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Brennstoffpumpe.
Beim Betriebe von Kraftmaschine besteht häufig die Gefahr, dass bei einem Versagen der Regelung die Maschine übermässig hohe Drehzahl annimmt, was zu gefährlichen Zerstörungserscheinungen Anlass geben kann. Bei Brennkraftmaschinen mit zwangläufiger Brennstoffzufuhr durch Pumpen tritt dieser Fall ein, wenn die Brennstoffpumpe eine grössere Brennstoffmenge fördert, als es der von der Maschine verlangten Leistung entspricht. Der Energieinhalt des überschussigen Brennstoffes beschleunigt die Maschine immer mehr, bis irgendein betriebswichtiger Teil derselben zerstört ist.
Man hat, um solchen Gefahren zu begegnen, bisher neben dem eigentlichen, in der Regel auf Gleichhaltung einer bestimmten Drehzahl hinwirkenden Regler (Hauptregler) noch einen besonderen Regler (Sicherheitsregler) vorgesehen, der erst dann eingreift, wenn die normale Drehzahl um einen bestimmten Betrag überschritten wird und der dann meist nur die völlige Unterbrechung der Energiezufuhr zur Maschine bewirkt, die Maschine also durch sein Eingreifen stillsetzt. Die Anordnung eines solchen Sicherheitsreglers macht aber die Maschine vielteiliger und teurer ; ausserdem gewährt er auch keinen absoluten Schutz, da er ja nur in Ausnahmefällen zur Wirkung kommt und die Überwachung seiner steten Betriebsb reitschaft deshalb leicht übersehen wird.
Nach der Erfindung wird bei mit Brennstoffeinspritzung arbeitenden Brennkraftmaschinen ein Sicherheitsregler entbehrlich gemacht, indem lediglich durch eine besondere Ausgestaltung der Brennstoffpumpe bei Überschreiten der normalen Drehzahl die Brennstoffzufuhr stark verringert wird, derart, dass diese Drehzahl wohl etwas über das normale Mass ansteigen, aber niemals, auch nicht bei Leerlauf der Maschine mit auf Vollfüllung eingestellter Pumpe, eine gefahrdrohende Höhe erreichen kann. Die Nachteile des Sicherheitsreglers sind hiebei vermieden, es brauchen weder besondere Maschinenelemente vorgesehen zu werden, noch bedarf die Einrichtung irgendwelcher besonderen Wartung oder Behandlung.
Erfindungsgemäss wird eine Brennstoffpumpe benutzt, deren Arbeitsraum in an sich bekannter Weise während des Druckhubes durch gesteuerte Kanäle mit einem Raum geringen Druckes verbunden wird, so dass an einen der Brennstoffförderung zum Brennraum der Maschine dienenden Hubteil (Nutzhub) sich ein weiterer Hubteil anschliesst, während dessen Brennstoff vom Pumpenraum zu dem Raum geringen Druckes zurückströmt (Rüekströmhub).
Im allgemeinen wird man den Gesamthub der Brennstoffpumpe, namentlich bei raschlaufenden Maschinen, so klein wie möglich bemessen, weil dann, insbesondere bei Antrieb mittels Nockens, die Bewegungsverhältnisse am besten beherrschbar sind. Bei Pumpen mit Förderungsunterbrechung wird man deshalb entweder auf eine solche Unterbrechung bei Vollfüllung verzichten und sie nur zur Verringerung der Fördermenge bei kleineren Leistungen benutzen, oder man wird, wenn auch bei Vollfüllung eine Förderungsunterbrechung stattfinden soll, diese mit dem geringstmöglichen Hub durchführen, so dass bei VollfÜllungseinstellul1g die Rückströmkanäle eben noch geöffnet werden.
Bei der Einrichtung nach der Erfindung ist nun bewusst von diesem Grundsatz abgegangen und der Rückströmhub ist übermässig gross bemessen, d. h. erheblich grösser, als er nach den vorstehenden, für den Normalfall geltenden
Gesichtspunkten auszuführen wäre ; er kann in der Grössenanordnung dem Nutzhub für Vollfüllung gleichkommen oder diesen sogar noch übertreffen. Dadurch wird die oben erwähnte Wirkung der Pumpe als Sicherheitsglied erzielt.
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Um diese Wirkung noch deutlicher zu veranschaulichen, soll sie an Hand der Zeichnung, die in den Fig. 1-4 die Pumpe in verschiedenen Arbeitsstellungen darstellt und in Fig. 5 das zugehörige Zeitwegdiagramm zeigt, näher erläutert werden.
