DE3517257A1 - Elektrisch betaetigbares kraftstoffeinspritzventil fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch betätigbares Kraft­ stoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Gegenstand des Hauptpatents (Patentanmeldung P ...) ist ein elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brenn­ kraftmaschinen, das sich dadurch auszeichnet, daß es einen mit Elektroden versehenen piezoelektrischen Schwinger mit wenigstens einer Kraftstoff aufnehmenden Kammer aufweist und daß mit der Kammer ein Kraftstoffzuleitungsweg und eine Ausspritzöffnung in Kraftstoff leitender Verbindung stehen, die derart gestaltet sind, daß beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden dem Kraftstoff eine Vorzugsbewegung durch die Kammer zu der Ausspritzöffnung erteilt wird. Speziell ist als piezoelektrischer Schwinger ein hohlzylindrischer Radialschwinger vorgesehen, in dessen Wand eine Reihe von durchgehenden, Kraftstoff aufnehmenden Kammern parallel und konzentrisch zu einer Längsachse des Radialschwingers unter­ gebracht sind.

Mit dem piezoelektrischen Schwinger sowie dem mit ihm in Verbindung stehenden Kraftstoffzuleitungsweg sowie die Aus­ spritzöffnung, die gleich der Austrittsöffnung des Schwingers ist, ist das Kraftstoffeinspritzventil geeignet, ohne ein in seiner Gesamtheit bewegliches Element, insbesondere ohne längs verschiebbare Ventilnadel, die Vorzugsbewegung des flüssigen Brennkraftstoffes, nämlich die Einspritzrichtung, zu bestimmen, dabei die Kraftstoffmenge zuzumessen und Vor­ aussetzung für eine Zerstäubung des Kraftstoffs zu schaffen. Dies wird dadurch erreicht, daß durch das elektrische Feld bei Anlegen von elektrischer Spannung an Elektroden des piezoelektri­ schen Schwingers sich dieser zusammenzieht oder ausdehnt, damit das Volumen der Kraftstoff aufnehmenden Kammer ver­ ändert, daß bei einer Volumenverringerung der Kammer der Brennkraftstoff im wesentlichen aus der Ausspritzöffnung austritt, während der Kraftstoffrückfluß durch den Kraft­ stoffzuleitungsweg wesentlich gedrosselt ist.

Generell ist es erwünscht, um eine weitgehende Luft-Kraft­ stoffvermischung zu erreichen, daß das Kraftstoffeinspritz­ ventil einen möglichst aufgeweiteten zerstäubten Brenn­ kraftstoffstrahl erzeugt. Bei bekannten Kraftstoffein­ spritzventilen hat man versucht, dies durch verschiedene konstruktive Maßnahmen zu erreichen, wobei jedoch der Brennkraftstoffstrahl regelmäßig in der Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils aus diesem in das umgebende Volumen eingespritzt wird. Wenn sich das Kraftstoffein­ spritzventil wie in Zentraleinspritzanlagen insgesamt in dem von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftstrom befin­ det, bewegt sich dieser Luftstrom außen an dem Kraftstoff­ einspritzventil vorbei und wirkt infolge seiner Strömungs­ geschwindigkeit der gewünschten Aufweitung des Brennkraft­ stoffstrahls entgegen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesem Mangel bei einem elektrisch betätigbaren Kraftstoffeinspritz­ ventil mit einem piezoelektrischen, hohlzylindrischen Radial­ schwinger der eingangs genannten Gattung abzuhelfen, d.h. einen möglichst aufgeweiteten zerstäubten Kraftstoffstrahl auch dann abzugeben, wenn sich das Kraftstoffeinspritz­ ventil in einem dieses umströmenden Luftstrom befindet.

