Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von der Einrichtung zur Kraftstoff¬ einspritzung in Brennräume nach der Gattung des Hauptan¬ spruchs. Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (FR PS 1 382 697) wird, der Kraftstoff kurz vor bzw. nach der Einspritzung durch eine röhrchenför ige Heizvorrichtung geleitet, um dadurch eine die Zündung erleichternde Tem¬ peratur zu erhalten. Nachteilig an dieser bekannten Vor¬ richtung ist einerseits, dafl eine Aufheizung des Kraft¬ stoffs erfolgt, bevor er mit der Verbrennungsluft zu¬ sammentrifft, und andererseits, daß mit nur einem Heizele¬ ment die nahezu divergierenden Forderungen von Kalt¬ startaufheizung und konstanter Betriebsheizung erfüll¬ bar sein müssen. Bei der reinen Kraftsotffaufheizung darf die Auf eiztemperatur 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 Ver¬ fügungstehens von Verbrennungsluft Verkokungen zu er¬ halten, die zu einer Veränderung der Spritzöffnung führen können, mit in jedem Fall außerordentlich nach¬ teiligen Wirkungen auf den Verbrennungsablauf im Brenn¬ raum. Die einzuspritzende Kraftstoffmenge hängt von Druck und Querschnitt ab und ist einer bestimmten Ver- brennungsluftmenge im Brennraum zugemessen. Sobald auf¬ grund von Querschnittsänderungen des Spritzlochs sich auch Änderungen im vorbestimmten Kraftstoff-Luftverhält¬ nis ergeben, wirkt sich dieses unmittelbar auf die Ver¬ brennungsqualität 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 weni¬ ger pro Volumeneinheit zur Verfügung stehende Wärmeein¬ heiten beim aufgeheizten u.damit ausgedehnten Kraft¬ stoff 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 gas¬ förmige übergeht. Dieses hat somit zur Folge, daß die eingespritzte - eingeblasene - Kraftstoffmenge bezüg¬ lich der Wärmeeinheiten nicht der zugewiesenen Luft¬ menge entspricht und wiederum der obengenannte Nach¬ teil des entweder zu fetten oder zu mageren Kraftstoff- luftgeraisches die Folge ist.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anlage besteht darin, daß warmer Kraftstoff in kalte Luft gespritzt

OMPI -

wird, was bezüglich der Homogenisierung eines Kraft¬ stoffluftgemisches wesentlich schlechter ist, als wenn kalter Kraftstoff in warme Luft gespritzt wird. In letzterem Fall wird der Kraftsotff aufgrund der Auf¬ wärmung vergast und kann sich innig mit der Luft ver¬ binden. Im ersteren Fall hingegen werden die möglicher¬ weise vorvergasten Kraftstoffteile wieder kondensiert und durch Flüssigkeitsadhäsion zusammengezogen, verlie¬ ren dabei ihre Wucht und dringen nicht mehr tief in den Brennraum hinein. Als Folge verschlechtert sich die Ge¬ mischbildung, 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 Brennkraft¬ maschine wird das Kraftstoffluftgemisch in einem be¬ stimmten Verhältnis eingestellt, wobei dieses Verhältnis bei dieser bekannten Anlage je nach Grad und Dauer der Au eizung verfälscht wird. Der andere wesentliche Nach¬ teil dieser bekannten Anlage besteht darin, daß einer¬ seits 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 Heizvorriσhtung eine hohe Leistung und verhältnismässig große Heizflächen aufweisen. Völlig an¬ ders ist die Forderung, die ebenfalls an eine derartige Heizvorrichtung gestellt wird, wenn sie zudem im Dauer¬ betrieb die Verbrennung verbessern soll. Dieses kann bei¬ spielsweise bei sehr niedrigen Außentemperaturen erfor¬ derlich 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 mög¬ lichst geringer Leistung auskommen und eine wärmespeichern¬ de Wirkung haben. Die Forderung an eine möglichst geringe Leistungsaufnahme beruht in erster Linie auf dem Ener¬ gieverbrauch und in zweiter Linie auch auf der energie¬ abhängigen Abnutzung. Der Wunsch nach einer Speicherwir¬ kung ist besonders bei Brennkraftmaschinen wünschenswert, bei denen der Kraftstoff intermittierend eingespritzt wird und dadurch die Wärmeabnahme ebenfalls intermit¬ tierend, 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 Brenn¬ raum eingebaut sind. Sie schaffen im Bereich ihrer Spitze günstige Bedingungen für die Erwärmung, Verdampfung und Zündung einer Teilmenge des Kraftstof es, die dann den gesamten Kraftstoffstrahl zündet.

