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Einrichtung zur selbsttätigen Regelung des Brennstoffeinspritzzeitpunktes
bei Brennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur selbsttätigen
Regelung des Einspritzzeitpunktes bei Brennkraftmaschinen mit vom Verdichtungsdruck
angetriebener Einspritzpumpe und vom Brennstoffdruck gesteuertem Einspritzventil
durch Beeinflussung der Schließkraft in Abhängigkeit vom Kompressionsdruck.
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Einspritzpumpen, die nach dem sogenannten Archaouloffsystem arbeiten,
enthalten einen Kolben, dessen größere Kolbenfläche dem Kompressions- und Gasdruck
im zugehörigen Motorenzylinder ausgesetzt ist, während die kleinere Kolbenfläche
als Pumpenkolbenfläche wirkt und den Brennstoff zu dem Einspritzventil fördert.
Wegen des Unterschiedes zwischen dem Flächeninhalt der beiden Kolbenflächen des
Stufenkolbens wird der Brennstoffdruck im Zufuhrkanal zum Einspritzventil immer
ein lineares Vielfaches des Motorenzylinderdruckes sein. Bei der üblichen Ausbildung
des Einspritzventils wirkt der Brennstoffdruck derart auf eine Kolbenfläche, daß
das Ventil, das vorzugsweise als Nadelventil ausgebildet ist, beim Erreichen eines
vorbestimmten geringsten Brennstoffdruckes geöffnet und offengehalten wird, bis
der Druck im Motorenzylinder einen solchen Abfall des Brennstoffdruckes bedingt,
daß der Ventilkolben das Ventil wieder schließt und dadurch das Einspritzen unterbrochen
wird.
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Während des ersten Teiles des Kompressionshubes im Motorenzylinder
ist der Kompressionsdruck annähernd von der Winkellage der Kurbel des mit dem Kolben
verbundenen Kurbeltriebes abhängig, und zwar derart, daß die Drucksteigerung je
Grad der Kurbelbewegung stetig abnimmt. Im letzten Teil des Kompressionshubes, wo
das Einspritzen normalerweise einsetzen soll, ist die Drucksteigerung je Kurbelgrad
so klein, daß selbst eine kleine Änderung des Kompressionsdruckes eine bedeutende
Verschiebung des Zeitpunktes bedingt, an welchem der Druck das Ventil öffnet, d.
h. des Einspritzzeitpunktes. Eine solche Verschiebung des Einspritzzeitpunktes ist
für den Höchstwert des Verbrennungsdruckes im Zylinder von maßgebendem Einfluß.
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Die Regelung des Druckwertes, bei welchem sich das Einspritzventil
öffnet, erfolgt gewöhnlich durch eine die Ventilnadel beeinflussende Feder, deren
Spannung von außen mit der Hand geregelt werden kann. Dieses Verfahren ist nicht
völlig zufriedenstellend. Es ist nicht möglich zu verhindern, daß bei einer zufälligen
Erhöhung des Motorenkompressionsdruckes durch Änderung der Betriebsverhältnisse
des Motors, z. B. während der Manövrierung, ein vorzeitiges Einspritzen erfolgt,
wodurch der Höchstdruck über den höchsten für den Motor zulässigen Wert hinaus steigt
und dadurch ein unerwünschtes Pendeln des Verbrennungsdruckes eintritt.
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In Verbindung mit mechanisch angetriebenen Pumpen sind Einspritzventile
bekannt, bei denen der Druck in der Brennstoffleitung die Schließkraft des Nadelventils
beeinflußt. Dabei ist der Brennstoffdruck entweder direkt an der rückwärtigen Nadelstirnfläche
wirksam, wobei zusätzlich eine Feder vorgesehen sein kann, oder er wirkt über einen
Kolben auf das Widerlager der Schließfeder, welches er je nach Höhe des Druckes
mehr oder weniger verschiebt. Bei einigen dieser bekannten Einspritzventile ist
der Raum, in welchem der Druck wirksam ist, mit einem Abflußkanal versehen, dessen
Querschnitt derart gedrosselt ist, daß sich das Wiederabsinken des Druckes für eine
kurze Zeitspanne hinauszögern läßt. Man erreicht damit, daß die Schließkraft mit
einer gewissen Nacheilung gegenüber dem Druckanstieg erhöht wird, damit im Augenblick
der Entlastung der Druckleitung eine erhöhte Schließkraft vorhanden ist. Die Zeitspanne,
um die das Wiederabsinken des Druckes hinausgezögert werden kann, ist hierbei stets
auf einen einzigen Öffnungsvorgang des Einspritzventils beschränkt; nachdem das
Ventil in seine Schließstellung zurückgekehrt ist, sinkt auch der Druck auf den
in der Druckleitung verbleibenden Restdruck. Mit solchen Einspritzventilen wird
zwar eine gewisse Kompensierung der Brennstoffdruckschwankungen erreicht, da aber
die Anordnung an
mechanisch angetriebene Pumpen gebunden ist, ergibt
sich nur eine Herabsetzung des Amplitudenwertes des Pendelns. Eine vollständige
Vermeidung ist nicht möglich, da der Kompensierungsdruck am Nadelventil nur für
diejenige Ventilöffnung wirksam ist, bei welchem er zur Wirkung kommt.
