EP0436586B1 - Kraftstoff-einspritzdüse mit steuerbarer charakteristik des kraftstoffstrahls - Google Patents

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EP0436586B1
EP0436586B1 EP89910599A EP89910599A EP0436586B1 EP 0436586 B1 EP0436586 B1 EP 0436586B1 EP 89910599 A EP89910599 A EP 89910599A EP 89910599 A EP89910599 A EP 89910599A EP 0436586 B1 EP0436586 B1 EP 0436586B1
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EP
European Patent Office
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injection nozzle
stroke movement
nozzle
injection
alternating
Prior art date
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EP89910599A
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Dietmar Hohm
Peter Kleinschmidt
Hans Meixner
Dieter Stein
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Application granted granted Critical
Publication of EP0436586B1 publication Critical patent/EP0436586B1/de
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a fuel injector as specified in the preamble of claim 1.
  • the injection nozzle generates a fuel jet shaped according to the design, the liquid components of which are atomized by the ultrasound-frequency-vibrating part of the entire nozzle into a flowing droplet mist consisting of fine aerosol droplets.
  • the same is apparent from JP-A-60 22 066 for the person skilled in the art.
  • the present invention is concerned with a development going in another direction, namely measures for make an appropriate choice of the shape of the fuel jet.
  • All known fuel injection nozzles have a characteristic shape of the fuel jet which is predetermined by their construction.
  • the shape of the fuel jet is known to be important for the air-fuel mixture formation, and not only in the With regard to minimal specific fuel consumption, but also with regard to environmental pollution due to undesirable emissions, and important for the smooth running of the engine.
  • a distinction is made between a fuel injection nozzle that generates a thread jet and a nozzle that delivers a cone jet. Both jet shapes are characteristic of one another, moreover, different size distributions of the droplets of the fuel sprayed out of the nozzle.
  • jet shapes are optimal.
  • the object of the present invention is to provide measures with which, in addition, at least largely optimal mixture formation can also be achieved with the selected injection nozzle for different operating states of the internal combustion engine.
  • the present invention is based on the idea of providing technical means on or for a fuel injection nozzle, with which the characteristic shape of the fuel jet of this one nozzle can be changed in an electrically controllable manner during operation.
  • the shape of the jet of the nozzle is controlled according to the invention in such a way that different opening angles of the injection jet, from the (slim) thread jet to a cone jet with e.g. 70 ° opening angle or even larger can be reached.
  • the spray shape can be controlled and optimally adjusted during operation.
  • the invention relates in particular to low-pressure injection at approximately 1 to 10 bar.
  • fuel injectors are also injectors.
  • the valve drive can be based on the effect of the liquid pressure exerted by the fuel to be injected.
  • injection nozzles are increasingly being provided with electromechanical devices for opening and closing their valve portion. Electromagnetic versions have mainly been provided for this purpose.
  • fuel injectors with a valve device with a piezoelectric drive.
  • the one fuel injection nozzle per cylinder is designed in such a way that it can bring about several mutually different, controllably selectable forms of "jet formation".
  • a "thread jet” can be generated with a fuel injection nozzle according to the invention, namely for continuous operation, the cross section of the impact on the valve being limited to a predeterminable proportion of the valve disk surface. This ensures that the fuel reaches the valve as “lossless” as possible and then immediately and without detour into the cylinder. The measured optimal air-fuel ratio can thus be maintained with certainty.
  • the evaporation of the fuel on the hot valve plate ensures that a finely divided fuel-air mixture is available for combustion in the cylinder.
  • the injection nozzle according to the invention is controlled so that a good fuel fine distribution occurs.
  • an injection “jet” is generated for this operating phase of the engine, which has a certain spreading in the manner of a cone jet.
  • a cone jet has the property that, and only at a certain distance from its nozzle opening, the liquid only disintegrates in the jet and that only then, but sufficiently early for the combustion process, is there a substantial proportion of the injection quantity in fine droplet distribution.
  • the above-mentioned distance is important here, because it can be achieved that this fuel fine distribution in the cone jet is present just before or even at the inlet valve and that droplets fail, e.g. on the wall of the intake pipe (i.e. in the area between the nozzle opening and the inlet valve) is excluded.
  • This advantage occurs particularly in such known injection nozzles that have an integrated ultrasonic liquid atomization. It must be taken into account that the fuel injector cannot be arranged anywhere near the inlet valve.
  • An injection nozzle according to the invention is designed so that it has a fast responding and fast working drive for opening and closing the nozzle opening. It can be advantageous in individual cases, in particular for optimally fulfilling the conditions in idle mode, if the injection nozzle according to the invention is one with proportional drive or proportional adjustability of the nozzle opening. It is thus easy to set such intermediate values of the degree of opening of the injection nozzle, with which an exact metering of the very small injection quantities that come into consideration, especially in idle mode, can be maintained per injection process.
