Beschreibung

Titel

Vorrichtung zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Kleinmotor mit einem kleinen Hubraum.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Fördern und Einspritzen bekannt, welche jeweils als separate Einheiten vorgesehen sind. Beispielsweise werden zur Förderung von Kraftstoff

Kolbenpumpen verwendet, welche den Kraftstoff aus einem Tank fördern. Die Kolbenpumpen fördern den Kraftstoff zu einem separaten Einspritzventil, welches den Kraftstoff in einen Saugkanal oder in einen Brennraum einspritzt. Derartige Systeme sind jedoch relativ aufwendig und weisen eine große Anzahl von Bauteilen auf. Insbesondere bei Kleinmotoren mit ein oder zwei Zylindern und einem kleinen Hubraum sind die bekannten Systeme zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff sehr teuer. Ferner sollen derartige Kleinmotoren einen möglichst kleinen Bauraum aufweisen. Dem widerspricht jedoch eine relativ große Anzahl von Einzelbauteilen zur Förderung und zum Einspritzen von Kraftstoff. Es wäre daher wünschenswert, ein einfach aufgebautes System zu haben, bei dem eine einzige Vorrichtung die Funktion des Förderns und Einspritzens von Kraftstoff übernehmen kann, um so einen minimalen Bauraum aufzuweisen und welches möglichst kostengünstig herstellbar ist.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie nur einen sehr kleinen Bauraum benötigt und ein geringes Gewicht aufweist. Weiter ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kostengünstig herstellbar. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung die Funktionen Fördern und Einspritzen in einer Komponente integriert. Die Vorrichtung umfasst ein Rotationselement, welches um eine Achse rotierbar ist sowie einen Antrieb zum Antreiben des Rotationselements. Ferner ist eine Kraftstoffzuleitung zum Zuführen von

Kraftstoff aus einem Tank zum Rotationselement vorgesehen, ohne dass hierbei eine Druckerzeugung durchgeführt wird. Der Kraftstoff wird dabei durch das rotierende Rotationselement selbsttätig angesaugt, so dass auf eine Pumpe zur Kraftstoffförderung verzichtet werden kann. Ferner wird der angesaugte Kraftstoff durch das Rotationselement beschleunigt und der beschleunigte Kraftstoff wird in einen Bereich des Verbrennungsmotors eingespritzt. Erfindungsgemäß wird somit eine rotierende Strömungsmaschine verwendet, welche gleichzeitig die Funktion einer Pumpe und die Funktion eines Einspritzventils übernimmt. Der Kraftstoff, welchem in der Strömungsmaschine Bewegungsenergie übertragen wird, wird direkt als austretender, beschleunigter Kraftstoffstrahl weiter verwendet. Somit ist erfmdungsgemäß nur ein bewegtes Bauteil für die Kraftstoffförderung und die Kraftstoffeinspritzung erforderlich, so dass insbesondere die Herstellungskosten signifikant reduziert werden können.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Rotationselement vorzugsweise eine flache Rotationsscheibe. über die Kraftstoffzuleitung wird der Kraftstoff zentrumsnah zugeführt. Durch die Rotationsbewegung der Rotationsscheibe wird der drucklos zugeleitete Kraftstoff angesaugt. Hierbei ist zwischen der Rotationsscheibe und einem Ende der Kraftstoffzuleitung ein enger Ansaugspalt vorgesehen, über welchen der Kraftstoff aus der Zuleitung austreten kann. Die Rotationsscheibe erfasst den Kraftstoff und aufgrund der Fliehkraftwirkung wird der Kraftstoff vom Ort der Zuleitung radial nach außen beschleunigt. Am äußeren Umfang der Rotationsscheibe kann der beschleunigte Kraftstoff abgegeben werden und in den Verbrennungsmotor eingespritzt werden.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist das Rotationselement ein Laufrad mit einer Vielzahl von Schaufeln. Durch die Rotation der Schaufeln wird am Ende der Kraftstoffzuleitung ein Unterdruck erzeugt, so dass Kraftstoff, welcher drucklos von einem Tank zugeführt wird, angesaugt wird. Im Laufrad wird der angesaugte Kraftstoff beschleunigt und durch die Fliehkraft nach außen gefördert, so dass er an einer Umfangsposition in beschleunigtem Zustand abgegeben werden kann und für eine Einspritzung verwendet werden kann. Um eine einfache und definierte Abgabe des beschleunigten Kraftstoffs zu ermöglichen, umfasst das Rotationselement vorzugsweise ein Gehäuse mit einer öffnung, aus welcher der Kraftstoff ausspritzbar ist. Je nach Verwendungszweck kann die öffnung dabei rechteckig, kreisförmig, oval oder anders geformt sein. Die öffnung im Gehäuse kann auch nur einen kleinen Querschnitt aufweisen und die Funktion einer Düse übernehmen.

Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung ferner ein Dosierventil, welches in der Kraftstoffzuleitung angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, dass eine Drehzahl des Rotationselements konstant gehalten werden kann, und eine Ansaugung und Einspritzung von Kraftstoff durch ein öffnen bzw. Schließen des Dosierventils gesteuert wird. Das Dosierventil kann dabei entweder intermittierend über definierte öffnungstakte oder kontinuierlich mit variabel einstellbarem Drosselquerschnitt den Kraftstoffdurchfluss regeln.

Weiter bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Regeleinrichtung zur Regelung einer Antriebsdrehzahl des Rotationselements. Dadurch kann auf ein separates Dosierventil verzichtet werden. Die Menge des eingespritzten Kraftstoffs kann dann einfach über die Drehzahl des Rotationselements geregelt werden.

Weiter bevorzugt ist ein Austrittsquerschnitt am Ende der Kraftstoffzuleitung und/oder ein Querschnitt der Austrittsöffnung des Gehäuses veränderbar. Hierdurch kann ebenfalls auf einfache Weise eine Regelung der Menge des einzuspritzenden Kraftstoffs durchgeführt werden.

Vorzugsweise wird der Kraftstoff in einen Saugkanal eines Verbrennungsmotors eingespritzt. Hierdurch kann noch vor dem Eintritt in die Brennkammer eine ausreichende Vermischung des Kraftstoffs mit der angesaugten Verbrennungsluft erfolgen. Besonders bevorzugt ist das Rotations- element an einem Flansch befestigt, welcher am Saugrohr oder am Zylinderkopf angeordnet ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Vorrichtung ein erstes Rotationselement und ein zweites Rotationselement, welche nebeneinander auf einer gemeinsamen Antriebswelle angeordnet sind. Das erste Rotationselement fördert dabei Kraftstoff in einen ersten Saugkanal und das zweite Rotationselement fördert Kraftstoff in einen zweiten Saugkanal. Eine derartige Vorrichtung zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff ist insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit zwei Zylindern einfach zu verwenden und weist einen sehr kompakten Aufbau auf. Ferner ist nur ein Antrieb für beide Rotationselemente notwendig. Vorzugsweise sind die beiden Rotationselemente zu beiden Seiten einer scheibenartigen Trennwand angeordnet.

Die vorliegende Erfindung wird besonders bevorzugt in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor mit einem oder zwei oder drei oder vier Zylindern verwendet. D.h. die kombinierte Förder- und Einspritzvorrichtung wird vorzugsweise mit einem Motor mit kleinem Hubraum verwendet. Bei derartigen Motoren kommen die erfindungsgemäßen Vorteile besonders gut zum Tragen.

Weiter betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung einer Strömungsmaschine zum Ansaugen und gleichzeitigen Einspritzen von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor, insbesondere in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 2 eine Schnittansicht einer Vorrichtung zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Figur 3 eine Draufsicht der in Figur 2 gezeigten Vorrichtung,

Figur 4 eine Draufsicht auf die Vorrichtung von Figur 3 ohne Gehäuse,

Figur 5 eine Seitenansicht der Vorrichtung von Figur 2,

Figur 6 eine Seitenansicht der in Figur 5 gezeigten Vorrichtung ohne Gehäuse, und

