ITTO981015A1 - FUEL INJECTOR DEVICE FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES AND RELATED INJECTION METHOD. - Google Patents
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Description
RIASSUNTO SUMMARY
Un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna, del tipo atto a iniettare carburante proveniente a una prima pressione da un serbatoio, in una fase gassosa comprendente aria, che viene trasportata in condotti di adduzione dell’ aria alle camere di combustione. Secondo l'invenzione si ha che comprende mezzi di spruzzo di microgetti di liquido (14;45), associati ai condotti di adduzione dell aria (2;7), detti mezzi di spruzzo di microgetti di liquido (14;45) comprendendo almeno una microcamera di pressione (21) per ricevere il carburante, un microugello (23) e mezzi per applicare una seconda pressione (24) al carburante contenuto nella microcamera di pressione (21 ). A fuel injector device for internal combustion engines, of the type designed to inject fuel coming at a first pressure from a tank, in a gaseous phase including air, which is transported in the air supply ducts to the combustion chambers. According to the invention, it comprises means for spraying microjets of liquid (14; 45), associated with the air supply ducts (2; 7), said means for spraying microjets of liquid (14; 45) comprising at least one micro pressure chamber (21) for receiving the fuel, a micro nozzle (23) and means for applying a second pressure (24) to the fuel contained in the micro pressure chamber (21).
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna, del tipo atto a iniettare carburante proveniente a una prima pressione da un serbatoio, in una fase gassosa comprendente aria, che viene trasportata in condotti di adduzione dell aria alle camere di combustione. The present invention refers to a fuel injector device for internal combustion engines, of the type suitable for injecting fuel coming at a first pressure from a tank, in a gaseous phase comprising air, which is transported in the air supply ducts to the chambers. combustion.
I motori endotermici alternativi con accensione a scintilla, nei quali sono compresi anche i motori turbo-compressi, sono alimentati realizzando una miscela aria-carburante a monte della camera di combustione. Detta miscela aria-carburante viene usualmente formata prelevando il carburante dal serbatoio tramite una opportuna elettropompa e adducendolo ad un elettroiniettore. Detto elettro ini etto re inietta il carburante polverizzandolo all’intemo del condotto d’aspirazione, nel quale fluisce l’aria. Attraverso il condotto di aspirazione la miscela ari a- carburante è quindi addotta alla camera di combustione. Detto metodo di iniezione è detto Single Point Injection (SPI), mentre è anche noto il metodo di iniezione Multi Point Injection (MPI), che è dotato di un elettroiniettore per ciascun cilindro, posizionato in prossimità dell’ingresso di detto cilindro. Reciprocating endothermic engines with spark ignition, which also include turbocharged engines, are powered by creating an air-fuel mixture upstream of the combustion chamber. Said air-fuel mixture is usually formed by taking the fuel from the tank by means of a suitable electric pump and feeding it to an electro-injector. Said electro-injection injects the fuel pulverizing it inside the intake duct, in which the air flows. The air-fuel mixture is then conveyed to the combustion chamber via the intake duct. Said injection method is called Single Point Injection (SPI), while the Multi Point Injection (MPI) injection method is also known, which is equipped with an electro-injector for each cylinder, positioned near the inlet of said cylinder.
I metodi di iniezione SPI e MPI fanno uso di elettro ini etto ri ad attuazione elettromagnetica, i quali consistono di uno spillo scorrevole in un corpo nel quale fluisce il carburante. Lo spillo reca nella parte estremale un otturatore, il cui spostamento consente o meno la fuoriuscita del carburante in pressione da un ugello di uscita. L’attuazione è elettromagnetica, sicché lo spillo reca nella sua parte mediana un’ancora magnetica, mentre nel corpo dell’iniettore è disposto un opportuno solenoide per azionare magneticamente lo spillo, secondo il noto schema proprio delle elettrovalvole. Gli iniettori elettromagnetici realizzano portate fra i 200 e i 750 cm<3>/min, ottenendo delle gocce di dimensione superiore ai 50 μ. La frequenza d’iniezione varia fra i 100 e i 200 Hz, risultando in un tempo di iniezione fra 1,7 e 2,5 ms. The SPI and MPI injection methods make use of electromagnetically actuated electro injectors, which consist of a needle sliding in a body into which the fuel flows. The pin has a shutter in the extremal part, the movement of which allows or not the escape of the fuel under pressure from an outlet nozzle. The actuation is electromagnetic, so that the pin bears a magnetic anchor in its median part, while a suitable solenoid is arranged in the injector body to magnetically actuate the pin, according to the well-known scheme of the solenoid valves. The electromagnetic injectors achieve flow rates between 200 and 750 cm <3> / min, obtaining droplets larger than 50 μ. The injection frequency varies between 100 and 200 Hz, resulting in an injection time between 1.7 and 2.5 ms.
Un inconveniente principale di tali iniettori consiste nell’insufficiente nebulizzazione delle gocce di carburante che si ottiene al momento della formazione della miscela ariacarburante, in quanto tanto più piccole sono le gocce di carburante, tanto migliore risulta la miscela aria-carburante ai fini della combustione. Inoltre, data la bassa frequenza di funzionamento e la portata di detti elettroiniettori, è difficile effettuare una regolazione accurata del rapporto aria-carburante. A main drawback of these injectors is the insufficient atomization of the fuel drops which is obtained at the time of the formation of the air-fuel mixture, since the smaller the fuel drops, the better the air-fuel mixture for combustion. Moreover, given the low operating frequency and the flow rate of said electro-injectors, it is difficult to accurately adjust the air-fuel ratio.
