WO1984004567A1 - Device for the injection of fuel into combustion chambers - Google Patents

Description

Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in Brennräume

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von der Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in Brennräume nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (FR PS 1 382 697) wird der Kraftstoff kurz vor bzw. nach der Einspritzung durch eine röhrchenförmige Heizvorrichtung geleitet, um dadurch eine die Zündung erleichternde Temperatur zu erhalten. Nachteilig an dieser bekannten Vorrichtung ist einerseits, daß eine Aufheizung des Kraftstoffs erfolgt, bevor er mit der Verbrennungsluft zusammentrifft, und andererseits, daß mit nur einem Heizelement die nahezu divergierenden Forderungen von Kaltstartaufheizung und konstanter Betriebsheizung erfüllbar sein müssen. Bei der reinen Kraftsotffaufheizung darf die Aufheiztemperatur keinesfalls zu hoch sein, um nicht zu einer verbrennungsluftlosen Zersetzung des Kraftstoffes mit nachträglicher Verkokung zu führen. oder gar im Bereich des ersten Luftzutrittes, nämlich an der Spritzöffnung aufgrund des plötzlichen zur Verfügungstehens von Verbrennungsluft Verkokungen zu erhalten, die zu einer Veränderung der Spritzöffnung führen können, mit in jedem Fall außerordentlich nachteiligen Wirkungen auf den Verbrennungsablauf im Brennraum. Die einzuspritzende Kraftstoffmenge hängt von Druck und Querschnitt ab und ist einer bestimmten Verbrennungsluftmenge im Brennraum zugemessen. Sobald aufgrund von Querschnittsänderungen des Spritzlochs sich auch Änderungen im vorbestimmten Kraftstoff-Luftverhältnis ergeben, wirkt sich dieses unmittelbar auf die Verbrennungsqualität aus, d. h. das Kraftstoffluftgemisch ist entweder zu mager oder zu fett.

Eine Aufheizung des Kraftstoffes vor Austritt aus der Kraftstoffeinspritzdüse hat eine Volumenänderung noch vor Durchdringung des Spritzloches zur Folge, so daß weniger pro Volumeneinheit zur Verfügung stehende Wärmeeinheiten beim aufgeheizten u.damit ausgedehnten Kraftstoff da sind als beim kalten ein geringeres Volumen aufweisenden Kraftstoff. Aufgrund der Aufheizung kann die Volumenänderung dann besonders wesentlich sein, wenn der physikalische Zustand vom flüssigen ins gasförmige übergeht. Dieses hat somit zur Folge, daß die eingespritzte - eingeblasene - Kraftstoffmenge bezüglich der Wärmeeinheiten nicht der zugewiesenen Luftmenge entspricht und wiederum der obengenannte Nachteil des entweder zu fetten oder zu mageren Kraftstoffluftgeraisches die Folge ist.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anlage besteht darin, daß warmer Kraftstoff in kalte Luft gespritzt wird, was bezüglich der Homogenisierung eines Kraftstoffluftgemisches wesentlich schlechter ist, als wenn kalter Kraftstoff in warme Luft gespritzt wird. In letzterem Fall wird der Kraftsotff aufgrund der Aufwärmung vergast und kann sich innig mit der Luft verbinden. Im ersteren Fall hingegen werden die möglicherweise vorvergasten Kraftstoffteile wieder kondensiert und durch Flüssigkeitsadhäsion zusammengezogen, verlieren dabei ihre Wucht und dringen nicht mehr tief in den Brennraum hinein. Als Folge verschlechtert sich die Gemischbildung, weil nicht die ganze Frischluftladung an dem Gemischbildungs- und Verbrennungsvorgang teilnimmt.

Diese genannten Nachteile wirken sich besonders dann stark aus, wenn die Aufheizung intermittierend und/oder unterschiedlich stark erfolgen soll. Für die Brennkraftmaschine wird das Kraftstoffluftgemisch in einem bestimmten Verhältnis eingestellt, wobei dieses Verhältnis bei dieser bekannten Anlage je nach Grad und Dauer der Aufheizung verfälscht wird. Der andere wesentliche Nachteil dieser bekannten Anlage besteht darin, daß einerseits eine derartige Anlage beim Starten und bei kaltem Brennraum kurzfristig und effektiv eine hohe Heizleistung abgeben muß, die dann nach Warmlaufen des Brennraumes (Brennkraftmaschine) abgestellt werden kann. Für diesen Zweck muß die Heizvorrichtung eine hohe Leistung und verhältnismässig große Heizflächen aufweisen. Völlig anders ist die Forderung, die ebenfalls an eine derartige Heizvorrichtung gestellt wird, wenn sie zudem im Dauerbetrieb die Verbrennung verbessern soll. Dieses kann beispielsweise bei sehr niedrigen Außentemperaturen erforderlich sein, kann jedoch auch im Bereich der ölfeuerung zur Erzeugung einer Blauflamme vorgesehen werden. Eine für den Dauerbetrieb vorgesehene Heizvorrichtung soll im Gegensatz zur Kaltstartheizvorrichtung mit möglichst geringer Leistung auskommen und eine wärmespeichernde Wirkung haben. Die Forderung an eine möglichst geringe Leistungsaufnahme beruht in erster Linie auf dem Energieverbrauch und in zweiter Linie auch auf der energieabhängigen Abnutzung. Der Wunsch nach einer Speicherwirkung ist besonders bei Brennkraftmaschinen wünschenswert, bei denen der Kraftstoff intermittierend eingespritzt wird und dadurch die Wärmeabnahme ebenfalls intermittierend ist. So kann in den Wärmeabnahmepausen eine Wiederaufheizung des gekühlten Elementes erfolgen. Zudem können bei einer Brennkraftmaschine rasch abwechselnd Heiß- und Kühlphasen auftreten - je nach Leistungsabgabe derselben -, für die eine Wärmespeicherung vorteilhaft ist.

