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Hydraulische Steuerungseinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für die Einblaseventile einer Gasmaschine
Bei Brennkraftmaschinen mit hydraulischer Steuerung ergeben sich häufig beträchtliche Unterschiede der indizierten Leistung der einzelnen Zylinder als Folgeerscheinung eines ungleichen Luft-Kraftstoffver- hältnisses in den Zylindern. Die Ursache dieser Abweichungen besteht einerseits in unterschiedlichen
Ventilhüben, z. B. der Einblaseventile bei einer Gasmaschine, anderseits in nicht gleichmässiger Zutei- lung der Luft zu den einzelnen Motorzylindern.
Die Folgeerscheinungen ungleichmässiger Zylinderladungen durch Abweichungen der Mischungsverhältnisse vom Sollwert sind bekannt. So führt, insbesondere bei Gasmaschinen, das Vorhandensein eines zu reichen Gemisches zum Klopfen und eines zu armen Gemisches zu Aussetzeminden entsprechenden Motorzylindern. Neben einer verminderten Leistung und einem höheren Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine stellt sich als Folgeerscheinung des Klopfens und der dadurch verursachten übermässigen thermischen und mechanischen Belastung ein rascher Verschleiss funktionswichtiger Motorteile ein.
Für die oft beträchtlichen Abweichungen der Ventilhübe untereinander sind zahlreiche Einflüsse verantwortlich, unter denen die Kompressibilität der Steuerflüssigkeit den bedeutendsten Faktor darstellt.
Die Kompressibilität der Steuerflüssigkeit ist nämlich die Hauptursache dafür, dass sich die unvermeidbaren Unterschiede in den Dimensionen der Steuerleitungen sowie der Fertigungstoleranzen der Steuerpumpe und der übrigen Elemente der hydraulischen Steuereinrichtungen so nachhaltig auf die Grösse des Ventilhubes auswirken. Weitere Einflüsse bilden unter anderem die elastische Ausdehnung der Druckleitungen (Atmen) und die Lässigkeitsverluste. Ebenso beeinflussen auch voneinander abweichende Charakteristiken der Ventilfedern die Hübe der entsprechenden Ventile. Ein Teil dieser Einflüsse, z. B. die Ventilfedercharakteristik, kann sich im Betrieb weiter verändern.
Ein weiterer Nachteil bisher bekannter hydraulischer Steuerungseinrichtungen besteht in der schlechten Eignung für höhere Motordrehzahlen, da die in hohen Drehzahlbereichen auftretenden Schwingungserscheinungen in denDruckleitungen sowie die durch Massenkräf te bedingte, mit der Drehzahl zunehmende Funktionsunsicherheit der Steuerventile, insbesondere der üblichen Druckventile der Steuerpumpe, einen störungsfreien Betrieb in Bereichen hoher Drehzahlen nicht zulassen. Da die allgemeine Entwicklung des Motorenbaues auf immer höhere Betriebsdrehzahlen hinzielt, bedeutet dies eine beträchtliche Einschrän- kung des Verwendungsbereiches hydraulischer Steuerungen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine hydraulische Steuerungseinrichtung für Brennkraftmaschinen, insbesondere für die Einblaseventile einer Gasmaschine, mit einer von der Brennkraftmaschine betriebenen Steuerflüssigkeitspumpe, von der jeder Pumpenzylinder durch eine Druckleitung einerseits über ein federbelastetes Rückschlagventil mit dem hydraulischen Arbeitszylinder für den Antrieb des federbelasteten Ventils und anderseits mit dem Druckraum eines zusätzlichen federbelasteten Steuerschiebers verbunden ist, welcher bei der Schliessbewegung des Ventils die Rückleitung der Steuerflüssigkeit aus dem Arbeitszylinder freigibt. Auch diese bekannte hydraulische Steuerungseinrichtung ist mit den eingangs erläuterten Mängeln und Nachteilen behaftet.
Es ist das Ziel der Erfindung, diese bekannte Einrichtung derart zu vervollkommnen, dass sich für
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sämtliche Zylinder der Brennkraftmaschine möglichst gleiche Ladungsverhältnisse zur Erzielung gleicher indizierter Zylinderleistungen ergeben und überdies eine Betriebssicherheit der Einrichtung auch für höhere
Drehzahlen (über 1500 Umdr/min) gewährleistet ist. Dieses Ziel wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass in die Druckleitung zwischen dem Pumpenzylinder und dem Arbeitszylinder des Ventils ein einstell- baresDruckregelelement zur Einstellung des Ventilhubes eingeschaltet ist und dass das einstellbare Druck- einstellelement zwischen dem Pumpenzylinder und dem Rückschlagventil angeordnet ist oder das Rück- schlagventil selbst als einstellbares Druckregelelement ausgebildet ist.
Dadurch ist erreicht, dass das
Druckmittel im Verlauf des Betätigungsvorganges vor seinem Einwirken auf den Arbeitskolben das Druck- regelelement durchströmen muss. Der sich dabei einstellende Flüssigkeitsdruck ist durch die Einstellung des Druckregelelementes bestimmt. Erst wenn der Öffnungsdruck durch das Druckmittel überwunden ist, beginnt die Wirkung auf den Arbeitskolben. Bei mehreren parallelliegenden Steuereinrichtungen kann mittels der in ihnen liegenden Ventilhübe, die sich aus den Toleranzen ihrer Teile, verschiedenen Län- gen der Druckleitungen und des dadurch bestimmten verschiedenen Flüssigkeitsvolumens ergeben, ausge- glichen werden. Diese zeitlichen und grössenmässigen Unterschiede sind auf die Kompressibilität des Druckmittels und die Elastizität der Druckleitungen zurückzuführen.
Die Ausnutzung der Kompressibilität des Druckmittels und der Dilatation der Druckleitungen zur Einstellung des Kolbenhubes mittels eines Druckregelelementes stellt eine neuartige Lösung dar.
Bei bekannten Vorschlägen für hydraulische Steuereinrichtungen von Ventilen handelt es sich um Ausgleichsgefässe, deren Volumen durch unter Federkraft stehende Teile in Abhängigkeit von dem in ihnen herrschenden Druck veränderlich ist. Wesentlich ist dabei jedoch, dass diese Ausgleichsgefässe beim Ansteigen des Druckes einenTeil der in der Verbindungsleitung zwischen Pumpe und Arbeitszylinder enthal- tenen Flüssigkeitsmenge aufnehmen. Je nach dem-im allgemeinen einstellbaren-Druckverhalten dieser Ausgleichsgefässe nehmen diese ein verschieden grosses Flüssigkeitsvolumen auf. Bei solchen Einrichtungen ist die Anpassung mehrerer gleichzeitig wirkender Steuereinrichtungen aneinander besonders schwierig, weil diese Anpassung nur mittelbar erfolgen kann.
Bei einer Verstellung der Relation zwischen Druck-und Volumsänderung des Ausgleichsraumes verändert sich das gesamte Druckverhalten der Steuereinrichtung und als Folge davon die Auswirkung der Kompressibilität des Druckmittels und der Dehnungen der Verbindungsleitungen auf den Hub des Arbeitskolbens. Eine Abstimmung mehrerer paralleler Steuerkreise in der Weise, dass die Bewegungen der einzelnen Arbeitskolben zeitlich im Einklang miteinander stehen, ist unter diesen Umständen sehr aufwendig.
Gleichartige Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten ergeben sich auch bei einer weiteren bekanntenAusbildung einer Steuereinrichtung, bei der ein Rückschlagventil in einer zum Arbeitskolben parallelliegenden Leitung für das Druckmittel liegt. Bei dieser Anordnung sind für den Druckanstieg vor dem Arbeitskolben und damit für den zeitlichen Verlauf seiner Arbeitsbewegung die Charakteristiken der beiden Federelemente massgebend, die den Arbeitskolben in der Ausgangsstellung zu halten bestrebt sind und den Hubbeginn des Rückschlagventils bestimmen. Hieraus folgt, dass es einer sehr feinfühligenAbstimmung bedürfte, wollte man die Hubbewegung des Arbeitskolbens durch Veränderungen an der Rückstellfeder des Rückschlagventils einregulieren.
Ein dauerhafter und insbesondere über einen grösseren Drehzahlbereich gültiger Ausgleich von Unterschieden der Ventilhübe mehrerer Zylinder ist wegen der für jede einzelne Ventilbetätigungseinrichtung bestehenden Abhängigkeit von den Kennlinien zweier Federn in der Praxis undurchführbar.
Nach der Erfindung sind hingegen Pumpenkolben, Druckleitung und Arbeitskolben hintereinander geschaltet. Der Hub des Arbeitskolbens ist bei gleichbleibendem Hub und Fördervolumen der Pumpe von der Volumsabnahme zufolge der Kompressibilität der Flüssigkeit und der Elastizität der sie umschliessenden Verbindungsleitungen (Atmen) unabhängig. Das bei den einzelnen Steuerkreisen unterschiedliche Ausmass dieser Auswirkungen ist mittels des Ventils einstellbar, indem bei gleichbleibendem Fördervolumen der Pumpe der Steuerdruck erhöht bzw. reduziert wird. Dadurch kann der Einfluss von Kompressibilität und Dilatation kompensiert und für die Arbeitskolben aller Zylinder derselbe Hub erzielt werden, ohne dass Totraum zugeschaltet oder ein Teil der Steuerflüssigkeit abgezweigt werden muss.
In besonders vorteilhafter Weise kann auch das Rückschlagventil in der Leitung zwischen dem Pumpen- und dem Arbeitskolben als Druckregelelement ausgebildet sein.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, das nachfolgend näher beschrieben ist : Mit 1 ist eine Steuerflüssigkeitspumpe, z. B. eine Einspritzpumpe üblicher Bauart bezeichnet. Jeder Pumpenzylinder 2 steht druckseitig über eine Druckleitung 3, ein Rückschlagventil 4 und eine Verbindungsleitung 8 mit dem Druckraum eines hydraulischen Arbeitszylinders 9 in Verbindung, in dem der Arbeitskolben 10 zur Betätigung des Einlassventils 11 axial geführt ist.
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Das Einlassventil 11 mit dem Teller 12 ist durch die Ventilfeder 13 im Schliesssinn belastet.
Das Rückschlagventil 4 ist durch eine Belastungsfeder 5, deren Vorspannung mittels einer Ein- stellschraube 6 mit Rändel 7 verändert werden kann, in Schliessrichtung belastet.
Die Druckleitung 3 steht über eine weitere Leitung 3'mit dem Druckraum 21 eines Steuer- zylinders 18 in Verbindung, in dem ein ausser durch den Steuerflüssigkeitsdruck zusätzlich durch eine
Belastungsfeder 20 belasteter Steuerkolben 19 axial geführt ist.
Der Arbeitszylinder 9 besitzt nahe dem oberen Hubende des Arbeitskolbens 10 eine seitliche
Steuerbohrung 14, an welche die Abflussleitung 15 anschliesst, die in den Steuerzylinder 18 auf der der Feder 20 gegenüberliegenden Seite des Steuerkolbens 19 mündet. Der Steuerzylinder 18 besitzt eine von der freien Stirnkante des Kolbens 19 aufsteuerbare Steuerbohrung 22, an die die
Steuerflüssigkeitsrückleitung 23 zum Steuerflüssigkeitsbehälter 24 anschliesst. Vom Behälter 24 führt eine Speiseleitung 25 zur Steuerflüssigkeitspumpe 1.
Zwischen der Verbindungsleitung 8 und der Abflussleitung 15 befindet sich eine Umgehungsleitung 16 mit einer Drossel 17.
Für diese Steuereinrichtung ergibt sich folgende Betriebsweise : Die Steuerflüssigkeitspumpe 1 ist von der Brennkraftmaschine angetrieben. Sie fördert bei jedem Aufwärtshub eines ihrer Pumpenkolben eine vorbestimmte Steuerflüssigkeitsmenge vom Pumpenzylinder 2 in die Druckleitung 3. Die Steuerflüssigkeit beaufschlagt über die Druckleitung 3'den Kolben 19 des Steuerzylinders 18 und hält dabei die Steuerbohrung 22 geschlossen. Solange das Rückschlagventil 4 geschlossen ist, steigt der Flüssigkeitsdruck in der Druckleitung 3 unter gleichzeitiger Ausdehnung der Rohrwandungen der Druckleitung so lange an, bis der voreingestellte Öffnungsdruck des Rückschlagventils 4 erreicht ist.
Das Ausmass der elastischen Dehnung der Druckleitung sowie der Zeitpunkt der Öffnung des Rückschlagventils 4 sind also abhängig vom jeweils eingestellten Öffnungsdruck.
Nach Öffnung des Rückschlagventils 4 beaufschlagt die Steuerflüssigkeit über die Verbindungsleitung 8 den Arbeitskolben 10, der das Einlassventil 11 entgegen der Wirkung der Ventilfeder 13 öffnet.
NachAbsteuern der Steuerflüssigkeitspumpe, bei der Verwendung einer üblichen Einspritzpumpe also beiAufsteuern derÜberströmbohrung durch eine Steuerkante des Pumpenkolbens, tritt in den Druckleitungen 3 und 3'eine Entlastung ein, so dass das Rückschlagventil 4 schliesst und der Steuerkolben 19 nur mehr durch seine Feder 20 belastet ist. Die Ventilfeder 13 bewirkt nun das Schliessen des Ventils 11 unter gleichzeitigem Ausschub der im Arbeitszylinder 9 befindlichen Steuerflüssigkeit durch den Arbeitskolben 10. Zunächst gelangt die Steuerflüssigkeit über die Abflussleitung 15 an die Stirnfläche des Steuerkolbens 19 und verschiebt diesen gegen die Kraft seiner Belastungsfeder 20. Der Steuerkolben 19 gibt die Steuerbohrung 22 frei, so dass die Steuerflüssigkeit über die Leitung 23 in den Behälter 24 abströmt.
Gegen Ende der Ventilschliessbewegung schliesst der Arbeitskolben 10 die Steuerbohrung 14 und die im Arbeitszylinder 9 noch vorhandene Steuerflüssigkeit gelangt über die Umgehungsleitung 16 durch die Drossel 17 gleichfalls in den Behälter 24 zurück. In dieser Endphase der Ventilschliessbewegung verursacht die Drossel 17 ein verzögertes Abströmen der Steuerflüssigkeit, so dass ein weiches Aufsetzen des Ventiltellers 12 gewährleistet ist. Durch entsprechende Einstellung des Öffnungsdruckes des Rückschlagventils 4 ist eine Feineinstellung des Ventilhubes sämtlicher Steuerkreise der Brennkrafmaschine und somit eine Koordinierung der Charakteristiken sämtlicher Ventile möglich.