Diese Aufgabe wird durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angebene Erfindung gelöst. - Da sich in dem eingesetzten Radialschwinger die Kraftstoff aufnehmenden Kammern und die zugeordneten Ausspritzöffnungen in einem Abstand zu der Längsachse des Kraftstoffeinspritzventils befinden, kann durch den inneren Bereich des Kraftstoffein­ spritzventils ein zusätzlicher Luftstrom hindurchgeführt werden, ohne die Arbeitsweise des piezoelektrischen Schwingers, insbesondere das Erteilen einer Vorzugsbewegungsrichtung des flüssigen Brennkraftstoffes, das Zumessen der Kraftstoff­ menge und die Zerstäubung des Brennkraftstoffs zu stören. Vielmehr wird der aus der Ausspritzöffnung austretende zer­ stäubte Kraftstoffstrahl von dem aus der Durchgangsleitung austretenden Luftstrom, der sich außerhalb der Durchgangs­ leitung aufweitet, erfaßt, und annähernd quer zur Längs­ achse ausgedehnt. Dabei tritt eine gute Durchmischung des Brennkraftstoffs und der Zuluft ein, die als Luftstrom durch die Durchgangsleitung und als das Kraftstoffeinspritzventil in seiner Gesamtheit umströmende Luft zugeführt wird. Wesent­ lich ist, daß die Ausspritzöffnungen an den Kammern, die gleich deren Austrittsöffnungen sind, allseitig von Luft umströmt sind, weshalb der in die Luftumströmung einge­ spritzte Brennkraftstoff gut durchmischt wird. Da das Kraft­ stoffeinspritzventil nicht nur außen, sondern auch in seiner Durchgangsleitung mit Luft umströmt ist, wird außer­ dem eine gute Kühlung des Kraftstoffeinspritzventils er­ reicht und eine Dampfblasenbildung in dem Brennkraftstoff vermindert.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung des Kraftstoffein­ spritzventils ist in Anspruch 2 angegeben, die sich durch große Kompaktheit und gute Festigkeitseigenschaften aus­ zeichnet. Der zur Montage des Ringschwingers vorgesehene Block, der außerdem den Kraftstoffzuleitungsweg aufweist, ist mit einer zentralen Durchgangsbohrung versehen, deren Wand konzentrisch von dem Radialschwinger teilweise umfaßt wird. Die Durchgangsbohrung erfordert keinen wesentlichen Mehraufwand bei der Herstellung des Blockes.

Mit einer zusätzlich sich nach außen aufweitenden Anfasung an dem den Ausspritzöffnung bzw. Austrittsöffnungen der Kammern benachbarten Ende der Durchgangsleitung bzw. Durchgangsbohrung wird erreicht, daß eine unerwünschte Wirbelbildung im Bereich des aus der Durchgangsleitung aus­ tretenden Luftstroms weitgehend vermieden wird.

Durch den gemäß Anspruch 4 zusätzlich vorgesehenen Kegel an dem Austrittsende der Durchgangsleitung bzw. der Durch­ gangsbohrung wird vorzugsweise in Verbindung mit der Anfasung der Durchgangsleitung bzw. der Durchgangsbohrung ein an­ nähernd kegelstumpfförmiger Spalt erzeugt, in dem der innere Luftstrom exakt geführt wird, so daß sich dieser nach Austritt aus dem Spalt weitgehend konform zu diesem ohne starke Wirbelbildung aufweitet.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Kraftstoffeinspritz­ ventils mit einem Radialschwinger und einer Durch­ gangsbohrung für einen inneren Luftstrom im Längs­ schnitt und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Kraftstoffeinspritz­ ventils, welches im wesentlichen gemäß Fig. 1, jedoch mit einem zusätzlichen Kegel an einem Ende der Durchgangsbohrung ausgebildet ist.

In beiden Figuren ist das Kraftstoffeinspritzventil stark vergrößert dargestellt.

Wesentlicher Teil einer Ausführungsform des Kraftstoffein­ spritzventils nach den Fig. 1 und 2 ist ein hohlzylindrischer Radialschwinger 11 aus piezoelektrischem Material. In dem hohlzylindrischen Radialschwinger ist zwischen dessen Innen­ wand und der Außenwand eine Reihe von Kraftstoff aufnehmenden Kammern 12, 12′ angeordnet. Die Kraftstoff aufnehmenden Kammern liegen in einer neutralen Faser des Radialschwingers und sind als durchgehende, also oben und unten offene Bohrungen mit konstantem Durchmesser ausgebildet. Sie ver­ laufen parallel und konzentrisch zur Längsachse 19.