Es sind auch andere Einrichtungen dieser Gattung bekannt, beispielsweise Glühkerzen oder -stifte, die in dem Brennraum eingebaut sind. Sie schaffen im Bereich ihrer Spitze günstige Bedingungen für die Erwärmung, Verdampfung und Zündung einer Teilmenge des Kraftstoffes, die dann den gesamten Kraftstoffstrahl zündet.

Die Glühkerzen und -stifte sind jedoch besondere Teile, deren Einbau in Brennräume einen Eingriff in die empfindlichen Strömungsverhältnisse bedeutet. Der durch die Energieknappheit verstärkte Trend zu Alternativ-Kraftstoffen, wie Alkohole und Pflanzenöle, bringt weitere Erschwernisse bezüglich der Gemischbildung und Zündung bei der Kraftstoffeinspritzung mit sich. Ferner ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art bekannt (DE OS 27 15 943), bei welcher der Kraftstoffeinspritzdüse eine Mischkammer mit einem Zündorgan nachgeschaltet ist, in welcher die Verbrennung eingeleitet wird und deren Kammerwände beheizt werden. Die Mischkammer ist in einer in die Brennraumwand eingeschraubten Buchse gebildet, welche auch die Einspritzdüse trägt. Abgesehen davon, daß diese Einrichtung verhältnismässig aufwendig ist und in vielerlei Hinsicht sorgfältig auf den zu verwendeten Kraftstoff und die jeweiligen Motorverhältnisse abgestimmt werden muß, tritt auch hier der Nachteil auf, daß aufgrund der eingeschränkten Verhältnisse entweder eine Kaltstartaufheizung oder eine Dauerheizung möglich ist. Außerdem sind bei dieser Lösung die Ein- und Ausströmverluste leistungsmindernd.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße. Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie mit sehr einfachen Mitteln ermöglicht, eine Startaufheizung und/oder eine Dauerheizung zu erhalten. Außer den in der Wirkung unterschiedlichen mindestens zwei Heizelementen ist für diese Lösung wichtig, daß im wesentlichen die Verbrennungsluft aufgeheizt wird, die den einspritzenden Kraftstoff als Strömung begleitet. Hierdurch ist es möglich, daß die heiße Verbrennungsluft aufgrund der wesentlich geringeren Strömungsgeschwindigkeit als des KraftstoffStrahls den Kraftstoff durch auseinanderreißen des Strahls aufgrund physikalischer Widerstandswirkungen einerseits und thermischer Expansion andererseits intensiv und weitgehend homogen mit der Verbrennungsluft vermischt. Diese Vermischung hat naturgemäß einen Temperaturausgleich zur Folge zwischen Kraftstoff und Luft - optimale Voraussetzungen für ein günstiges Zündverhalten. Sehr wichtig ist dabei die Tatsache, daß an den beschriebenen Vorgängen nur die Randzone des Kraftstoffstrahls mit 5 bis 2o % der Vollastmenge teilnimmt. Der Heizenergieaufwand wird dadurch erheblich verkleinert.

Zudem werden all die oben genannten Nachteile der Aufheizung des Kraftstoffes vor Austritt aus der Spritzöffnung vermieden, die es nahezu unmöglich machen, eine wechselnden Belastungen unterliegende Verbrennung optimal einzustellen. Die Verwendung von Heizelementen unterschiedlicher Wirkung hat den Vorteil, daß mindestens ein Heizelement für die Startleistung, d. h. hohe Wärmeabgabe in kurzer Zeit, und ein anderes Heizelement für Dauerbetrieb, d. h. geringere Leistung über lange Zeit kombinierbar sind. Da in erster Linie die Verbrennungsluft über konvektive Wärmeabgabe vom Heizelement her aufgeheizt wird, kann erfindungsgemäß das jeweilige Heizelement so angeordnet sein, daß ausreichend viel Verbrennungsluft eine entsprechend ausreichende Heizfläche bestreicht. Hierbei ist es erfindungsgemäß möglich, daß eine sehr große Heizfläche für die Schnellaufheizung dient und eine entsprechend kleine Heizfläche für die Dauerheizung, 'wobei beispielsweise die große Heizfläche nach dem Start abgeschaltet wird und die kleine Heizfläche kontinuierlich in Betrieb bleibt.

Für die unterschiedliche Wirksamkeit kann erfindungsgemäß jedoch auch eine unterschiedliche Heiztemperatur genügen, nämlich eine bei beispielsweise gleich großen Flächen vorgesehene Glühtemperatur für die Kaltstartheizung und eine niedrigere Temperatur für die Dauerheizung. Die Kaltstartheizung hat fast immer eine höhere Leistungsaufnahme, allerdings nur für kurze Zeit.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Heizelemente elektrisch parallel und strömungstechnisch hintereinander schaltbar sein. Aufgrund der elektrischen Parallelschaltung kann alternativ zuund abgeschaltet werden, wobei die aufzuheizende Luft alle Heizelemente passieren muß. Die Reihenfolge der Heizelemente wird nach heiztechnischen Erfordernissen gewählt. So kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung in Strömungsrichtung zuerst ein Schnellheizelement, dann ein Dauerheizelement und danach wieder ein Schnellheizelement angeordnet werden.

