DE102013102219B4

DE102013102219B4 - Beheizbarer Injektor zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102013102219B4
Application number: DE102013102219.7A
Authority: DE
Inventors: Marko Hertwig; Andreas Nauwerck; Matteo Skull
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2033-03-07
Also published as: CA2842957A1; US8955766B2; RU156569U1; DE102013102219A1; CN104033301B; CA2842957C; US20140252122A1; CN104033301A

Abstract

Beheizbarer Injektor (1) zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine, wobei der Injektor (1) ein Injektorgehäuse (2), einen innerhalb des Injektorgehäuses (2) befindlichen Kraftstoffraum (3), eine im Injektorgehäuse (2) angeordnete, verstellbare Injektornadel (4) zum Öffnen und Schließen einer Kraftstoffausgabeöffnung (5) des Injektorgehäuses (2) und eine innerhalb des Injektorgehäuses (2) angeordnete Heizeinrichtung (6) mit einem Heizelement (7) zum Erhitzen vom im Kraftstoffraum (3) befindlichem Kraftstoff (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (7) als Beschichtung einer Grenzfläche des Injektors (1) zu dessen Kraftstoffraum (3) ausgebildet ist, wobei die Beschichtung (7) aus einem Kohlenstoff-Nanoteilchenmaterial besteht.

