DE2650415B2 - Vorrichtung zum Einspritzen und Zerstäuben, von Kraftstoff - Google Patents

Vorrichtung zum Einspritzen und Zerstäuben, von Kraftstoff

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen und Zerstäuben von Kraftstoff, mit einem Einlaßkanul für die Verbrennungsluft und für die Zuführung des Luft-Kraftstoffgemisches zu mindestens einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, mit einer Einspritzdüsenanordnung, mit einer Steuereinrichtung für die Steuerung der jeweils von den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors abhängigen Einspritzmenge und mit einem Ultraschallgenerator mit Oszillator und Wandler, wobei der eingespritzte Kraftstoff auf die Oberfläche eines vom Wandler beaufschlagten Schwingelementes gerichtet ist
Eine solche Vorrichtung ist aus der GB-PN 12 55 144 bekannt geworden. Dieselbe ist jedoch nur unter relativ eng umschriebenen Betriebsbedingungen eines Motors zu gebrauchen, beispielsweise für den Leerlauf, da bei ihr nur eine verhältnismäßig kleine Schwingfläche mit Kraftstoff beaufschlagt werden kann. Diese kleine Schwingfläche ist nicht in der Lage, größere Mengen an eingespritztem Kraftstoff fein und gleichmäßig zu zerstäuben. Würde nun bei hohen Drehzahlen des Motors eine größere Menge an Kraftstoff benötigt und eingespritzt, dann ergäben sich Brennstoffteilchen von erheblicher und vor allem auch nicht einheitlicher Größe, so daß von einer wünschenswerten, feinen Zerstäubung keine Rede mehr sein kann. Die Folge sind höherer Kraftstoffverbrauch und höhere, unerwünschte Schadstoffemissionen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine Vorrichtung der genannten Bauart zu schaffen, mit welcher sich der Kraftstoff in sehr kleine Teilchen gleichmäßiger Größe zerstäuben läßt, so daß sowohl die Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors verbessert als auch sein Kraftstoffbedarf verringert werden, wobei sich gleichzeitig eine größere Reinheit der Abgase von Schadstoffen erreichen läßt.
Diese Aufgabe wird durch das Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.
Erfindungsgemäß wird somit eine Menge flüssigen Kraftstoffs, die einer Brennkammer eines Verbren nungsmotors zugeführt werden soll, durch eine Steuereinrichtung bestimmt und dann durch eine Düse oder Düsen der Einspritzdüsenanordnung auf die Oberfläche
des rohrförmigen Ultraschallschwingelements gespritzt, so daß der Kraftstoff, der auf die rohrförmige Wand des Schwingelements, d. h. auf eine schwingende Oberfläche großer Abmessung, gegeben wird, a'ifgrund der hochfrequenten Ultraschallschwingung über der ο schwingenden Oberfläche des Schwingelements verbreitet wird, um dadurch einen Flüssigkeitsfilm auf dieser Oberfläche zu erzeugen. Der sclchermaßen erzeugte Flüssigkeitsfilm wird in winzige Teilchen zerstäubt, und zwar aufgrund der eine gegebene Wellenlänge aufweisenden Oberflächenwellen, die vom Ultraschall erzeugt werden. Als Ergebnis kann man zerstäubten Kraftstoff mit viel kleineren und viel gleichmäßiger bemessenen Teilchen erhalten, als dies bei der bekannten Vorrichtung möglich ist. Der solchermaßen in winzige Teilchen zerstäubte flüssige Kraftstoff wird durch und durch mit Luft innerhalb des Einlaßkanais vermischt Die Luft ist natürlich ebenfalls der Ultraschallschwingung des Schwingelenients ausgesetzt, wodurch ein gleichmäßiges Luft-Kraftstoffgemisch für die Zuführung zu den Brennkammern des Verbrennungsmotors erzeugt wird. Das gleichmäßige magere Gemisch gewährleistet eine stabile Verbrennung, wodurch die Menge schädlicher Abgase reduziert wird.
Durch Auswahl der Amplitude und der Frequenz der Ultraschallwellen kann man die Teilchengröße des zerstäubten Kraftstoffs im voraus wählen, sodaL· extrem feine Teilchen zerstäubten Kraftstoffs geliefert werden können und der Verbrennungskammer des Motors ein jo Gemisch zugeführt werden kann, das zerstäubten Kraftstoff mit gewünschter Teilchengröße aufweist, wodurch der Reinheitsgrad der Abgase weiter beeinflußt werden kann.
