DE3828591A1

DE3828591A1 - Einspritzventil fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3828591A1
Application number: DE3828591A
Authority: DE
Inventors: Teruo Yamauchi; Toshiharu Nogi; Yoshishige Ohyama
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-08-24
Filing date: 1988-08-23
Publication date: 1989-03-09
Anticipated expiration: 2008-08-24
Also published as: US5099815A; US5025766A; DE3828591C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffzufuhrsystem für Brennkraftmaschinen, insbesondere ein Kraftstoffzufuhrsystem, das den Kraftstoff zumißt und zerstäubt.

Auf dem Gebiet der Brennkraftmaschinen für Kraftfahrzeuge wird der Kraftstoff konventionell z. B. durch ein elektromagnetisches Einspritzventil zugeführt. Dabei wird in bekannter Weise ein Absperrorgan, das von einer Feder unter der in einer Wicklung erzeugten EMK gehalten wird, nach oben gezogen, um den Kraftstoff während der Einspritzung desselben zuzumessen. Das konventionelle elektromagnetische Einspritzventil spritzt den Kraftstoff mit einer Teilchengröße von ca. 300 µm ein. Kraftstoff dieser Teilchengröße wird zum Teil nicht von dem Gasstrom im Saugluftsystem mitgenommen und lagert sich an der Wandung des Ansaugkrümmers ab, ohne mitgenommen zu werden. Der so abgelagerte Kraftstoff strömt in Form eines Flüssigkeitsfilms in den Zylinder, was gelegentlich dazu führt, daß das Luft-Kraftstoff- Verhältnis von einem Sollwert abweicht.

Bei bekannten vorgeschlagenen Vorrichtungen zur Kraftstoffzerstäubung ist ein elektromagnetisches Einspritzventil mit einer Vibrationsvorrichtung kombiniert, die Ultraschallschwingungen erzeugt, so daß der eingespritzte Kraftstoff einen Schwinger kontaktiert, wodurch die Kraftstoffzerstäubung unterstützt wird. Ein solches Kraftstoffzufuhrsystem, das den Kraftstoff unter Anwendung einer Vibrationsvorrichtung zerstäubt, ist z. B. in JP-A-53-140417 und JP-A-54-47926 angegeben.

Wie beschrieben, wird beim Stand der Technik der Kraftstoff durch eine Kombination aus einem elektromagnetischen Einspritzventil und einem Vibrationselement zugemessen und zerstäubt. Dabei ergibt sich aber das Problem, daß durch die größere Anzahl benötigter Teile das System sperrig wird bzw. zu viel Platz benötigt. Ein weiteres Problem bei einem elektromagnetischen Einspritzventil ist die lange Zeit, die bis zum Anziehen des Ankers und zum Hochziehen des Ventilkörpers nach Erregung des Magnetventils benötigt wird. Insbesondere im Hochdrehzahlbetrieb der Brennkraftmaschine, in dem Einspritzsignale in Abständen von einigen ms erzeugt werden, neigt das Ventil dazu, für reduzierte Kraftstoffzufuhrmengen mit Verzögerung zu öffnen. Zur Vermeidung dieses Problems ist eine höhere Ansprechgeschwindigkeit erforderlich.

Dementsprechend wird in US-PS 28 55 244, JP-A-52-25926 und JP-A-54-10951 ein Kraftstoffzufuhrsystem angegeben, bei dem der Kraftstoff einer Einspritzöffnung zugeführt wird, die am Vorderende eines schwingungsverstärkenden Horns gebildet ist, das von einem piezoelektrischen Element erregt wird, wobei die Kraftstoffzufuhr durch einen im Horn gebildeten Kraftstoffkanal erfolgt und der Kraftstoff in zerstäubter Form in den Ansaugkrümmer eintritt.

Diese bisher vorgeschlagenen Systeme weisen ein Kugelventil auf, das an der Einspritzöffnung des Horns befestigt ist, und ein Impulsansteuersignal einer Frequenz, die gleich der Schwingungsfrequenz des Horns ist, wird an das das Horn treibende piezoelektrische Element angelegt, um dadurch die Einspritzöffnung für die Kraftstoffeinspritzung zu öffnen.

Die vorgenannten bekannten Systeme regeln somit den Kraftstoffdurchsatz eines Krafstoffzufuhrsystems durch Änderung der Frequenz eines Impulsansteuersignals, das an ein piezoelektrisches Element zum Ansteuern eines Horns angelegt wird.

Diese bekannten Systeme weisen jedoch den Nachteil auf, daß der quantitativ meßbare Bereich der Kraftstoffmenge, die in Resonanz mit dem Horn eingespritzt wird, relativ eng ist. Insbesondere, wenn die Motordrehzahl 2000-3000 U/min übersteigt, macht es ein übergroßer Kraftstoffdurchsatz dem System unmöglich, den Kraftstoff noch zu zerstäuben.

Dadurch, daß das Horn jeweils nur zum Zeitpunkt der Einspritzung in Schwingung versetzt wird, wird der Kraftstoff, der unmittelbar vor dem Schließen des Kugelventils eingespritzt wird, nicht zerstäubt, und es besteht die Gefahr, daß er große Kraftstoffteilchen enthält.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Kraftstoffzufuhrsystems, bei dem einerseits der zumeßbare Kraftstoffmengenbereich vergrößert und andererseits die Zerstäubung des Kraftstoffs verbessert wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung ein Krafstoffzufuhrsystem vorgesehen mit einem elektrostriktiven Element zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung, indem eine elektrische Schwingung vorgegebener Frequenz angelegt wird, und mit einem Horn mit einem inneren Kraftstoffdurchgang und einer schwingungsverstärkenden Fläche zur Verstärkung der mechanischen Schwingung am Auslaß des Kraftstoffdurchgangs, wobei das elektrostriktive Element und das Horn einstückig ausgeführt sind unter Bildung eines Bausteins des Krafstoffzufuhrsystems, mit einer an einem Teil des Kraftstoffdurchgangs angeordneten Feder, mit einem einen Ventilsitz aufweisenden Ventil, mit dem ein Kraftstoffzumeßsystem durch die Kraft der Feder in Druckkontakt gebracht wird, wobei die Kennlinie der Feder derart ist, daß sie durch ein Schwingungsübertragungssystem des Horns angeregt wird und dadurch eine Kontraktionskraft erzeugt, wenn die mechanische Schwingung einen vorbestimmten Amplitudenpegel übersteigt, mit Mitteln zum Zumessen des Kraftstoffs, wenn das Ventil vom Ventilsitz entsprechend der Kontraktionskraft der Feder abgehoben ist, und mit Mitteln zum Leiten des aus dem Auslaß des Kraftstoffdurchgangs eingespritzten Kraftstoffs zu der schwingungsverstärkenden Fläche nach dem Zumeßvorgang, wobei der eingespritzte Kraftstoff an der schwingungsverstärkenden Fläche zerstäubt wird.

Wenn bei dieser Ausbildung eine mechanische Schwingung (Ultraschallschwingung) eines elektrostriktiven Elements durch Anlegen einer elektrischen Schwingung an dieses erzeugt wird und diese mechanische Schwingung durch ein Schwingungsübertragungssystem, z. B. ein Horn oder eine schwingungsverstärkende Fläche, auf eine Feder übertragen wird, wird die Feder in einen Schwingungszustand angeregt. Wenn dieser Schwingungspegel eine vorbestimmte Amplitude übersteigt, erfolgt eine Kontraktion der Feder. Diese Kontraktion der Feder, die eintritt, weil die Feder unter der Anregung knickt, verschiebt den Ventilkörper und unterwirft ihn einer Kraft, die ihn vom Ventilsitz trennt. Gleichzeitig wird die Kraft auf den Druckkraftstoff im Kraftstoffdurchgang ausgeübt, so daß dieser zwischen das Ventil und den Ventilsitz strömt. Diese Arbeitskräfte vereinigen sich und heben den Ventilkörper vom Ventilsitz ab. Der Kraftstoff strömt auf einer kreisförmigen Bahn zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz aus, während er zugemessen wird, und wird dann aus dem Auslaß des Kraftstoffdurchgangs eingespritzt. Dieser Kraftstoff wird zu der schwingungsverstärkenden Fläche geführt und kontaktiert diese und wird somit unter Ultraschallschwingungen zerstäubt.

Bei diesem System können die Zumessung und die Zerstäubung des Kraftstoffs, die bisher als voneinander unabhängige Funktionen durchgeführt wurden, mit einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden. Dadurch, daß der Ventilkörper sofort durch die Anregung des elektrostriktiven Elements abgehoben werden kann, wird außerdem die Ansprechgeschwindigkeit erhöht.

Der Kraftstoff wird nach der Zumessung ferner zu der Schwingungsfläche des schwingungsverstärkenden Teils geführt und somit in positiver Weise zerstäubt, was zu einer ausreichenden Zerstäubungsleistung über einen großen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine und hoher Zerstäubungsfähigkeit führt.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Kraftstoffzufuhrsystem angegeben, das an einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, mit einem am Ansaugkrümmer befestigten Horn, das von einem piezoelektrischen Element angesteuert und verschoben wird, mit einem Kraftstoffzufuhrkanal im Horn, der am Ende des Ansaugkrümmers eine Einspritzöffnung aufweist, mit einem an der Einspritzöffnung angeordneten Ventil, und mit einer Ansteuersignal-Zuführeinheit, die dem piezoelektrischen Element ein erstes Impulsansteuersignal einer ersten Amplitude mit einer Frequenz, die gleich der Schwingungsfrequenz des Horns ist, und ein zweites Impulsansteuersignal einer Frequenz, die niedriger als die Schwingungsfrequenz des Horns ist und eine zweite Amplitude hat, die größer als die erste Amplitude ist, zuführt.

Dabei werden einem piezoelektrischen Element, das die Verschiebung des am Ansaugkrümmer angeordneten Horns ausführt, eine erstes Impulsansteuersignal sowie ein zweites Impulsansteuersignal mit verschiedenen Amplituden zugeführt, wobei diese Signale synchron mit der Schwingungsfrequenz des Horns erzeugt werden.

Infolgedessen wird die Einspritzöffnung am Ende des Horns in den Ansaugkrümmer durch das Ventil verschlossen, und daher wird kein Kraftstoff eingespritzt, wenn das erste Impulsansteuersignal kleiner Amplitude angelegt wird, obwohl das Horn ständig mit der Resonanzfrequenz schwingt.

Das zweite Impulsansteuersignal, dessen Frequenz niedriger als die Resonanzfrequenz des Horns ist und dessen Amplitude größer als die erste Amplitude des ersten Ansteuerimpulssignals ist, wird dem ersten Impulsansteuersignal in vorbestimmtem Abstand durch den Ansteuersignalerzeuger aufgeschaltet.