Description

Die Erfindung betrifft einen beheizbaren Injektor zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine, wobei der Injektor ein Injektorgehäuse, einen innerhalb des Injektorgehäuses befindlichen Kraftstoffraum, eine im Injektorgehäuse angeordnete, verstellbare Injektornadel zum Öffnen und Schließen einer Kraftstoffausgabeöffnung des Injektorgehäuses und eine innerhalb des Injektorgehäuses angeordnete Heizeinrichtung mit einem Heizelement zum Erhitzen von im Kraftstoffraum befindlichen Kraftstoff aufweist.
Ein derartiges Heizelement am Injektor dient dem Zweck, die Kraftstofftemperatur anzuheben, sodass Kraftstoff in gasförmigem Zustand in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden wird. Hierdurch ergibt sich eine verbesserte Vermischung des verdampften Kraftstoffs mit Sauerstoff im Brennraum. Zudem wird eine Kondensierung des Gemisches an Brennraumwänden verhindert und die Bildung von Rußpartikeln minimiert.
Ein beheizbarer Injektor der eingangs genannten Art, der bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine Verwendung findet, ist aus der DE 100 45 753 A1 bekannt. Hierbei weist der Injektor eine innerhalb des Injektorgehäuses in einem Bereich vor der Kraftstoffausgabeöffnung angeordnete Heizeinrichtung zum Erhitzen von in dem Kraftstoffraum sich befindendem Kraftstoff auf. Das Heizelement der Heizeinrichtung kontaktiert hierbei unmittelbar den Kraftstoff. Die Heizeinrichtung weist beispielsweise ein ringförmig angeordnetes Widerstands-Heizelement auf; es können jedoch auch Halbleiter-Heizelemente oder induktive Heizelemente vorgesehen sein. Die Heizeinrichtung ist in der Lage, den Kraftstoff, der sich in dem Kraftstoffraum befindet, aufzuheizen, sodass dieser vor dem Öffnen der Kraftstoffausgabeöffnung durch Überführen der Injektornadel in deren Öffnungsstellung und dem nachfolgenden Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine eine bestimmte Temperatur aufweist. Diese kann ca. 100 °C bis 400 °C betragen. Im Kraftstoffraum ist ein Temperatursensor vorgesehen. Dieser dient der Regelung der Temperatur des eingespritzten Kraftstoffs mittels einer Steuer- und Regeleinrichtung.
In der DE 196 29 589 A1 ist ein beheizbarer Injektor zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine beschrieben. Bei diesem ist eine Magnetspule zum Verstellen einer Injektornadel vorgesehen, die dem Öffnen und Schließen einer Kraftstoffausgabeöffnung des Injektors dient. Hierbei wird die von der Magnetspule ohnehin erzeugte thermische Verlustleistung zur Vorwärmung des Kraftstoffs ausgenutzt. Der Injektor weist ferner eine Heizwicklung zur zusätzlichen Erwärmung des durch die Kraftstoffausgabeöffnung strömenden Kraftstoffs auf.
In der EP 2 100 028 B1 ist ein beheizbarer Injektor zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem in einen Kraftstoffraum des Injektors ein induktiv erwärmbares Heizelement integriert ist, das als eine zwischen einem Injektorgehäuse und einer Injektornadel zickzackförmig gefaltete Bahn ausgebildet ist, die einen sich in axialer Richtung erstreckenden Hohlzylinder bildet. Hierdurch kann eine große Wärmeübergangsfläche zwischen Heizelement und Kraftstoff realisiert werden.
Aus der EP 2 385 240 A1 ist ein beheizbarer Injektor zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Heizeinrichtung mit einem Heizelement Verwendung findet, das aus einem Dickschicht-Material besteht. Dieses ist auf die Außenseite eines Injektorgehäuses aufgebracht, sodass bei Erhitzung des Heizelements Wärme vom Injektorgehäuse auf den Kraftstoff, der sich in einem Kraftstoffraum zwischen dem Injektorgehäuse und einer Injektornadel befindet, abgegeben wird.
Aus der GB 2 206 378 A ist ein beheizbarer Injektor zur Kraftstoffeinspritzung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem im Inneren des Injektors eine Heizeinrichtung sowie ein Thermoelement angeordnet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen beheizbaren Injektor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass, bei baulich einfacher Gestaltung des Injektors, besonders gute Heizeigenschaften und eine optimale Wärmeübertragung auf den Kraftstoff gewährleistet sind.
Aus dem Stand der Technik sind ferner die Druckschriften DE33 07 109 A1 , DE 103 55 039 A1 , DE 10 2009 050 288 A1 , US 7,241,131 B1 und US 2012/0055453 A1 bekannt.
Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass das Heizelement als Beschichtung einer Grenzfläche des Injektors zu dessen Kraftstoffraum ausgebildet ist, wobei die Beschichtung aus einem Kohlenstoff-Nanoteilchenmaterial besteht.
Durch die Verwendung einer derartigen Beschichtung als Heizelement, somit eines dünnwandigen, homogenen Heizelements, können bestehende Injektorformen, somit insbesondere Injektoren, die auf dem Markt sind und nicht beheizbar sind, nahezu unverändert für die Funktion der Beheizbarkeit des Injektors modifiziert werden. Darüber hinaus bildet die Beschichtung einen homogenen, großflächigen Kontakt mit dem Kraftstoff, sodass eine optimierte Wärmeübertragung auf den Kraftstoff sichergestellt ist.
Der erfindungsgemäße Injektor findet insbesondere Verwendung bei einer Brennkraftmaschine, die als Ottomotor mit Direkteinspritzung ausgebildet ist. Bei derartigen Motoren sind sehr strenge Abgasnormen einzuhalten, mit sehr geringen Ruß- und HC-Emissionen sowie niedrigem Grenzwert für die Partikelmasse PM und Partikelanzahl PN. Von besonderer Bedeutung sind in diesem Zusammenhang die Gemischbildung und Emissionen im Kaltstart. Besonders kritisch ist der Zeitbereich beim Kaltstart im Fahrzyklus. Hier werden die meisten Emissionen emittiert. Dies liegt daran, dass die Gemischregelung (Lambdasonde) noch nicht aktiv ist und der Katalysator zu kalt ist, um Schadstoffe effektiv zu konvertieren. Somit ist die Reduzierung der Roh-Emissionen das Hauptziel im Kaltstart. Auch bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen kann der erfindungsgemäße Injektor verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Gestaltung des Injektors ermöglicht eine nachhaltige Emissionsreduzierung. Es wird der Kraftstoff mittels der Verwendung findenden Heizeinrichtung bereits vor der ersten Einspritzung soweit überhitzt, dass er bei der Einspritzung schlagartig verdampft und der Gemischbildung und Verbrennung dampfförmig zur Verfügung steht. Maßgeblicher Vorteil ist die ideale Gemischaufbereitung (Homogenisierung) und die Reduzierung der Wandanlagerung, welche zur Verbesserung der HC- und Rußemission beitragen.
