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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung mit einer
Kraftstoffpumpe, einem Druckregler, einem Injektor und einem Luftsteller
in einer kompakten Bauweise.
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Einspritzvorrichtungen
sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt.
Insbesondere aus Kosten- und Bauraumgründen erfordern Kleinbrennkraftmaschinen,
welche nur einen oder nur zwei Zylinder und einen kleinen Hubraum
aufweisen, eigenständige Lösungen. Einsatzgebiete
derartiger Kleinbrennkraftmaschinen sind beispielsweise Zweiräder
oder Dreiräder oder Rasenmäher usw. Bekannte Einspritzvorrichtungen umfassen üblicherweise
in einem Tank eine Kraftstoffpumpe mit einem Druckregler, wobei
die Kraftstoffpumpe Kraftstoff mit einem vorbestimmten Druck in
eine Leitung, z. B. ein Rail o. Ä., fördert. Am
Ende der Leitung ist ein Injektor angeordnet, welcher, gesteuert
durch eine Steuereinrichtung, Kraftstoff in ein Saugrohr oder direkt
in einen Brennraum einspritzt. Derartige Einspritzeinrichtungen
sind jedoch sehr aufwendig und insbesondere teuer, so dass sie Kleinbrennkraftmaschinen
ebenfalls sehr teuer machen.
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Aus
der
EP 1 340 906 B1 ist
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit elektronischer Steuerung
bekannt, bei der ein Injektor nahe einem Pumpenkolben angeordnet
ist. Ferner ist hierbei ein Vordruckventil zum Ausüben
eines Vordrucks auf den Kraftstoff in einer Anfangsphase eines Druckhubes
des Kolbens in der Rückleitung des Kraftstoffs zum Tank
vorgesehen. Das Vordruckventil evakuiert dabei einen Teil des in
einer Druckkammer befindlichen Kraftstoffs in die Rückleitung.
Hierdurch kann insbesondere die Bildung von Dampfblasen im Injektor
reduziert werden. Allerdings ist der Aufbau relativ kompliziert
und die Vorrichtung nimmt einen großen Bauraum ein.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass sie einen sehr kompakten Aufbau aufweist. Ferner
kann die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung
besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Erfindungsgemäß umfasst die Einspritzvorrichtung
eine Kraftstoffpumpe, einen Druckregler zur Regelung eines Einspritzdrucks,
einen Injektor und einen Luftsteller, welche integrale Bestandteile
eines Einspritzmoduls sind. Das Einspritzmodul ist ein kompaktes, kleinbauendes
Bauteil. Neben dem Einspritzmodul umfasst die erfindungsgemäße
Einspritzvorrichtung ferner eine Kraftstoffzuleitung, eine Kraftstoffrückleitung
sowie eine Luftbypassleitung. Ferner umfasst das Einspritzmodul
eine Betätigungseinrichtung, welche die Kraftstoffpumpe
und/oder den Luftsteller betätigt. Die Betätigungseinrichtung
umfasst einen aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial
hergestellten Aktor. Hierdurch ist es möglich, dass die
Betätigungseinrichtung durch Anlegen eines Magnetfelds
den Aktor aktiviert und hierdurch eine gewünschte Betätigung
der Kraftstoffpumpe und/oder des Luftstellers ermöglicht
wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass der aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial
hergestellte Aktor eine sehr große Längung aufweist,
so dass keine Übersetzung eines Hubes des Aktors notwendig
ist. Weiter vorteilhaft ist, dass der erfindungsgemäße
Aktor eine sehr hohe Dynamik aufweist. Somit kann eine Betätigung bei
sehr kurzen Ansprechzeiten ermöglicht werden. Das Einspritzmodul
kann dabei komplett vormontiert werden, so dass es lediglich an
die notwendigen Anschlüsse angeschlossen werden muss und
in ein Fahrzeug direkt eingebaut werden kann. Die Bauteile des Einspritzmoduls
sind dabei vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse des
Einspritzmoduls angeordnet. Neben der Kompaktheit des Einspritzmoduls
ist ein weiterer großer Vorteil, dass auch andere Bauteile
für das Einspritzmodul minimiert werden können.