Wenn somit das zweite Impulsansteuersignal an das piezoelektrische Element angelegt wird, werden die Schwingungen des Horns verstärkt, und das Ventil wird von der Einspritzöffnung getrennt, so daß die Einspritzöffnung geöffnet und der Kraftstoff eingespritzt wird.

Wie oben erläutert, wird das Horn unter Schwingungen bei der Resonanzfrequenz durch das piezoelektrische Element gehalten, und daher wird der Kraftstoff immer im zerstäubten Zustand zugeführt.

Ferner wird der Kraftstoffdurchsatz durch die Impulsdauer des zweiten Impulsansteuersignals bestimmt.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, das am Ansaugkrümmer angeordnet ist;

Fig. 2A und 2B Schnittdarstellungen, die jeweils die Ausbildung eines Absperrorgans bzw. Ventils im Betrieb gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigen;

Fig. 3 ein Schaltbild, das die Auslegung eines Ansteuersignalerzeugers nach der Erfindung zeigt;

Fig. 4 ein Ablaufdiagramm für die Funktionsweise einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 ein Impulsansteuersignal, das gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geteilt ist;

Fig. 6 einen Signalverlauf eines ersten Impulsansteuersignals, in das ein zweites Impulsansteuersignal gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingefügt ist;

Fig. 7 die Beziehung zwischen der Einspritzmenge und einer Einspritzimpulsdauer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 und 9 Signalverläufe an verschiedenen Teilen des Ansteuersignalerzeugers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 ein Signalverlaufsdiagramm entsprechend dem Betrieb der Zylinder einer Vierzylindermaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 11 einen Längsschnitt durch ein Einspritzventil unter Anwendung eines Langevin-Wandlers, der einen Gegenstand der Erfindung darstellt;

Fig. 12 eine auseinandergezogene Schnittdarstellung eines ersten Beispiels des Langevin-Wandlers nach der Erfindung;

Fig. 13 das Auftreten eines speziellen Beispiels eines elektrostriktiven Elements, das mit dem ersten Beispiel von Fig. 12 verwendet wird;

Fig. 14 eine perspektivische Explosionsansicht eines Zwischenlage-Zustands des elektrostriktiven Elements von Fig. 13;

Fig. 15 einen Schnitt durch einen Zwischenlage-Zustand des elektrostriktiven Elements von Fig. 14;

Fig. 16 eine auseinandergezogene Schnittdarstellung eines zweiten Beispiels eines Langevin-Wandlers;

Fig. 17 eine auseinandergezogene Schnittdarstellung eines dritten Beispiels eines Langevin-Wandlers;

Fig. 18 einen Schnitt durch ein viertes Beispiel eines Langevin-Wandlers;

Fig. 19A eine Perspektivansicht eines fünften Beispiels eines Langevin-Wandlers;

Fig. 19B einen Teilschnitt, der dasselbe Beispiel zeigt;

Fig. 19C eine allgemeine Schnittdarstellung desselben Beispiels;

Fig. 20A bis 20D Diagramme von speziellen Beispielen des Aufbaus der elektrischen Anschlüsse eines Langevin-Wandlers;

Fig. 21A ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen einer angelegten Spannung eines elektrostriktiven Elements und dessen mechanischer Verschiebung zeigt;

Fig. 21B ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen der an ein elektrostriktives Element angelegten mechanischen Verschiebung und dessen Ausgangsspannung zeigt;

Fig. 22, 23, 24, 25, 26A, 26B, 26C Signalverläufe zur Erläuterung der Funktionsweise des Langevin-Wandlers;

Fig. 27 das Blockschaltbild einer Auslegung eines Resonanzfrequenz-Steuersystems unter Anwendung eines Wandlerresonanzzustands-Monitorverfahrens nach der Erfindung;

Fig. 28 einen Ablaufplan zur Erläuterung der Funktionsweise des Resonanzfrequenz-Steuersystems;

Fig. 29 ein Signalverlaufsdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Resonanzfrequenz-Steuersystems;

Fig. 30 ein Blockschaltbild eines weiteren Beispiels des Resonanzfrequenz-Steuersystems;

Fig. 31A ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Resonanzfrequenz-Steuersystems von Fig. 30;

Fig. 31B ein Signalverlaufsdiagramm, das den Zustand zeigt, in dem eine angelegte Spannung V _out und eine Kontrollspannung V _m gleichphasig sind;

Fig. 32 ein Schaltbild, das ein spezielles Beispiel einer Phasenregelschaltung und einer Verstärkerschaltung zeigt, die mit dem Resonanzfrequenz- Steuersystem verwendet werden;

Fig. 33A bis 33E Signalverläufe, die die Funktionsweise der Schaltung on Fig. 32 erläutern;

Fig. 34A bis 34D Diagramme, die die Beziehung zwischen der Ausbildung der Schwingungsfläche am Vorderende des Horns des Einspritzventils und dem Zerstäubungswinkel zeigen;

Fig. 35 ein weiteres Beispiel eines Horns für das Einspritzventil;

Fig. 36 ein weiteres Beispiel für das gleiche Horn; und

Fig. 37 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Einpunkt-Einspritzdüse mit einem Einspritzventil nach der Erfindung, das der Drosselklappe vorgeschaltet ist.

Wie Fig. 1 zeigt, ist ein Horn 1 auf der Saugventilseite eines Ansaugkrümmers 4 einer Brennkraftmaschine angeordnet.

Dieses Horn 1, das eine Einspritzöffnung 21 an dem im Ansaugkrümmer 4 befindlichen Ende aufweist, ist auf der Rohrwandung des Ansaugkrümmers 4 durch einen Flansch 22 befestigt.

Die ebene Fläche des Flanschs 22 ist in Kontakt mit dem Ende eines piezoelektrischen Mehrlagen-Elements 5 gehalten, das seinerseits mit einem Bolzen 13 und einer Mutter 7 über einen Ring 6 an dem Horn 1 befestigt ist.

Das Horn 1 hat ferner einen Kraftstoffdurchgang 23 im Inneren, und das Ende des Kraftstoffdurchgangs 23 ist mit einer Einspritzöffnung 21 ausgebildet.

Die Einspritzöffnung 21 hat kleineren Innendurchmesser als der Kraftstoffdurchgang 23. Die Einspritzöffnung 21 ist mit einem Teil einer Kugel aus abriebfester Keramik versehen, die in dem Kraftstoffdurchgang 23 liegt. Die Kugel 8 wird von einer Feder 9 in Richtung zur Einspritzöffnung 21 beaufschlagt, so daß eine Ventileinheit entsprechend Fig. 2A gebildet ist.

Ferner weist das an der Einspritzöffnung 21 liegende Ende des Horns 1 eine konische Schwingungsfläche 24 auf.

Das piezoelektrische Element 5 ist mit einem Ansteuersignalerzeuger 25 gemäß Fig. 3 verbunden. Ein von diesem Ansteuersignalerzeuger 25 geliefertes Impulsansteuersignal bewirkt wiederholte Verschiebungen des piezoelektrischen Elements 5 in Axialrichtung, wodurch das Horn 1 in Schwingungen versetzt wird.

Wie Fig. 3 zeigt, sind Ausgänge eines Luftmengendetektors, der z. B. ein Luftdurchflußmengenmesser 14 oder ein Ansaugkrümmer- Druckfühler im Ansaugweg ist, und eines Motordrehzahlfühlers 15, der einen Kurbelwinkelfühler umfaßt, mit einem Eingang eines Impulsdauer-Prozessors 16 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit einem Eingang eines Impulsgenerators 17 verbunden ist.

Ein Ausgang dieses Impulsgenerators 17 ist mit der Basis eines Transistors Tr₁ verbunden, dessen Kollektor eine Spannung von einer Batterie 27 zugeführt wird.

Der Emitter des Transistors Tr₁ ist dagegen mit dem Kollektor eines Transistors Tr₃ verbunden, dessen Basis mit einem Ausgang eines Oszillators 18 verbunden ist.

Der Emitter des Transistors Tr₃ ist mit einer Elektrode des piezoelektrischen Elements 5 verbunden, während dessen andere Elektrode geerdet ist.

Ein Ausgang des Impulsgenerators 17 ist mit einem Eingang eines Impulsumkehrers 19 verbunden, dessen Ausgang mit der Basis des Transistors Tr₂ gekoppelt ist, dessen Kollektor eine Spannung von einer Batterie 28 erhält.

Ein Ausgang des Oszillators 18 dagegen ist mit einem Eingang des Impulsumkehrers 20 verbunden, dessen Ausgang wiederum mit der Basis des Transistors Tr₄ verbunden ist.

Der Kollektor des Transistors Tr₄ ist mit dem Emitter des Transistors Tr₂ verbunden. Der Emitter des Transistors Tr₄ ist mit einer Elektrode des piezoelektrischen Elements 5 verbunden.

Bei einer entsprechend ausgebildeten Ausführungsform bilden die Feder 9 und die Kugel 8 eine Ventileinheit, und der Ansteuersignalerzeuger besteht aus dem Luftdurchflußmengenfühler 14, dem Drehzahlfühler 15, dem Impulsdauer-Prozessor 16, dem Impulsgenerator 17, dem Oszillator 18, den Batterien 27, 28 den Transistoren Tr₁, Tr₂, Tr₃, Tr₄ und den Impulsumkehrern 19, 20.

Nachstehend wird die Funktionsweise der so ausgelegten Ausführungsform erläutert.

In Fig. 4 wird in Schritt S 1 ein Impulssignal e₃ mit einer Frequenz von z. B. 33 kHz, die gleich der Resonanzfrequenz des Horns gemäß Fig. 8(3) ist, erzeugt und an die Basis des Transistors Tr₃ gelegt.

Gleichzeitig wird ein umgekehrtes Impulssignal e₄ (Fig. 8(4)), das am Impulsumkehrer 20 invertiert wurde, an die Basis des Transistors Tr₄ angelegt.

Wenn Schritt S 2 in Fig. 4 entscheidet, daß das Impulssignal e₃ "H" ist, geht der Prozeß zu Schritt S 3, in dem der Transistor Tr₃ ein- und der Transistor Tr₄ ausgeschaltet wird.

Wenn Schritt S 2 entscheidet, daß das Impulssignal e₃ "L" ist, geht der Prozeß zu Schritt S 4, so daß der Transistor Tr₃ ab- und der Transistor Tr₄ eingeschaltet wird.

Bei der Schwingungsregelungsroutine von Fig. 4 wird der vorstehen erläuterte Betrieb wiederholt durchgeführt.

In Schritt S 5 von Fig. 4 wird dann vom Luftdurchflußmengenmesser 14 die Saugluftmenge erfaßt, und die Motordrehzahl wird vom Drehzahlfühler 15 erfaßt. Entsprechende Signale werden dem Impulsdauer-Prozessor 16 zugeführt. In diesem wird die Impulsdauer Ti in Schritt S 6 auf der Grundlage der vorgenannten Fühlersignale mittels der folgenden Gleichung errechnet:

wobei Kc eine Konstante, Q _A eine Saugluftmenge und N eine Motordrehzahl ist.

