DE1042952B - Regelverfahren fuer fremdgezuendete Einspritzbrennkraftmaschinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für fremdgezündete Einspritzbrennkraftmaschinen mit einer Kolbeneinspritzpumpe mit von der Drehzahl unabhängiger Kolbengeschwindigkeit.

Es sind bereits Brennkraftmaschinen mit Einspritzvorrichtung und Fremdzündung bekannt, bei welchen eine durch Nocken betätigte Einspritzpumpe das Einbringen des Kraftstoffes in den Zylinderraum vornimmt. Die Mengenregelung erfolgt dabei mechanisch, indem z. B. mit Schrägkanten versehene Pumpenkolben mit Hilfe des Gaspedals gesteuert werden. Die Einspritzung erfolgt dabei in den Saughub oder in den Kompressionshub.

Diese Brennkraftmaschinen arbeiten also nach dem Ottoverfahren, d. h., es wird auch hier ein brennbares Gas-Luft-Gemisch verdichtet und durch die Zündung mittels Zündkerze zur Verbrennung gebracht. Die Verbrennung hängt dabei weitgehend von der Qualität der Mischung ab, im Zündzeitpunkt soll daher im Idealfall jedes Kraftstoff teilchen von der zur vollkommenen Verbrennung erforderlichen Anzahl Sauerstoffteilchen umgeben sein. Dies wird durch entsprechende Verwirbelung, wenn auch unvollkommen, erreicht. Der Vorteil ist dabei, daß bei guter Durchmischung die Verbrennungsgeschwindigkeit beträcht-Hch ansteigt und dementsprechend die für die Verbrennung erforderliche Zeit sinkt, so daß sich auch bei Höchstdrehzahlen die Verbrennung nicht über einen unzulässigen Kurbelwinkel erstreckt. Bis jetzt sind der Drehzahl beim Ottomotor aus Gründen der Verbrennung keine Grenzen gesetzt. Es ist aber außerordentlich schwierig, die gleichzeitige Dosierung von Einspritzung und Luft in Abhängigkeit von Gashebelstellung, Last, Drehzahl und Temperatur zu erreichen. Außerdem ist insbesondere bei Kaltstart die Gefahr groß, daß der bereits in der Nähe des unteren Totpunkts eingespritzte Brennstoff den Ölfilm an den Zylinderlaufflächen zum Teil abwäscht.

Der Ottomotor hat jedoch auch an sich eine Reihe von Nachteilen, von welchen als wichtigster der verhältnismäßig geringe Wirkungsgrad genannt werden muß. So liegt der thermische Wirkungsgrad beim Ottomotor bei 30 bis 35 °/o, während der Dieselmotor einen thermischen Wirkungsgrad bis 45% erzielt. Der Grund liegt bekanntlich darin, daß die Verdichtung beim Dieselmotor wesentlich höher liegt als beim Ottomotor; während das Verdichtungsverhältnis ε nämlich beim Ottomotor in der Regel über 5-7 nicht hinausgeht, liegt ε beim Dieselmotor bei 16-20. Dabei ist zu beachten, daß der Gesamtwirkungsgrad bei ε = 4-16 rasch ansteigt, darüber aber nahezu gleichbleibt (zunehmende Reibung). Es wäre also naheliegend, den Ottomotor höher zu verdichten zur Verbesserung des Wirkungsgrades. Dem steht aber die Notwendigkeit Regelverfahren für fremdgezündete
Emspritzbrennkraftmaschinen

Anmelder:

Dipl.-Phys. Dr. Karlheinz Senckel,
München 19, Prinzenstr. 31

Dipl.-Phys. Dr. Karlheinz Senckel, München,
ist als Erfinder genannt worden

eines höchstzündfähigen Gemisches entgegen. Bei zunehmender Verdichtung würde sich das Gemisch selbst vorzeitig entzünden und dadurch das Klopfen verursachen.

Beim Dieselmotor ist dies dadurch vermieden, daß der Kraftstoff erst am Ende der Verdichtung eingespritzt wird. Dabei wird aber keine Kraftstoffvermischung vorgenommen, sondern das Dieselverfahren arbeitet mit hohem Luftüberschuß und erzielt dabei die Vorteile der besseren Kühlung und CO-freien Verbrennung. Dafür ist aber die Verbrennungszeit höher, so daß der Dieselmotor in der Drehzahl besonders aus diesem Grunde begrenzt ist. Hinzu kommt allerdings noch die Schwierigkeit, eine sauber begrenzte Einspritzung zu erzielen, was durch die in langen Druckleitungen entstehenden Schwingungen bei hohen Drehzahlen verhindert wird.