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Die
Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
umfasst die Betätigungseinrichtung eine Spule als Magnetfeld
erzeugendes Bauteil. Dadurch kann die Betätigungseinrichtung sehr
einfach und kostengünstig aufgebaut sein und benötigt
nur einen kleinen Bauraum. Der Aktor ist weiter bevorzugt zylindrisch
oder als Quader ausgebildet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst
die Betätigungseinrichtung einen ersten Aktor für
die Kraftstoffpumpe und einen zweiten Aktor für den Luftsteller.
Hierdurch ist es möglich, dass die Kraftstoffpumpe und
der Luftsteller auch separat voneinander betätigt werden
können. Besonders bevorzugt ist hierbei der erste Aktor
aus einem anderen magnetischen Formgedächtnismaterial hergestellt
als der zweite Aktor. Hierbei ermöglicht das magnetische
Formgedächtnismaterial des zweiten Aktors vorzugsweise eine
Längenänderung bei einem kleineren Schwellenwert
der Magnetfeldstärke als das magnetische Formgedächtnismaterial
des ersten Aktors. Weiter bevorzugt sind die verschiedenen magnetischen Formgedächtnismaterialien
des ersten und zweiten Aktors derart gewählt, dass bei
Anlegen einer gleichen Magnetfeldstärke eine Längenänderung
des ersten und zweiten Aktors unterschiedlich ist. Gemäß einer
weiteren bevorzugten Alternative ist die Wahl der verschiedenen
magnetischen Formgedächtnismaterialien des ersten und zweiten
Aktors derart, dass eine Längenänderung des zweiten
Aktors bei einer kleineren Magnetfeldstärke als eine Längenänderung
des ersten Aktors auftritt. Dadurch kann auf besonders einfache
Weise durch Regelung einer Magnetfeldstärke eine gemeinsame
Betätigung bzw. eine einzelne Betätigung eines
der Aktoren ermöglicht werden.
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Besonders
bevorzugt ist der erste Aktor mit der Kraftstoffpumpe verbunden
und der zweite Aktor ist mit dem Luftsteller verbunden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Alternative der vorliegenden Erfindung umfasst
die Betätigungseinrichtung genau einen Aktor, welcher den Luftsteller
und die Kraftstoffpumpe gemeinsam betätigt. Dadurch kann
insbesondere eine Bauteilezahl des Einspritzmoduls gering gehalten
werden und somit die Herstellkosten reduziert werden.
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Weiter
bevorzugt ist der Druckregler ferner ein integraler Bestandteil
des Injektors. Der Injektor ist dabei bevorzugt als nach außen öffnender
Injektor ausgebildet, wobei der Injektor ab einem vorbestimmten
Druck öffnet, um eine Einspritzung von Kraftstoff in ein
Saugrohr oder einen Brennraum zu ermöglichen.
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Weiter
betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, welche
genau einen Zylinder oder genau zwei Zylinder sowie eine erfindungsgemäße
Kraftstoffeinspritzvorrichtung umfasst. Besonders bevorzugt umfasst
die Brennkraftmaschine einen Kraftstofftank, welcher oberhalb des
Einspritzmoduls angeordnet ist. Dadurch kann insbesondere die Kraftstoffpumpe
sehr klein ausgelegt werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Ansicht eines Kleinmotors mit einer Einspritzvorrichtung
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, und
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2 eine
schematische Ansicht eines Einspritzmoduls der Einspritzvorrichtung
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein
Kleinmotor 1 mit einer erfindungsgemäßen
Einspritzvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
im Detail beschrieben.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau des Kleinmotors 1, welcher als Einzylindermotor
ausgebildet ist. Der Kleinmotor 1 umfasst einen Zylinder 3, einen
darin hin- und herbewegbaren Kolben 4, eine Steuereinheit 5 und
einen Tank 6. Der Tank 6 ist über eine
Kraftstoffzuleitung 6a mit einem Einspritzmodul 2 verbunden.
Eine Kraftstoffrückleitung 6b geht von dem Einspritzmodul 2 zurück
zum Tank 6. Wie aus 1 schematisch
ersichtlich ist, ist der Tank 6 über dem Einspritzmodul 2 angeordnet.
Dadurch läuft der Kraftstoff durch die Kraftstoffzuleitung 6a aufgrund der
Schwerkraft zum Einspritzmodul 2. Das Einspritzmodul 2 ist
sehr schematisch dargestellt und umfasst eine Kraftstoffpumpe, einen
Injektor mit integriertem Druckregler, und einen Luftsteller, so
dass das Einspritzmodul 2 sehr kompakt aufgebaut ist.
