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Elektromagnetisch gesteuerte Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmasehinen.
Die gegenwärtig bei Dieselmotoren meist gebräuchlichen BrennstoffeirspritzvorrichtuJ1gen, bei denen eine mechanische Pumpe auf hydraulischem Wege die Einspritzung bewirkt, weisen verschiedene
Nachteile auf. Da der absolute Einspritzdruck des Brennstoffes bei diesen Vorrichtungen vom Beginn bis zum Ende der Einspritzung konstant ist, während der absolute Druck in der Verbrennungskammer I der Maschine vom Verdichtungsdruck zu dem Druck am Ende der Verbrennung ansteigt, vermindert sich der tatsächliche Einspritzdruck während dieses Arbeitsganges.
Dieser effektive Druck wird, wenn er genügend hoch gewählt ist, um eine günstige Zerstäubung am Ende der Einspritzung, d. h. auch dann zu gewährleisten, wenn bei fast beendeter Verbrennung der in der gasförmigen Masse zu überwindende Druck hoch und der verfügbar bleibende Sauerstoff knapp oder in dieser Masse schlecht verteilt ist, übermässig gross zu Beginn der Einspritzung sein, wo in der gasförmigen Masse der Ver- dichtungsenddruck herrscht und der verfügbare Sauerstoff reichlich ist. Es wird demnach beim Ein- spritzbeginn der Brennstoffstrahl mit übermässigem Druck einströmen und sich zum Teil beim Auf- treffen auf die Gegenwandung in dicken, nicht verbrennenden Tropfen niederschlagen, und gegen das
Ende der Einspritzung wird mit abnehmender Einströmung die Schwierigkeit der Vermischung von
Brennstoff und Luft zunehmen.
Dieser Übelstand wird dadurch noch verschlimmert, dass die Langsam- keit, mit welcher der Einspritzdruck erzeugt wird und aufhört, die Tropfenbildung nicht nur am Beginn, sondern auch am Ende der Einspritzung begünstigt.
Um diesen Mängeln abzuhelfen, hat man schon vorgeschlagen, eine Pumpe, welche durch den im Verbrennungsraum des Motors jeweils vorhandenen Druck angetrieben wird, mit einer mechanisch gesteuerten Einspritzdüse zusammenarbeiten zu lassen. Da jedoch diese Brennstoffeinspritzvorrichtung, wie sie auch immer ausgebildet ist, eine Daumenscheibe verwenden muss, so erfolgen die Öffnung und die Schliessung des kleinen Ventils der Einspritzdüse notwendigerweise wegen der Trägheit der ganzen beweglichen Teile der Vorrichtung langsam, was wiederum zu Tropfenbildung Veranlassung gibt.
Der Vorteil, dass die Einspritzung unter konstantem Effektivdruck stattfindet, ist somit auf den mittleren Teil der Gesamteinspritzdauer, in dem die Zerstäubung erfolgt, beschränkt und wird ausserdem durch die Bildung der nicht oder nur unvollkommen verbrennenden und Rauch im Auspuff erzeugenden
Tropfen wieder aufgehoben. Auch ist die mechanische Steuerung der Einspritzdüse ungeeignet für
Motoren mit hohen Drehzahlen, weil dabei mit gesteigerter Geschwindigkeit der nutzbare Abschnitt der wirklichen Zerstäubung eingeschränkt und die beiden Endabsehnitte mit Tropfenbildung aus- gedehnt werden.
Man hat für eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, bei welcher der Brennstoff in einem Speicher- behälter unter konstantem Druck gehalten und von da aus dem Maschinenzylinder zugeführt wird, bereits vorgeschlagen, das diese Brennstoffzufuhr regelnde Ventil statt mechanisch auf elektromagnetischem Wege zu steuern. Hiebei findet die Einspritzung unter einem gleichbleibenden absoluten Druck statt und ist daher mit den eingangs erwähnten Nachteilen dieser Einspritzungsart verbunden und ausserdem genügt die bisher für die elektromagnetische Steuerung des Einspritzventils angegebene Vorrichtung infolge ungeeigneter Anordnung und Ausbildung des Elektromagneten und seines Ankers sowie des Ventils in keiner Weise den praktischen Anordnungen, selbst wenn es sich nicht um Brenn- 1uÎtmaschinen mit hohen Drehzahlen handelt.
