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Brennstoffeinspritzvorrichtung Die Erfindung betrifft eine hydraulisch
gesteuerte Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Verwendung in einer Verbrennungskraftmaschine.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine hydraulisch gesteuerte Brennstoffeinspritzvorrichtung,
welche Dauer und Menge des in eine Verbrennungskraftmaschine eingespritzten Brennstoffes
regelt.
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Eine einzelne Brennstoffeinspritzvorrichtung ist bekanntlich dazu
geeignet, Brennstoff in hochatomisiertem Zustand der Brennkammer einer Verbrennungskraftmaschine
zuzuführen. Sie wird durch einen Nocken betätigt, der von der Maschine gewöhnlich
über ein Getriebe angetrieben wird. Die Nockenbewegung wird über ein mechanisches
Gestbnge an einen hin-und hergehenden Kolben in der einzelnen Einspritzvorrichtung
übertragen. Während des Pumpenhubes wird Brennstoff durch
den Kolben
verdrängt und der Duse zugeführt, die üblicherweise koaxial in dem gleichen Gehäuse
angeordnet ist und durch Si>rühöffnungen mit der Verbrennungskammer in Verbindung
steht.
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Zwei Hauptarten von Einspritzvorrichtungen werden heutzutage verwendet,
welche die mechanisch gesteuerte einzelne Brennstoffvorrichtung mit einer Steuervo,rrichtung
umfassen, die die Maschinengeschwindigkeit und Drosselstellung abfühlt und mit jeder
einzelnen Einspritzvorrichtung durch mechanische Gestänge verbunden ist. Die Bewegung
dieser Gestänge wird an den Kolben der einzelnen Einspritzvorrichtung übertragen
und verändert seinen wirksamen Hub. Diese Bauart hat die Nachteile einer mechanischen
Verbindung zwischen den Regelvorrichtungen, wie Reglern und den einzelnen Einspritzvorrichtungen,
welche mit der ansteigenden Zahl von Maschinenzylindern immer komplizierter werden.
Dies bedingt Reibungen in dem Regelsystem, was höhere Steuerkräfte von dem Regler
erfordert und Wartung erfordert, weil eine Anderung der Relativlage bei diesen mechaneehen
Gestängen das Ausgang«teichgewicht der einzelnen Einspritzvorrichtungen stören kann
Zusätzlich ist die Einspritzdauer in bezug auf den Maschinenzyklus festgelegt.
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Die zweite Art einer einzelnen Einspritzvorrichtung, wie sie heutzutage
in Verwendung ist, wird mechanisch durch einen Nocken in gleichartiger Weise wie
die vorstehend beschriebene erste Art betätigt. Jedoch wird die Brennstoffmenge
für jede Einspritzung bei niederem Druck durch eine Meßvorrichtung gesondert vorgemessen
und in die Bn3pritzvorrichtung-Pumpkammer vor jedem Pumphub vorgeladen.
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Dieses System erfordert keine mechanischen Regelgestänge, hat jedoch
den Nachteil der Einspritzung des Brennstoffes von einer Zwischenstellung des Kolbenhubes
den ganzen Weg abwärts von der Spitze der Nockenerhebung oder zum Ende des Kolbenhubes.
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Es ist bekannt, daß mit einer derartigen Einspritzung Nachteile verbunden
sind. Der Endteil der Einspritzung erfolgt hauptsächlich bei einer abnehmenden Kolbengeschwindigkeit,
was die Atomisierung des Brennstoffs beeinträchtigt und demzufolge die Qualität
der Verbrennung. Ein weiterer Nachteil der ersten Art ist, daß dieses System eine
feste EInspritzzeit aufweist.
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Da die modernen Maschinengeschwindigkeiten anwachsen, wird es mehr
und mehr erforderlich, die Relativzeit zwischen der Brennstoffeinspritzung und dem
3Easchinenverbrennungszyklus zu ändern. Bei geringen Geschwindigkeiten kann die
optimale Lage des Einspritbeginns nahe dem oberen Totmittelpunkt der Maschine sein,
und zwar am Ende des Kompressionshubes. Wenn die Maschinengeschwindigkeit anwächst,
dreht sich die Maschinenkurbelwelle um einen größeren Winkel während der Zeit, die
erforderlich ist, um den eingespritzten Brennstoff für die Verbrennung vorzubereiten.
