DE2650415A1 - Kraftstoffeinspritz- und zufuhr-vorrichtung - Google Patents

Kraftstoffeinspritz- und zufuhr-vorrichtung

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Description

BLUMBACH · WESER · BERGEN . KRAMER
PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
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KABUSHIKI KAISHA TOYOTA CHUO KENIiYUSHO 76/8749 12-2, Hisakata, Tempaku-ku
Nagoya-shi, Aichi-ken, Japan
Kraftstoffeinspritz- und Zufuhr-Yorriohtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffeinspritz- und Zufuhr-Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bekannte Kraftstoffeinspritz-Vorrichtungen zur Verwendung für Verbrennungsmotoren ergeben viele Vorteile hinsichtlich Motorverhalten und Abgasreinhaltung, da sie sowohl eine gleichmäßige Verteilung eines Luft-Kraftstoff-Gemisches auf die einzelnen Zylinder eines mehrzylindrigen Motors erlauben als auch eine genaue Steuerung eines Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Gemischladung, die einem Motor entsprechend des-
München: Kramer · Dr.Weser · Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner
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sen Betriebsbedingungen zugeführt werden soll.
Eine bekannte Kraftstoffeinspritzvorrichtung soll Kraftstoff dadurch zerstäuben, daß dieser unter Druck durch eine Düse mit einem winzigen Auslaß gespritzt wird, um den Kraftstoff aufgrund der Scherung zu zerstäuben, die durch den Reibwiderstand zwischen dem eingespritzten Kraftstoff und der umgebenden Luft bewirkt wird. Die bekannten Kraftstoffeinspritz-Vorrichtungen verhalten sich jedoch nicht erfolgreich beim Einspritzen von Kraftstoff unter einem gewünschten hohen Druck, d. h., die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffs durch die Düse ist niedrig, so daß feine Kraftstoffteilchen mit einer winzigen Größe nicht erzeugt werden können. Außerdem tritt bei bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen ein weiterer Nachteil auf. Da man nämlich keine gleichförmige Scherung des Kraftstoffs aufgrund des Reibwiderstandes zwischen dem eingespritzten Kraftstoff und der Luft erreichen kann, erhält man auch keine gleichmäßige Teilchengröße des zerstäubten Kraftstoffs. Daraus folgt, daß die bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen das gewünschte Laufverhalten eines Motors beeinträchtigen, der ein Gemisch mit einem hohen Luft-Kraftstoff-Verhältnis verwendet, und zwar aufgrund einer ungenügenden Erzeugung eines gleichmäßigen mageren Gemisches.
Der Versuch, die Teilchengröße zerstäubten Kraftstoffs weiter herabzusetzen, führt notwendigerweise zu einer Erhöhung des Kraftstoffeinspritzdruckes, und dies macht eine Hochdruckpumpe erforderlich. Als Folge davon müßten die Pumpenabmessungen erhöht werden, woraus sich höhere Herstellungskosten ergeben.
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Außerdem erhöht dies die Last für den Verbrennungsmotor. Überdies wird bei den bekannten Kraftstoffeinspritz-Vorrichtungen die Menge schädlicher Gase nicht auf ein gewünschtes Ausmaß reduziert, und zwar aufgrund einer großen mittleren Teilchengröße des zerstäubten Kraftstoffs und einer einen weiten Bereich abdeckenden Größenverteilung der Kraftstoffteilchen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung verfügbar zu machen, mit sich
welcher/der Kraftstoff in sehr kleine Teilchen gleichmäßiger Größe zerstäuben läßt, so daß sich die Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors und die Abgasreinhaltung verbessern lassen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung gemäß Anspruch 1.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung wird eine zuzuführende Kraftstoffmenge im Einklang mit dem Betriebszustand eines Verbrennungsmotors gesteuert. Durch einen Auslaß oder Auslässe einer Einspritzdüsenanordnung einzuspritzender Kraftstoff wird auf die Umfangswand eines hohlzylInderförmigen ultraschallschviingteils mit großer Oberfläche gerichtet; dieses Schwingteil ist innerhalb eines Einlaßkanals der Kraftstoffeinspritzvorrichtung angeordnet. Der solchermaßen
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eingespritzte Kraftstoff wird aufgrund der Ultraschallschwingung, die vom hohlzylinderförmigen Schwingteil verursacht wird, augenblicklich und vollständig zerstäubt, worauf der zerstäubte Kraftstoff aufgrund einer Schwingung der Luft, die durch Ultraschallwellen in dem den zylinderförmigen Schwingteil umgebenden
wird Raum verursacht werden, durch und durch mit Luft gemischt. Dann wird ein gleichmäßiges Gemisch zu einer Verbrennungskammer des Motors geführt.
Erfindungsgemäß ist eine Ultraschall-Kraftstoff-Einspritz- und Zufuhrvorrichtung vorgesehen mit: einem Einlaßkanal, der einen Endes mit einem Luftfilter und anderen Endes mit einer Verbrennungskammer des Verbrennungsmotors in Verbindung steht, und der ein Luft-Kraftstoff-Gemisch zuführt; einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Ultraschallwellen-Generatoreinrichtung und einer Kraftstoff-Einspritzdüseneinrichtung, wobei die Ultraschallwellen-Generatoreinrichtung (I) einen mit einem Ultraschalloszillator verbundenen Ultraschallwandlerteil zum Umwandeln elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen aufweist sowie (II) einen mechanische Schwingungen verstärkenden Teil, der am Ultraschallwandlerteil befestigt ist und die Amplitude der mechanischen Schwingungen verstärkt, und (III) ein hohlzylinderf örmiges Schwingteil mit einer Umfangswand, der an einer Spitze des mechanische Schwingungen verstärkenden Teils befestigt ist und dessen Achse im wesentlichen rechtwinkelig zur Längsachse des mechanische Schwingungen verstärkenden Teils verläuft, wobei das Schwingteil einander gegenüberliegende offene Enden aufweist
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und im Einlaßkanal so angeordnet ist, daß es den Kraftstoffluß durch den Einlaßkanal nicht behindert, und wobei die Kraftstoff -Einspritzdusenanordnung einen Düsenauslaß oder Düsenauslässe aufweist, deren Öffnung auf die Umfangswand des Schwingteils gerichtet ist und flüssigen Kraftstoff unter Druck auf die Umfangswand spritzt; eine Zufuhrvorrichtung zum Heranführen flüssigen Kraftstoffs von einem Kraftstofftank und zum Zuführen dieses Kraftstoffs zur Einspritzdüsenanordnung; und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Menge des durch die Einspritzdusenanordnung einzuspritzenden Kraftstoffs entsprechend den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors; wodurch flüssiger Kraftstoff, der auf die Umfangswand des Ultrasehallschwingungen verursachenden Schwingteils gespritzt worden ist, aufgrund der Ultraschallschwingung zerstäubt und versprüht werden kann und dann zusammen mit Luft vom Luftfilter einer Verbrennungskammer des Motors zugeführt wird.