Die Kohlenstoff-Heiz-Beschichtung kann aufgrund der geringen Schichtdicke, beispielsweise einer Schichtdicke von ca. 0,1 mm in bereits vorhandene Injektor-Layouts integriert werden. Bereits beim Herstellen des Injektors, insbesondere beim Herstellen des Kraftstoffraums im Injektorgehäuse, sofern das Injektorgehäuse mit der Beschichtung zu versehen ist, kann die Beschichtung im Inneren des Injektorgehäuses durch Tauchen oder Lackieren aufgebracht werden. Durch den direkten Kontakt der Heizoberfläche mit dem Kraftstoff wird ein sehr guter Wärmeübertrag gewährleistet. Gleichzeitig kann das Reservoir des Injektors als Isolator wirken, um die Hitze nicht direkt an die umliegenden Bauteile abzugeben.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Grenzfläche des Injektors eine an den Kraftstoffraum grenzende Fläche des Injektorgehäuses ist. Somit wird die Beschichtung auf das Injektorgehäuse des Injektors aufgebracht. Grundsätzlich könnte die Beschichtung aber auch auf andere Bauteile des Injektors aufgebracht werden, sofern sichergestellt ist, dass die Beschichtung, somit das Heizelement, unmittelbar an den Kraftstoffraum angrenzt, somit im Kraftstoffraum befindlicher Kraftstoff unmittelbar die Beschichtung kontaktiert. Vorzugsweise ist die Beschichtung vollständig um die Injektornadel umlaufend angeordnet. Ist das Injektorgehäuse mit der Beschichtung versehen, erstreckt sich insbesondere die Beschichtung vollständig um die Injektornadel umlaufend.
Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn sich die Beschichtung über eine relativ große Länge des Kraftstoffraums erstreckt. Vorzugsweise ist die Beschichtung im Wesentlichen über die gesamte Länge der Injektornadel angeordnet.
Die Beschichtung wird insbesondere in einem Thermo-Coating-Verfahren aufgebracht.
Eine Spannungsversorgung für die Heizeinrichtung kann auf unterschiedliche Art und Weise bewerkstelligt werden. So weist der Injektor beispielsweise eine Spannungsversorgung für die Heizeinrichtung auf, die unabhängig von der Spannungsversorgung für einen Elektromagneten zum Verstellen der Injektornadel ist. Andererseits besteht die Möglichkeit, den Injektor so zu gestalten, dass dieser eine Spannungsversorgung für die Heizeinrichtung aufweist, die die Spannungsversorgung des Elektromagneten zum Verstellen der Injektornadel ist. Hierbei sind insbesondere Mittel zum Umpolen der Spannungsversorgung vorgesehen. Bei einer ersten definierten Polung erfolgt die Spannungsversorgung zum Elektromagneten und bei einer zweiten definierten Polung die Spannungsversorgung zur Heizeinrichtung. Alternativ kann die Spannungsversorgung kabelfrei durch Induktion ohne Öffnung des Hochdruckraums vorgenommen werden.
In den beschriebenen Fällen kann die Spannungsversorgung somit entweder über ein separates, in den Injektor integriertes Versorgungskabel oder über die Spannungsversorgung für das Magnetventil des Injektors erfolgen. In letztgenanntem Fall wird man vorteilhaft das Magnetventil nur mit einer definierten Polung am Stecker öffnen können. Bei einer Umpolung kann man beispielsweise das Magnetventil mit einer Diode sperren und die eingebrachte Energie der Kohlenstoff-Beschichtung zukommen lassen. Da das Heizen des Injektors besonders vor dem Motorstart Auswirkungen auf die Abgasemission hat, kann von einer Umpolung während der Fahrt abgesehen werden. Mit dem Beheizen des Injektors kann bereits beim Öffnen des Fahrzeugs via Fernbedienung oder dem Betreten einer Hands Free Zone begonnen werden. Damit wird sichergestellt, dass ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um den Injektor auf die Zieltemperatur zu beheizen.
Bei der Brennkraftmaschine handelt es sich insbesondere um eine solche, die bei einem Personenkraftwagen oder Nutzfahrzeuge Verwendung findet.
Der beheizbare Injektor gemäß der Erfindung sowie dessen Weiterbildungen beinhaltet eine Vielzahl von Vorteilen: So ist das Kohlenstoff-Nanoteilchenmaterial als Heizelement in das Innere des Injektors integriert. Dadurch kann der Injektor bereits bei der Fertigung im Inneren des Reservoirs mit diesem Material beschichtet werden. Durch den Einsatz dieses Materials können bestehende Injektorformen nahezu unverändert bleiben. Des Weiteren ist durch den direkten Kontakt mit dem Kraftstoff eine sehr gute Wärmeübertragung sichergestellt.
Die Ausbildung des Heizelements als Beschichtung ermöglicht ein gleichmäßiges Beheizen ohne Hot-Spots. Dies ist bei sehr geringen Schichtdicken von beispielsweise 0,1 mm möglich. Es können beliebige Konturen beschichtet und beheizt werden. Hierbei sind Temperaturen bis 500 °C möglich. Der Betrieb der Heizeinrichtung kann mit Niederspannung 12 V/24 V erfolgen. Es ist eine Konduktivität bis R = 1 Ohm realisierbar, wodurch eine hohe Heizleistung realisierbar ist.
Die Beschichtung besteht insbesondere aus einer Bindermatrix und einer auf das Trägermaterial abgestimmten Kohlenstoffformulierung.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung des in der Zeichnung wiedergegebenen, bevorzugten Ausführungsbeispiels, ohne hierauf beschränkt zu sein.
Es zeigt:

1 ein Längsmittelschnitt durch einen beheizbaren Injektor zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine
2 die Darstellung einer Wärmestrahlung eines bei dem Injektor Verwendung findenden Heizelements, das als im Thermo-Coating-Verfahren aufgebrachte Beschichtung ausgebildet ist.

Der in 1 veranschaulichte Injektor 1 findet Verwendung zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine, bei der es sich um eine direkteinspritzende Otto-Brennkraftmaschine handelt. Diese ist mit den jeweiligen Zylindern der Brennkraftmaschine zugeordneten erfindungsgemäßen Injektoren versehen. Die Brennkraftmaschine ist beispielsweise in einem Personenkraftwagen eingebaut.
Der Injektor 1 weist ein Injektorgehäuse 2, einen innerhalb des Injektorgehäuses 2 befindlichen Kraftstoffraum 3, eine im Injektorgehäuse 2 angeordnete, verstellbare Injektornadel 4 zum Öffnen und Schließen einer Kraftstoffausgabeöffnung 5 des Injektorgehäuses 2 und eine innerhalb des Injektorgehäuses 2 angeordnete Heizeinrichtung 6 mit einem Heizelement 7 zum Erhitzen vom im Kraftstoffraum 3 befindlichem Kraftstoff 8 auf.
Das Injektorgehäuse 2 ist zweiteilig ausgebildet. Ein erstes Gehäusesteil 9 nimmt einen Stecker 10 zum Verbinden mit einem nicht veranschaulichten komplementären elektrischen Steckerteil, ferner eine Magnetspule 11 auf, die mit einem Anker 12 zum Beaufschlagen der Injektornadel 4 zwecks Öffnen und Schließen der Kraftstoffausgabeöffnung 5 zusammenwirkt. In Wirkstellung mit der Injektornadel 4 ist eine Druckfeder 13, die die Injektornadel 4 in deren die Kraftstoffausgabeöffnung 5 verschließende Stellung vorspannt. Durch Aktivieren des elektrischen Magneten, somit Aktivieren der Spule 11, wird die Injektornadel entgegen der Kraft der Druckfeder 13 in deren Öffnungsstellung überführt, in der die Injektornadel 4 die Kraftstoffausgabeöffnung 5 freigibt, sodass Kraftstoff 8 durch diese in einen nicht veranschaulichten Brennraum der Brennkraftmaschine austreten kann.
In das erste Gehäuseteil 9 ist das zweite Gehäuseteil 14 des Injektorgehäuses 2 abgedichtet eingesteckt. Dieses Gehäuseteil 14 weist im Bereich der Injektornadel 4 einen im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser auf, abgesehen von einem im Innendurchmesser weiter reduzierten Bereich, und dort ist das Gehäuseteil 14 mit einer Außennut versehen, in die ein Dichtungsring 15 eingesetzt ist. Der Dichtungsring 15 dichtet den Injektor 1 bzw. das Gehäuseteil 14 in dem Bereich des Zylinderkopfs ab, aus dem das Gehäuseteil 14 im Bereich dessen freien Endes, das die Kraftstoffausgabeöffnung 5 aufweist, aus dem Zylinderkopf in den Brennraum ragt.
Das Heizelement 7 ist als Beschichtung einer Grenzfläche des Injektors 1 zu dessen Kraftstoffraum 3 ausgebildet. Konkret ist die Innenfläche des Gehäuseteils 14 in demjenigen Bereich, der den vorstehend beschriebenen, im Wesentlichen konstanten Innendurchmesser aufweist, mit dem Heizelement 7 bzw. der Beschichtung versehen. Die Beschichtung ist zwischen den markierten Enden 16 und 17 gemäß Darstellung in 1 angeordnet. Die Beschichtung ist um die Injektornadel 4 vollständig umlaufend und im Wesentlichen über die gesamte Länge der Injektornadel 4 angeordnet. Die Beschichtung ist in einem Thermo-Coating-Verfahren auf das Gehäuseteil 14 aufgebracht. Die Beschichtung besteht aus einem Kohlenstoff-Nanoteilchenmaterial.
Mit den elektrischen Polaritäten „+“ und „-“ ist die Spannungsversorgung des Heizelements 7 veranschaulicht. Bei dieser Spannungsversorgung kann es sich um eine solche handeln, die unabhängig von der Spannungsversorgung für den Elektromagneten, somit die Spule 11 zum Verstellen der Injektornadel 4 ist. Diese unabhängige Spannungsversorgung ist für das Ausführungsbeispiel nach 1 dargestellt.
2 zeigt die Wärmestrahlung 18 der mittels des Thermo-Coating-Verfahrens erzeugten, aufgeheizten Beschichtung. Veranschaulicht ist, dass bei heizendem Heizelement bzw. heizender Beschichtung Wärme homogen vom Heizelement 7 abgestrahlt wird. Dieses flächig homogene Abstrahlen der Wärme über die gesamte Fläche des Heizelements 7 unterscheidet sich von dem inhomogenen Abstrahlen von Wärme eines Heizelements, das aus einzelnen Heizdrähten gebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Injektor
2: Injektorgehäuse
3: Kraftstoffraum
4: Injektornadel
5: Kraftstoffausgabeöffnung
6: Heizeinrichtung
7: Heizelement
8: Kraftstoff
9: Gehäuseteil
10: Stecker
11: Spule
12: Anker
13: Druckfeder
14: Gehäuseteil
15: Dichtungsring
16: Ende
17: Ende
18: Wärmestrahlung