Die Glühkerzen und -stifte sind jedoch besondere Teile, deren Einbau in Brennräume einen Eingriff in die empfind¬ lichen Strömungsverhältnisse bedeutet. Der durch die Ener¬ gieknappheit verstärkte Trend zu Alternativ-Kraftstoffen, wie Alkohole und Pflanzenöle, bringt weitere Erschwer¬ nisse 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 Kraftstoff¬ einspritzdüse eine Mischkamraer mit einem Zündorgan nach¬ geschaltet ist, in welcher die Verbrennung eingeleitet wird und deren Kammerwände beheizt werden. Die Misch¬ kammer 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 Motor¬ verhältnisse abgestimmt werden muß, tritt auch hier der Nachteil auf, daß aufgrund der eingeschränkten Verhält¬ nisse entweder eine Kaltstartaufheizung oder eine Dauer¬ heizung möglich ist. Außerdem sind bei dieser Lösung die Ein- und Ausströmverluste leistύngsmindernd.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße. Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie mit sehr einfachen Mitteln ermöglicht, eine Start¬ aufheizung und/oder- eine Dauerheizung zu erhalten. Außer den in der Wirkung unterschiedlichen mindestens zwei Heiz¬ elementen ist für diese Lösung wichtig, daß im wesent¬ lichen die Verbrennungsluft aufgeheizt wird, die den ein¬ spritzenden Kraftstoff als Strömung begleitet. Hierdurch ist es möglich, daß die heiße Verbrennungsluft aufgrund der wesentlich geringeren Strömungsgeschwindigkeit als des KraftstoffStrahls den Kraftstoff durch auseinander¬ reißen des Strahls aufgrund physikalischer Widerstands¬ wirkungen einerseits und thermischer Expansion anderer¬ seits intensiv und weitgehend homogen mit der Verbren¬ nungsluft 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 Kraft¬ stoffStrahls mit 5 bis 2o % der Vollastmenge teilnimmt. Der Heizenergieaufwand wird dadurch erheblich verkleinert.

Zudem werden all die oben genannten Nachteile der Auf¬ heizung des Kraftstoffes vor Austritt aus der Spritz¬ öffnung vermieden, die es nahezu unmöglich machen, eine wechselnden Belastungen unterliegende Verbrennung optimal einzustellen. Die Verwendung von Heizelementen unter¬ schiedlicher Wirkung hat den Vorteil, daß mindestens ein Heizelement für die Startleistung, d. h. hohe Wärmeabgabe in kurzer Zeit, und ein anderes Heizelement für Dauer¬ betrieb, d. h. geringere Leistung über lange Zeit kombinier¬ bar 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 Verbrennungs¬ luf eine entsprechend, ausreichende Heizfläche be¬ streicht. 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 Heiz¬ fläche kontinuierlich in Betrieb bleibt.

Für die unterschiedliche Wirksamkeit kann erfindungsge¬ mäß jedoch auch eine unterschiedliche Heiztemperatur ge¬ nügen, nämlich eine bei beispielsweise gleich großen

Flächen vorgesehene Glühtemperatur für die Kaltstart¬ heizung und eine niedrigere Temperatur für die Dauer¬ heizung. 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 zu- und 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 Schnellheiz¬ element angeordnet werden.