Un altro inconveniente risiede nel fatto che gli elettroiniettori richiedono inoltre che il carburante sia mantenuto ad una pressione elevata, sicché sono richiesti una pompa carburante e un dimensionamento del circuito idraulico adeguati ad una pressione di alcuni bar, con conseguente aggravio dei costi. Another drawback resides in the fact that the electro-injectors also require that the fuel be kept at a high pressure, so that a fuel pump and a sizing of the hydraulic circuit suitable for a pressure of a few bars are required, with a consequent increase in costs.
Un’ulteriore inconveniente risiede nell’ingombro degli attuali elettroiniettori, fra i 50 e 70 mm di lunghezza e nel peso, fra i 50 e 150 g, che richiedono particolari accorgimenti per il posizionamento all’interno del sistema di alimentazione del motore. A further drawback lies in the overall dimensions of the current electro-injectors, between 50 and 70 mm in length and in the weight, between 50 and 150 g, which require special precautions for positioning within the engine power system.
La presente invenzione si propone di risolvere gli inconvenienti sopra citati e di indicare un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna di realizzazione migliorata e più efficiente rispetto alle soluzioni note. The present invention aims to solve the aforementioned drawbacks and to indicate a fuel injector device for internal combustion engines of improved construction and more efficient than known solutions.
In tale ambito, scopo principale della presente invenzione è quello di indicare un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna e/o un metodo di iniezione di carburante in motori a combustione interna, che permettano di ottenere la micronizzazione del carburante all’atto della formazione della miscela aria-carburante di alimentazione. In this context, the main purpose of the present invention is to indicate a fuel injector device for internal combustion engines and / or a method of fuel injection in internal combustion engines, which allow to obtain the micronization of the fuel at the time of formation of the supply air-fuel mixture.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna che permetta di regolare con precisione il rapporto aria-carburante nella miscela di alimentazione. A further object of the present invention is to indicate a fuel injector device for internal combustion engines which allows to precisely adjust the air-fuel ratio in the feed mixture.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna che permetta di applicare al carburante una pressione inferiore a quella applicata nei sistemi noti. A further object of the present invention is to indicate a fuel injector device for internal combustion engines which allows to apply to the fuel a pressure lower than that applied in known systems.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di indicare un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna di ingombro e peso contenuti, in modo da permettere un più razionale posizionamento dei punti di iniezione del carburante lungo il percorso dell’aria fino alla camera di combustione. A further object of the present invention is to indicate a fuel injector device for internal combustion engines of limited size and weight, so as to allow a more rational positioning of the fuel injection points along the path of the air up to the chamber. combustion.
Per raggiungere tali scopi, formano oggetto della presente invenzione un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna incorporanti le caratteristiche delle rivendicazioni allegate che fanno parte integrante della presente descrizione. To achieve these purposes, the subject of the present invention is a fuel injector device for internal combustion engines incorporating the characteristics of the attached claims which form an integral part of the present description.
Ulteriori scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue e dai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio esplicativo e non limitativo, in cui: Further objects, characteristics and advantages of the present invention will become clear from the following detailed description and from the attached drawings, provided purely by way of non-limiting example, in which:
- la figura 1 rappresenta uno schema di principio di un sistema di iniezione di carburante per motori a combustione interna secondo l’invenzione, - Figure 1 represents a principle diagram of a fuel injection system for internal combustion engines according to the invention,
- la figura 2 rappresenta uno schema di principio di un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna secondo l’invenzione; - Figure 2 represents a principle diagram of a fuel injector device for internal combustion engines according to the invention;
- la figura 3 rappresenta uno schema di principio di un dettaglio del sistema di iniezione di carburante per motori a combustione interna di figura 1; Figure 3 represents a basic diagram of a detail of the fuel injection system for internal combustion engines of Figure 1;
- la figura 4 rappresenta uno schema di principio di un secondo dettaglio del sistema di iniezione di carburante per motori a combustione interna di figura 1. Figure 4 represents a schematic diagram of a second detail of the fuel injection system for internal combustion engines of Figure 1.
- la figura 5 rappresenta uno schema di principio di una variante al sistema di iniezione di carburante per motori a combustione interna di figura 1. Figure 5 represents a schematic diagram of a variant of the fuel injection system for internal combustion engines of Figure 1.
- la figura 6 rappresenta una vista prospettica schematica di un dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna secondo l’invenzione in una variante di montaggio. - Figure 6 represents a schematic perspective view of a fuel injector device for internal combustion engines according to the invention in an assembly variant.
In figura 1 è rappresentato uno schema di principio di un sistema di iniezione di carburante 1 secondo l’invenzione. E’ perciò rappresentato un collettore d’aspirazione 2, adducente l’aria necessaria alla miscela di combustione dalle prese d’aria dell’autoveicolo qui non rappresentate. Sul collettore d’aspirazione 2 è interposto un filtro dell’aria 3, a valle del quale è posto un corpo farfallato 4, comprendente una valvola a farfalla 5. A valle del corpo farfallato 4 è posto un plenum aria 6, dal quale si diparte una pluralità di condotti di aspirazione 7, che terminano in una testa cilindri 8. Gli elementi qui sopra descritti sono tutti noti e non verranno descritti in dettaglio. Figure 1 shows a basic diagram of a fuel injection system 1 according to the invention. An intake manifold 2 is therefore represented, bringing the necessary air to the combustion mixture from the vehicle air intakes not shown here. An air filter 3 is interposed on the intake manifold 2, downstream of which there is a throttle body 4, comprising a butterfly valve 5. Downstream of the throttle body 4 there is an air plenum 6, from which it departs a plurality of intake ducts 7, which terminate in a cylinder head 8. The elements described above are all known and will not be described in detail.