Überdies besteht keine Notwendigkeit, Kraftstoff mit ü derart hohem Druck einzuspritzen, wie es bei anderweitigen Vorrichtungen zuweilen erforderlich ist, um Kraftstoff allein durch Einspritzung mittels einer Düse direkt fein zu zerstäuben. Erfindungsgemäß wird nämlich der Kraftstoff ausschließlich auf das Schwingelement gespritzt, um den Kraftstoff mit dem Schwingelement in Berührung zu bringen und ihn durch die schwingende Oberfläche zu zerstäuben, weshalb das Kraftstoffeinspritzen durch die jeweilige Düse unter verhältnismäßig niedrigem Druck durchgeführt werden kann. Als Folge davon lassen sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Einspritzdüsenanordnung mit einfachem Aufbau und eine kleine Pumpe verwenden.
Folglich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung billiger und leichter zu warten.
Die vorliegende Erfindung kann nach zwei Aspekten in die Praxis umgesetzt werden.
Das Merkmal des ersten Aspektes besteht darin, daß mehrere Einspritzdüsenanordnungen in einer Vorrichtung vorgesehen sind, und zwar je eine für jeden Zylinder des Motors, und daß sie dicht neben Einlaßleitungen für die Brennkammern des Motors angeordnet sind. Dabei wird Kraftstoff, der der Umfangswand des UltraschaP.schwingelements durch die Einspritzdüsenanordnung zugeführt wird, aufgrund der durch das Schwingelement verursachten Ultraschallschwingung augenblicklich zerstäubt, worauf der solchermaßen zerstäubte Kraftstoff umgehend an die jeweilige Brennkammer des Motors geliefert wird.
Das Merkmal des zweiten Aspektes besteht darin, ω daß eine einzige Einspritzdüsenanordnung auf d>;r stromaufwärts gelegenen Seite des Verzweigungspunxtes eines Eiplaßverteilers angeordnet ist, so daß wie beim ersten Aspekt aufgrund der Ultraschallschwingung zerstäubter Krartstoff durch den Einlaßverteiler auf die einzelnen Brennkammern des Motors verteilt werden kann. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung ein rohrförmiges Schwingelement mit einer verhältnismäßig großen Oberfläche enthält, 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, sodaß jeder Brennkammer 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.
Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Gegenstände der Ansprüche 3 und 14 an sich bekannt sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung;
F i g. 2 eine schematische Darstellung, des Schwingzustandes eines Schwingelements der ersten Ausführungsform;
F i g. 3 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung;
Fig.4 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung;
F i g. 5 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, einer vierten Ausführungsform.
Bei der ersten Ausführungsform einer dem ersten Aspekt der Erfindung entsprechenden Vorrichtung zum Einspritzen und Zerstäuben von Kraftstoff ist ein rohrförmiges Schwingelement 101 mit kreisför.nigem Querschnitt innerhalb eines Einlaßkanals Ii im wesentlichen koaxial zu diesem und in dessen Mittelteil angeordnet. Das Schwingelement 101 besitzt beiderseits offene Enden. Dabei weist ein Ende des Zylinders zum stromaufwärts gelegenen Ende des Einlaßkanals Ii und das andere Ende zum stromabwärts gelegenen Ende des Einlaßkanals. Der Einlaßkanai Ii führt frische Luft und liefert eine Luftkraftstoff mischung; ferner ist er Teil einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung Hi.
Das Schwingelement hat eine vorbestimmte Länge zwischen seinen sich gegenüberliegenden Enden und weist eine dünne Wand mit einer konstanten Dicke in axialer und radialer Richtung auf, d. h. die innere und die äußere Umfangswandoberfläche des einen Hohlzylinder bildenden Schwingelementes 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 "on der stromaufwärts gelegenen Seite des Schwingelements 101 her schräg auf dessen Mitte gerichtet ist. Durch diese Einspritzvorrichtung wird ein divergierender Sprühstrahl erzeugt, derben Sprühwinkel so verändert werden kann, daß die innere und die äußere Umfangsoberfläche des unter Ultraschallschwingungen stehenden Hohlzylinders mit Kraftstoff besprüht wird, was dazu führt, daß der auf die innere und die äußere Umfangsoberfläche des Hohlzylinders gelangte Kraftstoff an diesen zerstäubt wird.
Das stromabwärts gelegene Rohrteil 120 des Einlaßkanals h schließt sich an das stromaufwärts gelegene Rohrteil 4 an, in dem sich ein Drosselventil 3 zur Steuerung der Einlaßluftmenge befindet. Das stromabwärts gelegene Rohneil 120 ist mit einer Einlaßleitung 7 verbundenen, die zu einer Brennkammer 6 eines Motors 5 führt.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung Hi enthält einen Ultraschall-Generatorkörper 100 mit dem Ultraschallschwingelement 101 und die Kraftstoffeinspritzdüse 2, κι die in einer bestimmten Position zum Schwingelement 101 gehalten wird, wie nachfolgend beschrieben wird.
