DE3804237A1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung fuer einen motor - Google Patents

Kraftstoffeinspritzvorrichtung fuer einen motor

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Description

Bei einer bekannten Kraftstoffeinspritzvorrichtung für einen Motor, die entweder mechanisch oder elektronisch gesteuert wird, erfolgt das Einspritzen mittels einer Kraftstoffpumpe, um in der Kraftstoffzuführleitung einen Druck zu erzeugen, und dann wird der Kraftstoff aus einer Düse gesprüht und mit Außenluft beaufschlagt, um fein verteilte Teilchen zu erzielen. Wenn ein besse­ rer Zerstäubungsgrad des Kraftstoffes erforderlich ist, kann einzig der Kraftstoffdruck erhöht werden, um die Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes zu erhöhen; die Erhöhung des Einspritzdrucks würde jedoch zu einer Erhöhung der Herstellkosten führen. Bei den auf dem Markt befindlichen Kraftstoffeinspritzvorrichtungen, wie beispielsweise vom Ansaugschlitztyp oder Drossel­ körpertyp, liegt der Kraftstoffzuführdruck im Bereich von 1 bis 3 kg/cm2. In diesem Niederdruckbereich ist der Zerstäubungszustand des Kraftstoffes längst nicht zufriedenstellend und insbesondere bei einem Zweitakt­ motor ist es ziemlich schwierig, mit diesem niedrigen Einspritzdruck gute Bedingungen zu schaffen, da hierbei die Mischzeit zu kurz ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Kraftstoff­ einspritzvorrichtung zu schaffen, bei der die vorstehend beschriebenen Nachteile beseitigt sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die dadurch gekennzeich­ net ist, daß eine kleine Menge Druckluft verwendet wird, um das Einspritzen und Zerstäuben des Kraftstoffs zu unterstützen; das heißt, daß der flüssige Kraftstoff nicht direkt in den Motor gesprüht wird, sondern mittels Luft mit einer beträchtlich hohen Geschwindigkeit einge­ blasen wird, und somit ein Gemisch aus Luft und Kraft­ stoff ausgesprüht wird. Die Luft kann, wenn sie beim leichten Komprimieren durch einen engen Kanal geleitet wird, eine sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit erreichen und mit dieser schnellströmenden Luft kann der Kraftstoff sehr fein zerstäubt werden. Die vorliegende Erfindung kann bei einem Zweitakt- oder bei einem Viertaktmotor verwendet werden, um den Verbrennungswirkungsgrad zu erhöhen. Insbesondere wenn die vorliegende Erfindung bei einem Zweitaktmotor verwendet wird, kann der Kraft­ stoffverbrauch stark reduziert werden und die Luftver­ schmutzung entsprechend verringert werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden an­ hand der folgenden Figuren im einzelnen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung, die mit kompri­ mierter Luft unterstützt wird, in schematischer Darstellung;
Fig. 2 das Hubmagnetventil gemäß der vorliegenden Er­ findung im Schnitt;
Fig. 3 der Kraftstoff/Luft-Mischkopf gemäß der vorlie­ genden Erfindung im Schnitt;
Fig. 4 eine erste Ausführungsform der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt;
Fig. 5 eine zweite Ausführungsform der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt;
Fig. 6 eine dritte Ausführungsform der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt;
Fig. 7 ein Zweitaktmotor mit der Düse gemäß der vor­ liegenden Erfindung am Zylinder montiert, im Schnitt;
Fig. 8 ein Zweitaktmotor im Schnitt, bei dem die Düse gemäß der vorliegenden Erfindung am Zylinder­ kopf montiert ist;
Fig. 9 der Eingangsventilteil eines Viertaktmotors mit der Düse gemäß der vorliegenden Erfindung, im Schnitt; und
Fig. 10 der Gemischverteilerblock gemäß der vorliegenden Erfindung im Schnitt.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der mit Luft unter­ stützten Kraftstoffeinspritzvorrichtung gemäß der vorlie­ genden Erfindung, bestehend aus einer Kraftstoffleitung 1, einer Quelle 2 für komprimierte Luft, zwei Magnetven­ tilen 3 und 4, einem Kraftstoff/Luft-Mischkopf 5, einer Leitung 6 für zerstäubten Kraftstoff, Düsen 7 und einem elektronischen Steuerelement 8, etc. Die vorstehend ge­ nannten Teile werden im folgenden beschrieben.