Diese Vorbereitungszeit besteht im wesentlichen aus der für das Vorheizen und teilweise
Verdampfen der eingespritzen Brennstofftropfen erforderlichen Zeit und für der /
die Durchführung der sogenannten Vorflamm-Oxydationsreaktionen notwendigen Zeit.
Als Beispiel könnte diese Periode in der Größenordnung von zwei Kurbelwellengraden
bei 600 Maschinen-UPM und 12 Kurbelwellengraden bei 3000 Baschinen'UPM sein. Für
optimale Bedingungen über den Geschwindigkeitsbereich soll die Einspritzdauer daher
um etwa 10 Kurbelwellengrade im Hinblick auf den oberen Maschinen-Totmittelpunkt
vorgeruckt werden.
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Die Erfindung hat eine hydraulisch gesteuerte einzelne Einspritzvorrichtung
zum Ziel, bei der die Nachteile der bekannten Systeme vermieden werden, ohne daß
das gesamte System komplS zierter wird.
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Es wird eine einzelne Einspritzvorrichtung verwendet, welche mechanisch
durch eine Maschine über einen Nocken angetrieben wird, der eine Hin- und Herbewegung
auf einen Kolben in der Bohrung des Einspritzvorrichtungsgehäuses mitteilt. Eine
Förderpumpe liefert unter Druck stehenden Brennstoff, der durch di e die Einspritzvorrichtung
durch Kühlung während der Perioden fließt, bei denen die Einspritzvorrichtung sich
nicht in der Einspritzphase befindet. Während der Periode, bei der der Kolben sich
innerhalb der die Hochdruckkammer bildenden Bohrung abwärts bewegt, wird ein hydraulisches
Drucksignal durch eine Regeleinheit ausgelöst, welches den Druck in den Brennstoffleitungen
der Einspritzvorrichtung steuert.
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Ein Regelventil arbeitet in Abhängigkeit von dem Druck signal aus
der Regeleinheit. Der Betrieb der Regeleinheit gibt die Zeit, bei der das Regelventil
wodurch bewirkt wird, daß unter Druck stehender Brennstoff durch die Düse der einzelnen
Einspritzvorrichtung aus der Hochdruckkammer eingespritzt wird. Am Ende der Einspritzphase
wird das Regelventil veranlaßt, in Abhängigkeit von einem anderen Drucksignal zu
öffnen, welches seinerseits Hochdruckbrennstoff durch das Regelventil laufen läßt
und die Einspritzung beendet. Die Förderpumpe, die Regeleinheit und das Regelventil
sind relativ einfache Mittel, wodurch Zeit und Menge des in die Brennkammer eingespritzten
Brennstoffes innerhalb dehr begrenzter Drehwinkel der Maschinenkurbelwelle geregelt
werden können.
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Es ist ein Ziel der Erfindung, eine hydraulisch geregelte Brennstoffeinspritzvorrichtung
zu schaffen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine mechanisch betätigte,
hydraulisch geregelte Brennstoffeinspritzvorrichtung für eine mit innerer Verbrennung
arbeitende Verbrennungs maschine zu schaffen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine mechanisch betätigte,
einzelne Einspritzvorrichtung mit geschwindigkeits-und lastabhängigen hydraulischen
Mitteln zu schaffen, um Zeit und Menge des in die Verbrennungskammer einer inneren
Verbrennungsmaschine eingespritzten Brennstoffes zu regeln.
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Diese Ziele der Erfindungnerden dadurch erreicht, daß eine einzelne
Einspritzvorrichtung verwendet wird, welche zwecks Hin- und Herbewegung eines Kolbens
in einem eine Hochdruckkammer bestimmenden Gehäuse mechanisch betätigt wird. Eine
Brennstoffleitungs-Versorgungspumpe setzt den Brennstoff unter Druck, welcher durch
die Einspritzvorrichtung fließt, um die Düse und den Einspritzvorrichtungsaufbau
zu kühlen, wenn die Einheit keinen Brennstoff einspritzt. Der unter Druck stehende
Brennstoff strömt durch die einzelne Brennstoffeinspritzvorrichtung und durch ein
Regelventil in die Einspritzvorrichtung, welche in die Offenstellung vorgespannt
ist.
