DE2901732A1

DE2901732A1 - Niederdruck-brennstoffeinspritzsystem

Info

Publication number: DE2901732A1
Application number: DE19792901732
Authority: DE
Inventors: Michael William Clark; Barrie James Martin
Original assignee: Plessey Handel und Investments AG
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 1978-01-17
Filing date: 1979-01-17
Publication date: 1979-07-19
Also published as: IT1110701B; GB2012357B; IT7919332A0; FR2414642A1; JPS54109515A; US4345717A; FR2414642B1; GB2012357A

Description

Patentanwälte

Dipl -Ing Dipl.-Chem Dipl -Incj

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Emsbfirgerstrasse 19

8 München 60

15. Januar 1979

PLESSEY HANDEL UKD IHTESOJMEIiTS AG

Gartenatraße 2

6300 ZUG / Schweiz

Unser Zeichen: P 2584

Niederdruck-Brennstoffeinsprxtzsystem

Die Erfindung betrifft ein Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine.

Hochdruck-Brennstoffeinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen sind allgemein bekannt. Ein solches Hochdruck-Brennstoffeinspritzsystem, das derzeit von der Plessey Company Limited hergestellt wird, umfaßt eine Einspritzdüse mit einem Körper, mit einem Brennstoffkanal in dem Körper, mit einer Austrittsöffnung, mit einem Absperrelement, das durch den Brennstoffdruck in dem Brennstoffdurchgang zum Verschluß der Austrittsöffnung auf deren stromaufwärtigen Seite veranlaßt

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wird, mit einer Vibrationseinrichtung zur Herbeiführung einer Vibration der Einspritzdüse zur Bewegung des Absperrelementes weg von der Austrittsöffnung, damit Brennstoff durch die Austrittsöffnung hindurchtreten kann, und mit einem Gehäuse, das um das Absperrelement herum angeordnet ist und eine rückwärtige Wand hat, die die Rückwärtsbewegung des Absperrelementes begrenzt, wenn die Einspritzdüse vibriert. Diese spezielle Einspritzdüse wird nach umfassenden Forschungsarbeiten hergestellt und arbeitet vorzugsweise bei einem Druck zwischen 269 kPa (39 psi) und 690 kPa (100 psi) wobei der optimale Betriebsdruck bei etwa 448 kPa (65 psi) liegt.

Bei dem zuvor erläuterten Hockdruck-Brennstoffeinspritzsystem ist augenscheinlich, daß eine Hochdruck-Brennstoffpumpe erforderlich ist, um Brennstoff in die Einspritzdüse zu pumpen. In der Automobilindustrie ist man gegenwärtig bemüht, den Betriebsdruck von Brennstoffeinspritzsystemen auf eine geringe Höhe zu senken, beispielsweise auf etwa 90 kPa (13 psi), damit Niederdruck-Brennstoffpumpen verwendet werden können und eine Kostenersparnis möglich ist, weil Niederdruck-Brennstoffpumpen preiswerter hergestellt werden können als Hochdruck-Brennstoff pumpen .

Das zuvor erörterte Hochdruck-Brennstoffeinspritzsystem arbeitet derart, daß bei einer Verringerung des Brennstoffdrucks auch die Steife des auf das Absperrelement einwirkenden Brennstoffs an der Spitze der Einspritzdüse verringert wird. Somit wird auch die durch den statischen Brennstoffdruck auf das Absperrlement ausgeübte Schließbelastung verringert. Daraus resultiert eine Herabsetzung der Schließgeschwindigkeit des Absperrlementes am Ende eines elektrischen Impulses, der die Vibration verursacht. Wenn daher das Hochdruck-Brennstoff einspritzsystem mit einem niedrigen Druck, beispielsweise von etwa 90 kPa (13 psi) betrieben wird, ar-

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beitet die Einspritzdüse sehr unregelmäßig. Der Grund dafür besteht darin, daß die Frequenz des Absperrlementes, welches in dem Gehäusehohlraum vibriert, sehr stark reduziert und auch in geringerem Maße gesteuert wird» Tatsächlich hat die beim Hochdruck-Einspritzsystem verwendete Brennstoffdüse die Eigenschaft, daß sie bei Brennstoffdrücken nahe Null nicht arbeitet.