In der Kraftstoffleitung 1 wird ein geeigneter Kraftstoff­ druck erzeugt, um das Steuern der Einspritzmenge (mg/Zyklus) des Kraftstoffes durch das Magnetventil 3 zu erleichtern. Der durch die Kraftstoffpumpe unter Druck gesetzte Kraftstoff strömt durch die Leitung 115, die Kraftstoffeingangsöffnung 51 des Kraftstoff/Luft- Mischkopfes 5 in die Ventilöffnung V des Magnetventils 3. Wenn die Ventilöffnung V geöffnet ist, wird der Kraft­ stoff durch die Öffnung 53 eingespritzt. Im Leerlauf strömt der Kraftstoff durch die Kraftstoffrücklauföffnung 52 des Kraftstoff/Luft-Mischkopfes 5, die Leitung 1, 2, 5 und das Druckregulierventil 12 zurück in den Kraftstoff­ tank 10. Die Kraftstoffpumpe 11 kann eine gewöhnliche Elektromotorpumpe sein, die einen Druck bis zu 1 kg/cm2 erzeugt. Das Druckregulierventil 12 ist ein gewöhnliches Zweiwegeventil zum Regeln des Druckes in der Kraftstoff­ leitung 1. Die Kraftstoffzirkulation hält ihren konstan­ ten Druck an der Ventilöffnung V 3 auf und kühlt den Kraft­ stoff ab, um eine Blasenbildung zu verhindern.
Die Quelle 2 für komprimierte Luft weist einen Luftkom­ pressor 20 auf, und die Luft strömt über die Leitung 25, die Lufteingangsöffnung 54 in die Ventilöffnung V 4 des Magnetventils 4; wenn die Ventilöffnung V 4 geöffnet ist, wird in die Luftleitung 55 ein Luftstrom mit hoher Ge­ schwindigkeit eingeblasen, um sich mit dem durch die Kraft­ stofföffnung 53 eingespritzten Kraftstoff zu vermischen; dann wird das Gemisch an der Gemischöffnung 56 herausge­ spritzt.
Der Luftkompressor 20 kann ein gewöhnlicher Kolbenver­ dichter sein, der durch den Motor oder einen Elektro­ motor angetrieben wird, um einen geeigneten Druck im Bereich von 2 bis 3 kg/cm2 aufrecht zu erhalten. Das Volumen der einzuspritzenden, komprimierten Luft hängt von dem Volumen des zu zerstäubenden Kraftstoffes ab, d.h., dem Hubraum. Wenn im allgemeinen ein Motor eine Brennstoffmenge von 10 mg/Zyklus bei seiner maximalen Ausgangslast verbraucht, wird er 1 cm3 Luft benötigen, um diese Kraftstoffmenge vollständig zu zerstäuben.