Die Pumpe besteht aus dem Pumpengehäuse 1, in dem sich der Pumpenkolben 2 bewegt. Die Brennstoffzufuhr erfolgt durch den vom Pumpenkolben selbst gesteuerten Ansaugekanal 3. Der zur Einspritzung bestimmte Brennstoff strömt von der Pumpe über das Druckventil 4 zur Druckleitung 5, die zur Einspritzstelle führt. Ein Kanalsystem, bestehend aus einer Kolbeneindrehung 11 und den daran anschliessenden und in die Kolbenstirnfläche 8 ausmündenden Bohrungen 9, 10, verbindet bei bestimmten Kolbenstellungen den Arbeitsraum 6 der Pumpe mit dem Ansaugekanal 3 und bewirkt dadurch die Förderungsunterbrechung. Dieses Kanalsystem ist weit gebohrt, so dass sein Durchflusswiderstand kleiner ist als der des Ansaugekanals 3, und dessen Widerstand sei wiederum klein im Verhältnis zum Widerstand des Einspritzorgans (Düse) an der Maschine.
Dadurch wird genaues Einsetzen des Rückströmen erreicht und störendes Nacheinspritzen vermieden. Die Bewegung des Pumpenkolbens erfolgt durch beliebige bekannte Einrichtungen, wie Nocken, Kurbel, Exzenter od. dgl. Der Bewegungsverlauf für ein Arbeitsspiel (Saug-und Druekhub) der Pumpe in Abhängigkeit von der Zeit sei durch die in Fig. 5 dargestellte Kurve bestimmt.
Fig. 1 zeigt die innere Totpunktlage des Pumpenkolbens, entsprechend den Punkten A und A' in Fig. 5 ; Fig. 2 die Stellung, in der die obere Kante der Eindrehung 11 sich mit der unteren Kante des Saugkanals 3 deckt (Punkte B und F) ; Fig. 3 die Deckung der Kolbenstirnkante 8 mit der Oberkante des Saugkanals (Punkte C und E) und Fig. 4 die äussere Totpunktlage (Punkt D).
Zunächst sei angenommen, dass sich der Kolben nur langsam bewegt, dann ist der Durchstrom- widerstand des Ansaugekanals ohne Einfluss auf die Füllung der Pumpe und es ergibt sich folgende Wirkung : Von A-B Ansaugen von Brennstoff durch Kanäle 3 und 9-11 ; von Ba Erzeugung eines Vakuums in dem von der Grösse 6'auf die Grösse 6"wechselnden Pumpenraum ; Von C-D Auffüllen des Vakuums mit Brennstoff und weiterer Brennstoffzufluss bis zur völligen Ausfüllung des Pumpenraumes 6'" ; von D-E Wiederausschieben von Brennstoff nach dem Ansaugkanal 3 hin ; von E-F Förderung von Brennstoff über das Druckventil 4 in die Druckleitung 5 und zur. Einspritzstelle ; von Fi-A'Ausschieben von Brennstoff nach dem Ansaugkanal 3.
Von dem gesamten Druckhub der Pumpe wird also für die Einspritzung in den Maschinenbrennraum nur die zwischen den Punkten E und F liegende Strecke h2 nutzbar gemacht, während beim Durchlaufen der benachbarten Strecken ? 3 vom äusseren Totpunkt her und Ai zum inneren Totpunkt keine Förderung stattfindet.
Nimmt man nun an, dass die Pumpe sich schnell bewege, so ergibt sich folgendes : Auf dem Wege von A nach B reichen die kurze Zeit 4 und der im Ansaugkanal 3 herrschende Druck nicht mehr aus, um den Raum 6' (Fig. 2) ganz mit Brennstoff zu füllen. Der Raum enthält also bereits ein Teilvakuum, das nun beim weiteren Niedergang des Kolbens bis 0 sich verstärkt, so dass in diesem Punkte der leere Pumpenraum grösser ist, als das Nutzhubvolumen. Bewegt sich nun der Kolben weiter nach D, so kann der Brennstoff nicht rasch genug nachströmen, um den dauernd wachsenden Pumpenraum aufzufüllen, und auf dem Rückgange von D nach E findet deshalb kein Ausschieben, sondern im Gegenteil immer noch Ansaugen statt.
Es lässt sich so erreichen, dass auch im Punkt E das Vakuum noch nicht völlig beseitigt ist, sondern der Kolben muss noch einen gewissen Weg, etwa bis E', zurücklegen, ehe er auf den Brennstoff drückt und die Förderung über das Druckventil 4 zur Einspritzstelle beginnt. Für diese Förderung steht also jetzt nur noch die Strecke h4 (Fig. 5) zur Verfügung, d. h. es kommt nur eine dieser Strecke entsprechende Brennstoffmenge je Hub zur Verbrennung. Je schneller die Pumpe läuft, umsonäher rückt Punkt E'an den Punkt F, so dass sich theoretisch eine Drehzahl angeben lässt, von der ab überhaupt kein Brennstoff mehr zur Einspritzstelle gefördert wird, auch wenn die Pumpe auf volle
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immer noch eine beträchtliche Brennstoffmenge zugeführt werden muss.
