EP0068434B1 - Hochdruckeinspritzsystem mit Ultraschall-Zerstäubung - Google Patents

Hochdruckeinspritzsystem mit Ultraschall-Zerstäubung Download PDF

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EP0068434B1
EP0068434B1 EP82105522A EP82105522A EP0068434B1 EP 0068434 B1 EP0068434 B1 EP 0068434B1 EP 82105522 A EP82105522 A EP 82105522A EP 82105522 A EP82105522 A EP 82105522A EP 0068434 B1 EP0068434 B1 EP 0068434B1
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EP
European Patent Office
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valve
injection system
inlet
spraying
liquid
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EP82105522A
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Reinhard Mühlbauer
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MUEHLBAUER, REINHARD
Original Assignee
Individual
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M69/00—Low-pressure fuel-injection apparatus ; Apparatus with both continuous and intermittent injection; Apparatus injecting different types of fuel
    • F02M69/04—Injectors peculiar thereto
    • F02M69/041—Injectors peculiar thereto having vibrating means for atomizing the fuel, e.g. with sonic or ultrasonic vibrations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M45/00—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship
    • F02M45/02—Fuel-injection apparatus characterised by having a cyclic delivery of specific time/pressure or time/quantity relationship with each cyclic delivery being separated into two or more parts
    • F02M45/10—Other injectors with multiple-part delivery, e.g. with vibrating valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
    • F02M57/02—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps
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    • F02M57/027—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps characterised by the pump drive electric
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B1/00—Engines characterised by fuel-air mixture compression
    • F02B1/02—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition
    • F02B1/04—Engines characterised by fuel-air mixture compression with positive ignition with fuel-air mixture admission into cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M2200/00—Details of fuel-injection apparatus, not otherwise provided for
    • F02M2200/21—Fuel-injection apparatus with piezoelectric or magnetostrictive elements

Definitions

  • the invention relates to a high pressure injection system according to the preamble of claim 1.
  • Such injection systems are used, for. B. for injecting fuel into the combustion chamber of diesel engines, for injecting fuel into directly or indirectly injected gasoline engines, for operating gas turbines or combustion systems with light or heavy oil or for atomizing liquids in paint spraying systems and air humidification systems.
  • the liquid to be injected should be atomized as finely as possible. Ultrasonic energy can advantageously be used for this. So z. B. the atomization of fuels in carburetor systems in gasoline engines is already known.
  • high-pressure injection is required, especially in the diesel engine.
  • Such a high-pressure injection can, for. B. with an injection system according to US-A 4 000 852 according to the German laid-open publications 26 08108 and 23 04 525.
  • the fuel supplied by a mechanical pump is fed under high pressure to the injection nozzle, which is set into ultrasound vibrations by a piezoelectric vibration generator.
  • a ball valve inside this arrangement prevents the fuel from dripping if the injector is not vibrated.
  • an external ball valve is used in the known arrangement mentioned above according to DE-A 26 08 108, which is held on the housing by a compression spring. In this arrangement, however, the ball valve and spring are directly exposed to the pressures and temperatures in the combustion chamber, so that damage to these parts can be expected during long-term operation.
  • an atomizing device is preferably known for an inhaler.
  • This atomizing device has a tank for a liquid to be atomized, which is composed of two parts which can be displaced relative to one another, which are pressed together against the force of a spring and in this case actuate a pump, not shown, which is integrated in the tank.
  • the liquid conveyed out of the tank is then atomized finely on an emitting surface, this emitting surface being set in vibration by means of an ultrasonic vibration generator.
  • This atomizer is not a high pressure system and cannot be used in this form for a fuel injection system for diesel engines.
  • the invention is based on the object of realizing a high-pressure injection system with ultrasonic atomization which, in conjunction with electronic controls, on the one hand has a minimum of mechanical components, and on the other hand the output signal of the control with the least delay, ie. H. can follow with as little inertia as possible.
  • the entire injection system is combined in a single structural unit, which is designed in the manner of a positively controlled piston pump with an inlet valve, a spray valve and a working piston.
  • the previously known arrangement of injection valve and injection pump is thus summarized.
  • All mechanical parts of the injection system according to the invention are driven by ultrasonic vibrators, which can be controlled by an electronic control with low inertia. With such an arrangement, high-pressure injection systems with the finest liquid atomization by ultrasound can be produced in a compact design.
  • the pump chamber is penetrated by a control slide, which takes over the function of the valve body for the inlet valve and the spray valve.
  • This control slide which is common to both valves, is moved back and forth in its longitudinal direction by a second vibration generator.
  • the control slide forms, together with a spray opening leading from the pump chamber of the arrangement, the spray valve, which can be closed by immersing the control slide in the bore of the spray opening.
  • the control slide has a taper with an edge in the region of an inlet opening leading from the pump chamber to a liquid supply.
  • the edge of this taper forms with the bore of the inlet opening, the inlet valve, which is closed by immersing the outer diameter of the slide in the bore of the inlet opening.
  • the liquid e.g. B. a fuel is passed through a supply bore in the housing in the region of the inlet opening and the taper of the control slide into the inlet valve.
