DE2760240C2 - Widerstandsheizvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Widerstandsheizvorrich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Widerstandsheizvorrichtung dieser Art wird in den An­ saugkrümmer einer Brennkraftmaschine stromab des Vergasers eingebaut, damit eine vollständige Verdampfung des im Luft- Brennstoff-Gemisch enthaltenen Brennstoffs erreicht wird. Dies ist anzustreben, damit die Abgabe von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Motorabgasen in die Atmosphäre vermieden wird.

Beim geschilderten Anwendungsfall ist die Widerstandsheiz­ vorrichtung starken Beanspruchungen mechanischer Art ausge­ setzt, und am gewünschten Einbauort steht auch wenig Platz für den Einbau zur Verfügung. Um die im Sinne des Um­ weltschutzes vorteilhafte Anwendung der Widerstandsheizvor­ richtung zu begünstigen, dürfen die Herstellungskosten der Widerstandsheizvorrichtung nicht zu hoch sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Widerstands­ heizvorrichtung der eingangs geschilderten Art zu schaffen, die eine einfache kompakte, kostengünstige und robuste Bau­ form aufweist.

Erfindungsgemäß wird dies mit den im Kennzeichen des Patent­ anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die erfindungsge­ mäße Widerstandsheizvorrichtung erhält auf besonders einfa­ che Weise bei der Herstellung leitende Überzüge für die Kon­ taktierung, wobei die Verbindung mit der Stromquelle des Kraftfahrzeugs über Federelemente hergestellt wird, die zu einem Schutz des Heizkörpers gegen mechanische Beanspruchung beitragen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patent­ anspruch 2 gekennzeichnet. Diese Weiterbildung ermöglicht einen platzsparenden Einbau und ergibt einen weiteren Schutz gegen mechanische Beanspruchung.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt in Richtung der Längsachse einer Ver­ gaseranordnung für den Einbau der erfindungsgemäßen Widerstandsheizvorrichtung,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt der Widerstandsheizvor­ richtung und

Fig. 3 eine verkleinert ausgeführte Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Widerstandsheizvorrichtung.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vergaseranordnung 10 darge­ stellt; diese Vergaseranordnung enthält einen herkömmlich aufgebauten Vergaser 12 mit einem Luft-Brennstoff-Kanal 14, einem in diesen Kanal führenden Lufteinlaß 16, einen ebenfalls in diesen Kanal führenden Brennstoffeinlaß 18 zum Vermischen von Brennstoff mit Luft in dem Kanal und einen Auslaß 20 aus dem Luft-Brennstoff-Kanal zur Abgabe eines Gemischs aus Luft und verdampftem Brennstoff an einen Kraftfahrzeugmotor 22. Ein solcher herkömmlicher Vergaser enthält typischerweise einen Vergaserkörper 24, der den Brennstoff-Luft-Kanal 14 mit einem Venturiabschnitt 26 nach Fig. 1 bildet; ferner enthält er eine Starterklappe 28, eine Drosselklappe 30 und eine Versorgungskammer 32 für Benzin 34, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Der herkömmliche Vergaser ist typischerweise auch mit einem Flansch 36 versehen, mit dessen Hilfe er am Einlaß­ krümmer 38 des Motors so befestigt werden kann, daß sein Luft-Brennstoff-Kanal 14 in einer Linie mit einem Eingang 40 zum Einlaßkrümmerkanal 42 liegt, der zu den Motorzylindern führt. Im Betrieb des herkömmlichen Vergasers saugt ein im Einlaßkrümmer während des Laufens des Motors erzeugter Unterdruck Luft in den Vergasereinlaß 16, wie die Pfeile 44 anzeigen, während der an der Venturivereinigung im Luft-Brennstoff-Kanal erzeugte Unterdruck auch Brennstoff durch die Einlaßdüse 18 saugt, wie die Pfeile 46 anzeigen; dadurch wird im Luft-Brennstoff-Kanal ein Gemisch aus Luft und verdampftem Brennstoff erzeugt, wie durch die Pfeile 48 angezeigt ist. Das Luft-Brennstoff-Gemisch 48 wird dann durch den Auslaß 20 entsprechend den Pfeilen 50 in den Einlaßkrümmer zur Abgabe an den Motor gesaugt. In dem herkömmlichen Ver­ gaser ist die Drosselklappe über geeignete Hebelver­ bindungen und Steuerorgane zur Einstellung des dem Motor zugeführten Volumens des Luft-Brennstoff-Gemischs beweglich, und die Starterklappe 26 ist abhängig vom Sog des Unter­ drucks im Einlaßkrümmer oder dergleichen und abhängig von einer auf Wärmeeinwirkung ansprechenden Federvorrichtung zur Einstellung des Eintritts von Luft in den Vergaser beweglich.

