Um den Kaltstart eines Dieselmotors zu ermöglichen, werden in vielen Fällen Glühstiftkerzen verwendet, die an einer bestimmten Stelle in den Verbrennungs- raum hineinragen. Dies hat sich jedoch im Laufe der technischen Entwicklung und bei der Erarbeitung von besseren Wirkungsgraden und geringeren Abgasemis- sionen als hinderlich herausgestellt, da die Glühstiftkerze die Strömung der Ver- brennungsgase im Verbrennungsraum erheblich stört.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Dieselkraftstoff-Vorheizung zu ermöglichen, ohne daß dafür eine störende Glühstiftkerze erforderlich ist.

Vorteile der Erfindung Eine Dieselkraftstoff-Einspritzdüse mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ermöglicht eine Vorheizung des einzuspritzenden Kraftstoffes unmittelbar vor dem Einspritzen. Durch die Widerstands-Heizschicht kann vor dem Start des Diesel- motors das Kraftstoffvolumen vorgeheizt werden, das sich bereits im Inneren der Einspritzdüse befindet. Dieses Kraftstoffvolumen reicht üblicherweise für etwa 3 Einspritzvorgänge aus. Unter der Voraussetzung, daß dieses Kraftstoffvolumen

auf etwa 400° C erwärmt wird, ermöglicht es auch bei tiefen Umgebungstempera- turen von beispielsweise-30°C zuverlässig einen Kaltstart des Dieselmotors. Das nach dem Start des Motors in die Einspritzdüse nachfließende Kraftstoffvolumen wird in gleicher Weise von der Heizschicht. erwärmt, wobei in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen entweder eine Vorheizung ebenfalls auf ei- nen Temperaturwert in der Größenordnung von 400°C vorgenommen werden kann oder aber eine Vorheizung auf eine geringere Temperatur ausreichend ist.

Durch den Verzicht auf die Glühstiftkerzen im Zylinderkopf verringert sich der technische Aufwand und der Bauraum im Zylinderkopf. Weiterhin führt der Weg- fall der Aufnahmelöcher für die Glühstiftkerzen zu einer Erhöhung der Stabilität und der Verwindungssteifigkeit des Zylinderkopfes.

Vorzugsweise besteht die Widerstands-Heizschicht aus Keramik. Auf diese Wei- se läßt sich eine elektrisch leitende,. hochtemperaturfähige Keramik-Heizschicht ausbilden, die auf einem elektrisch isolierenden Trägermaterial angeordnet wer- den kann. Beispielsweise faßt sich mit einer Keramik-Schicht auf SiN4-Basis, die mit MoSi2 dotiert wird, nahezu jede beliebige elektrische Eigenschaft erzielen (spezifischer Widerstand bei 20°C, Verhalten des Widerstandes über der Tempe- ratur, etc.). Mit einer solchen Keramik-Heizschicht läßt sich eine solche Heizlei- stung umsetzen, daß das in der Einspritzdüse vor dem Starten des Motors ruhen- de Kraftstoffvolumen innerhalb von rund 5 Sekunden auf eine Temperatur von etwa 400°C aufgeheizt werden kann.

Zeichnungen Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer. bevorzugten Ausführungsform be- schieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen : -Figur 1 eine erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzdüse in einem Längsschnitt ; -Figur 2a in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt Il von Figur 1 ;

-Figur 2b einen Schnitt entlang der Ebene li-ll von Figur 2a ; -Figur 3 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt III von Figur 1 ; -Figur 4a in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt IV von Figur 1 ; -Figur 4b in einer Ansicht entsprechend derjenigen von Figur 4a eine alternative Ausführungsform ; -Figur 5a in einer Ansicht entsprechend derjenigen von Figur 4a eine Variante der in Figur 4a dargestellten Ausführungsform ; -Figur 5b in einer Ansicht entsprechend derjenigen von Figur 5a eine Variante der in Figur 4b dargestellten Ausführungsform ; -Figur 6 in vergrößertem Maßstab den Ausschnitt V) von Figur 1 ; und -Figur 7 ein Diagramm von verschiedenen Kennwerten, die mit einer erfindungs- gemäßen Einspritzdüse erhalten werden.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels In Figur 1 ist eine Einspritzdüse gezeigt, die als die wesentlichsten Bestandteile einen Düsenkörper 10 und eine darin verschiebbar angeordnete Düsennadel 12 enthält. Der. Aufbau und die Funktionsweise einer solchen Einspritzdüse sind all- gemein bekannt, so daß hier darauf nur insoweit eingegangen wird, als es zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist.