  • the dimensions of the control slide valve are such that either the inlet valve is opened and the spray valve is closed during the reciprocating movement, or the spray valve is open and the inlet valve is closed.
  • the control slide can be designed so that it shuts off both valves in its rest position, ie when the vibration generator is not actuated.
  • control slide is connected to its vibration generator via an elastic drive rod which is provided with a mass body.
  • the elastic rod forms with the mass body and the mass of the control slide an oscillatory system, which, when tuned to the operating frequency of the ultrasonic vibration generator, multiplies the amplitude of the control slide oscillation relative to the amplitude of the oscillation of the oscillation generator in such a way that sufficient opening cross sections are achieved at the inlet and spray valve can and that the tolerance of the function-determining lengths of the two valves are also kept within reasonable limits.
  • the free end of the working piston which is directly connected to the second vibration generator, also dips into the closed pump chamber.
  • the two ultrasonic vibration generators are screwed and pretensioned to the housing of the arrangement using two hollow screws.
  • the two vibration generators can be known vibrators from power ultrasound technology, only the sound energy being passed on in the opposite direction through the hollow fastening screws.
  • the axes of the two moving parts that is the working piston and the control slide, can advantageously be arranged in a V-shape with respect to one another in order to accommodate the space required in the vicinity of the spray valve and the sealing surface of the injection system to the system operated with it, and the resulting reaction force to keep the two transducers as small as possible.
  • the free end of the spool in the area of the spray valve is equipped with a radiation surface, e.g. B. a spherical cap and a spray cone that define the spray angle.
  • the spray cone and the spherical end of the spool are the only parts that are directly affected by the conditions of the system operated with the injection system. In the case of a diesel engine, only these parts are subjected to the pressure and temperatures as well as the combustion gases in the cylinder head. The pressure and temperature effects can be easily mastered by the positive control of the control spool and the corresponding surface finish of these parts.
  • This control coordinates the movements of the control spool and the working piston in such a way that the working piston carries out a pressure stroke when the spray valve is open and carries out a suction stroke when the inlet valve is open.
  • the movements of the spool and piston normally take place with a phase shift of 90 °.
  • this phase angle can be changed via the controller; for the same purpose it is possible to adjust the oscillation amplitude of the working piston, i. H. to change its stroke.
  • the injection system according to the invention allows all of these control parameters because it is low-inertia and, by changing the working piston stroke and / or the phase relationship between control spool and working piston movement, also permits control of the injection quantity per unit of time without the quality of the atomization of the liquid or the Fuel suffers because it is carried out with ultrasound energy.
  • Another advantage of the invention is that the electrical energy of the control output is converted directly into pressure energy without the interposition of actuators and pumps, so that the entire system manages with relatively few mechanical components.
  • a pump chamber 12 is accommodated in the interior of a compact housing 1, in which a bore B1 is provided in one side wall.
  • a cylindrical working piston 2 is slidably mounted, the free end of which projects into the pump chamber 12 and the other end of which outside the housing with a vibration generator 3 supported thereon, e.g. B. superimposed circular ring piezo transducers, which, when electrically actuated, the working piston in the direction of its longitudinal axis, d. H. move back and forth in Figure 1 in the direction of the double arrow P1.
  • Two opposite walls of the pump chamber 12 are provided with two further coaxial bores B2 and B3 to form the inlet valve V1 and spray valve V2, in which a control slide 4 is slidably mounted and penetrates the pump chamber 12 perpendicular to the longitudinal axis of the working piston 2.
  • the control slide 4 can be moved back and forth with a further oscillator 5 arranged outside the housing 1 in the two bores B2 and B3 in accordance with the double arrow P2.
  • the control slide 4 has at its free lower end, which projects into the bore B3, a spherical cap-shaped radiation surface 6.
  • the bore B3 then widens conically to a radiation cone 7 and opens z. B. in the combustion chamber of a diesel engine.
  • control slide is guided between the bores B2 and B3 through a slide bearing guide 8 in order to prevent the control slide from swinging sideways and thus to prevent damage to the inlet and spray valves.
  • control slide 4 In the area of the inlet opening B2, the control slide 4 has a taper 10 with a lower slide edge 10a, as a result of which control slides together with the taper and the bore form the inlet valve V1.
  • a fuel supply line 9 opens into this valve and is guided in a housing bore into the region of the taper 10.
  • both valves V1 and V2 are closed by the slide edge 10a sealing the inlet opening B2 of the inlet valve and the lower free end of the control slide sealing off the spray opening B3 of the spray valve V1 from the pump chamber 12.
  • the inlet valve V1 is opened via a narrow inlet gap 11 between the slide edge 10a and the bore B2, while the shut-off valve remains closed. If the working piston 2 is now pulled to the right in the figure, fuel is sucked into the pump chamber 12 via the fuel feed line 9, the taper 10 and the inlet slot 11. If the spool is then brought into its uppermost position, the inlet valve V1 is closed and the spray valve is opened by opening a narrow spray slot 13 between the lower end of the spool and the bore B3. The working piston 2 now moved to the left displaces the fuel that has just been sucked in, which in this way can only escape through the spray valve V2. Now the control slide is brought back to its lowest position, the fuel upstream of the spherical radiation surface 6 being accelerated and emerging from the radiation cone 7 at high speed and atomized.
