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Kraftstoff-Einspritzanlage für Dieselmotoren.
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzanlage für Dieselmotoren
mit einem von der Nockenwelle des Motors zum Druck kolben der Einspritzdüse führenden
Betätigungsgestänge mit vorgegebener Federkraft.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Kraftstoff-Einspritzanlage
für Dieselmotoren der vorgenannten Art in der Weise auszubilden, daß einmal die
Schadstoffemissionen der Dieselmotoren verringert werden, zum anderen das Motorengeräusch
und die mechanische Belastung des Motors herabgesetzt wird und ferner die Temperaturbelastung
des Motors und damit des Kühlsystems verringert wird.
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Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzanlage
für Dieselmotoren im wesentlichen dadurch, daß mit dem Betätigungsgestänge eine
Hilfsfeder mit von der Federkraft des Betätigungsgestänges merklich abweichender
Federkraft derart in Reihe geschaltet ist, daß der Druckkolben der Einspritzdüse
mit einer durch die Federkraft der Hilfsfeder aufgrund einer vorgegebenen Reaktionskraft
auf die Druckkolbenspitze bestimmten ersten Geschwindigkeit vortreibbar ist, und
daß eine Anordnung zum Ausschalten der Hilfsfeder aufgrund einer vorgegebenen -Durchbiegung
derselben in der Weise vorgesehen ist, daß der Druckkolben anschließend mit einer
durch die Federkraft des Betätigungsgestänges bestimten zweiten Geschwindigkeit
vortreibbar ist.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungs beispiels anhand der
beiliegenden Zeichnungen; es zeigen: Figur 1 eine Seitenansicht im Teilschnitt einer
erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzanlage mit voll zurückgezogenem Kolben der
Einspritzdüse;
Figur 2 die Einspritzdüse im Teilschnitt aus Figur
1 mit teilweise vorgeschobenem Druckkolben; Figur 3 die Einspritzdüse im Teilschnitt
mit voll vorgeschobenem Druckkolben; Figur 4 ein Schaubild der Kraftstoff-Einspritzung
bei einem hypothetischen Dieselmotorzylinder, welcher über zwei verschiedene Einspritzanlagen
mit Kraftstoff versorgt wird; Figur 5 ein Schaubild des Druckverlaufes im gleichen
Zylinder wie in Figur 4; und Figur 6 ein Schaubild der Wärmefreisetzung bei dem
gleichen Zylinder.
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Figur 1 zeigt die Betätigung einer konventionellen Kraftstoff-Einspritzdüse
10 seitens einer Nockenwelle 11. Diese Einspritzdüse selbst kann in irgendwie üblicher
Weise ausgebildet werden, beispielsweise in der Art, wie sie in den US-Patentschriften
3 146 949 und 3 351 288 beschrieben ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
besitzt die Einspritzdüse 10 einen Druckkolben 12, welcher im Düsenhalter 13 auf
und niederbewegbar angeordnet ist, um durch die eigentliche, in das untere Ende
des Düsenhalters 13 eingeschraubte Einspritzdüse 13a den Kraftstoff in den Zylinder
einzuspritzen. Zwischen dem Düsenhalter 13
und einem Flansch 12a
am oberen Ende des Druckkolbens 12 ist eine Rückholfeder 14 angeordnet, welche den
Druckkolben ständig in die in Figur 1 dargestellte zurückgezogene Lage beaufschlagt.
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Zur Betätigung des Druckkolbens 12, d.h. um ihn aus seiner zurückgezogenen
Lage in seine vorgeschobene Lage zu bewegen und dabei Kraftstoff in den Zylinder
einzuspritzen, ist in an sich bekannter Weise auf der Nockenwelle 11 des Motors
ein Nocken 15 aufgekeilt, auf welchem eine Stößelrolle 16 abrollt, die am Ende eines
Rollenstößels 17 gelagert ist, der über ein Kugelgelenk einen Kipphebel 18 auf einer
Kipphebelwelle 19 betätigt.
