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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern und
Einspritzen von Kraftstoff für
einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Kleinmotor mit einem
kleinen Hubraum.
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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.
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Offenbarung
der Erfindung
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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 erfindungsgemäß nur ein bewegtes Bauteil
für die
Kraftstoffförderung
und die Kraftstoffeinspritzung erforderlich, so dass insbesondere
die Herstellungskosten signifikant reduziert werden können.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Rotationselement an
einem Flansch befestigt, welcher am Saugrohr oder am Zylinderkopf
angeordnet ist.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird besonders bevorzugt in Verbindung mit
einem Verbrennungsmotor mit einem oder zwei oder drei oder vier
Zylinder 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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
Schnittansicht einer Vorrichtung zum Fördern und Einspritzen von Kraftstoff
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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3 eine
Draufsicht der in 2 gezeigten Vorrichtung,
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4 eine
Draufsicht auf die Vorrichtung von 3 ohne Gehäuse,
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5 eine
Seitenansicht der Vorrichtung von 2,
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6 eine
Seitenansicht der in 5 gezeigten Vorrichtung ohne
Gehäuse,
und
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7 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 eine Vorrichtung 1 zum
Fördern
und Einspritzen von Kraftstoff für
einen Verbrennungsmotor gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie
in 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.
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Wie
in 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.
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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 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.
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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 erfindungsgemäße Vorrichtung
keine separate Pumpe und auch kein separates Einspritzventil benötigt. Dadurch
weist die erfindungsgemäße 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.
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Beim
ersten Ausführungsbeispiel
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.
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Da
der auf den Kraftstoff übertragene
dynamische Strömungsdruck ϑ/2
v2 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.
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Die
erfindungsgemäße 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.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 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.
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2 zeigt
den schematischen Aufbau der Vorrichtung 1 sowie die Anordnung
an einem Verbrennungsmotor. Wie aus 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 2 lediglich das Gehäuse 10a dargestellt
ist. Das eigentliche Laufrad 10b ist im Detail in 4 dargestellt.
Das Laufrad 10b umfasst eine Vielzahl von Schaufeln 10d,
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 10b angeordnet. Durch die Rotation des Laufrads
10b wird wieder Kraftstoff durch den am Ende der Kraftstoffzuleitung 6 erzeugten
Unterdruck angesaugt und in dem Laufrad 10b beschleunigt.
Eine Abgabe des Kraftstoffs erfolgt wieder radial am Umfang des
Laufrads 10b. Hierzu ist im Gehäuse 10a eine rechteckige Öffnung 10c ausgebildet,
durch welche der Kraftstoff in das Saugrohr 9 eingespritzt
wird. Dies ist in 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 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.
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Das
Gehäuse 10a der
Laufradeinrichtung 10 umschließt das Laufrad 10b vollständig mit
einem scheibenförmigen
Deckel, in welchem die Kraftstoffzuleitung 6 mündet, einem
scheibenförmigen
Boden und einem zylindermantelförmigen
Wandbereich.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen 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 10b 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. 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.
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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.
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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 10b 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..
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Ansonsten
entspricht das zweite Ausführungsbeispiel
dem ersten Ausführungsbeispiel,
so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf 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.
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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 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.
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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.