Man hat deshalb schon versucht, den Wirkungsgrad eines Ottomotors dadurch zu verbessern, daß man ihn mittels der sogenannten Schichtladung mit einem Luftüberschuß fährt, wie es bei Dieselmotoren üblich ist. Zu diesem Zweck hat man z. B. dem Zylinderraum eine Vorkammer zugeordnet, in welcher die Zündkerze eingebaut ist. Während der Vergaser dabei so eingestellt ist, daß ein mageres Gas-Luft-Gemisch dem Zylinderraum zugeführt wird, wird in die Vorkammer Brennstoff eingespritzt. Durch diese oder ähnliche Maßnahmen kann also eine Schichtladung, d. h. Zonen mit unterschiedlichem Brennstoff gehalt im Verbrennungsraum erzielt werden mit dem Zwecke, dadurch das Klopfen zu vermeiden trotz Erhöhung der Verdichtung.

Es ist auch schon versucht worden, bei Ottomotoren eine solche Schichtladung dadurch zu erreichen, daß der eingespritzte Brennstoffstrahl im Teillastbereich

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gegen den mit einer Schrägfläche versehenen Kolbenboden gespritzt wird, um den Strahl weitgehend gebündelt auf die Zündkerze zu reflektieren. Dieses Verfahren wäre dem vorher geschilderten zwar bezüglich der Einfachheit überlegen, es hat sich jedoch gezeigt, daß bei schrägem Aufprallen des Brennstoffstrahles auf eine Wand der Strahl in Richtung der Prallwand umgelenkt wird, also ein Reflektieren des Strahls nicht gelingt.

Die Erfindung geht zur Erreichung des Zieles, die wesentlichen Vorteile des Diesel- und Ottomotores in Abhängigkeit von Last und Drehzahl zu vereinigen, einen anderen Weg. Sie geht dabei aus von einer fremdgezündeten Einspritzbrennkraftmaschine mit einer Kolbeneinspritzpumpe mit von der Drehzahl unabhängiger Kolbengeschwindigkeit. Als Kolbeneinspritzpumpe kommt dabei z. B. eine bekannte Pumpe mit elektromagnetisch angetriebenem Pumpenkolben oder eine ebenfalls bekannte mechanisch angetriebene Einspritzpumpe in Betracht, bei welcher der Förderhub nach Auslösung einer Sperrvorrichtung unter der Wirkung einer während des Saughubs gespannten Speicherfeder erfolgt, die Fördermenge durch Änderung des Kolbenhubs geregelt wird und der Einspritzbogen in Gradkurbelwinkel sich mit zunehmender Drehzahl vergrößert.

Gemäß der Erfindung kennzeichnet sich das Regelverfahren für solche Einspritzbrennkraftmaschinen dadurch, daß das Einspritzende zeitlich mit der Zündung zusammengelegt wird und der Einspritzbeginn mit steigender Drehzahl und Last, etwa vom oberen Totpunkt ausgehend, über den ganzen Verdichtungshub progressiv vorverlegt wird. Durch diese Maßnahme wird ein an sich bekannter mit Schichtladung möglicher Betrieb mit dem Dieselverfahren angenähertem Luftüberschuß auf einfache Weise erreicht.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß das Einspritzende und der Zündzeitpunkt gemeinsam mit wachsender Drehzahl vorverlegt werden.

Ferner ist vorgesehen, daß der Einspritzbeginn durch das Gaspedal eingestellt wird und diese Einstellung durch einen Fliehkraftregler in Abhängigkeit von der Motordrehzahl verändert wird.

Einer Vorrichtung zum Durchführen des neuen Regelverfahrens mit einem elektromagnetisch angetriebenen Einspritzpumpenkolben besitzt eine von der Brennkraftmaschine angetriebene, durch den Fliehkraftregler auf einer Welle verschiebbare Nockenwalze mit sich über ihre Länge erstreckenden divergierenden Auslöse- bzw. Sperrkanten und mit einem längs der Walze mit Hilfe des Gaspedals verschiebbaren Kontaktarm vorgesehen ist, der einen im Stromkreis des den Einspritzpumpenkolben antreibenden Elektromagneten angeordneten Unterbrecherkontakt steuert.