Bei dem zuvor erwähnten Hochdruck-Brennstoffeinspritzsystem ist das Kraftgleichgewicht an dem Absperrelement so, daß die anfänglich auf das Absperrelement aufgebrachte Öffnungskraft durch die Ultraschallvibrationen des Sitzes aufgebracht wird, dem das Absperrelement anliegt, wobei dieser Sitz das Absperrelement von sich weg bewegt. Wenn das Absperrelement erst von seinem Sitz abgehoben ist und Brennstoff zwischen dem Absperrsitζ und dem Absperrelement hindurchströmt, wird eine günstige Druckdifferenz erzeugt, die das Absperrelement weiter vom Sitz abhebt, wodurch sich die Durchsatzmenge erhöht. Wenn das Absperrelement sich der Rückwand des Gehäuses nähert, wird es durch den statischen Brennstoffdruck belastet, der zusammen mit dem Rückprall des Absperrelementes von der rückwärtigen Gehäusefläche die Rückführung des Absperrelementes auf seinen Sitz unterstützt. Wach dem Auftreffen auf dem Sitz wird das Absperrelement durch den Brennstoffdruck auf dem Sitz festgehalten, sofern keine Vibrationen auftreten. Wenn der Sitz noch vibriert, führt das Absperrelement einen weiteren Bewegungszyklus aus. Wenn der erforderliche hohe Brennstoffdruck nicht vorhanden ist, nähert sich das Absperrelement dem Sitz nich so schnell, daß der Brennstoffdruck ausreicht, um es sicher auf dem Sitz festzuhalten, wenn dort keine Vibrationen auftreten.

Damit das Absperrelement von einer Schwingung zur nächsten genau und wiederholt dosiert, ist es wesentlich, daß die Frequenz, mit der es vibriert und auch seine Bewegung inner-

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halb des Kugelhohlraums vorherbestimmbar ist.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystems für eine Brennkraftmaschine.

Die Erfindung schafft demgemäß ein Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, das eine Einspritzdüse umfaßt, die einen Körper mit einem darin ausgebildeten Brennstoffdurchgang, eine Austrittsöffnung, ein Absperrelement, eine das Absperrelement auf der stromabwärtsliegenden Seite dicht an die Austrittsöffnung andrückende Feder und eine Vibrationseinrichtung zur Vibration der Einspritzdüse aufweist, durch die das Absperrelement von der Austrittsöffnung weg bewegt wird, damit der Brennstoff durch die Austrittsöffnung hindurchtreten kann.

Das erfindungsgemäße Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem kann bei geringen Drücken, beispielsweise von 269 kPa (39 psi) bis nahezu O kPa arbeiten. Bei diesem Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem arbeitet das Absperrelement unter Wirkung von Kräften, die sich von den Kräften vollständig unterscheiden, die im Hochdruck-Brennstoffeinspritzsystem auf das Absperrelement wirken. Beim Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem wirken auf das Absperrelement zunächst die Kräfte, die durch die Vorspannung der Feder ausgeübt werden, welche das Absperrelement gegen den statischen Brennstoffdruck fest auf seinem Sitz hält. Wenn die Einspritzdüse vibriert, stoßen die auf das Absperrelement auftreffenden Sitzvibrationen diese gegen den Druck der Feder von dem Sitz weg. Sobald dies eingetreten ist, verringert sich der Druckabfall über das Absperrelement allmählich, wenn dieses sich von dem Sitz weg bewegt. Wenn diese Kraft geringer wird, erhöht sich jedoch die kinetische Energie des aus der Austrittsöffnung ausgetragenen

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BrennstoffStrahls, durch die eine weitere Erhöhung der Kraft bis zu einem Punkt eintritt, an dem die Federkompressionskraft die kinetische Energie des Strahls ausgleicht« Aufgrund der Dynamik des Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystems stellt sich eine Überflußsituation ein, bei der die kinetische Energie des Absperrelements und des Brennstoffstrahls das Absperrelement über den Ausgleichspunkt hinausträgt, so daß die Federbelastung über die kinetische Energie des Brennstoffs hinaus erhöht wird. Die Feder setzt sich dann selbst durch, kehrt die Bewegung des Absperrelementes um und führt diese zu dem zugehörigen Sitz zurück«, Das Absperr element und die es bewegende Feder haben dabei eine ausreichende Energie, um das Absperrelement durch den Brennstoffstrahl zu bewegen, bis es wieder an seinem Sitz anliegt. Wenn der Sitz noch vibriert, wird das Äbsperrelement erneut von ihm abgestoßen und führt dann einen neuen Bewegungszyklus aus» Wenn die Vibrationen jedoch aufgehört haben, verbleibt das Absperrelement auf seinem Sitz und wird durch die statische Federvorspannung in dieser Lage festgehalten.