Hierbei ist es auch denkbar, daß eines der Schnellheizelemente für normalen Kaltstart verwendet wird, hingegen beide, wenn es besonders kalt ist oder sonstige Startschwierigkeiten hinzukommen.So ist es auch denkbar, daß ein Teil der Heizelemente dem Verbrennungsluftstrom ausgesetzt ist, bevor er auf den Kraftstoffstrahl trifft, und ein weiterer Teil der Heizelemente dann stromab des Kraftstoffeintritts vorgesehen ist.

Als Heizelement selbst können alle denkbar geeigneten Mittel verwendet werden, wie beispielsweise Heizdrähte. Während Heißleiter sich besonders bei größeren zur Verfügung stehenden und von der Verbrennungsluft bestreichbaren Flächen anbieten, sind bei Heizdrähten besondere Vorteile in der Gestaltung als Heizwendel zu finden, die von der Verbrennungsluft umströmt wird, und deren Kern möglicherweise vom Kraftstoffstrahl durchdrungen wird. Auch hier können mehrere derartige Wendeln hintereinander geschaltet sein, oder es können unterschiedliche Elemente, wie Heizleiter und Wendel, nacheiander der Verbrennungsluft ausgesetzt sein.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Heizelemente elektrisch sowie strömungstechnisch hintereinander schaltbar sein. Durch entsprechende Gestaltung der Wärme abgebenden Flächen sowie der Schaltelemente kann auch bei einer Hintereinanderschaltung (Reihenschaltung) eine unterschiedliche Wärmeabgabe entsprechend den Erfordernissen erfolgen. So kann in dieser Reihenschaltung das Heizelement für Kaltstart bei kalter, angesogener Verbrennungsluft automatisch eingeschaltet werden, um dann bei warmer Brennkraftmaschine außer Betrieb zu sein. So ist auch denkbar, daß ein Dauerheizelement erst dann in Betrieb geht, wenn ein Kaltstartelement bereits abgeschaltet ist.

Nach einer ergänzenden Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement an einem Keramikkörper angeordnet, der Wärme aufnimmt und eine gewisse Speicherwirkung abgibt. Hierbei kann das Heizelement als eingesinderte Metallschicht oder als Heizwendel ausgebildet sein, die mehr oder weniger dem Luftstrom ausgesetzt ist, so daß ein Teil der Wärme unmittelbar an die Luft abgegeben, ein anderer Teil an einen Keramikkörper abgegeben wird, welcher aufgrund der ihm eingegebenen thermiscben Speicherkapazität in ausgleichender Wirkung die Wärme zum Teil in den Spritzzeiten an das Heizelement zurückgibt.

Bei Einrichtungen, deren Glühvorsatz einen keramischen Stützkörper hat, ergibt sich eine einfache Ausführung, wenn der Stützkörper aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial besteht und selbst ein Heizelement, vorzugsweise das Dauerheizelement für den konstanten Betriebseinsatz, bildet.

Dadurch kann ein metallisches Heizelement eingespart werden und außerdem erhält man ohne zusätzlichen Aufwand ein hochtemperatur- und verbrennungsgasbeständiges Heizelement, das unempfindlich gegen Temperaturschock ist und sich sowohl für kurze Aufheizzeiten als auch für Dauerglühbetrieb eignet.

Der keramische Stützkörper kann vorzugsweise aus einem Keramikmaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstand), vorzugsweise aus SiC, bestehen. Bei entsprechender Abstimmung mit dem metallischen Heizelement könnte der keramische Stützkörper jedoch auch aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand), z.B. MOSi₂, bestehen. Die angegebenen Materialien sind besonders thermoschockbeständig und sowohl in reduzierender wie in oxidierender Atmosphäre bis zu hohen Temperaturen (SiC bi3 ca. 1150ºC, MoSi₂ bis ca. 1300°C) einsetzbar.

Das metallische Heizelement kann gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten (PCT-Widerstand), vor zugsveise aus einer Platinlegierung, bestehen. Ein derartiges Heizelement kann mit dem keramischen Glühkörper als zweites Heizelement zu einem schnellansprechenden Dauerglühelement kombiniert werden. Das metallische Heizelement glüht beim Vorglühen und Starten der Brennkraftmaschine innerhalb kurzer Zeit auf, erbringt dabei die hohe Startleistung und heizt außerdem den keramischen Stützkörper, bis dieser leitend wird und sich durch Eigenstromaufnahme selbst weiter erwärmt. Dabei geht die Strombelastung des als PCT-Widerstand ausgebildeten metallischen Heizelementes wieder auf geringere Werte zurück, so daß auch ein Dauerbetrieb des metallischen Heizelementes ohne Schaden möglich ist. Das aufeinanderfolgende Wirksamwerden der beiden Heizelemente wird ohne zusätzliche Schaltmittel erreicht und der als Glühkörper mit Eigenheizung ausgebildete keramische Stützkörper eignet sich darüber hinaus besonders gut zur Bildung von Kanälen, durch welche die den auspritzenden Kraftstoff begleitende Verbrennungsluft geführt wird.

Das Zusammenwirken des metallischen Heizelementes mit dem keramischen Stützkörper kann gezielt beeinflußt werden, wenn das metallische Heizelement mindestens über Teile seiner Länge einen gut wärmeleitenden Kontakt mit dem Stützkörper hat.

Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, daß in der Startphase der Brennkraftmaschine die mit dem Stützkörper in wärmeleitendem Kontakt stehenden Abschnitte des metallischen Heizelementes sich langsamer als dessen andere Leitungsabschnitte erwärmen und daher länger in einem niedrigeren Widerstandsbereich verbleiben. Die sich schneller bzw. stärker erwärmenden Abschnitte des metallischen Heizelementes können in diesem Fall in jenem Bereich des Glühvorsatzes angeordnet sein, in welchem sich die begleitende Verbrennungsluft bereits mit den Randzonen des Kraft stoffstrahls vermischt hat.