Der Ultraschallgenerator 100 ist starr auf einem Sitz 8 befestigt, der auf der Wand des Rohrteils 120 gebildet ist, während das Schwingcicrncnt 1Oi in im wesentlicher, ι r, koaxialer Anordnung in das Zentrum des Einlaßkanals Ii hineinragt. Gegenüber dem Sitz 8 und schräg zur stromaufwärts gelegenen Seite des Schwingelements gerichtet, ist in der Wand des Einlaßkanals die Kraftstoffeinspritzdüse 2 befestigt, die mit einem Winkel von etwa 45° gegenüber der Achse des Einlaßkanals Ii geneigt ist und deren Auslaß auf die Mitte des Schwingelements 101 gerichtet ist. So kann durch die Düse 2 eingespritzter Kraftstoff auf die innere und die äußere Umfangsoberfläche des Hohlzylinders »5 auftreffen.
Der Ultraschallgenerator 100 enthält das bereits beschriebene und eine große Oberfläche aufweisende Schwingelement 101, wodurch energiereiche Ultraschallwellen erzeugt werden. Außerdem weist der Ultraschallgenerator 100 extrem kleine Abmessungen auf und kann folglich in den Einlaßkanal für eine Brennkammer eingebaut werden. Der Ultraschallwandler weist piezoelektrische Elemente 104A 104J5auf, die eingebettet sind zwischen einem Gegenblock 103 und v, einem Ultraschallverstärkungsblock, der im Längsschnitt nach einer Exponentialfunktion verlaufende Seitenlinien aufweist und als mechanisches Schwingungsverstärkungselement 102 dient und die mechanische Verbindung zwischen Schwingelement 101 und Wandler bildet. Diese piezoelektrischen Elemente werden mit Hilfe einer geeigneten Befestigungseinrichtung in ihrer Position gehalten. Das Schwingelement 101 ist einstückig mit dem vorderen Teil des Verstärkungselements 102 ausgebildet, wobei die Achse 1=, des Schwingelements 101 senkrecht zur Längsachse des Verstärkungselements 102 angeordnet ist. Das Verstärkungselement 102 bildet somit einerseits zusammen mit den piezoelektrischen Elementen 104Λ, 104B und dem Gegenblock 103 den Wandler und andererseits ein Horn, das mechanische Schwingungen zu verstärken vermag. Das Schwingelement 101 schwingt in der in F i g. 2 gezeigten Weise und bewirkt Biegeschwingungen mit der Frequenz der Ultraschallschwingung, die durch die piezoelektrischen Elemente 104/4, 104ß erzeugt und dann hinsichtlich ihrer Amplitude verstärkt werden. Das Verstärkungselement 102 umfaßt zwei Teile 102,4 und 1025, wobei das vordere Teil 102Λ, am rückseitigen Teil 102S mittels eines Bolzens 109 fest zu einem Stück verbunden ist Das Fußteil des Verstär- «> kungselements 102 ist mit einem Flansch 102Cverseheri, in dem mehrere Bolzenlöcher vorgesehen sind. Eine ringförmige Trageplatte 106 befindet sich mit Paßsitz auf dem Flansch 102C um diesen hinsichtlich seiner Biegesteifigkeit zu verstärken. Die Tragplatte 106 ist mit t>-> mehreren Muttergewindelöchern versehen, in die mehrere Bolzen 107 geschraubt sind. Mit Hilfe dieser Bolzen 107 ist der Flansch 102Cmit dem Flansch 103Λ des symmetrisch gegenüberliegenden Gegenblocks 103 verbunden, wobei die piezoelektrischen Elemente 104/4, 104ß. eine Elektrodenplatte 105 und eine Abstandplatte 108 zwischen diesen eingebettet sind.
An die Elektrodenplatte 105 ist ein '."ifingsdr^Ht 111 angeschlossen, der mit einer Ausgangsseite eines Ultraschalloszillators 110 verbunden ist. Die Eingangsseite des Oszillators 110 ist über einen eingangsseitigen Leitungsdraht 112 mit einer Steuereinrichtung 9 verbunden.