Die Feder ist vorzugsweise innerhalb der Injektorspitze befestigt.

Das Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem umfaßt vorzugsweise eine Führungseinrichtung zur Rückführung des Absperrelements in seine Lage gegen die Austrittsöffnung. Die Führungseinrichtung kann als ein Fortsatz des Injektorkörpers hinter der Austrittsöffnung ausgebildet sein. Alternativ kann die Führungseinrichtung auch am Äbsperrelement ausgebildet sein.

In dem erfindungsgemäß gestalteten Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem sollte das Äbsperrelement so gestaltet sein, daß seine Vibrationsfrequens hoch genug ist, damit wenigstens eine Anzahl von Zyklen während der mindestens zu erwartenden Schwingungen für den Injektor nutzbar gemacht wer-

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den. Diese Frequenz ist eine Funktion der Federmasse, der Absperrelementenmasse, der Federsteifigkeit und der Brennstoff strahlwirkung. Nach der Frequenz-Basisgleichung für das einfache Federsystem ist die Frequenz gleich

Mb + ^ Ms , wobei S die Federsteifigkeit, Mb die Ab-

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sperrelementenmasse und Ms die Federmasse bedeuten.

Nach der einfachen Gleichung für die Wirkung des Brennstoffstrahls auf das Absperrelement ist die Kraft des Brennstoffstrahls gleich fQO, wobei f die Brennstoffdichte, Q die volumetrische Strömungsmenge und U die Strahlgeschwindigkeit ist. Diese Kraft ist naturgemäß modifiziert, da der Brennstoff strahl bei seinem Durchgang durch die Austrittsöffnung sich kontinuierlich auflöst und auseinandergeht.

Das Absperrelement hat vorzugsweise eine Masse von 0,01 g bis 0,25 g und einen äquivalenten Volumendurchmesser von 2 mm bis 4 mm, wobei in diesem Fall die Feder vorzugsweise eine Steifigkeit von 20 g/mm für eine Absperrelementmasse von 0,01 g bis zu einer Federsteifigkeit von 240 g/mm für eine Absperrelementmasse von 0,25 g beträgt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsformen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Hochdruck-Brennstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Spitze der in Fig. 1 dargestellten Einspritzdüse,

Fig. 3 ein erfindungsgemäß gestaltetes Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine,

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Fig. 4 eine vergrößerte Einzelheit der Spitze der in Fig. 3 dargestellten Einspritzdüse,

Fig. 5 eine Stirnansicht der in Fig. 4 dargestellten Einspritzdüsen-Spitze und

Fig. 6 eine Schnittdarstellung einer modifizierten Einspritzdüse.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Brennstoffeinspritzsystem für eine (nicht dargestellte) Brennkraftmaschine. Das Brennstoffeinspritzsystem 2 umfaßt eine Einspritzdüse 4 mit einem Körper 6, einem in dem Körper 6 ausgebildeten Brennstoffdurchgang 8, einerAustrittsöffnung 10, einem Kugelabsperrelement 12, welches durch den Brennstoffdruck in dem Brennstof fdurchgang 8 die Austrittsöffnung 10 auf der stromaufwärtigen Seite schließt, ferner mit einer Vibrationseinrichtung in Form eines piezoelektrischen Kristalls 14, durch die der Einspritzdüse 4 eine Vibration mitgeteilt wird, um das Element 12 weg von der Auslaßöffnung 10 zu bewegen, damit Brennstoff durch die Austrittsöffnung 10 hindurchtreten kann, und mit einem Gehäuse 16, das um das Element 12 herum angeordnet ist und eine Rückwand 18 aufweist, die die Rückwärtsbewegung des Elementes wirksam begrenzt, wenn die Einspritzdüse 4 vibriert wird.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, steht die Einspritzdüse 4 durch eine öffnung 20 in ein Ansaugrohr 22 vor, das zu der Brennkraftmaschine führt» Das Ansaugrohr 22 ist mit einer Drosselklappe 24 versehen, die um einen Drehzapfen schwenkbar ist.