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Ein hydraulisches Signal wird von einer Regeleinheit an das Regelventil
übertragen, welches den Druck auf einer Seite des Ventils reduziert, wodurch der
Druck auf der entgegengesetzten Seite des Ventils das Ventil in eine geschlossene
Stellung vorspannt und dadurch die Einspritzung einleitet.
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Die Einspritzung schreitet solange fort, bis der Druck auf der Niederdruckseite
des Ventils wiederhergestellt ist. Bu dieser Zeit spannen die Feder und der Druck
auf der Federseite des Ventils das Ventil in eine Offfenstellung vor.
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Wenn das Ventil in eine Offenstellung vorgespannt ist, wird der Hochdruckbrennstoff
von der Hochdruckkammer durch die Ablaßvielfachleitung gedrückt und die Einspritzung
ist beendet.
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Die Verteilung der Drucksignale wird durch eine Regeleinheit zwischen
der Förderpumpe und dem Regelventil geregelt, welche
die Zeitsignale
zur Einleitung und Beendigung der Einspritzung an die einzelnen Einspritzvorrichtungen
der verschiedenen Zylinder überträgt.
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Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigt: Fig. 1 eine Querschnittsansicht der einzelnen Einspritzen
vorrichtung/ gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt nach Linie
II-II in Fig. I und Fig. 3 ein schematisches Diagramm des hydraulischen Systems
und der Einspritzvorrichtungen gemäß der Erfindung.
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Figur 3 veranschaulicht das vollständige Brennstoffeinspritzsystem.
Der Brennstofftank 1 ist durch eine Leitung 2 über Brennstoffilter mit der Förderpumpe
3 verbunden. Die Förderpumpe 3 erzeugt einen stetigen Brennstoffstrom bei einem
Druck von etwa 50 bis 100 Pfund pro Quadratzoll (2,5 - 7 kg/cm²).
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Der unter Druck gesetzte Brennstoff wird an eine Regeleinheit 4 geliefert,
welche synchron oder direkt proportional mit der Maschinengeschwindigkeit angetrieben
wird. Die Regeleinheit besitzt eine Brennstoffrückleitung 5, die im wesentlichen
unter Umgebungsdruck steht, und den überschüssigen Brennstoff zurück zum Tank 1
befördert. Zusätzlich ist die Regeleinheit mit den einzelnen Versorgungsleitungen
6 zu den jeweiligen Einspritzvorrichtungen 7 verbunden. Diese Leitungen sind abwechselnd
dem Förderdruck oder dem Umgebungsdruck unterworfen, wie im folgenden beschrieben
wird.
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Nach dem Hindurchpassieren durch die Einspritzvorrichtung
tritt
der Brennstoff aus den Ablaßleitungen 8 in die Ablaß-Vielfachleitung 9 durch ein
Rückschlagventil 10 und zurück zu dem Tank durch die Ventil-Pückleitung 11. Die
Maschine 100 treibt mehrere Nocken 101, 102 und 103 über ein Getriebe 104 an. In
gleichartiger Weise ist die Maschine 100 über ein Getriebe 105 und ein Zahnrad 106
antriebsmäßig mit der Regeleinheit 4 verbunden. Das Getriebe 104 an der Maschine
100 steuert die Hin- und Herbewegung der einzelnen Kolben in jeder der mehreren
Einspritzvorrichtungen 7, welche die Betätigungskraft für die Einspritzvorrichtungen
schaffen. Die über das Getriebe 105 angetriebene Regeleinheit 4 weist eingebaute
Mittel auf, die Zeiteinstellungsänderungen der an die Einspritzvorrichtungen übertragenen
Drucksignale gestatten.
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Eine Änderung der Phase des Drucksignals in bezug auf den Maschinen
zyklus andert die Einspritzzeiteinstellung. Eine Änderung der Dauer des Druckimpulses
steuert die eingespritzte Brennstoffmenge. Die Zeiteinstelltngsänderungen sprechen
auf die Geschwindigkeit an. Mengenänderungen sprechen auf Geschwindigkeitsänderungen
und auf Änderungen der Drosselstellung an.