Ein Kraftstoffzuführteil 1111 umfaßt einen Kraftstofftank 10, eine mittels eines Rohres 14 mit dem Kraftstofftank 10 verbundene Kraftstoffpumpe 11, einen Druckregulator 13, der mit Hilfe eines Kraftstoffzuführungsrohres 15 über einen Kraftstoffüter 12 mit der Pumpe 11 verbunden ist, ein vom Druckregulator 13 zum Kraftstofftank 10 führendes Rücklaufrohr 16 für überschüssigen Kraftstoff und ein Einspritzkraftstoff-Zufuhrrohr 17, das einen Endes mit dem Kraftstoffzuführungsrohr 15 und anderen Endes mit der Kraftstoffeinspritzdüse 2 in Verbindung steht. Somit wird Kraftstoff von der Kraftstoffpumpe 11 über den Druckregulator 13 geliefert, der den jeweiligen Druck einstellt, und dann an die Kraftstoffeinspritzdüse gegeben. Wie bereits erwähnt, ist die Kraftstoffeinspritzdüse 2 in bekannter Weise aufgebaut. Ein Kraftstoff-Einspritr-auslaB wird in Abhängigkeit von der Betätigung eines elektromagnetischen Nadelventils geöffnet oder geschlossen.
Bei der Kraftstoff-Steuervorrichtung IVi handelt es sich um eine elektronische Steuervorrichtung, die den Luftdurchsatz feststellt. Hierzu gehört ein Luftdurchflußmesser 18 der stromaufwärts vom Einlaßkanal Ii vorgesehen ist. Der Durchsatz der durch den Einlaßkanal Ii fließenden Luft wird anhand einer Drehverstellung einer Meßplatte 19 des Luftdurchflußmessers 18 festgestellt und durch ein Potentiometer in ein elektrisches Signal umgesetzt, das der Steuereinrichtung 9 zugeführt wird, die die Einspritzmenge jeweils nach den Betriebsbedingungen des Motors steuert. Dabei wird auch ein Zündsignal von einem Verteiler 20 dieser Steuereinrichtung 9 zugeführt. Das von der Steuereinrichtung erzeugte Steuersignal wird dann auf das elektromagnetische Nadelventil der Kraftstoffeinspritzdüse 2 übertragen. Ein Temperaturfühler 21 stellt die Temperatur des Motorkühlwassers fest und erzeugt ein Signal, das ebenfalls an die Steuereinrichtung 9 geliefert wird. Ein Hilfsluftventil 22 ist in einer Luftumgehungsleitung vorgesehen, die einen Endes auf der stromabwärts gelegenen Seite und anderen Endes auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Drosselventils 3 in den Einlaßkanal Ii mündet Demgemäß kann der 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 aufrechtzuerhalten, während das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Gemischs während des Warmlaufens durch die Steuereinrichtung 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 Ürosselschalter 23 und der Motordrehzahl, die durch ein Zündsignal vom Verteiler 20 festgestellt wird, und die Kraftstoffzufuhr wird mit Hilfe der Steuereinrichtung 9 unterbrochen.
Mit der Steuereinrichtung 9 sind ein Startschalter 24
und eine Energiequelle 25, wie ein Generator oder eine Batterie, verbunden.
Die beschriebene erste Ausführungsform arbeitet folgendermaßen:
Wenn der Startschalter 24 beim Starten des ι Verbrennungsmotors geschlossen wird und daraufhin die Steuereinrichtung 9 und der Ultraschalloszillator 110 in Betrieb gesetzt werden, wird im Ultraschalloszillator eine elektrische Schwingung mit der Resonanzfrequenz des Ultraschallgenerators 100 erzeugt und auf die in piezoelektrischen Elemente 104Λ, 104ß gegeben, so daß der Ultraschallgenerator 100 longitudinal Schwingungen erzeugt; dabei dient die untere Oberfläche (in der Darstellung der Fig. 1) des Flansches 102C, d.h. die dem Schwingelement 101 näherliegende Oberfläche, als !■> Schwingungsknoten. Die Amplitude der Longitudinalschwingung wird vom Ultraschallverstärkungselement 102 verstärkt und dann auf das hohlzylinderförmige Schwingelement 101 in der Kraftstoffeinspritzvorrichtung H1 übertragen. Folglich führt das Schwingelement 101 Schwingungen oder Biegeschwingungen mit großer Amplitude aus. Fig.2 zeigt einen Fall, in dem das Schwingelement eine Biegeschwingung vierter Ordnung bewirkt. Die gesamte Umfangsoberfläche des Schwingelements 101 unterliegt einer durch X darge- 2i stellten elastischen Verformung beim einen Schwingungshalbzyklus, sowie einer anderen elastischen Verformung mit einer Phase, die derjenigen der erstgenannten entgegengesetzt ist, beim anderen Halbzyklus mit Λ/sind die Schwingungsknoten bezeich- jo net. Das Ergebnis ist die Erzeugung einer energiereichen Ultraschallschwingung auf der inneren und der äußeren Umfangsoberfläche des hohizylinderförmigen Schwingelements 101.
