Beschreibung

Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil und Einspritzventil

Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil und ein Einspritzventil.

Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen zu senken. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufberei- tung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine.

Die US 2001/0040187 Al offenbart ein Verfahren zum Heizen von Kraftstoff, bei dem ein Injektor mit einem internen Heizgerät und einer dazugehörigen Ventilnadel bereitgestellt wird.

Kraftstoff für den Injektor wird bereitgestellt, Kraftstoff wird durch mindestens ein Strömungsverteilungselement geführt und aufgeheizt.

Die US 5,758,826 offenbart ein internes Heizgerät für einen Kraftstoffinj ektor, mit einem Feld mit Platten aus einem Material mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) , die in Form eines quadratischen Rohrs um ein Ventilelement herum angeordnet und von einer wärmeisolierenden Hülse umgeben sind.

Die DE 100 45 753 Al offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wobei wenigstens einem Brennraum der Brennkraftmaschine aus wenigstens einem Einspritzventil Kraftstoff zugeführt wird. Der Kraftstoff wird vor dem Einspritzen in den wenigstens einen Brennraum erhitzt .

Die DE 198 35 864 Al offenbart eine Vorrichtung zur Erwärmung fließfähiger Stoffe. Diese enthält einen zur Aufnahme beziehungsweise Leitung des zu erwärmenden Stoffs vorgesehenen Behälter oder ein entsprechendes Rohr sowie ein beheizbares Wärmeübertragungselement, das im Behälter beziehungsweise

Rohr angeordnet ist und bevorzugt aus Stahlwolle, Metallspänen oder Streckmetall besteht.

Die DE 22 10 250 offenbart eine Kraftstoffeinspritzvorrich- tung, insbesondere für fremd gezündete Brennkraftmaschinen mit direkt vor der Einspritzstelle erfolgender, durch die die Gemischbildung beeinflussenden Motortemperaturen steuerbare Erwärmung des Kraftstoffs mittels eines elektrisches Heizelements .

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Einspritzventil zu schaffen, die einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglichen.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen

Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil, mit einem Düsenkörper, der eine sich in Richtung einer Längsachse erstreckende Düsenkörperausnehmung aufweist, die mit einer Fluidzuführung hydraulisch koppelbar ist, einer in der Düsenkörperausnehmung axial beweglich angeordneten Düsennadel, die in einer Schließposition einen Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzöffnung verhindert und ansonsten den Fluidfluss frei gibt, und einem induktiv erwärmbaren Heizelement, das zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel angeordnet ist, wobei das Heizelement wenigstens teilweise von dem Düsenkör- per und von der Düsennadel beabstandet ausgebildet ist, und eine dem Düsenkörper zugewandte Seite des Heizelements und eine der Düsennadel zugewandte Seite des Heizelements während des Betriebs des Einspritzventils von dem Fluid anströmbar

sind, und das Heizelement als eine zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel zickzackförmig gefaltete Bahn ausgebildet ist, die einen sich in axialer Richtung erstreckenden Hohlzy- linder bildet.

Dies hat den Vorteil, dass eine große Wärmeübergangsfläche zwischen Heizelement und Fluid bei zugleich geringem mittleren Abstand zwischen Heizelement und Fluid ermöglicht ist. Es kann so ein guter Wärmeübergang zwischen dem Heizelement und dem Fluid erreicht werden. Durch die Ausbildung des Heizelements als zickzackförmig gefaltete Bahn kann eine große Wärmeübergangsfläche zwischen Heizelement und Fluid realisiert werden .

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Heizelement ein poröses Material auf. Damit kann eine sehr große Oberfläche des Heizelements gegenüber dem Fluid und damit eine sehr große Wärmeübergangsfläche zwischen Heizelement und Fluid ausgebildet sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt das Heizelement an dem Düsenkörper an, und ist gegenüber dem Düsenkörper wenigstens in radialer Richtung zu der Längsachse fixiert. Damit kann eine einfache Festlegung des Heizelements in radialer Richtung realisiert werden.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Heizelement als Sinterkörper ausgebildet, mit Poren, die so angeordnet und ausgebildet sind, dass das Heizelement in axialer Richtung von dem Fluid durchströmbar ist. Dies hat den Vorteil, dass eine sehr große Wärmeübergangsfläche zwischen Heizelement und Fluid möglich ist. Damit ist es möglich, kleine äußere Abmessungen des Heizelements zu realisieren .