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Die einzelne Ein8pritzvorrichtung 7 nach Fig. 3 ist im Querschnitt
in Fig. 1 dargestellt. Die Einspritzvorrichtung 7 wird durch die Maschine 100 über
den Nocken wie dargestellt gesteuert, welcher eine Hin- und Herbewegung an den Kolben
12 mitteilt, der eng in die Bohrung des Gehäuses 13 eingepaßt ist. Während des Intervalls
zwischen denEinspritzungen wird Brennstoff unter Förderdruck durch die Versorgungsleitung
6 geliefert und füllt die Regelfederkammer 14 nach den Figuren 1 und 2. Von dort
gelangt er über einen Kanal 15 in das Gehäuse 13 und über den Einlaß 16 in die Einspritzpumpenkammer
17. Der Brennstoff fließt dann durch einen Kanal 18 in den Raum 19, der ein Dilsendifferentialventil
20 umgibt, und setzt
seine Strömung durch Kanäle 21 und 22 zu einem
Steuerring 23 fort, welcher ein Regelventil 24 umgibt. Das Steuerventil 24 ist mit
radialen Schlitzen 25 versehen. Der Brennstoffstrom setzt sich von dem Ring 23 durch
die Schlitze 25 in das Innere des Regelventils fort und durch das Spiel zwischen
dem Regelventil und dem Stößel einer Einstellschraube 26. Er gelangt dann unbehindert
durch einen Kanal 27 zu der Ablaßleitung 8 in die Ablaßvielfachleitung 9. Der Kreis
wird durch das Druckrückschlagventil 10 vervollständigt, welches auf etwa 50 bis
100 Pfund pro Quadratzoll (3,5 - 7 kg/cm2) eingestellt ist, und durch die Ventilablaßleitung
11 zurück zu dem -Brennstofftank. Der genaue Druck in dem Brennstoffkreis ist nicht
kritisch, jedoch sollte der Druck in vernünftigen Grenzen konstant gehalten werden.
Aus der obigen Strömungswegbeschreibung ist klar, daß der Druck in der Ablaßleitung
8 und der Vielfachleitung 9 in der gleichen Größenordnung wie in der Versorgungsleitung
6 liegt. Eine kleine Differenz wird nur durch den Strömungswiderstand der Kanäle
innerhalb der einzelnen Einspritzvorrichtungen hervorgerufen, welche parallelgeschaltet
sind. In erster Näherung und zur Vereinfachung der weiteren Erläuterung kann angenommen
werden, daß der Druck in den Leitungen 8 und der Vielfachleitung gleich dem Förderdruck
von der Pumpe 3 und der Regeleinheit 4 ist.
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Der Betrieb der Einspritzvorrichtung und des hydraulischen Systems
wird im folgenden beschrieben.
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Am Beginn des Nockenhubes beginnt der Kolben 12 seine Pumpbewegung.
Zu dieser Zeit strömt der Brennstoff in der beschriebenen Weise nach oben durch
die Pumpenkammer der Düse, kühlt die Düse bei seinem Durchgang und kehrt zum Tank
zurück.
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Während der Pumpbewegung überläuft die Kante 28 des Kolbens 12 die
Einlaßöffnung 16 und schließt diese. Nach diesem Punkt
verdrängt
der vorrückende Kolben noch den Brennstoff in die Einspritzvorrichtung, und dieser
fließt wie vorher durch das RPlgelventil 24 zu der Ablaßvielfachleitung. Zu einer
geeigneten Zeit in bezug auf den Maschinenzyklus läßt die Regeleinheit 4 den Brennstoffdruck
in der Versorgungsleitung 6, die zu der besonderen Einspritzvorrichtung führt, ab.
Der Druck in dieser Leitung wird auf Umgebungsdruck gebracht.
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Es soll nun im einzelnen das Verhalten des Regelventils 24 erörtert
werden. Vor dem Beginn der Einspritzung steht es im wesentZichen unter dem gleichen
Druck auf seinen oberen und unteren Flächen. Seine untere Fläche auf der Seite der
Steuerfederkammer 14 ist dem durch die Leitung 6 ankommenden Förderdurck ausgesetzt.