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Die Gesamtheit dieser Betätigungselemente, d.h. das gesamte Betätigungsgestänge,
besitzt eine Eigenfederung, welche hauptsächlich die Geschwindigkeit, mit welcher
der Druckkolben 12 der Einspritzdüse vorgetrieben wird, und damit die Geschwindigkeit,
mit welcher der Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt wird, beeinflußt. Diese
Eigenfederung dieses Betätigungsgestänges ergibt sich aus der Durchbiegung der verschiedenen
Betätigungselemente und dem Spiel zwischen ihnen, wenn sie vom Nocken 15 auf der
einen Seite und dem Widerstand der Einspritzdüse an der anderen Seite der Einspritzanlage
beaufschlagt werden. Bei einer üblichen Ausbildung einer Einspritzanlage der dargestellten
Art ist die Eigenfederung des Betätigungsgestänges normalerweise proportional, d.h.
die Durchbiegung des Betätigungsgestänges ändert sich proportional zu den Schwankungen
in der Belastung des Gestänges.
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Wenn die Einspritzdüse 10 über ein Gestänge aus den vorstehend beschriebenen
üblichen Organen betätigt wird, wird der Kraftstoff normalerweise in den Motorzylinder
vom Druckkolben 12 eingespritzt, der sich mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit
bewegt, die teilweise durch die Federung im Betätigungsgestänge bestimmt wird. Während
des ersten Abschnittes der Zeitspanne, während welcher der Kraftstoff in den Zylinder
eingespritzt wird, wird der eingespritzte Kraftstoff nicht gezündet und sammelt
sich lediglich innerhalb des Zylinders, während der Kolben sich zur Einspritzdüse
hin bewegt und dabei den Gasdruck und die Temperatur im Verbrennungsbereich des
Zylinders erhöht.
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Dieser vor der Zündung liegende Zeitraum der Einspritzperiode wird
allgemein als "ZUndverzug-Intervall" bezeichnet. Dabei bezieht sich insbesondere
der Ausdruck 'tZUndverzug" auf den Zeitabschnitt zwischen dem Beginn der Kraftstoffeinspritzung
in die Brennkammer und dem Punkt, zu welchem der Zylinderdruckanstieg infolge der
Verbrennung mit einem Zylinderdruckmeßgerät festgestellt wird. Dieser Zeitabschnitt
wird in der einschlägigen Technik auch manchmal als "Druckanstieg-Verzug" bezeichnet.
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Nach Zündung des Kraftstoffes, was durch die Kompression des zerstäubten
Kraftstoffes und anderer Gase im Zylinder eines Dieselmotors verursacht wird, wird
die Erennstoffeinspritzung noch für einen Zeitraum fortgesetzt, welcher normalerweise
wesentlich kürzer ist als das Zündverzug-Intervall. Mit anderen Worten, die Zündung
erfolgt, bevor der Arbeits- oder Einspritzhub des Druckkolbens der Einspritzdüse
beendet ist.
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Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung ist die Kraftstoff-Einspritzanlage
nun derart ausgebildet, daß der Druckkolben der Einspritzdüse während eines Teiles
seines Arbeitshubes sich mit einer ersten Geschwindigkeit und während eines weiteren
Teiles des Arbeitshubes mit einer unterschiedlichen zweiten Geschwindigkeit fortbewegt.
Durch Auswahl der speziellen Geschwindigkeiten, mit denen der Kolben vorwärts bewegt
wird, und durch Auswahl des Zeitpunktes des Geschwindigkeitswechsels läßt sich durch
dieses veränderliche Geschwindigkeitssystem eine Anzahl bedeutender Verbesserungen
in verschiedenen Betriebsmerkmalen des Motors bei geringen oder auch ohne zusätzliche
Kosten erreichen. So kann beispielsweise der Kraftstoff in den Zylinder mit einer
ersten relativ langsamen Geschwindigkeit während wenigstens eines wesentlichen Anfangsteiles
des Zündverzug-Intervalls eingespritzt werden und mit einer zweiten relativ hohen
Geschwindigkeit während des Restes des Einspritzhubes des Druckkolbens der Einspritzdüse.