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Der
Kleinmotor 1 umfasst ferner eine Drosselklappe 7,
welche in einem Saugrohr 8 angeordnet ist. Am Zylinder 3 sind
ferner eine Zündkerze 9, ein Einlassventil 10 und
ein Auslassventil 11 angeordnet. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet
eine Bypassleitung für Luft, welche Luft vom Saugrohr 8 von
einem Bereich in Strömungsrichtung der Luft vor der Drosselklappe 7 abzweigt
und direkt zum in das Einspritzmodul 2 integrierten Luftsteller
führt. Ein Auslass 12z der Bypassleitung 12 mündet
im Saugrohr 8 hinter der Drosselklappe 7.
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Weiter
umfasst der Kleinmotor 1 eine Abgasleitung 13,
welche durch das Auslassventil 11 freigegeben bzw. verschlossen
wird. Ferner ist ein Sauerstoffsensor 14 an der Abgasleitung 13 vorgesehen, welcher
mit der Steuereinheit 5 verbunden ist, und die Steuereinheit 5 ist
ferner mit einem Kühlwassersensor 15, einem Öltemperatursensor 16 und
einer Sensoreinheit 17 für die Erfassung einer
Drosselposition, einer Temperatur im Saugrohr 8 und eines Drucks
im Saugrohr 8 verbunden. Die Steuereinheit 5 steuert
dabei anhand der erhaltenen Signale das Einspritzmodul 2.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung umfasst
somit das Einspritzmodul 2 mit einer Kraftstoffpumpe, einem
Druckregler, einem Injektor und einem Luftsteller sowie eine Kraftstoffzuleitung
einer Kraftstoffrückleitung und einen Luftbypassanschluss, und
kann besonders kompakt und kleinbauend ausgelegt werden. Ferner
kann die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung
sehr kostengünstig hergestellt werden und insbesondere
schon im voraus das Einspritzmodul komplett vormontiert werden,
so dass es lediglich in den Kleinmotor 1 als Kompaktbaugruppe eingebaut
werden muss. Durch die Integration der vier Einzelteile Kraftstoffpumpe,
Druckregler, Injektor und Luftsteller in das Einspritzmodul ist
somit eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit
gewährleistet. Dadurch kann die erfindungsgemäße
Einspritzvorrichtung 2 beispielsweise in Kleinmotoren von
Zweirädern oder Rasenmähern verwendet werden.
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2 zeigt
das Einspritzmodul 2 im Detail. Im Einspritzmodul 2 sind
die Kraftstoffpumpe 20a, der Druckregler 20b,
der Injektor 20c und der Luftsteller 20d integriert.
Hierzu ist ein Gehäuse 25 vorgesehen, welches
aus Kunststoff gespritzt wird. Der Druckregler 20b ist
dabei Bestandteil des Injektors 20c. Eine gemeinsame Betätigungseinrichtung
betätigt dabei sowohl die Kraftstoffpumpe 20a als
auch den Luftsteller 20d. Die gemeinsame Betätigungseinrichtung
umfasst dabei eine zylinderringförmige Spule 21,
einen ersten Aktor 22 für die Kraftstoffpumpe und
einen zweiten Aktor 23 für den Luftsteller. Das Gehäuse 25 ist
mittels eines Deckels 24 verschlossen.
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Der
erste Aktor 22 für die Kraftstoffpumpe ist aus
einem ersten magnetischen Formgedächtnismaterial hergestellt.
Der zweite Anker 23 für den Luftsteller ist aus
einem zweiten magnetischen Formgedächtnismaterial hergestellt,
welches unterschiedlich zum Material des ersten Ankers 22 ist.
Die Spule 21 ist, wie aus 2 ersichtlich
ist, um 90° gedreht zu einer Axialrichtung X-X des Einspritzmoduls 2 angeordnet.
Die Spule 21 baut dabei ein Magnetfeld auf, in welchem
sowohl der erste Anker 22 als auch der zweite Anker 23 liegt.
Somit werden die beiden Anker durch die gemeinsame Spule 21 betätigt.