Auf der Basis des so erzielten Rechenergebnisses des Impulsdauer- Prozessors 16 führt der Impulsgenerator 17 ein Impulssignal mit der Impulsdauer Ti (Fig. 8(1)) an die Basis des Transistors Tr₁, und zwar synchron mit der Motordrehzahl N.

Wenn Schritt S 8 entscheidet, daß das Impulssignal e₁ "H" ist, geht der Prozeß zu Schritt S 9, in dem der Transistor Tr₁ ein- und der Transistor Tr₂ ausgeschaltet wird.

Wenn Schritt S 8 entscheidet, daß der Impuls e₁ "L" ist, geht der Prozeß zu Schritt S 10, in dem der Transistor Tr₁ aus- und der Transistor Tr₂ eingeschaltet wird.

Die Kraftstoffmengen-Regelungsroutine von Fig. 4 führt diese Operation wiederholt durch.

Somit wird während des durch D₁ und D₂ in Fig. 5 bezeichneten Abschnitts, in dem das Impulssignal e₁ "H" ist, das Signal von der Batterie 27 durch den Transistor Tr₁ an den Kollektor des Transistors Tr₃ gelegt, und zwar während der durch die Impulsdauer Ti vorgegebenen Zeitdauer.

Ein zweites Impulsansteuersignal mit einer Amplitude E₂ (Fig. 9(1)) tritt am Emitter des Transistors entsprechend dem "H"-Pegel des Impulssignals e₃ auf, und dieses Signal wird an das piezoelektrische Element 5 angelegt.

Ferner wird während des Abschnitts D₃, D₄ und D₅ von Fig. 5, in dem das Impulssignal e₁ "L" ist, das Signal von der Batterie 28 an den Kollektor des Transistors Tr₄ durch den Transistor Tr₂ so lange angelegt gehalten, wie das Impulssignal e₃ "H" ist.

Somit erscheint das erste Impulsansteuersignal mit einer Amplitude E₁, die dem "H"-Pegel des Impulssignals e₄ entspricht, am Emitter des Transistors Tr₄ und wird an das piezoelektrische Element 5 gelegt.

Auf diese Weise werden dem piezoelektrischen Element 5 die Impulsansteuersignale der Fig. 6 und Fig. 9(3) zugeführt.

Die Frequenz der vorgenannten Impulsansteuersignale ist konstant und koinzidiert über den gesamten Bereich mit der Resonanzfrequenz des Horns, so daß das Horn 1 immer mit der Resonanzfrequenz schwingt.

Dagegen ist in dem Abschnitt, in dem das erste Impulsansteuersignal angelegt wird, also in dem durch D₃, D₄ und D₅ von Fig. 5 bezeichneten Abschnitt, die Amplitude des ersten Impulsansteuersignals so klein, daß entsprechend Fig. 2(a) die Kugel 8 die Einspritzöffnung 21 durch die Vorspannkraft der Feder 9 geschlossen hält, und es wird kein Kraftstoff vom Kraftstoffzufuhrsystem zugeführt.

In den Abschnitten, in denen das zweite Impulsansteuersignal angelegt wird, also während der Abschnitte D₁ und D₂ von Fig. 5, in denen das zweite Impulsansteuersignal große Amplitude hat, bewirkt die Schwingung des Horns 1 mit der Resonanzfrequenz, daß sich die Kugel 8 gegen die Kraft der Feder 9 bewegt, so daß sich die Einspritzöffnung 21 öffnet und Kraftstoff durch die Einspritzöffnung 21 in der in Fig. 2(b) gezeigten Weise eingespritzt wird.

Der aus der Einspritzöffnung 21 durch den Kraftstoffdurchgang 23 im Horn 1 eingespritzte Kraftstoff wird durch die Schwingungen mit der Resonanzfrequenz des Horns 1 zerstäubt. Insbesondere wird er in wirksamer Weise durch die konische Schwingungsfläche 24 zerstäubt, die am Rand der Einspritzöffnung 21 ausgebildet ist.

Auf diese Weise wird der aus der Einspritzöffnung 21 eingespritzte, hinreichend zerstäubte Kraftstoff mit der vom Saugventil 2 (Fig. 1) angesaugten Luft vermischt und durch die Drosselklappe 3 der Brennkraftmaschine zugeführt.

Wenn das Horn 1 so angeordnet ist, daß es derart zum Saugventil 2 gerichtet ist, daß der aus der Einspritzöffnung 21 eingespritzte Kraftstoff die Gesamtfläche des Saugventils 2 gleichmäßig bedecken kann, wird die Verdampfung des Kraftstoffs am Saugventil unterstützt, und ein gleichförmiges Gasgemisch wird der Brennkraftmaschine zugeführt.

Nach Fig. 7 kann durch Änderung der Impulsdauer Ti die Einspritzmenge aus der Einspritzöffnung 21 genau dosiert werden.

Durch Änderung der Amplitude des zweiten Impulsansteuersignals ist es ferner möglich, einen optimalen Kraftstoffzufuhrzustand für die Brennkraftmaschine durch Einstellen einer Einspritzmengeneinheit zu bestimmen.

Von den Erfindern durchgeführte Messungen zeigen, daß Kraftstoff mit einer Teilchengröße von weniger als 100 µm der Brennkraftmaschine mit hoher Genauigkeit zuführbar ist, wenn die Kugel einen Durchmesser von 3 mm und die Feder 9 eine Federkonstante von 100 g/mm hat.

Insbesondere angesichts der Tatsache, daß das Horn 1 mit der Resonanzfrequenz schwingend gehalten wird, wird auch der Kraftstoff, der unmittelbar vor dem Schließen oder Öffnen des Ventils eingespritzt wird, in wirksamer Weise an der konischen Schwingungsfläche 24 zerstäubt.

Selbst wenn ferner die Kraftstoffdurchflußmenge hoch ist, wird der Kraftstoff vollständig durch das Horn 1, das mit der Resonanzfrequenz schwingt, zerstäubt.

Wie aus der vorstehenden Erläuterung hervorgeht, wird das Luft-Kraftstoff-Verhältnis auf einem gleichbleibenden Wert gehalten, und der Kraftstoff wird der Brennkraftmaschine in wirksamer Weise zugeführt, indem die Impulsdauer Ti in der durch die Gleichung (1) angegebene Weise entsprechend den Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine eingestellt wird.

Fig. 10 zeigt den Fall, bei dem eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Vierzylindermotor verwendet wird, wobei ein Zylinderunterscheidungssignal gemäß (1) erzeugt wird, indem im Kurbelwinkelfühler Schlitze unterschiedlicher Breite gebildet sind.

Dem ersten Zylinderhorn wird z. B. ein Impulssignal e₁ der genannten Impulsdauer Ti zu einem Zeitpunkt zugeführt, der um R gegenüber diesen Zylinderunterscheidungssignalen verzögert ist.

Infolgedessen kann der Kraftstoff synchron mit dem Saughub des ersten Zylinders eingespritzt werden.

Der Kraftstoff kann in genau der gleichen Weise auch in den zweiten bis vierten Zylinder eingespritzt werden.

Vorstehend wurde eine Ausführungsform der Horn-Einspritzdüse mit Feder und Kugel erläutert. Alternativ ist es auch möglich, die Ventileinheit so auszulegen, daß sie nur eine Kugel aufweist, die unter dem Kraftstoffdruck gegen die Einspritzöffnung gedrückt wird, wobei keine Feder vorgesehen und die Einspritzöffnung des Horns nach unten gerichtet ist.

Bei dieser Ausführungsform wird der Bereich der zumeßbaren Kraftstoffdurchflußmenge einerseits vergrößert und andererseits die Funktion der Kraftstoffzerstäubung verbessert, so daß ein Kraftstoffzufuhrsystem erhalten wird, das der Brennkraftmaschine ein zerstäubtes Gasgemisch gleichbleibender Güte mit optimaler Einspritzrate zuführen kann.

Nachstehend wird eine spezielle Ausführungsform eines Kraftstoffzufuhrsystems erläutert.

Zuerst wird die Konstruktion eines Wandlers 104 unter Bezugnahme auf die Fig. 11-15 erläutert.

Der Wandler 104 ist ein Langevin-Wandler, bestehend aus einem Horn 106 und einem elektrostriktiven Mehrlagen-Element 107, und wird hier als Einspritzventil verwendet. Dieses Einspritzventil wurde vor einiger Zeit entwickelt für die Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, und seine Funktionsweise wird später erläutert. Das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 ist am einen Ende des Horns 106 mit einem Bolzen 116 befestigt. Es besteht aus einer Anzahl aneinandergelegter elektrostriktiver Elemente 107′, und ein Teil ist mit Elektroden 110, 111 zur Zuführung einer Spannung, einer Kontrollelektrode 112, einem elektrostriktiven Kontrollelement (Amplitudendetektor) 105 u. dgl. versehen. Bei dem elektrostriktiven Mehrlagen-Element 107 gemäß der auseinandergezogenen Schnittdarstellung von Fig. 12 sind die elektrostriktiven Elemente 107′, auf denen die Elektroden gleicher Polarität liegen, einander zugewandt angeordnet. Fig. 13 zeigt die beiden Oberflächen und die Seiten der entsprechenden elektrostriktiven Elemente 107′. Wie Fig. 13 zeigt, ist das elektrostriktive Element 107′ scheibenförmig mit einer mittigen Durchgangsbohrung 113, und beide Seiten sind mit Silberelektroden 118 beschichtet. Die eine Silberelektrode 118 bildet eine positive und die andere eine negative Elektrode. Diese Elektroden sind mit Aussparungen 119 versehen, die nicht als Silberelektrode bearbeitet sind. Die Aussparungen 119 liegen auf der positiven und der negativen Elektrodenseite an Stellen, die einander nicht zugewandt sind. Die Seiten jedes elektrostriktiven Elements 107′ weisen ebenfalls Silberelektroden 118 a, 118 b an Stellen, die den Aussparungen 119 entsprechen, auf. Diese elektrostriktiven Elemente 107′ liegen, wie Fig. 14 zeigt, in solcher Weise aufeinander, daß die positiven Elektroden, die negativen Elektroden, die Aussparungen an den positiven Elektroden und die Aussparungen an den negativen Elektroden einander jeweils entgegengesetzt zugewandt sind. Die so angeordneten elektrostriktiven Elemente 107′ sind entsprechend Fig. 15 aneinandergelegt, wobei ihre jeweiligen Silberelektroden 118 a, 118 b in Reihe miteinander verbunden sind. Unter diesen Bedingungen sind die Seiten der Aussparungen 119 durch ein elektrisch leitendes Material wie Lot miteinander verbunden, wodurch es möglich wird, die elektrostriktiven Elemente 107′ ohne Störungen zwischen den positiven und negativen Elektroden miteinander zu verbinden. Unter erneuter Bezugnahme auf Fig. 11 wird eine allgemeine Konfiguration des Wandlers bzw. Meßwertumformers 104 erläutert.