  • FIGS. 2 and 3 show a constructive design of an injection system according to the invention, which is directly related to a lower sealing surface 23 on the housing 1 'can be placed on the opening for the injection valve of a conventional diesel engine.
  • the attachment by means of screws or stud bolts is not shown.
  • FIG. 2 shows the overall view of the system with a cut-out section, which illustrates the attachment of a vibrator 3 'and the power transmission through it.
  • FIG. 3 shows an enlarged section through the arrangement according to FIG. 2.
  • the longitudinal axis of the working piston 2 'and control slide 4' run in a V-shape, the front free end of the working piston again protruding into the pump chamber 12 ', whereas the control slide 4' projects through the pump chamber 12 '.
  • the pump chamber 12 ' is small compared to that in the first embodiment.
  • the working piston 2 ' is sealed with a double seal 14 against the wall of the bore B1', between which a leak line 15 leading from the housing 1 'is provided.
  • the working piston 2 'itself is passed through a hollow screw 16 and is only connected to this screw at the screw head.
  • the hollow screw 16 clamps the vibrator 3 'to the housing 1' with an end piece 17 placed thereover. The vibrations of the vibrator are transmitted to the working piston 2 'via the end section 17 and the fastening screw 16.
  • the spool 4 ' is held in the housing 1'.
  • the vibrator 5 ' is clamped to the end section 18 by means of a hollow fastening screw 19 on the housing.
  • an elastic drive rod 21 is screwed in, which can be locked by means of a lock nut 25.
  • the height of the drive rod can be adjusted with the lock nut 25 and the upper end of the drive rod provided with an adjusting thread 24.
  • the elastic drive rod 21 is connected to a cylindrical mass body 20, at the lower end of which the actual control slide 4 'is fastened.
  • the guide 8 'for the control slide is designed together with the inlet valve V1' and the spray valve V2 'as an independent component, since it must be made of high quality material and machined with high precision.
  • This insert part is inserted into a bore B2 'and clamped with a screw 22 located below the mass body 20.
  • the control slide 4 'penetrates this inserted component and is sealed against this with a further double seal 26.
  • the extended leakage line 15 opens into the space between this double seal 26.
  • the insert part has a cover plate 27 which closes off the injection chamber 12 'at the top. The entire insert part is sealed off from the housing bore B2 'via a plurality of seals 28. Above this plate 27, the fuel supply line 9 'opens into the inlet valve V1' again in the area of the taper 10 'of the control piston.
  • the inlet valve V1 'with the inlet slot 11' and the spray valve V2 'with the spray slot 13' can be opened or shut off, as described above.
  • the operation of this injection system corresponds to that described above for the first embodiment.
  • the mass body 20 with the elastic drive rod 21 has the task of forming an oscillatory mechanical system which must have the same natural resonance as the oscillator 5 'itself, so that an increase in amplitude of the control slide movement is generated.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochdruckeinspritzsystem, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Derartige Einspritzsysteme dienen z. B. zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum von Dieselmotoren, zum Einspritzen von Kraftstoff in direkt oder indirekt eingespritzte Ottomotoren, zum Betreiben von Gasturbinen oder Feuerungsanlagen mit Leicht- oder Schweröl oder zum Vernebeln von Flüssigkeiten in Farbspritzanlagen und Luftbefeuchtungsanlagen. Bei derartigen Anordnungen soll die einzuspritzende Flüssigkeit möglichst fein zerstäubt werden. Hierfür kann vorteilhaft Ultraschallenergie eingesetzt werden. So ist z. B. die Zerstäubung von Kraftstoffen in Vergaseranlagen bei Ottomotoren bereits bekannt. Speziell beim Dieselmotor ist jedoch eine Hochdruckeinspritzung erforderlich. Eine solche Hochdruckeinspritzung läßt sich z. B. mit einem Einspritzsystem gemäß der US-A 4 000 852 entsprechend den deutschen Offenlegungsschriften 26 08108 und 23 04 525 verwirklichen. Bei diesen Systemen wird der von einer mechanischen Pumpe gelieferte Brennstoff unter hohem Druck der Einspritzdüse zugeführt, welche durch einen piezoelektrischen Schwingungserzeuger in Ultraschallschwingungen versetzt wird. Ein im Inneren dieser Anordnung befindliches Kugelventil verhindert das Abtropfen des Brennstoffs, wenn die Einspritzdüse nicht in Schwingungen versetzt ist. Um das Eindringen von Verdichtungsgasen in die Einspritzdüse zu verhindern, wird bei der oben genannten bekannten Anordnung gemäß der DE-A 26 08 108 ein außenliegendes Kugelventil verwendet, das von einer Druckfeder am Gehäuse gehalten wird. Kugelventil und Feder sind bei dieser Anordnung jedoch direkt den Drücken und Temperaturen im Brennraum ausgesetzt, so daß hier Beschädigungen dieser Teile bei Langzeitbetrieb zu erwarten sind.
