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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzvorrichtung mit einer Kraftstoffpumpe und einem Injektor in einer kompakten Bauweise mit einem reduzierten Druckabfall bei der Kraftstoffzuführung.
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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.
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Allerdings ist der Aufbau relativ kompliziert und die Vorrichtung nimmt einen großen Bauraum ein.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie einen sehr schlanken und kompakten Aufbau aufweist. Ferner kann die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Dadurch kann die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung insbesondere bei Kleinbrennkraftmaschinen, z. B. bei Zweirädern oder Rasenmähern o. a., verwendet werden. Ferner ermöglicht die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung einen reduzierten Druckabfall bei der Kraftstoffzuführung. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Einspritzvorrichtung eine Kraftstoffpumpe und einen Injektor umfasst, welche integrale Bestandteile eines Einspritzmoduls sind. Das Einspritzmodul ist ein kompaktes, kleinbauendes Bauteil, in welchem die Kraftstoffpumpe und der Injektor angeordnet sind. Ein Druckregler zur Regelung des Einspritzdrucks ist in den Injektor integriert. Die Kraftstoffpumpe umfasst einen hohlzylindrischen Kolben, durch welchen eine Kraftstoffzufuhr zum Injektor erfolgt. Ferner umfasst die Kraftstoffpumpe einen Aktuator zur Betätigung des Kolbens. Kraftstoff wird zum Einspritzmodul über eine Kraftstoffzuleitung zugeführt. Dabei liegt eine Mündung der Kraftstoffzuleitung auf einer gemeinsamen Achse mit dem hohlzylindrischen Kolben. Hierdurch kann der Kraftstoff unter Nutzung der Schwerkraft zugeführt werden, so dass ein kleinerer Druckabfall bei einer Befüllung, d. h., während der Ansaugphase, vorhanden ist. Erfindungsgemäß verläuft somit ein Kraftstoffzufuhrpfad geradlinig entlang einer Achse durch den Kolben. Ferner kann durch die erfindungsgemäße Lösung verhindert werden, dass Gasblasen, welche durch Ausgasungen aus dem Kraftstoff entstehen können, mit angesaugt werden. Die Anordnung von Kraftstoffzuleitung und Kolben auf einer Achse ermöglicht auch einen schlankeren Aufbau, so dass Bauraum eingespart werden kann.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist ein Kraftstoffrückführpfad entlang einer Außenseite des hohlzylindrischen Kolbens geführt. Hierdurch kann die Einspritzvorrichtung noch schlanker ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Einspritzmodul ferner eine Druckkammer, in welcher der Injektor angeordnet ist. Dabei ist zwischen der Druckkammer und dem hohlzylindrischen Kolben ein Einlassventil angeordnet. Das Einlassventil gibt dabei eine Verbindung zwischen dem hohlzylindrischen Kolben und dem Injektor frei bzw. verschließt diese. Bevorzugt weist das Einlassventil dabei ein Schließelement auf, welches einen Durchmesser aufweist, welcher gleich groß wie ein Außendurchmesser des hohlzylindrischen Kolbens ist. Hierdurch weist das Schließelement eine gewisse Mindestmasse auf, welche eine vorbestimmte Massenträgheit bereitstellt, so dass bei einer Rückstellung des Kolbens das Einlassventil zumindest kurzzeitig in Offenstellung verbleibt.
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Weiter bevorzugt umfasst die Einspritzvorrichtung eine Vorkammer, in welche die Kraftstoffzufuhrleitung mündet und von welcher eine Kraftstoffrückführleitung abgeht. Hierdurch kann eine Mischung von ausgegastem Kraftstoff, welcher zurückgeführt wird und dem frischen, zugeführten Kraftstoff in der Vorkammer erfolgen. Das dadurch entstehende flüssige Kraftstoffgemisch hat einen geringeren Dampfdruck als der zuströmende Frischkraftstoff, welcher dadurch hinsichtlich einer Ausgasung unkritischer ist.
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Für einen besonders kompakten und schlanken Aufbau ist vorzugsweise die Kraftstoffzufuhrleitung und die Kraftstoffrückführleitung nebeneinander stirnseitig an der Einspritzvorrichtung angeordnet.
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Weiter bevorzugt umfasst der Aktuator, welcher den Kolben betätigt, einen Anker, welcher beim Vorgang des Ansaugens Kraftstoff aus der Vorkammer verdrängt. Hierdurch wird durch die Bewegung des Ankers in die Vorkammer hinein beim Ansaugvorgang dynamisch ein Druck erzeugt, welcher die Förderung des Kraftstoffes in den hohlzylindrischen Kolben begünstigt.