Der einzuspritzende Kraftstoff wird über eine Zufuhrbohrung 14 im Düsenkörper 10 von der hinteren Seite der Einspritzdüse, also der vom Verbrennungsraum ab- gewandten Seite, zur vorderen Seite der Einspritzdüse, also der dem Verbren- nungsraum zugewandten Seite, geführt. Im vorderen Bereich des Düsenkörpers 10 ist ein Ringkanal 16 ausgebildet, der im Bereich einer vom vorderen Ende aus

betrachteten Querschnittserweiterung der Düsennadel 12 angeordnet ist. Ausge- hend von dem Ringkanal 16 strömt der einzuspritzende Kraftstoff entlang einem Spalt 18 mit ringförmigem Querschnitt zwischen der Düsennadel 12 und dem Dü- senkörper 10 hin zum vorderen Ende des Düsenkörpers 10, von wo aus er, wenn die Düsennadel von ihrem Sitz abgehoben ist, durch Spritz) öcher in den Verbren- nungsraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt werden kann.

Die Vorheizung des einzuspritzenden Kraftstoffes erfolgt mittels einer Wider- stands-Heizschicht 20, die bei der gezeigten Ausführungsform auf der Düsenna- dei 12 im wesentlichen im Bereich des Spaltes 18 angeordnet ist. Die Wider- stands-Heizschicht 20 wird mit Strom versorgt ausgehend von einem elektrischen Anschluß 22, der mit der Düsennadel 12 in elektrisch leitender Verbindung steht.

Mit der Düsennadel 12 ist die Widerstands-Heizschicht 20 im Bereich des vorde- ren Endes der Düsennadel verbunden. Die vom vorderen Ende der Düsennadel 12 abgewandte Seite der Widerstands-Heizschicht 20 ist über einen Kontaktring 24, der im Ringkanal 16 angeordnet ist, mit dem Düsenkörper 10 elektrisch lei- tend verbunden. Der Düsenkörper 10 stellt einen Masseanschluß dar, so daß kei- ne separate. Rückleitung erforderlich ist. Dieser Aufbau wird nachfolgend anhand der Figuren 2 bis 6 ausführlich erläutert.

Die Düsennadel 12 besteht aus einem Metallkern 26 und einer isolierenden Ke- ramikbeschichtung 28, deren Wärmeausdehnung an die Wärmeausdehnung des Metalikerns 26 der Düsennadel 12 abgestimmt ist. Auf die isolierende Keramikbe- schichtung 28 ist in dem Bereich der Düsennadel 12, der mit verringertem Quer- schnitt ausgeführt ist und sich ausgehend von dem Ringkanal 16 zur Spitze der Düsennadel hin erstreckt, die Widerstands-Heizschicht 20 aufgebracht. Für die Heizschicht 20 sind verschiedene Zusammensetzungen möglich. Die grundsätzli- chen Anforderungen bestehen darin, daß die Heizschicht für eine Wider- standsheizung geeignet ist und Temperaturen bis etwa 1000°C verträg. Ein Bei- spiel für eine mögliche Materialzusammensetzung basiert auf SiN4, das mit MoSi2 dotiert wird.