In diesem Fall kann man die Schwingungsamplitude dadurch verändern, daß man die Menge der zugeführten elektrischen Energie variiert, so daß die zu zerstäubende Kraftstoffmenge sowie die Größe der Kraftstoffteilchen gesteuert werden kann. Es werden die innere und die äußere Umfangsoberfläche der Wand des Schwingelements 101, somit eine verhältnismäßig große Oberfläche, für die Zerstäubung verwendet, so daß auch eine große Kraftstoffmenge zerstäubt werden und damit der Kraftstoffbedarf erfüllt werden kann, der sich bei einem weiterer. Arbeitsbereich eines Motors ergibt.
Anhand der F i g. 3 wird nun eine zweite Ausführungsform, die dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt entspricht, nach dem in jedem Ansaugrohr jedes Zylinders eine Einspritzvorrichtung angeordnet ist, erläutert. Gleiche Teile wie bei der ersten Ausführungsform sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet und nicht mehr erläutert.
Das besondere liegt bei dieser Ausführungsform darin, daß Kraftstoff durch eine Kraftstoffeinspritzdüse in Kraftstoffeinspritzteil Ib in divergierender Form eingespritzt wird und daß auf solche Art eingespritzter Kraftstoff lediglich auf die innere Umfangsoberfläche einer Wand eines geraden, hohizylinderförmigen Ultraschallschwingelements 201 für die Kraftstoffzerstäubung auftrifft
Ein Einlaßkanal I2 wird durch ein kurzes Rohr 220 gebildet dessen stromaufwärts liegendes Ende mit einem Einlaßrohr 27 verbunden ist das zu einem Luftfilter 26 führt während das stromabwärts gelegene Ende des Einlaßkanals I2 mit einer Einlaßleitung TA verbunden ist die zu einer Brennkammer 6/4 eines Motors 5/4 führt Der Einlaßkanal I2 umfaßt in seiner Mitte einen um 90° gebogenen Teil. Ein Drosselventil 3/4 ist stromaufwärts vom gebogenen Teil angeordnet und dient der Steuerung der Einlaßluftmenge.
Wie bei der vorausgehenden Ausführungsform ist ein Ultraschallgenerator 200 im Kraftstoffeinspritzteil Ib an der Wand des Einlaßkanals b an einer Stelle befestigt, die sich stromabwärts vom gebogenen Teil befindet. Das Schwingelement 201 erstreckt sich in den Einlaßkanal b, wobei die Achse des Schwingelements mit der Achse des Einlaßkanals b übereinstimmt. Außerdem erstreckt sich eine Einspritzdüse 28 durch den gebogenen Wandteil des Einlaßkanals und ist an diesem von außen her befestigt, wobei der vordere Teil 281 der Einspritzdüse 28 in den Einlaßkanal b hineinragt. Bei der Einspritzdüse 28 handelt es sich um eine solche, bei der wie bei der ersten Ausführungsform ein Düsenauslaß in Abhängigkeit von der Bestätigung eines elektromagnetischen Nadelventils geöffnet oder geschlossen werden kann. Dabei spritzt die Düse 28 Kraftstoff in einem divergierenden Strahl 282 ein sobald das elektromagnetische Nadelventil den Auslaß der Einspritzdüse öffnet. Die Mitte einer ringförmigen Öffnung der Düse 28 ist mit der Achse des Schwingelements 201 ausgerichtet und erstreckt sich in eine stromaufwärtsseitig angeordnete öffnung 201Λ des Schwingelementes. Der Ultraschallgenerator 200 umfaßt ein mechanisches Verstärkungselement 202 in Form eines stufenartigen Horns. Das Schwingelement 201 ist wie bei der ersten Ausführungsform mit dem vorderen Teil des Verstärkungselements 202 einstückig ausgebildet. Der weitere Aufbau des Ultraschallgenerators und der Aufbau des Kraftstoffzufuhrteils Hb unterscheiden sich nicht von der ersten Ausführungsform und werden folglich nicht erneut beschrieben.