Auf diese Weise wird während des ersten Abschnittes der Einspritzperiode ausreichend
Kraftstoff eingespritzt, um die Zündung im ausgewählten Zeitpunkt zu erzielen, während
die Gesamtmenge des vor der Zündung eingeaaritzten Kraftstoffes ausreichend gering
ist, um die Geschwindigkeit des Druckanstieges, den maximalen Gasdruck und die maximale
Gastemperatur unter die Werte zu senken, welche sonst vorliegen, wenn der Kraftstoff
mit der normalen Geschwindigkeit während der gesamten Injektonseinspritzperiode
eingespritzt würde. Während des letzten Teiles der Einspritzperiode wird der Kraftstoff
mit höherer Geschwindigkeit eingespritzt, sodaß die Gesamtmenge des während der
gesamten Einspritzperiode
eingespritzten Kraftstoffes ebenso groß
ist wie wenn die normale Einspritzgeschwindigkeit während der gesamten Einspritzperiode
beibehalten würde, sodaß für den Antrieb des Kolbens die gleiche Energiemenge zur
Verfügung steht. Dadurch, daß zu Anfang der Einspritzperiode weniger Brennstoff
und im Anschluß daran mehr Brennstoff eingespritzt wird, wird die Form der Druck-
und Temperaturkurven verändert, während die gleichen Flächen unter den Kurven beibehaltSn
werden, wie sie bei einer normalen Einspritzgeschwindigkeit während der gesamten
Einspritzperiode erzielt würden.
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Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Hilfsfeder in Reihe
mit dem Betätigungsgestänge verwendet, um die Geschwindigkeit des Arbeitshubes des
Druckkolbens zu steuern und damit die Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung,
und zwar während einer vorgegebenen Anfangsperiode der Einspritzperiode.
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Bei dem in Figur 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist eine Hilfsspiralfeder 20 um einen Stößel 21 herum angeordnet, der
mit dem Druckkolben 12 der Einspritzdüse an seinem unteren Ende verbunden ist. Dabei
ist das untere Ende des Stößels 21 lediglich in einer Vertiefung im Druckkolben
12 eingesetzt, während der Druckkolben ständig durch die RUckholfeder 14 entgegen
dem Stößel 21 beaufschlagt wird. Am oberen Ende des Stößels 21 ist ein Flansch 22
angeformt, der in einen Zylinder 23 mit angeformter Bodenwandung 23a eingesetzt
ist, der oben durch eine Kappe 24 verschlossen ist. Die axiale Abmessung des Flansches
22 ist dabei geringer als die des Innenraumes des Zylinders 23, sodaß eine begrenzte
Axialbewegung des
Stößels 21 und des Zylinders 23 gegeneinander
möglich ist. Wenn der Druckkolben 12 zurückgedrückt wird, preßt die Hilfsfeder 20
den Stößel 21 gegenüber dem Zylinder 23 nach unten, sodaß die Unterseite des Flansches
22 sich gegen die untere Wandung 23a des Zylinders 23 legt. Um diese Druckwirkung
zu erreichen, liegt das obere Ende der Hilfsfeder 20 an der Bodenwandung 23a des
Zylinders, während das untere Ende der Feder auf einer Ringscheibe 25 ruht, die
ihrerseits auf einem Federring 26 aufliegt, der in eine Ringnut im Stößel 21 eingesetzt
ist.
