EP1353058A2 - Vergaser für Ottomotor mit einstellbarer Brennstoffdüse - Google Patents

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EP1353058A2
EP1353058A2 EP03006885A EP03006885A EP1353058A2 EP 1353058 A2 EP1353058 A2 EP 1353058A2 EP 03006885 A EP03006885 A EP 03006885A EP 03006885 A EP03006885 A EP 03006885A EP 1353058 A2 EP1353058 A2 EP 1353058A2
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EP
European Patent Office
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actuator
fuel
carburetor
engine according
otto engine
Prior art date
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EP03006885A
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English (en)
French (fr)
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EP1353058A3 (de
EP1353058B1 (de
Inventor
Norbert Dr.-Ing. Adolph
Martin Dr.-Ing. Düsterhöft
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vemac & Cokg GmbH
Original Assignee
Vemac & Cokg GmbH
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Publication date
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Publication of EP1353058A2 publication Critical patent/EP1353058A2/de
Publication of EP1353058A3 publication Critical patent/EP1353058A3/de
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Publication of EP1353058B1 publication Critical patent/EP1353058B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M17/00—Carburettors having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of preceding main groups F02M1/00 - F02M15/00
    • F02M17/14—Carburettors with fuel-supply parts opened and closed in synchronism with engine stroke ; Valve carburettors
    • F02M17/147—Valve carburettor with simultaneous air and fuel control

Definitions

  • the invention relates to a carburetor for an Otto engine with a Air funnel for sucking fuel from a mouth opening into the air funnel Fuel line.
  • the fuel line is connected to a fuel chamber and has between the fuel chamber and its mouth in the air funnel Fuel nozzle for adjusting a due to negative pressure in the air funnel from the Amount of fuel that can be drawn into the fuel chamber.
  • Carburettors in which the fuel-air mixture required for the operation of Otto engines generated by drawing in fuel and mixing with air for setting an operationally necessary variable fuel-air mixture only imperfectly suited. Especially with regard to performance adjustment and Fuel consumption, but also with regard to increasing demands on low values Harmful exhaust gas emissions are classified as non-optimizable
  • carburetors instead of carburetors, they are usually used for internal combustion engines elaborate injection systems used for mixture preparation.
  • injection systems used for mixture preparation.
  • small engines especially for driving small motorcycles, chainsaws or garden tools such as For example, lawn mowers, however, become simple and easy to handle Drive devices sought. It is essential to set them to the specified ones Exhaust emission limits.
  • the object of the invention is to provide a flexible engine power required customizable carburettor to create low harmful requirements Exhaust emissions fulfilled and moreover without significant energy loss can be operated for the entire system.
  • the fuel nozzle has one flow cross-section that can be changed by means of a piezoelectric actuator.
  • the flow cross section can be very sensitive to adjust.
  • the actuator reacts immediately to changing control values Energy consumption is low. Compared to all mechanical installations, this is both Weight and space requirements are negligible.
  • the in is particularly advantageous Relation with small engines given operational safety as well as for the Easy installation and removal for users.
  • the piezoelectric actuator can be used as a bending transducer or as a piezoelectric Be formed membrane, can be used to adjust the flow cross-section advantageously also an actuator effective in the axial direction, a longitudinal or also a transverse actuator can be used, claims 2, 3 and 4.
  • Such Actuators can be used directly as calibratable throttle elements for the Use fuel nozzles.
  • the piezoelectric actuator with an actuator for setting the Flow cross section connected, claim 5. This makes it possible, if necessary too little movement of the piezoelectric actuator due to an intermediate Enlarging translation element, claim 6.
  • FIG. 1 schematically shows a carburetor with an air funnel 1 and a pivotable throttle valve 2 arranged in the air funnel, via which the intake pressure for the fuel introduced from the fuel line 3 into the air funnel is controlled.
  • the fuel emerging from the fuel line 3 at its mouth 4 into the air funnel 1 is atomized.
  • a fuel nozzle 7 is inserted in the fuel line between the mouth 4 and a fuel chamber 5, which in the exemplary embodiment is filled with fuel from a fuel tank (not shown in FIG. 1) via a needle valve 6.
  • the fuel mass flow in the carburetor is influenced by the fuel nozzle.
  • the flow cross section of the fuel nozzle 7 can be calibrated.
  • the actuator is operatively connected to an actuator 10 which changes the flow cross section of the fuel nozzle 7.
  • the voltage generator 9 is controlled by a predetermined exhaust gas lambda value.
  • the exhaust gas composition is measured by a correspondingly suitable lambda sensor 11, which converts its measured value into an electrical signal and connects it to an electronic controller, in the exemplary embodiment a PID controller 12.
  • the starting point is the load requirement for the engine, which is specified as a reference variable for adjusting the fuel nozzle.
  • the exhaust gas mixture generated in this setting is analyzed by sensor 11 and leads via PID controller 12 to a setting correction for the amount of fuel to be supplied to the carburetor.
  • the fuel mass flow is thus regulated as a function of a predetermined exhaust gas composition to be observed.
  • FIG. 2 An embodiment of a piezoelectric actuator for setting a Actuator of a fuel nozzle is shown schematically in Figure 2.
  • a bending transducer 13 As an actuator a bending transducer 13 is used. The bending transducer is on one side in a fixed bearing 14 clamped and bimorph: two voltage sensors 15 are connected to each other adhering piezo elements 16a, 16b connected, which with a corresponding electrical activation of their ceramic layers at their free end around that Bend the fixed bearing 14 in the same way as a leaf spring in the direction 17.
  • the bending transducer controls an actuator in a throttle 18 to change it Flow cross-section 19 a conical nozzle needle 20 movable in the throttle having.
  • the nozzle needle is attached to the free end of the piezo element 16a.