  • Aus der britischen Patentanmeldung 20 41 249 ist ein Zerstäubungsgerät vorzugsweise für einen Inhalator bekannt. Dieses Zerstäubungsgerät weist einen Tank für eine zu zerstäubende Flüssigkeit auf, der aus zwei gegeneinander verschiebbaren Teilen zusammengesetzt ist, die gegen die Kraft einer Feder zusammengedrückt werden und hierbei eine in den Tank integrierte, nicht weiter dargestellte Pumpe betätigen. Die aus dem Tank geförderte Flüssigkeit wird dann an einer Abstrahlfläche fein zerstäubt, wobei diese Abstrahlfläche mittels eines Ultraschall-Schwingungserzeugers in Schwingungen versetzt wird. Dieses Zerstäubungsgerät ist kein Hochdrucksystem und kann in dieser Form auch nicht für ein Brennstoffeinspritzsystem für Dieselmotoren verwendet werden.
  • Hochdruckeinspritzsysteme mit Ultraschall-Zerstäubung wären jedoch gegenüber herkömmlichen mechanischen Einspritzsystemen vorteilhaft, wenn sie an die hohen Belastungen während des Betriebes angepaßt werden könnten. So können z. B. Ultraschall-Schwingungserzeuger sehr trägheitsarm angesteuert werden, was bei mechanischen Anordnungen Probleme aufwirft. Außerdem können derartige Schwingungserzeuger mit einfachen elektronischen Steuergeräten angesteuert werden. Wenn die mechanischen Komponenten von Hochdruckeinspritzsystemen ebenfalls trägheitsarm angesteuert und betätigt werden könnten, so könnte ein Einspritzsystem mit hoher Effizienz erzielt werden. So könnten z. B. Dieselmotoren mit ohnehin guter Kraftstoffnutzung in ihrer Leistung wesentlich verbessert werden, da mit einem solchen System höhere Drehzahlen als bisher erreicht werden könnten. Ähnliche Überlegungen gelten auch für Einspritzsysteme in Verbindung mit anderen oben genannten Geräten oder Anlagen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochdruckeinspritzsystem mit Ultraschall-Zerstäubung zu realisieren, das in Verbindung mit elektronischen Steuerungen einerseits ein Minimum an mechanischen Bauteilen aufweist, andererseits dem Ausgangssignal der Steuerung mit geringster Verzögerung, d. h. möglichst trägheitsarm Folge leisten kann.
  • Diese Aufgabe wird durch im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Gemäß der Erfindung wird das gesamte Einspritzsystem in einer einzigen Baueinheit zusammengefaßt, die in Art einer zwangsgesteuerten Kolbenpumpe mit Einlaßventil, Abspritzventil und Arbeitskolben ausgebildet ist. Die bisher bekannte Anordnung aus Einspritzventil und Einspritzpumpe wird somit zusammengefaßt. Sämtliche mechanischen Teile des Einspritzsystemes gemäß der Erfindung werden von Ultraschall-Schwingungserzeugern angetrieben, die von einer elektronischen Steuerung trägheitsarm angesteuert werden können. Mit einer solchen Anordnung können Hochdruckeinspritzsysteme mit feinster Flüssigkeitszerstäubung durch Ultraschall in kompakter Bauweise hergestellt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Pumpenraum von einem Steuerschieber durchdrungen, der die Funktion der Ventilkörper für das Einlaßventil und das Abspritzventil übernimmt. Dieser für beide Ventile gemeinsame Steuerschieber wird von einem zweiten Schwingungserzeuger in seiner Längsrichtung hin- und hergefahren. Der Steuerschieber bildet an seinem unteren Ende gemeinsam mit einer aus dem Pumpenraum der Anordnung führenden Abspritzöffnung das Abspritzventil, welches durch Eintauchen des Steuerschiebers in die Bohrung der Abspritzöffnung verschlossen werden kann. Am oberen Ende des Pumpenraumer weist der Steuerschieber im Bereich einer aus dem Pumpenrau zu einer Flüssigkeitszuführung führenden Einlaßöffnung eine Verjüngung mit einer Kante auf. Die Kante dieser Verjüngung bildet mit der Bohrung der Einlaßöffnung das Einlaßventil, welches durch das Eintauchen des Außendurchmessers des Schiebers in die Bohrung der Einlaßöffnung verschlossen wird. Die Flüssigkeit, z. B. ein Kraftstoff, wird über eine Zuleitungsbohrung in dem Gehäuse in dem Bereich der Einlaßöffnung und der Verjüngung des Steuerschiebers in das Einlaßventil geführt. Der Steuerschieber ist in seinen Abmessungen so ausgelegt, daß bei der Hin- und Herbewegung entweder das Einlaßventil geöffnet und das Abspritzventil geschlossen, oder aber das Abspritzventil geöffnet und das Einlaßventil geschlossen ist. Der Steuerschieber kann so ausgebildet sein, daß er in seiner Ruhestellung, d. h. bei nicht betätigtem Schwingungserzeuger beide Ventile absperrt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steuerschieber mit seinem Schwingungserzeuger über einen elastischen Antriebsstab verbunden, welcher mit einem Massekörper versehen ist. Der elastische Stab bildet mit dem Massekörper und der Masse des Steuerschiebers ein schwingungsfähiges System, das bei Abstimmung auf die Arbeitsfrequenz des Ultraschall-Schwingungserzeugers die Amplitude der Steuerschieberschwingung gegenüber der Amplitude der Schwingung des Schwingungserzeugers derart vervielfacht, daß am Einlaß- und Abspritzventil ausreichende Öffnungsquerschnitte erzielt werden können und daß zudem die Fe.rtigungstoleranzen der funktionsbestimmenden Längen der beiden Ventile in vertretbaren Grenzen gehalten werden.