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Die Feder 20 besitzt typischerweise ein Federungsvermögen von etwa
447 kg/cm (2500 lbs/in) und wird durch eine Druckkraft von etwa 204 kg (450 lbs/in)
in die in Figur 1 dargestellte Lage zusammengepreßt, wobei die Stößelrolle 16 auf
dem unteren Bereich des Nockens 15 läuft. Es wird daher eine nach oben gerichtete
Kraft von etwa 204 kg (450 lbs/in) benötigt, welche auf den Stößel 21 einwirken
muß, um seinen Flansch 22 von der Bodenwandung 23a des Zylinders 23 abzuheben. Wenn
die Stößelrolle 16 die Rampe 15a des Nockens 15 entlangläuft, drUckt das Betätigungsgestänge
insgesamt den Druckkolben 12 nach unten.
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Bevor die Spitze 12b des Druckkolbens 12 auf den durch den Düsenkopf
13a einzuspritzenden Kraftstoff trifft, wird die Geschwindigkeit der Spitze 12b
im wesentlichen insgesamt durch den Verlauf des Nockenbereiches 12a drrmd durch
die geometrischen Beziehungen der verschiedenen Teile des Betätigungsgestänges beherrscht,
wenn davon ausgegangen wird, daß alle diese Teile einwandfrei starr sind. Diese
Annahme gilt bis auf eine sehr geringe Durchbiegung des Gestänges infolge der Trägheit
des
sich beschleunigenden Druckkolbens 12. Die Geschwindigkeit
der sich nach unten bewegenden Spitze 12b wird daher auf ein sehr geringes Maß verringert,
doch ist diese Verringerung äußerst gering im Vergleich zu der Verringerung, welche
später während des Einspritzvorganges stattfindet.
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Wenn die Kolbenspitze 12b auf die in der Kammer am Boden des Düsenkopfes
eingeschlossene Kraftstoffmenge trifft, beginnt der Druckkolben 12, den Kraftstoff
durch die Düsenaustrittsöffnung des Düsenkopfes 13a hinauszupressen. Dies ruft eine
starke Reaktionskraft auf den Rollenstößel 17, den Kipphebel 18, den Druckstößel
21 und die anderen Teile des Betätigungsgestänges hervor. Infolgedessen ergibt sich
ein meßbarer Wert für die Durchbiegung der Teile dieses Betätigungsgestänges, und
zwar selbst bei den üblichen Betätigungsgestängen, bei denen alle diese Teile relativ
starr oder steif sind. So beträgt beispielsweise die effektive Federkraft eines
typischen konventionellen Betätigungsgestänges für den Druckkolben einer Einspritzdüse
etwa 8950 kg/cm (50.000 lbs/in), gemessen auf der Düsenseite des Kipphebels. Dies
bedeutet, daß die Länge eines konventionellen Betätigungsgestänges grobgenommen
um 0,0000508 cm/kg .(1/50.000 in/lbs) der Kraft gekürzt wird, welche auf den Druckkolben
ausgeübt wird, wenn er auf den Kraftstoff auftrifft.
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Wenn diese Kraft 227 kg (500 lbs) beträgt, dann wird das Betätigungsgestänge
um 0,0254 cm (1/100 in) verkürzt. Infolgedessen drückt der Druckkolben selbst bei
konventionellen Betätigungsgestängen auf den Kraftstoff mit einer etwas geringeren
Geschwindigkeit, als dies bei einem theoretisch starren Betätigungsgestänge zu erwarten
wäre.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung der Hilfsfeder 20 vollführt
bei mäßiger oder starker Belastung des Motors das Betätigunsgestänge mehr als eine
einfache "Durchbiegung", wenn der Druckkolben auf den Kraftstoff auftrifft. DieserVorgang
wird vielleicht besser mit "Collapsing" bezeichnet. Vorausgesetzt, daß die Reaktionskraft
auf den Druckkolben während der Kraftstoffeinspritzung zusätzlich zu der auf den
Druckkolben durch die Rückholfeder 14 ausgeübten Kraft groß genug ist, um die Vorspannkraft
der Hilfsfeder 20 zu überwinden, bewegt sich der Flansch 22 von der Bodenwandung
23a des Zylinders 23 nach oben fort und drückt dadurch die Feder 20 zusammen, bis
die Oberseite des Flansches 22 an der Abdeckkappe 24 anschlägt, sodaß die einzige
Verbindung zwischen dem Druckstößel 21 und dem Zylinder 23 über die Windungen der
Hilfsfeder 20 erfolgt. Wenn sich daher der Flansch 22 von der Unterwandung 23a des
Zylinders zur Kappe 24 hin bewegt, bestimmt die Hilfsfeder 20 die Federkraft des
gesamten Betätigungsgestänges.