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Vorzugsweise ist an der Außenseite des Kolbens eine Nut gebildet, deren axiale Länge den Beginn eines Druckaufbaues in der Druckkammer definiert. Hierdurch kann eine einfache und sichere Steuerung des Druckaufbaues bereitgestellt werden.
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Weiter bevorzugt umfasst die Einspritzvorrichtung wenigstens ein Filterelement, welches in Strömungsrichtung vor dem hohlzylindrischen Kolben angeordnet ist. Das Filterelement ist vorzugsweise rohrförmig ausgebildet und mit einem Endbereich mit der Kraftstoffzuleitung, und mit dem anderen Endbereich mit dem Hohlbereich des Kolbens verbunden. Dabei ist das Filterelement in der Vorkammer angeordnet und die Maschen des Filterelements verhindern dabei, dass Gasblasen aus der Vorkammer in das Innere des rohrförmigen Filterelements gelangen können. Besonders bevorzugt weist das Filterelement eine nach außen gerichtete Außenfläche auf, welche dabei aufsteigende Gasblasen, entsprechend der Neigung der nach außen gerichteten Außenfläche, seitlich ablenkt. Somit können aufsteigende Gasblasen einfach zur Seite abgeführt werden, so dass die Gefahr signifikant reduziert wird, dass derartige Gasblasen durch das Filterelement treten und mit angesaugt werden könnten.
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Der Injektor umfasst vorzugsweise ein nach innen öffnendes Ventilelement. Hierdurch kann eine besonders einfache Ventilgruppe bereitgestellt werden, da insbesondere der Aufwand für nach außen öffnende Ventilelemente entfallen kann. Der Druckregler wird vorzugsweise durch ein Rückstellelement des Ventilelements bereitgestellt. Somit kann eine kompakte Einspritzvorrichtung mit nach innen öffnendem Ventilelement bereitgestellt werden, wobei für eine Einspritzung das Ventilelement entgegengesetzt zur Einspritzrichtung bewegt wird. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine, welche genau einen Zylinder oder genau zwei Zylinder sowie eine erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung umfasst.
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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 Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Ansicht des Einspritzmoduls mit Kraftstoffzuleitung und Kraftstoffrückleitung gemäß dem Ausführungsbeispiel,
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3 eine Vergrößerung des Injektors von 2, und
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4 eine schematische, perspektivische Ansicht des Injektors von 2.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 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 und einen Injektor mit integriertem Druckregler, 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.
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Der Kleinmotor 1 umfasst weiter 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. Ferner kann ein Booster 18 eingesetzt werden, um zu Beginn der Aktivierung des Aktuators eine schnellere Aktivierung und damit eine schnellere Beschleunigung des Kolbens auszuführen. Der Booster 18 verstärkt dabei insbesondere Signale, welche für einen Aktuator des Einspritzmoduls vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung ist somit als Einspritzmodul 2 mit einer Kraftstoffpumpe und einem Injektor mit integriertem Druckregler vorgesehen, und kann besonders kompakt und kleinbauend ausgelegt werden. Ferner kann die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung sehr kostengünstig hergestellt werden und insbesondere schon im voraus als komplettes Einspritzmodul vormontiert werden, so dass es lediglich in den Kleinmotor 1 als Kompaktbaugruppe eingebaut werden muss. Durch die Integration der drei Einzelteile Kraftstoffpumpe, Druckregler und Injektor ist somit eine einfache und kostengünstige Herstellbarkeit gewährleistet. Die erfindungsgemäße Einspritzvorrichtung 2 kann 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 und der Injektor 20c integriert. Der Druckregler 20b ist dabei Bestandteil des Injektors 20c. Ein Aktuator betätigt die Kraftstoffpumpe 20a. Der Aktuator umfasst dabei eine Spule 21 und einen Anker 22. Der Anker 22 ist fest mit einem hohlzylindrischen Kolben 23 der Kraftstoffpumpe 20a verbunden. Der Anker 22 ist in einem hohlzylindrischen Führungsbauteil 24 geführt. Eine Rückstellfeder 28 stützt sich an einem Gehäuseteil 25 sowie einem nach außen vorstehenden Bereich des Kolbens 23 ab und stellt den Anker gemeinsam mit dem Kolben 23 in eine Ausgangsposition zurück. Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, ist die Spule 21 in einem mit Luft gefüllten, kraftstofffreien Raum 26 angeordnet und eine elektrische Leitung zur Spule 21 ist mit dem Bezugszeichen 27 gekennzeichnet.