  • the operational repetition frequency is in practical use, e.g. for a four-cylinder or six-cylinder engine and thus the repetition frequency for opening (t1) and closing (t2) the valve portion of the injector at about 5 Hz to 50 Hz.
  • the repetition frequency for opening (t1) and closing (t2) the valve portion of the injector at about 5 Hz to 50 Hz.
  • Correspondingly steep rising and falling edges of opening and closing of an injection nozzle according to the invention are at a frequency of considerably above 1 kHz (with a corresponding period T) as the upper limit of the Fourier spectrum of the opening and closing impulse.
  • the requirements for an injection nozzle according to the invention are given on the basis of the following exemplary operating values for a medium-sized passenger car:
  • the fuel throughput when the injector is continuously open (in the intake phase) is approx. 6 g / s per cylinder. This corresponds to almost full load operation.
  • the idle flow rate of such an engine is about 0.4 mg / s per cylinder. This clearly results in a dynamic range of four orders of magnitude to be managed.
  • an injection nozzle according to the invention are characterized in that the opening and closing of the injection nozzle (which is also designed as a valve) Serving valve needle and / or the opening cross section of the nozzle are to be set in lifting movements.
  • the beam cross section ie the beam shape, for example from the thread jet to the cone jet, can be varied with different opening angles.
  • FIG. 1 which shows a time / excitation or. Opening diagram of an injection nozzle according to the invention shows.
  • the injection nozzle according to the invention is able to periodically follow the mechanical movements of the electrical excitation with its stroke movements due to the above-mentioned rapid response of its parts, in particular with proportional drive.
  • the excitation frequencies for this stroke movement are optimally in the range from 5 KHz to 20 KHz, that is to say far below ultrasonic atomizing frequencies. This dimensioning applies both to injection nozzles and valves in low-pressure systems (approx. 3 bar) and to those with the usual diameter (0.3 to 1 mm) of the nozzle.
  • Figure 2 shows a basic structure of an injection nozzle 10 according to the invention with a superimposed, rapidly changing stroke movement of the nozzle needle.
  • FIG. 3 shows a corresponding embodiment with a lifting movement of the (valve) seat of the injection nozzle 20.
  • Figures 4 and 5 show in side and front view an embodiment 40 with a device for modulating the effective injection opening.
  • Figure 6 shows a piezoceramic drive device.
  • FIG. 7 shows a magnetostrictive drive device
  • FIG. 8 shows an electrodynamic drive device for an injection nozzle according to the invention.
  • FIG. 9 shows a complete configuration of an injection nozzle according to the invention.
  • 11 denotes the nozzle needle, which also acts as a valve needle. It is located in the nozzle part 12 which has the bore shown as the nozzle opening 13. If the injection nozzle is closed, the front end of the nozzle needle 11 closes the nozzle opening 13. 14 indicates the controllable mobility of the nozzle needle 11.
  • fuel indicated at 15 flows along the nozzle needle 11 and within the nozzle part 12 to the nozzle opening 13 in order to form an injection jet with the conical shape having the characteristic 15 shown.
  • This jet shape 15 results from the fact that the nozzle needle 11 in the open position is superimposed on the additional alternating stroke movement indicated by 14.
  • FIG. 3 reference can largely be made to the details described for FIG. 2. Reference symbols already described for FIG. 2 have the same or at least meaningful meaning in FIG. 3.
  • alternating stroke movement is provided for the nozzle part 12 with the nozzle opening 13.
  • there is a beam shape which essentially corresponds to that of the embodiment according to FIG. 2.
  • FIGS. 4 and 5 show an additional device attached to the nozzle part 12 in the region of the nozzle opening 13.
  • FIG. 5 shows an end view belonging to FIG. 4, ie a view against the sprayed jet.
  • This additional device 51 of the actual injection nozzle of FIGS. 4 and 5 consist of, for example, four rod-shaped extensions 151, each of which are to be excited to perform lifting movements. These lifting movements are indicated by the individual arrows 54.
  • These stroke movements 54 are bending movements of the parts 151.
  • These parts 151 form longitudinal guides for the fuel jet 45 emerging from the nozzle opening 13.
  • the alternating stroke movements 54 which are transverse to its jet direction, lead to a jet shape as shown at 55.
  • the drive element 6 according to FIG. 6 consists of a stack of piezoelectrically excitable disks 61. These disks are provided with flat electrodes, not shown. Such stacks are known in principle and are also supplied with controlled electrical voltage in the present case. In particular, AC voltage is supplied, preferably with such a frequency that leads to resonant oscillatory movements of the lifting movement 114 of the stack or of the drive 6.
  • FIG. 7 shows a magnetostrictive embodiment 7 of a drive.