Wenn ein Kraftfahrzeugmotor insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen kalt gestartet wird, dann haben die Luft 44 und der Brennstoff 46, die in den Vergaser 12 gesaugt werden, häufig eine zu niedrige Temperatur um eine ausreichende Verdampfung des Brennstoffs in dem Gemisch zu bewirken. In dem herkömmlichen Vergaser kann die Starterklappe 26 gewöhnlich den Lufteintritt in den Vergaser während der Anlaßphase oder Aufwärmphase des Motors einschränken, damit gewährleistet wird, daß das dem Motor zugeführte Luft-Brennstoff-Gemisch genügend reich an Brennstoff zur Erzielung eines gleichmäßigen Leerlaufs des Motors ist. Unter diesen Startbedingungen enthält das Luft- Brennstoff-Gemisch 48 gewöhnlich Brennstofftröpfchen 52 oder andere verdampfte Brennstoffteilchen, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Der Motor erreicht daher während der Anlaufphase nur einen relativ geringen Brennstoff­ wirkungsgrad, und, was von größerer Bedeutung ist, übermäßig große Mengen an unverbrannten Kohlenwasser­ stoff-Verunreinigungsstoffen werden mit den Abgasen während des Anlassens des Motors an die Atmosphäre abgegeben.

In der Vergaseranordnung 10 ist zwischen dem Vergaser 12 und dem Einlaßkrümmer 38 ein eine Widerstandsheizvorrichtung enthaltender Flanschteil 54 zum Erwärmen des dem Motor zuzuführenden Luft-Brennstoff-Gemischs 48 angebracht, wodurch eine wesentlich verbesserte Verdampfung des Brennstoffbestandteils des Luft-Brennstoff-Gemischs vor der Zufuhr des Gemischs zum Motor erhalten wird. Zur Erzielung dieser verbesserten Brennstoffverdampfung ohne übermäßige Einschränkung der freien Strömung des Luft-Brennstoff-Gemischs zum Motor ist es notwendig, die für diesen Zweck verfügbare Energie aus der 12 V- Stromquelle des Kraftfahrzeugs wirksamer auszunutzen. Die Widerstandsheizvorrichtung enthält demgemäß einen Heizkörper 56 aus Keramikmaterial mit positivem Widerstands­ temperaturkoeffizient (PTC); der Heizkörper ist mit mehreren Durchlässen 58 versehen, die sich Seite an Seite im Abstand voneinander zwischen den gegenüberliegenden Enden 56.1 und 56.2 des Körpers erstrecken, so daß dünne Stege 59 aus dem Widerstandsmaterial zwischen benachbarten Durch­ lässen in dem Heizkörper entstehen. Wie insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist, sind vorzugsweise um die Ränder der Enden abwechselnde Durchlässe 58 a am Ende 56.1 des Heizkörpers Auflager 60 aus dem Widerstands­ material gebildet, und um die Ränder der anderen Durchlässe 58 b am anderen Ende 56.2 des Heizkörpers sind ebensolche Auflager 62 gebildet. An den Heizkörper 56 sind längs der Innenwände jedes Durchlasses 58 elektrisch leitende ohmsche Kontakte 64 oder andere geeignete Kontaktvorrich­ tungen befestigt. Die ohmschen Kontakte an den anderen Durchlässen 58 b sind an dem einen Ende 56.1 des Heiz­ körpers mittels eines Überzugs 66 aus elektrisch leitendem Material elektrisch miteinander verbunden, der auf dem Ende 56.1 so angebracht ist, daß er sich um die Seiten der Auflager 60 erstreckt. Auf diese Weise verbindet der Überzug 66 die ohmschen Kontakte 64 in den Durch­ lässen 58 b elektrisch miteinander, doch ist er von den Oberseiten der Auflager 60 im Abstand von den ohm­ schen Kontakten 64 in den Durchlässen 58 a gehalten. Eben­ so sind die ohmschen Kontakte 64 in den anderen Durchlässen 58 a mittels eines Überzugs 68 aus elektrisch leitendem Material, das sich um die Seiten der Auflager 62 erstreckt, am anderen Ende 56.2 des Heiz­ körpers 56 elektrisch miteinander verbunden. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, weisen die Überzüge 66 und 68 vorzugs­ weise einen Flächenabschnitt 66.1 bzw. 68.1 auf, der sich in Umfangsrichtung um die Seiten des Widerstandskörpers angrenzend an das jeweilige Ende des Körpers erstreckt. Die Flächenabschnitte 66.1 und 68.1 sind außerdem mit einem elektrisch leitenden Material (69 in Fig. 2) überzogen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es einen relativ niedrigen Schichtwiderstand und Ober­ flächenkontaktwiderstand aufweist. Vorzugsweise ist an dem Heizkörper 56 zwischen den Flächenabschnitten 66.1 und 68.1 auch eine Schutzschicht 71 oder ein elektrisch isolierendes Material festgeklebt.

Der Heizkörper 56 besteht beispielsweise aus einem mit Lanthan dotierten keramischen Bariumtitanat- Widerstandsmaterial mit positivem Widerstandstemperatur­ koeffizient, das einen scharfen anomalen Widerstands­ anstieg beim Erwärmen auf eine ausgewählte Temperatur aufweist. Vorzugsweise besteht der Heizkörper aus einem keramischen Titanat mit der empirischen Formel Ba_0,968Pb_0,030La_0,002TiO₃, das bei Raumtemperatur einen spezifischen Widerstand von etwa 36 Ω cm und eine Curie-Temperatur von etwa 140°C aufweist und das bei einer Erwärmung über seine Anomalietemperatur von etwa 200°C einen scharfen anomalen Anstieg des spezifischen Widerstandes auf etwa 10⁵ Ω cm zeigt.

Die Durchlässe 58 im Heizkörper 56 haben vorzugsweise jeweils einen quadratischen Querschnitt; sie weisen jeweils vorzugsweise eine relativ weite Querschnittgröße in der Größenordnung von etwa 2,54 mm auf einer Seite auf. Die Stege 59 aus Widerstandsmaterial zwischen den Durchlässen sind ebenfalls relativ dünn mit einer Dicke in der Größenordnung von nicht mehr als etwa 1,5 mm. Typischerweise sind die Durchlässe 58 im Querschnitt quadratisch mit einer Seitenlänge von etwa 3,6 mm, und sie liegen auf Grund eines Stegs 59 aus Widerstandsmaterial mit einer Dicke von etwa 1,02 mm (0,040 inch) im Abstand von dem jeweils benachbarten Durchlaß. Der Heizkörper enthält acht Reihen solcher Durchlässe, und jede Reihe enthält acht Durch­ lässe. Vorzugsweise hat der Heizkörper 56 eine Gesamtdicke von etwa 6,35 mm, so daß jeder Durchlaß 58 eine Länge von etwa dieser Größen­ ordnung hat.

Der Heizkörper 56 ist in bezug auf den Vergaser 12 so angebracht, daß die Durchlässe des Heiz­ körpers 56 mit dem Luft-Brennstoff-Kanal 14 in einer Linie liegen, damit das Luft-Brennstoff- Gemisch 48 durch die Durchlässe in einer Wärmeübertragungs­ beziehung zu dem Heizkörper strömen kann. Der Heiz­ körper 56 kann als äußerst wirksamer Brennstoffheizkörper wirken, und er eignet sich insbesondere dafür, eine große Wärmemenge an das Luft-Brennstoff-Gemisch 48 abzugeben, auch wenn der Heizkörper mit einer sehr niedrigen Spannung, beispiels­ weise der in einem Kraftfahrzeug zur Verfügung stehenden Versorgungsspannung von 12 Volt, erregt wird. Das be­ deutet, daß bei einem Anschließen der Überzüge 66 und 68 an den Enden des Heizkörpers an entsprechende Klemmen durch jeden der Stege 59 aus Widerstandsmaterial zwischen angrenzenden Durchlässen 58 ein Strom geleitet wird. Dieser Strom fließt zwischen einer Gruppe von ohmschen Kontakten 64 einer Polarität, die mit dem Überzug 66 verbunden sind, und der zweiten Gruppe aus ohmschen Kontakten der entgegengesetzten Polarität, die mit dem Überzug 68 verbunden sind. Auf diese Weise wirken mehrere ohmsche Kontakte in den Durchlässen zusammen, so daß eine große wirksame ohmsche Kontakt­ fläche zu dem Widerstandsmaterial entsteht. Da die Stege 59 zwischen den Durchlässen relativ dünn ausge­ bildet sind, kann ein relativ großer Strom durch die dünnen Stege für jede Einheitsfläche der ohmschen Kontakte geleitet werden, auch wenn eine relativ niedrige Spannung an die ohmschen Kontakte mit entgegengesetzter Polarität angelegt wird. Auch wenn in dem Widerstandskörper zwischen entgegengesetzten Enden des Körpers als Folge des Stroms des Luft-Brennstoff-Gemischs 48 durch die Durchlässe ein Widerstandsgradient auftreten sollte, hat das Auftreten eines höheren spezifischen Widerstands in dem Körper an einem Körperende nicht die Wirkung, die Wärmeerzeugung in anderen Teilen des Körpers einzuschränken. Obgleich die Durchlässe 58 relativ weit sind, damit das Luft-Brennstoff-Gemisch ohne wesentliche Einschränkung durch sie strömen kann, wird doch in wirksamer Weise eine große Wärmemenge von dem Heizkörper erzeugt und auf das Luft-Brennstoff-Gemisch übertragen, damit eine wirksame Erwärmung des Luft-Brennstoff-Gemischs erzielt wird.

Bei der hier zu beschreibenden Vergaseranordnung enthält die Widerstandsheizvorrichtung ein Gehäuse 74, mit dessen Hilfe der Heizkörper 56 zwischen dem Vergaser 12 und dem Einlaßkrümmer 38 befestigt werden kann, ohne daß die Höhe der Vergaseranordnung übermäßig vergrößert wird. Vorzugsweise ist ein aus einem starren, elektrisch isolierenden Material mit einem Phenolharz gebildetes Abstandsglied 76 wie einer Mittelöffnung 78 um den Heizkörper 56 herumgefügt. Zwei wellenförmige Federelemente 80 aus einem elektrisch leitenden Material wie Berylliumkupfer sind angrenzend an die jeweiligen Enden des Heizkörpers um dessen Seiten gefügt, so daß sie federnd auf die Flächen­ abschnitte 66.1 und 68.1 und die einen niedrigen Kontakt­ widerstand aufweisenden Überzüge 69 an den Seiten des Heiz­ körpers einwirken. Bei dieser Anordnung erzeugen die Federelemente 80 an vielen Punkten einen Druckkontakt mit den Überzügen 69, wie zu erkennen ist; die Federelemente sind durch das Abstandsglied 76 voneinander getrennt. Jedes Federelement 80 weist einen seitlich von ihm ab­ stehenden Klemmenabschnitt 80.1 auf, wie insbesondere in Fig. 3 zu erkennen ist. Zwei Außengehäuseabschnitte 82 und 84, die ebenfalls vorzugsweise aus einem Phenol­ harz bestehen, sind jeweils mit einer Öffnung 86 und einer darin gebildeten Ausnehmung 88 versehen; die Ausnehmungen 88 sitzen so über den Enden des Heizkörpers, daß die Öffnungen 86 in einer Linie mit den Durchlässen 58 im Heiz­ körper liegen. Vorzugsweise sind die Außengehäuse­ abschnitte 82 und 84 abdichtend mit einer Seite des Abstandsglieds 76 verkittet oder auf andere Weise verbunden, und die Gehäuseabschnitte und das Abstands­ glied sind mit Befestigungslöchern 90 zum Anbringen des Flanschteils 54 am Vergaser 12 und am Einlaßkrümmer 38 versehen. Jeder Gehäuseabschnitt weist eine Nut 91 auf, die ermöglicht, daß einer der abstehenden Klemmen­ abschnitte 80.1 der Federelemente aus dem Gehäuse 74 nach außen ragen kann. Vorzugsweise ist zwischen jedem Gehäuseabschnitt und dem Heizkörper 56 auch eine Dichtung 92 aus zusammendrückbarem Material mit einer Öffnung 94 angebracht, damit der keramische Heiz­ körper sicher innerhalb des Gehäuses 74 festgehalten wird, ohne daß die Gefahr einer Beschädigung besteht, wenn er einer Stoßbelastung ausgesetzt wird. Innerhalb des Gehäuses ist am Auslaßende des Gehäuses 74 zwischen dem Heizkörper und dem Gehäuseabschnitt 84 vorzugsweise ein Sieb 96 aus nicht­ leitendem Material wie Fiberglas angebracht, das verhindert, daß Teile aus dem keramischen Heizkörper in den Motor 22 gelangen. Vorzugsweise ist auch zwischen dem Heiz­ körper 56 und dem Gehäuseabschnitt 82 im Gehäuse ein ebensolches Sieb 98 angebracht, das in die Durchlässe eintretende Brennstofftröpfchen 52 zerstäubt, damit die Verdampfung der Tröpfchen erleichtert wird.

Mit dem beschriebenen Aufbau wird der Flanschteil 54 einfach zwischen dem Vergaser 12 und dem Ansaugkrümmer 38 in der dargestellten Weise unter Verwendung von Befestigungs­ schrauben 99 angebracht. Die Klemmenabschnitte 80.1 der Heizvorrichtung können ebensoleicht mit der 12 V-Stromver­ sorgungsanlage oder dergleichen mittels der Stromver­ sorgungsklemmen 100 und 102 nach Fig. 1 verbunden werden. Wie Fig. 1 ebenfalls schematisch zeigt, ist der Flanschteil 54 so angeordnet, daß er beim Schließen des Zündschalters 104 zum Starten des Motors 22 erregt wird. In Serie zum Heizkörper 56 ist eine Steuervorrichtung 106 geschaltet, die den Heizkörper abschaltet oder dessen Wärmeabgabe nach einer gewissen Zeitperiode nach dem Anlassen des Motors reduziert, wenn der Motor 22 seine volle Betriebstemperatur erreicht hat und wenn der Betrieb der Widerstandsheizvorrichtung nicht mehr benötigt wird oder nicht mehr von Nutzen ist. Eine solche Steuervorrichtung 106 enthält üblicherweise ein Zeitver­ zögerungsrelais oder dergleichen, einen auf die Temperatur des Motors 22 ansprechenden Thermostatschalter oder auf Wunsch auch eine andere herkömmliche Steuervorrichtung.

Claims (2)

1. Widerstandsheizvorrichtung mit einem Heizkörper aus kera­ mischen Material mit positivem Temperaturkoeffizienten für den Einbau in den Ansaugkrümmer einer Brennkraftmaschine stromab des Vergasers mit mehreren Durchlässen für das Luft- Brennstoff-Gemisch, dadurch gekennzeichnet, daß ein leitender Überzug (64, 66, 68) auf der Oberfläche des Heizkörpers (56) aufgebracht ist, welcher zur Bildung von zwei Elektroden ge­ teilt ist, wobei jede Elektrode einen Flächenabschnitt (66.1 bzw. 68.1) aufweist, der bis über den Rand des Heizkörpers hinaus an die Umfangsfläche reicht und daß jeder Flächen­ abschnitt (66.1, 68.1) über ein separates Federelement (80) an der Umfangsfläche mit der Stromquelle des Kraftfahrzeuges in lösbarer Verbindung steht.

2. Widerstandsheizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der PTC-Heizkörper (56) in einem elasti­ schen Flanschteil (54) eingebettet ist, welcher bündig mit dem Ansaugkanalquerschnitt abschließt, wobei das Heizelement in einer Ausnehmung (88) im Flanschteil (82, 76, 84) gehal­ ten ist.