Ein Kennzeichen der Vorrichtung liegt darin, daß die den Einspritzbeginn bestimmende Auslösekante aus einer rasch ansteigenden und am Ende parallel mit der Welle verlaufenden Kurve besteht, so daß die Vorverlegung des Einspritzbeginns nur bis zu der durch die Luftfüllung bedingten optimalen Drehzahl bewirkt wird.

Durch das neue Regelverfahren wird somit erreicht, daß sich die Füllung einer Brennkraftmaschine bei Vollast im unteren Drehzahlbereich ähnlich wie bei einem Dieselmotor verhält, sich aber mit zunehmender Drehzahl der Füllung des Ottomotors nähert. Bei Teillast dagegen bleibt der dieselähnliche Charakter über den ganzen Drehzahlbereich erhalten. Dies kann deshalb gefahrlos erfolgen, weil die Einspritzmenge im unteren Lastbereich so gering ist, daß dieselbe auch bei Höchstdrehzahl rasch genug verbrennt. Auf jeden Fall kann aber ohne Rücksicht auf Last und Drehzahl mit einem Luftüberschuß ähnlich wie beim Dieselverfahren gearbeitet werden. Infolge der Schichtladung kann aber auch die Verdichtung wesentlich erhöht werden ohne Gefahr der Selbstzündung. Hierzu ist allerdings

ίο Voraussetzung, daß der beim Dieselverfahren auftretende, aber unerwünschte Zündverzug soweit wie möglich reduziert wird. Dies ist im vorliegenden Falle dadurch gewährleistet, daß die Sperrung der den Pumpenkolben antreibenden Kraft mit der Auslösung des Zündfunkens zusammenfällt. Der Zündfunke findet also in jedem Falle eine von der Düse ausgehende Brennstoffschliere vor, an deren Rand er die Verbrennung einleitet.

Voraussetzung für das neue Regelverfahren ist, daß

ao zwischen der Kraftmaschine und der Einspritzpumpe in an sich bekannter Weise ein Arbeitsspeicher angeordnet ist, welchem die zum Antrieb des Pumpenkolbens erforderliche Kraft entnommen wird. Nur so ist es möglich, den Beginn und das Ende der Einspritzung durch Auslösen und Sperren der Kraft nach Belieben vorzuschreiben. Nach Auslösung der Kraft wirkt diese unter konstanten physikalischen Bedingungen frei bis zur Sperrung. Daraus ist zu entnehmen, daß das Verhältnis Einspritzmenge zu Einspritzzeit immer gleich ist. Die Regelung kann daher durch die bekannte Änderung des Hubs des Pumpenkolbens erfolgen, so daß es zur Vergrößerung der Einspritzmenge nur erforderlich ist, die Kraft etwas früher auszulösen und damit über eine längere Zeit wirken zu lassen, wobei der Einspritzvorgang maximal über den gesamten Verdichtungshub, beim schlitzgesteuerten Zeitakter sogar noch darüber hinaus, ausgedehnt werden kann.

In der Praxis erfolgt die Hubvergrößerung dadurch, daß die Vorverlegung des Auslösevorgangs mittels des Gaspedals erfolgt. Gleichzeitig wird jedoch mit wachsender Drehzahl die Auslösung außerdem selbsttätig durch einen Zentrifugalregler oder ein ähnlich wirkendes Mittel vorverlegt, so daß mit zunehmender Drehzahl der Einspritzvorgang weiter gespreizt wird, allerdings nur bis zur optimalen Drehzahl, bei welcher gerade noch keine Drosselerscheinungen der Frischluft auftreten. Bei Überschreitung der optimalen Drehzahl wird der Fliehkraftregler an einer weiteren Vorverlegung des Auslösevorgangs gehindert. Nachdem aber das Einspritzende in Verbindung mit der Zündung weiter vorverlegt wird, engt sich der Einspritzvorgang über den Kurbelwinkel ein und paßt sich so der infolge der Drosselung verminderten Luftfüllung wieder an.

Die praktische Ausführung des Erfindungsgedankens kann in mannigfacher Weise erfolgen.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Durchführen des neuen Verfahrens dar.