Die Innenwand und die Außenwand des Radialschwingers ist jeweils mit einer Elektrode belegt, die lediglich durch die Zuleitung 14 bzw. 15 angedeutet ist.

Der unteren Seite der Kraftstoff aufnehmenden Kammern 12, 12′ steht eine Ringblende 16 gegenüber, welche mit den Kammern fluchtende, die Tröpfchengröße bestimmende Bohrungen 17, 17′ aufweist.

Der Radialschwinger und die Ringblende sind in einem Block 18 montiert, so daß die Ringblende 16 mit den Bohrungen 17, 17′ bzw. die Kammern des Radialschwingers 11 nach unten Kraftstoff einspritzen können.

In dem oberen Teil des um die Längsachse 19 weitgehend rotations­ symmetrischen, steifen Blocks, der vorzugsweise aus Metall besteht, ist der Kraftstoffzuleitungsweg zu dem Ring­ schwinger angeordnet. Der Kraftstoffzuleitungsweg besteht im wesentlichen aus einer ringförmigen Konstantvolumen- Kammer 20, in die ein Kraftstoffzuflußstutzen 21 und ein Kraftstoffabflußstutzen 22 münden. Die freien Querschnitte der Stutzen 21 und 22 sind klein gegenüber der Fläche der Innenwand der Konstantvolumen-Kammer.

Der Radialschwinger 11 ist in einer ringförmigen Ausnehmung 23 des Blocks 18 mit Dichtungen 24-26 abgedichtet einge­ setzt.

Ein oberer Deckel 28 deckt den Block 18 insbesondere über der Konstantvolumen-Kammer 20 ab, so daß diese insoweit abgeschlossen ist.

Durch den Deckel 28 und den Block 18 reicht eine Durchgangs­ bohrung 29 hindurch, die zentral zu der Längsachse 19 an­ geordnet ist. Dadurch wird zwischen der Durchgangsbohrung und den radial außen angrenzenden Teilen, der Konstant­ volumen-Kammer 20 und der ringförmigen Ausnehmung 23 eine Wand 30 gebildet. Da der Block vorzugsweise aus Metall besteht, ist die Wand 30 gut wärmeleitend.

An ihrer unteren Öffnung weist die Durchgangsbohrung eine Anfasung der aus den Fig. 1 und 2 ersichtlichen, sich nach außen konisch erweiternden Form auf.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 durch einen zusätzlichen Kegel 32, dessen Kegelfläche vorzugsweise mit der Anfasung 31 einen im wesentlichen ringförmigen Spalt bildet, dessen Form im einzelnen aus Fig. 2 hervorgeht. Der Kegel 32 wird in seiner Position zu dem Block 18 festgehalten, wozu eine untere Platine 33 dienen kann.

Bei Anlegen von elektrischer Spannung an die Zuleitungen 14, 15 und das dementsprechend zwischen der Innenwand und der Außen­ wand des Radialschwingers gebildete elektrische Feld erfolgt eine Volumenänderung der Kammern 12, 12′ in dem Ring­ schwinger. Der in diese Kraftstoff aufnehmende Kammern von der Konstantvolumen-Kammer 20 einströmende Kraftstoff wird im wesentlichen nach unten durch die Bohrungen 17, 17′ der Ringblende 16 in das das Kraftstoffeinspritzventil um­ gebende Volumen eingespritzt. Die Vorzugsbewegungsrichtung 27 des Kraftstoffs verläuft somit wie mit dem entsprechend gekennzeichneten Pfeil angedeutet. Nach oben kann hingegen der Kraftstoff aus den Kammern 12, 12′ nicht nennenswert in die Konstantvolumen-Kammer 20 zurückströmen, da diese mit einem großen Volumen im wesentlichen nicht kompressiblen Kraftstoffs gefüllt ist. Die den Kraftstoff aufnehmenden Kammern 12, 12′ können daher fertigungsgünstig als durch­ gehende Bohrung ausgebildet sein.