Die Kraftstoffzufuhrmengen-Steuereinrichtung IV2 ist bei dieser Ausführungsform als elektronische Steuereinrichtung mit einem Druckfühler 29 ausgebildet, der an der Wand des Einlaßkanals I2 Hegt und den Druck des der Brennkammer 6Λ des Motors 5/4 zugeführten Gemisches ermittelt Das vom Druckfühler 29 erzeugte Signal wird an die Steuereinrichtung 9, die der Steuerung einer Kraftstoffzufuhrmenge dient, weitergegeben. Außerdem werden der Steuereinrichtung 9 ein Zündsignal vom Verteiler 20 und elektrische Signale, welche die Temperaturen des Zylinderkopfs und des Kurbelwellengehäuses für den Motor repräsentieren und durch Temperaturfühler 30 und 31 erhalten werden, zugeführt. Die Steuereinrichtung bestimmt bei jedem Zyklus die zuzuführende Kraftstoffmenge im Einklang mit den Betriebsbedingungen des Motors und iiefert ein Steuersignal an das elektromagnetische Nadelventil für die Kraftstoffeinspritzdüse 28. Ein Einlaßrohr-Innendruckschalter 32, der in der Nähe des Drosselventils 3/4 liegt, wird betätigt wenn die Motorausgangsleistung erhöht werden soll. Der weitere Aufbau dieser Ausführungsform gleicht demjenigen der ersten Ausführungsform.
Es folgt eine Beschreibung der Arbeitsweise der zweiten Ausführungsform:
Wie bei der ersten Ausführungsform bestimmt die Kraftstoffzufuhr-Steuervorrichtung IV2 eine dem Betriebszustand des Motors entsprechende optimale Kraftstoffmenge, die durch die Kraftstoffeinspritzdüse 28 auf die innere Umfangsoberfläche des Schwingelements 201 im Kraftstoffeinspritzteil H2 gespritzt wird, woraufhin die augenblickliche Zerstäubung und Gemischbildung mit Luft erfolgt Daraufhin wird das Gemisch über die für den Motor 5/4 vorgesehene Einlaßleitung 7A in die Brennkammer 6 gegeben.
Da bei dieser Ausführungsform der Kraftstoff durch einen ringförmigen Düsenauslaß auf die innere Umfangsoberfläche des Schwingelements mit der Form eines geraden, hohlen und kreisförmigen Zylinders gespritzt wird, kann nahezu die gesamte eingespritzte Kraftstoffmenge vom Schwingelement erfaßt werden, wodurch eine besonders vollständige Zerstäubung des Kraftstoffs ermöglicht wird.
Weiterhin kann der erste erfindungsgemäße Aspekt nach Art der in F i g. 4 gezeigten, dritten Ausführungsform modifiziert werden, wie im folgenden beschrieben wird:
Dementsprechend ist das hohlzylinderförmige Schwingelement 201 einer Kraftstoffeinspritz-Vorrichtung H3 innerhalb einer als Einlaßkanal I3 dienenden Einiaßleitung TB für einen Motor 5S nahe der Brennkammer 6ß angeordnet.
Der Ultraschallgenerator 200 ist durch den unteren Wandabschnitt der Einlaßleitung TB eingesteckt und von außen an diesem befestigt. Das Schwingelement 201 des Ultraschallgenerators 200 ragt in das Innere der Einlaßleitung TB. Die Einspritzdüse 28 ist von außen in ein kurzes Rohrstück 230 des Einlaßkanals, eingesetzt, wobei der vordere Teil 281 der Einspritzdüse 28 in die Einlaßleitung TB hineinragt. Dabei ist der ringförmige Auslaß der Düse 28 auf der Achse des Schwingelements 201 angeordnet und erstreckt sich in die stromaufwärtsseitige öffnung 201/4 desselben. Wie bei der zweiten Ausführungsform ermöglicht die Einspritzdüse 28 das Einspritzen von Kraftstoff durch ihren Auslaß in einem divergierenden Strahl 282, wobei der eingespritzte Kraftstoff vollständig auf die innere Umfangsoberfläche des Schwingelements 201 auftrifft.
Bei dieser Ausführungsform kann eine Kraftstoffzerstäubung an einer Stelle stattfinden, die dichter bei der Brennkammer des Motors liegt, als bei den vorausgehenden Ausführungsformen, so daß die Länge des Kanals für die Zufuhr von Kraftstoff zur Brennkammer verkürzt werden kann. Dadurch verringert sich die Kraftstoffmenge, die an der Wandinnenoberfläche des Einlaßkanals I3 hängenbleibt, so daß nahezu die gesamte zugeführte Kraftstoffmenge in die Brennkammer gelangen kann und ein Kaltstart des Motors erleichtert wird.
Es folgt eine Beschreibung des zweiten erfindungsgemäßen Aspektes nach dem stromaufwärts des Verzweigungspunktes eines Einlaßverteilers eine einzige Einspritzvorrichtung angeordnet ist, anhand der in F i g. 5 gezeigten vierten Ausführungsform.