Figur 7 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figur 1 eine Vorrichtung 1 zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie in Figur 1 gezeigt, umfasst die Vorrichtung 1 eine Rotationsscheibe 2, welche über eine Welle 3 mit einem Antrieb 4 verbunden ist. Der Antrieb 4 wird durch eine Steuereinrichtung 14 gesteuert. Die Rotationsscheibe 2 ist senkrecht auf der Welle 3 angeordnet und wird in Richtung des Pfeils A

angetrieben. Die Rotationsscheibe 2 ist eine flache Scheibe und kann aus einem Kunststoff oder Metall hergestellt sein. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Kraftstoffzuleitung 6 und ein Dosierventil 7, welches in der Kraftstoffzuleitung 6 angeordnet ist. über die Kraftstoffzuleitung 6 wird Kraftstoff 8 aus einem Tank 5 zugeführt. Das Dosierventil 7 wird ebenfalls mittels der Steuereinrichtung 14 gesteuert.

Wie in Figur 1 gezeigt, ist ein Ende 6a der Kraftstoffzuleitung 6 nahe dem Mittelpunkt der Rotationsscheibe 2, d.h. nahe der Welle 3 angeordnet. Das Ende 6a der Kraftstoffzuleitung 6 ist dabei als Düse ausgebildet. Zwischen der Rotationsscheibe 2 und dem Ende 6a der Kraftstoffzuleitung 6 ist ein enger Ansaugspalt ausgebildet, um ein Ansaugen des drucklosen Kraftstoffes aus der

Kraftstoffzuleitung 6 zu ermöglichen. Die Rotationsscheibe 2 ist ferner derart angeordnet, dass ihr äußerer Umfang in unmittelbarer Nähe zu einer öffnung 9a in einem Saugrohr 9 einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Durch diese öffnung 9a wird der Kraftstoff 8 in das Saugrohr 9 eingespritzt.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff ist dabei wie folgt. Durch die Rotation der Rotationsscheibe 2 entsteht am Ende 6a der Kraftstoffzuleitung 6 ein Unterdruck, so dass durch die Rotationsbewegung der drucklos zugeleitete Kraftstoff 8 angesaugt wird. Der Kraftstoff 8 trifft nahe der Mitte der Rotationsscheibe 2 auf die Rotationsscheibe und wird aufgrund der Fliehkraft nach außen abgelenkt, wie in Figur 1 dargestellt. Dadurch wird der Kraftstoff 8 auf der Rotationsscheibe 2 auch verteilt und zerstäubt, so dass sich auf der Rotationsscheibe 2 eine fächerförmig öffnende Kraftstoffbahn ergibt. Am äußeren Umfang der Rotationsscheibe 2 wird der Kraftstoff dann durch die öffnung 9a in das Saugrohr 9 abgegeben und dort mit der angesaugten Verbrennungsluft vermischt.

Somit übernimmt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 die Rotationsscheibe 2 sowohl die Funktion des Einspritzens (Abgebens) des Kraftstoffs als auch des Ansaugens des Kraftstoffs, so dass die erfmdungsgemäße Vorrichtung keine separate Pumpe und auch kein separates Einspritzventil benötigt. Dadurch weist die erfmdungsgemäße Vorrichtung 1 einen sehr kompakten und kostengünstigen Aufbau auf. Die durch die rotierende Rotationsscheibe 2 auf den Kraftstoff 8 übertragene Bewegungsenergie bleibt im Kraftstoff in Form des Abspritzimpulses erhalten, so dass der Kraftstoff 8 durch die zur Kraftstoffförderung rotierende Rotationsscheibe 2 direkt wieder abgegeben wird.

Beim ersten Ausfuhrungsbeispiel erfolgt die Kraftstoffregelung auf einfache Weise durch ein einfach aufgebautes Dosierventil 7, welches durch die Steuerungseinrichtung 14 geöffnet bzw. geschlossen wird. Durch das Vorsehen des Dosierventils 7 kann die Rotationsscheibe 2 mit konstanter Drehzahl angetrieben werden, so dass die Kraftstoffdosierung mittels des Dosierventils 7 erfolgt. Es sei angemerkt, dass alternativ auch auf das Dosierventil 7 verzichtet werden kann und die

Kraftstoffmenge durch die Regelung der Drehgeschwindigkeit der Rotationsscheibe 2 gesteuert werden kann. Allerdings kann durch die Verwendung des Dosierventils 7 eine genauere Regelung der eingespritzten Kraftstoffmenge erreicht werden.

