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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung
für einen
Verbrennungsmotor, der dafür
bestimmt ist, insbesondere ein Kraftfahrzeug auszustatten. Die Erfindung
betrifft noch genauer eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, welche
es ermöglicht,
den eingespritzten Kraftstoff in Form von sehr feinen Tröpfchen je
nach den Bedürfnissen
zu zerstäuben.
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Die
Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, welche heutzutage in den Verbrennungsmotoren
verwendet werden, welche Kraftfahrzeuge oder Straßenkraftfahrzeuge
ausstatten, funktionieren herkömmlicherweise über das
Modell eines Ventils, von dem man permanent den Öffnungs- oder Schließzustand
steuert, wobei die Dosierung des einspritzten Kraftstoffs somit
direkt über
die Öffnungszeit
erfolgt.
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Derartige
Einspritzsysteme weisen eine elektrische Versorgungspumpe für Kraftstoff
auf, welche über
den Kanal einer Verteilungsleitung die Gesamtheit der Einspritzvorrichtungen
unter einem gegebenen Druck versorgt. Unter einem elektronischen Steuern
des Betätigers
des Ventils von jeder Einspritzdüse
steuert man den Beginn der Öffnungsdauer
von dieser und man bestimmt so eine präzise Menge von eingespritztem
Kraftstoff.
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Die
Einspritzdüsen
vom Typ mit Nadel, welche elektromagnetisch gesteuert wird, weisen
Grenzen auf, welche die Leistungen des Motors abbremsen. Insbesondere
die Zeiten, welche zum Öffnen und
Schließen
der Nadeln aufgewendet werden, sind noch zu hoch, in etwa 1 bis
2 ms, was es verhindert, die Einspritzung auf ideale Art und Weise
für die
gesamten Bereiche des Motors zeitlich zu steuern (bzw. in Phase
zu bringen). Des Weiteren ist die minimale Öffnungszeit, welche die minimale
Dosierung von Kraftstoff bestimmt, welcher eingespritzt werden kann,
noch zu beträchtlich
für gewisse
Betriebspunkte des Motors.
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Die
bekannten Einspritzdüsen
mit Nadeln weisen außerdem
Einspritzöffnungen
eines relativ beträchtlichen
Durchmessers auf, um die geforderten Mengen von Kraftstoff für die Betriebsweisen
bei Volllast und hohen Drehzahlen des Motors ausstoßen zu können. Diese
Vorkehrung erzeugt Kraftstoffstrahle, welche Tropfen von großen Abmessungen
aufweisen, was die Verdampfung bzw. Zerstäubung des Kraftstoffs (und
demnach die Vorbereitung der mit Kraftstoff versehenen Mischung)
abbremst bzw. behindert und kann außerdem das Phänomen der
Benetzung von Wänden
begünstigen.
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Tatsächlich tendiert
der nicht-zerstäubte Kraftstoff
dazu, sich an den Wänden
der Verbrennungskammer nieder zu schlagen. Eine derartige Ablage
bringt Probleme der Dosierung mit sich, welche besonders heftig
in den Übergangsphasen
sind auf Grund der Unkenntnis über
die Kraftstoffmenge, welche tatsächlich
mit Luft in der Verbrennungskammer vermischt ist. Dieses Phänomen einer
Benetzung bzw. Befeuchtung ist eine der wichtigen Ursachen von starken
Verschmutzungsemissionen während dem
Kaltstart des Motors.
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Außerdem bildet
sich mit einer herkömmlichen
Einspritzdüse
mit Nadel beim Öffnen
der Nadel, wenn diese letztere beginnt ihren Sitz zu verlassen, eine
Flüssigkeitskugel,
welche verschwindet, wenn die Nadel vollständig angehoben ist, wobei der
Ausfluss von Flüssigkeit
sich so reguliert. Dieser Wechsel in der Art des Ausflusses macht
jede präzise Steuerung
des augenblicklichen Ausstoßes
der Einspritzdüse
unmöglich.
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Einige
haben es versucht, diese verschiedenen Probleme unter Entwickeln
von Einspritzdüsen zu
lösen,
welche piezoelektrische Betätiger
zum Betätigen
der Nadel in einer Art und Weise verwenden, um die Öffnungsdauer
und die Schließdauer
der Nadel abzusenken, jedoch behalten derartige Systeme, welche
immer noch gemäß dem Prinzip
eines Ventils funktionieren, beträchtliche Nachteile bei, welche
insbesondere mit der beträchtlichen
Dispersion verbunden sind, welche sich auf die Größe von Tropfen
in dem Kraftstoffstrahl beim Ausgang von der Nadel der Einspritzdüse auswirken.
So überträgt in dem
Dokument
FR 2 758 369 ein
piezoelektrischer Betätiger
in Form einer Stange eine Verlängerung
auf einen gleitenden Stößel, welcher
sie (lediglich in Stoß)
selbst auf eine Ventilklappe überträgt, deren
Rückkehr
in Schließstellung
durch elastische Mittel, wie z.B. eine Feder, sichergestellt wird.