  • 71 denotes a rod which can be excited to magnetostriction movements and which is located inside a magnetic field coil 72.
  • This magnetic field coil 72 is supplied with electrical voltage, preferably again at a frequency which leads to resonance with a natural oscillation of the rod 71, which leads to a correspondingly large stroke amplitude of the stroke movement 114.
  • FIG. 8 shows a drive 8 with plunger coil 81 and pot magnet 82, as is known in principle from loudspeakers. With a corresponding electrical alternating excitation, such a device leads to mechanical stroke movements 114. Resonance excitation can also be effected here.
  • FIG. 9 shows an example of an injection nozzle according to the invention.
  • the details given for the figures described above have the same meaning in FIG. 9.
  • the actuator 91 denotes an actuator, for example a stack consisting of piezoelectric plates. By applying electrical voltage between the connections 92 and 93, this actuator changes its length and thus drives the plunger 94 and the nozzle needle 11 connected to the plunger 94.
  • the actuator 91 is used to open and close the valve by moving the valve needle 11.
  • the inflow opening of the injection nozzle for the fuel is designated by 95.
  • the drive device for the alternating lifting movement to be carried out according to the invention is designated by 96.
  • this drive device comprises a plurality of stacks 97 with the electrical connecting lines 98 and 99. Between the connections 98 and 99, the AC drive voltage for this lifting movement is to be applied.
  • the outer housing 12 of the injection nozzle (sealed) is divided, this nozzle part 12 guides through the work of the drive 96 perform the alternating stroke movements according to the invention, specifically compared to the nozzle needle which is stationary in this example in the open state. This corresponds to the embodiment variant of the invention already described above in connection with FIG. 3.

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Abstract

Einspritzdüse mit einer Düsenbohrung (13) und einer Düsennadel (11), und mit einem Antrieb (91) mit elektrischer Eingangsgrösse sowie mit einer Antriebseinrichtung (96) für eine dem geöffneten Zustand der Einspritzdüse überlagerte wechselnde Hubbewegung des Düsenteils (12), wobei die Antriebseinrichtung (96) mit elektrischer Eingangsgrösse anregbar ist und konstruktiv so ausgebildet ist, dass mindestens eine solche kleine Periodendauer für die Wechsel der Hubbewegung verfügbar ist, die mehrfach kleiner als die vorgegebene Mindestöffnungszeit der Einspritzdüse ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoff-Einspritzdüse wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
  • Schon seit langem ist es zunächst für Dieselmotore und dann für Ottomotore bekannt, den für den Betrieb notwendigen Kraftstoff an einer jeweils vorgegebenen Stelle der Verbrennungskraftmaschine unter Druck einzuspritzen. Es kann dies Kraftstoffeinspritzung in einen Raum hinter dem Einlaßventil sein. Für Ottomotore ist auch Einspritzung auf das Einlaßventil oder in das Saugrohr vor dem Einlaßventil üblich.
  • Es gibt Bestrebungen in der Richtung, eine Einspritzdüse so auszugestalten und zu betreiben, daß sie ein feineres Aerosol erzeugt, als dies mit einer Einspritzdüse ohnehin üblich und/ oder möglich ist. Bei solchen Einspritzdüsen ist, wie aus der EP-A-36 617 bekannt, zusätzlich Ultraschall-Vibration vorgesehen, wie dies für Ultraschall-Flüssigkeitszerstäuber schon seit langen bekannt war. Die anzuwendende Ultraschallfrequenz liegt für Flüssigkeitszerstäubung im Bereich von notwendigerweise oberhalb 100 KHz. Die genaue Frequenz und die Ausgestaltung eines jeweils vorgesehenen ultraschallfrequentschwingenden Teils der Düse sind voneinander abhängig. Die Einspritzdüse erzeugt dabei für sich genommen einen der konstruktiven Ausgestaltung entsprechend geformten Kraftstoffstrahl, dessen Flüssigkeitsbestandteile von dem ultraschallfrequent-schwingenden Teil der ganzen Düse dann zu einem strömenden Tröpfchennebel, bestehend aus feinen Aeorosoltröpfchen, zerstäubt wird. Gleichartiges geht aus der JP-A-60 22 066 für den Fachmann hervor.
  • Die vorliegende Erfindung ist mit einer in eine andere Richtung gehenden Entwicklung befaßt, nämlich Maßnahmen zur geeigneten Wahl der Form des Kraftstoffstrahls zu treffen.