Hierbei ist es auch denkbar, daß eines der Schnellheiz¬ elemente für normalen Kaltstart verwendet wird, hinge¬ gen beide, wenn es besonders kalt ist oder sonstige Startschwierigkeiten hinzukommen.So ist es auch denkbar, daß ein Teil der Heizelemente dem Verbrennungsluftström 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 Ver¬ fügung stehenden und von der Verbrennungsluft bestreich¬ baren 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 hin¬ tereinander geschaltet sein, oder es können unter¬ schiedliche Elemente, wie Heizleiter und Wendel, nach- eiander der Verbrennungsluft ausgesetzt sein.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können mehrere Heizelemente elektrisch sowie strömungs¬ technisch hintereinander schaltbar sein. Durch ent¬ sprechende Gestaltung der Wärme abgebenden Flächen so¬ wie der Schaltelemente kann auch bei einer Hinterein¬ anderschaltung (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 Metall¬ schicht 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 Keramikkδrper abgegeben wird, welcher aufgrund der ihm eingegebenen th.ermiscb.en Speicherkapazität in ausgleitender Wirkung die Wärme zum Teil in den Spritzzeiten an das Heizelement zu¬ rückgibt .

Bei Einrichtungen, deren Glühvorsatz einen keramischen Stützkδrper hat, ergibt sich eine einfache Ausführung, wenn der Stützkörper aus elektrisch leitfähigem Keramik¬ material besteht und selbst ein Heizelement, vorzugs¬ weise das Dauerheizelement für den konstanten Betriebs¬ einsatz, bildet.

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

Der keramische Stützkδrper kann vorzugsweise aus einem Keramikmaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten (.ITC-Widerstand), vorzugsweise aus SiC, bestehen. Bei entsprechender Abstimmung mit dem metallischen Heiz¬ element könnte der keramische Stützkörper jedoch auch aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand) , z.B. MOSi-, bestehen. Die angegebenen Materialien sind besonders thermoschockbeständig und so¬ wohl in reduzierender wie in oxidierender Atmosphäre bis zu hohen Temperaturen (SiC bi3 ca. 1150 C, MoSi _? bis ca. 1300°C) einsetzbar.

Das metallische Heizelement kann gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung aus einem Material mit posi¬ tivem Temperaturkoeffizienten (PCT-Widerstand) , vor- /"^O E

OMPI fa

zugsveise aus einer Platinlegierung, bestehen. Ein der¬ artiges Heizelement kann mit ^' dem keramischen Glühkδrper als zweites Heizelement zu einem schnellansprechenden Dauerglühelement kombiniert werden. Das metallische Heiz¬ element glüht beim Vorglühen und Starten der Brennkraft¬ maschine innerhalb kurzer Zeit auf, erbringt dabei die hohe Startleistung und heizt außerdem den keramischen Stützkδrper, bis dieser leitend wird und sich durch Eigen¬ stromaufnahme selbst weiter erwärmt. Dabei geht die Strombelastung des als PCT-Widerstand ausgebildeten metallischen Heizelementes wieder auf geringere Werte zu¬ rück, so daß auch ein Dauerbetrieb des metallischen Heiz¬ elementes ohne Schaden möglich ist. Das aufeinanderfolgende Wirksamwerden der beiden Heizelemente wird ohne zusätzliche Schaltmittel erreicht und der als Glühkörper mit Ξigen- heizung 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 Stützkδrper kann gezielt beeinflußt werden, wenn das metallische Heizelement mindestens über Teile seiner Länge einen gut wärmeleitenden Kontakt mit dem Stützkδrper hat.

Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, daß in der Startphase der Brennkraftmaschine die mit dem Stütz¬ kδrper 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

OMPI

- 1 1 -

metallischen Heizelementes können in diesem Fall in jenem Bereich des Glühvorsatzes angeordnet sein, in welchem sich die begleitende Verbrennungsluft bereits mit den Randzόnen des KraftstoffStrahls vermischt hat.

*

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

Bei dieser Anordnung ist neben einem sehr guten Wärme¬ übergang erreicht, daß der bzw. die an der Bohrungswand- des Stützkörpers angeordneten Wendelabschnitte des mechanischen Heizelementes zusätzlich für eine gute Verwirbelung bzw. Vermischung der begleitenden Ver¬ brennungsluft mit den Randzonen des KraftstoffStrahles sorgt.

Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausbildung ist vorgesehen, daß die Luftleitvorrichtung die den ein¬ spritzenden Kraftstoff begleitende 'Strömung der Ver¬ brennungsluft 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 aus¬ gehende Vertiefungen des Stützkörpers geführt sind. Dadurch wird die begleitende Verbrennungsluft schon vor ihrer Berührung bzw. Vermischung mit dem ein¬ spritzenden Kraftstoff gut vorgewärmt.