Eine gemeinsame positive Elektrode 110 zum Anlegen einer Spannung ist in einen Teil des elektrostriktiven Mehrlagen- Elements 107 eingebaut, und am anderen Ende des Elements ist eine gemeinsame negative Elektrode 111 vorgesehen. Die Elektroden 110, 111 bestehen aus einem Werkstoff wie Phosphorbronzeblech. Das Horn 106 ist mit der negativen Elektrode geerdet.

Elektrostriktive Kontrollelemente 105, denen keine Spannung aufgedrückt ist, sind in einen Teil des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107 eingebaut. Beim vorliegenden Beispiel sind zwei elektrostriktive Kontrollelemente 105 vorgesehen. Jedes elektrostriktive Kontrollelement 105 ist ähnlich wie die elektrostriktiven Elemente 107′ aufgebaut und ist gemeinsam mit der Kontrollelektrode 112 zwischen die negative Elektrode 111, ein Zwischenstück 108 und eine Mutter 109 eingefügt. Die Kontrollelektrode 112 ist zwischen die positiven Elektroden der einander zugewandten elektrostriktiven Elemente 105 eingefügt und durch eine Zuleitung 125 elektrisch herausgeführt. Die resultierende Schichtung des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107, der elektrostriktiven Kontrollelemente 105 und der Elektroden 110-112 ist auf einen am Horn 106 befindlichen Bolzen 116 durch eine Durchgangsöffnung aufgesetzt und mittels der Mutter 109 über das Zwischenstück 108 befestigt. Das andere Ende des Horns 106 hat stetig abnehmenden Durchmesser und einen darin ausgebildeten Kraftstoffdurchgang 106 a. Ein Teil des Kraftstoffdurchgangs 106 a enthält ein Stahlkugelventil 114 und eine Feder 115 (Federkonstante: ca. 0,3-1 kg/cm). Das Kugelventil 114 wird im Schließzustand von der Feder 115 gegen einen Ventilsitz 106 b gedrückt, wenn das elektrostriktive Element 107 entregt ist oder eine niedrige Amplitude hat. Bei Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden 110 und 111 wird das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 verschoben. Diese Verschiebung wird durch das Horn 106 verstärkt, wodurch am Vorderende des Horns 106 eine Verschiebung mit vergleichsweise großer Amplitude entwickelt wird. Insbesondere, wenn die Frequenz der angelegten Spannung mit der Resonanzfrequenz des Horns z. B. bei 30 kHz in Koinzidenz gebracht wird, erfolgt ein stabiles Schwingen, wobei der Befestigungsflansch 104 a als Schwingungsknoten wirkt. Aufgrund dieser Schwingung beginnt der gesamte Wandler zu schwingen. Die Amplitude ist am Vorderende des Horns ein Maximum von mehreren 10 µm. Bei Auftreten einer ausreichend großen Amplitude, die eine Einstellung im Horn 106 übersteigt, hebt das Kugelventil 114 ab und öffnet den Durchgang 106 a. Das Kugelventil 114 hebt aufgrund des Prinzips ab, daß unter starker Schwingung einer auf die Feder 115 über das Horn 106 einwirkenden Resonanzfrequenz die Feder 115 sich krümmt, und dieser Krümmungseffekt wird mit der Kraft des Druckkraftstoffs im Durchgang, der zwischen das Kugelventil 114 und den Ventilsitz 106 b zu gelangen trachtet, multipliziert. Dieser Ventilöffnungsvorgang bewirkt, daß der Druckkraftstoff aus einem Ende des Horns 106 durch den Durchgang 106 a eingespritzt wird. Dabei wird der Kraftstoff mit einem Druck von ca. 1-3 kg/cm² beaufschlagt, und jedes der elektrostriktiven Elemente 107′ erhält eine Spannung von ca. ±75 V.

Zur Übertragung der Verschiebung des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107 auf das Horn 106 in wirksamer Weise muß das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 in engem Kontakt mit dem Horn 106 angeordnet sein. Zu diesem Zweck ist das Horn 106 mit einer Drehkraft von mehr als einigen 10 kg · cm befestigt.

Nunmehr wird die allgemeine Funktionsweise des Resonanzfrequenz- Steuersystems unter Einsatz des vorstehend erläuterten Langevin-Wandlers unter Bezugnahme auf Fig. 27 erläutert.

Wie oben beschrieben, wird beim Anlegen einer Spannung vorbestimmter Frequenz an die Elemente 107′ des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107 der Wandler 104 in mechanische Schwingung versetzt, die auf das Horn 106 übertragen und von diesem verstärkt wird. Die Resonanzfrequenz des elektrostriktiven Elements 107 und des Horns 106 müssen koinzidieren, um den gesamten Wandler in den Schwingungszustand zu bringen. Wenn der Kraftstoff an der Einspritzdüse bzw. dem entsprechenden Teil des Horns 106 sich absetzt, wird durch dessen Masse die Wandlerbelastung jedoch geändert, und infolgedessen ändert sich die Resonanzfrequenz des Wandlers 104. Aus diesem Grund muß die Resonanzfrequenz des Wandlers 104 ständig kontrolliert werden, und wenn sie abweicht, muß die geänderte Resonanzfrequenz festgestellt werden, so daß eine Spannung an die elektrostriktiven Elemente 107′ angelegt werden kann.

Bei dieser Ausführungsform wird der Schwingungszustand des Wandlers 104 von den elektrostriktiven Kontrollelementen 105 und dem Mikrorechner 101 kontrolliert. Wenn dabei eine mechanische Schwingung des Wandlers 104 an die elektrostriktiven Kontrollelemente 105 geführt wird, wird von den elektrostriktiven Kontrollelementen 105 eine der mechanischen Schwingung des Wandlers 104 proportionale Ausgangsspannung erzeugt. Eine an den elektrostriktiven Kontrollelementen 105 somit erfaßte Spannung wird als Information in den Mikrorechner 101 eingegeben. Dieser kontrolliert also, ob der Wandler 104 sich in einem Schwingungszustand befindet, und wenn die Resonanzfrequenz abweicht, wird durch den Frequenzregler 102 die an das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 des Wandlers angelegte Spannung auf die erforderliche Resonanzfrequenz geregelt.

Vor der Operation des Mikrorechners 101 werden die Charakteristiken elektrostriktiver Elemente unter Bezugnahme auf die Fig. 21-26 erläutert.

Fig. 21A zeigt die Beziehung zwischen einer Spannung V _out, die an ein elektrostriktives Element angelegt wird, und der mechanischen Verschiebung Δ l des elektrostriktiven Elements. Mit steigender Spannung V _out nimmt die Verschiebung Δ l im wesentlichen linear zu. Fig. 21B zeigt eine Beziehung zwischen der Verformung, d. h. der Verschiebung Δ l eines elektrostriktiven Elements unter Einwirkung einer mechanischen Kraft und einer in den Elektroden erzeugten Spannung V _m. Wenn das elektrostriktive Element mit einer Druckkraft beaufschlagt wird, wird durch den elektrostriktiven Effekt eine positive Spannung erzeugt. Die Beziehung zwischen V _m und Δ l ist im wesentlichen linear.

Fig. 22 zeigt eine chronologische Änderung der Verschiebung Δ l des elektrostriktiven Elements 107 und eines elektrostriktiven Kontrollelements 105 unter einer angelegten Wechselspannung V _out, die an das elektrostriktive Mehrlagen- Element 107 gemäß der Ausführungsform angelegt ist, wobei die Kontrollspannung V _m der Verschiebung Δ l des elektrostriktiven Kontrollelements 105 entspricht. Es sei angenommen, daß sich die Spannung V _out in positiver und negativer Richtung mit der Zeit z. B. sinusförmig ändert. Mit zunehmender Spannung V _out nimmt auch die Verschiebung Δ l des elektrostriktiven Elements zu. Eine Zunahme von Δ l führt zur Beaufschlagung des elektrostriktiven Kontrollelements mit einer Druckkraft, so daß eine negative Verschiebung erfolgt unter Erzeugung einer positiven Spannung. Wenn die Spannung V _out abnimmt, ist der Fall umgekehrt. Infolgedessen wird die Verschiebung Δ l des elektrostriktiven Elements nach Maßgabe der Änderung von V _m bestimmt.

Fig. 23 zeigt den Fall, daß eine Spannung größerer Amplitude als im Fall von Fig. 22 angelegt wird. Wenn sich V _out in negativer Richtung ändert, sind die Änderungen von Δ l und V _m nicht linear, und zwar deshalb, weil die Charakteristik eines elektrostriktiven Elements derart ist, daß sich die Verschiebung Δ l nicht linear gegenüber einer großen Änderung der negativen Spannung ändert. Wenn sich V _out in positiver Richtung ändert, ändern sich dagegen Δ l und V _m linear, so daß es möglich ist, den Wert von Δ l zu bestimmen.

Fig. 24 zeigt eine chronologische Änderung von V _out, Δ l und V _m, wobei sich die Spannung V _out impulsförmig ändert. Der Wert von Δ l kann auch in diesem Fall aus V _m bestimmt werden.

Fig. 25 zeigt eine chronologische Änderung der Verschiebung Δ l eines elektrostriktiven Elements und der Verschiebung Δ l _h des Horns, das sich nicht im Resonanzzustand befindet. Mit dem Anstieg von Δ l steigt Δ l _h ebenfalls an. Wenn also der Wert von Δ l einmal bekannt ist, kann auch Δ l _h bestimmt werden, und zwar auch bei im Resonanzzustand befindlichem Horn.

Fig. 26A zeigt eine Beziehung zwischen der Amplitude A _lh des Horns im Resonanzzustand, der Frequenz f der an das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 angelegten Spannung und der Amplitude A _l der Verschiebung des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements und der Amplitude der Kontrollspannung A _vm des dem Resonanzzustand des Horns zugeordneten elektrostriktiven Kontrollelements. A _lh und A _vm steigen mit der Resonanzfrequenz f _R an, weil das elektrostriktive Kontrollelement durch die Hornverschiebung verformt wird. Wenn dabei die Frequenz f der angelegten Spannung so geregelt wird, daß die Kontrollspannung A _vm maximiert wird, kann der Wert A _lh maximiert werden. Wie Fig. 26C zeigt, ist im übrigen die Verschiebung (Amplitude) des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements selbst der Amplitude der angelegten Spannung proportional und wird daher nicht durch die Frequenz f der angelegten Spannung beeinflußt.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 28 und 29 wird der Operationsablauf des Mikrorechners 101, des Frequenzreglers 102 und des Spannungsverstärkers 103 erläutert.