Deshalb hat dieser bereits vor mehr als zwanzig Jahren
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aufgetauchte Gedanke der elektromagnetischen Steuerung der Brennstoffeinspritzung bis heute keinen Eingang in die lebendige Technik gefunden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, für die schnellaufenden neuzeitlichen Brennkraftmasehinen. die mit Einspritzfrequenzen von mehreren tausend Einspritzungen in der Sekunde und mit Einspritzzeiten von wenigen Tausendsteln einer Sekunde arbeiten, eine auch bei den höchstmöglichen Masehinendrehzahlen dauernd einwandfrei arbeitende Brennstoffeinspritzvorrichtung zu schaffen. Die Lösung dieses Problems verlangt, dass von beispielsweise 6000 Einspritzungen in der Minute jede einzelne genau gemäss den jeweils im Zylinder herrschenden Druckverhältnissen geregelt und dabei der effektive Einspritzdruck für einen möglichst grossen Abschnitt der Einspritzdauer gleichgehalten wird.
Trotz der hohen Einspritzfrequenzen darf es bei den einzelnen Einspritzungen keine Zeitabschnitte, etwa zu Anfang und zu Ende, geben, in denen der Druck niedriger wird, d. h. langsam von Null bis zum Höchstwert und von diesem wieder auf Null geht und deshalb eine Einspritzung in dicken Brennstofftropfen und damit eine unvollständige Verbrennung stattfindet, so dass der Vorteil der Einspritzung mit konstantem Effektivdruck nur für einen kleinen ungenügenden Bruchteil der Gesamteinspritzdauer verwirklicht ist.
Erfindungsgemäss hat sich gezeigt, dass diesen Erfordernissen der Brennstoffeinspritzung bei neuzeitlichen schnellaufenden Brennkraftmaschinen erfolgreich genügt werden kann, wenn zur Durchführung des Prinzips der Regelung der periodisch erfolgenden Brennstoffzufuhr nach der Grösse des jeweils in der Verbrennungskammer der Maschine herrschenden Druckes die elektromagnetische Steuerung der Einspritzdüse nutzbar gemacht wird.
Bei der Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Erfindung wird zu diesem Zweck die Anordnung so getroffen, dass ein durch den Druck im Einspritzraum der Maschine verschiebbarer selbsttätig wirkender Körper zur Unterdrueksetzung des Brennstoffes und ein Einspritzventil mit leicht beweglicher, elektromagnetisch im Maschinentakt gesteuerter Verschlussspindel derart zusammenwirken, dass eine periodische Brennstoffzufuhr mit einem nach dem jeweiligen Druck im Einspritzraum der Maschine sieh ändernden Einspritzdruck erfolgt.
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Ende ihrer Dauer unter konstantem Druck erfolgt, da der Druck, mit dem der Brennstoff in dem Zylinder gespeist wird, infolge der Beeinflussung des ihn erzeugenden verschiebbaren Körpers durch den Druck im Zylinder stets in einem bestimmten Verhältnis höher als dieser letztere Druck ist und
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treibenden und getriebenen Teile durch den zugehörigen Stromsehdlter mit Augenbliekswirkung öffnen und schliessen lässt. Dadurch wird die einwandfreie Verwirklichung ausserordentlich hoher Einspritzfrequenzen mit genauester und dauernd regelmässiger Begrenzung der Einspritzzeiten und vollkommener Vermeidung der Tropfenbildung erreicht, so dass die Brennstoffeinspritzvorrichtung auch bei Maschinen mit sehr grossen Geschwindigkeiten, bei denen höchste Einspritzfrequenzen, z.
B. mehrere tausend Einspritzungen in der Minute, erforderlich sind, mit bestem Ergebnis verwendbar ist.
Die Zeichnung veranschaulicht die Brennstoffeinspritzvorrichtung nach der Erfindung beispielsweise in mehreren Ausführungsformen in Fig. 1-3 teils im Schnitt und teils in Ansicht.