Die Funktion des Kraftstoff-Magnetventils 3 und des Luft-Magnetventils 4 dient zur genauen Steuerung des Kraftstoffvolumens jeder Motorverbrennung; die beiden vorstehend genannten Ventile können den gleichen Aufbau wie in der Fig. 2 gezeigt, aufweisen. Grundsätzlich handelt es sich um ein Magnetventil mit einer Lochdüse N mit festem Durchmesser. Wenn die Spule C gespeist wird, wird zwischen dem Kernstator E und der Armatur A ein Magnetfeld existieren, und die Armatur A wird vom Kern­ stator E angezogen. Da die Armatur A und der Flansch F 1 des Ventilstiftes P in die Baueinheit gedrückt werden, wird der Ventilstift P angezogen, um vom Ventilsitz T so lange nach oben verschoben zu werden, bis er vom runden Flansch F 2 gestoppt wird, der am Dichtungsring K anschlägt; wobei in diesem Fall der Ventilstift und der Ventilsitz T eine Ventilöffnung V mit einer vorge­ gebenen Größe erzeugen, damit der Kraftstoff oder die Luft durch die Ventilöffnung V passieren kann und an der Lochdüse N herausgespritzt werden. Wenn die Spule C nicht mehr gespeist wird, verschwindet das Magnetfeld zwischen dem Kernstator E und der Armatur A; die Feder S wird den Ventilstift P zurück auf seinen Ventilsitz T drücken, um das Ausspritzen von Kraftstoff oder Luft zu unterbrechen. Der Druck, den die Feder S auf die Armatur A ausübt, kann durch Drehen einer Schraube J reguliert werden, die in eine Gewindebohrung W 1 im Kernstator E eingeschraubt ist, um die kinetische Reaktion des Ventil­ stifes P einzustellen. Jedes Magnetventil hat ein Außen­ gehäuse H zum Aufnehmen der vorstehend genannten Teile. Das äußere Gehäuse H ist mit einem Gewindeteil W 2 ver­ sehen, so daß das äußere Gehäuse H fest in Gewindebohrun­ gen 57 oder 58 eingeschraubt werden kann, wie sie jeweils in der Fig. 3 zu sehen sind. Da der Kernstator E, die Arma­ tur A und das äußere Gehäuse H die Teile sind, die den Magnetkreis bilden, bestehen sie aus einem weichen, magne­ tischen Material mit hoher magnetischer Leitfähigkeit. Der Kernstator E und das äußere Gehäuse H sind mittels eines Gewindeteils W 3 miteinander verbunden und durch Umbiegen der Schulter U des äußeren Gehäuses A am Kern­ stator E zueinander fixiert. Der obere Teil Eh des Kern­ stators E ist sechseckig ausgebildet, um das Ein- bzw. Ausbauen der Magnetventile 3 und 4 am Kraftstoff-Luft- Mischkopf 5 zu erleichtern.
Fig. 3 zeigt den Kraftstoff/Luft-Mischkopf 5 mit zwei Gewindebohrungen 57 und 58, in denen jeweils das Kraft­ stoff-Magnetventil 3 und das Luft-Magnetventil 4 so auf­ genommen sind, daß die Lochdüsen N 3 und N 4 der Ventile 3 und 4 jeweils an die Kraftstofföffnung 53 und die Luft­ öffnung 55 angeschlossen sind. Die beiden Öffnungen 53 und 55 schneiden sich im geeigneten Winkel und führen in eine Mischöffnung 56, die sich vorzugsweise in Verlänge­ rung der Luftöffnung 55 erstreckt. In den Verbindungstei­ len zwischen den Magnetventilen 3 und 4 und dem Kraft­ stoff/Luft-Mischkopf 5 sind jeweils zwei manschetten­ förmige Räume 35 und 45 vorgesehen; der manschettenförmi­ ge Raum 35 steht mit der Kraftstoffeingangsöffnung 51 und der Kraftstoffrückführleitung 52, und der manschetten­ förmige Raum 45 mit der Lufteingangsöffnung 54 in Verbin­ dung, und somit kann der unter