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Heizelement ein Material auf, das eine Curietempe-

ratur zwischen 100 ⁰ C und 200 ⁰ C hat. Es ist so eine eigensichere Ausbildung des Heizelements durch Begrenzung der Temperatur des Heizelements und damit des durch dieses strömenden Fluids möglich. Eine externe Regelung des Heizelements kann somit entfallen.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Heizelement ein Material auf, das eine Curietemperatur von etwa 120 ⁰ C hat. Damit liegt die Curie- Temperatur des Heizelements im Bereich einer typischen Verdampfungstemperatur eines als Kraftstoff ausgebildeten Fluids bei zugleich eigensicherer Ausbildung des Heizelements. Ist das Fluid insbesondere Ethanol, das unter einem Druck von 5 bis 6 bar eine Verdampfungstemperatur von 120 ⁰ C hat, so kann dieses sicher verdampfen.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Heizelement Titanoxid auf. Titanoxid hat eine Curietemperatur von 120 ⁰ C. Es ist so möglich, die Tem- peratur des Heizelements und damit die Temperatur des durch dieses strömende Fluid auf eine Temperatur von 120 ⁰ C zu begrenzen .

Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil, mit einem Düsenkörper, der eine sich in Richtung einer Längsachse erstreckende Düsenkörperausnehmung aufweist, die mit einer Fluidzuführung hydraulisch koppelbar ist, einer in der Düsenkörperausnehmung axial beweglich angeordneten Düsennadel, die in einer Schließposition einen Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzöffnung verhindert und ansonsten den Fluidfluss frei gibt, und einem induktiv erwärmbaren Heizelement, das zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel angeordnet ist, wobei das Heizelement ein poröses Material aufweist, und wäh- rend des Betriebs des Einspritzventils in axialer Richtung von dem Fluid durchströmbar ist.

Die vorteilhaften Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung korrespondieren zu denjenigen des ersten Aspekts der Erfindung.

Der Vorteil einer derartigen Düsenbaugruppe besteht darin, dass eine sehr große Wärmeübergangsfläche zwischen Heizelement und Fluid möglich ist. Damit können kleine äußere Abmessungen des Heizelements realisiert werden.

Gemäß eines dritten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil mit einem Aktuator und einer Düsenbaugruppe, wobei der Aktuator und die Düsenbaugruppe miteinander verbunden sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe,

Figur 2 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform der Düsenbaugruppe in einem Querschnitt entlang der Linie II-II' der Figur 1,

Figur 3 eine weitere Detailansicht der ersten Ausführungsform der Düsenbaugruppe in perspektivischer Ansicht,

Figur 4 eine Detailansicht einer zweiten Ausführungsform der Düsenbaugruppe in einem Querschnitt.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Ein Einspritzventil 62 (Figur 1), das insbesondere dafür vorgesehen ist, Kraftstoff in eine Verbrennungsmaschine einzu-

spritzen, umfasst ein Fluideinlassrohr 2, einen Aktuator 40 und eine Düsenbaugruppe 60.

Die Düsenbaugruppe 60 hat einen Düsenkörper 4 mit einer Längsachse L und einer Düsenkörperausnehmung 8. Der Düsenkörper 4 kann einstückig oder mehrstückig ausgeführt sein. In der Düsenkörperausnehmung 8 ist eine einteilige oder mehrteilige Düsennadel 10 angeordnet. In der Düsenkörperausnehmung 8 ist zwischen dem Düsenkörper 4 und der Düsennadel 10 weiter ein Heizelement 42 angeordnet, das magnetisch und induktiv erwärmbar ist. Außerdem ist in der Düsenkörperausnehmung 8 ein Teil eines Injektorkörpers 12 angeordnet.