Die Zuleitungen 14, 15 sind aus dem Block 18 heraus zu einer nicht dargestellten Steckverbindung geführt, über die somit dem Radialschwinger eine gesteuerte elektrische Spannung zugeführt werden kann.

Im Betrieb der Brennkraftmaschine, für die das Kraftstoff­ einspritzventil nach den Fig. 1 und 2 vorgesehen ist, wird das Ventil - in der Zeichnung von oben nach unten - von Zuluft umströmt. Ein Teil der Zuluft wird durch die Durch­ gangsbohrung 29 mit einer Hauptströmungsrichtung geführt, die mit einem Pfeil 34 angegeben ist. Beim Austritt aus der Durchgangsbohrung weitet sich der innere Zuluftstrom nach außen auf, wie es mit den Pfeilen 35 angedeutet ist. Dieser aufgeweitete innere Zuluftstrom reißt auch den in den Raum des Zuluftstroms eingespritzten zerstäubten Kraft­ stoff mit, der zunächst mit der Vorzugsbewegungsrichtung 27 aus den Bohrungen 17, 17′ der Ringblende 16 austritt. Dabei durchmischt sich der Brennkraftstoff intensiv mit dem Zu­ luftstrom, wobei sich das Gemisch weiter nach außen auf­ weitet. In vorteilhafter Weise tritt infolge der Anfasung 31 in Fig. 1 und in noch wirksamer Weise durch den Kegel 32 in Fig. 2 allenfalls eine geringfügige unerwünschte Wirbel­ bildung im Bereich der Ringblende und der angrenzenden Flächen ein.

Claims (4)

1. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem piezoelektrischen, hohl­ zylindrischen Radialschwinger, in dessen Wand eine Reihe von Kraftstoff aufnehmenden Kammern parall und konzen­ trisch zu einer Längsachse des Radialschwingers unter­ gebracht sind, die an je einem offenen Ende mit einem Kraftstoffzuleitungsweg in Verbindung stehen und an einem anderen offenen Ende eine Ausspritzöffnung (= Aus­ trittsöffnung) aufweisen, nach Patent (Patentanmeldung P...) dadurch gekennzeichnet, daß durch den Radialschwinger (11) eine Durchgangsleitung (Durchgangsbohrung 29) für einen Luftstrom konzentrisch zu dessen Längsachse (19) hindurchgeführt ist, die an­ nähernd in Höhe der Einspritzöffnungen (Bohrungen 17, 17′) offen endet.

2. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil, in dem der piezoelektrische, hohlzylindrische Radial­ schwinger in einem Block montiert ist, aus dem insbe­ sondere der Kraftstoffzuleitungsweg ausgeformt ist, der mit den Kraftstoff aufnehmenden Kammern in Verbindung steht, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Block (18) in einer Längsachse (19) eine zentrale Durchgangsbohrung (29) als Durchgangsleitung für den Luftstrom ausgeformt ist.

3. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsleitung (Durchgangsbohrung 29) für den Luftstrom an ihrem unteren, den Ausspritzöffnungen (Bohrungen 17, 17′) der Kraftstoff aufnehmenden Kammern (12, 12′) benachbarten Ende eine sich in Hauptströmungs­ richtung (34) des Luftstroms nach außen aufweitende Anfasung (31) aufweist.

4. Elektrisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Ausspritzöffnungen (Bohrungen 17, 17′) benachbarten Ende der Durchgangsleitung bzw. Durchgangs­ bohrung (29) für den inneren Luftstrom ein sich in Hauptströmungsrichtung (34) des Luftstroms erweiternder Kegel (32) angeordnet ist, dessen Kegelfläche vorzugs­ weise mit der Anfasung (31) einen Spalt bildet.