  • the bending transducer 13 bends in such a way that the nozzle needle 20 is pressed into the throttle 18 and the Flow cross section 19 reduced.
  • an electrical potential that is positive with respect to the piezo element 16b so the nozzle needle 20 is lifted out of the throttle 18 and thus increases the Flow cross-section 19.
  • the bending transducer can be very much from the voltage generator adjust sensitively so that with appropriate training of the nozzle needle Fuel mass flow can be precisely adjusted to the required conditions.
  • a nozzle needle 24 is attached to one of the two piezo elements 25a, 25b of the Bending transducer 21 attached centrally, in the exemplary embodiment on the piezo element 25a, and can be applied by applying variable voltages to the piezo elements a tension transmitter 26 and the bulge of the bending transducer 21 caused thereby move in a throttle 27 to adjust its flow cross section 28.
  • the in The area of the flow cross section of the conical nozzle needle 24 is in the throttle guided radially in a slide bearing 29 and by means of a spring-damper system 30 secured against axial vibrations.
  • a spring-damper system 30 secured against axial vibrations.
  • a piezoelectric membrane 33 is used as the bending transducer, which acts on its circular membrane edge is clamped in a ring bearing 34 and their Bulge in the same way as in the embodiment of Figure 3 of one Voltage generator 35 is controlled.
  • the nozzle needle 36 is in the Throttle 37 guided radially in a slide bearing 39.
  • the clamped in the ring bearing piezoelectric membrane and the radial nozzle needle stabilize the mechanical structure for a fuel nozzle according to the invention piezoelectric actuator and calibratable actuator.
  • FIG. 5 shows an embodiment with a monomorph actuator: on Piezo element 40 is rigid on a spring plate 41 (spiral spring or plate spring) attached, in the embodiment, the piezo element to relieve it on the Spring plate glued on.
  • the spring plate 41 rests in the housing 42 in its edge region Bearings 43.
  • the bulge Piezo element 40 and with it the spring plate 41 so that a nozzle needle 44 moves becomes.
  • the nozzle needle is a mechanical one Membrane 45 performed in the housing 42 at its circular membrane edge a fixed bearing 46 is clamped.
  • the nozzle needle is such on the membrane attached that they due to the fuel pressure in the fuel chamber 47 of the Fuel nozzle rests non-positively on the surface of the bearing plate 41 and at bulging of the bearing plate due to activation of the piezo element both to close a throttle opening 48 and to open it is moving.
  • the mechanical one that guides the nozzle needle is used Membrane 45 at the same time to seal the fuel leading area of the Fuel nozzle with fuel inlet 49 and fuel outlet 50 from the Housing area in which the piezoelectric actuator is used.
  • the Piezoelectric actuator does not come into contact with fuel.
  • Figure 6 shows schematically an embodiment for the use of an axial Actuator 51.
  • an axial actuator is both a longitudinal and a Transversal actuator can be used.
  • the axial actuator is as Multilayer actuator with piezo layers 52 executed, but it can of course also an actuator stack with piezo elements glued together use.
  • the axial actuator expands in the direction when voltage is applied its axis 53.
  • a nozzle needle 54 is in the axial direction arranged, which is guided radially in a plain bearing 55 and by a spring element 56 is pressed non-positively against the actuator 51.
  • the axial actuator is closed its mechanical preload is surrounded by a tubular spring 57, which is the actuator axially clamped.
  • FIG. 7 shows a variant for a fuel nozzle according to the invention with a piezoelectric actuator for setting a nozzle needle, in which components of the exemplary embodiments according to FIGS. 5 and 6 are adopted.
  • An axial actuator 58 is again used as the actuator and a nozzle needle 60 guided by a mechanical membrane 59 is used.
  • an articulated lever 61 which is arranged between actuator 58 and nozzle needle 60, serves to move the nozzle needle in such a way that the axial extension of the actuator package can be enlarged.
  • the articulated lever 61 is pivotally fastened in the housing 62, in the exemplary embodiment in a solid body joint formed by a leaf spring 63, and non-positively connected to the axial actuator 58 and the nozzle needle 60, the point of engagement for the actuator 58 on the articulated lever 61 to the fixed point of the leaf spring 62 has a shorter distance 64 than the point of application of the nozzle needle 60 on the articulated lever with a distance 65.
  • the axial extension of the actuator 58 is thus translated according to the length ratio of distance 64 to distance 65.
  • the frictional connection between the nozzle needle 60 and the articulated lever 61 is supported in the exemplary embodiment by a spring element 66.
  • FIG. 8 shows an embodiment with a hydraulic displacement amplifier.
  • the fuel nozzle has an axial movable nozzle needle 67, the one in their axial movement Flow cross section 68 between fuel inlet 69 and fuel outlet 70 changed.
  • the nozzle needle 67 is on the nozzle shaft 71 in a slide bearing 72 in Housing 73 of the fuel nozzle guided radially and in the "position" shown in FIG. the fuel nozzle is held by a mechanical spring 74 which the Nozzle needle against a stop ring 75 attached to the nozzle shaft 71 Housing 73 presses.
  • the free end of the nozzle shaft 71 in the slide bearing 72 stands with a fuel-filled pressure chamber 76 in connection, the pressure of which piezoelectric actuator, again an axial actuator 77 in the exemplary embodiment certainly.
  • the actuator used for its axial movement on a voltage sensor 78 is connected, is protected by a corrugated tube-like protective cover 79 Surround actuator before touching fuel.
  • With the actuator 77 is a Piston 80 connected to be moved against a spring element 81 which in Housing 73 is clamped in a fixed bearing 82 and is non-positively on Piston base 83 of the piston 80 is supported.
  • the spring element 81 is used for Biasing of the actuator 77.
  • the spring element 81 is designed such that the Fuel that from the fuel inlet 69 in the Dryck space 76 penetrates, the pressure space completely fills, in the embodiment the spring element for the flow of fuel has openings 85.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 9 shows an axial actuator 86 which is between is inserted two leaf spring-like clamps 87 so that in an axial Elongation or shortening of the actuator changes the deflection of the bracket 87.
  • the axial movement of the actuator 86 is thus directed perpendicular to it Radial movement of the bracket 87 is transformed, the expansion of the Actuator can also influence quantitatively, in the embodiment, the axial Expansion in the radial direction increased.
  • One of the brackets is a non-positive one Nozzle needle 88 in contact, which in the case of an increase or decrease in the Bow deflection in their slide bearing 89 is shifted and - in the same As in all previous embodiments - one Flow cross section 90 of a throttle 91 changed.
  • a nozzle needle on the resilient bracket 87 facing it serves at the foot 92 of the Nozzle needle 88 engaging spring element 93.
  • FIG. 10 shows an axial actuator 94, which has a cross-section when moving axially a fuel line 95 changed.
  • the line consists of an elastic Pipe material that allows the flow cross section of the line in Dependent on the adjustable or shortening of the actuator to change reproducibly.
  • Pipe materials suitable for fuels such resilient movement have as little or no hysteresis for example plastics such as Viton or Peek, or metals such as stainless steel or Spring bronze.
  • FIG. 11 shows a further variant of the invention a piezoelectric bending transducer 96 is again used as the piezoelectric actuator, that within a fuel line 97 with a rectangular line cross-section 98 for Formation of a fuel nozzle is arranged. Via a voltage generator 99 can the bending transducer deform so that the flow cross section of the Fuel line 97 changed and the desired amount of fuel is reached.
  • a calibratable is used to form Fuel nozzle in a fuel line 100 with a rectangular line cross section 101 and a throttle point 102, which is formed by wall reinforcements 103, which Narrowing the flow cross section of the fuel line 100, an axial actuator 104 used.
  • the actuator is inserted in the wall reinforcements 103 and with a Voltage transmitter 105 connected.
  • the actuator 104 itself serves as a throttling device, with axial expansion of the actuator, the flow cross-section becomes the throttle point 102 is reduced.
  • the maximum change in length of the actuator is in Figure 12 schematically indicated by dashed lines.
  • a fuel nozzle with piezoelectric, which also requires little effort Actuator for regulating the throttle point is shown in FIG. 13.
  • a bending transducer 106 which is located in a space 107 between the fuel inlet 108 and fuel outlet 109 on both sides in bearings 110 in the exemplary embodiment is braced that the bending transducer in the rest position the access cross section 111 to Fuel drain 109 is closed. If the bending transducer 106 from Activated voltage generator 112, it opens the access cross-section for the passage of required amount of fuel.
  • the bending transducer can also be used in such a way that the access cross-section is open in the rest position of the bending transducer. to The bending transducer is then influenced by the fuel mass flow Activation in the closing direction - towards the access cross-section of the fuel outlet - emotional.

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Abstract

Für Otto-Motore wird ein Vergaser angegeben, der an erforderliche Motorleistungen flexibel anpassbar ist. Der Vergaser weist einen Lufttrichter (Fig.1, (1)) zum Ansaugen von Brennstoff aus einer in den Lufttrichter mündenden Brennstoffleitung (3) auf, die an einer Brennstoffkammer (5) angeschlossen ist und zwischen der Brennstoffkammer und ihrer Mündung (4) im Lufttrichter eine Brennstoffdüse (7) zur Einstellung der anzusaugenden Brennstoffmenge aufweist. Der Brennstoff wird aufgrund von Unterdruck im Lufttrichter aus der Brennstoffkammer abgesaugt. Um schädliche Abgasemissionen zu vermindern und Energieverluste für das Gesamtsystem zu vermeiden, weist die Brennstoffdüse (7) einen mittels eines piezoelektrischen Aktuators (8) veränderbaren Strömungsquerschnitt auf. Mit dem piezoelektrischen Aktuator lässt sich der Stromungsquerschnitt sehr feinfühlig einstellen. Im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 steht der Aktuator mit Stellglied (10) in Wirkverbindung. Der Aktuator reagiert unmittelbar auf sich verändernde Regelwerte. Von wesentlichem Vorteil ist insbesondere die in Zusammenhang mit Kleinmotoren gegebene Betriebssicherheit. Der piezoelektrische Aktuator (8) kann als Biegewändler oder als piezoelektrische Membran oder als in axialer Richtung wirksamer Aktuator ausgebildet sein. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht ich auf einen Vergaser für einen Otto-Motor mit einem Lufttrichter zum Ansaugen von Brennstoff aus einer in den Lufttrichter mündenden Brennstoffleitung. Die Brennstoffleitung ist an einer Brennstoffkammer angeschlossen und weist zwischen Brennstoffkammer und ihrer Mündung im Lufttrichter eine Brennstoffdüse zur Einstellung einer aufgrund von Unterdruck im Lufttrichter aus der Brennstoffkammer ansaugbaren Brennstoffmenge auf.
Vergaser, in denen das für den Betrieb von Otto-Motoren erforderliche KraftstoffLuftgemisch durch Ansaugen von Brennstoff und Mischen mit Luft erzeugt wird, sind zur Einstellung eines betriebshotwendigen variablen Brennstoffluftgemisches nur unvollkommen geeignet. Insbesondere hinsichtlich Leistungsanpassung und Kraftstoffverbrauch, aber auch hinsichtlich steigender Anforderungen an niedrige Werte schädlicher Abgasemissionen werden Vergaser als nicht optimierbar eingestuft
Statt Vergasern werden daher für Verbrennungsmotoren üblicherweise technisch aufwendige Einspritzanlagen zur Gemischaufbereitung eingesetzt. Für Kleinmotore, insbesondere zum Antrieb von Kleinkrafträdern, Kettensägen oder Gartengeräten wie beispielsweise Rasenmähern, werden jedoch einfache und leicht handhabbare Antriebseinrichtungen angestrebt. Wesentlich ist deren Einstellung auf vorgegebene Abgasemissions-Grenzwerte.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen an erforderliche Motorleistungen flexibel anpassbaren Vergaser zu schaffen, der Anforderungen an geringe schädliche Abgasemissionen erfüllt und darüber hinaus ohne erheblichen Energieverlust für das Gesamtsystem betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einem Vergaser der eingangs genannten Art durch in Anspruch 1 angegebene Merkmale gelöst. Danach weist die Brennstoffdüse einen mittels eines piezoelektrischen Aktuators veränderbaren Strömungsquerschnitt auf. Mit einem piezoelektrischen Aktuator läßt sich der Strömungsquerschnitt sehr feinfühlig einstellen. Der Aktuator reagiert unmittelbar auf sich verändernde Regelwerte, sein Energiebedarf ist gering. Gegenüber allen mechanischen Einbauten ist sowohl das Gewicht als auch der Raumbedarf vernachlässigbar. Von Vorteil ist insbesondere die in Zusammenhang mit Kleinmotoren gegebene Betriebssicherheit sowie der auch für den Benutzer in einfacher Weise durchführbare Ein- und Ausbau.
Der piezoelektrische Aktuator kann als Biegewandler oder als piezoelektrische Membran ausgebildet sein, einsetzbar ist zur Einstellung des Strömungsquerschnittes vorteilhaft auch ein in axialer Richtung wirksamer Aktuator, wobei ein Longitudinaloder auch ein Transversal-Aktuator einsetzbar ist, Ansprüche 2, 3 und 4. Solche Aktuatoren lassen sich unmittelbar als kalibrierbare Drosseielemente für die Brennstoffdüsen verwenden.
Bevorzugt ist der piezoelektrische Aktuator mit einem Stellglied zur Einstellung des Strömungsquerschnitts verbunden, Anspruch 5. Dies ermöglicht es, die gegebenenfalls zu geringe Bewegung des piezoelektrischen Aktuators durch ein zwischengeschaltetes Übersetzungselement zu vergrößern, Anspruch 6.
Die Erfindung und weitere unter Schutz gestellte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:
Figur 1
Vergaser mit Brennstoffdüse und piezoelektrischem Aktuator,
Figur 2
als Biegewandler ausgebildeter Aktuator,
Figur 3
bimorpher Biegewandler beidseitig eingespannt,
Figur 4
piezoelektrische Membran als Aktuator,
Figur 5
piezoelektrischer Biegewandler für ein von einer mechanischen Membran gehaltenes Stellglied,
Figur 6
axialer Aktuator,
Figur 7
axialer Aktuator mit schwenkbarem Gelenkarm,
Figur 8
axialer Aktuator mit hydraulischem Wegverstärker,
Figur 9
axialer Aktuator mit federelastischem Wegverstärker,
Figur 10
axialer Aktuator zur Verengung der Brennstoffleitung,
Figur 11
Biegewandler in Brennstoffleitung,
Figur 12
axialer Aktuator als Drosselorgan,
Figur 13
Biegewandler am Brennstablauf.
Figur 1 zeigt schematisch einen Vergaser mit Lufttrichter 1 und im Lufttrichter angeordneter schwenkbarer Drosselklappe 2, über die der Ansaugdruck für den aus der Brennstoffleitung 3 in den Lufttrichter eingeführten Brennstoff gesteuert wird. Beim Ansaugen des Motors wird der aus der Brennstoffleitung 3 an ihrer Mündung 4 in den Lufttrichter 1 austretende Brennstoff zerstäubt. In der Brennstoffleitung ist zwischen der Mündung 4 und einer Brennstoffkammer 5, die im Ausführungsbeispiel über ein Nadelventil 6 aus einem in Figur 1 nicht dargestellten Brennstofftank mit Brennstoff gefüllt wird, eine Brennstoffdüse 7 eingesetzt. Mit der Brennstoffdüse wird der Kraftstoffmassenstrom im Vergaser beinflusst. Der Strömungsquerschnitt der Brennstoffdüse 7 ist kalibrierbar. Zum Einstellen dient ein in Figur 1 lediglich symbolisch angegebener piezoelektrischer Aktuator 8, der elektrisch mit einem Spannungsgeber 9 verbunden ist, der die räumliche Bewegung und Auslenkung des Aktuators durch Spannungsänderung beinflusst. Statt eines Spannungsgebers läßt sich auch ein Strom-bzw. Ladungsgeber einsetzen mit dem Vorteil, daß sich die Änderungen von Ladung und Dehnung des piezoelektrischen Aktuators linearer zu einander verhalten. Der Aktuator steht in Wirkverbindung mit einem den Strömungsquerschnitt der Brennstoffdüse 7 verändernden Stellglied 10.
Im Ausführungsbeispiel wird der Spannungsgeber 9 von einem vorgegebenen Abgas-Lambda-Wert gesteuert. Die Abgaszusammensetzung misst ein entsprechend geeigneter Lambda-Sensor 11, der seinen Messwert in ein elektrisches Signal umwandelt und einem elektronischen Regler, im Ausführungsbeispiel einem PID-Regler 12, aufschaltet. Zur Regelung des Kraftstoffmassenstroms wird ausgegangen von der Lastanforderung für den Motor, die als Führungsgröße zum Einstellen der Brennstoffdüse vorgegeben wird. Das bei dieser Einstellung erzeugte Abgasgemisch wird vom Sensor 11 analysiert und führt über den PID-Regler 12 zu einer Einstellungskorrektur für die dem Vergaser zuzuführende Brennstoffmenge. Der Kraftstoffmassenstrom wird so in Abhängigkeit von einer vorgegebenen einzuhaltenden Abgaszusammensetzung geregelt.
Ein Ausführungsbeispiel für einen piezoelektrischen Aktuator zur Einstellung eines Stellgliedes einer Brennstoffdüse ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Als Aktuator ist ein Biegewandler 13 eingesetzt. Der Biegewandler ist einseitig in einem Festlager 14 eingespannt und bimorph ausgebildet: am Spannungsgeber 15 sind zwei aneinander haftende Piezoelemente 16a, 16b angeschlossen, die sich bei entsprechender elektrischer Aktivierung ihrer Keramikschichten an ihrem freien Ende um das Festlager 14 analog einer Blattfeder in Richtung 17 verbiegen. Der Biegewandler steuert ein Stellglied, das in einer Drossel 18 zur Veränderung deren Strömungsquerschnitts 19 eine in der Drossel bewegbare kegelförmige Düsennadel 20 aufweist. Die Düsennadel ist am freien Ende des Piezoelements 16a angebracht. Wird somit beispielsweise am Piezoelement 16a ein gegenüber dem Piezoelement 16 b negatives elektrisches Potential angelegt, so verbiegt sich der Biegewandler 13 derart, daß die Düsennadel 20 in die Drossel 18 hinein gedrückt wird und den Strömungsquerschnitt 19 verringert. Liegt in diesem Beispiel am Piezoelement 16a dagegen ein gegenüber dem Piezoelement 16b positives elektrisches Potential an, so wird die Düsennadel 20 aus der Drossel 18 heraus gehoben und vergrößert so den Strömungsquerschnitt 19. Der Biegewandler läßt sich vom Spannungsgeber sehr feinfühlig einstellen, so daß bei entsprechender Ausbildung der Düsennadel der Kraftstoffmassenstrom den erforderlichen Bedingungen präzise anpassbar ist.
Um dem Einfluß störender mechanischer Vibrationen des Biegewandlers zu begegnen, die beispielsweise bei Einbau des Vergasers in einem sich bewegenden Fahrzeug auftreten können, ist es im Ausführungsbeispiel nach Figur 3 vorgesehen, einen bimorphen Biegewandler 21 beidseitig in Lagern 22, 23 abzustützen. Eine Düsennadel 24 ist an einem der beiden aneinander befestigten Piezoelemente 25a, 25b des Biegewandlers 21 mittig angebracht, im Ausführungsbeispiel am Piezoelement 25a, und läßt sich durch Anlegen variierbarer Spannungen an den Piezoelementen über einen Spannungsgeber 26 und dadurch bewirkter Auswölbung des Biegewandlers 21 in einer Drossel 27 zur Einstellung deren Strömungsquerschnittes 28 bewegen. Die im Bereich des Strömungsquerschnitts kegelförmige Düsennadel 24 ist in der Drossel radial in einem Gleitlager 29 geführt und mittels eines Feder-Dämpfersystems 30 gegen axiale Schwingungen gesichert. Bei Auswölbung des Biegewandlers 21 und Verschiebung der Düsennadel 24 verändert sich der Strömungsquerschnitt 28 und damit die in der Drossel 27 vom Brennstoffzulauf 31 zum Brennstoffablauf 32 strömende Brennstoffmenge.
In Figur 4 ist als Biegewandler eine piezoelektrische Membran 33 eingesetzt, die an ihrem kreisförmigen Membranrand in einem Ringlager 34 eingespannt ist und deren Auswölbung in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 von einem Spannungsgeber 35 gesteuert wird. Zentral in der Membran ist eine kegelförmige Düsennadel 36 befestigt, die sich bei Auswölbung der Membran 33 in einer Drossel 37 bewegt und deren Strömungsquerschnitt 38 verändert. Die Düsennadel 36 wird in der Drossel 37 in einem Gleitlager 39 radial geführt. Die im Ringlager eingespannte piezoelektrische Membran und die radial geführte Düsennadel stabilisieren den mechanischen Aufbau für eine erfindungsgemäße Brennstoffdüse mit piezoelektrischem Aktuator und kalibrierbarem Stellglied.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem monomorphen Aktuator: Ein Piezoelement 40 ist starr an einer Federplatte 41 (Biegefeder oder Tellerfeder) befestigt, im Ausführungsbeispiel ist das Piezoelement zu seiner Entlastung auf der Federplatte aufgeklebt. In ihrem Randbereich ruht die Federplatte 41 im Gehäuse 42 in Lagern 43. Beim Anlegen einer entsprechender Spannung wölben sich das Piezoelement 40 und mit ihm die Federplatte 41 so, dass eine Düsennadel 44 bewegt wird. Die Düsennadel wird im Ausführungsbeispiel von einer mechanischen Membran 45 geführt, die im Gehäuse 42 an ihrem kreisförmigen Membranrand in einem Festlager 46 eingespannt ist. Die Düsennadel ist an der Membran derart befestigt, dass sie infolge des Brennstoffdruckes im Brennstoffraum 47 der Brennstoffdüse kraftschlüssig an der Oberfläche der Lagerplatte 41 anliegt und bei einer Auswölbung der Lagerplatte aufgrund einer Aktivierung des Piezoelements sowohl zum Schließen einer Drosselöffnung 48, als auch zu deren Öffnung zu bewegen ist. Im Ausführungsbeispiel dient die die Düsennadel führende mechanische Membran 45 zugleich zum Abdichten des Brennstoff führenden Bereichs der Brennstoffdüse mit Brennstoffzulauf 49 und Brennstoffablauf 50 von dem Gehäusebereich, in dem der piezoelektrische Aktuators eingesetzt ist. Der piezoelektrische Aktuator kommt so mit Brennstoff nicht in Berührung.
Figur 6 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für den Einsatz eines axialen Aktuators 51. Als axialer Aktuator ist sowohl ein Longitudinal- als auch ein Transversal-Aktuator einsetzbar. Im Ausführungsbeispiel ist der axiale Aktuator als Multilayer-Aktuator mit Piezoschichten 52 ausgeführt, es läßt sich aber selbstverständlich auch ein Aktuatorstapel mit aneinander verklebten Piezoelementen verwenden. Der axiale Aktuator dehnt sich bei Anlegen von Spannung in Richtung seiner Achse 53. Im Ausführungsbeispiel ist in axialer Richtung eine Düsennadel 54 angeordnet, die in einem Gleitlager 55 radial geführt ist und von einem Federelement 56 kraftschlüssig gegen den Aktuator 51 gepresst wird. Der axiale Aktuator ist zu seiner mechanischen Vorspannung von einer Rohrfeder 57 umgeben, die den Aktuator axial verspannt.
In Figur 7 ist eine Variante für eine erfindungsgemäße Brennstoffdüse mit piezoelektrischem Aktuator zur Einstellung einer Düsennadel dargestellt, bei dem Bauelemente der Ausführungsbeispiele nach Figuren 5 und 6 übernommen werden.
So wird als Aktuator wieder ein axialer Aktuator 58 eingesetzt und eine von einer mechanischen Membran 59 geführte Düsennadel 60 verwendet. Zur Bewegung der Düsennadel dient jedoch ein Gelenkhebel 61, der zwischen Aktuator 58 und Düsennadel 60 in der Weise angeordnet ist, dass sich die axiale Ausdehnung des Aktuatorpakets vergößern läßt. Hierzu ist der Gelenkhebel 61 schwenkbar im Gehäuse 62 befestigt, im Ausführungsbeispiel in einem von einer Blattfeder 63 gebildeten Festkörpergelenk, und mit dem axialen Aktuator 58 und der Düsennadel 60 kraftschlüssig verbunden, wobei der Angriffspunkt für den Aktuator 58 am Gelenkhebel 61 zum Festpunkt der Blattfeder 62 einen kürzeren Abstand 64 aufweist als der Angriffspunkt der Düsennadel 60 am Gelenkhebel mit einem Abstand 65. Die axiale Ausdehnung des Aktuators 58 wird somit entsprechend dem Längenverhältnis von Abstand 64 zum Abstand 65 übersetzt. Der Kraftschluß zwischen Düsennadel 60 und Gelenkhebel 61 wird im Ausführungsbeispiel von einem Federelement 66 unterstützt.
Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem hydraulischen Weg-Verstärker. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist die Brennstoffdüse eine axial bewegliche Düsennadel 67 auf, die bei ihrer axialen Bewegung einen Strömungsquerschnitt 68 zwischen Brennstoffzulauf 69 und Brennstoffablauf 70 verändert. Die Düsennadel 67 wird am Düsenschaft 71 in einem Gleitlager 72 im Gehäuse 73 der Brennstoffdüse radial geführt und in der in Figur 8 dargestellten "AufStellung" der Brennstoffdüse von einer mechanischen Feder 74 gehalten, die die Düsennadel über einen am Düsenschaft 71 angebrachten Anschlagring 75 gegen das Gehäuse 73 drückt. Das freie Ende des Düsenschaftes 71 im Gleitlager 72 steht mit einem von Brennstoff gefüllten Druckraum 76 in Verbindung, dessen Druck ein piezoelektrischer Aktuator, im Ausführungsbeispiel wieder ein axialer Aktuator 77 bestimmt. Der Aktuator, der zu seiner axialen Bewegung an einem Spannungsgeber 78 angeschlossen ist, wird von einer wellrohrartigen Schutzhülle 79 zum Schutze des Aktuators vor einer Berührung mit Brennstoff umgeben. Mit dem Aktuator 77 ist ein Kolben 80 verbunden, der gegen ein Federelement 81 zu bewegen ist, das im Gehäuse 73 in einem Festlager 82 verspannt wird und sich kraftschlüssig am Kolbenboden 83 des Kolbens 80 abstützt. Das Federelement 81 dient zur Vorspannung des Aktuators 77. Das Federelement 81 ist derart ausgebildet, dass der Brennstoff, der über ein Rückschlagventil 84 vom Brennstoffzulauf 69 in den Dryckraum 76 eindringt, den Druckraum vollständig ausfüllt, im Ausführungsbeispiel weist das Federelement zum Durchfluß von Brennstoff Durchbrüche 85 auf.
Wird im Ausführungsbeispiel nach Figur 8 durch den axialen piezoelektrischen Aktuator 77 der Kolben 80 im Druckraum 76 bewegt, so verändert sich entsprechend des verdrängten flüssigen Brennstoffs im Druckraum 76 bei geschlossen bleibendem Rückschlagventil 84 die Stellung der Düsennadel 67 im Strömungsquerschnitt 68. Sind Kolben und Düsenschaft dabei so dimensioniert, daß der Düsenschaft zum Druckraum 76 hin eine kleinerer freie Fläche aufweist, als es der Bodenfläche des Kolbenbodens 83 zum Druckraum hin entspricht, so tritt eine Verlängerung des Hubes des Aktuators und eine Wegverstärkung auf.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 9 zeigt einen axiälen Aktuator 86, der zwischen zwei blattfederartig gespannten Bügeln 87 so eingesetzt ist, dass sich bei einer axialen Dehnung oder Verkürzung des Aktuators die Durchbiegung der Bügel 87 verändert. Die axiale Bewegung des Aktuators 86 wird somit in eine senkrecht dazu gerichtete radiale Bewegung der Bügel 87 transformiert, wobei sich zugleich die Ausdehnung des Aktuators auch quantitativ beeinflussen läßt, im Ausführungsbeispiel wird die axiale Dehnung in radialer Richtung vergrößert. Mit einem der Bügel steht kraftschlüssig eine Düsennadel 88 in Berührung, die bei einer Verstärkung oder Abschwächung der Bügeldurchbiegung in ihrem Gleitlager 89 verschoben wird und dabei - in gleicher Weise wie bei allen vorhergehenden Ausführungsbeispielen - einen Strömungsquerschnitt 90 einer Drossel 91 verändert. Zur kraftschlüssigen Führung der Düsennadel am ihr zugewandten federnden Bügel 87 dient ein am Fuß 92 der Düsennadel 88 angreifendes Federelement 93.
Figur 10 zeigt einen axialen Aktuator 94, der bei axialer Bewegung den Querschnitt einer Brennstoffleitung 95 verändert. Die Leitung besteht aus einem elastischem Rohrmaterial, das es ermöglicht, den Strömungsquerschnitt der Leitung in Abhängigkeit von der jeweils einstellbaren Dehnung oder Verkürzung des Aktuators reproduzierbar zu verändern. Für Kraftstoffe geeignete Rohrmaterialien, die für eine solche federnde Bewegung eine möglichst kleine oder keine Hysterese aufweisen, sind beispielsweise Kunststoffe wie Viton oder Peek, oder Metalle wie Edelstahl oder Federbronze.
Eine weitere Variante der Erfindung zeigt Figur 11. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist als piezoelektrischer Aktuator wieder ein piezoelektrischer Biegewandler 96 eingesetzt, der innerhalb einer Brennstoffleitung 97 mit rechteckigen Leitungsquerschnitt 98 zur Ausbildung einer Brennstoffdüse angeordnet ist. Über einen Spannungsgeber 99 läßt sich der Biegewandler so verformen, daß sich der Strömungsquerschnitt der Brennstoffleitung 97 verändert und die gewünschte Brennstoffmenge erreicht wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 12 wird zur Ausbildung einer kalibrierbaren Brennstoffdüse in einer Brennstoffleitung 100 mit rechteckigen Leitungsquerschnitt 101 und einer Drosselstelle 102, die von Wandverstärkungen 103 gebildet wird, die den Strömungsquerschnitt der Brennstoffleitung 100 verengen, ein axialer Aktuator 104 benutzt. Der Aktuator ist in den Wandverstärkungen 103 eingesetzt und mit einem Spannungsgeber 105 verbunden. Im Ausführungsbeispiel dient der Aktuator 104 selbst als Drosselorgan, bei axialer Dehnung des Aktuators wird der Strömungsquerschnitt an der Drosselstelle 102 verkleinert. Die maximale Längenänderung des Aktuators ist in Figur 12 schematisch durch gestrichelte Linien angedeutet.
Eine ebenfalls nur wenig Aufwand erfordernde Brennstoffdüse mit piezoelektrischem Aktuator zur Regelung der Drosselstelle ist in Figur 13 dargestellt. Als Aktuator dient ein Biegewandler 106, der in einem Zwischenraum 107 zwischen Brennstoffzulauf 108 und Brennstoffablauf 109 beidseitig in Lagern 110 im Ausführungsbeispiel so verspannt ist, dass vom Biegewandler in Ruhestellung der Zutrittsquerschnitt 111 zum Brennstoffablauf 109 geschlossen ist. Wird der Biegewandler 106 vom Spannungsgeber 112 aktiviert, öffnet er den Zutrittsquerschnitt zum Durchtritt der erforderlichen Brennstoffmenge. Der Biegewandler läßt sich auch so einsetzen, daß der Zutrittsquerschnitt in Ruhestellung des Biegewandlers geöffnet ist. Zur Beeinflussung des Kraftstoffmassenstroms wird der Biegewandler dann bei seiner Aktivierung in Schließrichtung - auf den Zutrittsquerschnitt des Brennstoffablaufs zu - bewegt.
Alle piezoelektrischen Aktuatoren, deren Aufbau und Wirkungsweise aus den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen nach Figuren 1 bis 13 ersichtlich ist, ermöglichen eine auch hohen Ansprüchen genügende Regelung des Kraftstoffmassenstroms durch Einstellen des Strömungsquerschnittes der Brennstoffdüse. Die beschriebenen Brennstoffdüsen sind insbesondere zum Einsatz bei Kleinmotoren geeignet, die einfach gestaltete und robuste Bauelemente erfordern, deren Einsatz sich auch wirtschaftlich vertreten läßt.
Bezugszeichenliste
  • Figur 1
  • Lufttrichter 1
  • Drosselklappe 2
  • Brennstoffleitung 3
  • Mündung 4
  • Brennstoffkammer 5
  • Nadelventil 6
  • Brennstoffdüse 7
  • piezoelektrischer Aktuator 8
  • Spannungsgeber 9
  • Stellglied 10
  • Lambda-Sensor 11
  • PID-Regler 12
  • Figur 2
  • Biegewandler 13
  • Festlager 14
  • Spannungsgeber 15
  • Piezoelemente 16a, 16b
  • Richtung 17
  • Drossel 18
  • Strömungsquerschnitts 19
  • Düsennadel 20
  • Figur 3
  • Biegewandler 21
  • Lager 22, 23
  • Düsennadel 24
  • Piezoelement 25a, 25b
  • Spannungsgeber 26
  • Drossel 27
  • Strömungsquerschnittes 28
  • Gleitlager 29
  • Feder-Dämpfersystems 30
  • Brennstoffzulauf 31
  • Brennstoffablauf 32
  • Figur 4
  • piezoelektrische Membran 33
  • Ringlager 34
  • Spannungsgeber 35
  • Düsennadel 36
  • Drossel 37
  • Strömungsquerschnitt 38
  • Gleitlager 39
  • Figur 5
  • Piezoelement 40
  • Federplatte 41
  • Gehäuse 42
  • Lager 43
  • Düsennadel 44
  • Membran 45
  • Festlager 46
  • Brennstoffraum 47
  • Drosselöffnung 48
  • Brennstoffzulauf 49
  • Brennstoffablauf 50
  • Figur 6
  • axialer Aktuator 51
  • Piezoschicht 52
  • Achse 53
  • Düsennadel 54
  • Gleitlager 55
  • Federelement 56
  • Rohrfeder 57
  • Figur 7
  • axialer Aktuator 58
  • mechanische Membran 59
  • Düsennadel 60
  • Gelenkhebel 61
  • Gehäuse 62
  • Blattfeder 63
  • Abstand 64
  • Abstand 65
  • Federelement 66
  • Figur 8
  • Düsennadel 67
  • Strömungsquerschnitt 68
  • Brennstoffzulauf 69
  • Brennstoffablauf 70
  • Düsenschaft 71
  • Gleitlager 72
  • Gehäuse 73
  • mechanische Feder 74
  • Anschlagring 75
  • Druckraum 76
  • axialer Aktuator 77
  • Spannungsgeber 78
  • Schutzhülle 79
  • Kolben 80
  • Federelement 81
  • Festlager 82
  • Kolbenboden 83
  • Rückschlagventil 84
  • Durchbrüche 85
  • Figur 9
  • axialer Aktuator 86
  • blattfederartig gespannter Bügel 87
  • Düsennadel 88
  • Gleitlager 89
  • Strömungsquerschnitt 90
  • Drossel 91
  • Fuß 92
  • Federelement 93.
  • Figur 10
  • axialer Aktuator 94
  • Brennstoffleitung 95
  • Figur 11
  • Biegewandler 96
  • Brennstoffleitung 97
  • Leitungsquerschnitt 98
  • Spannungsgeber 99
  • Figur 12
  • Brennstoffleitung 100
  • Leitungsquerschnitt 101
  • Drosselstelle 102
  • Wandverstärkung 103
  • axialer Aktuator 104
  • Spannungsgeber 105
  • Figur 13
  • Biegewandler 106
  • Zwischenraum 107
  • Brennstoffzulauf 108
  • Brennstoffablauf 109
  • Lager 110
  • Zutrittsquerschnitt 111
  • Spannungsgeber 112

    • Claims (16)

    1. Vergaser für Otto-Motor mit einem Lufttrichter zum Ansaugen von Brennstoff aus einer in den Lufttrichter mündenden Brennstoffleitung, die an einer Brennstoffkammer angeschlossen ist und zwischen Brennstoffkammer und Mündung im Lufttrichter eine Brennstoffdüse zur Einstellung einer aufgrund von Unterdruck im Lufttrichter aus der Brennstoffkammer ansaugbaren Brennstoffmenge aufweist,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse einen mittels eines piezoelektrischen Aktuators veränderbaren Strömungsquerschnitt aufweist.
    2. Vergaser für Otto-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktuator als Biegewandler ausgebildet ist.
    3. Vergaser für Otto-Motor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als piezoelektrischer Aktuator eine piezoelektrische Membran eingesetzt ist.
    4. Vergaser für Otto-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Strömungsquerschnittes ein in axialer Richtung wirksamer Aktuator vorgesehen ist.
    5. Vergaser für Otto-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktuator mit einem Stellglied zur Einstellung des Strömungsquerschnitts verbunden ist.
    6. Vergaser für Otto-Motor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen axialem Aktuator und Stellglied ein die Dehnung des Aktuators verstärkendes Übersetzungselement angeordnet ist.
    7. Vergaser für Otto-Motor nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Aktuator in seiner axialen Richtung mittels einer Rohrfeder vorgespannt ist.
    8. Vergaser für Otto-Motor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Aktuator die Durchbiegung eines federelastischen Biegeelements bestimmt, das in Wirkverbindung mit dem Stellglied steht.
    9. Vergaser für Otto-Motor nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein hydraulisch wirksames Übersetzungselement eingesetzt ist.
    10. Vergaser für Otto-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktuator in einem brennstofffreien Raum angeordnet ist.
    11. Vergaser für Otto-Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der brennstofffreie Raum vom brennstoffführenden Bereich durch eine brennstoffundurchlässige Membran abgedichtet ist.
    12. Vergaser für Otto-Motor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran einerseits am Stellglied, andererseits am Stellgliedgehäuse befestigt ist.
    13. Vergaser für Otto-Motor nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Aktuator und Stellglied ein Gelenkhebel eingesetzt ist, der um ein relativ zur Bewegung von Aktuator und Stellglied ortsfest angeordnetes Gelenk schwenkbar ist, wobei der Aktuator am Gelenkhebel in einem Abstand vom Gelenk befestigt ist, der kleiner ist als der Abstand einer Befestigungsstelle für das Stellglied am Gelenkhebel.
    14. Vergaser für Otto-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktuator zur Ausbildung der Brennstoffdüse den Strömungsquerschnitt der Brennstoffleitung verengt.
    15. Vergaser für Otto-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Aktuator in Abhängigkeit vom Lambda-Wert im Abgas bewegt wird.
    16. Vergaser für Otto-Motor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffdüse mit veränderbaren Stromungsquerschnitt in einem Bypass zur Hauptbrennstoffleitung eingesetzt ist, die in'ihrem Leitungsteil parallel zum Bypass eine Brennstoffdüse mit konstantem Querschnitt aufweist.
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