Fig. 28 ist ein Schema einer Frequenzregelungs-Routine für die an das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 angelegte Spannung. Der Mikrorechner 101 setzt als Anfangsschritt für die Regelungs-Routine in Schritt 1001 den Zähler i auf Null. Schritt 1011 erhöht dann die Regelungsroutine i. Jedesmal, wenn i erhöht wird, wird eine Kontrollspannung V _mi,j an mehreren bis einigen hundert Stellen der Ausgangsspannung V _m, die am Amplitudendetektor (elektrostriktiven Kontrollelement) 105 des Wandlers 104 erzeugt wird, abgetastet, und die Amplitude A _mi der Ausgangsspannung V _m des elektrostriktiven Kontrollelements 105 wird aus der Differenz zwischen dem Höchst- und dem Niedrigstwert der abgetasteten Kontrollspannungen V _mi,j bestimmt (Schritte 1021 und 1031). Der Wert A _mi wird ausgedrückt als

A _mi = (V _mi,j)_max - (V _mi,j)_min.

Fig. 29 zeigt Signalverläufe, die die Bedingungen der Schritte 1021 und 1031 darstellen. Wie gezeigt, wird die Abtastzeit der Kontrollspannung V _mi,j an einem Punkt mit Δ ts angenommen, der aus dem Bereich zwischen 1 und 100 µs bestimmt ist.

Es sei beispielsweise angenommen, daß Δ ts auf 100 µs gesetzt ist und die Kontrollspannung V _mi,j an 100 Punkten für jeden Kontrollroutinevorgang zur Bestimmung von A _mi abgetastet wird. Eine Abtastzeit von 10 ms (=100 µs × 100) wird dafür benötigt.

Infolgedessen wird der Frequenzsuchvorgang in Intervallen von 10 ms durchgeführt. Dies ist nahezu ebenso häufig wie Änderungen des Kraftstoffdurchsatzes und wird daher als den Laständerungen hinreichend entsprechend angenommen. Wenn eine häufigere Frequenzsuche gewünscht wird, wird Δ ts z. B. auf 10 µs verringert, oder die Anzahl Abtastvorgänge wird auf ca. 10 µs vermindert.

Im Fall einer kleinen Laständerung dagegen kann die Frequenzsuchzeit verlängert werden, oder alternativ kann eine Frequenzsuche durchgeführt werden, indem eine Abtastung in vorbestimmten Zeitintervallen erfolgt. Z. B. wird Δ ts auf 100 µs, die Anzahl Abtastungen auf 100 und das Zeitintervall auf 1000 µs gesetzt. Die Zeichen A _m₁, A _m₂, . . ., A _{mi -}₁, A _mi in Fig. 29 bezeichnen die Amplituden der Ausgangsspannung V _m, die aus der Kontrollspannung V _mi,j jeweils bestimmt wird, wenn die Zählzeit i in der Regelungsroutine erhöht wird. Die Schritte 1041, 1061 vergleichen den momentanen Wert von A _mi mit dem vorhergehenden Abtastwert A _{mi -}₁ in jeder Regelungsroutine, und wenn A _mi als größer ermittelt wird, wird die Frequenz f der angelegten Spannung gehalten (Schritt 1091). Wenn A _mi gleich A _mi-₁ ist, wird die Frequenz f ebenfalls insoweit gehalten, als der spezielle Wert von A _mi nach Wiederholungen der Regelungsroutine i bereits einen Höchstwert erreicht hat. Wenn dagegen A _mi verringert ist, wird f um Δ f erhöht (Schritt 1071). Insbesondere wird bei einer Änderung der Frequenz f die Kontrollspannung V _mi,j in der nächsten Regelungsroutine i wieder abgetastet, und die Resonanzfrequenz wird für jede Regelungsroutine i abgesucht, bis die richtige Resonanzfrequenz gefunden ist. Wenn die für die Suche veränderlich geregelte Frequenz f eine vorgegebene Obergrenze f _U der Suchfrequenz erreicht, wird die Frequenz f wieder auf den vorgegebenen unteren Grenzwert f _L durch die Schritte 1051 und 1081 rückgestellt, so daß f wiederum um Δ _f erhöht wird, um eine Resonanzfrequenz zu suchen. Der Wert f _L ist auf einen niedrigeren Pegel gestellt als die ursprünglich für den Wandler eingestellte Resonanzfrequenz, während f _U auf einen höheren Pegel als die ursprünglich eingestellte Resonanzfrequenz des Wandlers eingestellt ist, so daß im Fall einer Änderung der Resonanzfrequenz f die so geänderte Resonanzfrequenz f abgesucht werden kann, indem sie innerhalb des Bereichs von f _U bis f _L um Δ f erhöht wird.

Wenn z. B. die Referenz-Resonanzfrequenz 30 kHz ist, wird f _U auf 35 kHz, f _L auf 25 kHz und Δ f auf 0,1 kHz eingestellt.

Auf diese Weise entscheidet der Mikrorechner 101, ob der Wandler 104 sich im Resonanzzustand befindet, d. h. ob das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 unter einer Resonanzfrequenz arbeitet, und zwar auf der Grundlage der Amplitude der Ausgangsspannung V _m des elektrostriktiven Kontrollelements 105. Bei der hier betrachteten Ausführungsform wird der Resonanz-Kontrollvorgang so genützt, daß bei einer Abweichung der anzulegenden Resonanzfrequenz die nach der Änderung an das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 anzulegende Resonanzfrequenz abgesucht wird durch die Frequenzregelungs-Operation des Mikrorechners 101 und den Frequenzregeler 102, und diese spezielle Resonanzfrequenz- Spannung wird dem elektrostriktiven Mehrlagen-Element 107 des Wandlers 104 zugeführt.

Wie vorstehend erläutert, sind bei der vorliegenden Ausführungsform in das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 die elektrostriktiven Kontrollelemente 105 eingebaut, denen keine Spannung aufgedrückt ist, so daß sie die Änderung der mechanischen Schwingung des Wandlers direkt erfassen, was eine Verbesserung der Genauigkeit der Resonanzkontrolle des Wandlers ermöglicht. Durch diese Kontrolle eines Resonanzzustands des Wandlers wird außerdem die Resonanzfrequenz der an das elektrostriktive Mehrlagen-Element anzulegenden Spannung mit höherer Genauigkeit nach Maßgabe der Laständerung geregelt. Dadurch kann das Betriebsverhalten von wandler-beaufschlagten Elementen wie dem Einspritzventil verbessert werden.

Da ferner das elektrostriktive Kontrollelement in einfacher Weise als Teil des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements eingebaut werden kann, werden die Montagevorgänge für die Resonanzkontrollmittel des Wandlers vermindert und gleichzeitig vereinfacht. Ferner können die elektrostriktiven Kontrollelemente 105 lagenweise mit dem Mehrlagen-Element 107 mit Hilfe eines Bolzens und einer Mutter zusammengefügt werden. Daher wird auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen die Lebensdauer des Resonanz-Kontrollelements verbessert, ohne daß eine Beeinträchtigung der gewünschten Funktionen erfolgt.

Fig. 30 ist ein Diagramm, das eine Systemauslegung eines Kontrollsystems gemäß einer anderen Ausführung zeigt. Dabei sind gleiche oder gleichartige Teile wie bei dem vorhergehenden Beispiel mit denselben Bezugszeichen versehen. Ferner ist ein Phasenregler 130 zusätzlich zu den Bauteilen der ersten Ausführungsform vorgesehen. Das Vorsehen des Phasenreglers 130 ist notwendig, weil die Phasendifferenz R zwischen der mechanischen Schwingung, die das Ausgangssignal des Wandlers 104 bildet (d. h. der Ausgangsspannung V _m des elektrostriktiven Kontrollelements 105), und der Resonanzfrequenz-Spannung V _out, die an das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 anzulegen ist, auf Null vermindert werden muß, wenn der Wandler in Resonanz gehalten werden soll. Insbesondere hat das Verstärkungssystem für die Resonanzfrequenz-Spannung einen solchen Phasenverlauf, daß eine Phasendifferenz zwischen V _m und V _out auftreten kann, und daher wird die Phase von V _out so geregelt, daß R zu Null wird.

Diese Phasenregelung wird durch die Phasenkontrolloperation des Mikrorechners 101 und die Phasenregelung des Phasenreglers 130 durchgeführt. Fig. 31A ist ein Phasenregelungs- Ablaufplan.

Dabei wird zur Durchführung der Phasenregelung der Resonanzfrequenz- Spannung der Regelungsroutine-Zähler i auf Null gesetzt (Schritt 2001), und dann wird i erhöht (Schritt 2011).

In Schritt 2021 tastet der Mikrorechner 101 eine Periode der Kontrollspannung V _m und der angelegten Spannung V _out ab, gefolgt von Schritt 2031, in dem V _m mit V _out verglichen wird. Wenn die Phasendifferenz zwischen V _m und V _out Null ist, wird die Phase der Resonanzfrequenz von V _out gehalten (Schritt 2051). Wenn die Phasendifferenz derart ist, daß V _m größer als V _out ist, geht der Prozeß zu Schritt 2061 zur Durchführung der Phasenvorrückungs-Regelung von V _out, um die Phasendifferenz auf Null zu verringern; wenn dagegen die Phasendifferenz derart ist, daß V _m kleiner als V _out ist, führt Schritt 2071 die Phasenverzögerungs-Regelung von V _out durch und bringt die Phasendifferenz R auf Null. Diese Operationen der Phasendifferenz-Kontrolle, die Entscheidung über die Notwendigkeit einer Phasenregelung und die Berechnung einer Phasenregelungsgröße werden im Mikrorechner 101 durchgeführt, und aufgrund des resultierenden Rechenwerts führt der Phasenregler 130 die Phasenregelung durch. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Additionsgrößeneinheit der Phasenvorrückung oder -verzögerung der Regelungsroutine vorgegeben, so daß der Regelungsroutine- Zähler i für die Phasenregelung inkrementiert wird, bis die Phasendifferenz Null ist.

Um z. B. V _out koinzident mit V _m zu machen, sei angenommen, daß die Phase von V _out vorgedrückt werden soll. Dabei sollte die folgende Gleichung erfüllt werden:

wobei k eine Konstante ist. Dieser Wert V _out kann in der nachstehend genannten Weise in einen Digitalwert umgesetzt werden zur Berechnung der Phasendifferenz-Regelung des Mikrorechners 1:

V _outi = V _outi + GAIN(V _outi - V _{outi -}₁)

Auf diese Weise wird die Phase vorgerückt. GAIN ist eine Konstante, die den Betrag der Phasenvorrückung bestimmt. D. h., GAIN wird geändert, bis die Phasendifferenz R auf Null verringert ist.

Wenn dagegen die Phase von V _out zu verzögern ist, muß die folgende Beziehung gelten:

V _out = V _out + k ∫ V _out dt

wobei k eine Konstante ist. Diese kann in folgender Weise in einen Digitalwert umgesetzt werden:

Auf diese Weise wird die Phase verzögert. GAIN ist eine Konstante zur Bestimmung der Größe der Phasenverzögerung. Insbesondere wird GAIN geändert, bis die Phasendifferenz R zu Null wird. Ferner ist n auf 10-100 gesetzt.