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Dadurch wird diese Feder 20 ein sehr einflußreiches Verbindungsglied
im Betätigungsgestänge. Der Grundsatz, daß "eine Kette nur so stark ist wie ihr
schwächstes Glied, trifft daher unter diesen Umständen eindeutig zu, da die effektive
Federkraft des gesamten Betätigungsgestänges auf die der Feder 20 reduziert wird.
Wie bereits erwähnt, beträgt die Federkraft der Feder 20 vorzugsweise etwa 447 kg/cm
oder nur etwa ein zwanzigstel der 8950 kg/cm Federkraft eines konventionellen Betätigungsgestänges.
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Bei einem Betätigungsgestänge mit einer derart reduzierten Feder kraft
verlangsamt sich die Spitzel2b des Druckkolbens 12 praktisch vom Beginn des Einspritzvorganges
(Fig.1) bis zur Anlage
des Druckstößels 21 an der Abdeckkappe 24
(Fig.2) fast bis zum Stillstand. Infolgedessen preßt der Druckkolben 12 in der Anfangsphase
des Einspritzvorganges den Kraftstoff durch den Düsenkopf 13a mit relativ geringer
Geschwindigkeit im Vergleich zu der Geschwindigkeit, mit welcher der Kraftstoff
durch den Düsenkopf hindurchgepreßt würde, wenn ein konventionelles Betätigungsgestänge
ohne die Hilfsfeder 20 verwendet würde.
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Zusätzlich dazu, daß die Einspritzung mit geringer Geschwindigkeit
begonnen wird, beginnt der Druckkolben 12 die Kraftstoffeinspritzung im Verbrennungstakt
auch früher als der Druckkolben eines herkömmlichen Betätigungsgestänges. Der Grund
dafür liegt darin, daß die Hilfsfeder 20 das Betätigungsgestänge etwas verlängert
und die Druckkolbenspitze 12b dadurch vorgeschoben wird, sodaß sie früher auf die
Brennstoffmenge auftrifft. Sobald der Falnsch 22 an der Kappe 24 anstößt, bilden
der Stift 27 und die Kappe 24 eine direkte starre Verbindung zwischen dem Kipphebel
18 und dem Druckstößel 21, sodaß das Betätigungsgestänge direkt mit dem Druckstößel
21 und dem Druckkolben 12 verbunden ist und nicht sosehr durch die Feder 20.
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Eine weitere Vorschubbewegung des Druckstößels 21 und des Druckkolbens
12 erfolgt daher mit einer Geschwindigkeit, welche durch die effektive Federkraft
(8950 kg/cm) des konventionellen Teiles des Betätigungsgestänges bestimmt wird,
welche wesentlich größer ist als die der Feder 20. Dies bedeutet, daß die Hilfsfeder
20 umgangen wird oder unwirksam gemacht wird, wenn durch Anlage des Flansches 22
an der Kappe 24 der Kipphebel 18 und der Druckstößel 21 starr miteinander verbunden
werden. Nat»lich erhöht die erhöhte Vorschubgeschwindigkeit des Druckkolbens 13
die
Einspritzgeschwindigkeit des Kraftstoffes, sodaß die erforderliche
Kraftstoffmenge während der restlichen Einspritzperiode in den Zylinder eingespritzt
wird.