Gemäss Fig. 1 besteht die elektromagnetische Steuervorrichtung für das Einspritzventil aus einem in den Motorzylinder 2 eingesetzten Körper 6, in welchem sich mit Spiel die Spindel 7 bewegt,
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sitz 8 und am andern Ende durch den festen Kern 10 eines Solenoids 13 begrenzt wird, der an einer auf den Körper 6 aufgeschraubten Abschlusskappe 11 für die Solenoidwicklung sitzt. Zwischen dem festen Solenoidkern 10 und der Spindel 7 ist eine Feder 12 eingefügt, welche die Spindel 7 ständig gegen den Ventilsitz 8 druckt. Der Körper 6, die Spindel 7 und die Kappe 11 bestehen aus magnetischem Material. Die Spindel 7 ist mit dem beweglichen Kern 15 des Solenoids 13 verbunden, dessen magnetischer Kreis nur durch das Spiel zwischen dem festen Solenoidkern 10 und der Spindel 7 unterbrochen wird.
Wenn Strom durch das Solenoid 13 läuft, zieht dieses augenblicklich die Spindel 7 an, und wenn der Strom aufhört, geht die Spindel 7 infolge der Wirkung der Feder 12 sofort zurück. Der Körper 6 ist mit einer Bohrung 16 versehen, in welche der Brennstoff unter Druck eintritt und in der die Spindel 7 mittels eines Zylinderkorpers geführt ist. Der auf der Spindel 7 sitzende Fiihrungskörper 18 ist an der Umfläche mit Längsnuten versehen, so dass der Brennstoff aus dem Raum 16 nach dem am
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Der für die Steuerung des Stromes in dem Solenoid 1.'-J besiimmte Schalter ist in Fig. 1 in Anwendung bei einem Einzylindermotor dargestellt.
Eine Trommel 21 aus Isolierstoff sitzt an einer Welle dz die in einem am Motorgehäuse 4 befestigten Lager 23 läuft und vom Motor mit gleicher Umdrehungszahl, wenn es sich um Zweitaktmotoren handelt, und mit der halben Umdrehungszahl
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Verbindung mit einem an der Trommel 21 zentrisch befestigten Knopf 26 steht. Eine Muffe 27 aus Isolierstoff kann sieh längs der Aussenfläche des Lagers 23 verschieben und trägt zwei Bürsten, von denen die eine 28 sich in ständigem Kontakt mit dem Knopf 26 befindet, während die andere 29 in dauernder Berührung mit der Zylinderfläche der Trommel 21 steht. In diesen beiden Bürsten endigen die Leitungen des elektrischen Stromkreises, in dem das Solenoid 13 und die Batterie 3 liegen.
Wenn der
Motor in Umlauf ist und mit ihm die Trommel 21 sich dreht, ist die Dauer der Einspritzung gleich der Dauer des Kontaktes zwischen der trapezförmigen Platte 25 und der Bürste 29. Wenn die Trommel 21 des Schalters sich in der in Fig. 1 angegebenen Pfeilrichtung dreht, wird durch eine Längsverschiebung der Muffe 27 infolge der Trapezform der Platte 25 die Dauer des Kontaktes und damit der Einspritzung in der Weise verändert, dass eine Verschiebung des Einspritzbeginnes bei gleichbleibender Beendigung der Einspritzung stattfindet. Bei Mehrzylindermotoren sind so viele je mit einem Solenoid 13 ver- bundene Bürsten 29, wie Zylinder vorhanden sind, in gleicher gegenseitiger Entfernung vor einer einzigen Kontaktplatte 25 entsprechender Länge vorgesehen.
An dem das Einspritzventil und das Steuersolenoid tragenden Körper 6 sitzt seitlich ein weiterer
Körper 30, in dem sich ein kleiner Stufenkolben 31, 32 bewegt, der durch eine Feder 33 ständig mit der Stirnfläche grösseren Durchmessers nach dem Körper 6 hingedrückt wird. Auf dieser Seite steht er durch den Kanal 35 dauernd mit der Verdichtungskammer 34 des Motors in Verbindung, während von der Seite des kleineren Kolbendurchmessers aus ein Kanal 36 nach der zylindrischen Kammer 16 des Einspritzventils führt.
Ein Kanal 37, der beim Hubende von dem kleinen Kolben 32 freigelegt wird, bringt die Kammer 38 mit einem Brennstoffspeicherbehälter 5 in Verbindung und ein ständig offener Kanal 40 dient zur Abführung der in der Kammer 41 auftretenden Verluste nach dem Brenn- stoffbehälter 5 oder nach einem andern Behälter. Die Stirnflächen der beiden Kolben 31 und 32 stehen untereinander in einem Verhältnis, das dem zwischen den absoluten Drücken des Brennstoffes und der Verbrennungsluft zu erzielenden Verhältnis entspricht.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 arbeitet bei einem Viertaktmotor wie folgt : Während des Ansaughubes des Motors bleibt der Stufenkolben 31, 32 unter der Einwirkung des Druckes der Feder 33 und des Unterdruckes in der Kammer 34 des Zylinders 2 in der Stellung, die er beim Hubende einnimmt.
Während des Verdichtungshubes bekommt der zunehmende Druck in der Kammer 34 das Übergewicht über die Feder 33, der Kolben 31, 32 treibt bei seiner Verschiebung etwas Brennstoff durch den Kanal 37 hindurch nach dem Behälter 5, und in dem Augenblick, in dem der kleine Kolben 32 den Kanal 37 abdeckt, ist in dem Raum 38, 36, 16 ein Druck hergestellt, dessen Wert zu dem in der Kammer 34 herrschenden Druck in einem Verhältnis steht, das dem zwischen den beiden Kolbenflächen des Stufenkolbens 31, 32 bestehenden Verhältnis entspricht. In dem bestimmten Zeitpunkt schliesst der vom
Motor angetriebene Schalter 21, 25 den Stromkreis des Solenoids 13, so dass die Einspritzdüse 9 auf elektromagnetischem Wege geöffnet wird und die Einspritzung beginnt.
Der absolute Brennstoff- druck nimmt selbsttätig ebenso zu wie der Druck in der Kammer 34 und die Einspritzung erfolgt deshalb unter ständig gleichbleibendem effektivem Druck. Die Einspritzung endet, wenn der Strom für das Steuersolenoid 13 vom Schalter 21, 25 unterbrochen und daher die Spindel 7 durch die Feder 12 wieder in die Schlussstellung geschoben wird. Der Stufenkolben 31, 32 bleibt in der Stellung, in der er sieh in diesem Augenblick befindet, bis zum Ende des Auspuffes des Motors stehen, wo er, da der Druck in der Kammer 34 verschwindet, von der Feder 33 zurückgedrückt wird und den Kanal 37 freigibt, wodurch in der Kammer 38 ein Unterdruck geschaffen wird, bei dem sie sich mit Brennstoff für den nächsten Kreislauf füllt.
Diese Schilderung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 lässt erkennen, dass der Druck auf den Brennstoff lange vor der Öffnung des Einspritzventils einzuwirken beginnt und anderseits lange nach dessen Schliessung endet, so dass reichlich Spielraum für die Verschiebung des Zeitraumes für die Einspritzung vorhanden ist. Ferner weist die bei dieser Vorrichtung vorgesehene selbsttätige Pumpe mit gleichbleibendem wirksamem Druck keine höheren Drücken unterworfenen Rohrleitungen auf und weder Ventile noch mechanische Antriebe. Auch hat die Abnutzung des Kolbens keinerlei Einfluss auf die Genauigkeit der Einspritzung, weil diese lediglich von der elektrischen Steuerung des Einspritzventils abhängt und die Undichtigkeiten durch die Vermehrung des Hubvolumens des kleinen Kolbens 32 ausgeglichen werden.
Bei einem Zweitaktmotor ist die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 vollständig gleich dem für einen Viertaktmotor beschriebenen Steuer-und Einspritzvorgang.
Bei der Vorrichtung nach Fig. 1 wird die Veränderung der. aus der Einspritzdüse jeweils austretenden Brennstoffmenge durch Änderung der Einspritzdauer, d. h. der Dauer des elektrischen Kontaktes des umlaufenden Schalters, erreicht. Diese Änderung kann aber auch dadurch erzielt werden, dass der wirksame Querschnitt der Einspritzdüse geändert wird. Ein in dieser Weise regelbares elektromagnetisch steuerbares Einspritzventil ist in Fig. 2 in einem Ausführungsbeispiel für sich allein ohne die zugehörige selbsttätige Pumpe dargestellt.
Gemäss Fig. 2 läuft die Ventilspindel 7 b, die mit dem beweglichen federbelasteten Kern des im Topf H & eingeschlossenen Steuersolenoids verbunden ist, in einem stark verjüngten Konus 8 b aus und ihr Hub ist mittels Verstellung des für gewöhnlich festen Solenoidkernes 10 b, der mehr oder weniger weit in den Topf 11 b hineingeschraubt werden kann, oder mit Hilfe eines andern verstellbaren Anschlages veränderbar. Mit der Veränderung
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