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Es sind kompressionsdruckbetätigte Einspritzvorrichtungen bekannt,
bei welchen der im Arbeitszylinder herrschende Druck auf die Spannung der Schließfeder
des Einspritzventils einwirkt, um eine selbsttätige Regelung des Einspritzzeitpunktes
und damit einen gleichmäßigen Verbrennungshöchstdruck zu erreichen. In diesen Vorrichtungen
findet aber keine derartige allmähliche Druckentspannung statt, daß nach dem Ende
der Einspritzung eine Zusatzbelastung auf die Ventilnadel bestehenbleibt. Zum Zeitpunkt
der nächsten Öffnung des Ventils ist der Gasdruck hinter dem die Schheßfederspannung
beeinflussenden Kolben fängst abgesunken und letzterer in seine Ausgangslage zurückgekehrt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile
zu vermeiden und den Einspritzzeitpunkt so zu steuern, daß ein Pendeln im höchsten
Brennstoffdruck sofort vor dem nächsten Arbeitshub des Motorenkolbens gedämpft wird.
Nach der Erfindung ist dies durch Ausnutzung der genannten Eigenschaft einer Druckpumpe
erreicht, gemäß der ihr Druck annähernd linear von den Kurbelgraden des Motorenkolbens
abhängig ist, also ein Druckunterschied einem Kurbellageunterschied, d. h. einem
Zeitpunktsunterschied, entspricht.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Einrichtung der eingangs
genannten Gattung das Einspritzventil in an sich bekannter Weise einen von der Brennstoffdruckleitung
aus gespeisten, im Schließsinn des Einspritzventils wirksamen Druckspeicher aufweist,
dessen gedrosselter Abflußquerschnitt derart bemessen ist, daß der Öffnungsdruck
des Einspritzventils im nachfolgenden Arbeitsspiel durch den Druck im Speicher beeinflußbar
ist.
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Wie bei der obenerwähaten Ventilanordnung, die zur Verwendung in Verbindung
mit mechanisch angetriebenen Brennstoffpumpen vorgeschlagen ist, steht auch bei
der Vorrichtung nach der Erfindung die Ventilnadel unter dem Einfluß des Druckes
in einem Raum, der mit der Auslaßseite der Pumpe in Verbindung steht. Nach der Erfindung
kann die Ventilnadel gleichzeitig über ein nachgiebiges Glied und eine Feder unter
dem Einfluß des genannten Druckes stehen. Diese Feder, deren Kraft gegebenenfalls
unabhängig von der Federkraft des nachgiebigen Gliedes eingestellt werden kann,
entspricht hier der Ventilfeder, die bei den üblichen Einspritzventilen verwendet
wird, um den Öffnungsdruck des Ventils festzulegen. Bei der vorliegenden Ausführung
wirkt dieser Feder ein nachgiebiges Glied entgegen, dessen Federkraft von dem angesammelten
Drucküberschuß des Zufuhrkanals abhängig ist. Da es sich hier um einen überschußdruck
handelt, dessen Einlaß mittels eines Rückschlagventils gesteuert wird, wird dieser
Druck erst nach der Ventilöffnung zur Wirkung kommen und in voller Höhe bis zur
nächsten Ventilöffnung aufrechterhalten. Die Folge ist, daß die nächste Ventilöffnung
verspätet, d. h. in einer späteren Kurbellage, erfolgt, wodurch der Höchstdruck
wieder herabgesetzt wird.