Eine derartige Lösung weist
den Nachteil einer zu langen Antwortzeit auf, welche mit der Beträchtlichkeit
der kinematischen Kette (die Stange und die Klappe des Ventils erfahren eine
Translation der Gesamtheit ihrer Masse) so verbunden ist, sowie
einem anderen Hauptnachteil, der mit der Tatsache verbunden ist,
dass die Kapazität zum
Erhalten von ausreichend feinen Tropfen nur mit erhöhten Drücken erhalten
wird, wenn die Öffnung der
Ausstoßspalten über die
Ausstoßdauer
konstant bleibt.
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Aus
den Dokumenten
DE 3010985 und
US 5330100 kennt man Einspritzvorrichtungen,
welche ein Öffnungssystem
der Nadel durch Translation aufweisen, das zu einem sekundären Pulverisierungssystem
des Strahls am Ausgang der Ausstoßspitze gehört. In diesen Vorrichtungen
strömt
die Flüssigkeitsfläche fortlaufend
während
der gesamten Öffnungsdauer
und wird wieder zerkleinert durch die Vibrationen, welche in der
Nähe der
Ausstoßspitze
erzeugt werden, sobald der Kontakt zwischen der Flüssigkeit
und dem Ende der Spitze bewirkt wird.
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Ein
erster Nachteil dieser Lösungsart
besteht in der schwachen Zerstäubungskapazität der Flüssigkeit,
wenn die ausgespritzte Flüssigkeitsfläche beträchtlich
ist, ja sogar einer Zerstäubungskapazität, die lediglich
auf einem kurzen Moment am Beginn des Kontakts der Flüssigkeitsfläche, sowie
auf das Ende des Ausstoßes
begrenzt ist. Zwischen diesen beiden Momenten folgt der Kontakt über einen
zu kurzen Zeitablauf, damit die Vibrationen und Verstellungen, welche
am Ende der Ausstoßspitze
entweder in Form einer Oberflächenwelle
in die Flüssigkeit über tragen
werden können,
was sie vernebelt, oder lokale Stöße auf die Flüssigkeitsfläche erzeugen kann,
was als Wirkung hat, die Flüssigkeitsfläche zu zerkleinern.
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Ein
zweiter Nachteil dieser Lösungsart
ist eine zu lange Antwortzeit auf Grund des Öffnungsmodus, welcher es erforderlich
macht, die gesamte Masse der Nadel in Translation zu verstellen.
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Gemäß dem Dokument
US 5025766 kennt man eine
Einspritzvorrichtung deren Spitze um eine Frequenz von 35 kHz herum
vibriert, und welche eine Kugel eines gegebenen Gewichts aufweist,
die in Anlage gegen den Sitz der Einspritzspitze durch eine vorgespannte
Feder gehalten wird. Bei jeder Oszillation tritt eine Öffnung zwischen
dem Sitz der Einspritzspitze und der Kugel auf, welche so den Ausstoß einer
Flüssigkeitsmenge über einen
sehr kurzen Zeitablauf entsprechend der Oszillationsperiode ermöglicht,
was es ermöglicht,
die Flüssigkeit
mit einer hohen Rate zu vernebeln bzw. zu zerstäuben. Jedoch besteht ein Nachteil
darin, dass einerseits die Rückstöße der Kugel
auf den Sitz und andererseits das oszillierende Verhalten des Systems,
welches aus dem Gewicht der Kugel und der vorgespannten Feder zusammengesetzt
ist, es nicht erlauben, genau das Vibrationsverhalten der Gesamtheit
Spitze-Kugel zu steuern und demnach den Öffnungsmoment, welcher es erlaubt,
das Fluid zu dosieren, was sich in die Tatsache überträgt, dass der Kraftstoff in einer
ungesteuerten An und Weise eingespritzt wird.
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Die
Gesamtheit der zuvor genannten Probleme summiert sich somit in eine
Zerstäubung
des Kraftstoffs, welche unvollständig
und nicht homogen sein kann, während
der Vorbereitung der mit Kraftstoff durchsetzen Mischung in der
Verbrennungskammer, und präzise
Dosierungen, mit der Konsequenz einer unvollständigen Verbrennung, die sich
in die Bildung einer erhöhten
Menge von Abgasen überträgt und einem
energetischen Defizit, welches den Wirkungsgrad des Motors mindert.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine neue Art einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung
vorzuschlagen, welche es ermöglicht,
die Gesamtheit dieser Probleme zu lösen, wobei die Vorrichtung
fähig ist, mit
einer großen
Präzision
und einer sehr kurzen Antwortzeit eine Wolke von Kraftstofftropfen
zu liefern, deren Größen sehr
nah beieinander und ausreichend klein sind, unabhängig vom
Zufuhrdruck der Einspritzdüse,
um die vollständige
und homogene Verdampfung des eingespritzten Kraftstoffs sicherzustellen.