  • Alle bekannten Kraftstoffeinspritzdüsen haben eine durch ihre Konstruktion vorgegebene charakteristische Form des Kraftstoffstrahls. Die Form des Kraftstoffstrahls ist bekanntlich für die Luft-Kraftstoff-Gemischbildung wichtig, und zwar nicht nur im Hinblick auf minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch, sondern auch im Hinblick auf Umweltbelastung durch unerwünscht auftretende Abgasanteile, und wichtig für die Laufruhe des Motors. Zum Beispiel wird unterschieden zwischen von einer Kraftstoff-Einspritzdüse, die einen Fadenstrahl erzeugt und einer Düse, die einen Kegelstrahl liefert. Beide Strahlformen haben für sich charakteristisch im übrigen u.a. auch unterschiedliche Größenverteilungen der Tröpfchen des aus der Düse gespritzten Kraftstoffes.
  • Von Parametern einer jeweiligen Verbrennungskraftmaschine und deren Konstruktionsmerkmalen sowie dem jeweiligen Lastzustand abhängig sind jeweils verschiedene Strahlformen optimal.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, mit denen außerdem auch für unterschiedliche Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine wenigstens weitgehend jeweils optimale Gemischbildung mit der ausgewählten Einspritzdüse zu erreichen ist.
  • Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, an einer bzw. für eine Kraftstoff-Einspritzdüse technische Mittel vorzusehen, mit denen im Betrieb die charakteristische Form des Kraftstoffstrahls dieser einen Düse elektrisch steuerbar verändert werden kann. Es wird erfindungsgemäß mit diesen Mitteln die Form des Strahls der Düse so gesteuert, daß verschiedene Öffnungswinkel des Einspritzstrahls, vom (schlanken) Fadenstrahl bis zu einem Kegelstrahl mit z.B. 70° Öffnungswinkel oder sogar noch größer erreichbar sind.
  • Mit einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse läßt sich im Betrieb die Strahlform steuerbar verändern und optimal anpassen.
  • Außerdem wird dabei eine steuerbare Veränderung der Verteilung der Tröpfchengröße durchgeführt. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Niederdruck-Einspritzung mit etwa 1 bis 10 bar.
  • In der überwiegenden Anzahl der Fälle sind Kraftstoff-Einspritzdüsen gleichzeitig auch Einspritzventile. Der Ventilantrieb kann dabei auf der Wirkung des vom einzuspritzenden Kraftstoff ausgeübten Flüssigkeitsdruckes beruhen. Zunehmend werden aber Einspritzdüsen mit elektromechanischen Einrichtungen zum Öffnen und Schließen ihres Ventilanteils versehen. Vorwiegend sind hierzu elektromagnetische Ausführungen vorgesehen worden. Es gibt bereits auch Kraftstoff-Einspritzdüsen mit Ventileinrichtung mit piezoelektrischem Antrieb.
  • Mit der vorliegenden Erfindung ist erreicht, unter Einhaltung von als besonders sinnvoll erkannten Randbedingungen eine Lösung zu haben, die es ermöglicht, solche variierten Strahlformen mit einer einzigen Einspritzdüse einstellen zu können, die den verschiedenartigen Betriebsbedingungen eines Verbrennungs-Kolbenmotors weitestgehend optimal angepaßt sind. Diese verschiedenen Betriebsbedingungen sind insbesondere zum einen die Kaltstart-Phase und andererseits der Dauerbetrieb des Motors mit stationär durchgewärmtem Motor. Es wäre denkbar, insbesondere für die beiden vorangehend genannten Betriebszustände zwei verschiedene Einspritzdüsen vorzusehen, die jede auf die ihr zugeordnete Betriebsphase optimiert sein könnte. Es soll aber nur eine Einspritzdüse vorgesehen sein. Bezüglich der Kaltstart-Phase ist vor allem die Randbedingung zu erfüllen, daß der jeweils im Ansaugtakt des Motors eingespritzte Kraftstoff als kegelförmiger Strahl so stark zerstäubt in den Zylinder gelangt, daß auch tatsächlich die bestimmungsgemäße Kraftstoffvermischung mit Luft und damit Kraftstoffverbrennung erfolgt.
  • In der Dauerbetriebsphase, d.h. bei Betriebstemperatur aller Motorteile, ist insbesondere ein heißes Einlaßventil vorhanden, das sich hervorragend zur Kraftstoff-Feinverteilung bzw. -verdampfung eignet. Es ist auch dementsprechend durchaus üblich, den einzuspritzenden Kraftstoff mit einem weitgehend fadenförmigen oder nur gering aufgefächerten Einspritzstrahl auf den heißen Ventilteller zu richten und dort auftreffen zu lassen.