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Um die beabsichtigte allmähliche Entlastung des Drucküberschusses
zu erreichen, derart, daß derselbe nicht stehenbleibt, ist in Ausgestaltung der
Erfindung ein Drosselkanal parallel zu dem den Einlaß zum Drucksammelraum steuernden
Rückschlagventil angeordnet. In diesem Raum angesammelter, unter dem erhöhten, dem
überschußdruck entsprechenden Druck stehender Brennstoff wird dadurch allmählich
in den Zufuhrkanal zurücktreten. Dieser enge Kanal weist vorzugsweise einen einstellbaren
Durchlaßquerschnitt auf, wodurch eine Dämpfung des überschußdruckes über einer variierenden
erwünschten Anzahl von Einspritzperioden ermöglicht wird.
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Um die erwünschte Kompensierung einstellen zu können, wird nicht nur
das Rückschlagventil derart ausgebildet, daß sein Öffnungsdruck einstellbar ist,
sondern auch das nachgiebige Glied derart ausgebildet, daß es eine einstellbare
Vorspannung aufweist, die überwunden werden muß, bevor ein angesammelter Drucküberschuß
eine Änderung der Federkraft bewirken kann.
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Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In der Zeichnung ist 1 das Ventilgehäuse mit der Einspritzöffnung
2, die in den Motorenzylinder 3 einmündet, und 4 die Ventilnadel.
Im Gehäuse 1 ist ein Brennstoffzufuhrkanal5 vorgesehen, der durch die Bohrung
6 mit der Abgabeseite der nicht gezeigten Einspritzpumpe in Verbindung steht. Die
Nadel 4 ist mit Paßsitz im Gehäuse 1 geführt und weist eine Druckfläche
7 auf, die dem Brennstoffdruck im Kanal 5 ausgesetzt ist. Auf der
oberen Stirnfläche 8
lastet der Druck einer Feder 9, deren anderes Ende an
einem Federhalter 10 anliegt, dessen Lage im Raum 11 des Gehäuses
von außen mittels einer Schraube 12 einstellbar ist.
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Auf der Fläche 8 liegt auch eine Druckstange 13
auf,
deren obere Stirnfläche 14 von einer Feder 15 beaufschlagt wird. Das
andere Ende der Feder 15 liegt an einer Scheibe 16 an, die an einer Druckstange
17 sitzt, welche einen Kolbenteil 18 aufweist, der mit Paßsitz in einer Bohrung
im Gehäuse 1 gleitbar ist und dessen obere abgerundete Stirnfläche
19 in einen Raum 20 des Gehäuses hineinragt. Der Raum 20 ist nach oben durch
einen Stopfen 21 abgeschlossen. Der Stopfen 21 weist einen zentralen Zapfen
22 auf, dessen freie abgerundete Stirnfläche 23 mit der Stirnfläche 19 der
Druckstange 18 in Berührung gelangt und dadurch die obere Lage derselben festlegt.
Durch Verstellen des Stopfens 21 in seiner Gewindebohrung ist die Vorspannung
der Feder 16 regelbar. Der Raum 20 steht durch einen Kanal
24 mit dem Brennstoffkanal 5 über ein Rückschlagventil25 in Verbindung. Der
Öffnungsdruck des Ventils 25 ist durch Verstellen der Kraft der Schließfeder
26 mittels einer im Gehäuse 1 eingeschraubten Schraube 27 regelbar.
Der durch das Ventil 25 abgeschlossene Kanal 24 steht mit dem Brennstoffkanal
s außerdem durch einen Drosselkanal 28 in Verbindung, dessen Durchlaßquerschnitt
durch Verstellen einer Nadel 29 mittels einer im Gehäuse 1 sitzenden
Schraube 30 regelbar ist.
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Die Ventilvorrichtung nach der Erfindung arbeitet folgendermaßen:
Es ist zuerst vorauszusetzen, daß der Druck im Brennstoffkanal 5, d. h. der Abgabedruck
der Druckpumpe, den Öffnungsdruck des Rückschlagventilsl 25
nicht übersteigt.
Die Flächen 19 und 23 liegen dann aufeinander. Die Druckstange 13 wirkt auf
die Fläche 8 mit einer der Kraft der Feder 15 entsprechenden
Kraft.