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Die
Anmelderin hat schon eine erste Art von Vorrichtungen vorgeschlagen,
welche mindestens teilweise dieser Aufgabe begegnen, in der französischen
Patentanmeldung
FR 9904732 ,
sowie in der Patentanmeldung
FR
9914548 . Bei diesen ersten Arten von Vorrichtungen wird
eine Klappe, welche am Ende einer Stange angeordnet ist, elastisch
gegen einen Sitz über
die Stange zurückgehalten.
Die Klappe oszilliert an dem Sitz, welcher am Ende einer Einspritzdüse angeordnet
ist, auf Grund von elastischen, wechselnden Verformungen, welche
bei einer Ultraschallfrequenz in dem Körper der Düse erzeugt werden, welcher
sie also zu der Stange über
die Kontaktzone mit der Klappe zurück überträgt. Die Besonderheit besteht
in der Tatsache, dass der Sitz und die Klappe beide beweglich sind.
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Eine
zweite Art von Vorrichtung war Gegenstand der französischen
Patentanmeldung
FR 0009190 von
der Anmelderin. In dieser zweiten Art von Vorrichtung ist lediglich
die Klappe am Ende einer Stange beweglich, wobei die Stange direkt
die Verformungen bei Ultraschall-Frequenz empfängt, welche sich bis auf Höhe der Klappe
ausbreiten, um ihre Oszillation bzw. Schwingung auf dem Sitz zu
erzeugen, welcher selbst fest ist in der Masse des Körpers der
Einspritzdüse.
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Die
vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diesen zweiten Typ von Einspritzvorrichtungen
zu verbessern unter einem Vorschlagen eines neuen Aufbaus des Einspritzdüsen-Körpers.
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Gemäß der Erfindung
ist die Kraftstoffeinspritzvorrichtung von dem Typ, welcher ein
Wandlergehäuse
und ein Klappengehäuse
aufweist, welche koaxial miteinander verbunden sind, durch welche ein
Transducer bzw. Wandler eingeführt
ist, der elastisch fest mit einer Stange verbunden ist. Die Stange ist
direkt in der Verlängerung
des Wandlers gebildet und weist eine Querschnittsreduzierung auf
welche es ermöglicht,
die Verformungen, welche durch den Wandler erzeugt werden, zu verstärken. Des
Weiteren bildet die Stange einen ringförmigen, geraden Kanal mit dem
Klappengehäuse
im Wesentlichen auf Höhe
der Verbindung zwischen den zwei Gehäusen, wobei der Teil eine Querschnittsverengung
aufweist, die in das Klappengehäuse
bis zum Ende des Gehäuses
eingeführt
ist, wo ein Sitz gebildet ist, auf welchem sich Verschlussmittel,
wie z.B. eine fest verbundene, elastische Klappe der Stange, anlegen werden.
Das Klappengehäuse
weist einen Zufuhrkanal von Flüssigkeit
unter Hochdruck auf, wobei diese Flüssigkeit in Richtung zu dem
Wandlergehäuse über den
ringförmigen,
geraden Kanal mit einer Ausstoßbegrenzung
strömen
kann, welche eine Druckabsenkung für die Flüssigkeit in dem Wandlergehäuse hervorruft.
Die Flüssigkeit
strömt
in Richtung bis zu einem Auslasskanal der Flüssigkeit vom Wandlergehäuse derart,
dass die Druckveränderung,
welche sich auf den sichtbaren Abschnitt, welcher der Querschnittsveränderung
der Stange entspricht, anlegt, eine Druckkraft auf die Stange anlegt
und die Klappe mit einer zu dem Zufuhrdruck proportionalen Intensität zurückstellt.
Die Klappe wird auch gegen den Sitz unter Nicht-Vorhandensein der
Druckkraft durch elastische Rückstellmittel
zurückgestellt,
welche durch ein elastisches und dämpfendes Material gebildet
werden, welches in das Wandlergehäuse eingesetzt ist und welches
eine Kraft ausübt,
welche in Richtung zu dem Auslasskanal auf die verbundene Gesamtheit,
welche durch die Verschlussmittel, die Stange und dem Wandler gebildet
wird, ausübt.
Der Wandler ist in der Dauer und Intensität durch das elektronische Steuersystem
des Motors gesteuert, wobei die unter Schwingungssetzung bei Ultraschall-Frequenzen
des Wandlers einen Verformungsmodus hervorruft in Zusammenziehung
und Ausdehnung in der Stange derart, dass bei jedem Schwingungszyklus
die durch die Stange erfahrene Ausdehnung sich in einer Verlängerung
der Stange im Verhältnis
zum Ende des Klappengehäuses
umsetzt, welche Verstellung es ermöglicht, während der Dauer des Zyklus
einen Spalt auftreten zu lassen, durch welchen eine vorbestimmte
Menge von Kraftstoff ausgestoßen
wird.