Claims

Beheizbarer Injektor (1) zur Kraftstoffeinspritzung bei einer Brennkraftmaschine, wobei der Injektor (1) ein Injektorgehäuse (2), einen innerhalb des Injektorgehäuses (2) befindlichen Kraftstoffraum (3), eine im Injektorgehäuse (2) angeordnete, verstellbare Injektornadel (4) zum Öffnen und Schließen einer Kraftstoffausgabeöffnung (5) des Injektorgehäuses (2) und eine innerhalb des Injektorgehäuses (2) angeordnete Heizeinrichtung (6) mit einem Heizelement (7) zum Erhitzen vom im Kraftstoffraum (3) befindlichem Kraftstoff (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (7) als Beschichtung einer Grenzfläche des Injektors (1) zu dessen Kraftstoffraum (3) ausgebildet ist, wobei die Beschichtung (7) aus einem Kohlenstoff-Nanoteilchenmaterial besteht.
Beheizbarer Injektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfläche eine an den Kraftstoffraum (3) grenzende Fläche des Injektorgehäuses (2) ist.
Beheizbarer Injektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) vollständig um die Injektornadel (4) umlaufend angeordnet ist.
Beheizbarer Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) im Wesentlichen über die gesamte Länge der Injektornadel (4) angeordnet ist.
Beheizbarer Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) eine in einem Thermo-Coating-Verfahren aufgebrachte Beschichtung (7) ist.
Beheizbarer Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (1) eine Spannungsversorgung für die Heizeinrichtung (6) aufweist, die unabhängig von der Spannungsversorgung für einen Elektromagneten zum Verstellen der Injektornadel (4) ist.
Beheizbarer Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (1) eine Spannungsversorgung für die Heizeinrichtung (6) aufweist, die die Spannungsversorgung des Elektromagneten zum Verstellen der Injektornadel (4) ist, wobei Mittel zum Umpolen der Spannungsversorgung vorgesehen sind, wobei bei einer ersten definierten Polung die Spannungsversorgung zum Elektromagneten und bei einer zweiten definierten Polung die Spannungsversorgung zur Heizeinrichtung (6) erfolgt.
Beheizbarer Injektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Injektor (1) Steuermittel aufweist, die die Heizeinrichtung (6) beim Erfassen eines Steuerimpulses einschalten.
Beheizbarer Injektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerimpuls das Öffnen eines die Brennkraftmaschine aufweisenden Fahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens mittels Fernbedienung, oder das Betreten einer Hands-Free-Zone des Fahrzeugs ist.