Bei einer solchen bevorzugten Ausführung ist es besonders vorteilhaft, wenn die die inneren Wendelabschnitte ver¬ bindenden Leitungsabschnitte des metallischen Heiz¬ elementes ebenfalls als Wendeln ausgebildet sind, welche in radial vom Mantelumfang des Stützkörpers aus¬ gehende, bis nahe an dessen zentrale Bohrungswand reichende Schlitze passend eingefügt sind.

Die Länge der in den Schlitzen des Stützkörpers ange¬ ordneten 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 be¬ findenden inneren Wendelabschnitte des metallischen Heiz¬ elementes beispielsweise innerhalb von 1 bis 2 Sekunden im Temperaturbereich von ca. 1200 bis 1^00 C auf. Die anderen, in den Schlitzen des Stützkörpers eingefügten Wendelabschnitte sind mit intensiverem Wärmeleitkont kt zum Stützkδrper wesentlich langsamer im Temperaturan¬ stieg. Der PTC-Effekt des metallischen Heizelementes führt nun dazu, daß die für die Startphase wichtige hohe Temperatur der dem Einsprit strahl zugewandten inneren Wendelabschnitte in dem Maß abnimmt, wie die Widerstandszunahme der langsamer sich aufheizenden Wendelabschnitte in den Schlitzen des Stützkörpers vor¬ ankommt. Dieser selbststeuernde Effekt bringt also die für die Startphase wichtige, hohe Heizelement¬ temperatur zurück auf einen Wert, der die Lebensdauer des metallischen Heizelementes nicht mehr beeinträchtigt. Gleichzeitig nimmt die Temperatur des Stü zkörpers, be¬ heizt durch das metallische Heizelement, weiter zu, bis sein Widerstand soweit abgesunken ist, daß der Stütz-

körper selbst, bei der angelegten Spannung, zum Heiz¬ leiter wird.

Für die Erfindung ist es unbeachtlich, ob es sich um eine Kraftstoff inspritzdüse mit nur einer Spritz¬ öffnung, 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 k 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 Heiz¬ widerstände parallel geschaltet sind. In Figur 9 ist das dritte und in ^' Figur 10 das vierte Ausführungs¬ beispiel, jeweils im Teilschnitt, dargestellt. Figur 11 zeigt eine Draufsicht auf den Glühkörper nach Figur 1o, und Figur 12 ist ein Schnitt durch den Stützkörper des Glühkδrpers nach Figur 11 ge¬ mäß Linie D-D in Figur 11.

- 1 U -

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in einen Motorblock 1 eine Kraftstoffeinspritz- düse 2 eingesetzt, an der eine Heizvorrichtung 3 angeordnet ist. Die Kraftstoffeinspritzdüse 2 weist einen Düsenkδrper h und eine darin arbeitende Ventilnadel 5 auf sowie eine Düsenspannmutter 6, mit der der Düsenkörper an einen nicht darge¬ stellten Düsenhalter gespannt ist und die mit ihrer ^" einen Stirnseite auf einen Distanzring 7 zwischen Motorgehäuse 1 und Kraftstof einspritzdüse 2 wirkt.

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

führen elektrische Leitungen 14, welche in einer Ein- fräsung IS der Düsenspannmutter 6 verlegt sind.

Ah einem Absatz 16 der Innenbohrung des Gehäuses 9 sind federnde Haltebleche 17 vorgesehen, mit denen einerseits die Heizelemente lo 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 Verbin¬ dung zum Schnellheizelement. Sobald eine ausreichende Umgebungstemperatur erreicht ist, öffnet der Bimetall¬ schalter und die Schnellheizstufe wird ausgeschaltet.

In dem Gehäuse 9 sind Radialöffnungen 19 vorgesehen, über die Verbrennungsluft aus der Brennkammer 2o 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 Verbren-, nungsluft über ^' die Radialöffnungen 19 an, so daß quasi eine Art Zirkulation der Verbrennungsluft aus Brennraum 2p wieder in Brennraum 2o erfolgt, wobei diese Verbren¬ nungsluft an den Heizelementen vorbeistreicht.