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So
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Einspritzvorrichtung realisiert, deren Öffnung auf Höhe der Ausstoßspitze
ausschließlich
abhängig vom
ausgedehnten oder zusammengezogenen Zustand der Nadel ist, welche
das Ventil in Anschlag auf Höhe
der Spitze bildet, wobei die Zustandsveränderung durch eine elektrisch
gesteuerte Ultraschallerregerquelle erzeugt wird. Bei dieser Art
einer Betriebsweise, in welcher die Öffnung durch Verformung der Nadel
und nicht durch Translation bewerkstelligt wird, werden die Schwingungsphänomene vom
Typ Masse-Feder unterdrückt.
Bei jeder Schwingung wird eine gegebene Quantität von elastischer Verformungsenergie
in die Stange übertragen
und wird in Ausdehnungs-Zusammenziehung mit einem Verlust auf Grund
innerer Entspannungen des Materials, welches die Stange bildet,
verbraucht, wobei der Rest der Energie durch die Dämpfung auf
Grund des Zusammendrückens
der Fluidwelle, die zwischen der Ausstoßspitze und dem Ventil, welches
das Ende der Nadel bildet, eingeklemmt ist, absorbiert wird. Die Schwingungen
werden bei einer Frequenz in der Nähe von 50 kHz erzeugt, was
es ermöglicht,
kurze Öffnungszeiten
zu erzeugen und so die ausgestoßene
Flüssigkeit
fein zu zerstäuben.
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Außerdem weist
die Einspritzvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung
eines oder mehrere der nachfolgenden Merkmale auf:
Die Verschlussmittel
werden durch eine Stange gebildet, von der ein Ende elastisch mit
einem Element in Form einer Klappe fest verbunden ist, wobei die Stange
eine direkte Verlängerung
bildet, die elastisch in der Masse fest mit einem Wandler verbunden
ist, welcher axial beweglich im Inneren des Wandlergehäuses montiert
ist.
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Die
Verschlussmittel, welche eine Klappe bilden, sind in konstanter
Art und Weise gegen das Ende der Düse, welches als Sitz für die Klappe
dient, durch eine elastische Rückstellvorrichtung
zurückgestellt,
welche aus einem dämpfenden
Material gebildet sein kann, wobei diese elastische und dämpfende Vorrichtung
die Gesamtheit, welche aus den drei Elementen, welches der Wandler,
die Stange und die Platte sind, trägt, wobei diese drei Elemente
selbst elastisch fest untereinander verbunden sind.
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Die
Verschlussmittel, welche eine Klappe bilden, werden gegen das Ende
der Düse
zurückgebracht
nach jeder Öffnung
durch die Zusammenziehung der Stange, welche auf die Ausdehnung
der Stange im Verlaufe von jedem Vibrationszyklus folgt, wobei der
Verformungsmodus, der so in der Stange aufgebaut wird, einem Eigenschwingungsmodus,
der fest mit der Klappe verbundenen Stange entspricht.
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Die
Verschlussmittel, welche eine Klappe bilden, bleiben gegen das Ende
der Düse
außerhalb der
Verformungsphasen der Stange und diesseits eines gewissen Drucks
auf Grund von elastischen und dämpfenden
Rückstellmitteln
angelegt, welche die Gesamtheit des Wandlers, der Stange und der
Verschlussmittel gegen das Ende der Düse, welches einen Sitz für die Klappe
bildet, zurückbringt.
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Die
Verschlussmittel, welche eine Klappe bilden, stehen gegen das Ende
der Düse
außerhalb
der Verformungsphasen der Stange mit einem Wert unter Druck, welcher
proportional zum Versorgungsdruck des Kraftstoffs auf Grund der
Druckkraft ist, welche auf die sichtbare Oberfläche der Stange auf Höhe ihrer
Querschnittsveränderung,
welche den Hochdruckteil und den Niedrigdruckteil bilden, ausgeübt wird,
wobei es so ermöglicht
wird, eine Dichtigkeitsspannung sicherzustellen, welche angepasst
ist, wie auch immer der Wert des Kraftstoffversorgungsdrucks ist.
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Die
elastischen und dämpfenden
Rückstellmittel
dienen zum Anlegen der Verschlussmittel gegen das Ende der Düse, und
welche die Gesamtheit des Wandlers und der Stange tragen, sind aus
einem Material zusammengesetzt, welches es ermöglicht, die Übertragung
von Schwingungen zwischen dem Wandler und dem Körper des Gehäuses der
Einspritzdüse
zu dämpfen.
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Die
elastischen und dämpfenden
Rückstellmittel,
welche zum Anlegen der Verschlussmittel gegen das Ende der Düse dienen,
ermöglichen
es, eventuelle Spiele auf Grund von thermischen Ausdehnungen zwischen
dem Wandler, der Stange und der Einspritzdüse zu beseitigen.
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Das
Wandlergehäuse
umschließt
den Wandler, die Stange in ihrem stärkeren Abschnitt und das dämpfende
Material.