Druck stehende Kraftstoff und die komprimierte Luft jeweils in die manschettenför­ migen Räume 35 und 45 eingefüllt werden und durch man­ schettenförmige Filter 36 und 46 strömen, um in die Eingangsöffnungen L 3 und L 4 der jeweiligen Magnet­ ventile 3 bzw. 4 einzutreten, um dann ausgespritzt zu werden. Der Kraftstoff wird in die Kraftstofföffnung 53 früher als die Luft in die Luftöffnung 55 abgegeben, um Kraftstoff und Luft zu vermischen. Wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, wird das Gemisch aus Kraftstoff und Luft in zerstäubter Form durch die Gemischöffnung 56 über eine Leitung 60, einen Mischungsverteilerblock 65 in mehrere Zweigleitungen 67 und Düsen 7 geleitet; wobei die vor­ stehend genannten Teile 60, 65, 67 als Leitung 6 für den zerstäubten Kraftstoff bezeichnet werden. Die erste, zwei­ te und dritte Ausführungsform für die Düse 7 ist jeweils in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellt. Der Düsenkörper 7 ist in einem runden Stift mit Gewindegängen 72 an der Außenfläche ausgebildet, um in einen Zylinder oder eine Eingangsleitung eines Motors, wie in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellt, eingeschraubt werden zu können. An der Oberseite der Düse ist ein sechseckiger Teil 73 ange­ formt, um die Montage- oder Demontageoperation zu er­ leichtern; in der Mitte der Düse 7 ist eine Durchgangs­ öffnung 71 ausgebildet, die mit der Leitung 6 für den zerstäubten Kraftstoff in Verbindung steht. Das untere Ende der Düse 7 kann mit einer Mehrlochdüse 710 für einen weiteren Sprühwinkel wie in den Fig. 4 und 6 dargestellt oder mit einer Einlochdüse 711 für einen kleinen Sprüh­ winkel, wie in der Fig. 5 dargestellt, versehen sein.
Im mittleren Teil der Durchgangsöffnung 71 findet sich ein Sperrventil AR, bestehend aus einem Körper 74, einer Stahlkugel 75, einer Feder 76 und einem Basisteil 77. Der Körper 74 bildet auch den oberen Teil der Düse. Der Körper 74 ist im unteren Teil der Düse mittels Gewinde­ gängen 78 und einer Dichtung 79 montiert. Das Kraftstoff­ gas in der oberen Durchgangsöffnung 71′ würde die Stahl­ kugel 75 nach unten drücken und durch die Federkammer und die Bohrung 771 in dem Basisteil 77 passieren, um in die Durchgangsöffnung 71 zu gelangen und aus der Sprühöffnung 710 zu sprühen. Jede externe Kraft würde bewirken, daß das Ventil schließt, ohne daß ein Rückfluß stattfindet.
Die Funktion der elektronischen Steuereinrichtung 8 ist es, den Zeitablauf der Magnetventile 3 und 4 zu steuern, d.h. den Ablauf von Öffnen und Schließen und die Zeit­ spannen für dieses Öffnen und Schließen. Wenn die elek­ tronische Steuerungseinrichtung 8 das durch die Sensoren von den zahlreichen zugehörigen Teilen des Motors, wie beispielsweise die Position der Drosselplatte, die Um­ drehungszahl des Motors, und das Volumen der Eingangs­ luft etc, zurückgeführten Daten erhält, werden diese Daten in ein Impulssignal umgewandelt, um über die Schalt­ kreise 83 und 84 jeweils die beiden Ventile 3 und 4 zu speisen. Das Sprühvolumen hängt von der Breite des Impuls­ signals zur Steuerung des Magneten ab. Der Zeitpunkt des Einspritzens von zerstäubtem Kraftstoff hängt von dem Zeitpunkt ab, zu dem das Impulssignal das Magnet­ ventil speist.