Aufgrund dieser Gestaltung ist mit einfachsten Mitteln eine Mehrstufenheizvorrichtung erreichbar.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbei¬ spiel ist der Aufbau von Kraftstoffeinspritzdüse 2 und Heizvorrichtung 3 grundsätzlich so wie beim ersten Aus- führungsbeispiel. Im Unterschied zu diesem ist das im Gehäuse 9 der Heizvorrichtung angeordnete Keramikteil

OMPI fa. IPO

als Buchse 22 ausgebildet, die über einen Federteller¬ ring 23 in ihrer Lage gehalten wird, und deren Innen¬ bohrung 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 ge¬ wellt, um die Oberfläche optimal zu vergrößern. In Strömungsrichtung sind in diser Buchse 22 drei Heiz¬ elemente hintereinander angeordnet. Wie in Fig. 3 dar¬ gestellt, ist gemäß dem Querschnitt A-A aus Fig. 2 die dem Düsenkörper am nächsten gelegene Wendel am dich¬ testen gewellt. Der Faltabstand der einzelnen Wellen ist sehr dicht, wobei ein nicht unerheblicher Teil des Heizelementes in der Nut 24 des Keramikteils 22 ver¬ schwindet. Es ragt somit nur ein verhältnismässig kleiner Teil in die Verbrennungsluftstrδmung, so daß auch nur eine verhältnismässig langsame Aufheizung er¬ folgt. Da andererseits ein wesentlicher Teil dieser Wen¬ del im Keramikbereich ruht, wird der Keramikbereich hier verhältnismässig stark aufgeheizt und hat eine wärme¬ speichernde Wirkung.

In Fig. 4 ist ein Schnitt gemäß der Linie B-B in Fig. 2 dargestellt, bei dem ein zweites Heizelement der Heiz¬ wendel gezeigt ist, das weniger stark gewellt- ist und weniger stark im Keramikbereich ruht. Während hier diese

-Stf l OMPI IPO

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 Unmit¬ telbarvergrößerung der Heizfläche. Mit diesem mittleren Heizelement ist auch ein entsprechendes mittleres Auf¬ heiztempo 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 Wendel¬ abschnitt ist für die Schnellaufheizung, also bei Kalt¬ start 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 Auf- heizwirkung zu erhalten, die Fläche für die Startaufhei¬ zung durch Verbreiterung des Bandes zu vergrößern.

In Fig. 6 ist ein Schaltschema dargestellt, wie es für das zweite Ausführungsbeispiel aussehen könnte. Die mit R, , R„, R_ 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. Auf¬ grund der Fixgestaltung der Heizelemente handelt es sich hier um grundsätzlich bereits festgelegte Proportionen der Heizelemente, deren- Gesamtleistung über den verstell¬ baren Widerstand änderbar ist.

Dem Diagramm in Fig. 7, bei dem die Temperatur (Ordinate) über der Zeit (Abszisse) aufgetragen ist, kann entnom¬ men werden, welche Wirkung die einzelnen Widerstände über der Zeit haben. Besonders der Widerstand R_ weist am An¬ fang eine sehr hohe Temperaturleistung auf, die dann zu¬ rückfällt auf einen mittleren Wert, wie ihn nach einiger

Zeit auch die anderen beiden Widerstände R_ B und RA_ er- reichen. Durch die konstruktive Gestaltung des Heizelements wird somit zu Beginn der Aufheizung eine starke Differenz¬ ierung in Richtung Schnellaufheizung durch den Widerstand C er reicht, bis nach einiger Zeit die Widerstandsleistungsabgabe aller drei Heizelemente etwa gleich ist.

In Fig. 8 ist ein Schaltschema gezeigt, bei.dem die Wider¬ stände R _A , K _Q und R _c parallel angeordnet sind, wobei die¬ sen jeweils in Reihe ein verstellbarer Widerstand D,, D- und D ₃ zugeordnet ist. Statt dessen kann auch eine Schal- -' tung 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 Heiz¬ vorrichtung 3 hat ein inneres metallisches Heizelement 30, welches aus einem Glühdraht gebildet ist, der sowohl mit dem Durchmesser d- um seine Längsachse als auch mit dem Durchmesser d_ um die Achse der Einspritzdüse gewendelt ist und aus einem Stoff mit einem positiven Temperatur¬ koeffizienten besteht. Der Materialdurchmesser des Glüh¬ drahts ist so auf die Wendeldurchmesser d.. und d _p abgestimmt , daß sich ein eigensteifes Gebilde ergibt, welches den im Betrieb auftretenden Verformungskräf en standhält.