Erfindungsgemäß kann eine Menge flüssigen Kraftstoffs, der einer Verbrennungskammer eines Motors zugeführt werden soll, durch eine Steuervorrichtung gesteuert und dann durch einen Auslaß oder Auslässe einer Einspritzdüsenanordnung auf die Umfangswand eines hohlzylinderförmigen Uitraschallschwingteils gespritzt werden, so daß der Kraftstoff, der auf die zylinderförmige Umfangswand des Schwingteils, d. h. auf eine schwingende Oberfläche großer Abmessung, gegeben wird, aufgrund der hochfrequenten Ultraschallschwingung über der schwingenden Oberfläche des Schwingteils verbreitet wird, um dadurch einen
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Flüssigkeitsfilm auf dieser Oberfläche zu erzeugen und dann den solchermaßen erzeugten Flüssigkeitsfilm in winzige Teilchen zu zerstäuben, und zwar aufgrund der eine gegebene Wellenlänge aufweisenden Oberflächenwellen, die aufgrund der Ultraschallwellen erzeugt worden sind, worauf die Kraftstoffeinspritzung folgt. Als Ergebnis kann man zerstäubten Kraftstoff mit viel kleineren und viel gleichmäßiger bemessenen Teilchen erhalten als dies mit bekannten Vorrichtungen möglich ist, und. der solchermaßen in winzige Teilchen zerstäubte flüssige Kraftstoff fließt um das Schwingteil, um durch und durch mit Luft innerhalb des Einlaßkanals vermischt zu werden, welche Luft einer Ultraschallschwingung des Schwingteils ausgesetzt wird, wodurch ein gleichmäßiges Luft-Kraftstoffgemisch zur Zuführung zu den Verbrennungskammern des Verbrennungsmotors erzeugt wird. Demgemäß kann man die Zufuhr eines gleichmäßigen mageren Gemisches zum Motor erreichen, und zwar zusammen mit der damit einhergehenden stetigen und stabilen Verbrennung eines mageren Gemisches, so daß der gewünschte Betriebszustand des Motors sichergestellt und die Menge schädlicher Abgase reduziert wird.
Ferner wird erfindungsgemäß Kraftstoff auf die eine große Fläche aufweisende Umfangswand des hohlzylinderförmigen Ultraschallschwingteils geliefert und dann aufgrund der gleichförmigen Ultraschallschwingung über der gesamten Oberfläche des hohlzylinderförmigen Schwingteils zerstäubt, so daß man zerstäubte Kraftstoffteilchen erhält, deren Größe gleichmäßiger
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ist als diejenige der zerstäubten Kraftstoffteilchen bei bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen. Außerdem kann man durch Auswahl der Amplitude und der Frequenz der Ultraschallwellen die Teilchengröße des zerstäubten Kraftstoffs im Voraus wählen, so daß extrem feine Teilchen zerstäubten Kraftstoffs geliefert werden können und der Verbrennungskammer des Motors ein Gemisch zugeführt werden kann, das zerstäubten Kraftstoff mit gewünschter Teilchengröße aufweist, die eine Verringerung der schädlichen Bestandteile der Abgase bewirkt, wodurch die Abgase mit noch besserer Wirkung gereinigt werden.
überdies besteht erfindungsgemäß kein Bedarf, Kraftstoff durch eine Düse in einer Kraftstoffeinspritz-Vorrichtung mit so hohem Druck einzuspritzen, wie er bei bekannten Vorrichtungen erforderlich ist, um Kraftstoff durch Einspritzen durch die Düse direkt zu zerstäuben. Erfindungsgemäß wird nämlich der Kraftstoff nur durch die Düse auf ein Ultraschallschwingungen bewirkendes Schwingteil gespritzt, um den eingespritzten Kraftstoff mit dem Schwingteil in Berührung zu bringen und diesen augenblicklich über dessen gesamte schwingende Oberfläche zu sprühen, und deshalb kann das Kraftstoffeinspritzen durch die Düse unter niedrigem Druck durchgeführt werden. Deshalb kann man auf die Verwendung einer Einspritzung unter hohem Druck, wie sie bei bekannten Kraftstoffeinspritz-Vorrichtungen vorgenommen wird, verzichten. Als Folge davon kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Einspritzdüsenanordnung mit einfachem Aufbau verwendet werden und ein Kompressor, der
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klein ist im Vergleich zu demjenigen bei bekannten Kraftstoffeinspritz-Vorrichtungen. Folglich ist die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung billiger und leichter zu warten.
Die vorliegende Erfindung kann nach zwei erfind.ungsgemäßen Aspekten in die Praxis umgesetzt werden.
Das Merkmal des ersten erfindungsgemäßen Aspektes besteht darin, daß mehrere Einspritzdüsenanordnungen in einer Kraftstoffeinspritz-Vorriehtung vorgesehen sind, und zwar je eine für jeden Zylinder des Motors, und daß sie dicht neben Einlaßleitungen für die Verbrennungskammern des Motors angeordnet sind. Dabei wird. Kraftstoff, der der Umfangswand des Ultraschallschwingteils durch einen Auslaß der Einspritzdüsenanordnung zugeführt wird, aufgrund der durch das Schwingteil verursachten Ultraschallschwingung augenblicklich zerstäubt, worauf der solchermaßen zerstäubte Kraftstoff umgehend an die jeweilige Verbrennungskammer des Motors geliefert wird«,
Das Merkmal des zweiten erfindungsgemäßen Aspektes besteht darin,, daß eine einzige Kraftstoffeinspritz-Vorriehtung auf der1 stromaufwärts gelegenen Seite des Verzweigungspunktes eines Einlaßverteilers angeordnet isfca so daß wie beim ersten er= findungsgemäßen Aspekt aufgrund der ultraschallschwingung zerstäubter Kraftstoff durch den Einlaßverteiler auf die einzelnen Verbrennungskammern des Motors verteilt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Ultraschall-Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung enthält einen hohlen zylinderförmigen Körper mit einer großen Oberfläche, und es kann während einer gegebenen Zeitdauer eine große Menge flüssigen Kraftstoffs aufgrund der Ultraschallschwingung zerstäubt werden. Dabei liegt der solchermaßen zerstäubte Kraftstoff in extrem feinen Teilchen vor, die in einem Gemisch verteilt sind, so daß jeder Verbrennungskammer eines Mehrzylindermotors eine gleichmäßige Mischung zugeführt werden kann, und zwar mit den zuvor erwähnten und mit zusätzlichen Vorteilen, wie einer Kostenreduzierung und einer erleichterten Wartung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ultraschall-Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung;
teilweise im Schnitt, Fig« 2 eine schematische Darstellung/ des Schwingzustandes
eines Sohwingteils der ersten Ausführungsform;
Figo 3 ein© sehematische Darstellung* teilweise im Sennitts T zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Figo 4 eine sehematische Darstellung s teilweise im Schnitt, ©Inex» dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform; und
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/fs
Fig. 5 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Bei der ersten Ausführungsform einer dem ersten Aspekt der Erfindung entsprechenden Ultraschall-Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung ist ein Ultraschallschwingteil 101 mit der Form eines geraden,hohlen und kreisförmigen Zylinders innerhalb eines Einlaßkanals I, im wesentlichen koaxial zu diesem und. in dessen Mittelteil angeordnet. Dabei weist eine öffnung des Zylinders zum stromaufwärtsgelegenen Ende des Einlaßkanals I, und die andere öffnung des Zylinders weist zum stromabwärts gelegenen Ende des Einlaßkanals. Der Einlaßkanal I, vermag frische Luft zuzuführen und eine Luft-Kraft stoff-Mischung zu liefern, und er ist in einer Kraftstoffeinspritz-Vorrichtung II. enthalten.
Bei dieser Ausführungform und den nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsformen weist der Zylinder eine gerade, hohle und kreisförmige Form auf. Er hat eine vorbestimmte Länge zwischen seinen sich gegenüberliegenden Enden und er weist eine dünne Wand mit einer konstanten Dicke in seiner axialen und radialen Richtung auf, d. h., die innere und die äußere Umfangswandoberflache des Zylinders sind koaxial zueinander angeordnet. Außerdem ist eine Kraftstoffeinspritzdüse 2 der Art, wie sie bei bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtungen verwendet wird, auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Einlaßkanals derart angeordnet, daß eine kreisförmige öffnung oder ein kreisförmiger Auslaß der Einspritzdüse von der stromaufwärts gelegenen Seite
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des Schwingteils 101 her schräg auf dessen Mitte gerichtet ist. Gemäß dieser Einspritzvorrichtung wird ein divergierender Sprühwinkel des aus der Düse austretenden Kraftstoffs so modifiziert, daß die innere und die äußere Umfangsoberfläche des unter Ultraschallschwingungen stehenden Hohlzylinders besprüht wird, was dazu führt, daß der auf die innere und die äußere Umfangsoberfläche des Hohlzylinders gelangte Kraftstoff an diesen zerstäubt wird.
Das stromaufwärts gelegene Ende des Einlaßkanals I,, der durch ein kurzes Rohr 120 gebildet wird, ist mit dem stromabwärts gelegenen Ende eines Einlaßrohres 4 verbunden, in dem sich ein Drosselventil 3 zur Steuerung der Einlaßluftmenge befindet, während das stromabwärts gelegene Ende des Einlaßkanals I, mit einer Einlaßleitung J verbunden ist, die zu einer Verbrennungskammer 6 eines Motors 5 führt.
Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung H1 enthält einen Ultrasehall-Generatorkörper 100 mit dem Ultraschallschwingteil 101 mit der Form eines geraden;hohlen und kreisförmigen Zylinders und die Kraftstoffeinspritzdüse 2, deren Position in einer gegebenen Beziehung gegenüber dem Schwingteil 101 gehalten wird, wie nachfolgend beschrieben wird.
Der Ultraschallgeneratorkörper 100 ist starr auf einem Sitz 8 befestigt, der auf der Wand des Einlaßkanals I1 in der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung H1 gebildet ist, während das hohl-
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zylinderförmige Ultraschallschwingteil 101 in im wesentlichen koaxialer Anordnung in einen Mittenraum im Einlaßkanal I,
hineinragt. Gegenüber dem Sitz 8 und. schräg zur stromaufwärts gelegenen Seite des Ultraschallschwingteils gerichtet ist in
der Wand des Einlaßkanals die Kraftstoffeinspritzdüse 2 befestigt, die mit einem Winkel von etwa 4-5° gegenüber der Achse
des Einlaßkanals I. geneigt ist und deren Auslaß auf die Mitte des hohlzylinderförmigen Schwingteils gerichtet ist. So kann
durch die Düse 2 eingespritzter Kraftstoff auf die innere und die äußere Umfangsoberflache des Hohlzylinders auftreffen. Als Kraftstoffeinspritzdüse für die erfindungsgemäße Vorrichtung
kann eine solche Kraftstoffeinspritzdüse, wie sie bei einer
bekannten Kraftstoffeinspritz-Vorrichtung bei einem bekannten Verbrennungsmotor verwendet wird, unverändert benutzt werden.
Der Ultraschallgeneratorkörper 100 enthält das bereits beschriebene und eine große Oberfläche aufweisende Ultraschallschwingteil, wodurch energiereiche Ultraschallwellen erzeugt werden. Außerdem weist der Ultraschallgeneratorkörper 100 extrem kleine Abmessungen auf, und kann folglich in den Einlaßkanal für eine Verbrennungskammer eingebaut werden. Piezoelektrische Elemente 104A, 104b sind eingebettet zwischen einem Gegenblock 10^ und einem Ultraschallverstärkungsblock 102, der die Form eines Exponenfcialtioras aufweist und als mechanischer Sehwingungsverstärkungsteil diente Diese piezoelektrischen Elemente werden mit Hilfe einer geeigneten Befestigungsvorrichtung in ihrer Position ge-
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halten. Das hohlzylinderförmige Schwingteil 101 ist einstückig mit dem Spitzenteil des Ultraschall-Verstärkungsblocks 102 ausgebildet, wobei die Achse des Schwingteils 101 rechtwinkelig zur Schwingrichtung des Ultraschall-Verstärkungsblocks 102 verläuft. Der Ultraschall-Verstärkungsblock 102 dient einerseits zusammen mit den piezoelektrischen Elementen und dem Gegenblock als Ultraschallwandlerteil und andererseits als ein Horn, das mechanische Schwingungen zu verstärken vermag, die in einem Ultraschallwandlerteil erzeugt worden sind. Das hohlzylinderförmige Schwingteil 101 schwingt in der in Fig. 2 gezeigten Weise und bewirkt Biegeschwingungen mit der Frequenz der Ultraschallschwingung, die durch die piezoelektrischen Elemente erzeugt und dann hinsichtlich ihrer Amplitude verstärkt worden sind. Der Ultraschallschwingungs-Verstärkungsblock 102 umfaßt zwei Komponenten 102A und 102B, wobei die Komponente 102A, d. h. ein Spitzenteil von ihr, am rückseitigen Teil 102B des Blocks 102 mittels eines Bolzens 109 fest zu einem Stück verbunden ist. Ein Fußteil des Blocks 102 ist mit einem Flansch 102C versehen, in dem mehrere Bolzenlöcher vorgesehen sind. Eine ringförmige Tragplatte befindet sich im Paßsitz auf dem Flansch 102C, um diesen für seine Biegesteifigkeit zu verstärken. "Die Tragplatte ist mit mehreren Muttergewindelöchern versehen, in die mehrere Bolzen 107 geschraubt sind. Mit Hilfe dieser Bolzen 107 ist der Flansch 102C einstückig mit dem Flansch 10J5A des symmetrisch gegenüberliegenden Gegenblocks 103 verbunden, wobei die piezoelektrischen Elemente 104A, lO^B, eine Elektrodenplatte 105
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und eine Abstandplatte 108 zwischen diesen eingebettet sind.
An die Elektrodenplatte 105 ist ein Leitungsdraht 111 angeschlossen, der mit einer Ausgangsseite eines Ultraschalloszillators 110 verbunden ist. Die Eingangsseite des Oszillators 110 ist über einen e'ingangsseitigen Leitungsdraht 112 mit einer Steuereinheit 9 verbunden.
Ein Kraftstoffzuführteil IH1 umfaßt einen Kraftstofftank 10, eine mittels eines Rohres lh mit dem Kraftstofftank 10 verbundene Kraftstoffpumpe 11, einen Druckregulator 13, der mit Hilfe eines Kraftstofftransportrohres I5 über ein Kraftstoffilter mit der Pumpe 11 verbunden ist, ein vom Druckregulator 13 zum Kraftstofftank 10 führendes Rücklaufrohr 16 für überschüssigen Kraftstoff und ein Einspritzkraftstoff-Zufuhrrohr I7, das einen Endes mit dem Kraftstofftransportrohr 15 und anderen Endes mit der Kraftstoffeinspritzdüse 2 in Verbindung steht. Somit wird Kraftstoff von der Kraftstoffpumpe 11 über den Druckregulator 13 geliefert, der einen Druck-W:ert reguliert, und dann an die Kraftstoffeinspritzdüse 2 gegeben. Wie bereits erwähnt, ist die Kraftstoffeinspritzdüse 2 in gleicher Weise aufgebaut wie die für eine bekannte Kraftstoffeinspritz-Vorrichtung verwendete, und die Düse 2 ist von der Art, bei welcher ein Kraftstoff-Einspritzauslaß in Abhängigkeit von der Betätigung eines elektromagnetischen Nadelventils geöffnet oder geschlossen werden kann. Wie bereits erwähnt besteht bei der erfindungsgemäßen. Kraft stoff einspritz -Vorrichtung keine Notwendigkeit, Kraftstoff unter hohem Druck durch den Auslaß einer Düse ein-
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zuspritzen, um den Kraftstoff aufgrund der Vorsehubkraft zu zerstäuben. Vielmehr wird, der Kraftstoff durch die Düse hindurch lediglich auf eine Umfangswand des Ultraschallschwingteils 101 eingespritzt, so daß Kraftstoff, der von der Kraftstoffpumpe 11 geliefert worden ist und dessen Druck durch den Druckregulator 15 auf einem gegebenen Druckwert gehalten wird, in Richtung auf das Ultraschallschwingteil 101 eingespritzt wird, wenn der Auslaß der Düse mit Hilfe eines elektromagnetischen Nadelventils geöffnet ist, und zwar selbst dann, wenn der Kraftstoffdruck extrem niedrig ist. Selbst für den Fall, daß durch den Druckregulator 13 für den Kraftstoff ein hoher Druckwert eingestellt und ein Teil des Kraftstoffs durch die Düse zerstäubt wird, gilt zudem: Nur wenn der Hauptteil des Kraftstoffs von der Düse auf die Umfangswand des Ultraschallschwingteils 101 auftrifft, kann der Kraftstoff in extrem feine Teilchen zerstäubt werden und somit das Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Beim Kraftstoffltiß-Steuerteil IV- handelt es sich um eine elektronische Steuervorrichtung, die einen Luftdurchsatz feststellt. Genauer ist ein Luftflußmesser 18 stromaufwärts vom Einlaßkanal I,, in dem ein Drosselventil 2 zur Steuerung einer Einlaßluftmenge untergebracht ist, vorgesehen. Der Durchsatz der durch den Einlaßkanal I, fließenden Luft wird anhand einer Drehverstellung einer Meßplatte 19 des Luftflußmessers 18 festgestellt und durch ein Potentiometer in ein elektrisches Signal umgesetzt, das der Steuereinheit 9 zugeführt wird, die
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den Kraftstoffdurchsatz zu steuern vermag. Außerdem wird ein Zündsignal von einem Verteiler 20 der Steuereinheit 9 zugeführt, die ihrerseits die einzuspritzende Kraftstoffmenge entsprechend der Laufbedingung des Motors bestimmt. Das von der Steuereinheit erzeugte Steuersignal wird dann auf das elektromagnetische Nadelventil der Kraftstoffeinspritzdüse 2 geführt. Ein Temperaturfühler 21 stellt die Temperatur des Motorkühlwassers fest und erzeugt ein Signal, das ebenfalls an die Steuereinheit 9 geliefert wird. Ein Hilfsluftventil ist in einer Luftumgehungsleitung vorgesehen, die einen Endes auf der stromaufwärts gelegenen Seite und anderen Endes auf der stromabwärts gelegenen Seite des Drosselventils 3 in. den Einlaßkanal I1 mündet. Demgemäß kann ein Leerlauf-Luftdurchsatz in Abhängigkeit von der Kühlwassertemperatur verändert werden, um eine optimale Leerlaufdrehzahl während der Zeit vom Starten des Motors bis zum Erreichen einer optimalen Erwärmungstemperatur aufrecht zu erhalten, während das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs während des Warmlaufens durch die Steuereinheit 9 eingestellt werden kann. Ein Drosselschalter 23 ist in Verbindung mit dem Drosselventil 3 betätigbar. Wenn das Gas weggenommen wird, d. h., wenn der Motor bremst, kann dies festgestellt werden aufgrund eines Signals vom Drosselschalter 23 und der Motordrehzahl, die durch ein Zündsignal vom Verteiler 20 festgestellt wird, und die Kraftstoffzufuhr wird mit. Hilfe der Steuereinheit 9 unterbrochen, wie dies erforderlich ist.
Mit der Steuereinheit 9 sind ein Startschalter 24 und eine
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Energiequelle 25, wie ein Generator oder eine Batterie, verbunden.
Die beschriebene erste Ausführungsform arbeitet folgendermaßen.
Wenn der Startschalter 24 beim Starten des Verbrennungsmotors geschlossen wird und daraufhin die Steuereinheit 9 und der Ultraschalloszillator 110 in Betrieb gesetzt werden, wird im Ultraschalloszillator eine elektrische Schwingung mit der Resonanzfrequenz des Ultraschallgeneratorkörpers 100 erzeugt und auf die piezoelektrischen Elemente 104A, 104B gegeben, so daß der Ultraschallgeneratorkörper 100 longitudinale Schwingungen erzeugt, wobei die untere Oberfläche (in der Darstellung der Fig. 1) des Flansches 102C, d. h. die dem Schwingteil 101 näherliegende Oberfläche, als Schwingungsknoten dient. Die Amplitude der Longitudinalschwingung wird vom Ultraschallverstärkerblock 102 verstärkt und dann auf das hohlzylinderförmige Ultraschallschwingteil 101 in der Kraftstoffeinspritz-Vorrichtung II. übertragen. Folglich bewirkt das Schwingteil Schwingungen oder Biegesehwingungen mit großer Amplitude. Fig. 2 zeigt einen Fall, in dem das Schwingten eine Biegeschwingung vierter Ordnung bewirkt. Die gesamte Umfangsoberfläche des Schwingteils 101 bewirkt eine durch X dargestellte elastische Verformung beim einen Schwingungshalbzyklus und eine durch Y gezeigte andere elastische Verformung mit einer Phase, die derjenigen der erstgenannten entgegengesetzt ist,
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beim anderen Halbzyklus. Das Ergebnis ist die Erzeugung einer energiereichen Ultraschallschwingung auf der inneren und der äußeren Schwingungsumfangsoberflache des Hohlzylinders.
In diesem Fall kann man die Schwingungsamplitude dadurch verändern, daß man die Menge der zugeführten elektrischen Energie variiert, so daß die zu zerstäubende Kraftstoffmenge, die Größe der Kraftstoffteilchen usw. gesteuert werden kann.
Was den Kraftstoffzufuhrteil IH1 betrifft, so wird die Kraftstoffpumpe 11 so betätigt, daß im Kraftstofftank 10 befindlicher Kraftstoff aus diesem herausgepumpt wird. Danach wird der Kraftstoff durch den Druckregulator 13 auf einem gegebenen Druckwert gehalten und dann über das Kraftstoffzufuhrrohr 17 an die Kraftstoff einspritzdüse 2 geliefert. Währenddessen steuert die Steuereinheit 9 der Steuervorrichtung IV1 die zu liefernde Kraftstoffmenge entsprechend den Laufbedingungen des Motors. Auf die Einleitung von Luft in die jeweiligen Zylinder des Motors wird von der Steuereinheit 9 ein Signal an das elektromagnetische Nadelventil, mit dem die Kraftstoffeinspritzdüse 2 versehen ist, geliefert, um dieses Ventil zu öffnen, so daß eine gegebene Kraftstoffmenge übor einen Auslaß der Kraftstoffeinspritzdüse 2 auf die innere und die äußere Umfangsoberfläche des Schwingteils 101 geliefert werden kann. Der auf das Schwingteil 101 gegebene Kraftstoff kann aufgrund der Ultraschallschwingung augenblicklich in extrem feine Teilchen zerstäubt und in den Einlaßkanal I1 gegeben werden, worauf der
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solchermaßen zerstäubte Kraftstoff durch und durch mit Luft vermischt werden kann, die das Schwingteil umgibt, und zwar aufgrund der in der Luft erzeugten Ultraschallwellen. Danach kann das solchermaßen erzeugte Gemisch durch die Einlaßleitung 7 in die Verbrennungskammer 6 des Motors 5 geführt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Ultraschall-Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung kann durch eine Einspritzdüse eingespritzter Kraftstoff aufgrund der Ultraschallschwingung auf der inneren und der äußeren Umfangsfläche des geraden, hohlen und kreiszylinderförmigen Schwingteils derart zerstäubt werden, daß man zerstäubte Kraftstoffteilchen einer Größe erhält, die viel kleiner als diejenige von Kraftstoffteilchen ist, die man bei einer bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung erhält. Zudem kann aufgrund der gleichförmigen Verteilung der Ultraschallschwingung über die gesamten Oberflächen des Schwingteils eine Gemischcharge mit zerstäubten Kraftstoffteilchen gleichmäßiger Größe in die Verbrennungskammern des Motors gegeben werden. Dadurch wird beim Laufen des Motors eine zufriedenstellende Verbrennung eines mageren Gemisches ermöglicht, und zwar mit den resultierenden Verbesserungen sovrohl hinsichtlich des Laufverhaltens des ein mageres Gemisch η verwendenden Motors als auch hinsichtlich der Verhinderung schädlicher Gase und somit hinsichtlich der Reinhaltung von Abgasen, was zu einer Verbesserung des.KraftstoffVerbrauchs und dergleichen hinzukommt. Des weiteren könnei bei der erfindungsgemäßen Ultraschallkraftstoff-Einspritz- und Zufuhrvorrichtung die innere und die äußere Um-
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fangsoberfläche der Wand des Schwingteils 101, das die Form eines Hohlzylinders mit großer Oberfläche aufweist, wirksam als Kraftstoff zerstäubende Oberflächen verwendet werden, so daß eine große Kraftstoffmenge zerstäubt werden kann, und damit der Kraftstoffbedarf erfüllt werden kann, der sich bei einem weiten Arbeitsbereich eines Motors ergibt.
Anhand der Fig. 3 wird nun ein wesentlicher Teil der zweiten Ausführungsform, die dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt entspricht, erläutert. Gleiche Teile wie bei der ersten Ausführungsform sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet und nicht mehr erläutert.
Das Merkmal der Ultraschall-Kraftstoff-Einspritz-Versorgungsvorrichtung liegt bei dieser Ausführungsform darin, daß Kraftstoff durch eine Kraftstoffeinspritzdüse im Kraftstoffeinspritzteil Up in divergierender Form eingespritzt wird, d. h. in einer konischen Form,und daß auf solche Art eingespritzter Kraftstoff auf die innere Umfangsoberflache einer Wand eines geraden, hohlen und kreiszylinderförmigen Ultraschallschwingteils 201 für die Kraftstoffzerstäubung auftrifft.
Ein Einlaßkanal I2 wird durch ein kurzes Rohr220 gebildet, dessen stromaufwärts liegendes Ende mit einem Einlaßrohr 27 verbunden ist, das zu einem Luftreiniger 26 führt, während das stromabwärts gelegene Ende des Einlaßkanals Ig mit einer Einlaßleitung 7A verbunden ist, die zu einer Verbrennungskam-
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mer 6A eines Motors 5A führt. Der Einlaßkanal Ip umfaßt in seiner Mitte einen um 9-0° gebogenen Teil. Ein Drosselventil J5A ist stromaufwärts vom gebogenen Teil angeordnet und dient der Steuerung der Einlaßluftmenge.
Wie bei der vorausgehenden Ausführungsform ist ein Ultraschall-Wellengeneratorkörper 200 im Kraftstoffeinspritzteil IIp an der Wand des Einlaßkanals Ip an einer Stelle befestigt, die sich stromabwärts vom gebogenen Teil befindet. Das Ultraschall-Schwingteil 201 erstreckt sich in den Einlaßkanal Ip, wobei die Achse des Schwingteils mit der Achse des Einlaßkanals Ip übereinstimmt. Außerdem erstreckt sich eine Einspritzdüse 28 durch den gebogenen Wandteil des Einlaßkanals und ist an diesem von außen her befestigt, wobei ein Spitzenteil 28l der Einspritzdüse 28 in den Einlaßkanal I2 hineinragt. Bei der Kraftstoffeinspritzdüse 28 handelt es sich um eine solche, bei der wie bei der ersten Ausführungsform ein Düsenauslaß in Abhängigkeit von der Betätigung eines elektromagnetischen Nadelventils geöffnet oder geschlossen werden kann, wie es bei einer bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung der Fall ist. Wie bei einer bekannten Düse spritzt die bei dieser Ausführungsform verwendete Düse 28 Kraftstoff in einem divergierenden Muster ein, d. h. in einer konischen Form, wenn das elektromagnetische Nadelventil einen Auslaß der Einspritzdüse öffnet. Die Mitte einer ringförmigen öffnung oder eines ringförmigen Auslasses 282 der Düse 28 ist mit der Achse des Schwingteils 201 ausgerichtet und
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erstreckt sich in eine stromaufwärtsseitig angeordnete Öffnung 201A des Schwingteils 201. Die Kraftstoffeinspritzdüse 28 erlaubt sowohl ein divergierendes Zerstreuen des Kraftstoffs, der ' durch den Auslaß 282 der Düse 28 in konischer Form ausgestoßen worden ist, als auch, daß die gesamte Kraftstoffmenge auf die innere Umfangsoberflache der Wand des Schwingteils 201 gelangt. Der Ultraschallwellen-Generatorkörper 200 umfaßt einen Ultraschallwellen-Verstärkungsblocks 202 in Form eines stufenartigen Horns, der als mechanischer Schwingungsverstärkungsteil dient. Das Schwingteil 201 ist wie bei der ersten Ausführungsform mit dem Spitzenteil des Ultraschallwellen-Verstärkungsblocks 202 integriert. Der weitere Aufbau des Ultraschallwellen-Generatorkörpers und der Aufbau des Kraftstoffzufuhrteils IH2 unterscheidet sich nicht von der ersten Ausführungsform und wird folglich nicht beschrieben.
Eine Kraftstoffzufuhrmengen-Steuervorrichtung IV2 ist bei dieser Ausführungsform als elektronische Steuervorrichtung vorgesehen, die einen Druck innerhalb eines Einlaßrohres feststellt. Ein Fühler 29 ist an der Wand des Einlaßkanals I2 an einer Stelle, die stromabwärts vom gebogenen Teil des Einlaßkanals I2 liegt, zum Abtasten eines Druckes innerhalb des Einlaßrohres befestigt. D.h., der Fühler 29 fühlt oder ermittelt den Druck eines Gemisches, das in die Verbrennungskammer Gk des Motors 5A gegeben wird, und liefert ein elektrisches Signal an eine Steuereinheit 9, die der Steuerung einer Kraftstoffzufuhrmenge dient. Außerdem werden der Steuereinheit 9 ein Zündsignal vom Verteiler 20
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if
und elektrische Signale, welche die Temperaturen eines Zylinderkopfes und eines Kurbelwellengehäuses für den Motor repräsentieren und durch Temperaturfühler ^O und 31 festgestellt worden sind, zugeführt. Die Steuereinheit bestimmt bei jedem Zyklus die zuzuführende Kraftstoffmenge im Einklang mit den Laufbedingungen des Motors, und kann ein Steuersignal an das elektromagnetische Nadelventil für die Kraftstoffeinspritzdüse 28 liefern. Ein Einlaßrohr-Innendruckschalter 32 wird betätigt, wenn die Motorausgangsleistung unter einer Betriebsbedingung erhöht werden soll, die in der Nähe einer vollständig geöffneten Stellung des Drosselventils 3A liegt. Zu diesem Zeitpunkt wird mit Hilfe der Steuereinheit 9 ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis eingestellt. Der weitere Aufbau dieser Ausführungsform gleicht demjenigen der vorausgehenden ersten Ausführungsform.
Es folgt eine Beschreibung der Arbeitsweise der zweiten Ausführ ungsform.
Wie bei der ersten Ausführungsform bestimmt die Kraftstoffzufuhr-Steuervorrichtung IV2 eine dem Betriebszustand des Motors entsprechende optimale Kraftstoffnenge. Daraufhin wird eine gegebene Kraftstoffmenge durch di ϊ Kraftstoffeinspritzdüse 28 auf die innere Umfangsoberfläche des Ultraschallschwingteils 201 im Kraftstoffeinspritzteil H2 geliefert oder gespritzt. Demgemäß kann auf die innere Umfangsoberfläche des Sehwingteils 201 gegebener Kraftstoff aufgrund der Ultraschallschwingung augenblicklich zerstäubt werden, wobei sich extrem feine Kraft-
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stoffteilchen ergeben, und dann wird der zerstäubte Kraftstoff durch und durch mit Luft vermischt, und zwar aufgrund der Luftschwingung, die durch die Ultraschallschwingung des Schwingteils 201 in dessen Innenraum verursacht wird. Daraufhin wird ein Gemisch über die für den Motor 5A vorgesehene Eingangsleitung 7A in die Verbrennungskammer 6k gegeben. Die Ultraschallwellen-Kraftstoffzerstäubungsvorrichtung dieser Ausführungsform kann in zufriedenstellender Weise ein Gemisch für den Motor liefern, wobei das Motorbetriebsverhalten und die Abgasreinhaltung verbessert wird.
Da bei dieser Äusführungsform der Kraftstoff durch einen ring förmigen Düsenauslaß auf die innere Umfangsoberflache des Schwingteils mit der Form eines geraden, hohlen und kreisförmigen Zylinders gespritzt wird, kann nahezu die gesamte eingespritzte Kraftstoffmenge vom Schwingteil erfaßt werden, wodurch eine weitere vollständige Zerstäubung des Kraftstoffs aufgrund der Ultraschallwellen ermöglicht wird.
Weiterhin kann der erste erfindungsgemäße Aspekt nach Art der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform modifiziert werden. Es wird nun der wesentliche Teil der dritten Ausführungsform anhand der Fig. 4 beschrieben.
Entsprechend der Ultraschallkraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung dieser Ausführungsform ist ein hohlzylinderförmi-
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ges Ultraschallschwingteil 201 in einer Kraftstoffeinspritz-Vorrichtung II-, innerhalb einer als Einlaßkanal I, dienenden Einlaßleitung 7B für einen Motor 5B angeordnet. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung II,, die Kraftstoff aufgrund der Ultraschallschwingung zu zerstäuben vermag, ist in dichter Nähe einer Motorverbrennungskammer angeordnet.
Ein Ultraschallgeneratorkörper 200 ist durch die untere Wandoberfläche der zur Verbrennungskammer 6B führenden Einlaßleitung 7B geführt und von außen an dieser befestigt. Das Ultraschallschwingteil 201 des Ultraschallgeneratorlcorpers 200 ragt in das Innere der Einlaßleitung 7B. Eine Einspritzdüse 28 ist von außen in ein kurzes Rohr 23>O, das einen Einlaßkanal bildet, eingesetzt, wobei eine Düsenspitze 28l der Einspritzdüse 28 in die Einlaßleitung 7B hineinragt. Dabei ist ein ringförmiger Auslaß 282 der Düse 28 auf der Achse des Schwingteils 201 angeordnet und erstreckt sich in eine stromaufwärtsseitige öffnung 201A des Schwingteils 201. Wie bei der zweiten Ausführungsform ermöglicht die Einspritzdüse 28 das Einspritzen von Kraftstoff durch ihren Auslaß 282 in einem divergierenden Muster, d. h. in einer konischen Form, und der eingespritzte Kraftstoff kann vollständig auf die innere Umfangsoberfläche des Schwingteils 201 gegeben werden.
Der weitere Aufbau der dritten Ausführungsform gleicht demjenigen der ersten beiden Ausführungsformen. Auch bei dieser Aus-
führungsform bestimmt die Steuervorrichtimg IV, im Einklang mit dem Betriebszustand des Motors die einzuspritzende optimale Kraftstoffmenge, und dann wird der solchermaßen durch die Einspritzdüse 28 eingespritzte Kraftstoff auf die innere Umfangsoberfläche des Ultraschallschwingteils 201 in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung I3U gegeben, um aufgrund der Ultraschallschwingung zerstäubt zu werden.
Demgemäß kann die Ultraschall-Kraftstoff-Einspritzvorrichtung dieser Ausführungsform Kraftstoff in Form extrem feiner Teilchen gleichmäßiger Größe an einen Motor liefern und dadurch das Betriebsverhalten des Motors und die Reinhaltung der Abgase verbessern. Bei dieser Ausführungsform kann eine Kraftstoffzerstäubung aufgrund von Ultras? hallwellen an einer Stelle stattfinden, die dichter bei der Verbrennungskammer des Motors liegt, als bei dsn vorausgehenden AusfUhrungsformen, so daß die Länge des Kanals für die Zufuhr von Kraftstoff zur Verbrennungskammer verkürzt werden kann. Dadurch verringert sich die Kraftstoffmenge, die an der Wandinnenoberfläche des Einlaßkanals I, hängenbleibt, so daß nahezu die gesamte zugeführte Kraftstoffmenge in die Motorverbrennungskammer gelangen kann und der Kaltstart das Motors erleichtert ist.
Es folgt eine Beschreibung des zweiten erfindungsgemäßen Aspektes anhand der in Fig. 5 gezeigten vierten Ausführungsform.
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Entsprechend der Ultraschall-Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung der vierten Ausführungsform ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung II2, stromaufwärts vom Verzweigungspunlct eines Einlaßverteilers angeordnet. Mit Hilfe eines hohlzylinderförmigen Ultraschallschwingteils im Kraftstoffeinspritzteil zerstäubter Kraftstoff kann auf jedes Verteilerzweigrohr verteilt werden, um eine Gemischladung gleichmäßig an die einzelnen Verbrennungskammern des Motors zu liefern.
Ein durch ein kurzes Rohr 320 gebildeter Einlaßkanal I^ ist mit seinem stromaufwärts gelegenen Ende mit einem Einlaßrohr 27A verbunden, das zu einem (nicht gezeigten) Luftfilter führt, während sein stromabwärts gelegenes Ende mit einer Einlaßkammer 33 verbunden ist, die als Verteilerrohr dient, das eine Gemischladung zu verteilen und in die Motorverbrennungskammern zu liefern vermag. Die Einlaßkammer 33 ist in ihrer Wand mit Warmwasserdurchlaßlöchern J>k versehen, durch die Kühlwasser für den Motor zirkuliert, und mit verzweigten Einlaßkanälen 35, die zu den einzelnen Verbrennungskammern eines Mehrzylindermotors führen.
Der Einlaßkanal I2, weist einen um 90° gebogenen Teil auf. Ein Drosselventil 3B zur Steuerung der Einlaßluftmenge ist auf der stromaufwärts gelegenen Seite des gebogenen Teils angeordnet. Ein Ultraschallgeneratorkörper 300 in der Kraftstoffeinspritzvorriehtung II2, ist auf der stromabwärts gelegenen Seite des gebogenen Teiles an der Wand des Einlaßkanals
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I2^ befestigt. Ein Ultraschallschwingteil 301 ist in den Einlaßkanal Iw hineinragend angeordnet, wobei die Achse des Schwingteils 301 mit der Achse des Einlaßkanals ausgerichtet ist. Eine Einspritzdüse 36 ist von außen am gebogenen Teil des Einlaßkanals I4, befestigt. Ein Spitzenteil 361 der Einspritzdüse 36 ragt in den Einlaßkanal I1^, wobei der Spitzenteil 36I auf der Achse des Schwingteils angeordnet ist und sich in eine stromaufwärtsseitige öffnung 30IA des Schwingteils 301 erstreckt. Außerdem sind, mehrere Düsenöffnungen 63A in einem gleichen Umfangsabstand angeordnet, wobei diese Düsenöffnungen derart positioniert sind, daß aus ihnen eingespritzter Kraftstoff auf die Biege schwingungen verursachenden Schwingungsknotenstellen auf der inneren Umfangsoberflache des Schwingteils 3°1 geliefert wird.
Ein Ultraschallgeneratorkörper 3OO umfaßt einen Ultraschallschwingungs-Verstärkungsblock 302 mit der Form eines.konischen Horns, und dieser Block enthält ein kegelstumpfförmig verjüngtes Teil und wirkt als Verstärkerteil für mechanische Schwingungen. Der einen kleinen Durchmesser aufweisende Spitzehteil des Blocks 302 ist mit einem Schwingteil 301 integriert, das so ausgelegt ist, daß es Biegeschwingungen bei der Resonanzfrequenz der Ultraschallwellen des Ultraschallgeneratorkörpers bewirkt. An dem einen großen Durchmesser aufweisenden anderen Endteil des Blocks 302 ist ein magnetostriktiver Wandler 3°3 befestigt. Der Ultraschallgeneratorkörper 300 umfaßt eine Tragplatte 304 an einer Stelle des Ultraschallschwingungs-Verstärkungsblocks
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an der sich die Longitudinalschwingungen aufheben, d. h., an der Schwingungsknoten auftreten. Die Tragplatte 304 ist mittels mehrerer Schrauben 39 an einem Sitz 38 befestigt, der an einer Wand des Einlaßkanals I^ befestigt ist.
Ein Leitungsdraht II3 ist in Windungen um den magnetostriktiven Ultrasehallwandler 303 gewickelt und führt zu einem Ultrasehalloszillator 110. Mit der Eingangsseite des Ultraschalloszillators ist ein Leitungsdraht II5 verbunden, der über einen Schwingungselement-Startschalter 114 mit einer Energiequelle 25 verbunden ist. Der Schwingungselement-Startschalter 114 arbeitet mit einem (nicht gezeigten) Startschalter für den Motor zusammen. Außerdem ist wahlweise ein mechanisches Kraftstoffsteuer- und Zufuhrsystem vorgesehen zur Steuerung der Zufuhr und des Durchsatzes von Kraftstoff zur bzw. durch die Einspritzdüse 36.
Eine Kraftstoffsteuer- und Zufuhrvorrichtung HI^ umfaßt einen Kraftstofftank 10 zur Speicherung von Kraftstoff und eine vom Motor getriebene Pumpe 40, die der Düse 36 über ein Einspritz-Kraftstoffrohr 47 Kraftstoff zuführt. Die Pumpe 40 ist mit einer Steuervorrichtung 4l verbunden, die mechanisch den Kraftstoffdurchsatz zu steuern vermag, der von der Pumpe 40 in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors und einem Einlaßvakuumdruck im Motor geliefert wird.
Die Steuervorrichtung 41 ist mit einer Membrankaramer 42 zur
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Steuerung der Gemischladung versehen. In der Kammer 42 befindet sich eine Membran und diese spricht sowohl auf einen KraftstoffSteuerdruck an, der über ein Einlaßkammerdruckrohr 43 zugeführt wird, das den in der als Verteiler dienenden Einlaßkammer 33 herrschenden Druck zu übermitteln vermag, als auch durch ein Kraftstoffabflußmengen-Kompensationsdruckrohr 44, das eine Kraftstoffabflußmenge in Abhängigkeit von der Motordrehzahl zu kompensieren vermag, als auch durch ein Leerlaufkraftstoff-Kompensationsdruckrohr 45. Eine Verschiebung der Membran kann ein für die Pumpe 40 vorgesehenes Einspritzkraftstoff-Steuerventil betätigen, wodurch der Durchsatz des einzuspritzenden Kraftstoffs gesteuert wird. Ein Luftsteuerventil 46 wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Motorkühlwassers betätigt. Ein Kraftstoffzufuhrrohr 48 mündet einen Endes in den Kraftstofftank 10 und ist anderen Endes mit der Pumpe 40 verbunden.
Wenn die vierte Ausführungsform gemäß Fig. 5 in Betrieb ist und der Schwingelement-Startschalter 114 aufgrund eines Startvorgangs des Verbrennungsmotors geschlossen ist, wird der Ultraschalloszillator 110 in Betrieb gesetzt. Daraufhin liefert der Ultraschalloszillator eine elektrische Schwingung mit der Resonanzfrequenz der Ultraschallwellen des Ultraschallgeneratorkörpers 300 an den iriagnetostriktiven Ultraschallwandler 303, wodurch die elektrische Schwingung in eine Ultraschallschwingung umgewandelt wird. Die Amplitude
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der solchermaßen erzeugten Ultraschallschwingung wird durch den Ultraschallschwingungs-Verstärkungsblock J02 verstärkt. Daraufhin wird die Ultraschallschwingung auf das Ultraschallschwingteil 301 übertragen, das durch einen geraden, tohlen und kreisförmigen Zylinder gebildet ist. Wie die zur ersten Ausführungsform gehörende Fig. 2 zeigt, ist das Ultraschallschwingteil 301 so ausgelegt, daß es eine Biegeschwingung vierter Ordnung verursacht, die eine Biegeschwingung großer Amplitude zur Folge hat mit Schwingungsknoten, die an den mit M gekennzeichneten Stellen erscheinen.
Unterdessen wird auf das Starten des Verbrennungsmotors hin der Kraftstoffdurchsatz durch den Kraftstoffsteuer- und Zufuhrteil Illh gesteuert und dann wird von der Pumpe 40 abgegebener Kraftstoff über das Einspritzkraftstoff-Zufuhrrohr an eine Vielzahl von Auslassen 361h der Einspritzdüse 36 geliefert, um zur inneren Umfangsoberfläche des Schwingteils 3OI eingespritzt zu werden, und zwar auf die Stellen der Sohwingungsknoten, wobei diese · innere Umfangsoberfläche Biegeschwingungen ausführt. Auf die Schwingungsknoten gespritzter Kraftstoff zieht zu solchen Teilen der Schwingfläche des Schwingteils, die den Schwingungsbäuchen entsprechen. Dadurch bildet der Kraftstoff eine Schicht über der schwingenden Fläche, und diese Schicht wird in extrem feine Teilchen zerteilt und von der schwingenden Oberfläche in zerstäubter Form abgesprüht. Bei der Ultraschall-Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung gemäß dieser Ausführungsform wird Kraftstoff
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auf die Schwingungsknotenstellen der Ultraschallschwingungen verursachenden Schwingoberfläche gebracht und dadurch wird eine stetige, gleichförmige Kraftstoffzerstäubung über einen weiten Mengenbereich des zugeführten Kraftstoffs ermöglicht. Zusätzlich wird bei dieser Ausführungsform Kraftstoff auf der Oberfläche eines Hohlzylinders aufgrund gleichmäßiger Ultraschallschwingungen zerstäubt, so daß im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen dieser Art feinere und eine gleichmäßigere Größe aufweisende Teilchen zerstäubten Kraftstoffs erhalten werden können, und es kann noch eine große Menge zerstäubten Kraftstoffs zur Versorgung von vier Zylindern verteilt werden. Des weiteren kann die Wand der als Verteilerrohr dienenden Einlaßkammer J53 durch erwärmtes Motorkühlwasser aufgewärmt werden, so daß zerstäubter Kraftstoff nicht an der Wand eines Kanals hängenbleibt sondern eine extrem gleichmäßige Gemischladung gebildet wird, wodurch eine gleichmäßige Verteilung einer Gemischladung auf die einzelnen Verbrennungskammern eines Mehrzylindermotors ermöglicht wird. Demgemäß ermöglicht die Vorrichtung nach dieser Ausführungsform eine zufriedenstellende Verbrennung eines mageren Gemisches, und dadurch werden das Laufverhalten des ein mageres Gemisch verwendenden Motors und die Reinhaltung der Abgase aufgrund der Verhinderung schädlicher Gasbestandteile verbessert, und zwar zusätzlich zu den Verbesserungen hinsichtlich Verbrauch und dergleichen.
Anders als bei den vorausgehenden Ausführungsformen ermöglicht
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darUberhinaus eine einzige Kraftstoffeinspritzvorrichtung die Erzeugimg einer Gemischmenge, die für einen Vlelzylindermotor erforderlich ist, und eine gleichmäßige Verteilung der Gemischmenge auf die einzelnen Zylinder des Motors, Folglich ist die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform einfacher im Aufbau als die der vorausgehenden Ausführungsformen, was eine Kostenreduzierung und eine leichtere Wartung ermöglicht.
Wenn auch die Beschreibung auf die Verwendung eines magnetostriktiven und eines piezoelektrischen Elementes als Ultraschallwandler für einen Ultraschallwellengeneratorteil gerichtet ist, so können an deren Stelle jedoch auch irgendwelche anderen Vorrichtungen mit vergleichbaren Punktionen verwendet werden. Und selbst für den Fall der Verwendung piezoelektrischer und magnetostriktiver Elemente bedeuten die beschriebenen Ausführungsformen nur Beispiele.