Die Heizschicht 20 ist im vorderen Bereich der Düsennadel 12 mit dem elektrisch leitenden Metallkern 26 dadurch verbunden, daß der Metallkern mit vier kreuzar- tig angeordneten Stegen 30 durch die isolierende Keramikbeschichtung 28 hin- durchtritt (siehe insbesondere Figur 2b). Am entgegengesetzten Ende ist die Heizschicht 20 mit einem Kontaktbereich 32 (siehe insbesondere Figur 3) aus- gebildet, der gegenüber der Schichtdicke in den übrigen Bereichen mit größerer Wandstärke ausgeführt ist. Die größere Wandstärke verringert den dort vorlie- genden Widerstand, so daß die Heizleistung in den übrigen Bereichen der Heiz- schicht 20 umgesetzt wird und der Kontaktbereich 32 sich allenfalls mäßig er- wärmt.

Die elektrische Verbindung vom Kontaktbereich 32 der Widerstands-Heizschicht 20 zum Düsenkörper 10, der das Massepotential darstellt, erfolgt mittels des Kontaktringes 24, der im Ringkanal 16 angeordnet ist. Der Kontaktring 24 (siehe insbesondere Figur 3) ist mit vorzugsweise drei Kontaktlaschen 34 versehen, die an ihrem freien Ende um nahezu 180° auf sich zurückgebogen sind, so daß eine Nase 36 gebildet ist. Somit ist am freien Ende der Kontaktlaschen 34 eine federn- de Bewegung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung möglich, so daß die Nasen 36 dem Öffnungshub und dem Schließhub der Düsennadel 12 von etwa 0, 25 mm folgen können, ohne daß eine Relativbewegung zwischen den Nasen 36 und dem Kontaktbereich 32 der Heizschicht 20 auftritt. Vorzugsweise ergibt sich eine Haftreibung, so daß ein vorzeitiger Verschleiß des Kontaktbereiches 32 ver- hindert ist. Um eine Verdrehung des Kontaktringes 24 im Ringkanal 16 zu verhin- dern, die dazu führen könnte, daß die Zufuhrbohrung 14 zum Ringkanal durch eine der Kontaktlaschen abgedeckt wird, ist der Kontaktring 24 mit einer Arretier- lasche 38 versehen, deren freies Ende in radialer Richtung nach außen abgebo- gen ist, so daß es in einen Fortsatz 40 der Zufuhrbohrung 14 eingreift.

Die Kontaktlaschen 34 und die Arretierlasche 38 sind miteinander durch eine Verbindungslasche 42 verbunden, die an der dem Spalt 18 zugewandten Seite des Ringkanals 16 angeordnet ist. Die Verbindungslasche 42 ist unmittelbar ne- ben der Arretierlasche 38 mit einem Schlitz 44 versehen. Der Schlitz ermöglicht es, den Kontaktring 24 mit einer Spannwirkung in den Ringkanal 16 einzusetzen.

Der Kontaktring 24 besteht aus einem federnden, elektrisch gut leitenden Material und kann aus einem Blech ausgestanzt werden. Als Material sind beispielsweise CuCrZr F49, CuNi2 Si F51 oder CuNi18Zn20 F58 geeignet. Diese Materialien sind bis zu einer Temperatur von 450°C beanspruchbar, ohne die R 0, 2-Grenze zu überschreiten. Der nach dem Ausstanzen geeignet vorgebogene Kontaktring 24 wird zur Montage so weit durch Zusammenschieben des Schlitzes 44 zusam- mengebogen, daß er durch den Spalt 18 ausgehend vom vorderen Ende des Dü- senkörpers 10 in den Ringkanal 16 eingeschoben werden kann. Dort wird der Kontaktring 24 wieder in seine Ausgangsstellung zurückfedern, und die Arretier- lasche 38 ragt zum Fortsatz 40 der Zufuhrbohrung 14 hin. Abschließend kann das freie Ende der Arretierlasche 38 mittels eines geeigneten Werkzeuges, das in die Zufuhrbohrung 14 eingeschoben wird, in seine endgültige Form abgebogen wer- den.