Zum Öffnen des Ventils muß der Brennstoffdruck im Kanal 5 den kombinierten Kräften
der Federn 9 und 15 entsprechen. Das erwünschte Verhältnis zwischen diesem Druck
und dieser Federkraft wird durch entsprechende Bemessung der Druckfläche 7 erhalten,
d. h. durch den Unterschied zwischen den Durchmessern Dz und D3. Solange der Brennstoffdruck
kleiner als der öffnungsdruck des Rückschlagventils 25 ist, wirkt also das Ventil
wie ein gewöhnliches federbeeinflußtes Einspritzventil.
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Während des Einspritzhubes der kompressionsdruckgetriebenen Brennstoffpumpe
steigt der Druck im Kanal 5. Falls dieser Druck zu irgendwelcher Zeit den Öffnungsdruck
des Ventils 25 übersteigt, gelangt eine Brennstoffmenge bei diesem höheren Druck
durch dieses Ventil und den Kanal 24 in den Raum 20 und drückt auf den Kolben
18 mit dem wirksamen Durchmesser D1, wodurch die Feder 15 zusammengedrückt
wird und ihre Federkraft ansteigt. Wenn der Brennstoffdruck wieder fällt und das
Einspritzen unterbrochen wird, schließt sich das Ventil 25. Jetzt ist eine
Brennstoffmenge in dem Raum 20 eingeschlossen, die unter dem Eintrittsdruck
in dem Raum steht. Während des nächsten Einspritzhubes der kompressionsgetriebenen
Pumpe wird folglich dieser Druck im Raum 20 herrschen. Die Vorspannung der
Feder 15 ist erhöht, und die Folge ist, daß ein höherer Brennstoffdruck im
Kanal 5 nötig ist, um die Ventilnadel 4 zu heben, was wiederum bedeutet, daß das
Einspritzen zu einer späteren Zeit während der Motorenkolbenbewegung stattfindet
als bei dem vorhergehenden Einspritzen. Die Folge hiervon ist wiederum ein geringerer
höchster Verbrennungsdruck im Motorenzylinder.
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Dieser geringere Verbrennungsdruck bewirkt wiederum einen niedrigeren
Einspritzdruck der Brennstoffpumpe, wodurch der Druck im Kanal 5 beim Auslaß des
Kanals 28 niedriger als der Druck im Raum 20 sein wird. Der im Raum 20 gesammelte
Brennstoff wird folglich ganz langsam aus ihm abströmen mit entsprechender Abnahme
des Druckes, der auf der Fläche 19 lastet. Die Feder 15 wird dementsprechend
derart entlastet, daß die Ventilnadel 4 bei einem von einer Einspritzperiode zur
nächsten allmählich abfallenden Druck öffnet. Wenn eine derartige Belastungsänderung
für den Motor nicht nochmals eintritt, so daß wieder ein Drucküberschuß im Kanal
5 auftritt, wird der Öffnungsdruck der Nadel 4
gleichmäßig und allmählich
bis zu seinem Normalwert abfallen, bei welchem die Flächen 19 und
23
miteinander in Berührung stehen, d. h. der normale Betriebszustand des
Motors vorliegt.
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Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführung wirkt der Druck
im Raum 20 auf die Fläche 19 des kolbenförmigen Teils 18 der
Druckstange 17, die die Scheibe 16 trägt. Selbstverständlich kann
diese Ausführung, die eine genaue Passung des Teiles 18 im Ventilgehäuse
1 bedingt, durch eine Ausbildung ersetzt werden, bei der der Druck im Raum
20 direkt auf die Scheibe 16 wirkt, indem z. B. ein dichter Balg od.
dgl. zwischen der Scheibe 16 und dem Raum 20
vorgesehen ist. Es ist
auch denkbar, die als Schraubenfeder ausgebildete Feder 15 durch eine vorgespannte
Membran zu ersetzen, welche den Raum 20 derart schließt, daß sich ihre Vorspannung
mit dem in diesem Raum herrschenden Druck ändert.
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Die Einstellvorrichtung für die den Durchlaßquerschnitt des Kanals
28 regelnde Nadel 29 ist in der Zeichnung als Schraube 30 dargestellt. Diese Schraube
kann durch irgendeine andere Regelvorrichtung ersetzt werden, die den örtlichen
Verhältnissen, bei welchen der Motor arbeiten soll, angepaßt ist, so daß z. B. der
Durchlaßquerschnitt des Kanals 28 von Hand oder selbsttätig ferngesteuert werden
kann.