Eine besonders wirkungsvolle Anordnung ergibt sich, wenn der Stützkörper eine zentrale Bohrung für den Durchgang des Kraftstoffs hat und das metallische Heizelement mit mindestens einem, vorzugsweise jedoch mehreren an der Bohrungswand des Stützkörpers angeordneten Wendelabschnitten versehen ist.

Bei dieser Anordnung ist neben einem sehr guten Wärmeübergang erreicht, daß der bzw. die an der Bohrungswand des Stützkörpers angeordneten Wendelabschnitte des mechanischen Heizelementes zusätzlich für eine gute Verwirbelung bzw. Vermischung der begleitenden Verbrennungsluft mit den Randzonen des Kraft stoffstrahles sorgt.

Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausbildung ist vorgesehen, daß die Luftleitvorrichtung die den einspritzenden Kraftstoff begleitende Strömung der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in die zentrale Bohrung des Stützkörpers über dessen Außenmantel leitet und daß die die inneren Wendelabschnitte verbindenden Leitungsabschnitte des metallischen Heizelementes über den Außenmantel bzw. durch vom Außenmantel ausgehende Vertiefungen des Stützkörpers geführt sind. Dadurch wird die begleitende Verbrennungsluft schon vor ihrer Berührung bzw. Vermischung mit dem einspritzenden Kraftstoff gut vorgewärmt. Bei einer solchen bevorzugten Ausführung ist es besonders vorteilhaft, wenn die die inneren Wendelabschnitte verbindenden Leitungsabschnitte des metallischen Heizelementes ebenfalls als Wendeln ausgebildet sind, welche in radial vom Mantelumfang des Stützkörpers ausgehende, bis nahe an dessen zentrale Bohrungswand reichende Schlitze passend eingefügt sind.

Die Länge der in den Schlitzen des Stützkörpers angeordneten Wendelabschnitte des metallischen Heizelementes können etwa 50 % von dessen Gesamtlänge betragen. Während der Vorglüh- und Startphase der Brennkraftmaschine glühen die in der zentralen Bohrung des Stützkörpers sich befindenden inneren Wendelabschnitte des metallischen Heizelementes beispielsweise innerhalb von 1 bis 2 Sekunden im Temperaturbereich von ca. 1200 bis 1400ºC auf. Die anderen, in den Schlitzen des Stützkörpers eingefügten Wendelabschnitte sind mit intensiverem Wärmeleitkontakt zum Stützkörper wesentlich langsamer im Temperaturanstieg. Der PTC-Effekt des metallischen Heizelementes führt nun dazu, daß die für die Startphase wichtige hohe Temperatur der dem Einspritzstrahl zugewandten inneren Wendelabschnitte in dem Maß abnimmt, wie die Widerstandszunahme der langsamer sich aufheizenden Wendelabschnitte in den Schlitzen des Stützkörpers vorankommt. Dieser selbst steuernde Effekt bringt also die für die Startphase wichtige, hohe Heizelementtemperatur zurück auf einen Wert, der die Lebensdauer des metallischen Heizelementes nicht mehr beeinträchtigt. Gleichzeitig nimmt die Temperatur des Stützkörpers, beheizt durch das metallische Heizelement, weiter zu, bis sein Widerstand soweit abgesunken ist, daß der Stütz körper selbst, bei der angelegten Spannung, zum Heizleiter wird.

Für die Erfindung ist es unbeachtlich, ob es sich um eine Kraftstoffeinspritzdüse mit nur einer Spritzöffnung, wie beispielsweise einer Zapfen- oder einer nach außen öffnenden Düse, oder um eine Mehrlochdüse handelt.

Zeichnung

Vier Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im Folgenden näher erläutert.

Es zeigen Figur 1 das erste Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen zwei Schnellheizelementen ein Dauerheizelement angeordnet ist, Figur 2 das zweite Ausführungsbeispiel mit einer aus drei Teilen bestehenden Heizwendel, Figur 3 einen Schnitt gemäß der Linie A-A in Figur 2, Figur 4 einen Schnitt gemäß der Linie B-B in Figur 2, Figur

5 einen Schnitt gemäß der Linie C-C in Figur 2, Figur

6 einen Schaltplan, bei dem die drei Heizwiderstände in Serie geschaltet sind, Figur 7 ein Diagramm, bei dem die Temperatur über der Zeit aufgetragen ist und Figur 8 ein Schaltschema, bei dem die drei Heizwiderstände parallel geschaltet sind. In Figur 9 ist das dritte und in Figur 10 das vierte Ausführungsbeispiel, jeweils im Teilschnitt, dargestellt. Figur 11 zeigt eine Draufsicht auf den Glühkörper nach Figur 10, und Figur 12 ist ein Schnitt durch den Stützkörper des Glühkörpers nach Figur 11 gemäß Linie D-D in Figur 11. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in einen Motorblock 1 eine Kraftstoffeinspritzdüse 2 eingesetzt, an der eine Heizvorrichtung 3 angeordnet ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse 2 weist einen Düsenkörper 4 und eine darin arbeitende Ventilnadel 5 auf sowie eine Düsenspannmutter 6, mit der der Düsenkörper 4 an einen nicht dargestellten Düsenhalter gespannt ist und die mit ihrer einen Stirnseite auf einen Distanzring 7 zwischen Motorgehäuse 1 und Kraft stoffeinspritzdüse 2 wirkt.

In einer Eindrehung 8 der Düsenspannmutter 6 ist ein Gehäuse 9 einer Heizvorrichtung gesteckt, die zwei Schnellheizelemente 10 und ein Dauerheizelement 11 aufweist. Die Heizelemente 10 und 11 werden von Keramikkörpern 12 und 13 getragen, die im Gehäuse 9 der Heizvorrichtung 3 angeordnet sind. Zu den Heizelementen

führen elektrische Leitungen 14, welche in einer Einfräsung 15 der Düsenspannmutter 6 verlegt sind.