Durch die Anordnung des Schlitzes 44 in der Nähe der Arretierlasche 38 wird der von der Zufuhrbohrung 14 durch den Ringkanal 16 in den Spalt 18 einströmende Kraftstoff möglichst wenig gestört. Der Schlitz 44 führt aufgrund der von ihm her- vorgerufenen Vergrößerung des Strömungsquerschnittes auch zu einer günstigen Druckbeaufschlagung durch den strömenden Kraftstoff. Da sich in einer Strömung in den Bereichen, in denen der Strömungsquerschnitt größer ist, ein höherer sta- tischer Druck einstellt als in Bereichen mit kleinerem Strömungsquerschnitt, wirkt innerhalb des Schlitzes 44 auf die dortigen Stirnseiten der Verbindungslasche 42 ein etwas höherer statischer Druck als auf die übrigen Umfangsbereiche der Ver- bindungslasche. Somit wirken dort Druckkräfte in Umfangsrichtung, welche die Verbindungslasche 42 zusätzlich zu der sonst vorhandenen radialen Federkraft gegen die Wandung des Ringkanals 16 drücken.

Das freie, abgebogene Ende der Arretierlasche 38, das in den Fortsatz 40 der Zufuhrbohrung 14 eingreift, stützt sich an der Wandung des Fortsatzes 40 vor- zugsweise so ab, daß von dem freien Ende eine Rampe gebildet ist, die den von der Zufuhrbohrung 14 in den Ringkanal 16 einströmenden Kraftstoff geeignet umlenkt. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Kraftstoff-Strömung die Arre-

tierlasche 38 in das Innere des Ringkanals 16 hin ansaugt und dann auf der Rückseite der Arretierlasche 38 angreift, so daß diese verbogen oder gar zerstört werden kann.

Auch auf die Arretierlaschen 34 übt der im Ringkanal 16 strömende Kraftstoff Druckkräfte aus, die für den Betrieb günstig sind. Im Bereich der Nasen 36 ergibt sich eine relativ langsame Kraftstoffströmung, so daß dort der statische Druck größer ist als weiter unten im Ringkanal 16 zum Spalt 18 hin. Dadurch werden die Nasen 36 mit einer Druckkraft bezüglich Figur 3 von oben nach unten beauf- schlagt. Da die Nasen 36 radial weiter innen liegen als das mit der Verbindungs- lasche 42 verbundene Ende der Kontaktlaschen 34, ergibt sich eine Hebelwir- kung, so daß die Nasen 36 nach innen gegen den Kontaktbereich 32 beauf- schlagt werden.

Die elektrische Verbindung vom Anschluß 22 zum elektrisch leitenden Metallkern 26 der Düsennadel 12 erfolgt durch einen Anschlußleiter in der Form eines Ka- bei, 46, das mit dem hinteren Ende der Düsennadel 12 verbunden ist. Zu diesem Zweck ist am hinteren Ende der Düsennadel 12 im Metallkern 26 eine konische Aufnahme 48 (siehe insbesondere Figur 4a) nach Art einer Zentrierbohrung aus- gebildet.

Das Kabel 46 ist mit einem der Düsennadel 12 zugeordneten Anschlußende 50 versehen, das bei der in Figur 4a gezei. gten Ausführungsform als Konus ausge- bildet ist. Der Konus wird in die Aufnahme 48 von einem Federteller 52 gedrückt, an dem sich eine Rückstellfeder 54 für die Düsennadel abstützt. Der Federteller 52 besteht bei dieser Ausführungsform aus elektrisch isolierender Keramik, so daß der Metallkern 26 der Düsennadel gegenüber der Rückstellfeder 54 und dem Düsenkörper 10, an dem sich das andere Ende der Rückstellfeder abstützt, elek- trisch isoliert ist.