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Das
Klappengehäuse,
welches eine zylindrische, axiale Bohrung aufweist, umschließt die Stange
in ihrem schwächsten
Abschnitt und weist in ihrem oberen Teil auf Höhe ihrer Verbindung mit dem Wandlergehäuse eine
Erweiterung des zylindrischen, axialen Kanals auf, wobei die Erweiterung
dieses Kanals dem Durchmesser der Stange in seinem größeren Abschnitt
mit einem sehr geringen Spiel entspricht, wobei so ein ringförmiger,
sehr enger Kanal gebildet wird, durch welchen die Flüssigkeit
von der Hochdruckzone, welche im Klappengehäuse angeordnet ist, in Richtung
zum Wandlergehäuse
fließt, dann
einem Rückströmkanal mit
einer Druckabsenkung, die mit der Ausstoßbegrenzung, welche durch die
Enge des ringförmigen
Kanals betätigt
wird, verbunden ist.
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Ein
Ausstoßbegrenzer
für die
Einspritzung ist im Inneren der Düse in einem ringförmigen Raum, der
zwischen der Stange und der zylindrischen, inneren Oberfläche der
Düse derart
angeordnet ist, dass während
dem Ausspritzen von Flüssigkeit
der Flüssigkeitsstrom,
welcher die Düse
durchquert, in einer präzisen
Art und Weise durch den Raum, der zwischen der Stange und dem Ausstoßbegrenzer
enthalten ist, definiert wird.
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Die
Mittel eines zyklischen in Schwingungsversetzens der Stange sind
durch einen Wandler gebildet, welcher ein mechanisches und direkt
fest mit der Stange verbundenes Verstärkungssystem aufweist, um auf
sie die verstärkten
Verformungen zu übertragen.
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Das
zweite Bauteil bzw. die zweite Baugruppe setzt sich aus einem Wandlergehäuse 15 zusammen,
welches einen inneren Hohlraum 10 aufweist, einen Kanal
einer Flüssigkeitszufuhr
unter Hochdruck 16, der sich direkt in das Klappengehäuse fortsetzt,
ohne mit dem Hohlraum 10 in Verbindung zu stehen, einem
Auslasskanal 31, welcher den Kraftstoff austreten lässt, der
von dem Inneren des Klappengehäuses
unter Hochdruck in Richtung zum Inneren des Hohlraums 10 über den
Ausstoßbegrenzer 33 derart
strömt,
dass die Ausstoßbegrenzung
eine Druckabsenkung der Flüssigkeit,
welche in dem Hohlraum 10 in Richtung zu dem Kraftstoffströmungskanal 31 strömt, erzeugt
wird.
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Das
dritte Bauteil wird durch eine Stange 4 gebildet, die direkt
in der Verlängerung
des Wandlers 1 gebildet ist, wobei die Gesamtheit axial
beweglich durch das Wandlergehäuse 15 hindurch
aufgenommen ist, wobei die Stange 4 in ihrem unteren Teil 25 axial
beweglich im Inneren der Düse 3 aufgenommen ist.
Die Stange 4 umfasst an ihrem unteren Ende 6 ein
Teil 7, welches eine Klappe bildet, wobei die Klappe fest
mit der Stange 4 über
eine elastische Verbindungszone 8 verbunden ist. Das Ende 6 der
Stange 4 trägt
die Klappe 7, welche angepasst ist, in Kontakt mit der
unteren Oberfläche
der Düse 3,
welche den Sitz 5 der Klappe definiert, zu gelangen. Die
Stange 4 weist einen ersten Teil 24 eines starken
Durchmessers auf, durch welchen sie mit dem Wandler 1 verbunden
ist, wobei dieser Teil 24 durch einen Teil eines geringeren
Durchmessers 25 verlängert
ist, welcher an seinem Ende 6 die Klappe 7 trägt, und
welcher axial beweglich in dem Klappengehäuse 30 eingesetzt
ist.
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Das
Klappengehäuse 30 und
das Wandlergehäuse 15 sind
in einer dichten Art und Weise und gemäß der gleichen Achse durch
ein Spannmittel, wie z.B. eine Überwurfmutter 28,
verbunden.
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Der
Wandler 1, welcher in das Wandlergehäuse 15 eingesetzt
ist, weist eine Schulter 12 auf, welche in ihrer Querschnittsveränderung
der Stange 4 entspricht. Diese Schulter 12 ruht
auf einem Stützelement 9,
welches aus einem dämpfenden
und elastischen Material zusammengesetzt ist. Wenn dieses Abstützelement
vorgespannt ist, übt
es somit eine Kraft aus, welche in Richtung zum Auslasskanal 31 auf
die Stange 4 gerichtet ist, wobei es so ermöglicht wird,
die Klappe 7 auf ihren Sitz 5 mit einer konstanten
Kraft anzulegen.
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In
seinem unteren Teil weist das Wandlergehäuse 15 eine koaxiale
Bohrung 11 auf, in welcher Führungselemente 27 eingeführt sind,
die einen Halt der Stange 4 gemäß der gemeinsamen Achse der Gehäuse sicherstellen.
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Die
Montage der Einspritzvorrichtung gemäß der Erfindung wird auf die
nachfolgende Art und Weise realisiert: der Wandler 1 und
die Stange 4, welche fest miteinander verbunden sind, werden
durch die Führungszone 27 eingeführt, bis
das Ende 6 der Stange 4 den Bereich des Sitzes 5 erreicht.
Eine Vorspannung eines festgelegten Wertes wird zwischen dem Wandler 1 und
dem Gehäuse 15 ausgeübt, welche
Vorspannung sich durch eine Zusammenziehung des Materials 9 und
eine zusätzliche
Translation der Stange 4 im Verhältnis zum Wandler 1 umsetzt.
Die Stange 4 wird also mechanisch in dieser Position gehalten
und die Klappe 7 ist somit fest mit der Stange 4 in
der Zone 8 verbunden. Das Teil 9 übt eine
elastische Rückstellkraft
aus, welche dazu tendiert, den Wandler 1 und die Düse 3 voneinander
zu entfernen, was die Anlage des Endes 6 und der Klappe 7,
die fest mit dem Wandler 1 verbunden sind, gegen den Sitz 5 der
Ausstoßdüse 3 und
das Einholen einer eventuellen Abnutzung in der Kontaktzone der
Klappe mit sich bringt.
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Die
Schließmittel,
wie die Klappe 7, können an
einem Ende der Stange 4 mittels einem Gewinde fest verbunden
sein, welches in der Zone 8 gebildet ist, wobei das Gewinde
an einer Schulter 29 aufhört, wie es in 2 ersichtlich
ist, welche in der Stange 4 derart gebildet ist, dass die
Klappe 7 in Anlage gegen die Schulter 29 mit einem
Vorspannungswert größer als
die Spannungen, welche durch die Klappe 7, während ihres
Kontaktes auf dem Sitz 5 im Verlaufe ihrer schwingenden
Bewegung ausgeübt
werden, sind, aufgeschraubt werden kann.
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Die
Verschlussmittel, wie die Klappe 7, können ebenso elastisch beiderseits
des Endes 6 der Stange 4 in der Zone 8 durch
eine Laserschweißung oder
Elektronenbündelschweißung fest
verbunden sein, entlang des Umfangs der Schulter 29 sowie
entlang des Umfangs der Basis 32 der Klappe 7.
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Die
Verschlussmittel, wie die Klappe 7, können aus einem unterschiedlichen
Material als demjenigen der Stange 4 gebildet sein. Insbesondere
kann man eine Stange 4 aus Titan, welche erhöhte elastische
Verformungsmöglichkeiten
im Verhältnis
zu Stählen
aufweist, an eine Klappe aus einer hochlegierten Legierung angefügt werden,
welche eine starke Widerstandsfähigkeit
gegen den Abrieb und gegenüber
elastischen Stöße an der
Oberfläche
aufweist.
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Wenn
die Flüssigkeit
in dem Klappengehäuse 30 unter
Druck gesetzt wird, wird dieser Druck auf den sichtbaren Abschnitt 23 auf
Grund der Querschnittsveränderung
der Stange 4 ausgeübt
und ein Teil der Flüssigkeit
strömt
durch den Ausstoßbegrenzer 33 hindurch.
Der Flüssigkeitsteil,
welcher durch den Ausstoßbegrenzer 33 in
den Hohlraum 10 des Wandlergehäuses 1 strömt, strömt in Richtung
zu dem Auslasskanal 31, welcher mit einem Raum unter atmosphärischem
Druck verbunden ist, wobei der Kraftstoff von diesem Raum durch
eine Verteilerleitung unter Druck aufgenommen wird, insbesondere über eine
Pumpe derart, dass der Auslass der Pumpe viel höher ist als der Auslass, welcher
durch den Durchgangsabschnitt 33 erlaubt wird, tritt beiderseits der
Querschnittsverände rungszone 22,
d.h. zwischen dem Klappengehäuse 30 und
dem Wandlergehäuse 15 ein
durch die Pumpe geregelter Druckunterschied auf.
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Die
Strömung
bei Niedrigdruck der Flüssigkeit
in dem Hohlraum 10 ermöglicht
es, den thermischen, eventuellen Fluss zu absorbieren, der durch den
Wandler 1 erzeugt wird und so den Hohlraum 10 und
den Wandler 1 in einem gegebenen Temperaturbereich zu halten
derart, dass der elektromechanische Wirkungsgrad des Wandlers 1 in
diesem Temperaturbereich konstant bleibt und eine exzellente Gleichmäßigkeit
in der Funktionsweise erlaubt.
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Die
Oberfläche
des sichtbaren Abschnitts 23 ist größer als der Querschnitt der
axialen Bohrung 34 auf Höhe des Sitzes 5 der
Klappe 7 derart, dass die Druckkraft, welche auf die sichtbare
Oberfläche
der Klappe 7 in der Richtung einer Öffnung der Klappe ausgeübt wird,
durch eine entgegengesetzte Kraft kompensiert wird, die auf den
sichtbaren Abschnitt 23 ausgeübt wird und es so ermöglicht,
die Klappe 7 in Kontakt auf ihrem Sitz 5 zu halten,
wie auch immer der Wert des Versorgungsdrucks mit Kraftstoff ist.
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Der
Wandler 1 ist bemessen, um ein Maximum an Spannungen bzw.
Beanspruchungen auf Höhe
des Übergangs 12 mit
der Stange 4 zu übertragen,
wobei dieses Maximum an Beanspruchung einem Minimum der Schwingungsamplitude
für das Material
entspricht.
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Der
Wandler 1 weist eine Zone 17 auf, welche aus aktiven
piezoelektrischen oder magnetostriktiven Bestandteilen gebildet
ist, welche jeweils unter Anlegung eines elektrischen oder magnetischen
Feldes sich in der Dicke verformen. Dieser Teil 17 wird sandwichförmig zwischen
zwei anderen Elementen 18 und 19 eingeschlossen,
welche aus einem elastischen Material gebildet sind. Die Verbindung
zwischen den Elementen 17, 18 und 19 wird
durch Vorspannungsmittel, wie z.B. eine Schraube 20 sichergestellt.
Die Stapelung von mehreren aktiven Bestandteilen 17 ermöglicht es,
die Verformungen in der Dicke zu addieren, welche durch jeden der
Ringe erzeugt werden, wobei die sich ergebende Verformung der gesamten
Verstellung des Stapels von Ringen unterhalb der elastischen Verformungsgrenze
der Vorspannungsmittel 20 bleibt.
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Die
Durchmesserreduzierung des Teils 19 zu dem Teil 24 ermöglicht es,
die longitudinalen Verformungen, welche in dem Teil 19 erzeugt
werden, bis in die Zone 8 zu verstärken.
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Der
Rechner der Motorsteuerung sendet zwei Impulse aus, welche dem Beginn
und dem Ende der Einspritzung entsprechen. Während dieser Dauer sendet ein
Ultraschallfrequenz-Generator einen Wellenzug (Niveau 5 V) bei einer
gegebenen Frequenz an den Eingang eines Verstärkers, welcher es ermöglicht,
die piezoelektrischen Keramiken in wechselnder Spannung anzutreiben
(in der Größenordnung
von +/– 60
V) bei der gleichen Ultraschallfrequenz über die Dauer der Einspritzung.
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Unter
Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden der piezoelektrischen
Keramiken verformen sich diese und rufen eine elastische Spannung
hervor, welche auf die Stange 4 bis zum Ende 6 übertragen
wird, wo die Schließmittel 7 angeordnet sind.
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Die
Gesamtheit, welche aus dem Wandler 1 und der Stange 4 zusammengesetzt
ist, ist bemessen, um bei der Erregerfrequenz der aktiven Bestandteile 17 mit
zu schwingen, und um die longitudinalen Verstellungen bis auf Höhe des unteren
Endes der Stange 4 zu verstärken.
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Die
Stange 4, welche durch ihr Ende, das eine Klappe 7 bildet,
ursprünglich
die Öffnung 21 verschließt, verformt
sich unter dem Impuls, welcher ihr geliefert wird, wenn der Wandler
elektrisch erregt wird. Diese Verformung verteilt sich elastisch über die gesamte
Länge der
Stange 4 gemäß dem Eigenverformungsmodus
entsprechend der elektrischen Erregungsfrequenz. Die Reflektionen
am Ende der Stange 4, wo der Ausstoß erfolgt, erlauben es, das
Ende 6 mit der Klappe 7 schwingen zu lassen und
so die Öffnung 21 auf
zyklische Art und Weise auftreten zu lassen, durch welche die Flüssigkeit
unter Druck ausgestoßen
wird.
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Die Öffnung des
ringförmigen
Spalts 21 ist somit schwingend und gleich der Schwingungsamplitude
der Klappe 7 im Verhältnis
zum Ende 6 der Stange 4. Die Öffnungsfrequenz des Spaltes
hängt somit von
der für
den Wandler 1 aus gewählten
Erregungsfrequenz ab.
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Die
minimale Öffnungszeit
der Einspritzvorrichtung ist von der gleichen Größenordnung wie die an den Wandler 1 angelegte
Erregungsperiode, welche Erregung bei einigen Zehnteln kHz, herkömmlicherweise
50 kHz, erfolgen kann, was minimale Öffnungszeiten von der Größenordnung
von 20 μs
erlaubt. Dies ermöglicht
es, Mikro-Mengen von Flüssigkeit über eine
reduzierte Zeit im Verhältnis
zu den klassischeren Einspritzvorrichtungen zu liefern, bei welchen
die minimale Zeitdauer für
ein Betätigen
der Öffnung
und Schließung
der Einspritzspitze eher der Größenordnung
von 300 μs
ist.