An einem Absatz 16 der Innenbohrung des Gehäuses 9 sind federnde Haltebleche 17 vorgesehen, mit denen einerseits die Heizelemente 10 und 11 sowie die Keramikteile 12 und 13 in ihrer Einbaulage gehalten werden und andererseits ein definierter Abstand zum Düsenkörper 4 hin besteht. Ein Birnetallschalter 18 steuert die elektrische Verbindung zum Schnellheizelement. Sobald eine ausreichende Umgebungstemperatur erreicht ist, öffnet der Bimetallschalter und die Schnellheizstufe wird ausgeschaltet.

In dem Gehäuse 9 sind Radialöffnungen 19 vorgesehen, über die Verbrennungsluft aus der Brennkammer 20 der Brennkraftmaschine in das Gehäuse 9 der Heizvorrichtung gelangt. Der innerhalb der Heizelemente durchdringende Kraftstoffstrahl wirkt dabei wie eine Wasserstrahlpumpe und zieht über weitere Radialöffnungen 21 die Verbrennungsluft über die Radialöffnungen 19 an, so daß quasi eine Art Zirkulation der Verbrennungsluft aus Brennraum 20 wieder in Brennraum 20 erfolgt, wobei diese Verbrennungsluft an den Heizelementen vorbeistreicht.

Aufgrund dieser Gestaltung ist mit einfachsten Mitteln eine Mehrstufenheizvorrichtung erreichbar.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Aufbau von Kraftstoffeinspritzdüse 2 und Heizvorrichtung 3 grundsätzlich so wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu diesem ist das im Gehäuse 9 der Heizvorrichtung angeordnete Keramikteil als Buchse 22 ausgebildet, die über einen Federtellerring 23 in ihrer Lage gehalten wird, und deren Innenbohrung wendeiförmige Nuten 24 aufweist, in denen die Heizelemente angeordnet sind, welche aus wendeiförmig verlaufenden Heizdrähten 25 bestehen. Die Heizdrähte weisen einen flachen, rechteckigen Querschnitt auf, um dadurch eine möglichst große, von der Luft bestreichbare Fläche zu haben. Um diese Heizdrähte beim Zusammenbau besser fassen zu können, besteht die Keramikbuchse 22 aus zwei Halbschalen.

Die bandförmige Heizwendel ist in sich noch einmal gewellt, um die Oberfläche optimal zu vergrößern. In Strömungsrichtung sind in diser Buchse 22 drei Heizelemente hintereinander angeordnet. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist gemäß dem Querschnitt A-A aus Fig. 2 die dem Düsenkörper am nächsten gelegene Wendel am dichtesten gewellt. Der Faltabstand der einzelnen Wellen ist sehr dicht, wobei ein nicht unerheblicher Teil des Heizelementes in der Nut 24 des Keramikteils 22 verschwindet. Es ragt somit nur ein verhältnismässig kleiner Teil in die Verbrennungsluftströmung, so daß auch nur eine verhältnismässig langsame Aufheizung erfolgt. Da andererseits ein wesentlicher Teil dieser Wendel im Keramikbereich ruht, wird der Keramikbereich hier verhältnismässig stark aufgeheizt und hat eine wärmespeichernde Wirkung.

In Fig. 4 ist ein Schnitt gemäß der Linie B-B in Fig. 2 dargestellt, bei dem ein zweites Heizelement der Heizwendel gezeigt ist, das weniger stark gewellt ist und weniger stark im Keramikbereich ruht. Während hier diese Wendel sich in der Wendelnut des Keramikkörpers nur noch über 7 Nasen 26 abstützt, bewirken die zwischen diesen Nasen 26 gelegenen Heizabschnittte 27, die unmittelbar dem Luftstrom ausgesetzt sind, eine wesentliche Unmittelbarvergrößerung der Heizfläche. Mit diesem mittleren Heizelement ist auch ein entsprechendes mittleres Aufheiztempo erzielbar.

In Fig. 5, in der ein Schnitt gemäß der Linie C-C in Fig. 2 dargestellt ist, ruht die Heizwendel nur noch auf 4 Nasen 28, so daß die dazwischengelegenen Abschnitte 29 ein nahezu Maximum an Heizfläche bieten. Dieser Wendelabschnitt ist für die Schnellaufheizung, also bei Kaltstart vorgesehen.

Abgesehen von der grundsätzlichen Gestaltung, wie sie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt ist, können diese Heizbänder auch eine unterschiedliche Breite aufweisen. So kann es beispielsweise erforderlich sein, um die gewünschte Aufheizwirkung zu erhalten, die Fläche für die Startaufheizung durch Verbreiterung des Bandes zu vergrößern.

In Fig. 6 ist ein Schaltschema dargestellt, wie es für das zweite Ausführungsbeispiel aussehen könnte. Die mit R_A, R_B, R_C bezeichneten Widerstände entsprechen den Heizelementen im Bereich des Schnittes A-A, B-B, C-C. Die drei Widerstände sind in Reihe geschaltet und es ist ihnen ein verstellbarer Widerstand D vorgeschaltet. Aufgrund der Fixgestaltung der Heizelemente handelt es sich hier um grundsätzlich bereits festgelegte Proportionen der Heizelemente, deren Gesamtleistung über den verstellbaren Widerstand änderbar ist. Dem Diagramm in Fig. 7, bei dem die Temperatur (Ordinate) über der Zeit (Abszisse) aufgetragen ist, kann entnommen werden, welche Wirkung die einzelnen Widerstände über der Zeit haben. Besonders der Widerstand R_C weist am Anfang eine sehr hohe Temperaturleistung auf, die dann zurückfällt auf einen mittleren Wert, wie ihn nach einiger

Zeit auch die anderen beiden Widerstände R _B und R_A erreichen. Durch die konstruktive Gestaltung des Heizelements wird somit zu Beginn der Aufheizung eine starke Differenzierung in Richtung Schnellaufheizung durch den Widerstand C erreicht, bis nach einiger Zeit die Widerstandsleistungsabgabe aller drei Heizelemente etwa gleich ist.