Seine obere Fläche auf der Seite der Einstellschraube 26 ist dem gleichen Druck
nur vermindert durch den Brennstoffströmungswiderstand der Kanäle in den einzelnen
Einspritzvorrichtungen ausgesetzt. Die Steuerfeder 29 übt eine Kraft aus, welche
annähernd gleich der Hälfte der axialen Kraft ist, die durch den Förderdruck auf
das Ventil ausgeübt wird. Solange wie der Förderdruck in der Federkammer 14 fortbestehb,
drückt die Summe der Kräfte der Feder und des hydraulischen Druckes das Regelventil
in die Richtung der Einstellschraube 26. Das Ventil wird durch einen Stift 30 angeha'len,
welcher quer durch den Stößel der Einstellschraube 26 sich erstreckt und durch die
Öffnungen in den Regelventilrand vorspringt. Wenn der hydraulische Druck in der
Federkammer 14 beseitigt wird, wird die Kraft der Feder 29 durch die hydraulische
Kraft überwunden, welche von der Seite der Einstellschraube 26 auf das Ventil wirkt.
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Obwohl der Förderdruck aus der Förderpumpe 3 durch die Regeleinheit
4 abgeschaltet wird, wird Druck ebenfalls durch die Abwärtsbewegung des Kolbens
hervorgerufen, welcher seine seite an den Ring 23 übertragen wird, der zur Schließung
des Ventils 24 beiträgt.
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Wenn das Regelventil sich gegen die Feder bewegt, überlaufen die Schlitze
25 die Kante des Ringes 23. Dies unterbricht die Brennstoffströmung von dem Düsenkanal
22. Die sich fortsetztende Bewegung des Kolbens 12 drückt nun den in die Kammer
17 und die Düsenkanäle 18 eingeschlossinen Brennstoff durch 22.
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Wem der Öffnungsdruck der Nadel 20 überschritten ist, öffnet die Düse
in üblicher Weise und die Einspritzung findet statt.
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Zum Sehluß wird der Einspritzdruck in der Federkammer 14 durch die
Regeleinheit 4 wiederhergestellt. In diesem Augenblick halten sich die hydraulischen
Kräfte der Federkammer und die Bydraulischen Kräfte auf der entgegengesetzten Seite
des Ventils die Waage, und die Feder 29 bewegt das Ventil in eine Offenstellung.
Die Wiederöffnung der Ventilsehlitze 25 stellt die Verbindung zur Rückkehrvielfachleitung
her, was den Druck in der einzelnen Einspritzvorrichtung unter den Schließdruck
der Düse abfallen läßt. DemTgemäB ist die Einspritzung an diesem Punkt beendet.
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Die beschriebene einzelne Einspritzvorrichtung kann dadurch gesteuert
werden, daß der Förderdruck auf Umgebungsdruck abfällt, oder der die Einspritzung
einleitende Druck wesentlich absinkt und der die Einspritzung beendende Förderdruck
wiederhergestellt wird. Eine Veränderung der Phase dieser Vorgänge in bezug auf
die Maschine verändert die Einspritzzeiteinstellung. Eine Veränderung des Zeitraumes
zwischen dem Ablassen und dem Herstellen des Fbrderdruckes ändert den Teil des Kolbenhubes,
während dessen Zeitdauer der Brennstoff in der Einspritzvorrichtung eingeschlossen
ist, und ändert daher die durch die Düse eingespritze Brennstoffsenge.
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Die Dauer des Kein-Druckintervals bestimmt daher den aktiven Kolbenhub
der EinEspritzvorrichtungs Selbst wenn dieses Intervall sich mit absoluter Gemauigkeit
von einer Einspritzung zur nächsten und von einer bestimmten
Einspritzvorrichtung
zu der anderen wiederholt, können geringe Änderungen der eingespritzten Mengen vorkommen.