Fig. 7 zeigt die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Er­ findung, wie sie in einem Zweitaktmotor verwendet wird, bei dem die Düse 7 mit einem breit sprühenden Winkel im Zylinder 90 montiert ist, um in Richtung auf den Zylinder­ kopf 91 zu sprühen. Vor dem Einsprühen des Kraftstoffes strömt aus dem Koppelgehäuse 92 über zahlreiche Spül­ öffnungen 93 ein sauberer Luftstrom in die Verbrennungs­ kammer 94, um das in die Verbrennungskammer 94 strömende Abgas auszuspülen; anders ausgedrückt, jegliches Abgas wird aus dem Zylinder mit sauberer und reiner Luft an­ statt der Verwendung des vorgemischten Gases (Kraftstoff und Luft) getrieben, wie dies bei dem herkömmlichen Motor mit einem Vergaser erfolgt. Bei dem herkömmlichen Motor wird, wie vorstehend gesagt, das vorgemischte Gas an der Auspufföffnung 95 ohne Verbrennung ausgestoßen. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Luftverschmutzung verringert werden und es kann Kraftstoff eingespart werden. Da der Kraftstoff vollständig zerstäubt wird, kann er sehr gut vermischt und mit der Luft im Zylinder verbrannt werden, wodurch die Verbrennungseffizienz stark erhöht wird. Die Düse hat eine gute Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und hohen Druck und daher besteht die Mög­ lichkeit, daß Kohlenstoff oder andere Verunreinigungen, die sich um die Lochdüse absetzen, beträchtlich vermin­ dert werden können, so daß die stabile Funktionsweise der Einspritzvorrichtung aufrecht erhalten werden kann.
Fig. 8 zeigt die Verwendung der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Zweitaktmotor; in diesem Fall ist die Düse 7 am Zylinderkopf 91 montiert, so daß das Einspritzen nicht durch die Hubbewegung des Kolbens begrenzt ist, und dadurch eine Kohlenstoffabschaltung und damit Verunreinigung der Düse, wie dies bei in der Zylinderwand montierter Düse der Fall wäre, vermieden wird; wobei jedoch die Düse 7 dem Druck und der hohen Temperatur des Zylinders während der anfänglichen Explosionsperiode ausgesetzt ist und daher eine Einloch­ düse, wie in der Fig. 6 dargestellt, verwendet wird.
Fig. 9 zeigt das System gemäß der vorliegenden Erfindung, welches außerhalb eines Viertaktmotors montiert ist, wo­ bei die Düse 7 in einer geeigneten Position an der Ein­ gangsöffnung 96 montiert ist. Da der Kraftstoff vollstän­ dig zerstäubt ist, kann der Motor einen hohen Verbren­ nungswirkungsgrad haben.
Wenn das System gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Einzylindermotor verwendet wird, kann die Zuführ­ leitung 60, wie in der Fig. 1 dargestellt, direkt mit der einzigen Düse 7 verbunden sein. Wenn die Vorrich­ tung gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Mehr­ zylindermotor verwendet wird, wird die Zuführleitung 60 zuerst mit einem Gemischverteilerkopf 65 verbunden und es sind jeweils mehrere Zweigleitungen 67 und Düsen vorgesehen.
Fig. 10 zeigt den Gemischverteilerkopf 65 im Schnitt, wobei der Innendurchmesser des Gemischeinlaßrohres 651 der gleiche wie der Innendurchmesser der Zuführleitung 60 ist. Das innenliegende Ende 652 des Gemischeinleitungs­ rohres 651 ist mit einer kugelförmigen Oberfläche ver­ sehen. Die jeweils mit der Zweigleitung 67 verbundenen Ausgangsrohre 653 sind vom innenliegenden Ende 652 mit regelmäßigen Winkelabständen zueinander ausgehend, mon­ tiert. Die Summe der innenliegenden Querschnittsflächen der Ausgangsrohre 653 sollte gleich dem Querschnitt des Gemischeinführungsrohres 651 sein; die Innendurchmesser von Düse 7 und der zugehörigen, verbundenen Zweigleitung 67 sind ebenfalls einander gleich, um das Gemisch auf einem stabilen Druck zu halten, um zu verhindern, daß das Gemisch zu größeren Teilchen kondensiert.
Die Einspritzvorrichtung zum Erzeugen eines Gemisches aus komprimierter Luft und Kraftstoff gemäß der vorlie­ genden Erfindung kann entweder bei einem Zweitaktmotor oder einem Viertaktmotor verwendet werden, um den Ver­ brennungswirkungsgrad zu erhöhen, den Kraftstoffverbrauch abzusenken und die Luftverschmutzung zu verringern, und hat daher einen großen praktischen Nutzen.