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Am Ende der Einspritzperiode sitzt die Spitze 12b des Druckkolbens
12 im Ganzen im Düsenkopf 13a, wie dies in Figur 3 dargestellt ist, während die
Hilfsfeder 20 noch zusammengepreßt ist. Das Betätigungsgestänge und der Druckkolben
12 bleiben in dieser Lage, bis die Stößelrolle 16 auf dem Nockenteil 15b zum unteren
Nockenteil abrollt, in welchem Augenblick die Rückholfeder 14 den Druckkolben 12
zurückdrückt und die Feder 20 sich ausdehnt und dadurch der Druckstößel 21 und der
Zylinder 23 in ihre in Figur 1 dargestellten Ausgangsstellungen zurückkehren.
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An dieser Stelle ist die Einspritzanlage für einen zweiten Einspritzhub
bereit, wenn die Stößelrolle 16 wieder auf dem Kurventeil 15a der Nockenscheibe
15 nach oben läuft.
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Das Betätigungsgestänge kollabiert wie vorbeschrieben nur dann, wenn
die nach oben gerichtete Kraft auf den Druckkolben 12 groß genug ist, um einen derartigen
Kollaps zu verursachen. Diese nach oben gerichtete Kraft besteht aus zwei Komponenten.
Die eine Komponente ist die Kraft der Rückholfeder 14 und die andere die Reaktionskraft
auf die Druckkolbenspitze 12b infolge der Einspritzung des Kraftstoffes. Die Kraft
der Feder 14 ist für alle Betriebsbedingungen des Motors die gleiche, doch steigt
die Reaktionskraft infolge des Einspritzens des Kraftstoffes durch die Düsenbohrungen,
wenn die Maschinenbelastung oder die Maschinendrehzahl ansteigen. Ein Anstieg der
Motorbelastung
bedeutet, daß der Kraftstoff in der Zumeßkammer
vor dem Einspritzen höher steht, sodaß der Druckkolben früher auf den Brennstoff
auf trifft und zu einer Zeit, wenn er sich schneller vorwärts bewegt (infolge der
Form des Nockens 15). Je schneller sich der Druckkolben bewegt, umso größer wird
die Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung, wodurch die Reaktionskraft auf den
Druckkolben erhöht wird. In gleicher Weise ergibt eine Erhöhung der Motordrehzahl
auch eine Erhöhung der Druckkolbengeschwindigkeit, eine Erhöhung der Geschwindigkeit
der Kraftstoffeinspritzung und eine Erhöhung der Reaktionskraft auf den Druckkolben.
Ob daher das Betätigungsgestänge kollabiert, wird in erster Linie dadurch bestimmt,
ob die Reaktionskraft auf die Druckkolbenspitze 12b groß genug ist, die ihrerseits
wieder der Drehzahl und/oder der Belastung des Motors proportional ist.
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Wenn man sich beispielsweise den Fall einer Hilfsfeder 20 betrachtet,
die mit 204,3 kg (450 lbs) nach unten auf den Druckkolben 12 vorgespannt wurde,
während die Rückholfeder 14 eine nach oben wirkende Kraft von 45,4 kg (100 lbs)
in dem Augenblick ausübt, in welchem die Druckkolbenspitze 12b auf den Kraftstoff
auftrifft, so wird eine zusätzliche nach oben wirkende Kraft von 158,9 kg (350 lbs)
als Reaktionskraft auf den den Brennstoff durch die Düsenaustrittsöffnungen 13a
herauspressenden Druckkolben benötigt, um den Flansch 22 von der Bodenwandung 23a
des Zylinders 23 abzuheben. Eine Reaktionskraft in dieser Höhe wird normalerweise
nicht erzeugt, wenn der Motor im Leerlauf oder mit geringer Drehzahl und unter geringer
Belastung läuft.
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Die Höhe der Motorenbelastung, welche erforderlich ist, um die Feder
20 wie vorbeschrieben, wirksam werden zu lassen, hängt von der Vorspannung der Feder
20 ab. Wenn für die Feder 20 eine starke Vorspannung gewählt wird, so muß auch die
Belastung und/oder die Drehzahl des Motors hoch sein, bevor die Feder 20 eine Auswirkung
auf die Geschwindigkeit der Brennstoffeinspritzung ausüben kann, und selbst für
derart hohe Motorbelastungen und/oder Motordrehzahlen ist die gesamte Wirkung auf
die Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung geringer, als wenn die Feder eine
niedrige Vorspannung besitzt.