  • Im Zusammenhang mit der Erfindung ist festgestellt worden, daß es fallweise nicht unbedingt vorteilhaft ist, in der Dauerbetriebsphase eine schon direkt von der Einspritzdüse ausgehende größere insbesondere durch Ultraschall erzeugte Zerstäubung des einzuspritzenden Kraftstoffes vorzusehen. Es ist nämlich beobachtet worden, daß trotz hoher Betriebswärme des Motorblocks durchaus nachteilige Zustände bei schon von der Düse weg feinverteiltem bzw. zerstäubtem Kraftstoff auftreten. Zum einen können im doch nur begrenzt stark erwärmten Ansaugrohr noch Abscheidungen von Kraftstofftröpfchen erfolgen, die dann erst zeitverzögert zum falschen Zeitpunkt durch Wiederabdampfen in den Zylinder gelangen. Luftsäulenschwingungen im Ansaugrohr können ebenfalls zu Zuständen führen, daß schon vom Ort der Düse weg zerstäubter Kraftstoff nicht zum gewollten Zeitpunkt in den jeweiligen Zylinder gelangt. Damit sind in jedem Falle unerwünschte Verschiebungen hinsichtlich des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses verbunden, das beabsichtigterweise möglichst genau zugemessenen sein soll.
  • Erfindungsgemäß ist die eine einzige Kraftstoff-Einspritzdüse pro Zylinder so ausgebildet, daß sie mehrere voneinander verschiedene, steuerbar wählbare Formen der "Strahlausbildung" bewirken kann. Aufgrund dieser Steuerbarkeit läßt sich mit einer erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzdüse, nämlich für den Dauerbetrieb, ein "Fadenstrahl" erzeugen, dessen Auftreffquerschnitt auf dem Ventil auf einen vorgebbaren Anteil der Ventilteller-Oberfläche begrenzt ist. Damit ist erreicht, daß der Kraftstoff möglichst "verlustlos" auf das Ventil und weiter sofort und ohne Umweg in den Zylinder gelangt. Das zugemessene optimale Kraftstoff-Luftverhältnis kann damit mit Sicherheit eingehalten werden. Aufgrund der Verdampfung des Kraftstoffs auf dem heißen Ventilteller ist sichergestellt, daß zur Verbrennung im Zylinder optimal fein verteiltes Kraftstoff-Luftgemisch zur Verfügung steht.
  • In der Kaltstartphase wird die erfindungsgemäße Einspritzdüse so gesteuert, daß eine gute Kraftstoff-Feinverteilung auftritt. Mit der erfindungsgemäßen Einspritzdüse wird für diese Betriebsphase des Motors ein Einspritz-"Strahl" erzeugt, der eine gewisse Aufspreizung nach Art eines Kegelstrahls besitzt. Ein solcher Kegelstrahl hat die Eigenschaft, daß, und zwar erst in einer gewissen Entfernung von seiner Düsenöffnung, die Flüssigkeit erst im Strahl zerfällt und daß erst dann, aber für den Verbrennungsvorgang genügend zeitig, ein wesentlicher Anteil der Einspritzmenge in feiner Tröpfchenverteilung vorliegt. Der voranstehend erwähnte dabei auftretende Abstand ist dabei wichtig, denn damit kann erreicht werden, daß erst dicht vor oder gar erst am Einlaßventil diese Kraftstoff-Feinverteilung im Kegelstrahl vorliegt und ein Ausfallen von Tröpfchen z.B. an der Wandung des Ansaugrohres (also im Bereich zwischen der Düsenöffnung und dem Einlaßventil) ausgeschlossen ist. Dieser Vorteil tritt besonders bei solchen bekannten Einspritzdüsen auf, die eine integrierte Ultraschall-Flüssigkeitszerstäubung haben. Es ist ja zu berücksichtigen, daß die Kraftstoffeinspritzdüse nicht beliebig nahe dem Einlaßventil angeordnet werden kann.
  • Mit der Erfindung ist, und zwar schon mit nur bescheiden höherem Aufwand, auch für die Kaltstartphase ein wesentlich vorteilhafteres Ergebnis zu erreichen als es eine an sich bekannte Kraftstoff-Einspritzdüse, die für Ultraschall-Kraftstoffzerstäubung ausgebildet ist, verspricht. Es ist nämlich festgestellt worden, daß bei intermittierender, zylinderselektiver Einspritzung für wirklich quantitative Kraftstoffzerstäubung durch Ultraschall auch derart hohe Ultraschallenergie erforderlich wäre, wie sie in der Praxis zumindest mit Rücksicht auf die konstruktive Größe einer Einspritzdüse überhaupt nicht bereitgestellt werden kann.
  • Eine erfindungsgemäße Einspritzdüse ist so ausgelegt, daß sie einen schnell ansprechenden und schnell arbeitenden Antrieb für das Öffnen und Schließen der Düsenöffnung besitzt. Es kann im Einzelfall von Vorteil sein, und zwar insbesondere für optimales Erfüllen der Bedingungen im Leerlaufbetrieb, wenn die erfindungsgemäße Einspritzdüse eine solche mit proportionalem Antrieb bzw. proportionaler Einstellbarkeit der Düsenöffnung ist. Damit lassen sich nämlich leicht solche Zwischenwerte des Öffnungsgrades der Einspritzdüse definiert einstellen, mit denen eine genaue Zumessung der gerade im Leerlaufbetrieb in Betracht kommenden sehr geringen Einspritzmengen pro Einspritzvorgang einhalten.