Die Düse 4 wird mit Hilfe eines elektrischen Stromes in Vibration versetzt, welcher durch eine Leitung 28 dem piezoelektrischen Kristall 14 zugeführt wird, wobei die Leitung an

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dem piezoelektrischen Kristall 14 bei 30 angelötet oder anderweitig befestigt ist. Brennstoff wird dem Brennstoffdurchgang 8 durch ein Brennstoff-Einführungsrohr 32 zugeführt, so daß bei Vibration der Düse 4 ein zerstäubter Brennstoffstrahl in den Kanal 34 der Ansaugleitung eingepritzt wird. Der durch den Brennstoffdurchgang 8 gelangende Brennstoff tritt im einzelnen in die Innenseite des Gehäuses 16 durch eine Vielzahl radialer Wirbelschlitze 36 ein, die in dem Gehäuse 16 ausgebildet und am besten in Fig. 2 erkennbar sind. Wenn die Einspritzdüse 4 in Vibration versetzt wird, wird auch eine Vibration des Absperrorgansitzes 38 bewirkt, wobei dieser vorzugsweise so angeordnet ist, daß er in einem Schwingungsbauch sitzt. Durch den vibrierenden Absperrorgansitz 38 wird das Element 12 von der öffnung 10 weggestoßen, so daß dann in dem Gehäuse 16 befindlicher Brennstoff zwischen das Kugelabsperrelement 12 und den Sitz 38 gelangen kann und dann die Rückwärtsbewegung des Elementes 12 unterstützt. An seiner Bewegungsgrenze stößt das Element 12 auf die rückwärtige Fläche 40 der Wand 18, die dem Element 12 eine Kraft in umgekehrter Richtung mitteilt. Jeglich Tendenz des Elementes 12 im Hinblick auf ein Verbleiben an der rückwärtigen Fläche 40 wird zusätzlich durch eine Öffnung 42 verringert, die den Eintritt von Brennstoff in das Gehäuse 16 an dem Punkt ermöglicht, an dem das Element 12 möglicherweise an der Wand verbleiben könnte, wodurch das Wegdrücken des Elementes von der rückwärtigen Fläche 40 zusätzlich unterstützt wird. Das Element 12 kehrt somit zu seinem Sitz zurück, verbleibt in seiner Lage und schließt die Austrittsöffnung 10, wenn der Sitz 38 nicht vibriert wird. Wenn der Absperrsitz 38 noch vibriert wird, führt das Element 12 einen weiteren öffnungszyklus aus.

Damit die Erreichung einer guten Vibration der Einspritzdüse 4 unterstützt wird und der Verlust an Vibrationsenergie an das Ansaugrohr 22 auf ein Minimum beschränkt wird, ist, wie

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die Fig. 1 erkennen läßt, der Körper 6 der Einspritzdüse mit einem auswärts abstehenden Flansch 44 versehen, der einem O-Ring aus Gummi anliegt. Wenn die Einspritzdüse in einer Abdeckung 48 untergebracht ist, isoliert der O-Ring 46 die Einspritzdüse 4 im wesentlichen von der Abdeckung und daher auch von dem Ansaugrohr 22, wodurch ein minimaler Verlust an Vibrationsenergie an das Ansaugrohr 22 erreicht wird.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen ein Brennstoffeinspritzsystem, welches sich von dem vorangehend beschriebenen Brennstoffeinspritzsystem dadurch unterscheidet, daß es ein Niederdruck-Brennstoff einspr it zsystem ist und das Kugelabsperrelement 12 nun stromabwärts der Austrittsöffnung 10 angeordnet ist. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen sind gleiche Teile mit gleichen Bezugsζ eichen gekennzeichnet, wobei von einer erneuten Beschreibung ihres Aufbaus und ihrer Wirkungsweise abgesehen wird«