  • In den abgeschlossenen Pumpenraum taucht auch der Arbeitskolben mit seinem freien Ende ein, der direkt mit dem zweiten Schwingungserzeuger in Verbindung steht.
  • Die beiden Ultraschall-Schwingungserzeuger werden mit zwei hohlen Schrauben am Gehäuse der Anordnung festgeschraubt und vorgespannt. Die beiden Schwingungserzeuger können bekannte Schwinger aus der Leistungs-Ultraschalltechnik sein, wobei lediglich die Schallenergie in entgegengesetzter Richtung durch die hohlen Befestigungsschrauben weitergeleitet wird.
  • Die Achsen der zwei beweglichen Teile, das sind der Arbeitskolben und der Steuerschieber, können vorteilhaft in V-Form zueinander angeordnet werden, um sowohl den Platzbedarf in der Nähe des Abspritzventils und der Dichtfläche des Einspritzsystems zu der damit betriebenen Anlage, als auch die resultierende Reaktionskraft der beiden Schwinger möglichst klein zu halten.
  • Das freie Ende des Steuerschiebers im Bereich des Abspritzventils ist mit einer Abstrahlfläche, z. B. einer Kugelkalotte und einem Abspritzkonus versehen, die den Abspritzwinkel festlegen. Der Abspritzkonus und das kalottenförmige Ende des Steuerschiebers sind die einzigen Teile, auf die direkt die Bedingungen der mit dem Einspritzsystem betriebenen Anlage wirken. Im Falle eines Dieselmotores werden lediglich diese Teile mit dem Druck und den Temperaturen sowie den Verbrennungsgasen im Zylinderkopf beaufschlagt. Durch die Zwangssteuerung des Steuerschiebers und entsprechende Oberflächenausführung dieser Teile können die Druck- und Temperaturwirkungen einfach beherrscht werden.
  • Die Funktion der gesamten Anordnung wird durch eine elektronische Steuerschaltung sichergestellt. Diese Steuerung koordiniert die Bewegungen des Steuerschiebers und des Arbeitskolbens in der Weise, daß der Arbeitskolben einen Druckhub ausführt, wenn das Abspritzventil geöffnet ist, und einen Saughub dann ausführt, wenn das Einlaßventil geöffnet ist. Die Bewegungen von Steuerschieber und Arbeitskolben laufen normalerweise mit einer Phasenverschiebung von 90° ab. Zur Steuerung der Einspritzmenge kann jedoch dieser Phasenwinkel über die Steuerung verändert werden ; zum gleichen Zweck ist es möglich, die Schwingungsamplitude des Arbeitskolbens, d. h. dessen Hub zu verändern.
  • Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile, insbesondere beim Dieselmotor, bestehen darin, daß die mechanisch aufwendige und teure Einspritzpumpe mit allen zu ihrem Betrieb notwendigen Antriebselementen entfällt Es entfallen ebenfalls die Verbindungsleitungen von der Pumpe zu den Einspritzventilen im Zylinderkopf. Die Mechanik der Pumpe und die Laufzeit der Druckwellen innerhalb der zu zerstäubenden Flüssigkeit in den Verbindungsleitungen sind beim bekannten Stand der Technik der Entwicklung kleiner, aber leistungsfähiger und deshalb notwendig schnell laufender Dieselmotoren lange Zeit im Wege gestanden. Das erfindungsgemäße Einspritzsystem weist diese Nachteile nicht auf, da Pumpe und Einspritzventil in einer Baueinheit integriert sind und direkt am Zylinderkopf eines Dieselmotors montiert werden können. Dies gilt selbstverständlich auch für andere, oben genannte Geräte und Anlagen.
  • Die Rohstoffknappheit und die Gesetzgebung zur Regelung der Abgase zum Zwecke des Umweltschutzes fordern Motoren mit immer höherem Wirkungsgrad und geringerer Schadstoffemission, wobei nur Motoren mit Einspritzung diesen Bedingungen gerecht werden können. Die Verarbeitung aller für eine optimale Einspritzung erforderlichen Parameter machen eine elektronische Prozeßsteuerung notwendig, die einer genaue Berechnung von Einspritzbeginn, Einspritzdauer und Einspritzmenge pro Zeiteinheit anhand eines dreidimensionalen Kennlinienfeldes durchführen kann. Bis jetzt waren jedoch keine Systeme bekannt, die das Ausgangssignal der Steuerung mit möglichst geringer Verzögerung in die entsprechenden mechanischen Größen umformen könnten. Das erfindungsgemäße Einspritzsystem läßt alle diese Steuerparameter zu, da es trägheitsarm ist und durch die Veränderung des Arbeitskolbenhubes und/oder der Phasenbeziehung zwischen Steuerschieber- und Arbeitskolbenbewegung auch die Steuerung der Einspritzmenge pro Zeiteinheit zuläßt, ohne daß die Qualität der Zerstäubung der Flüssigkeit bzw. des Brennstoffs darunter leidet, weil diese mit Ultraschallenergie durchgeführt wird.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die elektrische Energie des Steuerungsausganges ohne Zwischenschaltung von Stellgliedern und Pumpen direkt in Druckenergie umgewandelt wird, so daß die gesamte Anlage mit relativ wenigen mechanischen Bauteilen auskommt.
  • Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der zwei Ausführungsbeispiele eines Hochdruckeinspritzsystems anhand der Zeichnung näher erläutert sind. In der Zeichnung stellen dar:
    • Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels für ein Brennstoff-Einspritzsystem gemäß der Erfindung ;
    • Figur 2 eine teilweise geschnittene Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels für ein Brennstoff-Einspritzsystem gemäß der Erfindung ;
    • Figur 3 einen detaillierten Teilschnitt durch das in Figur 2 gezeigte Brennstoff-Einspritzsystem.
  • In den Figuren sind für gleiche oder gleichwirkende Bauteile jeweils die gleichen Bezugszeichen verwendet, denen jedoch bei den Figuren 2 und 3 jeweils ein Strich hinzugefügt ist. Im Inneren eines kompakten Gehäuses 1 ist ein Pumpenraum 12 aufgenommen, in dessen einer Seitenwand eine Bohrung B1 vorgesehen ist. In dieser Bohrung ist ein zylinderförmiger Arbeitskolben 2 gleitend gelagert, dessen freies Ende in den Pumpenraum 12 hineinragt und dessen anderes Ende außerhalb des Gehäuses mit einem darauf abgestützten Schwingungserzeuger 3, z. B. aufeinandergelegten Kreisring-Piezowandlern, verbunden ist, die bei elektrischer Ansteuerung den Arbeitskolben in Richtung seiner Längsachse, d. h. in Figur 1 in Richtung des Doppelpfeiles P1 hin- und herbewegen.
  • Zwei gegenüberliegende Wände des Pumpenraumes 12 sind zur Bildung von Einlaßventil V1 und Abspritzventil V2 mit zwei weiteren koaxialen Bohrungen B2 bzw. B3 versehen, in denen ein Steuerschieber 4 gleitend gelagert ist, der den Pumpenraum 12 senkrecht zu der Längsachse des Arbeitskolbens 2 durchdringt. Der Steuerschieber 4 kann mit einem weiteren, außerhalb des Gehäuses 1 angeordneten Schwinger 5 in den beiden Bohrungen B2 und B3 entsprechend dem Doppelpfeil P2 hin- und herbewegt werden.
  • Der Steuerschieber 4 weist an seinem freien unteren Ende, das in die Bohrung B3 hineinragt, eine kugelkalottenförmige Abstrahlfläche 6 auf. Die Bohrung B3 erweitert sich im Anschluß konisch zu einem Abstrahlkonus 7 und mündet z. B. in den Brennraum eines Dieselmotors.
  • Der Steuerschieber ist zwischen den Bohrungen B2 und B3 durch eine Gleitlagerführung 8 geführt, um seitliches Schwingen des Steuerschiebers und damit Beschädigungen des Einlaß- und Abspritzventils zu verhindern.
  • Im Bereich der Einlaßöffnung B2 weist der Steuerschieber 4 eine Verjüngung 10 mit einer unteren Schieberkante, 10a auf wodurch Steuerschieber mit der Verjüngung und der Bohrung gemeinsam das Einlaßventil V1 bilden. In dieses Ventil mündet eine Kraftstoffzuführleitung 9, die in einer Gehäusebohrung bis in den Bereich der Verjüngung 10 geführt ist.
  • In Ruhestellung des Steuerschiebers 4, d. h. bei nicht betätigtem Schwinger 5 sind beide Ventile V1 und V2 geschlossen, indem die Schieberkante 10a die Einlaßöffnung B2 des Einlaßventils und das untere freie Ende des Steuerschiebers die Abspritzöffnung B3 des Abspritzventils V1 gegenüber dem Pumpenraum 12 abdichten.
  • Wird aus dieser Ruhestellung der Steuerschieber 4 in seine unterste Stellung in die Abspritzöffnung B3 geschoben, so wird das Einlaßventil V1 über einen schmalen Einlaßspalt 11 zwischen Schieberkante 10a und Bohrung B2 geöffnet, während das Absperrventil weiter geschlossen bleibt. Wird jetzt der Arbeitskolben 2 in der Figur nach rechts gezogen, so wird über die Brennstoffzuführleitung 9, die Verjüngung 10 und den Einlaßschlitz 11 Brennstoff in den Pumpenraum 12 gesaugt. Wird anschließend der Steuerschieber in seine oberste Stellung gebracht, so wird das Einlaßventil V1 geschlossen und das Abspritzventil geöffnet, indem ein schmaler Abspritzschlitz 13 zwischen dem unteren Ende des Steuerschiebers und der Bohrung B3 freigegeben wird. Der jetzt nach links bewegte Arbeitskolben 2 verdrängt den eben angesaugten Brennstoff, der auf diese Weise nur durch das Abspritzventil V2 entweichen kann. Jetzt wird der Steuerschieber wieder in seine unterste Stellung gebracht, wobei der der kalottenförmigen Abstrahlfläche 6 vorgelagerte Brennstoff beschleunigt wird und mit hoher Geschwindigkeit und feinzerstäubt aus dem Abstrahlkonus 7 austritt.