  • Im praktischen Einsatz liegt die Betriebs-Folgefrequenz, z.B. für einen Vier-Zylinder- bzw. Sechs-Zylinder-Motor und damit die Folgefrequenz für das Öffnen (t₁) und Schließen (t₂) des Ventilanteils der Einspritzdüse bei etwa 5 Hz bis 50 Hz. Entsprechend steile Anstiegs- und Abfallflanken des Öffnens und Schließens einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse liegen bei einer Frequenz von erheblich oberhalb 1 kHz (mit entsprechender Periodendauer T) als obere Grenze des Fourierspektrums des Impulses des Öffnens und Schließens.
  • Die Anforderungen an eine erfindungsgemäße Einspritzdüse seien anhand der nachfolgenden, beispielhaften Betriebswerte für einen Mittelklasse-Personenwagen angegeben:
       Der Treibstoffdurchsatz bei Daueröffnung der Einspritzdüse (in der Ansaugphase) beträgt ca. 6 g/s pro Zylinder. Dies entspricht nahezu Voll-Lastbetrieb.
  • Der Leerlaufdurchsatz eines solchen Motors beträgt etwa 0,4 mg/s pro Zylinder. Ersichtlich ergibt sich daraus ein zu bewältigender Dynamikbereich von vier Größenordnungen.
  • Besondere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse sind dadurch gekennzeichnet, daß die an sich dem Öffnen und Schließen der (auch als Ventil ausgebildeten) Einspritzdüse dienende Ventilnadel und/oder der Öffnungsquerschnitt der Düse in Hubbewegungen zu versetzen sind. In Abhängigkeit von der elektrisch einstellbaren Hub-Periode kann der Strahlquerschnitt, d.h. die Strahlform z.B. vom Fadenstrahl bis zum Kegelstrahl mit verschiedenen Öffnungswinkeln variiert werden. Zur Verdeutlichung dient die beigefügte Figur 1, die ein Zeit/Anregungs-bzw. Öffnungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse zeigt. Die erfindungsgemäße Einspritzdüse ist aufgrund des oben erwähnten schnellen Ansprechens ihrer Teile, insbesondere bei proportionalem Antrieb, in der Lage mit ihren Hubbewegungen periodisch den mechanischen Bewegungen der elektrischen Anregung zu folgen. Die in der Figur 1 gezeigte Modulation bezieht sich auf eine Ausführungsform nach Figur 2 bzw. 3. Die Anregungsfrequenzen für diese Hubbewegung liegen optimal im Bereich von 5 KHz bis 20 KHz, also weit unterhalb von Ultraschall-Zerstäuberfrequenzen. Diese Bemessung gilt sowohl für Einspritzdüsen bzw. -ventile in Niederdrucksystemen (ca. 3bar) als auch für solche mit üblichem Durchmesser (0,3 bis 1 mm) der Düse.
  • Figur 2 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse 10 mit überlagerter, rasch wechselnder Hubbewegung der Düsennadel.
  • Figur 3 zeigt eine entsprechende Ausführungsform mit Hubbewegung des (Ventil-)Sitzes der Einspritzdüse 20.
  • Die Figuren 4 und 5 zeigen in Seiten- und in Frontansicht eine Ausführungsform 40 mit einer Vorrichtung zum Modulieren der wirksamen Einspritzöffnung.
  • Figur 6 zeigt eine piezokeramische Antriebseinrichtung.
  • Figur 7 zeigt eine magnetostriktive Antriebseinrichtung und
  • Figur 8 eine elektrodynamische Antriebseinrichtung für eine erfindungsgemäße Einspritzdüse.
  • Figur 9 zeigt eine erfindungsgemäße Einspritzdüse in kompletter Ausführung.