Das Einspritzventil 62 ist über das Fluideinlassrohr 2 mit einem nicht dargestellten Druckkreis eines Fluids verbunden. In dem Fluideinlassrohr 2 ist eine Ausnehmung 16, die sich bis zu einer Ausnehmung 18 des Injektorkörpers 12 erstreckt. In der Ausnehmung 16 des Fluideinlassrohres 2 und/oder der Ausnehmung 18 des Injektorkörpers 12 ist eine Feder 14 ange- ordnet. Die Feder 14 stützt sich einerseits vorzugsweise auf einer Scheibe 20 ab, die mechanisch mit dem Injektorkörper 12 gekoppelt ist. Der Injektorkörper 12 ist wiederum mechanisch fest mit der Düsennadel 10 gekoppelt, so dass die Feder 14 mechanisch mit der Nadel 10 gekoppelt ist. In der Ausnehmung 16 des Fluideinlassrohres 2 ist eine Rohrhülse 22 angeordnet, die einen weiteren Sitz für die Feder 14 bildet.

Die Rohrhülse 22 ist so positioniert, dass die Feder 14 so vorgespannt ist, dass die Düsennadel 10 eine dieser zugeord- nete Schließposition auf einem Sitzkörper 26 einnimmt, in der sie den Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung 24 verhindert. Anstelle einer Einspritzöffnung 24 können auch mehrere Einspritzöffnungen in dem Sitzkörper 26 ausgebildet sein. Die Einspritzöffnung 24 ist vorzugsweise ein Einspritzloch.

Der Sitzkörper 26 kann einstückig mit dem Düsenkörper 4 ausgebildet sein, Sitzkörper 26 und Düsenkörper 4 können jedoch auch als separate Teile ausgeführt sein. Weiterhin weist die

Düsenbaugruppe 60 eine Zwischenplatte 28 zur Führung der Düsennadel 10 und eine Drallscheibe 30 zur Verteilung des Fluids auf.

Um einen Teil des Düsenkörpers 4 ist eine Spuleneinheit 32 angeordnet, die mit dem induktiv erwärmbaren Heizelement 42 zusammenwirkt und deren Funktion weiter unten erläutert wird.

Der Aktuator 40 des Einspritzventils 62 ist bevorzugt eine elektromagnetische Einheit mit einer in einem Aktuatorgehäuse 34 angeordneten Spule 36. Das Aktuatorgehäuse 34 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildet. An den Aktuator 40 kann über eine Anschlussbuchse 38 eine elektrische Spannung angelegt werden. Teile des Düsenkörpers 4, der Injektorkörper 12 und das Fluideinlassrohr 2 bilden einen elektromagnetischen

Kreis. Der Aktuator 40 kann alternativ auch ein Festkörperak- tuator, insbesondere ein piezoelektrischer Aktuator sein.

In den Figuren 2 und 3 ist ein Querschnitt beziehungsweise eine perspektivische Ansicht eines Teils der Düsenbaugruppe

62 gezeigt. Das zwischen dem Düsenkörper 4 und der Düsennadel 10 angeordnete induktiv erwärmbare Heizelement 42 ist als Bahn ausgebildet, die zickzackförmig zwischen dem Düsenkörper 4 und der Düsennadel 10 gefaltet ist. Auf diese Weise ist ein sich in axialer Richtung erstreckender Hohlzylinder ausgebildet. Mindestens eine dem Düsenkörper 4 zugewandte Seite 44 des Heizelements 42 ist von einer Innenwand 50 des Düsenkörpers 4 beabstandet. Ebenso ist mindestens eine der Düsennadel 10 zugewandte Seite 46 des Heizelements 42 von einer Außen- wand 48 der Düsennadel 10 beabstandet. Das Heizelement 42 hat außerdem Wandabschnitte 47, die an der Innenwand 50 des Düsenkörpers 4 anliegen. Sie sind bevorzugt so angeordnet sind, dass sie über den Umfang der Innenwand des Düsenkörpers 4 gleichmäßig verteilt sind. Damit ist das Heizelement 42 ge- genüber dem Düsenkörper 4 in radialer Richtung zu der Längsachse L in besonders einfacher Weise festgelegt.