Das Verhältnis von Höehstdrehzahl zur normalen Drehzahl, oder mit andern Worten, die Drehzahlsteigerung bleibt um so kleiner, je grösser der Rückströmhub hl im Vergleich zum Nutzhub ist, da hievon vor allem die Hervorrufung des erforderlichen übermässigen Pumpenvakuums abhängt. Es hat sich gezeigt, dass dieser Rückströmhub, um die gewollte Wirkung zu ergeben, zweckmässig in der Grössenanordnung des der Vollfüllung entsprechenden Nutzhubes oder sogar noch grösser gewählt wird. Des weiteren kann die Wirkung unterstützt werden durch Kleinhalten des sogenannten'Zeitquerschnittes für die Brennstoffzuströmung zur Pumpe.
Da nun aber der Querschnitt des Ansaugkanals mit Rücksicht auf präzisen Abschluss des Einspritzvorganges eine bestimmte Grösse nicht unterschreiten darf, wird man zweckmässig die Zeiten tl und t2, während der der Ansaugkanal mit dem Pumpenraum verbunden ist, tunlichst klein im Verhältnis zur Gesamtzeit to eines Pumpenspiels wählen.
Es ist bekannt, dass bei jeder Pumpe mit zunehmender Hubzahl der volumetrische Wirkungsgrad abnimmt. Eine Ausnutzung dieser Erscheinung, die man sich bei Pumpen mit Kolben übersteuerter Ansaugöffnung durch starkes Verengen dieser Öffnung noch unterstützt denken könnte, führt aber nicht zu dem hier gestellten Ziel, da die Lieferung der Pumpe zwar abnimmt, aber nicht so rasch, als dass ein
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Leerlauf der Maschine bei nicht übermässig gesteigerter Drehzahl erreicht werden könnte. Fig. 6 zeigt das Förderdiagramm (Förderung je Hub bezogen auf Drehzahl n) einer solchen schematisch daneben gezeichneten Pumpe. Bis zu einer bestimmten Drehzahl nl spielen die Drosselerseheinungen im Ansaugkanal noch keine Rolle und die Förderung bleibt bis dahin konstant.
Das die Fördermenge bestimmende nutzbare Volumen Vn'stimmt hiebei überein mit dem Verdrängervolumen Vh (gemessen über den Hubteil hn vom Abschluss des Saugkanals bis zum inneren Totpunkt). Bei Überschreiten dieser Drehzahl Ki nimmt zwar die Fördermenge ab, erreicht aber erst im Unendlichen den Wert Null, so dass auch der Leerlauf-Brennstoffmenge noch eine übermässig hohe Drehzahl entspricht.
Fig. 7 zeigt in gleicher Darstellung das Verhalten des Erfindungsgegenstandes. Hier handelt es sich gewissermassen um eine Pumpe mit künstlich nach dem inneren Totpunkt hin stark vergrösserten Hubteil hn + hr und entsprechend vergrössertem Verdrängungsvolumen V'h. Auch bei dieser Pumpe wird die Förderung je Hub bis zu einer gewissen Drehzahl nl konstant bleiben und von da an abfallen, um im Unendlichen den Wert Null zu erreichen. Von dieser Gesamtförderung wird aber nur ein Bruchteil Vn nutzbar gemacht, während der Rest Vr zurückgeleitet wird ; die Folge ist, dass die abfallende
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(Punkt S).
Von diesem Punkte an findet also überhaupt keine Förderung der Pumpe mehr statt und die Drehzahl n2, bei welcher dies eintrifft, ist die theoretische Höchstdrehzahl, welche die Maschine überhaupt erreichen kann ; praktisch bleibt seine Höchstdrehzahl noch unter dieser Grenze, da er ja, um überhaupt laufen zu können, immer noch einer gewissen Brennstoffzufuhr bedarf.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Brennstoffpumpe, insbesondere für Brennkraftmaschinen mit luftloser Einspritzung, mit Begrenzung der Fördermenge durch Unterbrechung der Förderung während des Druckhubes durch Kanäle, die den Arbeitsraum der Pumpe mit einem Raum geringen Druckes verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der an den Nutzhub sich anschliessende Rückströmhub übermässig gross ist, derart, dass die Förderung der Pumpe schon bei verhältnismässig geringer Erhöhung der Drehzahl über das zulässige Mass sich bis auf den Leerlaufbedarf der Maschine verringert.