  • In Figur 2 ist mit 11 die Düsennadel bezeichnet, die auch als Ventilnadel wirkt. Sie befindet sich in demjenigen Düsenteil 12, das als Düsenöffnung 13 die dargestellte Bohrung besitzt. Ist die Einspritzdüse geschlossen, so verschließt das vordere Ende der Düsennadel 11 die Düsenöffnung 13. Mit 14 ist auf die steuerbare Beweglichkeit der Düsennadel 11 hingewiesen. Im geöffneten Zustand der Einspritzdüse strömt mit 15 angedeuteter Kraftstoff entlang der Düsennadel 11 und innerhalb des Düsenteils 12 zur Düsenöffnung 13, um einen die dargestellte Charakteristik 15 aufweisenden Einspritzstrahl mit Kegelform zu bilden. Diese Strahlform 15 ergibt sich dadurch, daß der in Öffnungsposition befindlichen Düsennadel 11 die mit 14 angedeutete zusätzliche wechselnde Hubbewegung überlagert ist. Mit 16 ist auf die bereits oben angesprochene (hier sogar noch verkürzt dargestellte) Wegstrecke hingewiesen, innerhalb der, ausgehend von der Düsenöffnung 13, der ausgespritzte Kegelstrahl noch keine wesentliche Zerteilung in Tröpfchen aufweist. Dies zeigt im übrigen deutlich den Unterschied zu Ultraschall-Kraftstoffzerstäubung, bei der die Tröpfchen am schwingenden Teil entstehen und von diesem ausgehen.
  • Bezüglich der Figur 3 kann weitgehend auf zur Figur 2 beschriebene Einzelheiten verwiesen werden. Zur Figur 2 bereits beschriebene Bezugszeichen haben in Figur 3 gleiche oder wenigstens sinngemäße Bedeutung. Für die Ausführungsform nach Figur 3 ist wechselnde Hubbewegung für das Düsenteil 12 mit der Düsenöffnung 13 vorgesehen. Für eine Ausführungsform nach Figur 3 ergibt sich eine Strahlform, die im wesentlichen derjenigen der Ausführungsform nach Figur 2 entspricht.
  • Die Figuren 4 und 5 zeigen eine im Bereich der Düsenöffnung 13 am Düsenteil 12 angebrachte Zusatzeinrichtung. Die Figur 5 zeigt eine zur Figur 4 gehörende stirnseitige Ansicht, d.h. eine Ansicht entgegen dem ausgespritzten Strahl. Diese zusätzliche Einrichtung 51 der eigentlichen Einspritzdüse der Figuren 4 und 5 bestehen aus z.B. vier stabförmigen Fortsetzungen 151, die jede für sich zu Hubbewegungen anzuregen sind. Diese Hubbewegungen sind mit den einzelnen Pfeilen 54 angedeutet. Diese Hubbewegungen 54 sind Biegebewegungen der Teile 151. Diese Teile 151 bilden Längsführungen für den aus der Düsenöffnung 13 austretenden Kraftstoffstrahl 45. Die zu dessen Strahlrichtung transversalen wechselnden Hubbewegungen 54 führen zur einer wie mit 55 dargestellten Strahlform.
  • Das Antriebselement 6 nach Figur 6 besteht aus einem Stapel piezoelektrisch anregbarer Scheiben 61. Diese Scheiben sind mit nicht dargestellten flächigen Elektroden versehen. Solche Stapel sind an sich prinzipiell bekannt und sie werden auch im vorliegenden Falle mit gesteuerter elektrischer Spannung gespeist. Insbesondere erfolgt Speisung mit Wechselspannung, und zwar vorzugsweise mit einer solchen mit einer derartigen Frequenz, die zu Resonanzschwingungsbewegungen der Hubbewegung 114 des Stapels bzw. des Antriebes 6 führt.
  • Die Figur 7 zeigt eine magnetostriktive Ausführungsform 7 eines Antriebes. Mit 71 ist ein zu Magnetostriktions-Bewegungen anregbarer Stab bezeichnet, der sich im Inneren einer Magnetfeldspule 72 befindet. Diese Magnetfeldspule 72 wird mit elektrischer Spannung gespeist, und zwar vorzugsweise wiederum mit einer Frequenz, die zu Resonanz mit einer Eigenschwingung des Stabes 71 führt, die zu entsprechend großer Hubamplitude der Hubbewegung 114 führt.
  • In Figur 8 ist ein Antrieb 8 mit Tauchspule 81 und Topfmagnet 82 dargestellt, wie er prinzipiell von Lautsprechern her bekannt ist. Eine solche Einrichtung führt bei entsprechender elektrischer Wechselanregung zu mechanischen Hubbewegungen 114. Es kann auch hier Resonanzanregung bewirkt werden.
  • Figur 9 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Einspritzdüse. Zu den vorangehend beschriebenen Figuren angegebene Einzelheiten haben in Figur 9 dieselbe Bedeutung.
  • Mit 91 ist ein Aktuator, beispielsweise ein Stapel aus piezoelektrischen Platten bestehend, bezeichnet. Durch Anlegen elektrischer Spannung zwischen den Anschlüssen 92 und 93 ändert dieser Aktuator seine Länge und treibt damit den Stößel 94 und die mit dem Stößel 94 verbundene Düsennadel 11 an. Der Aktuator 91 dient zum Öffnen und Schließen des Ventils durch Bewegung der Ventilnadel 11. Mit 95 ist die Zuflußöffnung der Einspritzdüse für den Kraftstoff bezeichnet.