Bei dieser Ausführungsform ergibt sich zusätzlich zu der bei der vorgenannten Ausführungsform erzielten Auswirkung der Vorteil, daß aufgrund der Phasen-Charakteristiken eines Verstärkersystems für die dem Wandler 104 zugeführte Spannung eine Änderung der Phasendifferenz, die zwischen der Resonanzfrequenz-Spannung V _out und der Kontrollspannung V _m auftreten kann, kompensiert wird unter automatischer Erzielung von Koinzidenz, wodurch der Wandler noch genauer in Resonanz gehalten wird.

Fig. 32 ist ein Beispiel für die Auslegung einer speziellen Schaltung des Phasenreglers 130, dessen Signalverläufe in Fig. 33 gezeigt sind. Unter Bezugnahme auf die Fig. 32 und 33 wird ein spezieller Fall der Phasenregelung im einzelnen erläutert.

Transistoren Tr₁, Tr₂, Tr₃ und Tr₄ in den jeweiligen Stufen der Fig. 32 dienen der Verstärkung der Spannung V _out, die an das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 des Wandlers 104 angelegt ist, und ferner sind Transformatoren T₁, T₂ und T₃ vorgesehen. Der aus diesen Verstärkerelementen aufgebaute Verstärker 103 dient der Verstärkung der Spannung V _out, die vorher auf die Resonanzfrequenz eingestellt ist und dem elektrostriktiven Mehrlagen-Element 107 des Wandlers 104 zugeführt wird, um in dem Mehrlagen-Element 107 eine mechanische Schwingung zu erzeugen. Das Signal V _m der in das Mehrlagen-Element 107 eingebauten elektrostriktiven Kontrollelemente 105 wird dem internen Anschluß 103′ des Verstärkers zugeführt, und die an das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 gelegte Spannung V _out sowie das Signal V _m (Kontrollspannung) werden dem Phasenmonitor 101′ zugeführt. Das an den Eingang 103′ des Verstärkers geführte Kontrollsignal V _m wird durch die Transistoren Tr₁ bis Tr₄ und die Transformatoren T₁ bis T₃ verstärkt und wieder zum Eingang des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107 rückgeführt. Die Amplitude der Spannung V _m unterliegt ständigen Änderungen mit der Last (z. B. dem Kraftstoffdurchsatz), die an den Wandler angelegt wird, und daher würde ihr direktes Anlegen an den Eingang 103′ eine ständige Änderung der Eingangsleistung für den Wandler bedingen. Zur Dämpfung dieser Änderung dient eine Z-Diode 131 (RD5A), die am Eingang vorgesehen ist, um die Obergrenze der rückgeführten Eingangsspannung zu halten (Fig. 33A). Ferner dient eine nach dem Transistor Tr₃ angeordnete Z-Diode 132 als Begrenzer und hält den Eingang des Transistors Tr₄ ungeachtet von Änderungen des rückgeführten Eingangs konstant (Fig. 33B).

Der Ausgangskreis des Transistors Tr₄ bildet ein LC-Glied, das auf die mechanische Resonanzfrequenz des Wandlers abgestimmt ist. Die Spannung V _out₁, die unter der Einwirkung des Begrenzers einen rechteckähnlichen Verlauf hat, wird in dieser Stufe auf V _out₂ mit unveränderlicher Amplitude und sinusförmigem Verlauf verstärkt (Fig. 33C). In der nächsten Ansteuerstufe wird diese Spannung weiter auf V _out₃ verstärkt (Fig. 33D), so daß V _out durch den Ausgangstransformator T₃ an den Wandler angelegt wird.

Bei diesem Verstärkungssystem hat der Verstärkerkreis seine eigene Phasendifferenz, und daher entwickelt sich eine Phasendifferenz zwischen der angelegten Spannung V _out und der Kontrollspannung V _m. Bei dieser Ausführungsform wird die Phasendifferenz R durch den Phasenmonitor 101′ überwacht, und wenn eine Phasendifferenz R auftritt, wird ein Stellwiderstand V _R₁ eines Phasenreglers 130, der in die Verstärkerschaltung 131 eingebaut ist, aktiviert und regelt die Phasendifferenz auf Null. Der Phasenreglerkreis 130 ist eine Kombination aus dem Stellwiderstand V _R₁ und einem Kondensator C.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 16-20 werden nunmehr weitere Beispiele der elektrostriktiven Mehrlagen-Elemente beschrieben, die bei jeder der vorstehenden Ausführungsformen einsetzbar sind. Dabei sind Teile, die den Teilen des Mehrlagen- Elements nach Fig. 12 entsprechen, gleich bezeichnet.

Fig. 16 zeigt ein zweites spezielles Beispiel des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107. Dabei wird anstelle von zwei elektrostriktiven Kontrollelementen 105 des ersten Beispiels nur ein einziges elektrostriktives Element 105 verwendet. Eine Kontrollelektrode 112 ist zwischen die positive Elektrode des Kontrollelements 105 und ein Isolierstück 120 geschaltet, und von ihr wird eine Kontrollspannung V _m abgenommen. Diese Konfiguration arbeitet mit nur einem elektrostriktiven Kontrollelement 105, wodurch Herstellungskosten eingespart werden.

Fig. 17 zeigt ein drittes Beispiel des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107. Dabei ist zusätzlich zu der Konstruktion des Mehrlagen-Elements des zweiten Beispiels ein Isolierstück 120 zwischen dem Mehrlagen-Element 107 und dem Horn vorgesehen. Dabei wird der Abstand zwischen einer gemeinsamen Elektrode 110 des elektrostriktiven Mehrlagen- Elements 107 und dem Horn vergrößert, wodurch der Luftaustritt von der positiven Elektrode zum Horn erschwert wird. Infolgedessen kann an das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 eine vergleichsweise hohe Spannung angelegt werden.

Fig. 18 zeigt ein viertes Beispiel des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107. Dabei ist ohne Zwischenschaltung von Elektrodenplatten zwischen Elemente 107′ eine Vielzahl von elektrostriktiven Elementen 107′ aneinandergelegt. Die Zuleitungselektroden 118 a, 118 b entlang dem Außenumfang des so gebildeten Mehrlagen-Elements 107 sind direkt mit einer positiven Elektrode 121 und einer negativen Elektrode 122 verbunden. In diesem Fall entfallen die Elektrodenplatten 110, 111, wodurch die Konstruktion vereinfacht und das elektrostriktive Mehrlagen-Element kleiner gebaut wird.

Die Fig. 19A, 19B und 19C zeigen ein fünftes Beispiel des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107. Dieses umfaßt elektrostriktive Elemente 107′ mit einander zugewandten positiven und negativen Elektroden, wobei zwischen jeweilige Paare von einander gegenüberliegenden Elektroden eine innere Elektrodenplatte eingeschaltet ist (die z. B. aus einer Ag-Pd-Legierung besteht). Ferner ist ein Isolierglasstück 124 mit jeder zweiten inneren Elektrodenplatte 126 verbunden, an die eine gemeinsame Elektrodenzuleitung 118 a (118 b) elektrisch angeschlossen ist. Diese Isolierglasstücke 124 und die Elektrodenzuleitungen 118 a, 118 b sind in Übereinstimmung mit einer inneren Elektrodenplatte 126 (die inbesondere mit 126 b bezeichnet ist), die zwischen die positiven Elektroden der elektrostriktiven Elemente 107′ eingefügt ist, und einer inneren Elektrodenplatte 126 angeordnet (die insbesondere mit 126 b bezeichnet ist), die zwischen die negativen Elektroden eingefügt ist, wie Fig. 19B zeigt. Die jeweiligen Elektrodenzuleitungen 118 a, 118 b sind mit einem positiven Elektrodendraht 121 bzw. einem negativen Elektrodendraht 122 verbunden. Bei dieser Konstruktion verhindert die Anwesenheit der Isolierglasstücke 124 eine Störung zwischen den Elektrodenzuleitungen 118 a und 118 b, wodurch es möglich wird, die positiven Elektroden bzw. die negativen Elektroden jeweils miteinander zu verbinden. Wie Fig. 19C zeigt, kann ferner das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 bereits vorher in eine Gruppe A aus Spannungsanlegeelementen und eine Gruppe B aus elektrostriktiven Kontrollelementen 105 unterteilt werden. Gruppe A ist entsprechend der in Fig. 19A und 19B gezeigten Weise aufgebaut, und Gruppe B hat ein Isolierglasstück 124, Kontroll- Elektrodenzuleitungen 118 c, 118 d und Kontroll-Leiter 128, 129 wie im Fall der Gruppe A. Bei dieser Ausbildung kann den elektrostriktiven Elementen 107′ der Gruppe A eine Spannung der Resonanzfrequenz durch die Elektrodenelemente 121, 122, 118 a, 118 b aufgedrückt sein, und von den elektrostriktiven Kontrollelementen 105 kann durch die Kontrollelemente 118 c, 118 c, 122′, 125 eine Kontrollspannung V _m abgeleitet werden. Diese Konstruktion vermindert die Dicke jedes der elektrostriktiven Elemente, und diese Elemente können gesintert sein, wodurch ihre Güte verbessert und eine Niederspannungsansteuerung ermöglicht wird.

Die Fig. 20A-20D zeigen ein Beispiel für die Elektrodenanordnung des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements 107.

Fig. 20A zeigt ein elektrostriktives Mehrlagen-Element 107 mit einer Mehrzahl von elektrostriktiven Elementen 107′, die aneinandergeschichtet sind, wobei gleichartige Elektroden einander zugewandt und die Elektroden gleicher Polarität durch einen Spannungsanlegeleiter 121 bzw. 122 miteinander verbunden sind. Fig. 20B zeigt ein elektrostriktives Mehrlagen-Element 107 aus einer Mehrzahl elektrostriktiver Elemente 107′ und einem einzigen Kontrollelement 105 an einem Ende, das nicht mit einem Spannungsanlegeleiter, sondern mit Kontrollsignalleitern 125, 122′ verbunden ist. Als Alternative zeigt Fig. 20C, daß das elektrostriktive Mehrlagen-Element 107 ein Paar elektrostriktive Elemente 105 an seinen Enden aufweisen kann, denen keine Spannung zugeführt wird und von denen eines mit einem Kontrolleiter 125, 122′ verbunden ist. In diesem letztgenannten Fall wird durch das Vorhandensein der elektrostriktiven Kontrollelemente 105 der Abstand zwischen der positiven Elektrode des elektrostriktiven Spannungsanlege-Elements 107′ und dem Horn vergrößert, wodurch eine atmosphärische Entladung von der positiven Elektrode zum Horn erschwert wird. Infolgedessen kann das elektrostriktive Element mit einer vergleichsweise hohen Spannung beaufschlagt werden.