In Fig. 8 ist ein Schaltschema gezeigt, bei dem die Widerstände R_A, R_B und R_C parallel angeordnet sind, wobei diesen jeweils in Reihe ein verstellbarer Widerstand D₁, D₂ und D₃ zugeordnet ist. Statt dessen kann auch eine Schaltung über integrierte Kalbleiter erfolgen.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 9 hat ebenfalls den gleichen grundsätzlichen Aufbau wie die vorbeschriebenen Ausführungen, so daß auch hier nur auf die abweichenden konstruktiven Einzelheiten Bezug genommen wird. Die Heizvorrichtung 3 hat ein inneres metallisches Heizelement 30, welches aus einem Glühdraht gebildet ist, der sowohl mit dem Durchmesser d₁ um seine Längsachse als auch mit dem Durchmesser d₂ um die Achse der Einspritzdüse gewendelt ist und aus einem Stoff mit einem positiven Temperaturkoeffizienten besteht. Der Materialdurchmesser des Glühdrahts ist so auf die Wendeldurchmesser d₁ und d₂ abgestimmt, daß sich ein eigensteifes Gebilde ergibt, welches den im Betrieb auftretenden Verformungskräften standhält.

Das Heizelement 30 ist mit geringem Spiel von einem ringförmigen Stützkörper 31 umgeben, welcher aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten besteht und ein zweites Heizelement bildet. Der Stützkörper 31 ist dazu an einer Stelle seines Umfangs der Länge nach geschlitzt und an einer Schlitzflanke mit einem elektrischen Leiter 32 kontaktiert, an den auch das eine Ende des Heizelementes 30 angeschlossen ist. Zwischen dem Stützkörper 31 und dem Gehäuse 9 ist ein Ringraum 33 gebildet, der über Bohrungen 34 im Gehäuse 9 mit der Brennkammer der Maschine und über Randausklinkungen 35 im Stützkörper 31 mit dessen Inneren verbunden ist.

Die beiden Heizelemente 30 und 31 sind über den auch hier vorgesehenen Federtellerring 23 und über eine aus elektrisch isolierendem Stoff bestehende Lochblende 36 am Gehäuse 9 zentral festgehalten. Die Lochblende 36 schützt außerdem die Einspritzdüse 5 gegen Infrarotstrahlung und deckt auch die Randausklinkungen 35 im Stützkörper 31 zur Einspritzdüse hin ab. Zwischen Stützkörper 31 und dem nach innen gerichteten Rand des Gehäuses 9 ist eine Zwischenscheibe 37 vorgesehen, die ebenfalls aus elektrisch isolierendem Stoff besteht. Die beiden nicht mit dem Leiter 32 verbundenen Anschlüsse des Heizelementes 30 und des Stützkörpers 31 sind mit dem als Masseanschluß dienenden Gehäuse 9 verbunden.

Bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine werden beide Heizelemente 30 und 31 parallel zueinander an Spannung gelegt. Das metallische Heizelement 30 glüht danach sehr schnell auf, während sich das keramische Heizelement 31 nur langsam zu erwärmen beginnt. Nach einer gewissen Betriebszeit hat das keramische Heizelement 31 seine Dauerglühtemperatur erreicht, während das Heizelement 30 infolge seines angewachsenen Widerstandes elektrisch geringer belastet wird als anfänglich. Dadurch wird im Dauerbetrieb dem metallischen Heizelement 30 nicht geschadet. Auf diese Weise ist erreicht, daß der Glühvorsatz anfänglich eine hohe Heizleistung erbringt und danach auf eine mittlere Heizleistung absinkt, welche einer Kraftstoffstrahl 38 saugt aus der Brennkammer entlang der Strömungslinien 39 Verbrennungsluft an, die sich am keramischen Stützkörper 31 außen bereits vorerwärmt und im Inneren des Stützkörpers 31 in die Randzone des Kraftstoffstrahls eindringt, wo sie sich intensiv mit den Kraftstofftröpfchen der Randzone vermischt.

Die Ausführung nach den Figuren 10 bis 12 stimmt mit der Ausführung nach Figur 9 bis auf einen anders ausgebildeten Glühvorsatz überein. Dieser hat einen ringförmigen keramischen Stützkörper 40, der an einer Stelle einen radialen Trennschlitz 41 hat. Der Stützkörper 40 ist ferner mit einer Vielzahl von gleichmäßig verteilten Längsschlitzen 42 versehen, welche von seinem Mantelumfang 44 ausgehen und bis auf den Abstand a an seine zentrale Bohrung 45 heranreichen. Die Längsschlitze 42 sind am oberen Stirnende des Stützkörpers 40 über eine achsiale Länge b bis in die zentrale Bohrung 45 hinein vertieft, so daß sie dort je einen Durchgang 46 zur Bohrung 45 bilden. Am unteren Stirnende ist der Stützkörper 40 mit einer zentrischen Ausnehmung 47 von der Tiefe c und dem Durchmesser e versehen. Zwischen den Durchgängen 46 und der Ausnehmung 47 verbleibt ein Kernring 48 , der nur durch den durchgehenden Trennschlitz 41 unterbrochen ist.