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Die
Versorgung mit Kraftstoff des Motors ist von der Mehrfachpunkt-Art
mit elektronischer Steuerung, bei welcher jede Verbrennungskammer
direkt mit Kraftstoff durch mindestens eine Kraftstoff-Einspritzdüse versorgt
wird, die in die Kammer mündet.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der
Einspritzdüse,
welche Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, umfasst der Wandler 1 einen
Zylinder 18 aus Stahl eines Durchmessers von 20 mm und einer
Höhe von
25 mm, welcher an seinem oberen Teil eine mit einem Gewinde versehene
Achse 20 aufweist.
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Die
mit einem Gewinde versehene Achse 20 des Zylinders 18 ermöglicht es,
die Ringe der piezoelektrischen Keramiken vorzuspannen (äußerer Durchmesser
20 mm, innerer Durchmesser 6 mm, Dicke 2 mm) zwischen den Zylindern 18 und dem ausstoßenden Teil 19.
Die Keramiken werden mit gegen-parallelen Polarisierungen angeordnet,
wobei Elektroden 13 zwischen jedes Paar von Keramiken zwischengesetzt
werden.
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Eine
Stange aus Titan 4, welche in der Verlängerung des Wandlers 1 ausgearbeitet
ist, wird durch die Gehäuse
des Wandlers 15 und der Klappe 30 eingeführt und
empfängt
dann an ihrem Ende 6 eine Klappe 7 einer konischen
Form aus Stahl, welche elastisch in der Zone 8 verbunden
ist.
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Die
Elastizität
des Materials 9 wird derart gewählt, dass sie es erlaubt, Längenveränderungen zwischen
der Stange 4 und der Düse 3,
auf Grund von thermischen Ausdehnungen ohne effektive Veränderung
des Vorspannungswertes, welcher die Dichtigkeit sicherstellt, auszugleichen
bzw. aufzunehmen.
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Die
Masse des Wandlers 1 und die Steifigkeit der Unterlegscheibe 9 werden
ausgewählt,
um ein System zu bilden, welches eine sehr große Antwortzeit im Verhältnis zu
den Anregungsdauern des Wandlers 1 aufweist, maximal in
der Größenordnung von
1 bis 20 ms.
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Wenn
man eine variable Spannung in der Größenordnung von 60 V an die
Klemmen der Keramiken über
gemeinsame Elektroden 13 anlegt, verformen sich die Keramiken
in der Dicke und die Verformungen werden auf die Gesamtheit der
Struktur übertragen.
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Die
Schwingungsamplitude für
eine Spannung von 60 V, welche an jeder Elektrode angelegt wird,
ist in der Nähe
von 20 Mikron, welche so eine Öffnung 5 lässt, die
einen Fluidfilm erzeugt, deren Dicke von der gleichen Größenordnung
(20 Mikron) ist. Dieser Fluidfilm wird durch die Schließung der Öffnung 21 zerkleinert,
welche am Ende einer sehr kurzen Zeitdauer (alle 20 μs) auftritt.
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Die
Vorrichtung ermöglicht
es, je nach den Bedürfnissen,
sehr feine Tröpfchen
zu erzeugen. Die Modulation der Öffnungsamplitude 21 ermöglicht es, die
Größe von Tropfen
und somit den Ausstoß mit
der Antwortzeit in der Größenordnung
von 20 μs
zu verändern.
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Wenn
man eine Verstellung der Klappe 7 über einen Schwellenwert steuert,
ist der Ausstoßquerschnitt
durch die Öffnung 21 größer als
derjenige des Ausstoßbegrenzers 26 und
der Ausstoß der
Einspritzdüse
ist somit abhängig
von dem Druck und dem Durchgangsquerschnitt des Ausstoßbegrenzers 26.
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Die
eingespritzten Mengen werden präzise durch
die Anzahl von Öffnungszyklen
und die Größe der Tropfen
durch den Verstellungswert gesteuert bzw. kontrolliert.
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Wenn
man eine Verstellung der Klappe 7 unterhalb des Schwellenwertes,
welcher oben genannt ist, steuert, ist der Ausstoßquerschnitt
durch die Öffnung 21 geringer
als derjenigen des Ausstoßbegrenzers 26 und
der momentane Ausstoß der
Einspritzdüse
ist somit abhängig
bei jeder Schwingung von dem Druck und dem Durchgangsquerschnitt, welcher
durch die Öffnung 21 erzeugt
wird. Die eingespritzten Mengen werden in diesem Fall durch die Verstellungsamplitude
und durch die Anzahl von gesteuerten Schwingungen gesteuert, wobei
die minimal eingespritzte Menge noch weiter reduziert und die Vernebelungsrate
der Flüssigkeit
erhöht
werden kann.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung keineswegs auf die beschriebenen und dargestellten
Ausführungsformen
begrenzt, welche nur beispielhaft gegeben wurden. Ganz im Gegenteil
umfasst die Erfindung alle technischen Äquivalente der so beschriebenen
Mittel, sowie ihre Kombinationen, wenn diese in ihrem Geiste ausgeführt werden.