  • Hiermit ist ein Zyklus, bestehend aus Ansaugen und Zerstäuben des Brennstoffs, abgeschlossen und der obige Ausgangszustand wieder hergestellt, so daß ein neuer Zyklus beginnen kann.
  • Die Bewegungen von Steuerschieber und Arbeitskolben erfolgen selbstverständlich kontinuierlich, z. B. in Form einer Sinusschwingung entsprechend der Ansteuerung durch eine hier nicht dargestellte elektronische Steuerungsanlage. Die Bewegungen von Steuerschieber und Arbeitskolben sind, wie aus obigem hervorgeht, in der Phase um 90° gegeneinander verschoben.
  • Soll die Menge des einzuspritzenden Brennstoffs variiert werden, so kann entweder die Amplitude der Schwingung des Arbeitskolbens 2 verändert werden : ebenso kann auch die oben genannte Phasenbeziehung zwischen den Bewegungen von Steuerschieber und Arbeitskolben geändert werden. Eine Kombination beider Möglichkeiten ist selbstverständlich möglich.
  • In den Figuren 2 und 3 ist eine konstruktive Ausbildung eines erfindungsgemäßen Einspritzsystems dargestellt, das sich direkt mit einer unteren Dichtfläche 23 am Gehäuse 1' auf die Öffnung für das Einspritzventil eines herkömmlichen Dieselmotors aufsetzen läßt. Die Befestigung mittels Schrauben oder Stehbolzen ist nicht gezeigt.
  • Figur 2 zeigt die Gesamtansicht des Systems mit einem geschnittenen Ausschnitt, der die Befestigung eines Schwingers 3' und die durch diese hindurchgeführte Kraftübertragung verdeutlicht.
  • Figur 3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die Anordnung gemäß Figur 2.
  • Die Längsachse von Arbeitskolben 2' und Steuerschieber 4' verlaufen V-förmig, wobei wiederum das vordere freie Ende des Arbeitskolbens in den Pumpenraum 12' hineinragt, wohingegen der Steuerschieber 4' den Pumpenraum 12' durchragt. Der Pumpenraum 12' ist gegenüber der beim ersten Ausführungsbeispiel klein bemersen. Der Arbeitskolben 2' ist mit einer Doppeldichtung 14 gegenüber der Wand der Bohrung B1' abgedichtet, zwischen denen eine aus dem Gehäuse 1' führende Leckleitung 15 vorgesehen ist. Der Arbeitskolben 2' selbst ist durch eine hohle Schraube 16 hindurchgeführt und lediglich am Schraubenkopf mit dieser Schraube verbunden. Die hohle Schraube 16 spannt den Schwinger 3' mit einem darübergelegten Endstück 17 an dem Gehäuse 1' fest. Die Schwingungen des Schwingers werden über den Endabschnitt 17 und die Befestigungsschraube 16 auf den Arbeitskolben 2' übertragen.
  • In ähnlicher Weise ist der Steuerschieber 4' in dem Gehäuse 1' gehalten. Der Schwinger 5' ist mit einem Endabschnitt 18 mittels einer hohlen Befestigungsschraube 19 auf dem Gehäuse verspannt. Mit dem Schraubenkopf der hohlen Schraube 19 ist ein elastischer Antriebsstab 21 eingeschraubt, der mittels einer Kontermutter 25 arretiert werden kann. Die Höhenstellung des Antriebsstabes kann mit der Kontermutter 25 und dem oberen, mit einem Einstellgewinde 24 versehenen Ende des Antriebsstabs eingestellt werden. Am unteren Ende der Hohlschraube 19 ist der elastische Antriebsstab 21 mit einem zylindrischen Massekörper 20 verbunden, an dessen unterem Ende wiederum der eigentliche Steuerschieber 4' befestigt ist. Die Führung 8' für den Steuerschieber ist gemeinsam mit dem Einlaßventil V1' und dem Abspritzventil V2' als ein eigenständiges Bauteil ausgeführt, da es aus hochwertigem Material beschaffen und mit hoher Präzision bearbeitet sein muß. Dieses Einsatzteil wird in eine Bohrung B2' eingesetzt und mit einer unterhalb des Massekörpers 20 gelegenen Schraube 22 verspannt. Der Steuerschieber 4' durchdringt dieses eingesetzte Bauteil und wird gegenüber diesem mit einer weiteren Doppeldichtung 26 abgedichtet. In den Zwischenraum zwischen dieser Doppeldichtung 26 mündet die verlängerte Leckleitung 15. Das Einsatzteil weist eine Abdeckplatte 27 auf, die die Einspritzkammer 12' nach oben hin abschließt. Das gesamte Einsatzteil ist über mehrere Dichtungen 28 gegenüber der Gehäusebohrung B2' abgedichtet. Oberhalb dieser Platte 27 mündet die Brennstoffzuführleitung 9' in das Einlaßventil V1' wiederum im Bereich der Verjüngung 10' des Steuerkolbens.