Die beiden unterschiedlichen magnetischen Formgedächtnismaterialien
für den ersten Anker 22 und den zweiten Anker 23 sind
dabei derart gewählt, dass der erste Anker 22 bei
einer größeren Magnetfeldstärke anspricht
als der zweite Anker 23. Dadurch kann erreicht werden,
dass durch Regelung der Magnetfeldstärke, welche durch
die Spule 21 erzeugt wird, der Luftsteller 20d separat
betätigt werden kann, ohne dass die Kraftstoffpumpe betätigt
wird. Ferner kann bei einem langsamen Aufbau des Magnetfelds erreicht
werden, dass der Luftsteller 20d vor der Kraftstoffpumpe 20a betätigt
wird.
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Wie
weiter aus 2 ersichtlich ist, umfasst die
Kraftstoffpumpe 20a einen Pumpenkolben 26, welcher
mit dem ersten Anker 22 in Kontakt ist. Der Pumpenkolben 26 ist
in einem topfartigen Buchsenelement 29 angeordnet, welches
als Zylinder für den Pumpenkolben 26 dient. Die
Kraftstoffpumpe 20a umfasst ferner einen Pumpraum 27,
welcher im Inneren des topfartigen Buchsenelements 29 angeordnet ist
und in welchem Kraftstoff unter Druck setzbar ist. Im Pumpraum 27 ist
ferner ein Rückstellelement 28 zur Rückstellung
des Pumpenkolbens 26 in eine Ausgangsposition angeordnet.
Der in 2 gezeigte Zustand der Kraftstoffpumpe ist am
Ende eines Ansaughubs und zu Beginn eines Druckhubs.
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Wie
weiter aus 2 ersichtlich ist, sind im ersten
Buchsenelement 29 drei Durchgangsöffnungen gebildet,
nämlich eine erste Durchgangsöffnung 29a,
eine zweite Durchgangsöffnung 29b und eine dritte
Durchgangsöffnung 29c. An den drei Durchgangsöffnungen 29a, 29b, 29c ist
jeweils ein Rückschlagventil, nämlich ein erstes
Rückschlagventil 31, ein zweites Rückschlagventil 32 und
ein drittes Rückschlagventil 33 angeordnet. Die
erste Durchgangsöffnung 29a ist dabei als Kraftstoffzufuhröffnung
vorgesehen und kann aus der Kraftstoffzuleitung 6a bei
geöffnetem ersten Rückschlagventil 31 Kraftstoff
in den Pumpraum 27 zuführen. Die zweite Durchgangsöffnung 29b stellt
eine Verbindung zu einem Druckraum 42 des Injektors 20c bereit.
Die dritte Durchgangsöffnung 29c stellt bei geöffnetem
dritten Rückschlagventil 33 eine Verbindung zur
Kraftstoffrückleitung 6b her.
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Der
Injektor 20c umfasst integral den Druckregler 20b zur
Regelung eines Einspritzdrucks. In diesem Ausführungsbeispiel
umfasst der Injektor 20c ein nach außen öffnendes
Ventilglied 40 sowie eine Rückstellfeder 41,
welche im Druckraum 42 angeordnet ist. Die Rückstellfeder 41 stellt
das Ventilglied 40 wieder in seine Ausgangsposition zurück.
Das nach außen öffnende Ventilglied 40 öffnet
dabei, sobald ein Druck im Druckraum 42 größer
ist als eine Rückstellkraft der Rückstellfeder 41.
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Wie
weiter aus 2 ersichtlich ist, umfasst der
Luftsteller 20d ein Schließglied 35 und
eine Rückstellfeder 36. Das Schließglied 35 schließt
bzw. gibt die Bypassleitung 12 an einem Ventilsitz 37 frei
bzw. verschließt diesen. Das Schließglied 35 ist
dabei mit dem zweiten Anker 23 in Kontakt derart, dass
es bei einer Längung des zweiten Ankers 23 öffnet.
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Die
Funktion des erfindungsgemäßen Einspritzmoduls 2 ist
dabei wie folgt. Wenn an die Spule 21 Spannung angelegt
wird, wird im radial nach außen gerichteten Bereich um
die Spule 21 ein Magnetfeld erzeugt, welches auf den ersten
Aktor 22 und den zweiten Aktor 23 wirkt. Wenn
dabei das erzeugte Magnetfeld stark genug ist, wird sowohl der Luftsteller 20d als
auch die Kraftstoffpumpe 20a betätigt. Bei der
Kraftstoffpumpe 20a wird aufgrund der Längung des
ersten Aktors 22 in Axialrichtung X-X des Einspritzmoduls 2 der
Pumpenkolben 26 in Richtung des Pfeils A gegen die Rückstellkraft
des Rückstellelements 28 gedrückt. Dadurch
wird das erste Rückschlagventil 31 geschlossen.
Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die
Mündungspositionen der ersten Durchgangsöffnung 29a und
der dritten Durchgangsöffnung 29c in Axialrichtung
X-X unterschiedlich, wobei die dritte Durchgangsöffnung 29c näher
am oberen Totpunkt des Kolbenwegs des Pumpenkolbens 26 angeordnet
ist. Hierdurch wird, wenn der Pumpenkolben 26 in Richtung
des Pfeils A bewegt wird, zuerst noch Kraftstoff bzw. gasförmige
Bestandteile aus dem Pumpraum 27 über das geöffnete
dritte Rückschlagventil 33 in die Kraftstoffrückleitung 6b ausgeschoben.
Erst wenn eine Kolbenfläche 26a die dritte Durchgangsöffnung 29c vollständig überfahren
hat, beginnt ein Druckaufbau im Pumpraum 27. Sobald ein
vorbestimmter Druck im Pumpraum 27 erreicht ist, öffnet
das bisher geschlossene zweite Rückschlagventil 32.
Dadurch kann unter Druck stehender Kraftstoff vom Pumpraum 27 in
den Druckraum 42 des Injektors 20c geschoben werden.
Sobald der Druck im Druckraum 42 den Öffnungsdruck
erreicht, öffnet der Injektor 20c und Kraftstoff
wird in das Saugrohr 8 eingespritzt. Wenn der Druck im
Druckraum 42 wieder unter den Öffnungsdruck sinkt, schließt
die Rückstellfeder 41 den Injektor 20c wieder und
die Einspritzung ist beendet. Wenn weiter die Bestromung der Spule 21 beendet
wird, nimmt der erste Aktor 22 und der zweite Aktor 23 jeweils
wieder die Ausgangsgestalt ein, wodurch eine Verkürzung
der Aktoren 22, 23 erfolgt. Durch die Verkürzung
des ersten Aktors 22 kann das Rückstellelement 28 den Pumpenkolben 26 in
Richtung entgegengesetztem Pfeil A wieder in die Ausgangsposition
zurückstellen. Dabei entsteht im Pumpraum 27 ein
Unterdruck, so dass das erste Rückschlagventil 31 öffnet
und das zweite Rückschlagventil 32 und das dritte
Rückschlagventil 33 jeweils geschlossen werden.
Dadurch wird Kraftstoff über die Kraftstoffzuleitung 6a in den
Pumpraum 27 angesaugt.
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Die
Verwendung der Aktoren 22, 23 aus einem magnetischen
Formgedächtnismaterial ermöglicht es, dass die
Längung der Aktoren 22, 23 ohne eine Übersetzungseinrichtung
unmittelbar an den Luftsteller 20d bzw. die Kraftstoffpumpe 20a übertragen
werden kann. Magnetische Formgedächtnismaterialien weisen
beispielsweise im Vergleich mit Piezo-Materialien eine größere
Längung (bis zu 10% größere Längung)
auf. Hierdurch kann der Aufbau des Einspritzmoduls 2 einfach
gestaltet werden. Ferner können mittels der Aktoren aus
magnetischem Formgedächtnismaterial relativ große
Kräfte übertragen werden, ohne dass es zu Beschädigungen
an den Aktoren kommt. Weiterhin kann durch unterschiedliche Wahl
von magnetischem Formgedächtnismaterial für den
ersten und zweiten Aktor 22, 23 eine Entkopplung
von Einspritzung und Luftsteuerung einfach realisiert werden. Auch
kann eine hohe Genauigkeit bei der Einspritzung erreicht werden,
da die Reaktion der Aktoren bei Anlegen eines Magnetfelds sehr schnell
ist. Als magnetisches Formgedächtnismaterial werden vorzugsweise
Legierungen, wie beispielsweise Ni-Mn-Ga-Legierungen verwendet.
Es sind jedoch auch andere magnetische Formgedächtnislegierungen
verwendbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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