ries ist unerwünscht, weil es eine Änderung des Leitungspegels von einem Maschinenzylinder
zum anderen bewirkt. Diese linderungen sind eine Folge von Herstellungstoleranzen,
welche unmöglich vollständig beseitigt werden können. Einer der Faktoren ist zum
Beispiel eine Veränderung der Ventilbewegung, die zur Schließung der Durchlaßschlitze
25 erforderlich ist. Wenn als Polge von Herstellungstoleranzen eine der Einspritzvorrichtungen
einen kürzeren Hub zum Schließen des Ventile aufweist, beginnt die Einspritzung
eher. Wenn das gleiche Ventil einen längeren Hub zur Wiederöffnung erfordert, endigt
die Einspritzung später. Beide Faktoren bewirken, daß die eingespritzte Menge größer
ist. Ein weiterer Faktor bei der Beeinflussung der Bewegung der Ventilöffnung und
-schließung ist die Kraft der Feder 29. Um ein gegebenes Ventil wieder zu öffnen,
beschleunigt eine stärkere Feder das Ventil schneller als eine schwächere Feder,
welche dazu neigt, die Ventilwiederöffnung zu fördern und ihrerseits die Dauer der
Einspritzung zu verkürzen.
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Bei dem dargestellten Ventil sind jedoch Maßnahmen vorgesehen, welche
eine zweckmäßige Möglichkeit eröffnen, den für das Ventilscbließen und wiederöffnen
erforderlichen Ventilhub und die Kraft der Feder 29 einzustellen. Nach Fi. 2 ist
der gesamte Ventilhub durch die Differenz im Durchmesser des
30 und des Loches im Rand des Ventiles begrenzt. Durch Einhaltung dieser beiden
Merkmale innerhalb enger Fertigungstoleranzen kann der gesamte Ventil-Inib in allen
Ventilen in sehr engen Grenzen gleichgemacht werden.
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Der stift 30 ist in dem Stößel der Einstellschraube 26 angeordnet.
Durch Ein- und Ausschrauben der Schraube 26 kann der
Ventil-"Schließ"-Hub
verändert und zweckmäßig eingestellt werden, während die Einspritzvorrichtung bei
einer festen Versuchsanordnung in Betrieb ist.
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Die Feder 29 ist in die Federkappe 31 eingeschlossen. Durch Schrauben
dieser Kappe nach innen oder außen kann die Länge der Feder 29 verändert werden,
was die Federkraft auf das Ventil ändert. Die beiden beschriebenen Einstellungen
machen es möglich, die Brennstoffabgabe jeder Einspritzvorrichtung in solcher Weise
einzustellen, daß, wenn ein geeichter Impuls von der Regeleinheit empfangen wird,
eine gleiche Brennstoffmenge durch die Einspritzungsvorrichtung eingespritzt wird.
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Mit einem geeichten Impuls" ist der vollständige Vorgang des Förderdruckablassens
und nach einem wiederholbaren Intervall der Wiederherstellung des Druckes gemeint.
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Die Erfindung betrifft also eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für
eine Maschine und insbesondere ein auf Druck ansprechendes Ventil, welches eine
hydraulische Regelung von Dauer und Menge des durch die Einspritzvorrichtung gelieferten
Brennstoffes gestattet.
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Jede Einspritzvorrichtung 7 weist ein Gehäuse 13 mit einer Bohrung
auf, in welcher ein Hochdruckkolben 12 angeordnet ist.
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Brennstoff tritt in die Versorgungekanäle 6, 15 ein und strömt in
die Hochdruckkammer 17, den Kanal 18 und das Düsenventil 20.
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Ein Ventil 24 steuert die Brennstoffströmung durch den Kanal 15.
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Das VBentil 24 ist durch die Feder 29 und den Brennstoffdruck in eine
Offenstellung in den Kanälen 6, 15 / vorgespannt. Überschüssiger Brennstoff kehrt
von der Düse 20 durch die Kanäle 21, 22, 27, 8, 9, 10, 11 in den Tank 1 zurück.
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Das Ventil 24 spricht auf Drucksignale an, die von der Regeleinheit
4 erzeugt werden. Ein niedriges Drucksignal bewirkt, daß das Ventil 24 schließt
und so die Brennstoffeinspritzung
einleitet, während ein Hochdrucksignal
bewirkt, daß das Ventil 24 öffnet und die Einspritzung beendet.
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Patentansprüche: