DE2555839A1

DE2555839A1 - Verfahren zum steuern der einspritzung eines fluiden mediums aus einer einspritzduese

Info

Publication number: DE2555839A1
Application number: DE19752555839
Authority: DE
Inventors: James Martin Barry
Original assignee: Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: Plessey Handel und Investments AG
Priority date: 1974-12-11
Filing date: 1975-12-11
Publication date: 1976-06-16
Also published as: SE7513938L; FR2293988A1; JPS5183210A

Description

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS AG

Gartenstrasse 2

6300 Zug / Schweiz

Unser Zeichen: P 2287

Verfahren zum Steuern der Einspritzung eines fluiden Mediums aus einer Einspritzdüse

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Einspritzung eines fluiden Mediums aus einer Einspritzdüse.

Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung der Einspritzung eines fluiden Mediums aus einer Einspritzdüse geschaffen, welche eine Einspritzöffnung und einen Schwingungserzeuger aufweist, der auf einen elektrischen Strom anspricht, um die Einspritzdüse in Schwingungen zu versetzen und erfindungsgemäß wird die elektrische Energie, die dem Schwingungserzeuger zugeführt wird, verändert, um die Menge des fluiden Mediums, die durch die Düse eingespritzt wird, zu beeinflussen.

Die Einspritzöffnung kann so ausgebildet sein, daß sie normalerweise mittels eines Ventils geschlossen wird. In diesem Fall versetzt der Schwingungserzeuger die Einspritzdüse in Schwingungen und das Ventil wird dadurch von der

Gei.

609825/0 75 7

-2- 25δο033

öffnung fortbewegt, damit das fluide Medium eingespritzt werden kann. Die Größe, um die sich das Ventil von der öffnung fortbewegt, verändert sich mit der! Spannungen und damit mit den Leistungen, die dem Schwingungserzeuger zugeführt werden und je weiter sich das Ventil von der öffnung fortbewegt, umso größer ist die Menge des eingespritzten fluiden Mediums.

Vorzugsweise ist das Ventil ein Kugelventil, obwohl andere Ventiltypen, wie beispielsweise ein Klappenventil, verwendet werden können.

Vorzugsweise weist der Schwingungserzeuger einen piezoelektrischen Kristall auf, welcher die Düse in Schwingungen versetzt, wenn ein Strom diesem piezoelektrischen Kristall zugeführt wird. Der Schwingungserzeuger kann aber auch eine elektromagnetische Einrichtung sein.

Wenn die Frequenz der Schwingungen der Einspritzdüse ausreichend hoch ist, dann kann der Brennstoff in einem derartigen Ausmaß verteilt werden, daß dieser zerstäubt wird, wenn er aus der Düse eingespritzt wird.

Verschiedene Standardvorrichtungen können verwendet werden, um die Energie zu verändern, die dem Schwingungserzeuger zugeführt wird.

Es gibt verschiedene Ausfuhrungsformen von Einspritzvorrichtungen für fluide Medien, bei denen die Erfindung verwendet werden kann. Eine Ausführungsform ist in der deutschen Patentanmeldung P 25 05 801.9 dargestellt. Diese Einspritzvorrichtung weist eine Brennstoffeinspritzdüse auf, die ein Brennstoffabschalt-Kugelventil hat. Diese Brennstoffdüse ist derart gestaltet, daß diese zerstäubten Brennstoff direkt in einen Kanal hinein einspritzt, der eine Luft-

609825/0 757

-3- 2S5 5 8 3 9

ansaugleitung einer Brennkraftmaschine oder eine Leitung sein kann, die vom Luftkompressor zu den Brennern eines Turbostrahltriebwerkes oder eines anderen Gasturbinentriebwerkes führt.

Eine weitere Ausführungsform ist in der deutschen Patentanmeldung P 20 29 271.1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Brennstoffeinspritzdüse vorgesehen, die einen vollen Brennstoffstrahl zu einem Sammelrohr hin einspritzt und diese Düse wird in den Zeiträumen in Schwingungen versetzt, in denen eine Zerstäubung des Brennstoffes erforderlich ist. Die Brennstoffzerstäubung erfolgt beispielsweise in einer Luftleitung, die zu einer Brennkraftmaschine führt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei gesteuerten Einspritzungen aller Arten von Flüssigkeiten und Gasen angewendet werden. Vorzugsweise sind die Flüssigkeiten Brennstoffe für Brennkraftmaschinen. Es können jedoch auch andere Flüssigkeiten verwendet werden, beispielsweise kann die Erfindung bei dem Versprühen von Farben und Pflanzendüngemitteln verwendet werden. Wenn der Brennstoff in eine Dieselbrennkraftmaschine eingespritzt wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren derart betrieben werden, daß ein elektrischer Impuls, der eine Einspritzung von Brennstoff in die Brennkraftmaschine bewirkt, bei jedem vollständigen Zyklus der Brennkraftmaschine auftritt. In vorteilhafter Weise kann die Energie des elektrischen Impulses im Verlauf seiner Dauer erhöht werden. Dies bedeutet, daß eine anfangs geringe Brennstoffmenge in die·Brennkraftmaschine eingespritzt wird, woran sich eine größere Brennstoffmenge anschließt, wenn das Volumen der Brennkammer zunimmt. Dadurch wird die Verbrennungsrate des Brennstoffes aufrechterhalten.

6 0 9 8 2 5/0757

_!,_ 2555833-

In dem Fall, in dem es erwünscht ist, eine feine Zerstäubung eines fluiden Mediums zu erhalten, wirdbevorzugt die Einspritzdüse derart in Schwingungen versetzt, daß diese Ultraschallschwingungen ausführt. Diese Schwingungen sind offensichtlich ausreichend, um zu bewirken, daß sich das fluide Medium in kleine nebelartige Teilchen unterteilt. Es kann in der Praxis vorkommen, daß der in Frage kommende Frequenzbereich untere Grenzen hat, die etwas dicht bei der oberen Hörgrenze des menschlichen Ohrs liegt. Aus Gründen der Geräuschunterdrückung ist es im allgemeinen bevorzugt, in der Praxis Frequenzen zu verwenden, die hoch genug liegen, um sicherzustellen, daß ein hörbarer Ton nicht erzeugt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung in der folgenden Beschreibung erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Axialschnittansicht eines Teiles eines Brennstoffeinspritzsystems, wie es in der Patentanmeldung P 25 05 801.9 beschrieben wird und welches derart abgeändert ist, daß dieses System gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten kann,

Fig. 2 eine 'schematische Schnittansicht eines Brennstoffeinspritzsystems nach der Patentanmeldung P 20 29 271·1> welches so abgeändert ist, daß es gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten kann,

Fig. 3 ein Schaltbild einer ersten Oszillatorausführung, die zur Steuerung der einem Brennstoffeinspritzsystem zugeführten Leistung dient und

609825/0 7 57

Fig. 4 ein Schaltbild einer zweiten Oszillatorausführung, die zur Steuerung der einem Brennstoffeinspritzsystem zugeführten Leistung dient.

Es sei nunmehr auf Fig. 1 Bezug genommen. In Fig. 1 ist ein Kanal 1 dargestellt, der die Ansaugleitung einer Brennkraftmaschine sein kann oder beispielsweise eine Leitung, die von einem Luftkompressor zu den Brennkammern eines Turbostrahltriebwerkes oder eines anderen Gasturbinentriebwerkes führt. Um flüssigen Brennstoff in die Verbrennungsluft einzuspritzen, von der angenommen wird, daß tie durch den Kanal 1 in Richtung des Pfeiles A hindurchgeht, ist ein zylindrischer Düsenabschnitt 2 einer Brennstoffeinspritzdüse oder eines Zerstäubers 3 so angeordnet, daß sie sich mit ihrem Ende 2a durch eine öffnung 4 in der Wand des Kanals 1 hindurcherstreckt. Die Brennstoffeinspritzdüse 3 erstreckt sich derart durch diese öffnung hindurch, daß eine gute Abdichtung erzielt wird, während gleichzeitig eine Bewegung in Längsrichtung des Abschnittes 2 ermöglicht wird.

Der zylindrische Abschnitt 2 bildet ein sogenanntes Horn an einer Seite des Abschnittes 5 mit großem Durchmesser eines stufenweise arbeitenden Resonanzschwingungsverstärkers, An der entgegengesetzten Oberfläche des Abschnittes 5 ist ein Schwingungserzeuger in Form eines piezoelektrischen Wandlers 6 befestigt. Ein Abgleichkörper 7 ist an der entgegengesetzten Seite des Wandlers 6 befestigt, wie es dargestellt ist.

Die Anordnung ist derart, daß, wenn eine Wechselspannung mit einer gegebenen Ultraschallfrequenz dem piezoelektrischen Wandler 6 über die Leitungen 9 und 10 zugeführt wird, Ultraschallschwingungen in Längsrichtung des zylindrischen

609825/0 7 57

„₆- 2655839

Abschnittes 2 dem Abschnitt 5 mit großem Durchmesser des Schwingungsverstärkers zugeführt werden. Die Schwingungsamplitude wird im Hornabschnitt 2 verstärkt, der so bemessen ist, daß die maximale Schwingungsamplitude in der Nähe des äußeren Endes 2a des Homes, welches sich in den Kanal 1 hineinerstreckt, erzeugt wird.

Koaxial im zylindrischen Hornabschnitt 2 ist ein Brennstoffkanal 11 ausgebildet. Um eine Sprühdüse vorzusehen, ist dieser Kanal 11 in der Nähe des Endes 2a des Hornabschnittes 2 mit einem querschnittsverengenden Halsabschnitt oder einem nach innen sich verengenden Schulterabschnitt 12 ausgerüstet, der eine Düsenöffnung 13 mit vermindertem Querschnitt umgibt. Der Abschnitt 12 weist eine konische Ventilsitzoberfläche 14 auf, die mit einem Ventilkugelelement 15 zusammenarbeitet. Die Ventilkugel 15 ist frei beweglich.

Unter einem geeigneten Druck stehender flüssiger Brennstoff wird dem Kanal 11 über eine Querbohrung 16A zugeführt, die im Abschnitt 5 des Schwingungsverstärkers ausgebildet ist.

Ein Gehäuse 17 umgibt das Kugelventil 15 und Brennstoff aus dem Kanal 11 kann in das Innere des Gehäuses hauptsächlich durch die radialen Schlitze 16 eintreten. Die Schlitze 16 stehen mit dem Inneren des Gehäuses 17 in Verbindung und sind vorzugsweise derart, beispielsweise tangential, angeordnet, daß der Brennstoff, der in das Innere des Gehäuses 17 eingeführt wird, eine Wirbelbewegung'ausführt.' Diese Verwirbelung des Brennstoffes kann die Zerstäubung des Brennstoffes unterstützen.

609825/0 7 57

- γ - /.O 0 -j «j ο -J

Das so weit beschriebene Einspritzsystem arbeitet in der folgenden Weise. Der Brennstoff im Kanal 11 und im Inneren des Gehäuses 17 bewirkt, daß das Kugelventil 15 gegen den Ventilsitz Ik gehalten wird. Dadurch wird normalerweise verhindert, daß irgendwelcher Brennstoff aus der Brennstoffeinspritzdüse 3 durch die öffnung 13 austreten und auf diese Weise in die Strömung der Verbrennungsluft im Kanal 1 eingeführt werden kann. Wenn jedoch ein Wechselstrom von geeigneter Größe dem piezoelektrischen Wandler 6 über die Leitungen 9 und 10 zugeführt wird, so erzeugen die sich ergebenden Resonanzschwingungen des Endabschnittes 2a des zylindrischen Hornes 2 dynamische Kräfte, die auf das Kugelventil 15 einwirken. Das Ventil wird von seinem Sitz 14 um eine Strecke abgehoben, die von der Größe des zugeführten Stromes abhängt und Brennstoff gelangt aus dem Gehäuse 17 zur Düsenöffnung 13 und in den Kanal 1. Bei Auftreten der überschallschwingungen wird dadurch im Kanal 1 ein Sprühstrahl von zerstäubtem Brennstoff erzeugt, der innig mit der Strömung der Verbrennungsluft im Kanal 1 gemischt wird. Auf diese Weise wird ein gewünschtes Brennstoff-Luftgemisch erzeugt, an die elektrische Energie mit Ultraschallfrequenz dem piezoelektrischen Wandler 6 zugeführt wird.

Während die Einspritzdüse vibriert wird, nimmt sehr oft das Kugelventil eine Stellung in der Nähe der Rückseite der Rückwand des Gehäuses 17 an. Die Kugel kann in dieser Stellung verbleiben und zwar auch dann, wenn die Schwingungen unterbrochen sind, wenn die Rückwand nicht mit einer öffnung versehen ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsform weist die Rückwand des Gehäuses 17 eine öffnung 20 an der Stelle auf, zu der hin sich das Kugelventil 15 bewegt, wenn der piezoelektrische Wandler 6 in Betrieb ist. Die öffnung

609825/0 7 57

255 5 33

ermöglicht, daß Brennstoff aus dem Kanal 11 in das Gehäuse eintreten kann. Sobald die Spannung mit Ultraschallfrequenz abgeschaltet wird, drückt der Brennstoff in der öffnung 20 auf das Ventil 15 und bewirkt, daß sich dieses zum Ventilsitz 14 hin bewegt. Wenn sich einmal das Ventil 15 auf seinem Sitz 14 befindet, so wird eine Brennstoffeinspritzung durch die Düse 3 unterbrochen, und der Druck des Brennstoffes im Kanal 11 und im Kanal 17 hält das Ventil 15 auf seinem Sitz.

Es sei nunmehr auf Fig. 2 Bezug genommen. Eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine saugt Luft über einen Luftfilter und eine Ansaugleitung 101 an. Eine Drosselklappe 103 ist am Einlaßende der Ansaugleitung vorgesehen. In der Ansaugleitung 101 ist eine Strahldüse 104 vorgesehen, die einen Auslaßöffnungsabschnitt in Form einer Düsenplatte

105 hat. Die Düsenplatte 105 ist derart ausgebildet und angeordnet, daß normalerweise ein voller Flüssigkeitsstrahl

106 durch die Ansaugleitung 101 hindurchgehend erzeugt wird, Zu diesem Zweck kann sich die Auslaßbohrung der Düsenplatte nach außen hin konisch erweitern, so daß an der Eintrittsseite eine scharfe Kante erzeugt wird, an der sich der Strahl von der Düsenbohrung löst.

In der Ansaugleitung 101 ist zur Düse 104 hinweisend ein Sammelrohr 108 angeordnet, welches in der Richtungslinie des Strahles liegt und welches eine Bohrung aufweist, die weit genug und in der Ansaugleitung so angeordnet ist, daß sichergestellt wird, daß normalerweise der volle Strahl 106, der durch die Düse 104 ausgebildet wird, vollständig in die Bohrung des Sammelrohres 108 eintritt.

Die Düse 104 bildet einen Teil eines Ultraschallwandlers 109, der, wenn ein elektrischer Strom von entsprechender Größe diesem Wandler von einem Taktoszillator 110 zuge-

609825/0 7 57

- 9 - 2 5o b ο ο j

führt wird, der Düse 104 Ultraschall-Längsschwingüngen von einer derartigen Frequenz, Amplitude und Richtung erteilt, daß sich der Strahl 106 in einen feinen Nebel unterteilt, der innig mit der angesaugten Luft im Ansaugrohr gemischt und von dieser fortgeführt wird. Eine Brennstoffpumpe 111 wird dauernd angetrieben, um Brennstoff aus einem Brennstoffbehälter 112 abzuziehen und um diesen unter einem konstanten Druck, der durch ein Druckbegrenzungsventil 113 bestimmt wird, der Düse 104 zuzuführen. Diese Düse 104 gibt demzufolge Brennstoff kontinuierlich mit einer vorbestimmten Durchsatzgeschwindigkeit ab, wenn elektrische Energie zugeführt wird. Wenn der Wandler 109 abgeschaltet ist, gelangt der Brennstoff aus der Düse 105 in das Sammelrohr 108 in Form eines vollen oder Maschinenstrahles 106 und der vom Rohr 108 aufgefangene Brennstoff wird zum Brennstoffbehälter 112 über eine Rückleitungspumpe 114 geführt, die als Zentrifugalpumpe dargestellt ist. Wenn jedoch der Wandler 109 durch einen Strom aus dem Taktoszillator 110 erregt wird, so wird die Düse mechanischen Schwingungen unterworfen, die durch den Wandler erzeugt werden, und diese Schwingungen bewirken, daß sich der Strahl 106 in einen feinen Brennstoffnebel unterteilt, der mit der Verbrennungsluft gemischt wird, die durch die Ansaugleitung 101 hindurchgeht, so daß im wesentlichen der gesamte Brennstoff, der während der Einschaltperioden eingespritzt wird, von der angesaugten Luft fortgeführt wird und die Brennkraftmaschine erreicht.

Es sei nunmehr auf Fig. 3 Bezug genommen. Fig. 3 zeigt ein Schaltbild einer ersten Oszillatoranordnung zur Steuerung der dem Brennstoffeinspritzsystem zugeführten Energie. Das Brennstoffeinspritzsystem kann das in Fig. 1 oder in Fig. dargestellte sein.

609825/0 7 57

-!ο- 2555833

In Fig. 3 ist eine Oszillatoranordnung dargestellt, die einen Verstärker 15O der Klasse B, einen Transformator 152, eine Brückenschaltung 154 und eine Rückkopplungsschleife 156 aufweist. Strom wird über die Leitung 158 dem Verstärker 15O zugeführt. Der verstärkte Teil des Stromes wird beispielsweise im Verhältnis von 1:30 im Transformator 152 hinauf transformiert. Es ist ein Kondensator 160 vorgesehen, der auf die Sekundärwicklung des Transformators 152 abgestimmt ist. Strom vom Transformator fließt durch die Zweige 162 und 164 der Brücke 154.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Schaltung ist der Zerstäuber 3 der Fig. 1 in den Zweig 164 der Brücke 154 eingeschaltet. Der Teil des Brückenzweiges 164, der zum Zerstäuber 3 führt, ist die in Fig. 1 dargestellte Leitung 10. Der Brückenpunkt 172 ist über die Leitung 9 geerdet, die in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist.

Der Zerstäuber 3 ist in der Brückenschaltung 154 als ein Kondensator und ein Widerstand dargestellt und in den Zweig I62 der Brücke ist ein Kondensator I66 eingeschaltet. Die beiden anderen Zweige I68, 170 der Brücke 154 weisen, wie dargestellt, Widerstände auf.

Der Brückenpunkt 174 ist über die Leitung 176 mit einem Gleichrichter 178 verbunden, so daß der Ausgang der Brücke 154 gleichgerichtet werden kann. Der gleichgerichtete Ausgang vom Gleichrichter 178 wird in einem Komparator 180 mit einem Gleichstromsteuersignal verglichen, welches aus einer Signalverarbeitungsvorrichtung l82 stammt. Ein erzeugtes Fehlersignal wird dann über die Leitung 184 einer Regelschaltung 186 zugeführt, der auch Rückkopplungssignale über eine Leitung I88 und die RC-Schaltung 190 zugeführt werden. Die Regelschaltung I86 erhöht oder

609825/0 7 57

25ο ο ο 3 b

vermindert das Rückkopplungssignal, um genau die Ausgangsspannung der Brücke 154 zu regeln. Das Steuersignal ist ein Gleichspannungssignal. Dieses Steuersignal kann auch von einem Digitalrechner im Brennstoffregelsystem ausgehen, und es ist dann eine Verarbeitung mittels eines Digital-Analogwandlers erforderlich. Das Fehlersignal kann auch eine Gleichspannung sein, die von einem Potentiometer abgenommen wird. In diesem Fall ist eine Verarbeitung nicht erforderlich.

Es sei nunmehr auf Fig. 4 Bezug genommen. Fig. 4 zeigt eine Schaltung einer zweiten Oszillatoranordnung zur Steuerung der einem Brennstoffeinspritzsystem zugeführten elektrischen Energie. Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung entspricht in vieler Hinsicht der in Fig. 3 dargestellten Schaltung und gleiche Teile wurden mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.

Bei der Schaltung, die in Fig. 4 gezeigt ist, wird die dem Verstärker 150 zugeführte Energie gesteuert. Der gleichgerichtete Ausgang aus dem Gleichrichter 178 wird dann im Komparator 180 mit dem Steuersignal verglichen und das sich ergebende Fehlersignal wird über eine Leitung 192 einer Stromversorgung 194 mit Impulsdauermodulation zugeführt.

Ein Beispiel der Steuerung, die bei einem typischen Einspritzsystem erzielt wird, welches alle 40 ms mit einem Impuls von 6 ms Dauer gepulst wird, ist eine Änderung des Brennstoffausganges von 40 cm /min auf 90 cm /min mit einer Änderung der angelegten Effektivspannung von 110 V auf 210 V.

Es sei bemerkt, daß im Vorstehenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert

609825/0 7 57

. ₁₂ . 2S55833

wurden und daß Abänderungen durchgeführt werden können. So können beispielsweise andere Oszillatorschaltungen als diejenigen, die in den Pig. 3 und 4 gezeigt werden, beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden.

6 0 9 8 2 5/0757

Claims

-13- 2S55833 Patentansprüche

1. Verfahren zum Steuern der Einspritzung eines fluiden Mediums aus einer Einspritzdüse, die eine Einspritzöffnung und einen Schwingungserzeuger aufweist, welcher auf einen elektrischen Strom anspricht, um die Einspritzdüse in Schwingung zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Schwingungserzeuger zugeführte elektrische Energie verändert wird, um die Menge des durch die Düse eingespritzten fluiden Mediums zu beeinflussen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsenöffnung mittels eines Ventils verschließbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil ein Kugelventil ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger ein piezoelektrischer Kristall ist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Einspritzdüse eingespritzte fluide Medium ein Brennstoff ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Rückkopplungssignale verwendet werden, um die elektrische Energie zu verändern, welche dem Schwingungserzeuger zugeführt wird.

609825/OV57

Leerseite