Das Heizelement 30 ist mit geringem Spiel von einem ring¬ förmigen Stützkörper 31 umgeben, welcher aus elektrisch leitfähigem Keramikma erial mit negativem Temperaturkoeffi¬ zienten besteht und ein zweites Heizelement bildet. Der υ E

OMP

Stützkörper 31 ist dazu an einer Stelle seines U fangs 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 3-+ 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 6 schützt außerdem die Einspritzdüse gegen Infrarot¬ strahlung und deckt auch die Randausklinkungen 35 im Stützkörper 31 zur Einspritzdüse hin ab. Zwischen Stütz¬ körper 31 und dem nach innen gerichteten Rand des Ge¬ häuses 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 Stützkδrpers 31 sind mit dem als Masseanschluß dienenden Gehäuse 9 verbunden.

Bei Inbetriebnahme der 3rennkraftmaschine 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 ge¬ schadet. Auf diese Weise ist erreicht, daß der Glühvor¬ satz anfänglich eine hohe Heizleistung erbringt und da¬ nach auf eine mittlere Heizleistung absinkt, welche einer-

"SJ E

OMPI

Kraftstof strahl 38 saugt aus der Brennkammer entlang der Strδmungslinien 39 Verbrennungsluft an, die sich am keramischen Stützkδrper 31 außen bereits vorerwärmt und im Inneren des Stützkδrpers 31 in die Randzone des KraftstoffStrahls eindringt, wo sie sich intensiv mit den Kraftstofftrδpfchen der Randzone vermischt.

Die Ausführung nach den Figuren 10 bis 12 stimmt mit der Ausführung nach Figur 9 bis auf einen anders ausge¬ bildeten Glühvorsatz überein. Dieser hat einen ringförmigen keramischen Stützkörper O, der an einer Stelle einen radialen Trennschlitz -.1 hat. Der Stützkδrper -.0 ist ferner mit einer Vielzahl von gleichmäßig verteilten Längsschlitzen -.2 versehen, welche von seinem Mantel¬ umfang kh ausgehen und bis auf den Abstand a an seine zentrale Bohrung h- heranreichen. Die Längsschlitze 2 sind am oberen Stirnende des Stützkörpers kQ über eine achsiale Länge b bis in die zentrale Bohrung b-5 hinein vertieft, so daß sie dort je einen Durch¬ gang kβ zur Bohrung -.5 bilden. Am unteren Stirnende ist der Stützkörper 1+0 mit einer zentrischen Aus¬ nehmung k von der Tiefe c und dem Durchmesser e ver¬ sehen. Zwischen den Durchgängen kβ und der Ausnehmung ^" -"•T verbleibt ein Kernring k-Q , der nur durch den durch¬ gehenden Trennschlitz -4-1 unterbrochen ist.

Der Stützkδrper kO ist aus einem elektrisch leitendem Keramikma erial hergestellt, welches einen negativen Tem£eraturkoeffizienten hat und erst bei höheren Temperaturen eine merkliche elektrische Leitfähig¬ keit aufweist. Die den Trennschlitz k1 begrenzenden Flächen des Stützkörpers 1.0 sind mit örtlichen Ver-

itJ £4 OMPI

tiefungen 50 versehen, in deren Bereich je eine zum be¬ nachbarten Schlitz -.2 führende Nut 51 im Mantelumfang kk des Stützkörpers kQ ausmündet. Im Bereich der Ver¬ tiefungen 50 sind Kontaktelemente 52 angeordnet, welche den Stützkörper -.0 elektrisch leitend mit durch die Nuten 51 hindurchge ührten Anschlußdrähten 53 ver¬ binden.