Entsprechend der vierten Ausführungsform ist eine Kraftstoff einspritzvorrichtung II4 stromaufwärts vom Verzweigungspunkt eines Einlaßverteilers angeordnet Mit Hilfe des ro'.;Tförmigen Schwingelements zerstäubter Kraftstoff kann auf jedes Verteilerzweigrohr verteilt werden, um die Gemischladung gleichmäßig an die einzelnen Brennkammmern des Motors zu liefern.
Ein durch ein kurzes Rohr 320 gebildeter Einlaßkanal I4 ist mit seinem stromaufwärts gelegenen Ende mit einem Einlaßrohr 2TA verbunden, das zu einem (nicht gezeigten) Luftfilter führt, während sein stromabwärts gelegenes Ende mit einer Einlaßkammer 33 verbunden ist, die als Verteilerrohr für das Gemisch dient. Um die Einlaßkammer 33 ist eine Wasserkammer 34 angeordnet, durch die Kühlwasser des Motors zirkuliert Von der Einlaßkammer 33 zweigen die Einlaßkanäle 35 ab, die zu den einzelnen Brennkammern eines Mehrzylindermotors führen.
Der Einlaßkanal I4 weist einen um 90° gebogenen Teil auf. Ein Drosselventil 3ß zur Steuerung der Einlaßluftmenge ist auf der stromaufwärts gelegenen Seite des gebogenen Teils angeordnet. Ein Ultraschallgenerator 300 ist auf der stromabwärts gelegenen Seite des gebogenen Teils an der Wand des Einlaßkanals U befestigt. Ein Schwingelement 301 ist in den Einlaßkanal I4 hineinragend angeordnet, wobei die Achse des Schwingelements 301 mit der Achse des Einlaßkanals ausgerichtet ist. Eine Einspritzdüse 36 ist von außen am gebogenen Teil des Einlaßkanals I4 befestigt. Ein vorderer Teil 361 der Einspritzdüse 36 ragt in den Einlaßkanal I4, wobei der vordere Teil 361 auf der Achse des Schwingelements 301 angeordnet ist und sich in eine stromaufwärtsseitige öffnung 301A desselben erstreckt.
Außerdem ist eine Vielzahl von Düsenöffnungen 361Λ am Umfang des Düsenendes angeordnet, wobei diese Düsenöffnungen derart positioniert sind, daß aus ihnen eingespritzter Kraftstoff auf die Schwingungsknotenlinien auf der inneren Umfangsoberfläche des Biegeschwingungen ausführenden Schwingelements auftrifft. Der Ultraschallgenerator 300 umfaßt ein mechanisches Verstärkungselement 302 mit der Form eines konischen Horns mit einem kegelstumpfförmig verjüngten Teil. Der den kleinen Durchmesser aufweisende vordere Teil des Verstärkungselements 302 ist mit dem Schwingelement 301 integriert, das so ausgelegt ist, daß es Biegeschwingungen bei der Resonanzfrequenz der Ultraschallwellen des Ultraschallgenerators ausführt. An dem den großen Durchmesser aufweisenden anderen Endteil des Elements 302 ist ein magnetostriktiv arbeitender Wandler 303 befestigt. Der Ultraschallgenerator 300 umfaßt eine Tragplatte 304 an einer Stelle des Verstärkungselements 302, an der ein Schwingungsknoten auftritt. Die Tragplatte 304 ist mittels mehrerer Schrauben 39 an einem Sitz 38 befestigt, der an einer Wand des Einlaßkanals I4 ausgebildet ist.
Ein Leitungsdraht 113 ist in Windungen um den Wandler 303 gewickelt und führt zu einem Oszillator 110. Mit der Eingangsseite des Oszillators ist ein Leitungsdraht 115 verbunden, der über einen Schwingelement-Startschalter 114 mit einer Energiequelle 25 verbunden ist. Der Schwingelement-Startschalter 114 arbeitet mit einem (nicht gezeigten) Startschalter für den Motor zusammen. Außerdem ist ein mechanisches Kraftstoffsteuer- und Zufuhrsystem vorgesehen zur Steuerung der Zufuhr von Kraftstoff Einspritzdüse 36.
Eine Kraftstoffsteuer- und Zufuhrvorrichtung IH4 umfaßt einen Kraftstofftank 1OA und eine vom Motor getriebene Pumpe 40, die der Düse 36 über ein Rohr 47 Kraftstoff zuführt. Die Pumpe 40 ist mit einer Steuervorrichtung 41 verbunden, die den Krattstoffdurchsatz in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors und dem Einlaßvakuumdruck im Motor steuert.