Durch die zickzackförmige Faltung des Heizelements 42 steht eine große Wärmeübergangsfläche zwischen dem induktiv erwärmbaren Heizelement 42 und dem in der Düsenkörperausnehmung 8 befindlichen Fluid zur Verfügung. Des Weiteren ist der mitt- lere Abstand zwischen dem Heizelement 42 und dem Fluid in der Düsenkörperausnehmung 8 klein. Damit kann ein kleiner thermischer Widerstand und eine kleine thermische Zeitkonstante erreicht werden. In Verbindung mit einer relativ langen Verweildauer des Kraftstoffs an den Seiten 44, 46 des Heizele- ments 42 ist so ein guter Wert für den dynamischen Wärmeübergang erreichbar.

In Figur 4 ist ein Querschnitt durch die Düsenbaugruppe 60 analog zu dem Querschnitt der Figur 2 gezeigt. Zwischen dem Düsenkörper 4 und der Düsennadel 10 ist in der Düsenkörperausnehmung 8 ein Heizelement 142 angeordnet, das ein poröses Material aufweist und vorzugsweise als Sinterkörper ausgebildet ist. Das Heizelement 142 ist vorzugsweise von der Düsennadel 10 beabstandet, um eine reibungsfreie Bewegung der Dü- sennadel 10 in der Düsenkörperausnehmung 8 gewährleisten zu können. Das als Sinterkörper ausgebildete Heizelement 142 hat eine Vielzahl miteinander verbundene Stege 152 sowie Poren 154.

Die Poren 154 sind zwischen den Stegen 152 angeordnet. Einige der Poren 154 bilden dem Düsenkörper 4 oder der Düsennadel 10 gegenüberliegende Bereiche des Heizelements 142 aus. Die Poren 154 sind so ausgebildet, dass das Heizelement 142 in axialer Richtung von dem Fluid durchströmt werden kann. Die Sei- ten 44 der dem Düsenkörper 4 gegenüberliegenden Poren 154 des Heizelements 42 sind von der Innenwand 50 des Düsenkörpers 4 beabstandet. Entsprechend weisen die Seiten 46 der Poren 154, die der Düsennadel 10 gegenüberliegen, einen Abstand von der Außenwand 48 der Düsennadel 10 auf.

Durch die Vielzahl der Stege 152 ist eine sehr große Wärmeübergangsfläche zwischen dem Heizelement 142 und dem Fluid in der Düsenkörperausnehmung 8 erreichbar. Zugleich wird ein

sehr kleiner mittlerer Abstand zwischen dem Fluid und den Stegen 152 erreicht. Damit sind ein sehr kleiner thermischer Widerstand und eine sehr kleine thermische Zeitkonstante erreichbar. Demzufolge kann das Verhältnis von Verweildauer des Fluids zu thermischer Zeitkonstante einen so großen Wert erreichen, dass die gewünschte Fluidtemperatur im konkreten Anwendungsfall weitgehend unabhängig vom Fluidmassenstrom ist. Alternativ kann aufgrund des erreichten Verhältnisses von Verweildauer zu thermischer Zeitkonstante auch das Heizele- ment 142 klein ausgebildet werden, so dass es in einem beengtem Bauraum eingesetzt werden kann und damit Kosten eingespart werden können.

In einer alternativen Ausführungsform kann das induktiv er- wärmbare Heizelement 142 derart ausgebildet sein, dass das

Heizelement 142 in Richtung zu der Düsennadel 10 eine durchgehend geschlossene Innenwand und/oder in Richtung zu dem Düsenkörper 12 eine durchgehend geschlossene Außenwand hat. Durchgehend geschlossen bedeutet hierbei, dass die Innenwand bzw. die Außenwand jeweils nicht von Poren 154 durchbrochen ist .