  • Mit 96 ist zusammengenommen die Antriebseinrichtung für die erfindungsgemäß auszuführende Wechsel-Hubbewegung bezeichnet. Diese Antriebseinrichtung umfaßt bei diesem Beispiel mehrere Stapel 97 mit den elektrischen Anschlußleitungen 98 und 99. Zwischen die Anschlüsse 98 und 99 ist die Antriebs-Wechselspannung für diese Hubbewegung anzulegen. Bei (wechselnder) Längenänderung der Plattenstapel 97 infolge des piezoelektrischen Effekts ergibt sich entsprechende Längenänderung des Gehäuses 100 der Antriebseinrichtung 96. Da, wie aus der Figur ersichtlich, das äußere Gehäuse 12 der Einspritzdüse (abgedichtet) geteilt ist, führt dieses Düsenteil 12 durch das Arbeiten des Antriebs 96 die erfindungsgemäßen Wechsel-Hubbewegungen aus, und zwar gegenüber der bei diesem Beispiel in geöffentem Zustand stillstehenden Düsennadel. Dies entspricht der schon oben im Zusammenhang mit der Figur 3 beschriebenen Ausführungsvariante der Erfindung.

Claims (11)

  1. Kraftstoff-Einspritzdüse für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere zur Niederdruckeinspritzung, mit
    - einer in einem Düsenteil (12) angeordneten Düsenbohrung (13),
    - einer Düsennadel (11),
    - einem Antrieb (91) mit elektrischer Eingangsgröße (92, 93), mittels dessen die Düsennadel (11) in eine Schließ-Stellung bewegbar ist, in der sie die Düsenbohrung (13) schließt, und in eine Offen-Stellung bewegbar ist, in der sie die Düsenbohrung (13) freigibt, und
    - Mitteln (96), mit denen wenigstens einem Teil (11, 12, 51) der Einspritzdüse, das sich im Bereich der Ausbildung (15, 25, 55) des Einspritzstrahls befindet, während der Offen-Stellung der Düsennadel (11) eine Wechsel-Hubbewegung vermittelbar ist, wobei diese Mittel (96) mit einer elektrischen Eingangsgröße anregbar und konstruktiv so ausgebildet sind, daß die Periodendauer (T) für die Wechsel der Hubbewegung mehrfach kleiner ist als die vorgegebene Mindestöffnungszeit (taus - tein) der Einspritzdüse,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Mittel (96) zur Anregung der Wechsel-Hubbewegung des mindestens einen Teils (11, 12, 55) der Einspritzdüse Hubbewegungen mit einer Periodendauer (T) vermitteln, die einer Anregungsfrequenz zwischen 5 KHz und 20 KHz entsprechen, und
    - daß durch eine Steuerung der elektrischen Eingangsgröße der Mittel (96) für die Wechsel-Hubbewegung der Öffnungswinkel des Einspritzstrahls der Einspritzdüse veränderbar ist.
  2. Einspritzdüse nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß zur Anregung der Wechsel-Hubbewegung (14, 24) Wechselspannung (U ) zusätzlich zur anzulegenden elektrischen Betätigungsspannung (uein/aus) zum Öffnen der Düse anlegbar ist.
  3. Einspritzdüse nach Anspruch 1 oder 2,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die mittel zur Ausführung der Wechsel-Hubbewegung (114, 14, 24, 54) ein Resonanzsystem bilden.
  4. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die Mittel zur Anregung der Wechsel-Hubbewegung (114, 14, 24, 54) derart ausgebildet sind, daß die Düsennadel (11) diese Wechsel-Hubbewegungen (14, 24, 54, 114) ausführt. (Fig. 2)
  5. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die Mittel zur Anregung der Wechsel-Hubbewegung (114, 14, 24, 54) derart ausgebildet sind, daß ein Anteil der Düsenbohrung (12, 13) diese Wechsel-Hubbewegung ausführt. (Fig. 3)
  6. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß longitudinale Wechsel-Hubbewegung (14, 24) vorgesehen ist.
  7. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß transversale Wechsel-Hubbewegung (54) vorgesehen ist.
  8. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die Mittel zur Anregung der Wechsel-Hubbewegung eine piezoelektrische Anregungseinrichtung (6) umfassen.
  9. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die Mittel zur Anregung der Wechsel-Hubbewegung eine elektrodynamische Einrichtung (8) mit homogenem Magnetfeld umfassen.
  10. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß diese MIttel zur Anregung der Wechsel-Hubbewegung magnetostriktive Einrichtung (7) umfassen.
  11. Einspritzdüse nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß diese Mittel zur Anregung der Wechsel-Hubbewegung eine elektromagnetische Einrichtung (7, 8) umfassen.
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