Fig. 20 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein elektrostriktives Kontrollelement 105 an einem Ende des Mehrlagen- Elements 107 angeordnet ist und die negative Elektrodenseite des Kontrollelements 105 gegenüber dem Horn durch ein Isolierglied 102, das z. B. aus Glimmer besteht, isoliert ist. In diesem Fall ist das elektrostriktive Kontrollelement 105 gegenüber dem Horn elektrisch isoliert, und daher wird ein Signal V _m weniger durch Störsignale od. dgl. beeinflußt.

Wie oben beschrieben, umfaßt ein elektrostriktives Mehrlagen- Element, das als Geber von mechanischen Schwingungen eines Langevin-Wandlers verwendet wird, wenigstens ein als Kontrollelement dienendes elektrostriktives Element, dem keine Spannung zugeführt wird. Wenn eine mechanische Schwingung des Wandlers auf dieses spezielle Kontrollelement übertragen wird, wird dort eine der mechanischen Schwingung proportionale Ausgangsspannung (elektrische Schwingung) erzeugt. Die Amplitude der Ausgangsspannung dieses Kontrollelements nimmt einen Höchstwert an, wenn der gesamte Wandler, also die Kombination des elektrostriktiven Mehrlagen-Elements und des Horns, in Resonanz schwingt. Wenn also entschieden wird, ob die Amplitude der Ausgangsspannung des Kontrollelements oder insbesondere eine Kontroll- Ausgangsspannung einen Höchstwert annimmt, wird festgestellt, ob sich der Wandler im Resonanzzustand befindet.

Durch Anwendung dieser Kontrolle eines Resonanzzustands ist es möglich, eine Änderung des Resonanzzustands eines Wandlers, die durch eine Änderung der den Wandler beaufschlagten Last bewirkt ist, und somit eine Änderung der Resonanzfrequenz einer an ein elektrostriktives Mehrlagen-Element anzulegenden Spannung zu kontrollieren. Durch Anwendung dieser Resonanz-Kontrollmethode ist es ferner möglich, eine Resonanzfrequenz zu suchen, nachdem eine Änderung der Spannung eingetreten ist, die an einen mechanischen Schwingungsgeber (elektrostriktives Mehrlagen-Element) eines Wandlers angelegt wird.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ferner ein elektrostriktives Element zur Überwachung bzw. Kontrolle eines Resonanzzustands als Teil eines elektrostriktiven Mehrlagen- Elements ausgelegt, so daß die Montagearbeiten des elektrostriktiven Kontrollelements vorteilhaft vereinfacht werden. Gleichzeitig kann das Kontrollelement zusammen mit einem elektrostriktiven Mehrlagen-Element fest an dem Horn gesichert werden durch geeignete Befestigungsmittel wie Bolzen und Muttern, und ein guter Befestigungszustand wird somit aufrechterhalten, ohne daß auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen das Kontrollelement abgelöst wird.

Nachstehend werden Mittel zum Fördern und Führen des Kraftstoffs nach der Zumessung zu einer Schwingungsfläche, die als Schwingungsverstärkungsabschnitt dient, im einzelnen erläutert.

Wenn die Einspritzöffnung 21 geöffnet wird, da das Kugelventil 8 vom Ventilsitz abhebt (Fig. 2B), wird der Kraftstoff durch die Einspritzöffnung und anschließend auf V-förmigen Führungsbahnen (nachstehend auch als "Transportbahnen" bezeichnet) 21 a, 221 b zu einer Schwingungsfläche 24 gefördert.

Dabei bewegt sich der Kraftstoff wellenförmig entlang der Innenwand der Einspritzöffnung 21 und längs den Innenwandflächen der Führungsbahnen 211, 21 b.

Infolgedessen wird ein Einspritzen des Kraftstoffs, ohne daß dieser direkt aus der Einspritzöffnung zerstäubt wird, wie es beim Stand der Technik häufig vorkommt, vermieden.

Die Führungsbahnen sind nicht unbedingt notwendig; wie Fig. 11 jedoch zeigt, kann der Sitz 106 auch nur mit der Schwingungsfläche 106 c über eine Bahn 106 a mit vorbestimmtem Durchmesser und vorbestimmter Länge verbunden sein.

Wenn diese Bahn kurz ist, besteht die Gefahr, daß der Kraftstoff direkt aus dem Auslaß am Vorderende eingespritzt wird, wodurch eine schlechtere Zerstäubung erzielt wird. In Abhängigkeit von der Teilchengröße des Kraftstoffs zeigen durchgeführte Untersuchungen, daß die Länge der Bahn bevorzugt 10-15 mm betragen sollte, wenn die Teilchengröße auf weniger als 10 µm verringert werden soll.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen betreffen einen sozusagen parabolischen Schwingungsflächentyp mit konkaver Form am Vorderende des Horns. Die Form der Schwingungsfläche ist jedoch nicht auf diese Ausbildung beschränkt. Sie kann stattdessen flach sein, wie Fig. 34A zeigt, oder konvex-halbkreisförmig, wie Fig. 34C zeigt, wobei der gleiche Effekt erzielt wird. Jede dieser Formen kann auf der Grundlage des Zerstäubungswinkels R gewählt werden. Die Endfläche mit dem Horndurchmesser gleich dessen Vorderende kann als Schwingungsfläche in der in Fig. 34D gezeigten Weise beschützt werden.

Der Außendurchmesser des Horns, wie die Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 11 zeigen, kann so ausgebildet sein, daß er sich vom Befestigungsflansch zur Schwingungsverstärkungsfläche am Vorderende hin konisch verjüngt, oder dieser spezielle Teil kann als Zylinder mit gleichbleibendem Durchmesser ausgebildet sein.

Bei dem Beispiel nach Fig. 35 ist in die zentrale Bahn des Horns 106 ein Abstandselement 411 eingesetzt, und es sind drei Reduktionsbahnen 412 gebildet, auf die eine Ringbahn 410 zwischen dem Abstandselement 411 und dem Horn 106 folgt.

Da bei diesem Beispiel das Abstandselement 411 als das gleiche Schwingungssystem wie das Horn ausgebildet ist, erfolgt ein wellenförmiges Strömen von Kraftstoff auch entlang der Umfangsfläche des Abstandselements 411, was die Zuführung einer größeren Kraftstoffmenge zu der Schwingungsfläche 106 c am Vorderende des Horns ermöglicht.

Das Beispiel von Fig. 36 hat mehrere Kraftstoffbahnen 413 mit kleinem Durchmesser, deren Vorderenden sich zur Schwingungsfläche 106 c öffnen und die von einem flachen Ventilkörper 114 geöffnet bzw. verschlossen werden. Dabei hat die Kraftstoffbahn geringere Länge, um eine kürzere Gesamtvorrichtung zu erzielen. Es ist erforderlich, daß eine wellenförmige Strömung des Kraftstoffs entlang den Innenflächen der Kraftstoffbahnen 413 gebildet wird.

Das Abstandselement 411 kann unter Erzielung der gleichen Wirkung ersetzt werden durch ein Stahlstück, in das eine Spiralnut gefräst ist und das in die Führungsbahnen eingesetzt ist.

Fig. 37 zeigt ein Beispiel eines Einspritzventils gemäß der Erfindung in einem Einpunkt-Einspritzsystem mit aufstromseitiger Einspritzung, wobei die einzige Einspritzeinheit aufstrom von der Drosselklappe angeordnet ist.

Das Einspritzventil ist im wesentlichen mit demjenigen nach Fig. 11 identisch mit folgenden Ausnahmen: Das Horn hat über seine Gesamtlänge gleichförmigen Durchmesser, die Schwingungsfläche des Horns am Vorderende hat im wesentlichen denselben Durchmesser wie das Horn, und eine Kraftstoffüberströmbohrung verläuft radial durch das Horn im Bereich des Aufstromteils des Kugelventils.

Eine Einspritzdüse 507 eines Ansaugkrümmers 501 weist im wesentlichen in der Mitte ein Gehäuse 506 auf. Das Einspritzventil ist festgelegt, wobei sein Flansch von einem elastischen Ring 521 und einem C-Ring 522 an einem an der Innenwand des Gehäuses 506 gebildeten Verbindungsteil gehalten ist.

Ein Deckel 507 a des Gehäuses 506 verschließt den oberen Teil des Gehäuses 506 hermetisch. Der Deckel 507 a ist mit einem Gummischlauch 524 versehen, dessen Vorderende mit einem Clip 525 mit einem Kraftstoffeinlaß verbunden ist, der sich zum oberen Ende des Einspritzventils F/I öffnet. Das andere Ende des Gummischlauchs 524 ist an eine Kraftstofffzufuhröffnung 513 a eines Kraftstoffdruckreglers 513 angeschlossen, der an der Außenwand des Ansaugkrümmers befestigt ist. Das Vorderende des Horns des Einspritzventils F/I ragt von der unteren Öffnung des Gehäuses 506 in den Ansaugkrümmer. Der Raum zwischen der Öffnung und dem Außenumfangsteil des Horns ist mit einem Dichtring 526 abgedichtet.

Der untere Innenraum des Gehäuses 506 ist gegenüber dem Saugluftkanal des Ansaugkrümmers durch den Dichtring 526 und den elastischen Ring 521 abgetrennt.

Der so abgetrennte Raum steht mit der Kraftstoffbahn aufstrom vom Kugelventil in dem Horn über eine im Horn ausgebildete Durchgangsöffnung in Verbindung.

Eine Kraftstoffrücklaufleitung 512 verbindet den Innenraum des Gehäuses 506 mit einem externen Kraftstoffkanal, der nicht gezeigt ist.

Die so ausgebildete Einspritzdüse 507 ist mit einem Drosselklappengehäuse 510 über eine Dichtung aus Isolierstoff verbunden.

Eine Drosselklappe 509, die als Luftregelventil wirkt, ist im Drosselklappengehäuse 510 angeordnet. Das Drosselklappengehäuse 510 ist über den Ansaugkrümmer 515 mit dem Motor 516 verbunden.

Der Kraftstoff tritt aus der Kraftstoffeinlaßöffnung 513 b des Kraftstoffdruckreglers 513 aus und in den Gummischlauch 524 durch eine Kraftstoffzufuhrbohrung 513 a ein und wird ferner einer Kraftstoffleitung zugeführt, die in den zentralen Teil des Einspritzventils eingesetzt ist. Mit 513 c ist eine Rücklaufleitung des Kraftstoffdruckreglers bezeichnet.

Soweit das Kugelventil geschlossen ist, läuft der Kraftstoff in den von der Außenseite abgetrennten Raum des Gehäuses über. Der in diesem Raum zurückbleibende Kraftstoff wird durch die Rücklaufleitung 512 zu dem externen Kraftstoffkanal zurückgeführt.

Wenn sich die Kugel vom Ventilsitz aufgrund der Schwingungen des Horns abhebt, wird der Kraftstoff der Schwingungsfläche am Vorderende des Horns über eine Führungsbahn zugeführt.

Der durch die Ultraschallschwingungen der Schwingungsfläche feinzerstäubte Kraftstoff wird mit der im Ansaugkrümmer strömenden Luft vermischt und dem Motor auf der Bahn um die Drosselklappe zugeführt.