Wenn die vierte Ausführungsform gemäß F i g. 5 in Betrieb ist und der Schwingelement-Startschalter 114 aufgrund eines Startvorgangs des Verbrennungsmotors geschlossen ist wird der Oszillator 110 in Betrieb gesetzt Daraufhin liefert der Oszillator 110 eine elektrische Schwingung mit der Resonanzfrequenz der Ultraschallwellen des Ultraschallgenerators 300 an den magnetostriktiv arbeitenden Wandler 303, wodurch die elektrische Schwingung in eine Ultraschallschwingung umgewandelt wird Die Amplitude der solchermaßen erzeugten Ultraschallschwingung wird durch das mechanische Verstärkungselement 302 verstärkt Daraufhin wird die Ultraschallschwingung auf das rohrförmige Schwingelement 301 übertragen.
Wie die zur ersten Ausführungsform gehörende
Fig. 2 zeigt, ist das Schwingelement 301 so ausgelegt, daß es einer Biegeschwingung vierter Ordnung unterliegt, mit großer Amplitude und Schwingungsknoten, die an den mit N gekennzeichneten Stellen erscheinen.
Auf die Schwingungsknoten gespritzter Kraftstoff zieht zu solchen Teilen der Oberfläche des Schwingelements, die den Schwingungsbäuchen entsprechen. Dadurch bildet der Kraftstoff eine Schicht über doi schwingenden Fläche, die in extrem feine Teilchen zerteilt und von der schwingenden Oberfläche in
zerstäubter Form abgesprüht wird.
Anders als bei den vorausgehenden Ausführungsformen ermöglicht hier eine einzige Vorrichtung die Erzeugung einer Gemischmenge, die für einen Vielzylindermotor 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 Ausführungsform^n, was eine Kostenreduzierung und eine leichtere Wartung ermöglicht.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Einspritzen und Zerstäuben von Kraftstoff, mit einem Einlaßkanal für die Verbrennungsluft und für die Zuführung des Luft-K.raftstoffgemisches zu mindestens einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors, mit einer Einspritzdüsenanordnung, mit einer Steuereinrichtung für die Steuerung der jeweils von den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors abhängigen Einspritzmenge und mit einem Ultraschallgenerator mit Oszillator und Wandler, wobei der eingespritzte Kraftstoff auf die Oberfläche eines vom Wandler beaufschlagten Schwingelementes gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingelement (101; 201; 3Oi) rohrförmig ausgebildet ist, beiderseits offene Enden aufweist und mit seiner Längsachse im wesentlichen einerseits parallel zum Einlaßkanal und andererseits senkrecht zur Längsachse eines seine mechanische Verbindung zum Wandler (104A; 104ß; 303) herstellenden Verstärkungselementes (102; 202; 302) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung der Einspritzdüsenanordnung auf die innere oder auf die innere und äußere Umfangswand des Schwingelementes (101; 201; 301), gerichtet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Mehrzylindermotor im Einlaßkanal einer jeden Brennkammer eine Vorrichtung zum Einspritzen und Zerstäuben angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Schwingelement (101; 201; 301) eine dünne Wand im wesentlichen konstanter Dicke in axialer und radialer Richtung aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Schwingelement (101; 201; 301) im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Schwingelement (101; 201; 301) im Querschnitt ellipsenringtormig ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Schwingelement (101; 201; 301) im Querschnitt polygonringförmig ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingelement (101; 201; 301) durch Biegen und Schweißen einer rechteckigen Metallplatte hergestellt «st.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (102; 202; 302) im Längsschnitt nach emer Exponentialfunktion verlaufende Seitenlinien aufweist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (102; 202; 302) im Längsschnitt abgestufte Seitenlinien aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (102; 201; 302) im Längsschnitt konisch verlaufende Seitenlinien aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (102; 201; 302) im Längsschnitt nach einer Fourier-Funktion verlaufende Seitenlinien aufweist
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungselement (102; 201; 302) im Längsschnitt nach einer Kettenlinie verlaufende Seitenlinien aufweist
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
13, dadurch gekennzeichnet, daß der UUraschall-ο wandler piezoelektrische Elemente aufweist
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet daß die Einspritzdüsenanordnung ein elektromagnetisch betätigtes Nadelventil und eine Düse mit ringförmiger Öffnung aufweist
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzdüsenanordnung ein elektromagnetisch betätigtes Nadelventil und eine Düse mit einer Vielzahl von öffnungen, die am Umfang des Düsenendes angeordnet sind, aufweist.
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