Wie die Fig. 3, 4 und 5 zeigen, ist das Element 12 stromabwärts der Austrittsöffnung 10 angeordnet. Das Element ist durch eine Feder 50 in dieser Position gehalten, wobei ein Endabschnitt 52 der Feder dem Element 12 anliegt oder an dem Kugelabsperrelement festgelegt sein kann. Der andere Endabschnitt 54 der Feder 50 ist durch Muttern 56, 58 an einem Gewindebolzen 60 befestigt, welcher zur Einstellung der Federvorspannung in das Ansaugrohr 22 hinein- und aus dem Ansaugrohr 22 herausgeschraubt werden kann.

Wie am deutlichsten die Fig. 5 erkennen läßt, ist das Element 12 durch Führungen bzw. Ansätze 62 an der Einspritzdüsenspitze zu der Austrittsöffnung 10 hin und von dieser weg geführt. Diese Führungen 62 formen Schlitze 64, aus denen der Brennstoff, der durch die Austrittsöffnung 10 gelangt ist, austreten kann.

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In Fig. 6 ist eine modifizierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einspritzdüse 4 dargestellt. Bei der in Fig. dargestellten Einspritzdüse sind Teile, die mit Teilen der in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsformen übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei ihr Aufbau und ihre Betriebsweise nicht noch einmal beschrieben werden.

Bei der Ausführungsform in Fig. 6 ist die Feder 50 eine Schraubenfeder, deren von dem Kugelabsperrelement 12 entferntliegendes Ende einer in der Einspritzdüsenspitze 68 ausgebildeten Schulter 66 anliegt. Die Fig. 6 läßt erkennen, daß die Feder 50 in einer Aussparung 70 untergebracht ist, die"in der Einspritzdüsenspitze 68 ausgebildet ist.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform wirkt der gekrümmte Teil 72 der Einspritzdüse 4 auch mit dem O-Ring 46 zusammen, wobei ein Federsicherungsglied 74 den gekrümmten Teil 72 gegen den O-Ring 46 festhält. In Fig. 6 ist auch eine Erdungsleitung 76 dargestellt.

Es versteht sich, daß die vorangehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß der Fig. 3 bis 6 abgewandelt werden können. So können beispielsweise andere Arten von Federn 50 verwendet werden. Falls erwünscht, kann auch eine andere Art einer Einstelleinrichtung für die Federvorspannung verwendet werden als der in Fig. 3 dargestellte einstellbare Bolzen 60. Weiterhin könnte die in Fig. 6 dargestellte Schraubenfeder auch um die Außenseite der Einspritzdüsenspitze 68 positioniert und auch um die Außenseite der in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Einspritzdüse 4 angeordnet werden, wobei dann die Führungen 62 entfallen könnten.

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Claims

Patenten walte

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15. Januar 1979

PLESSEY HANDEL UND INVESTMENTS AG

Gartenstraße 2

ZUG / Schweiz

Unser Zeichen: P 2384

Ansprüche :

ί1. Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, das eine Einspritzdüse mit einem Körper umfaßt, in dem ein Brennstoffdurchgang ausgebildet ist, die ferner eine Austrittsöffnung und ein Absperrelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrelement zum Verschluß der Austrittsöffnung auf deren stromabwärtsliegender Seite angeordnet und durch eine Feder in ihre Schließstellung belastet ist und daß die Einspritzdüse durch eine Vibrationseinrichtung in Vibrationen versetzbar ist, durch die das Absperrelement von der Austrittsöffnung weg bewegt wird, damit Brennstoff durch die Austrittsöffnung hindurchtreten kann.

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2. Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystera nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Feder auf der Innenseite der Einspritzdüsenspitze befestigt ist.
3. Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Führungseinrichtung zur Rückführung des Absperrelementes in seine Position gegen die Austrittsöffnung.
4. Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrelement eine Masse von 0,01 g bis 0,25 g und einen äquivalenten Volumendurchmesser von 2 mm bis 4 mm hat.
5. Niederdruck-Brennstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Feder eine Steifigkeit von 20 g/mm für eine Absperrorganmasse von 0,01 g bis zu einer Federsteifigkeit von 240 g/mm für eine Absperrorganmasse von 0,25 g hat.

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