  • Durch Hin- und Herbewegen des Steuerschiebers können, wie oben beschrieben, das Einlaßventil V1' mit dem Einlaßschlitz 11' bzw. das Abspritzventil V2' mit dem Abspritzschlitz 13' geöffnet bzw. abgesperrt werden.
  • Die Arbeitsweise dieses Einspritzsystems entspricht der oben geschilderten für das erste Ausführungsbeispiel. Der Massekörper 20 mit dem elastischen Antriebsstab 21 hat die Aufgabe, ein schwingungsfähiges mechanisches System zu bilden, das die gleiche Eigenresonanz haben muß wie der Schwinger 5' selbst, so daß eine Amplitudenvergrößerung der Steuerschiebebewegung erzeugt wird.
  • Bei diesem Einspritzsystem kommen nur die Abstrahlfläche 6' des Steuerschiebers 4' und der Abstrahlkonus 7' mit den Verbrennungsgasen und den Drücken und Temperaturen im Brennraum des Dieselmotors in Berührung.

Claims (12)

1. Hochdruckeinspritzsystem zum Zerstäuben von Flüssigkeiten mittels Ultraschall, insbesondere Brennstoffeinspritzsystem für Dieselmotoren, mit einer Flüssigkeitszuführung (9) und einem Abspritzventil (V2), dessen Ventilkörper mittels eines elektrisch betätigten Ultraschall-Schwingungserzeugers elektronisch gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzsystem als eine Baueinheit in Art einer zwangsgesteuerten Kolbenpumpe ausgebildet ist mit einem Pumpengehäuse (1), einem darin aufgenommenen, vollständig mit Flüssigkeit gefüllten Pumpenraum (12) mit einem Einlaßventil (VI) und einem Abspritzventil (V2) sowie einem in den Pumpenraum (12) hineinragenden Arbeitskolben (2), und daß die Ventilkörper (10, 10a; 4) von Einlaßventil (V1) und Abspritzventil (V2) und der Arbeitskolben (2) mit elektrisch betätigten Ultraschall-Schwingungserzeugern (3, 5) verbunden sind und diese zum Ansaugen von Flüssigkeit durch das Einlaßventil (V1) sowie zum Abspritzen von Flüssigkeit durch das Abspritzventil (V2) elektronisch gesteuert betätigbar sind.
2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenraum (12) für das Einspritzventil (V1) eine Einlaßöffnung (B2) und für das Abspritzventil (V2) eine Abspritzöffnung (B3) aufweist, denen ein gemeinsamer Steuerschieber (4) als Ventilkörper für Einlaß- und Abspritzventil (V1, V2) zugeordnet ist, der mit einem einzigen Schwingungserzeuger (5) zum wechselseitigen Öffnen und Schließen von Einlaß- und Abspritzventil verbunden ist.
3. Einspritzsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (4) in dem Pumpenraum (12) zwischen Einspritzventil (V1) und Abspritzventil (V2) in einer Führung (8) geführt ist.
4. Einspritzventil nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (4) im Bereich der Einlaßöffnung (B2) eine Verjüngung (10) mit einer dem Pumpenraum (12) zugewandten Schieberkante (10a) aufweist, mittels der die Einlaßöffnung unter Freigabe eines Einlaßspaltes (11) zum Ansaugen von Flüssigkeit in dem Pumpenraum freigebbar bzw. gegenüber dem Pumpenraum absperrbar ist.
5. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerschieber (4) in Ruhestellung bei nicht erregtem Schwingungserzeuger (5) das Einlaßventil (V1) und das Abspritzventil (V2) abschließt.
6. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Steuerschiebers (4) im Bereich des Abspritzventiles (V2) eine Abstrahlfläche (6) zum Feinstzerstäuben der Flüssigkeit aufweist.
7. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Schwingungsamplitude des Steuerschiebers (4') dieser mit dem Schwingungserzeuger (5') über eine, einen Massekörper (20) tragenden elastischen Antriebsstab (21) verbunden ist, dessen mechanische Eigenschaften auf die Arbeitsfrequenz des Schwingungserzeugers (5') abgestimmt sind.
8. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen von Arbeitskolben (2') und Steuerschieber (4') in V-Form angeordnet sind.
9. Einspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Einlaß- und Abspritzventil (V1 bzw. V2) in einer Phase von 180° und der Arbeitskolben (2) in einer Phase von 90° gegenüber dem Einlaßventil (V1) gesteuert sind.
10. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Phase der Schwingungen von Arbeitskolben (2) und dem für Einlaß- und Abspritzventil (V1, V2) gemeinsamen Steuerschieber (4) 90° beträgt.
11. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Variieren der einzuspritzenden Flüssigkeitsmenge die Phasenbeziehungen der Schwingungen von Arbeitskolben (2) und Ventilkörpern (Steuerschieber 4) für Einlaß- und Abspritzventil (V1, V2) veränderbar sind.
12. Einspritzsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Variierung der einzuspritzenden Flüssigkeitsmenge die Schwingungsamplitude, d. h. der Hub des Arbeitskolbens (2) veränderbar ist.
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