Das kegelförmige Anschlußende 50 ist so dimensioniert, daß die hohen Feder- kräfte der Rückstellfeder 54 es nach der Montage geringfügig plastisch verfor- men, der Federteller 52 jedoch unmittelbar an dem ihm zugeordneten Ende des

Metallkerns 26 der Düsennadel anliegt, so daß die Funktionskräfte der Rückstell- feder 54 nicht durch eine Änderung des Federweges verfälscht werden. Der bei der plastischen Verformung des konischen Anschlußendes 50 verbleibende ela- stische Spannungsrest im Anschlußende gewährleistet, daß das Anschlußende 50 während des Betriebes der Einspritzdüse stets einen guten metallischen Kon- takt mit der Aufnahme 48 beibehält, so daß der elektrische Kontakt vom Kabel 46 zur Heizschicht 20 gewährleistet ist.

In Figur 4b ist eine Variantezu der in Figur 4a gezeigten Ausführungsform dar- gestellt. Der einzige Unterschied besteht darin, daß das Anschlußende 50 hier als geschlitzter Ring ausgebildet ist, so daß sich ein größerer Federweg bei geringe- ren Federkräften ergibt.

In Figur 5a ist eine alternative Ausführungsform zu der in Figur 4a gezeigten Ge- staltung dargestellt. Der Federteller 52 besteht hier aus Kostengründen aus Stahl und ist entlang seiner Mittelöffnung mit einer Isolationshülse 56 aus elektrisch isolierender Keramik versehen. Die Isolationshülse 56 ist mit einem Absatz verse- hen, der an einer entsprechenden Schulter des Federtellers anliegt. Somit kann die Isolationshülse die erforderlichen Druckkräfte auf das Anschlußende 50 des Kabels 46 übertragen. Gleichzeitig ist die elektrische Isolation in diesem Bereich gewährieistet.

In Figur 5b ist die von Figur 5a bekannte Ausgestaltung des Federtellers in Kom- bination mit der von Figur 4b bekannten Ausgestaltung des Anschlußendes 50 des Kabels 46 dargestellt.

Das Kabel 46 verläuft ausgehend von seinem Anschlußende 50 nach oben zum elektrischen Anschluß 22 hin, wobei es so locker eingelegt ist, daß es dem Öff- nungshub und dem Schließhub der Düsennadel problemlos folgen kann. Im Be- reich des sich am Düsenkörper 10 abstützenden Endes der Rückstellfeder 54 sind eine Auflagescheibe 58 und eine Schutztülle 60 vorgesehen, die zur. mecha- nischen Schonung des Kabels 46 dienen. Zusätzlich könnte ein verdickter Schutzlack auf dem Kabel 46 vorgesehen sein, der ein Blankscheuern im Bereich

der Rückstellfeder 54 verhindern soil. Weiterhin könnte auf das Kabel 46 ein Schutzröhrchen oder ein Schrumpfschlauch aufgezogen werden. Aufgrund der in diesem Bereich der Einspritzdüse herrschenden Betriebstemperaturen sind als Materialien Kunststoff oder Gummi geeignet.

Nach dem Durchtritt durch die Schutztülle 60 ist das Kabel 46 rechtwinklig abge- bogen und tritt durch ein Dichtteil 62 hindurch. Das Dichtteil 62 kann beispiels- weise aus einem thermoplastischen Kunststoffmaterial bestehen und dient zur Abdichtung des Durchtritts des Kabels 46 zum Außenraum des Düsenkörpers 10 hin, da in diesem Bereich Leckage-Kraftstoff vorhanden ist. Das Dichtteil 62 ist- durch eine Spannschraube 64 so vorgespannt, daß die gewünschte Dichtigkeit erhalten wird. Außerhalb der Spannschraube 64 ist dann der elektrische Anschluß 22 angeordnet, der im Hinblick auf die erforderliche Kontaktierung des Kabels 46 geeignet ausgestaltet sein kann.

Abweichend von der in den Figuren gezeigten Ausgestaltung ist es grundsätzlich auch möglich, die Widerstands-Heizschicht im Bereich des Spaltes 18 auf der Innenwand des Düsenkörpers 10 auszubilden, um den einzuspritzenden Kraftstoff in diesem Bereich vorzuwärmen.

