt hier die stark ausgebildeten Endbünde 42 durch ihren niederen elektrischen Widerstand. Die Wendel 36 kann, ebenso wie in Fig. 3 gezeigt, abgestützt sein.
Das in Fig. 5 gezeigte Heizelement zeigt den zylindrischen Glühkörper 22 innerhalb eines Keramikstützrohres 43. Der Glühkörper weist dabei in diesem Ausführungsbeispiel nur einen Endbund 42 auf. Er ist, wie in der Figur angedeutet, als wendelförmiger Heizwiderstand ausgebildet, der nun nicht gleichzeitig nach mechanischen Fertigkeitskriterien konstruiert ist, da das Keramikstützrohr 43 für mechanische Festigkeit sorgt.
Der Glühkörper liegt zwischen den beiden Kontaktierungsscheiben (21) und wird von dort her mit Betriebsspannung versorgt.

Claims

1. Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume, insbesondere für selbstzündende Brennkraftmaschinen, mit einer Einspritzdüse (12), einem der Spritzöffnung der Einspritzdüse (12) nachgeschalteten Glühkörper (22), der eine zentrale Öffnung für den berührungslosen Durchgang der Kraftstoffeinspritzstrahlen (20) hat und als ein von elektrischem Strom durchflossenes Widerstandsheizelement ausgebildet ist, mit den elektrischen Kontaktstellen an seinen beiden stirnseitigen Enden, und ferner mit einem die Einspritzstrahlen (20) umgebenden, in den Brennraum mündenden Kanal, in den eine Belüftungsöffnung (29) von der Seite her einmündet, durch welche die Einspritzstrahlen infolge von Injektorwirkung Luft aus dem Brennraum ansaugen, welche die Kraftstoffstrahlen in Form eines Mantels umhüllt, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühkörper (22) in seinem in Einspritzrichtung gesehenen mittleren Bereich (37) einen grösseren elektrischen Widerstand aufweist als in seinen beiden äusseren ringförmigen Bereichen (38).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühkörper (22) als ein zylindrischer Hohlkörper ausgebildet ist, der an seinen beiden Stirnflächen kontaktierbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Glühkörpers (22) zu den Stirnenden (42) hin vergrössert ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnflächen des Glühkörpers (22) Kontaktierungsscheiben (21) angelötet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühkörper (22) als wendelförmiger Heizwiderstand (36) ausgebildet ist, der im mittleren Bereich (37) einen geringeren Windungsquerschnitt aufweist, als in den äusseren Bereichen (38).

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwiderstand (36) aus einem Rohr eines Widerstandsmaterials herausgefräst ist, wobei zur Querschnittsänderung die Steigung der gefrästen Wendel variabel ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühkörper (22) bzw. der wendelförmige Heizwiderstand (36) aus dem Material MoSi₂ besteht.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Stützmittel zwischen mindestens einigen Windungen des wendelförmigen Heizwiderstandes (36) in der Art von Stegen vorhanden sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützmittel aus axial angebrachten Schichten (41) isolierender Keramikpaste gebildet sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Stützmittel ein isolierender Zylinder (43) dient, der den wendelförmigen Heizwiderstand (36) umfasst.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühkörper (22) an seiner Mantelfläche Löcher in der Art einer Perforation (40) aufweist, und dass die Dichte der Löcher in seinem mittleren Bereich (37) höher als in seinen äusseren Bereichen (38) ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforation (40) nur im mittleren Bereich (37) des Glühkörpers (22) vorhanden ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühkörper (22) mindestens teilweise in der Art einer Zellstruktur aufgebaut ist, wobei der wirksame elektrische Widerstand im mittleren Bereich (37) durch die Zellstruktur bedingt höher als in den äusseren Bereichen (38) ist.