Im Folgenden soll die Funktionsweise des Einspritzventils dargestellt werden:

In der Schließstellung wird die Düsennadel 10 mittels der Feder 14 gegen die Einspritzöffnung 24 gedrückt und ein FIu- idfluss durch die Einspritzöffnung 24 verhindert.

In einer Offenposition ist die Düsennadel 10 von dem Sitzkörper 26 beabstandet und Fluid kann von der Ausnehmung 16 des Fluideinlassrohrs 2 über die Ausnehmung 18 des Injektorkörpers 12 und die Düsenkörperausnehmung 8 zu der Einspritzöffnung 24 gelangen, wodurch ein Fluidfluss durch die Einspritz- öffnung 24 ermöglicht ist.

Ist die Temperatur des Fluids nicht ausreichend hoch, so kann mittels der Spuleneinheit 32 ein Magnetfeld aufgebaut werden,

das in dem Heizelement 42, 142 eine induktive Erwärmung bewirkt. Das Heizelement 42, 142 wird so lange erwärmt, bis das Material des Heizelements 42, 142 bei überschreiten seiner Curie-Temperatur seine magnetischen Eigenschaften verliert. Damit wird eine weitere Induktion in dem Heizelement 42, 142 und in Folge dessen die weitere Erwärmung über die Curie- Temperatur des Materials, aus dem das Heizelement 42, 142 besteht, verhindert.

Wird das induktiv erwärmbare Heizelement 42, 142 von weiterem Fluid durchströmt beziehungsweise umströmt, und unterschreitet die Temperatur des induktiv erwärmbaren Heizelements 42, 142 in der Folge wieder die Curie-Temperatur des Materials, aus dem das Heizelement 42, 142 besteht, so kann mittels des Magnetfelds der Spuleneinheit 32 erneut eine Induktion in dem Heizelement 42, 142 einsetzen und in Folge dessen eine erneute Erwärmung des Heizelements 42, 142 stattfinden. Damit ist eine eigensichere Ausbildung des Heizelements 42, 142 durch eine Begrenzung der Temperatur des Heizelements 142, 42 auf dessen Curie-Temperatur und in Folge dessen eine Begrenzung der Temperatur des durch das Heizelements 42, 142 strömenden Fluids möglich. Eine externe Regelung des Heizelements 42, 142 mit einem dazugehörigen Temperatursensor und Regelkreis kann damit entfallen.

Weist das Heizelement 42, 142 ein Material mit einer Curie- Temperatur zwischen 100 und 200 ⁰ C auf, so kann das Fluid eigensicher auf eine Temperatur zwischen 100 und 200 ⁰ C erwärmt werden. Für den Fall, dass das Fluid ein Kraftstoff für eine Brennkraftmaschine ist, kann durch geeignete Wahl des Materials des Heizelements 42, 142 eine ausreichend hohe Verdampfungstemperatur des Kraftstoffs erreicht werden, ohne dass eine zu starke Erhitzung des Kraftstoffs befürchtet werden müsste .

Hat das Heizelement 42, 142 ein Material mit einer Curie- Temperatur von ungefähr 120 ⁰ C, so kann Ethanol als Fluid für eine Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Ethanol hat bei

einem Arbeitsdruck von 5 bis 6 bar eine Verdampfungstemperatur von 120° C. Mit dem Einsatz eines Materials mit einer Curie-Temperatur von ungefähr 120 ⁰ C für das Heizelement 42, 142 ist so, ohne Einbußen an Sicherheit, eine zuverlässige Verdampfung von Ethanol erreichbar.

Besteht das Heizelement 42, 142 aus Titanoxid, das eine Curie-Temperatur von ungefähr 120 ⁰ C hat, so kann die Temperatur des durch das Heizelement 42, 142 strömenden Fluids in einfacher Weise auf 120 ⁰ C begrenzt werden. Damit ist mit dem Einsatz von Titanoxid zum einen die thermische Eigensicherheit des Heizelements 42, 142 für das Fluid gegeben, zum anderen ist eine zuverlässige Verdampfung eines Fluids wie E- thanol erreichbar.