Des weiteren ist die Beschreibung auf einen Ultraschallschwingungs-Verstärkungsblock mit einem exponentialförmigen, einem stufenförmigen und einem konischen Horn gerichtet. Es können jedoch auch irgendwelche anderen Hornformen verwendet werden, so lange diese mechanische Schwingung zu verstärken vermögen. Beispielsweise kann ein Fouriersches Horn, ein kettenlinienförmiges Horn und dergleichen verwendet werden.
Außerdem ist die Beschreibung bei den einzelnen Ausführungsformen anhand eines Sehwingteils mit der Form eines geraden, hohlen und kreisföraiigen Zylinders vorgenommen worden. Stattdessen kann jedoch irgendein beliebiger zylinderförmiger Kör-
per rait gegenüberliegenden offenen Enden und mit einer dünnen Wandstärke verwendet werden, beispielsweise ein hohler elliptischer Körper, ein hohler polygonaler Körper 3 ein hohler zylinderförmiger Körper mit ungleicher Wanddicke. überdies kann ein rechteckiges Metallblatt mit vorgegebenen Abmessungen in eine zylindrische Form und einen Verbindungsteil gebracht werden. Dann kann der Verbindungsteil durch Schweißen und dergleichen einstückig am Spitzenteil des Ultraschallschwingungs-Verstärkungsteils befestigt werden, Oder ein Ende eines hohlen zylinderförmigen Körpers, das dem anderen, an einem anderen Teil befestigten Ende gegenüberliegt, kann als eine sich axial erstreckende, schlitzartige Öffnung vorgesehen werden.
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Claims (9)

  1. BLUMBACH . WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER . HIRSCH
    PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN
    Postadresse München: Patentconsult 8 München 60 Radeckestraße 43 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Postadresse Wiesbaden: Patentconsult 62 Wiesbaden Sonnenberger Straße 43 Telefon (06121)562943/561998 Telex 04-186237
    Pat entansprüche
    IlJ Kraftstoffeinspritz- und Zufuhrvorrichtung mit einem Einlaßkanal, durch den Luft-Kraftstoffgemisch zugeführt wird und der einen Endes in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors mündet, mit einer Kraftstoffeinspritzdüsen-Anordnung, mit einer Kraftstoffzufuhr-Einrichtung zum Heranführen von Kraftstoff von einem Kraftstofftank und zum Zuführen dieses Kraftstoffs zur Kraftstoffeinspritzdüsen-Anordnung und mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung derjenigen Kraftstoffmenge, die durch die Einspritzdüsenanordnung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors zugeführt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritz-Vorrichtung (H1; H2; II,; H^) einen Ultraschallwellengenerator (100; 200; 300) aufweist mit einem an einen Ultraschalloszillator (110) angeschlossenen Ultraschallwandler (104-A, 104B; 303) zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen, mit einer am Ultraschallwandler befestigten Einrichtung (102; 202; 302) zur Verstärkung der Amplitude der me-
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    München: Kramer · Dr.Weser ■ Hirsch — Wiesbaden: Blumbach · Dr. Bergen · Zwirner
    chanischen Schwingungen, und mit einem hohlzylinderförmigen Schwingteil (10Ij 201; 301), dessen Umfangswand an der Spitze der mechanische Schwingungen verstärkende!Einrichtung befestigt ist, dessen Achse im wesentlichen senkrecht zur Längsachse der mechanische Schwingungen verstärkenden Einrichtung verläuft, das einander gegenüberliegende offene Enden aufweist und das im Einlaßkanal (Ι,; Ί.', I,j IV2.) derart angeordnet ist, daß es den Kraftstoffluß durch den Einlaßkanal nicht behindert, und daß die Düsenöffnung (282; j36lA) der Kraftstoffeinspritzdüsen-Anordnung (2; 28; ^6) auf die Umfangswand des Schwingteils gerichtet ist, um flüssigen Kraftstoff unter Druck auf diese umfangswand zu spritzen, so daß Kraftstoff, der auf die Umfangswand des Ultraschallschwingungen ausführenden Sehwingteils gespritzt wird, aufgrund dieser Ultraschallschwingungen zerstäubt und versprüht und danach zusammen mit Luft von einer Luftreinigungsvorrichtung einer Verbrennungskammer (6; 6A; 6B) des Verbrennungsmotors (55 5A; 5B) zugeführt wird.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Kraftstoff einspritzvorrichtung (H1; H2; IHj im Einlaßkanal (I.; Ig; 1^) neben einer Einlaßleitung (7; 7A; 7B) einer jeden von mehreren Verbrennungskammern des Motors vorgesehen ist und daß der aufgrund der Ultraschallschwingungen des zylinderförmigen Sehwingteils zerstäubte und versprühte flüssige Kraftstoff .augenblicklich zur Je-
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    weiligen Verbrennungskammer des Motors zuführbar ist.
  3. 3· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Kraftstoffeinspritzvorrichtung (IIj.) im Einlaßkanal (lh) auf der stromaufwärts gelegenen Seite eines Verzweigungspunktes eines mit mehreren Verbrennungskammern des Motors verbundenen Einlaßverteilers (33) vorgesehen ist und daß der aufgrund der Ultraschallschwingung des zylinderförmigen Schwingteils zerstäubte und versprühte flüssige Kraftstoff den Verbrennungskammern durch den Einlaßverteiler (33) zuführbar ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingteil (101; 201; 301) mit hohlzylinderförmigem Körper eine dünne Wand konstanter Dicke in axialer und radialer Richtung aufweist und ausgewählt ist aus einem geraden, hohlen und kreisförmigen Zylinder, einem hohlen elliptischen Körper, einem hohlen polygonalen Körper, einem hohlen zylinderförmigen Körper mit ungleicher Wanddicke und einem hohlen zylinderförmigen Körper, der durch Biegen und Verschweißen einer rechteckigen Metallplatte mit vorbestimmtea Abmessungen hergestellt ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Schwingungen verstärkende Einrichtung (102; 202; 302) ausgewählt ist aus einem expo-
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    nentialförmigen Horn, einem abgestuften Horn, einem konischen Horn, einem Fourier-Horn und einem Kettenlinienhorn,
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallwandler (1O4A, 104B; ausgewählt ist aus einem solchen mit piezoelektrischen EIe
    einem
    menten und einem solchen mit/magnetostriktiven Element.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffeinspritzdüsen-Anordnung (2; 28; 36) ausgewählt ist aus einer solchen mit einem elektromagnetischen Nadelventil, einer solchen mit einem elektromagnetischen Nadelventil und einer Düse mit einer kreisförmigen öffnung, einer solchen mit einem elektromagnetischen Nadelventil und einer Düse mit einer ringförmigen öffnung, die Kraftstoff nach einem divergierenden Muster konischer Form einspritzt, und einer solchen mit einem elektromagnetischen Nadelventil und einer Düse mit einer Vielzahl von öffnungen, die am Umfang des Spitzenteils der. Düse angeordnet sind.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (9; 4l) ausgewählt ist aus einer-elektrischen Steuervorrichtung zur Feststellung eines Luftdurchsatzes, einer elektrischen Steuervorrichtung zur Feststellung des Druckes innerhalb eines Einlaßrohres und einer Steuervorrichtung zur mechanischen
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    Steuerung des Durchsatzes des von einer Pumpe (40) zu liefernden Kraftstoffs in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und einem Einlaßvakuumdruck des Motors.
  9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das hohlzylinderförmige Schwingteil (101; 201i 301) eine vorbestimmte Länge zwischen seinen sich gegenüberliegenden Enden aufweist sowie eine dünne Wand konstanter Dicke in axialer und radialer Richtung, so daß die innere und die äußere Umfangsoberfläche koaxial zueinander liegen.
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