Fig. 1 zeigt die Steuerung der elektrisch betätigten \^rorrichtung in räumlicher Darstellung, während in
Fig. 2 der Stromverlauf schematisch dargestellt ist; in Fig. 3 ist eine Einzelheit im Schnitt stark vergrößert gezeichnet nach der Linie A-A der Fig. 1, und
Fig. 4 zeigt die Abwicklung einer Nockenform.
Auf einer von der Kurbelwelle direkt oder indirekt angetriebenen Welle 1 ist das Widerlager 2 eines Zentrifugalreglers angebracht, dessen die Fliehgewichte 3 tragenden Zugarme 4 mit einer auf der Welle 1 axial

verschiebbaren Nockenwalze 5 fest verbunden sind. Zwischen dem Widerlager 2 und der Nockenwalze 5 ist, wie üblich, eine Rückstellfeder angeordnet. In die Nockenwalze 5 ist eine Auslösekante 6 und eine Sperrkante 7 eingearbeitet, von welchen jeweils eine Rampe auf den Grund der negativ eingearbeiteten Nocke führt (s. insbesondere Fig. 3). Während die Sperrkante 7, wie in Fig. 4 dargestellt, nur leicht schräg verläuft, nimmt die Auslösekante 6 etwa einen logarithmischen Verlauf, endet aber wieder in einer mit der Welle 1 parallel verlaufenden Linie (Fig. 4). In Fig. 3 ist die Nockenwalze 5 im Schnitt vergrößert dargestellt, der Deutlichkeit halber sind außerdem die Rampen übertrieben groß gezeichnet.

Auf der Nockenwalze 5 ruht der Isolierfinger 8 eines Kontaktarmes 9, welcher an seinem einen Ende schwenkbar mit einem Isolierlager 10 verbunden ist. Der Kontaktarm 9 steht unter dem Einfluß einer gegen eine Nase 11 des Isolierlagers 10 anliegenden Druckfeder 12. An der Nase ist eine elektrische Leitung 13 angebracht. Der Kontaktarm 9 trägt auf seiner Unterseite eine Hälfte 14 eines Unterbrecherkontakts, während die andere Hälfte 15 auf einer Kontaktplatte 16 sitzt, welche auf dem waagerechten Teil 17 des Isolierlagers 10 angebracht ist. Von der Kontaktplatte 16 zweigt eine elektrische Leitung 18 ab.

Der waagerechte Teil 17 des Isolierlagers 10 ist mittels Führungsstangen 19 parallel zur Welle 1 verschiebbar gelagert. Die Verschiebung des Isolierlagers 10 erfolgt gegen die Kraft einer Rückstellfeder 20 mit Hilfe eines vom Gaspedal 21 betätigten Gestänges oder Seilzuges 22, wobei ein Anschlag 23 die Verschiebebewegung begrenzt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, führt die elektrische Leitung 13 zur Wicklung 24 eines Elektromagneten 25, in welchem der Pumpenkolben 26 einer Einspritzpumpe als Anker angeordnet ist. Die Magnetwicklung 24 dient gleichzeitig als Zündspulen-Primärwicklung. Die Sekundärwicklung 27 ist wie üblich mit der Zündkerze 28 elektrisch verbunden.

Die Arbeitsweise der beschriebenen Einspritzregelvorrichtung ist folgende:

Die Welle 1 und damit auch die Nockenwalze 5 rotiert entweder mit der halben (Viertakter) oder mit der ganzen Motordrehzahl (Zweitakter). Während einer Nockenwellenumdrehung gleitet der Isolierfinger 8 über die Auslösekante 6 und die daran anschließende Rampe auf den Grund des Nockens und schließt somit den Unterbrecherkontakt 14, 15. Der Strom durchfließt also nunmehr die Primärspule 24 und erregt den Elektromagneten 25., so daß der Pumpenkolben 26 vorwärts getrieben wird und den Brennstoff in den Zylinderraum einspritzt. Nach kurzer Zeit gleitet der Isolierfinger 8 auf der Rampe über die Sperrkante 7 und öffnet somit den Unterbrecherkontakt 15, 16 wieder. Der Stromfluß durch die Primärspule 24 des Elektromagneten 25 wird also wieder unterbrochen, so daß die Vorwärtsbewegung des Pumpenkolbens 26 damit beendet ist. Gleichzeitig wird in der Sekundärwicklung 27 in der bekannten Weise ein Spannungs- Po stoß induziert, welcher zur Funkenerzeugung in der Zündkerze Verwendung findet. Das Ende der Einspritzung und der Zündzeitpunkt fallen also stets miteinander zusammen. Die Bewegung des Pumpenkolbens 26 wird in vorteilhafter Weise dabei dadurch 6g sehr stark gebremst, daß im Augenblick der Stromunterbrechung das Kraftfeld durch den Zündfunken außerordentlich schnell abgebaut wird. Bei Betätigung des Gaspedals 21 wird das Isolierlager 10, 17 in Pfeilrichtung B gemäß Fig. 1 verschoben. Da die Auslösekante 6 rasch von der Waagerechten abweicht, wird der Einspritzbeginn mit wachsender Verschiebung mehr und mehr vorverlegt.