In Fig. 37 kann der Kraftstoff in Gegenrichtung strömen. Insbesondere kann die Kraftstoffzuführöffnung 513 a des Kraftstoffdruckreglers an die Leitung 512 angeschlossen und zu dem abgetrennten Raum im Gehäuse, der Durchgangsöffnung 523, der Kraftstoffleitung des Einspritzventils und dem Gummischlauch 524 geführt sein. In diesem Fall ergibt sich der Vorteil, daß die in dem das Kugelventil etc. aufnehmenden Raum erzeugten Luftblasen im Kraftstoff sehr schnell durch die Kraftstoffbahn abgeführt werden können.

Die Rücklaufleitung ist nicht unbedingt notwendig. In diesem Fall können die Rücklaufleitung 512, der Dichtung 526 und die Durchgangsbohrung 523 von Fig. 37 entfallen.

Als Alternative kann die Kraftstoffleitung, die in den zentralen Teil des Einspritzventils eingesetzt ist, als Doppelleitung mit einer Zufuhr- und einer Abfuhrleitung ausgebildet sein.

Gemäß einer weiteren Alternative kann das Kraftstoffleitrohr im zentralen Teil des Einspritzventils aus einer massiven Stange bestehen, der Hornabschnitt, der dem das Kugelventil aufnehmenden Raum entspricht, ist mit einer Durchgangsbohrung (im wesentlichen identisch mit der Durchgangsbohrung von Fig. 37) zur Verbindung nach außen ausgebildet, und der Kraftstoff aus dem Druckregler wird dem abgetrennten Raum des Gehäuses 506 direkt zugeführt, wie die Strichlinie in Fig. 37 zeigt, und wird von dort durch das Durchgangsloch 523 in den das Kugelventil aufnehmenden Raum geleitet.

Das Einspritzventil ist nicht auf die gerade Ausführung nach Fig. 37 beschränkt, sondern kann jede der oben beschriebenen Formen haben.

Insbesondere kann das Einpunkt-Einspritzsystem mit Aufstromeinspritzung bevorzugt mit einem Einspritzventil ausgebildet sein, das eine konvex-sphärische oder eine flache Schwingungsfläche mit einem großen Kraftstoffausbreitungswinkel aufweist.

Dagegen wird das parabolische Einspritzventil, bei dem der Kraftstoffnebel konvergent ist, effektiv mit einem System eingesetzt, bei dem der Kraftstoff zum Saugventil des Motors eingespritzt wird.

Wenn ferner das Verhältnis der Länge der Kraftstofführungsbahn abstrom vom Kugelventil zum Kugeldurchmesser mit 1,5-2,0 oder größer vorgegeben ist, entsteht an der Innenwand der Kraftstoffbahn oder an der Schwingungsfläche ein Flüssigkeitsfilm, der eine hinreichend wellige Strömung bildet, so daß der aus der Einspritzöffnung direkt eingespritzte Kraftstoff reduziert und der Schwingungsfläche exakt zugeführt wird.

Bei der betrachteten Ausführungsform ist eine Halterung zur Befestigung des Horns vorgesehen, die einen Schwingungsknoten bildet, von dem ausgehend die Amplitude zum Vorderende des Horns hin stetig vergrößert wird.

Infolgedessen hat der in der Kraftstoffbahn in dem Horn strömende Kraftstoff eine höhere Geschwindigkeit, als wenn er nur unter der Druckdifferenz ohne Schwingungen strömen würde. Dies ist vermutlich darauf zurückzuführen, daß die Haftung zwischen der Innenwandfläche der Bahn und dem Kraftstoff durch die Schwingungen vermindert wird.

Wenn man diese Eigenschaft nützt, wird die Zeit für den Transport des Kraftstoffs vom Einlaß der Kraftstoffbahn des Horns zu deren Auslaß verkürzt, und infolgedessen wird die zeitliche Verzögerung zwischen der Zumessung und der Einspritzung in den Ansaugkrümmer minimiert.

Dieser Vorteil ist nicht auf die Ausbildung der genannten Ausführungsform mit einem in der Mitte der Kraftstoffbahn befindlichen Zumeßventil beschränkt, sondern auch auf ein Kraftstoffzufuhrsystem anwendbar, das so ausgelegt ist, daß der außerhalb des Horns zugemessene Kraftstoff durch den Einlaß des Horns eingeleitet wird.

Claims

1. Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch
einen Wandler (1, 5); und
eine den Wandler (1, 5) durchsetzende Kraftstofftransportbahn (23), wobei der Wandler (1, 5) derart ausgebildet ist, daß seine Schwingungsamplitude vom Kraftstoffeinlaß zum Kraftstoffauslaß (21) hin vergrößert wird.

2. Einspritzventil für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß der Kraftstofftransportbahn (23) zu der Schwingungsfläche am Vorderende des Wandlers (1, 5) mündet und der Kraftstoff an der Schwingungsfläche zerstäubt wird.

3. Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch einen Wandler (1, 5) mit einer Schwingungsfläche zur Kraftstoffzerstäubung an seinem Vorderende, eine im Wandler (1, 5) ausgebildete Kraftstofftransportbahn (23), die zur Schwingungsfläche mündet, und in der Kraftstofftransportbahn (23) im Wandler angeordnete Ventilbetätigungsorgane (8, 9), die aufgrund einer vorbestimmten Schwingung des Wandlers (1, 5) öffnen.

4. Einspritzventil für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel zur Bildung eines dünnen Kraftstoffilms zwischen den Ventilbetätigungsorganen (8, 9) und der Schwingungsfläche, um den geraden Verlauf des Kraftstoffs aus der zur Schwingungsfläche mündenden Kraftstoffbahn über die Schwingungsfläche zu begrenzen, wodurch der Kraftstoff in Form eines Dünnfilms der Schwingungsfläche zuführbar ist.

5. Kraftstoffzufuhrsystem für Brennkraftmaschinen, mit einem Einspritzventil, dessen Einspritzöffnung sich gegenüber einer Drosselklappe einer Brennkraftmaschine aufstrom der Drosselklappe öffnet, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzventil einen Wandler (104) mit einer die Einspritzöffnung umgebenden Schwingungsfläche sowie Schwingungsreglermittel zur Regelung der Schwingungen des Wandlers (104) nach Maßgabe der Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine aufweist.

6. Kraftstoffzufuhrsystem für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsreglermittel die Schwingungen des Wandlers (104) nach Maßgabe der Saugluftmenge der Brennkraftmaschine regeln.

7. Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch
ein elektrostriktives Element (107), das bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Schwingung vorgegebener Frequenz eine mechanische Schwingung erzeugt;
ein Horn (106) mit einer inneren Kraftstoffbahn und einem Schwingungsverstärkungsabschnitt zur Verstärkung der mechanischen Schwingungen an der Austrittsseite der Kraftstoffbahn;
eine Feder (115), die in einem Teil der Kraftstoffbahn des Horns (106) angeordnet ist;
ein Ventilglied (114) eines Kraftstoffzumeßsystems, das mit dem Ventilsitz unter der Einwirkung der Feder (115) in Anpreßkontakt steht, wobei die Kennlinie der Feder (115) derart ist, daß bei Erregung durch ein Schwingungsübertragungssystem des Horns (106) eine Federkontraktionskraft erzeugt wird, wenn die mechanischen Schwingungen einen vorbestimmten Amplitudenwert erreichen, wobei die Federkontraktionskraft das Ventilglied (114) vom Ventilsitz trennt unter Zumessung des Kraftstoffs; und
Kraftstoffleitmittel zum Leiten des aus dem Anlaß der Kraftstoffbahn nach dem Zumessen zur Schwingungsverstärkungsfläche eingespritzten Kraftstoffs, wobei der eingespritzte Kraftstoff an der Schwingungsverstärkungsfläche zerstäubt wird.

8. Einpritzventil für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ventilglied ein Kugelventil ist, das in einen Teil der inneren Kraftstoffbahn des Horns (106) eingebaut ist,
daß die Schwingungsverstärkungsfläche als halbkreisförmiger Becher ausgebildet ist, und
daß die Kraftstoffleitmittel eine Zweigleitung aufweisen, die vom Auslaß der Kraftstoffbahn abzweigt und längs der Tangentialrichtung des Innenumfangsteils der halbkreis-becherförmigen Schwingungsverstärkungsfläche verläuft.

9. Kraftstoffzufuhrsystem für Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch
ein am Ansaugkrümmer befestigtes Horn (106), das unter Ansteuerung durch ein piezoelektrisches Element verschiebbar ist;
eine im Horn (106) ausgebildete Kraftstoffzufuhrbahn mit einer Einspritzöffnung (21) an ihrem Ende im Ansaugkrümmer; ein an der Einspritzöffnung (21) befindliches Ventilglied (114); und
einen Ansteuersignalerzeuger, der dem piezoelektrischen Element ein erstes Impulsansteuersignal einer ersten Amplitude mit einer Frequenz gleich der Resonanzfrequenz des Horns (106) und ein zweites Impulsansteuersignal einer zweiten Amplitude, die größer als die erste Amplitude ist, mit einer niedrigeren Frequenz als der Resonanzfrequenz des Horns (106) zuführt, wobei das zweite Impulsansteuersignal in das erste Impulsansteuersignal eingefügt ist.

10. Kraftstoffzufuhrsystem für Brennkraftmaschinen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß an dem die Einspritzöffnung aufweisenden Ende des Horns (106) eine konische Schwingungsfläche ausgebildet ist.

11. Einspritzventil für Brennkraftmaschinen, gekennzeichnet durch
ein elektrostriktives Element (107), das bei Beaufschlagung mit einer Spannung vorbestimmter Frequenz eine mechanische Schwingung hervorruft;
ein Horn (106) zur Verstärkung der mechanischen Schwingung bei Übertragung derselben vom elektrostriktiven Element (107) auf das Horn; und
einen Langevin-Wandler (104), der einen mechanischen Schwingungszustand annimmt, wenn die Frequenz der an das elektrostriktive Element (107) angelegten Spannung mit der Resonanzfrequenz des Horns (106) koinzident ist;
wobei das elektrostriktive Element (107) ein elektrostriktives Mehrlagen-Element mit einer Mehrzahl von aneinandergelegten elektrostriktiven Einzelelementen (107′) ist und das Mehrlagen-Element (107) wenigstens ein elektrostriktives Kontrollelement (105) aufweist, dem keine Spannung aufgedrückt ist, wobei das elektrostriktive Kontrollelement (105) mit der mechanischen Schwingung des Wandlers (104) beaufschlagt ist und daraus eine Ausgangsspannung erzeugt, die der mechanischen Schwingung proportional ist, und wobei der Langevin-Wandler (104) Mittel zur Überwachung von Änderungen des Resonanzzustands des Wandlers (104) auf der Basis der Amplitude der Ausgangsspannung aufweist.