E’ previsto poi un serbatoio combustibile 9, dal quale si diparte un circuito idraulico di adduzione del carburante 10, rappresentato con linea spessa. Detto circuito idraulico di adduzione del carburante 10 è azionato tramite una pompa carburante 1 1, a valle della quale è disposto un filtro carburante 12. Anche la disposizione di questi elementi è di per sé nota. A fuel tank 9 is then provided, from which a hydraulic fuel supply circuit 10 branches off, represented with a thick line. Said hydraulic fuel supply circuit 10 is operated by means of a fuel pump 11, downstream of which a fuel filter 12 is arranged. The arrangement of these elements is also known per se.
A valle del filtro carburante 12, il circuito idraulico 10 si diparte in un primo ramo 10a, che comprende un dispositivo dosatore 13, a valle del quale sono disposti dei microiniettori 14. Il dispositivo dosatore 13 è inoltre connesso tramite un condotto d’aria 27 al collettore di aspirazione 2. Detti microiniettori 14 verranno descritti in dettaglio con riferimento a figura 2, ma sono disposti in finestre 15 che sono ricavate nella superficie del collettore d’aspirazione 2. I microiniettori 14 appartenenti al primo ramo IOa sono disposti a valle del filtro 3 e a monte del corpo farfallato 4. In figura 1 sono rappresentate diverse coppie di microiniettori 14 posizionate tangenzialmente al collettore d’aspirazione 2, disposte distanziate fra loro onde permettere un’uniforme distribuzione del carburante nell’aria. Le coppie di microiniettori 14 sono posizionate circonferenzialmente lungo la superficie esterna del collettore d’aspirazione 2 e sono alimentate a mezzo del ramo 10a e del dosatore 13. Downstream of the fuel filter 12, the hydraulic circuit 10 branches off into a first branch 10a, which comprises a metering device 13, downstream of which micro-injectors 14 are arranged. The metering device 13 is also connected by means of an air duct 27 to the intake manifold 2. Said micro-injectors 14 will be described in detail with reference to Figure 2, but they are arranged in windows 15 which are formed in the surface of the intake manifold 2. The micro-injectors 14 belonging to the first branch 10a are arranged downstream of the filter 3 and upstream of the throttle body 4. Figure 1 shows several pairs of micro-injectors 14 positioned tangentially to the intake manifold 2, arranged spaced apart to allow uniform distribution of the fuel in the air. The pairs of micro-injectors 14 are positioned circumferentially along the external surface of the intake manifold 2 and are fed by means of the branch 10a and the dispenser 13.
Il circuito idraulico di adduzione del carburante IO comprende inoltre ulteriori rami 10b, 10c, lOd, lOe, ciascuno dei quali comprende un dosatore 13, ciascuno dotato di un corrispondente condotto 27, non rappresentato per semplicità, che lo pone in comunicazione con il relativo condotto di aspirazione 7, e microiniettori 14, analoghi a quelli posti nel collettore di aspirazione, posizionati tangenzialmente e circonferenzialmente su ciascun condotto di aspirazione 7. The hydraulic fuel supply circuit 10 also comprises further branches 10b, 10c, 10d, 10e, each of which comprises a metering device 13, each equipped with a corresponding duct 27, not shown for simplicity, which puts it in communication with the relative duct. 7, and micro-injectors 14, similar to those placed in the intake manifold, positioned tangentially and circumferentially on each intake duct 7.
E’ prevista poi una centralina elettronica di controllo 16, anch’essa di per se nota, che è provvista però di connessioni elettriche 17a, 17b, 17c, 17d e 17e ai microiniettori 14 disposti sul collettore d’aspirazione 2 e sui condotti di aspirazione 7, mentre tramite una connessione elettrica 18 riceve un segnale sulla posizione della valvola a farfalla 5. An electronic control unit 16 is also provided, also known per se, which is however provided with electrical connections 17a, 17b, 17c, 17d and 17e to the micro-injectors 14 arranged on the intake manifold 2 and on the intake ducts 7, while through an electrical connection 18 it receives a signal on the position of the throttle valve 5.
In figura 2 è rappresentato uno schema di principio del microiniettore 14 secondo rinvenzione. Detto microiniettore 14 è un dispositivo analogo alle testine di stampa a getto d’inchiostro, cosiddette ‘bubble-jet’. Infatti si compone di un substrato di silicio 19, di spessore di circa 500 pm, sul quale è deposito uno strato di fotopolimero 20, nel quale è ricavata una finestra che realizza una camera di pressione 21. Uno strato di copertura 22 definisce quindi un microugello 23, che ha un diametro di alcune decine di pm. Sul substrato di silicio 19, all’interno della camera di pressione 21, è depositato un riscaldatore a film sottile 24. Il carburante viene fatto giungere nella camera di pressione 21 , dove il riscaldatore a film sottile 24 lo riscalda molto rapidamente a una temperatura atta a trasformare parte del carburante in vapore, indicativamente 200°C, sicché sulla superficie del riscaldatore a film sottile 24 si crea una moltitudine di piccole bolle di gas, che rapidamente coalescono formando una bolla 25, indicata in figura 2, che spinge al di fuori del microugello 23 una goccia 26. L’impulso elettrico al riscaldatore a film sottile 24 è breve, dell’ordine di qualche microsecondo, ma accompagnato da un’elevata densità di potenza, stimabile in centinaia di mW/m<2 >L’energia cinetica della goccia 26 al di fuori del microugello 23 è molto piccola, solo qualche pJ. E’ pertanto possibile ottenere un funzionamento ad elevata frequenza, dell’ordine della migliaia di Hz, con portate dell’ordine dei cm<'>Vmin per ciascun microiniettore 14. Le gocce 26 sono di dimensione inferiore ai 50 pm, sicché con i micro iniettori 14 si ottiene una nebulizzazione del carburante molto migliore rispetto agli elettroiniettori noti. Figure 2 shows a basic diagram of the micro-injector 14 according to the invention. Said micro-injector 14 is a device similar to the ink jet print heads, so-called 'bubble-jet'. In fact, it consists of a silicon substrate 19, with a thickness of about 500 µm, on which a photopolymer layer 20 is deposited, in which a window is obtained which forms a pressure chamber 21. A cover layer 22 therefore defines a micro nozzle 23, which has a diameter of a few tens of pm. On the silicon substrate 19, inside the pressure chamber 21, a thin film heater 24 is deposited. The fuel is conveyed to the pressure chamber 21, where the thin film heater 24 heats it very quickly to a suitable temperature. transforming part of the fuel into vapor, indicatively 200 ° C, so that on the surface of the thin film heater 24 a multitude of small gas bubbles are created, which rapidly coalesce forming a bubble 25, indicated in figure 2, which pushes out of the micro nozzle 23 a drop 26. The electrical impulse to the thin film heater 24 is short, of the order of a few microseconds, but accompanied by a high power density, estimated in hundreds of mW / m <2> The energy kinetics of the drop 26 outside the micro nozzle 23 is very small, only a few pJ. It is therefore possible to obtain a high frequency operation, of the order of thousands of Hz, with flow rates of the order of cm <'> Vmin for each micro-injector 14. The drops 26 are smaller than 50 pm, so that with the micro injectors 14 a much better atomization of the fuel is obtained with respect to known electro-injectors.
Dunque il sistema di iniezione di carburante in motori a combustione interna 1 di figura 1, funziona nel modo seguente: il carburante viene addotto tramite la pompa carburante 11 nel circuito di adduzione del carburante 10. Il dispositivo dosatore 13 serve per alimentare i microiniettori 14 e fornire la quantità di carburante necessaria a pressione eguale a quella del condotto di aspirazione 2. I microiniettori 14, il cui riscaldatore a film sottile 24 è pilotato dalla centralina elettronica 16, provvedono quindi a spruzzare il carburante rispettivamente nel collettore di aspirazione 2, se appartengono al ramo IOa, oppure nei corrispondenti condotti di aspirazione 7, se appartengono ai rami 10b, 10c, lOd, lOe. Il carburante nebulizzato viene così proiettato nella corrente d’aria che passa nel collettore di aspirazione 2 o nei condotti di aspirazione 7, formando quindi la miscela aria-carburante necessaria airalimentazione del motore. Therefore, the fuel injection system in internal combustion engines 1 of figure 1 works as follows: the fuel is fed through the fuel pump 11 into the fuel supply circuit 10. The metering device 13 serves to feed the micro-injectors 14 and supply the necessary amount of fuel at a pressure equal to that of the intake duct 2. The micro-injectors 14, whose thin-film heater 24 is driven by the electronic control unit 16, then spray the fuel respectively into the intake manifold 2, if they belong in branch 10a, or in the corresponding intake ducts 7, if they belong to branches 10b, 10c, 10d, 10e. The atomized fuel is thus projected into the air stream that passes into the intake manifold 2 or the intake ducts 7, thus forming the air-fuel mixture necessary for powering the engine.
La centralina elettronica 16 riceve le informazioni sulla posizione della valvola a farfalla 5 attraverso la connessione 18, sicché può convenientemente pilotare la frequenza di spruzzo dei microiniettori 14 e eventualmente il numero di microiniettori 14 attivi, in modo da garantire ad ogni regime di rotazione del motore un’alimentazione ottimale per quanto attiene il consumo e il rispetto delle norme antinquinamento. The electronic control unit 16 receives the information on the position of the throttle valve 5 through connection 18, so that it can conveniently control the spray frequency of the micro-injectors 14 and possibly the number of active micro-injectors 14, so as to guarantee at each engine rotation speed optimal nutrition in terms of consumption and compliance with anti-pollution regulations.
In figura 3 è rappresentato il dispositivo dosatore 13, il quale riceve in ingresso il ramo IOa del circuito idraulico di adduzione del carburante 10 e fornisce tramite un condotto di uscita 28 il carburante ai microiniettori 14. Nella parte superiore del dispositivo dosatore 13 è posto poi l’ingresso dal condotto d’aria 27, che pone il dispositivo dosatore 13 in comunicazione con il collettore di aspirazione 2. All’interno del dispositivo dosatore 13 è disposto un galleggiante 29, dotato di un otturatore a spillo 30 nella parte superiore. II carburante spinto dalla pompa carburante 11 penetra nel dispositivo dosatore 13 dal ramo 10a e defluisce attraverso il condotto di uscita 28 verso i microiniettori 14. Quando il livello del carburante all’ interno del dispositivo dosatore 13 è tale da portare l’otturatore a spillo 30 posto sul galleggiante 29 ad otturare il ramo IOa, l’alimentazione di carburante viene interrotta. Il carburante per gravità alimenta i microiniettori 14 fino a che il livello del carburante scende e l’otturatore a spillo 30 libera il ramo 10a. Il condotto d’aria 27 ha la funzione di portare in reazione la pressione del collettore di aspirazione 2 nella parte superiore del dispositivo dosatore 13, dove il carburante non giunge. Infatti la pressione all’interno del collettore d’aspirazione 2 varia in funzione del numero di giri del motore e dei periodi di apertura e chiusura della valvola di aspirazione. Per avere un corretto funzionamento dei microiniettori 14, è necessario che vi sia sempre una pressione differenziale costante fra aria e carburante. Riportando la pressione del collettore d’aspirazione 2 all’interno del dispositivo dosatore 13 si ottiene di far seguire alla pressione del carburante nel microiniettore 14 le evoluzioni della pressione nel collettore d’aspirazione 2. Chiaramente, per ottenere un controllo ottimale della pressione nel dispositivo dosatore 13, il condotto 27 deve prelevare la pressione del collettore d’aspirazione 2 in prossimità dei microiniettori 14. La medesima funzione è espletata dai condotti 27 posti in corrispondenza dei condotti di aspirazione 7. Figure 3 shows the metering device 13, which receives the branch 10a of the hydraulic fuel supply circuit 10 at its inlet and supplies the fuel to the micro-injectors 14 through an outlet duct 28. the inlet from the air duct 27, which places the metering device 13 in communication with the intake manifold 2. Inside the metering device 13 there is a float 29, equipped with a needle shutter 30 in the upper part. The fuel pushed by the fuel pump 11 enters the metering device 13 from the branch 10a and flows through the outlet duct 28 towards the micro-injectors 14. When the fuel level inside the metering device 13 is such as to bring the needle shutter 30 placed on the float 29 to block the branch 10a, the fuel supply is interrupted. The fuel by gravity feeds the micro-injectors 14 until the fuel level drops and the needle valve 30 frees the branch 10a. The air duct 27 has the function of bringing into reaction the pressure of the intake manifold 2 in the upper part of the metering device 13, where the fuel does not reach. In fact, the pressure inside the intake manifold 2 varies according to the number of engine revolutions and the opening and closing periods of the intake valve. In order to have a correct operation of the micro-injectors 14, it is necessary that there is always a constant differential pressure between air and fuel. By returning the pressure of the intake manifold 2 to the inside of the metering device 13, it is possible to make the pressure of the fuel in the micro-injector 14 follow the changes in the pressure in the intake manifold 2. Clearly, to obtain optimal control of the pressure in the device dispenser 13, the duct 27 must take the pressure of the intake manifold 2 near the micro-injectors 14. The same function is performed by the ducts 27 located in correspondence with the intake ducts 7.
In figura 4 è rappresentato uno schema a blocchi del funzionamento della centralina elettronica 16. Detta centralina elettronica 16 riceve informazioni da un sensore di giri e fase del motore 31, da un sensore di battito 32, da un sensore di posizione farfalla 33, attraverso la connessione 18 sopra descritta, da un sensore di temperatura dell’acqua 34 e da un sensore di ossigeno 35. La centralina elettronica 16 elaborando dette informazioni pilota quindi la pompa carburante 11, un sistema di accensione 36 e i microiniettori 14. Figure 4 shows a block diagram of the operation of the electronic control unit 16. Said electronic control unit 16 receives information from an engine rpm and phase sensor 31, from a knock sensor 32, from a throttle position sensor 33, through the connection 18 described above, by a water temperature sensor 34 and an oxygen sensor 35. The electronic control unit 16, processing said information, then drives the fuel pump 11, an ignition system 36 and the micro-injectors 14.
Il sistema di iniezione di carburante in motori a combustione interna 1 permette di controllare, attraverso la centralina elettronica 16, una pluralità di microiniettori 14, agendo sulla loro frequenza di iniezione, sul numero di microiniettori 14 attivi e sulla dislocazione dei micro inietto ri 14 attivi. E’ possibile così adeguare l’erogazione di carburante ad ogni situazione di funzionamento del motore, in particolare sfruttando il fatto di avere microiniettori 14 dislocati sul collettore d’aspirazione 2 e sui condotti di aspirazione 7, sicché si ottengono i vantaggi dei sistemi di iniezione Single Point e Multi Point tramite il medesimo sistema d’iniezione. Ad esempio è possibile rendere attivi i soli microiniettori 14 dislocati in corrispondenza del collettore d’aspirazione 2 fino a che al motore è richiesta una frazione della potenza massima, mentre i microiniettori 14 in corrispondenza dei condotti di aspirazione 7 sono resi attivi quando è richiesta piena potenza al motore. The fuel injection system in internal combustion engines 1 allows to control, through the electronic control unit 16, a plurality of micro-injectors 14, by acting on their injection frequency, on the number of active micro-injectors 14 and on the location of the active micro-injectors 14. . It is thus possible to adapt the fuel supply to any operating situation of the engine, in particular by exploiting the fact of having micro-injectors 14 located on the intake manifold 2 and on the intake ducts 7, so that the advantages of the injection systems are obtained. Single Point and Multi Point through the same injection system. For example, it is possible to activate only the micro-injectors 14 located in correspondence with the intake manifold 2 until a fraction of the maximum power is required from the engine, while the micro-injectors 14 in correspondence with the intake ducts 7 are activated when full is required. power to the engine.
Il sistema di iniezione di carburante in motori a combustione interna secondo l’invenzione è basato sull’adozione di iniettori a microgetto, analoghi agli iniettori di inchiostro a microgetto per stampanti a getti di inchiostro, in quanto detti iniettori a microgetto, a fronte di più basse portate rispetto agli elettroiniettori noti, presentano dimensioni e peso ridotti, elevata frequenza di funzionamento e elevata capacità di nebulizzazione del carburante. Inoltre presentano la caratteristica di funzionare da iniettori di carburante, esercitando una funzione di pompaggio locale e dosaggio nel punto di uscita nei condotti che trasportano l’aria. Ciò significa che la pompa carburante 11 applica una prima pressione, molto inferiore a quelle impiegate dai sistemi noti, cioè circa I bar contro 4-6 bar, in quanto detta prima pressione è funzionale solamente a far fluire il carburante nel circuito idraulico di adduzione del carburante 10. I microiniettori 14 ricevono il carburante a detta prima pressione e applicano, a mezzo del riscaldatore a film sottile 24, una pressione atta a far fuoriuscire dal microugello 23 una goccia 26 dotata delle dimensioni e della velocità desiderate. The fuel injection system in internal combustion engines according to the invention is based on the adoption of micro-jet injectors, similar to the micro-jet ink injectors for inkjet printers, as said micro-jet injectors, compared to more low flow rates with respect to known electro-injectors, have reduced dimensions and weight, high operating frequency and high fuel atomization capacity. They also have the characteristic of functioning as fuel injectors, exerting a local pumping and dosing function at the exit point in the ducts that carry the air. This means that the fuel pump 11 applies a first pressure, much lower than those used by known systems, i.e. about 1 bar against 4-6 bar, since said first pressure is only functional to make the fuel flow in the hydraulic supply circuit of the fuel 10. The micro-injectors 14 receive the fuel at said first pressure and apply, by means of the thin-film heater 24, a pressure capable of causing a drop 26 having the desired size and speed to escape from the micro-nozzle 23.
In figura 5 è rappresentato un sistema di iniezione 40 variante al sistema di iniezione 1 mostrato in figura 1. Detto sistema di iniezione 40 è adatto .a motori a due tempi che fanno uso di una miscela olio-benzina per l’alimentazione. E’ previsto perciò un serbatoio olio 41, con un condotto deiroiio 42, mantenuto in pressione da un’opportuna pompa olio 43. L’olio fluisce attraverso un dispositivo dosatore 44, analogo al dispositivo dosatore 13, a dei microiniettori 45, disposti sul collettore d’aspirazione 2, in maniera del tutto analoga ai mi ero iniettori 14. Detti microiniettori 45 sono controllati dalla centralina elettronica 16 tramite una connessione 47. La parte rimanente del sistema di iniezione 40, cioè la parte relativa all’iniezione di benzina è del tutto analoga a quella del sistema di iniezione 1 di figura 1, e comprende quindi, in particolare, microiniettori 14 disposti sul collettore d’aspirazione 2. Figure 5 shows an injection system 40 variant to the injection system 1 shown in figure 1. Said injection system 40 is suitable for two-stroke engines that use an oil-petrol mixture for power supply. An oil tank 41 is therefore provided, with a duct 42, maintained under pressure by a suitable oil pump 43. The oil flows through a metering device 44, similar to the metering device 13, to micro-injectors 45, arranged on the manifold 2, in a completely similar way to my injectors 14. Said micro-injectors 45 are controlled by the electronic control unit 16 through a connection 47. The remaining part of the injection system 40, i.e. the part relating to the injection of petrol is all similar to that of the injection system 1 of Figure 1, and therefore comprises, in particular, micro-injectors 14 arranged on the intake manifold 2.
L’olio contenuto nel serbatoio olio 41 è prediluito nella benzina, al fine di ridurne la viscosità. The oil contained in the oil tank 41 is pre-diluted in the petrol, in order to reduce its viscosity.
II sistema d’iniezione 40 permette perciò di realizzare direttamente nel condotto di aspirazione 2 la miscela olio-carburante adatta ai motori a due tempi. The injection system 40 therefore allows the oil-fuel mixture suitable for two-stroke engines to be created directly in the intake duct 2.
In figura 6 è rappresentato un microiniettore 14 montato sul collettore di aspirazione 2 in associazione ad un dispositivo turbolatore 50. Detto dispositivo turbolatore 50 comprende sostanzialmente due elementi 5 1 di forma parallelepipedale, disposti parallelamente ai microugelli 23. Detti elementi 51 recano dei canali 52 passanti, di profilo opportuno. Gli elementi 51 vengono disposti sulla finestra 15 in modo che delle aperture esterne 53 dei canali 52 si trovino all’esterno del collettore di aspirazione 2, mentre delle aperture interne 54 dei canali 52 si trovino all’intemo del collettore di aspirazione 2 e in particolare sostanzialmente in corrispondenza dei microugelli 23. Figure 6 shows a micro-injector 14 mounted on the intake manifold 2 in association with a turbulator device 50. Said turbulator device 50 substantially comprises two parallelepipedal-shaped elements 5 1, arranged parallel to the micro-nozzles 23. Said elements 51 have through channels 52 , of an appropriate profile. The elements 51 are arranged on the window 15 so that external openings 53 of the channels 52 are located outside the intake manifold 2, while the internal openings 54 of the channels 52 are located inside the intake manifold 2 and in particular substantially in correspondence with the micro-nozzles 23.
Il dispositivo turbolatore 50 dunque tramite i canali 52 pone in comunicazione il collettore di aspirazione 2 con l’esterno. Dal momento che, sostanzialmente, all’interno del collettore di aspirazione 2 vi è sempre una depressione rispetto all’esterno, si ha un flusso d’aria che attraversa i canali 52 dall’apertura esterna 53 verso l’apertura interna 54. Il profilo dei canali 52 è tale che, in corrispondenza dei microugelli 23 si formino dei vortici e una conseguente turbolenza. Detta turbolenza ha la funzione di nebulizzare ulteriormente le gocce di carburante, coadiuvando il microiniettore 14. Dunque, con l adozione del dispositivo turbolatore 50 si favorisce ulteriormente la nebulizzazione del carburante. Oppure è possibile mantenere costante la dimensione delle gocce del carburante, ma aumentare il diametro del microugello 23, aumentando così la portata. Dalla descrizione effettuata risultano pertanto chiare le caratteristiche della presente invenzione, cosi come chiari risultano i suoi vantaggi. The turbulator device 50 therefore through the channels 52 puts the intake manifold 2 in communication with the outside. Since, substantially, inside the intake manifold 2 there is always a depression with respect to the outside, there is an air flow which passes through the channels 52 from the external opening 53 towards the internal opening 54. The profile of the channels 52 is such that eddies and consequent turbulence are formed in correspondence with the micro-nozzles 23. Said turbulence has the function of further nebulizing the fuel droplets, assisting the micro-injector 14. Therefore, the adoption of the turbulator device 50 further favors the atomization of the fuel. Or it is possible to keep the size of the fuel droplets constant, but to increase the diameter of the micro nozzle 23, thus increasing the flow rate. From the above description the characteristics of the present invention are therefore clear, just as its advantages are clear.
Il dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna secondo l’invenzione vantaggiosamente permette di nebulizzare in misura maggiore degli iniettori noti il carburante nell’aria, aumentando le prestazioni del motore. Vantaggiosamente inoltre, gli iniettori a microgetto, date le piccole dimensioni e la forma di piastrina che assumono, sono disposti tangenzialmente al flusso d’aria nel collettore e nei condotti di aspirazione. Ciò favorisce la miscelazione del carburante neH’aria. The fuel injector device for internal combustion engines according to the invention advantageously allows to nebulize the fuel in the air to a greater extent than the known injectors, increasing the performance of the engine. Advantageously, moreover, the micro-jet injectors, given the small size and the shape of the plate they assume, are arranged tangentially to the air flow in the manifold and in the intake ducts. This favors the mixing of the fuel in the air.
Inoltre, vantaggiosamente il dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna presenta un comportamento in frequenza particolarmente adatto a un controllo fine della composizione della miscela aria-carburante. L’adozione di microiniettori privi di parti in movimento, quindi prive di inerzia, permette infatti variazioni di frequenza molto più repentine e controllabili, oltre che valori di frequenza di funzionamento molto più elevati rispetto all’arte nota. Il piccolo ingombro e la forma di piastrina permettono un posizionamento più libero aU’intemo dei condotti che trasportano Paria. Furthermore, advantageously, the fuel injector device for internal combustion engines exhibits a frequency behavior particularly suitable for a fine control of the composition of the air-fuel mixture. The adoption of micro-injectors without moving parts, therefore without inertia, allows for much more sudden and controllable frequency variations, as well as much higher operating frequency values than in the prior art. The small footprint and the shape of the plate allow for freer positioning within the ducts carrying Paria.
Vantaggiosamente inoltre il dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna secondo l’invenzione permette di operare con una pressione bassa nel circuito di alimentazione del carburante dal serbatoio ai microiniettori. La pressione richiesta alla pompa carburante è di circa 1 bar, sicché si può utilizzare anche una semplice ed economica pompa a membrana alimentata direttamente dal motore, o addirittura in presenza di un disposizione favorevole del circuito idraulico, si può evitare l’uso della pompa e sfruttare la pressione idrostatica. La bassa pressione inoltre comporta evidenti vantaggi in termini di progettazione del circuito idraulico di alimentazione del carburante. Ad esempio può permettere di evitare l’introduzione di un interruttore inerziale per bloccare l’afflusso di benzina in caso di urto, dal momento che non è più una pressione di 4-6 bar e indipendente dal funzionamento del motore a spingere la benzina fuori da eventuali condotti interrotti. Advantageously, moreover, the fuel injector device for internal combustion engines according to the invention allows to operate with a low pressure in the fuel supply circuit from the tank to the micro-injectors. The pressure required to the fuel pump is about 1 bar, so that a simple and economical diaphragm pump fed directly by the engine can also be used, or even in the presence of a favorable arrangement of the hydraulic circuit, the use of the pump can be avoided and exploit hydrostatic pressure. The low pressure also brings obvious advantages in terms of design of the hydraulic fuel supply circuit. For example, it can make it possible to avoid the introduction of an inertial switch to block the flow of petrol in the event of a collision, since it is no longer a pressure of 4-6 bar and independent of the operation of the engine that pushes the petrol out of any interrupted pipes.
E' chiaro che numerose varianti sono possibili per l'uomo del ramo al dispositivo iniettore di carburante per motori a combustione interna e/o metodo di iniezione di carburante in motori a combustione interna descritti come esempio, senza per questo uscire dai principi di novità insiti nell'idea inventiva, cosi come è chiaro che nella sua pratica attuazione le forme dei dettagli illustrati potranno essere diverse, e gli stessi potranno essere sostituiti con degli elementi tecnicamente equivalenti. It is clear that numerous variants are possible for those skilled in the art to the fuel injector device for internal combustion engines and / or the method of fuel injection in internal combustion engines described as an example, without thereby departing from the inherent novelty principles in the inventive idea, just as it is clear that in its practical implementation the forms of the illustrated details may be different, and the same may be replaced with technically equivalent elements.
Ciascun iniettore a microgetto potrà essere dotato di una pluralità di microugelli. Each micro-jet injector can be equipped with a plurality of micro-nozzles.
Gli iniettori a microgetto potranno essere non solo del tipo ‘bubble-jet’, ma anche iniettori a microgetto piezoelettrici, utilizzanti cioè in luogo della bolla di vapore di carburante, l’espansione di un attuatore piezoelettrico. Detti iniettori a microgetto piezoelettrici possono ad esempio essere più adatti all’iniezione di olio, come anche di gas. E’ anche possibile l’impiego di diversi iniettori a microgetto, sempre classificabili per analogia nella categoria degli iniettori a microgetto per stampanti a getto d’inchiostro, purché presentino una sostanziale mancanza di parti meccaniche in movimento nei mezzi di applicazione della pressione al carburante in una microcamera, cioè un’inerzia trascurabile che permetta elevata frequenza di funzionamento. The micro-jet injectors can be not only of the 'bubble-jet' type, but also piezoelectric micro-jet injectors, using the expansion of a piezoelectric actuator instead of the fuel vapor bubble. Said piezoelectric micro-jet injectors may, for example, be more suitable for the injection of oil, as well as gas. It is also possible to use different micro-jet injectors, always classifiable by analogy in the category of micro-jet injectors for inkjet printers, as long as they have a substantial lack of mechanical moving parts in the means for applying pressure to the fuel. a micro camera, that is a negligible inertia that allows a high frequency of operation.
Si possono affidare ai diversi iniettori a microgetto differenti compiti d’iniezione. Oltre al già citato caso dell’iniezione di olio per miscele adatte ai motori a due tempi, specifici iniettori a microgetto possono essere delegati a iniettare nel collettore di aspirazione additivi per il carburante in particolari condizioni di funzionamento del motore. Detti iniettori a microgetto possono essere controllati dalla centralina elettronica che li aziona in funzione dell’ ottimizzazione delle prestazioni e/o delle azioni di antiinquinamento. Gli iniettori a microgetto possono essere dislocati diversamente da come illustrato. In particolare si possono avere iniettori a microgetto solo in corrispondenza del collettore di aspirazione, riproducendo cosi i sistemi SPI, oppure solo in corrispondenza dei condotti di aspirazione in prossimità dei cilindri, riproducendo così i sistemi MPI. Different injection tasks can be entrusted to the different micro-jet injectors. In addition to the aforementioned case of oil injection for mixtures suitable for two-stroke engines, specific micro-jet injectors can be delegated to inject fuel additives into the intake manifold in particular engine operating conditions. These micro-jet injectors can be controlled by the electronic control unit that operates them according to the optimization of performance and / or anti-pollution actions. The microjet injectors can be positioned differently than illustrated. In particular, it is possible to have micro-jet injectors only in correspondence with the intake manifold, thus reproducing the SPI systems, or only in correspondence with the intake ducts near the cylinders, thus reproducing the MPI systems.
Inoltre, gli iniettori a microgetto da porsi in corrispondenza del collettore di aspirazione possono essere posizionati a valle del corpo farfallato e a monte del plenum aria. Furthermore, the micro-jet injectors to be placed in correspondence with the intake manifold can be positioned downstream of the throttle body and upstream of the air plenum.
Gli iniettori a microgetto sono preferibilmente disposti circonferenzialmente, su più circonferenze parallele oppure lungo un percorso elicoidale. Gli iniettori a microgetto disposti su circonferenze parallele e adiacenti possono essere sfalsati l’uno rispetto all’altro in modo da assicurare la copertura di un maggior numero di filetti fluidi dell’aria che fluisce nei condotti di aspirazione. The micro-jet injectors are preferably arranged circumferentially, on several parallel circumferences or along a helical path. The micro-jet injectors arranged on parallel and adjacent circumferences can be offset from each other in order to ensure coverage of a greater number of fluid threads of the air flowing in the intake ducts.
Gli ugelli di uno stesso iniettore a microgetto possono essere disposti su file parallele lungo le dimensioni della piastrina, oppure possono anche essere disposti diagonalmente, in modo che la loro disposizione intersechi un maggior numero di filetti fluidi dell’aria e migliori la miscelazione. The nozzles of the same micro-jet injector can be arranged in parallel rows along the dimensions of the plate, or they can also be arranged diagonally, so that their arrangement intersects a greater number of fluid threads of the air and improves mixing.
I canali del dispositivo turbolatore potranno essere protetti da un manicotto filtrante per impedire l’ingresso della polvere e per attutire la rumorosità dei flussi d’aria. The channels of the turbulator device can be protected by a filter sleeve to prevent the entry of dust and to muffle the noise of the air flows.
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