Der Stützkörper 40 ist aus einem elektrisch leitendem Keramikmaterial hergestellt, welches einen negativen Temperaturkoeffizienten hat und erst bei höheren Temperaturen eine merkliche elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die den Trennschlitz 41 begrenzenden Flächen des Stützkörpers 40 sind mit örtlichen Ver tiefungen 50 versehen, in deren Bereich je eine zum benachbarten Schlitz 42 führende Nut 51 im Mantelumfang 44 des Stützkörpers 40 ausmündet. Im Bereich der Vertiefungen 50 sind Kontaktelemente 52 angeordnet, welche den Stützkörper 40 elektrisch leitend mit durch die Nuten 51 hindurchgeführten Anschlußdrähten 53 verbinden.

Der Stützkörper 40 ist auf seiner gesamten Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen, die in der Zeichnung nicht besonders dargestellt ist. Auf den Stützkörper 40 ist ein metallisches Heizelement 55 aufgewickelt, das aus einem Glühdraht mit positivem Temperaturkoeffizienten besteht. Das Heizelement 55 hat eine der Anzahl der Schlitze 42 entsprechende Anzahl von inneren Wendelabschnitten 56, welche jeweils einem Schlitz 42 gegenüberliegend mit geringem Abstand an der Wand der Bohrung 45 entlang laufen. Jedem inneren Wendelabschnitt 56 ist ein äußerer Wendelabschnitt 57 zugeordnet, welcher passend in den entsprechenden Schlitz 42 eingefügt ist und sich in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem Stützkörper 40 befindet.

Auf der der Einspritzdüse zugekehrten Seite sind die beiden sich radial gegenüberliegenden Wendelabschnitte 56, 57 über einen im Durchgang 46 angeordneten gestreckten Glühdrahtabschnitt 58 verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist jeweils ein äußerer Wendelabschnitt 57 mit einem in einer benachbarten Teilungsebene liegenden inneren Wendelabschnitt 56 über einen gestreckten Glühdrahtabschnitt 59 verbunden. Durch die beschriebene Ausbildung des Stützkörpers 40 bildet dessen Kernring 48 einen zu einem offenen Ring gebogenen Heizwiderstand, der über die Anschlußdrähte 53 parallel zum elektrischen Heizelement 55 geschaltet ist. Durch die Längsschlitze 42 werden ferner thermische Verspannungen des Stüzkörpers 40 während des Betriebes weitgehend vermieden. Der Stützkörper 40 ist vorzugsweise aus SiC hergestellt, während das Heizelement 55 aus einem Material mit PTC-Charakteristik, beispielsweise einer Platinlegierung oder MoSi₂ besteht. Die Anzahl der Längsschlitze 42 sowie die Schlitztiefe wird bestimmt vom Wendeldurchmesser und der unterzubringenden Drahtlänge des Heizelementes 55, sowie von dem gewünschten Stützkörperwiderstand bei bestimmter Stützkörpertemperatur.

Während der Vorglüh- und Anlaßphase beim Starten der Brennkraftmaschine glühen die in der Bohrung 45 befindlichen Wendelabschnitte 56 des Heizelementes 55 innerhalb von beispielsweise 1 bis 2 Sekunden im Temperaturbereich von 1200 bis 1400°C auf. Die Wendelabschnitte 56 wirken so als Startwicklung, welche durch hohe Stromaufnahme den sehr raschen Temperaturanstieg aufweist. Die anderen, in den Längsschlitzen 42 eingefügten Wendelabschnitte 57 des Heizelementes 55 sind mit intensiverem Wärme leitkontakt zum Stützkörper 40 wesentlich langsamer im Temperaturanstieg und verbleiben länger im niederen Temperaturbereich. Dadurch wird der Startwicklungseffekt der inneren Wendelabschnitte 56 noch verstärkt. In dieser Phase der höchsten Temperatur eines Teils des Heizelementes 55 findet der Motorstart statt.

Der PTC-Effekt des Heizelementes 55 führt nun dazu, daß die für die Startphase wichtige hohe Temperatur der inneren Wendelabschnitte 56 in dem Maß abnimmt, wie die Widerstandszunahme der sich langsamer aufheizenden Wendelabschnitte 57 in den Längsschlitzen 42 vorankommt. Dieser selbststeuernde Effekt reduziert also die für die Startphase wichtige, hohe Heizleistung der Wendelabschnitte 56 auf einen Wert, der die Lebensdauer des Heizelementes 55 nicht mehr beeinträchtigt. Gleichzeitig nimmt die Temperatur des Stützkörpers 40 zu, der vom Heizelement 55 mit aufgeheizt wird. Dabei nimmt der elektrische Widerstand der NTC-Keramik des Stützkörpers 40 soweit ab, daß der Stützkörper selbst, bei der angelegten Spannung, Strom aufnimmt und zum Heizleiter wird. Dabei werden die eng mit dem Stützkörper 40 verbundenen äußeren Wendelabschnitte 57 mit PTC- Charakter intensiv erwärmt, was zu einem weiteren Widerstandsanstieg des Heizelementes 55 führt, so daß der Leistungsanteil des PTC-Kreises weiter zurückfällt.