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Der Kolben 23 ist in diesem Ausführungsbeispiel als hohlzylindrischer Kolben mit einer Einlassöffnung 23a und einer Auslassöffnung 23b angeordnet. Die Auslassöffnung 23b ist dabei mittels eines Einlassventils 30 freigebbar bzw. verschließbar. Das Einlassventil 30 umfasst eine Kugel 31 und eine Rückstellfeder 32. Ein Durchmesser D1 der Kugel ist gleich groß wie ein Außendurchmesser D2 des Kolbens 23. Wie insbesondere aus den 3 und 4 ersichtlich ist, ist am äußeren Mantel im Bereich der Auslassöffnung 23b eine Nut 23c gebildet. Die Nut 23c wirkt dabei mit einem Vorsprung 25a am Gehäuse der Einspritzvorrichtung zusammen und stellt eine Verbindung zwischen einem Druckraum 30 und einem Vorraum 34 bereit. Die Verbindung ist dabei entlang der Außenfläche des Kolbens 23 geführt, wobei im Anker 22 ein Kanal 22a vorgesehen ist. Die Rückstellfeder 32 des Einlassventils 33 stützt sich dabei an einer Baugruppe ab, welche den Injektor 20c bereitstellt.
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Der Injektor 20c umfasst ein Ventilelement 40, welches in diesem Ausführungsbeispiel aus Kugel ausgebildet ist. Das Ventilelement 40 dichtet an einem Ventilsitz 49 ab, welcher an einem Ventilkörper 42 ausgebildet ist. Das Ventilelement 40 kann dabei einen Durchlass 46 freigeben und verschließen. Ein Druckregler 20b ist in diesem Ausführungsbeispiel als kegelförmige Rückstellfeder 41 ausgebildet, welche direkt auf das Ventilelement 40 drückt. Im Ventilkörper 42 sind seitliche Bohrungen 44 und 45 vorgesehen, welche über seitliche Kanäle 31 die Pumpkammer 30 mit dem Ventilelement 40 verbindet. Das Ventilelement 40 hebt somit von seinem Ventilsitz 49 ab, sobald der Druck in der Pumpkammer 30, welcher über die Bohrungen 44 und 45 auch am Ventilelement 40 anliegt, größer ist als eine Rückstellkraft der Rückstellfeder 41. Der Druckregler 20b umfasst dabei ferner eine Einstellschraube 43, mit welcher die Vorspannkraft der Rückstellfeder 41 einstellbar ist. Mit dem Bezugszeichen 48 ist dabei ein Anschlag bezeichnet, welcher einen Hub des Ventilelements 40 begrenzt. Ferner sind im Ventilkörper 42 Bohrungen 47 vorgesehen, welche zu einem nicht gezeigten Rückströmpfad des Kraftstoffs führen, der zurück zum Vorraum 34 führt.
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Ferner umfasst die Einspritzvorrichtung ein Filterelement 50, welches in diesem Ausführungsbeispiel zwei Filter 51, 52 umfasst. Wie aus 2 ersichtlich ist, sind die Filter 51, 52 unmittelbar an einer Mündung 60 der Kraftstoffzuleitung 6a und dem Anker 22 angeordnet. Die Filter 51, 52 weisen dabei jeweils eine nach außen gerichtete Außenfläche 51a bzw. 52a auf. Diese nach außen gerichteten Außenflächen dienen dazu, um Gasblasen, welche durch den an der Außenseite des Kolbens 23 gebildeten Kraftstoffrückführpfad aufsteigen können, zur Außenseite abzulenken.
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Die Kraftstoffrückleitung 6b ist dabei, wie aus 2 ersichtlich ist, unmittelbar neben der Kraftstoffzuleitung 6a angeordnet. Dabei sind die Kraftstoffzuleitung 6a und die Kraftstoffrückleitung 6b beide am in Einbauposition oberen, stirnseitigen Ende des Einspritzmoduls 2 angeordnet.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Einspritzmoduls 2 ist dabei wie folgt:
Kraftstoff wird durch eine Rückstellbewegung des Kolbens 23 angesaugt und dem Druckraum 30 zugeführt. 2 zeigt dabei die Stellung des Kolbens 23 am Ende der Ansaugung, wobei der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindlich ist. Die Zuführung von Kraftstoff zur Druckkammer 30 kann dabei deshalb gelingen, weil das Ventilelement 31 des Einlassventils 33 eine große Masse aufweist und bei einer Bewegung des Kolbens 23 nach oben das Ventilelement 31 aufgrund seiner Massenträgheit nicht sofort folgen kann und so die Verbindung zwischen dem hohlen Innenbereich des Kolbens 23 und der Druckkammer 30 freigegeben wird. Erst wenn sich der Kolben 23 in der in 2 gezeigten Endposition des Ansaugtraktes befindet, kann die Rückstellfeder 32 das Ventilelement 31 an die Auslassöffnung 23b anlegen und diese verschließen.