Claims (5)

1. Mit komprimierter Niederdruckluft unterstützte Kraftstoffeinspritzvorrichtung, gekennzeich­ net durch:
Eine Quelle für komprimierte Luft mit einem kleinen Kom­ pressor, der mechanisch oder elektronisch angetrieben wird, um komprimierte Luft mit einem geeigneten Druck zu erzeugen;
einen Kraftstoff-Umlaufkreis mit einer elektrischen Kraft­ stoffpumpe und einem druckregulierenden Ventil zum Erzeu­ gen eines stabilen Druckes im Kreis;
ein Kraftstoff-Magnetventil (3) und ein Luft-Magnetven­ til (4), die mit der Kraftstoffleitung verbunden sind, wobei die Quelle (20) für komprimierte Luft dazu verwendet wird, den Kraftstoff und die komprimierte Luft aus der Lochdüse des jeweiligen Ventils (3 oder 4) mit jeweils adequater Menge und zum passenden Zeitpunkt in Über­ einstimmung mit dem, von einer elektronischen Steuerungs­ einheit erzeugten Befehl, auszustoßen, wobei die beiden Magnetventile (3, 4) fest in einem Kraftstoff/Luft-Misch­ kopf (5) befestigt sind, der eine Luftöffnung (55) und eine Kraftstofföffnung (53) aufweist, um die ausgestoße­ ne Luft mit dem ausgestoßenen Kraftstoff in einer Misch­ öffnung (56) zu mischen, wobei das Gemisch dann durch eine Leitung (60) für zerstäubten Kraftstoff in die Düse(n) (7) strömt, die an einer geeigneten Position im Motor angeordnet ist (sind), und schließlich auf ge­ wünschte Art und Weise eingespritzt wird, um im Motor verbrannt zu werden.
2. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstofföffnung (53) und die Luftöffnung (55) sich im Mischkopf (5) mit vorbestimmtem Winkel schneiden; und daß nach dem Öffnen des Magnetventils (3) zum Einspritzen von Kraftstoff in die Öffnung (53) das Magnetventil (4) öffnet, um kompri­ mierte Luft mit hoher Geschwindigkeit einzuspritzen, um den Kraftstoff durch die Mischöffnung (56) zu treiben und dabei zu zerstäuben.
3. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (7) an einem Motor mit Zylindereinspritzung montiert ist, und daß das vordere Ende der Düse mit einer Anzahl Sprühöffnungen (710) versehen ist, die entsprechend der gewünschten Sprühbedingungen angeordnet sind.
4. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (7) mit einem Sperrventil (AR) in ihrer Düsenbohrung (71) versehen ist, bestehend aus einer Stahlkugel (75) und einer Feder (76), um das Ventil normalerweise zu schließen, wobei das Ventil (AR) durch das Kraftstoffgas geöffnet wird und jeglicher externe, zurückwirkende Druck das Ventil schließt.
5. Einspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (60) für den zerstäubten Kraftstoff einen Gemisch-Verteilkopf (65) aufweist, um den zerstäubten Kraftstoff gleichmäßig auf zahlreiche Zylinder zu verteilen, wobei der Verteilkopf (65) ein Eingangsrohr (651) aufweist, das mit der Gemisch­ leitung (60) des Kraftstoff/Luft-Mischkopfes (5) ver­ bunden ist und mehrere Ausgangsrohre (653) hat, die je­ weils mit Düsen (7) verbunden sind, wobei die Ausgangs­ rohre (653) am innenliegenden Ende (652) des Eingangs­ rohres (651) jeweils mit gleichem Winkelabstand zur Achse des Eingangsrohres angeordnet sind, und der Querschnitt der Leitung (60) für den zerstäubten Kraftstoff gleich der Summe aller Querschnitte der Ausgangsrohre (653) bzw. Ausgangsleitungen (67) zu den jeweiligen Düsen (7) ist, um den geeigneten Druck des Gemisches aufrecht zu erhalten.
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