Der Stützkörper kO ist auf seiner gesamten Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen, die in der Zeichnung nicht besonders dargestellt ist. Auf den Stützkδrper kQ ist ein metallisches Heiz¬ element 55 aufgewickelt , das aus einem Glühdraht mit positivem Temperaturkoeffizienten besteht. Das Heiz¬ element 55 hat eine der Anzahl der Schlitze 42 ent¬ sprechende Anzahl von inneren Wendelabschnitten 56, welche jeweils einem Schlitz k2 gegenüberliegend mit geringem Abstand an der Wand der Bohrung entlang laufen. Jedem inneren Wendelabschnitt 5 ist ein äußerer Wendelabschnitt 57 zugeordnet , welcher passend in den entsprechenden Schlitz k2 eingefügt ist und sich in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem Stützkörper kQ befindet.

Auf der der Einspritzdüse zugekehrten Seite sind die beiden sich radial gegenüberliegenden Wendelab- schnitte 56, 57 über einen im Durchgang kβ ange¬ ordneten gestreckten Glühdrahtabschnitt 58 ver¬ bunden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist je¬ weils ein äußerer Wendelabschnitt 57 mit einem in einer benachbarten Teilungsebene liegenden inneren Wendelabschnitt 56 über einen gestreckten Glühdrahtabschnitt 59 verbunden.

'ΦTRE

OMPI

P _fc , wϊi-o

Durch die beschriebene Ausbildung des Stützkδrpers 40 bildet dessen Kernring -.8 einen zu einem offenen Ring gebogenen Heizwiderstand, der über die An¬ schlußdrähte 53 parallel zum elektrischen Heiz¬ element 55 geschaltet ist. Durch die Längsschlitze 42 werden ferner thermische Verspannungen des Stüz- kδrpers 0 während des Betriebes weitgehend ver¬ mieden. Der Stützkörper kO ist vorzugsweise aus SiC hergestellt, während das Heizelement 55 aus einem Material mit PTC-Charakteristik, beispielsweise einer Platinlegierung oder MoSi- besteht. Die An¬ zahl der Längsschlitze 42 sowie die Schlitztiefe wird bestimmt vom Wendeldurchmesser und der unter¬ zubringenden Drahtlänge des Heizelementes 55, sowie von dem gewünschten Stützkörperwiderstand bei be¬ stimmter .Stützkörpertemperatur.

Während der Vorglüh- und Anlaßphase beim Starten der Brennkraftmaschine glühen die in der Bohrung 4 be¬ findlichen Wendelabschnitte 5β des Heizelementes 5'5 innerhalb von beispielsweise 1 bis 2 Sekunden im Temperaturbereich von 1200 bis 1400°C auf. Die Wendel¬ abschnitte 5 wirken so als Startwicklung, welche durch hohe Stromaufnahme den sehr raschen Temperaturanstieg aufweist. Die anderen, in den Längsschlitzen 42 ein¬ gefügten Wendelabschnitte 57 des Heizelementes 55 sind mit intensiverem Wärme-

i J Ϊ

OMPI

leitkontakt zum Stützkδrper 40 wesentlich langsamer im Temperaturanstieg und verbleiben länger im niederen Temperaturbereich. Dadurch wird der Startwicklungs¬ effekt der inneren Wendelabschnitte 6 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 k2 voran¬ kommt. 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. Gleich¬ zeitig 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 an¬ gelegten Spannung, Strom aufnimmt und zum Heizleiter wird. Dabei werden die eng mit df-*m 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 Warmlauf¬ phase 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 Verbrennungs¬ ablaufes in der Maschine eingeschaltet bleiben.

_ O raMPI

Auch bei dieser Ausführung wird die aus der Brenn¬ kammer durch den aus der Einspritzdüse ausgespritzten Kraftstoffstrahl angesaugte Verbrennungsluft über den Außenumfang und durch die Längsschlitze des Stütz¬ körpers 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 Stützkδrpers 40 die Windungen der äußeren Wendelabschnitte 57 u.U. kurz¬ geschlossen, wodurch dem PTC-Effekt des Heiz¬ elements 55 entgegengewirkt wird. Dieser PTC-Effekt kann jedoch au-f die übrigen Parameter so abgestimmt sein, daß er die- Kurschlußwirkung überwiegt und daß der gewünschte Geesamteffekt" doch eintritt.