Der zum Heizelement gewordene Stützkörper 40 übernimmt nun als NTC-Heizkreis für die jetzt folgende Warmlaufphase der Maschine die Zündhilfe. Dieser Heizkreis kann nach dem Erreichen der Betriebstemperatur der Maschine abgeschaltet oder als robustes Heizelement für andere Aufgaben der Verbesserung des Verbrennungsablaufes in der Maschine eingeschaltet bleiben. Auch bei dieser Ausführung wird die aus der Brennkammer durch den aus der Einspritzdüse ausgespritzten Kraftstoffstrahl angesaugte Verbrennungsluft über den Außenumfang und durch die Längsschlitze des Stützkörpers 40 geführt und dort in der gewünschten Weise sehr effektiv vorgewärmt. Das Heizelement 55 wird nach dem Anstieg seines Widerstandes im "Schongang" weiter betrieben.

Bei einer abgewandelten Ausführung kann der keramische Stützkörper 40 zumindest am Mantel ohne einen elektrisch isolierenden Überzug ausgebildet sein. Dadurch werden zwar beim Leitendwerden des Stützkörpers 40 die Windungen der äußeren Wendelabschnitte 57 u.U. kurzgeschlossen, wodurch dem PTC-Effekt des Heizelements 55 entgegengewirkt wird. Dieser PTC-Effekt kann jedoch auf die übrigen Parameter so abgestimmt sein, daß er die Kurschlußwirkung überwiegt und daß der gewünschte Geesamteffekt doch eintritt.

Claims

Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in BrennräumeAnsprüche

1. Einrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in Brennräume, insbesondere selbstzündender Brennkraftmaschinen mit einer Kraftstoffeinspritzdüse zur Erzeugung mindestens eines gezielten KraftstoffStrahles, mit einer Luftleitvorrichtung und mit einer Heizvorrichtung für den einspritzenden Kraftstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der einspritzende Kraftstoff von einer an der Heizvorrichtung (3) vorbeileitbaren Strömung der Verbrennungsluft begleitet ist, und daß die Heizvorrichtung (3) mindestens zwei Heizelemente (10, 11, 25) unterschiedlicher Wirksamkeit aufweist, nämlich mindestens ein Schnellheizelement (10, 29) zur schnellen Aufheizung im Kaltzustand und mindestens ein Dauerheizelement (11, 25, 27) für den konstanten Betriebseinsatz.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Heizelemente elektrisch parallel und strömungstechnisch hintereinander schaltbar sind (Fig. 8).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Heizelemente elektrisch sowie strömungstechnisch hintereinander schaltbar sind (Fig. 6).

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellheizelement (10) eine höhere Außentemperatur aufweist, als das Dauerheizelement (11).

5. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dauerheizelement (11) eine größere Heizfläche aufweist, als das Schnellheizelement (10).

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (10, 11, 25 - 29) an einem Gehäuse (9) der Heizvorrichtung (3) angeordnet sind, welches an der Einspritzdüse (2) befestigt ist, und daß dieses Gehäuse (9) als Luftleitvorrichtung dient.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstoffstrahl in einer ihm zugeordneten öffnung des Gehäuses (9) eine Injektorwirkung für die Verbrennungsluft erzeugt, welche dadurch über Eingangsöffnungen (19) des Gehäuses (9) aus dem Brennraum (20) ansaugbar und den Kraftstoffstrahl begleitend wieder in den Brennraum (20) einblasbar ist.

8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente aus einem Trägerteil und einem Heizdraht bestehen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil aus keramischem Werkstoff (12, 13, 22) besteht.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht (25) wendeiförmig ausgebildet und in einer Wendelnut (24) des hülsenförmig ausgebildeten Trägerteils (22) angeordnet ist.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Heizelement aus einem Flachdraht (25) rechteckigen Querschnitts besteht, der in sich gewellt ist.

12. Einrichtung, nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellung je nach Einsatz unterschiedlich dicht ist (Fig. 3, 4, 5).

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht beim Schnellheizelement weniger tief im Trägerteil eingebettet und damit stärker dem Luftstrom ausgesetzt ist und weniger Wärme an das Trägerteil abgibt, als beim Dauerheizelement.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schnellheizelement über eine Bimetallschaltung steuerbar ist.

15. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Heizelemente über integrierte Halbleiter schaltbar ist.

16. Einrichtung nach Anspruch 1, mit einem keramischen Körper, insbesondere Stützkörper für ein metallisches Heizelement, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper (31, 40) aus elektrisch leitfähigem Material besteht und selbst ein Heizelement, vorzugsweise das Dauerheizelement für den konstanten Betriebseinsatz, bildet.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper (31, 40) aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstand), vorzugsweise aus SiC besteht.

18. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Heizelement (30, 55) aus einem Material mit positiven Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand), vorzugsweise aus einer Platinlegierung oder MoSi₂, besteht.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Heizelement (55) mindestens über Teile seiner Länge einen gut wärmeleitenden Kontakt mit dem keramischen Körper (40) hat.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Körper (40) eine zentrale Bohrung ( 45 ) für den Durchgang des Kraftstoffs hat und das metallische Heizelement (55) mit mehreren, an der Bohrungswand des Körpers (40) angeordneten Wendel abschnitten (56) versehen ist.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftleitvorrichtung die den einspritzenden Kraftstoff begleitende Strömung der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in die zentrale Bohrung (45) des keramischen Körpers (40) über dessen Außenmantel leitet und daß die die Wendelabschnitte (56) verbindenden Leitungsabschnitte

(57, 58, 59) des metallischen Heizelementes (55) über den Außenmantel bzw. durch vom Außenmantel ausgehende Vertiefungen (42) des keramischen Körpers (40) geführt sind.

22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die die Wendelabschnitte (56) verbindenden Leitungsabschnitte (57, 58, 59) des metallischen Heizelementes (55) ebenfalls als Wendeln ausgebildet sind, welche in radial vom Mantelumfang des keramischen Körpers (40) ausgehende, bis nahe an dessen zentrale Bohrungswand (45) reichende Schlitze (42) passend eingefügt sind.