Nachdem das Einspritzende nur in Anlehnung an den Zündzeitpunkt durch die leicht schräg verlaufende Sperrkante 7 verschoben wird, erzielt man also durch die Betätigung des Gaspedals eine Spreizung des Einspritzvorganges. Mit wachsender Drehzahl wird jedoch die Nockenwalze 5 durch den Zentrifugal regler in Pfeilrichtung C gemäß Fig. 1 gezogen und der Einspritzbeginn noch weiter vorverlegt, bis die optimale Drehzahl n_ovtim erreicht ist. Von diesem Punkt ab verläuft die Auslösekante 6 bis zur maximalen Drehzahl n_max wieder in einer Waagerechten (s. Fig. 4), während das Einspritzende zusammen mit dem Zündpunkt immer noch weiter vorverlegt wird, so daß der Einspritzvorgang wieder eingeengt wird. Damit wird in Übereinstimmung mit der durch die Drosselung bedingten geringeren Luftfüllung auch die Einspritzmenge vermindert.

Das neue Regelverfahren bewirkt im übrigen neben den beschriebenen Vorteilen einen bisher noch nicht erwähnten eigenartigen Effekt:

Trotz festgehaltener Stellung des Gaspedals nämlich wird die Einspritzmenge mit wachsender Drehzahl durch den Fliehkraftregler bis zur optimalen Drehzahl vergrößert. Dies wirkt sich z. B. bei Überholvorgängen oder bei einer Beschleunigung am Berg günstig aus, weil die Dosierung von Hand oder Fuß aus in der Regel nicht so differenziert vorgenommen werden kann wie vom Fliehkraftregler. Die geschilderte Wirkung verleiht der nach dem neuen Verfahren arbeitenden Brennkraftmaschine also ein sehr günstiges Anzugsvermögen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Regelverfahren für fremdgezündete Einspritzbrennkraftmaschinen mit einer Kolbeneinspritzpumpe mit von der Drehzahl unabhängiger Kolbengeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzende zeitlich mit der Zündung zusammengelegt wird und der Einspritzbeginn mit steigender Drehzahl und Last, etwa vom oberen Totpunkt ausgehend, über den ganzen Verdichtungshub progressiv vorverlegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einspritzende und der Zündzeitpunkt gemeinsam mit wachsender Drehzahl vorverlegt werden.

3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzbeginn durch das Gaspedal (21) eingestellt wird und diese Einstellung durch einen Fliehkraftregler (3) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl verändert wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 mit elektromagnetisch angetriebenem Einspritzpumpenkolben, gekennzeichnet durch eine von der Brennkraftmaschine angetriebene, durch den Fliehkraftregler (3) auf einer Welle (1) verschiebbare Nockenwalze (5) mit sich über ihre Länge erstreckenden divergierenden Auslöse- bzw. Sperrkanten (6, 7) und mit einem längs der Walze mit Hilfe des Gaspedals (21) verschiebbaren Kontaktarm (9), der einen im Stromkreis des den Einspritzpumpenkolben (26) antreibenden Elektromagneten (25) angeordneten Unterbrecherkontakt (14,15) steuert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Einspritzbeginn be-

stimmende Auslösekante (6) aus einer rasch ansteigenden und am Ende parallel mit der Welle (1) verlaufenden Kurve besteht, so> daß die Vorverlegung des Einspritzbeginns nur bis zu der durch die Luftfüllung bedingten optimalen Drehzahl bewirkt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 394 397, 504 270, 590, 598 918, 869 445;

französische Patentschriften ISTr 1 054 656 357;
USA.-Patentschrift Nr. 2 615 437.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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