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Wenn nun eine Einspritzung erfolgen soll, wird die Spule 21 bestromt, so dass sich der Anker 22 mitsamt dem Kolben 23 in Richtung des Pfeils A nach unten bewegt. Dabei wird das Ventilelement 31 des Einlassventils 33 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 32 mitbewegt. Zu Beginn der Bewegung des Kolbens 23d ist dabei jedoch über den Kanal 23c immer noch eine Verbindung zwischen der Druckkammer 30 und der Vorkammer 34 vorhanden. Erst wenn eine Steuerkante 23d den Vorsprung 28 am Gehäuse überfährt, beginnt ein Druckaufbau in der Druckkammer 30. Der Druckaufbau erfolgt so lange, bis der Druck größer ist als eine Rückstellkraft des Rückstellelements 41 des Injektors 20c. Dann hebt das Ventilelement 40 des Injektors ab und eine Einspritzung durch den Durchlass 46 in das Saugrohr 8 erfolgt.
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Wenn die Einspritzung beendet werden soll, wird die Bestromung durch die Spule 21 abgestellt, so dass das Rückstellelement 28 den Kolben mitsamt dem Anker 22 wieder in die in 2 gezeigte Außenposition zurückstellt. Dabei wird nun frischer Kraftstoff durch den hohlen Kolben 23 auch in den Druckraum 30 zugeführt, da die Verbindung zwischen dem hohlen Kolben 23 und dem Druckraum 30 aufgrund der Massenträgheit des Einlassventils 33 noch vorhanden ist.
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Gasblasen, welche über den Rücklaufpfad an der Außenseite des Kolbens 23 zurück zum Vorraum 34 geführt werden, werden durch die Filter 51, 52 seitlich abgelenkt und können weiter in die Kraftstoffrückleitung 6b hochsteigen, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Gasblasen versehentlich angesaugt werden.
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Erfindungsgemäß sind dabei die Mündung 60 der Kraftstoffzuleitung 6a und der Kolben 23 auf einer gemeinsamen Achse X-X angeordnet. Auch der Injektor 20c ist auf dieser gemeinsamen Achse X-X angeordnet. Hierdurch kann ein besonders schlanker Aufbau der Einspritzvorrichtung ermöglicht werden. Weiterhin kann die Schwerkraft bei der Kraftstoffzuführung für die Füllung des hohlzylindrischen Kolbens 23 ausgenützt werden. Hierdurch ergibt sich auch ein kleinerer Druckabfall bei der Füllung, da keinerlei Umlenkungen des Kraftstoffs von der Kraftstoffzuleitung 6a durch den Kolben 23 bis zum Injektor notwendig sind. Weiterhin kann während des Ansaugvorgangs bei der Bewegung des Ankers 22 und des Kolbens 23 nach oben dynamisch ein Druck im Vorraum 34 erzeugt werden, da Kraftstoff durch den Anker 22 im Vorraum 34 verdrängt wird. Dies begünstigt weiterhin die Förderung des Kraftstoffs in den hohlzylindrischen Kolben 23.
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Die Filter 51, 52 sind vorzugsweise als Trennsiebe ausgebildet und weisen eine trichterförmige Gestalt auf. Hierdurch werden aufsteigende Gasblasen vom zentralen Zulauf seitlich abgelenkt und können einfach abgeführt werden. Da weiterhin die Kraftstoffzuleitung 6a und die Kraftstoffrückleitung 6b an einer Stelle der Einspritzvorrichtung angeordnet sind, ergeben sich Vorteile bei der Leitungsverlegung.
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Erfindungsgemäß wird somit eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kraftstoffpfades innerhalb der Einspritzvorrichtung derart vorgenommen, dass zentral der Kraftstoff linear zugeführt wird und eine Kraftstoffrückführung ebenfalls zentral an den Außenseiten des Kolbens und des Ankers ermöglicht wird. Hierdurch kann die Einspritzvorrichtung eine längliche, schlanke Gestalt mit nur einem geringen Gesamtdurchmesser aufweisen. Insbesondere im Bereich des Injektors 20c und der Kraftstoffpumpe 20a kann ein geringer Außendurchmesser realisiert werden, so dass wenig Beschränkungen hinsichtlich einer Positionierung der Einspritzvorrichtung am Saugrohr 8 vorhanden sind.
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Es sei weiter angemerkt, dass die Einspritzvorrichtung sehr kompakt und kostengünstig aufgebaut ist. In dem Ausführungsbeispiel wurde als Aktuator jeweils ein magnetischer Aktuator durch Bestromung einer Spule beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, dass grundsätzlich auch andere mögliche Aktuatoren verwendet werden können, z. B. ein Piezoaktuator.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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