In Figur 7 ist ein Diagramm gezeigt, welches die Temperatur von verschiedenen Bauteilen der Einspritzdüsewährend des Vorheizens des Kraftstoffes sowie die dafür aufgewendete Leistung wiedergibt. Die gezeigten Kurven beruhen auf einer Simulation für eine Einspritzdüse, bei der die Widerstands-Heizschicht auf der Innenwand des Düsenkörpers 10 angeordnet ist. Unabhängig von den konkreten Werten lassen sich die folgenden allgemeinen Erkenntnisse gewinnen : Die Tem- peratur des sich im Spalt 18 befindenden Kraftstoffes steigt innerhalb einer Zeit- dauer von 5 Sekunden auf rund 400°C (siehe Kurve T18). Während dieser Zeit erwärmt sich die Heizschicht 20 auf eine Temperatur von etwas über 700°C (siehe Kurve T20). Dabei steigt die Temperatur der Düsennadel 12 nur geringfü- gig bis auf etwa 100°C an (siehe Kurve T12). Die dabei umgesetzte Leistung sinkt von einem Anfangswert von etwa 200 Watt innerhalb der ersten Sekunde auf un- ter 40 Watt ab ; anschließend fällt sie mit geringer Steigung weiter ab (siehe Kurve

P46 für die durch das Kabel 46 zugeführte Leistung sowie Kurve ! 46 für den im Kabel 46 fließenden Strom). Da die vom Kabel 46 übertragene Leistung innerhalb einer zehntel Sekunde auf etwa ein Drittel des Startwertes abfällt, kann mit ver- gleichsweise geringen Querschnitten gearbeitet werden.

Wenn die Heizschicht über einen längeren Zeitraum betrieben wird, würden sich nach einer Zeit von etwa 7 Sekunden Betriebsdauer Temperaturwerte ergeben, die unerwünscht sind. So würde die Düsennadel sich auf über 180°C erwärmen, der Kraftstoff würde eine Temperatur von über 450°C aufweisen, und die Heiz- schicht würde sich bis auf Temperaturen von über 950°C erwärmen. Somit ist ei- ne Temperaturregelung erforderlich. Diese könnte beispielsweise von einer Steu- erelektronik vorgenommen werden, die den fließenden elektrischen Strom als Temperaturmeßgröße heranzieht. Es ist auch ähnlich der Temperaturregelung bei einer Glühstiftkerze möglich, dem Gesamtwiderstand in einen reinen Heizwider- stand und einen Regelwiderstand ähnlich der Regelwendel in einer Glühstiftkerze aufzuteilen. Dann könnte eine Steuereinheit ähnlich der derzeit üblichen Steuer- einheit für eine Glühstiftkerze verwendet werden.

Wenn der Kraftstoff auf eine Temperatur von etwa 400°C erwärmt wird, befindet er sich bereits im Siedepunkt oder geringfügig darüber. Somit muß mindestens der Siededruck vorliegen, um ein Ausgasen zu verhindern, da ein siedender oder ausgasender Kraftstoff im Bereich des Spaltes 18 vor den Spritziöchern des Dü- senkörpers 10 negative Auswirkungen auf die Einspritzung haben würde. Der er- forderliche Siededruck kann entweder dadurch aufgebaut werden, daß die Zu- laufbohrung 14 und die anderen Zuleitungen für den Kraftstoff bei den Tempera- turen, bei denen die Kraftstoff-Vorwärmung erforderlich ist, einen solchen Dros- selwiderstand auf den bei diesen Temperaturen sulzigen oder zähen Kraftstoff ausüben, daß sich beim Erwärmen ein gewisser Gegendruck aufbaut. Es ist wei- terhin möglich, ein Rückschlagventil vorzusehen, das eine Ausdehnung des Kraftstoffes während des Vorheizens im Düsenkörper verhindert. Dieses Rück- schlagventil sollte mit einem möglichst großen Öffnungsquerschnitt ausgebildet sein, um den Kraftstoff-Zulauf während des Betriebes nicht zu behindern.