Da der auf den Kraftstoff übertragene dynamische Strömungsdruck ύ-/2 v erfindungsgemäß nicht aufgestaut wird, wie bei der Verwendung von Kolbenpumpen, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen hohen hydraulischen Wirkungsgrad auf. Dadurch ist insbesondere die Leistungsaufnahme des Antriebs 4 sehr gering. Auch sind keine Leckageprobleme aufgrund hoher Drücke vorhanden.

Die erfmdungsgemäße Vorrichtung 1 eignet sich insbesondere bei der Verwendung von Kleinmotoren mit einem bis zwei Zylindern und Motoren mit kleinem Hubraum, da sie sehr einfach aufgebaut ist und kostengünstig ist.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 6 eine Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.

Figur 2 zeigt den schematischen Aufbau der Vorrichtung 1 sowie die Anordnung an einem Verbrennungsmotor. Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, ist das Rotationselement am Saugrohr 9 an einem Flansch 11 angeordnet. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das Rotationselement eine rotierende Laufradeinrichtung 10, wobei in Figur 2 lediglich das Gehäuse 10a dargestellt ist. Das eigentliche Laufrad 1 Ob ist im Detail in Figur 4 dargestellt. Das Laufrad 1 Ob umfasst eine Vielzahl von Schaufeln 1 Od, welche um die Welle 3 angeordnet sind. Wie im ersten Ausführungsbeispiel wird die Welle 3 durch einen Antrieb 4 angetrieben. Eine Kraftstoffzuleitung 6 ist wieder zentrumsnah an dem Laufrad 1 Ob angeordnet. Durch die Rotation des Laufrads 1 Ob wird wieder Kraftstoff durch den am Ende der Kraftstoffzuleitung 6 erzeugten Unterdruck angesaugt und in dem Laufrad 1 Ob beschleunigt. Eine Abgabe des Kraftstoffs erfolgt wieder radial am Umfang des Laufrads 1 Ob. Hierzu ist im Gehäuse 10a eine rechteckige öffnung 10c ausgebildet, durch welche der Kraftstoff in das Saugrohr 9 eingespritzt wird. Dies ist in Figur 5 gezeigt. Es sei angemerkt, dass die öffnung 10c nicht zwingend rechteckig

ausgebildet sein muss, sondern beispielsweise auch oval oder kreisrund oder quadratisch sein kann. Wie weiter aus Figur 5 ersichtlich ist, ist in der Kraftstoffzuleitung 6 ein Dosierventil oder ähnliches angeordnet. Der Kraftstoff wird somit drucklos direkt aus dem Tank 5 zugeführt. Eine Regelung der eingespritzten Kraftstoffmenge erfolgt somit durch Regelung des Antriebs 4 über die Steuerungseinrichtung 14, mit welcher die Drehzahl der Turbine 10b variiert wird. Bei geringer Drehzahl wird wenig Kraftstoff angesaugt, bei hoher Drehzahl wird viel Kraftstoff angesaugt. Alternativ könnte eine Regelung auch beispielsweise durch Vorsehen eines Schieberventils an der öffnung 10c durchgeführt werden.

Das Gehäuse 10a der Laufradeinrichtung 10 umschließt das Laufrad 1 Ob vollständig mit einem scheibenförmigen Deckel, in welchem die Kraftstoffzuleitung 6 mündet, einem scheibenförmigen Boden und einem zylindermantelförmigen Wandbereich.

Die Funktion der erfmdungsgemäßen Vorrichtung 1 ist dabei wie folgt. Durch die Rotation des Laufrads 10b wird der Kraftstoff 8 durch die Kraftstoffzuleitung 6 aus dem Tank 5 angesaugt. In dem Laufrad 1 Ob erfolgt eine Beschleunigung des Kraftstoffs, so dass dieser aufgrund der Fliehkraft radial nach außen gefördert wird. Der derart beschleunigte Kraftstoff wird dann über die öffnung 10c im Gehäuse 10a der Laufradeinrichtung 10 in das Saugrohr 9 abgegeben (vgl. Figur 2). über ein geöffnetes Einlassventil 17 wird das Kraftstoff-Luftgemisch dann in bekannter Weise dann in einen durch einen Zylinderkopf 12, einen Zylinder 13 und einen Kolben 15 begrenzten Brennraum 16 zugeführt. Das Bezugszeichen 18 bezeichnet dabei ein Auslassventil. Die Vorrichtung 1 ist dabei mittels eines Flansches 11 unmittelbar am Zylinderkopf 12 oder alternativ am Saugrohr befestigt. Dadurch kann die Vorrichtung 1 als komplettes Modul vorgesehen werden und einfach in den Verbrennungsmotor montiert werden. Die Vorrichtung 1 kann dabei im Voraus vollständig vormontiert werden.

Da in der Laufradeinrichtung 10 kein statischer Druck aufgebaut wird, sind nur geringe Anforderungen an eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse 10a und der Antriebswelle 3 zu stellen. Eine Abdichtung muss dabei lediglich spritzdicht sein, so dass die Vorrichtung 1 sehr kostengünstig bereitstellbar ist.

Es sei ferner angemerkt, dass durch das Ansaugen des Kraftstoffs 8 in der Kraftstoffzuleitung 6 ein Unterdruck entsteht. Der Unterdruck hängt dabei von der Rotationsgeschwindigkeit des Laufrads 10b ab. Durch den entstehenden Unterdruck können in der Kraftstoffzuleitung 6 partielle Dampfblasen entstehen, welche ebenfalls als dosierende Regelgröße verwendet werden können. Die partielle

Dampfblasenversperrung in der Kraftstoffzuleitung 6 bewirkt somit in vorteilhafter Weise, dass die Durchflussmenge unabhängig vom Betriebspunkt-bedingten variierenden Saugrohrinnendruck, welcher gleichbedeutend mit dem geringen Druck, der am Ende der Kraftstoffzuleitung 6 wirkt, konstant bleibt und nur von der Drehzahl des Laufrads 1 Ob abhängt. Die Einflussstärke dieses Effekts lässt sich über die Größe des Austrittsquerschnitts am Ende 6a der Kraftstoffzuleitung 6 variieren. Gegebenenfalls kann der Austrittsquerschnitt am Ende 6a der Kraftstoffzuleitung 6 auch veränderbar ausgebildet sein, beispielsweise durch Vorsehen eines Schieberventils o.ä..

Ansonsten entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Figur 7 eine Vorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bezeichnet.

Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ist die Vorrichtung 1 des dritten Ausführungsbeispiels für einen Mehrzylindermotor ausgelegt. Hierbei sind zwei Saugrohre 9, 9' in einem Abschnitt parallel zueinander angeordnet. Eine erste Laufradeinrichtung 20 und eine zweite Laufradeinrichtung 20' sind dabei auf einer gemeinsamen Welle 3 angeordnet. Jede Laufradeinrichtung 20, 20' weist eine separate Kraftstoffzuleitung 6, 6' auf, über welche drucklos

Kraftstoff zugeführt wird. Wie in Figur 7 gezeigt, gibt die erste Laufradeinrichtung 20 den Kraftstoff 8 an das erste Saugrohr 9 ab und die zweite Laufradeinrichtung 20' gibt den Kraftstoff 8' an das zweite Saugrohr 9' ab. Eine Regelung der Kraftstoffmenge erfolgt jeweils über ein in den Kraftstoffzuleitungen 6, 6' angeordnetes Dosierventil 7 bzw. 7'. Dadurch kann ein sehr kompakter Aufbau erhalten werden.

Es sei angemerkt, dass alternativ an Stelle von zwei separaten Rotationsturbinen auf einer gemeinsamen Welle auch ein doppelseitiges Laufrad in einem Gehäuse angeordnet sein kann. Dabei sind an einer mittleren Trennungsscheibe an jeder Seite jeweils Schaufeln angeordnet. In diesem Fall sind dann für jede Schaufel jeweils eine Austrittsöffnung im Gehäuse vorgesehen.