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Die Wirkung der Feder 20 auf die Geschwindigkeit der Kraftstoffeinspritzung
hängt auch von dem genauen Abstand « (Fig.1) ab, welchen der Flansch 22 durchlaufen
muß, bevor auf die Abdeckkappe 24 trifft. Je größer dieser Abstand tM ist, umso
länger ist die Anfangsperiode reduzierter Brennstoffeinspritzung.
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In den Figuren 4, 5 und 6 sind drei verschiedene Betriebs-Schaubilder
eines hypothetischen Dieselmotors dargestellt, welcher mit einer Kraftstoff-Einspritzanlage
der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausbildung mit und ohne Hilfsfeder 20 ausgerüstet
ist. Dabei zeigt Figur 4 ein Schaubild der Kraftstoffeinspritzung, Figur 5 ein Schaubild
des Zylinderdrucks und Figur 6 ein Schaubild der Wärmefreisetzung. In allen drei
Figuren stellen die voll ausgezeichneten Kurven die Werte dar, welche mit einer
Kraftstoff-Einspritzanlage mit Hilfsfeder 20 gemäß Figur 1 bis 3 erzielt werden,
während die gestrichelt dargestellten Kurven die Werte darstellen, welche mit einer
Kraftstoff-Einspritzanlage ohne Hilfsfeder 20 erzielt werden,
wobei
der Kipphebel direkt mit dem Druckkolben der Einspritzdüse verbunden ist. Zusätzlich
zeigt die strichpunktierte unterste Kurve aus Figur 5 den Zylinderdruck, wenn kein
Brennstoff in den Zylinder eingespritzt wird. Alle Kurven sind dabei lediglich als
qualitative Angaben der jeweiligen Werte anzusehen und nicht etwa als quantiative
Angaben für irgendeinen speziellen Dieselmotor.
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Aus den Einspritzungs-Kurven in Figur 4 für mäßige bis starke Belastungen
und/oder Drehzahlen des Motors ist ersichtlich, daß die Brennstoffeinspritzung früher
beginnt, wenn in dem Betätigungsgestänge diese Hilfsfeder 20 eingebaut ist, da das
Gestänge dann etwas länger ist und die Druckkolbenspitze 12b um ein entsprechendes
Stück tiefer liegt. Besonders wichtig ist dabei, daß während des Zündverzug-Intervalls
weniger Brennstoff eingespritzt wird, wenn der Druckkolben sich durch die Hilfsfeder
20 bestimmt langsamer vorwärts bewegt. Kurz bevor die Zündung erfolgt, wird die
Brennstoffeinspritzung infolge der höheren Vorschubgeschwindigkeit des Druckkolbens
durch die Federkraft des Betätigungsgestänges stark erhöht. Wie Figur 4 zeigt, ist
die Gesamtmenge des durch die beiden verschiedenen Einspritzanlagen eingespritzten
Kraftstoffes annähernd die gleiche, d.h.
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die Flächen unter den beiden Kurven sind annähernd gleich. Die durch
die erfindungsgemäße Einspritzanlage eingespritzte Kraftstoffmenge wird jedoch über
einen längeren Zeitabschnitt eingespritzt, es sei denn, das Nockenprofil wird verändert,
um die Dauer der Kraftstoffeinspritzung zu verkürzen. Eine derartige Veränderung
des Nockenprofils kann erwünscht sein, um die gleiche.
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Länge der Eins pritzperi ode zu erhalten.
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Wie die Einspritzkurven aus Figur 4 für den schnellen Leerlauf zeigen,
ist das Einsetzen der Hilfsfeder 20 ohne Auswirkung auf den Kurvenlauf oder vielmehr
auf die Form der Kurve, da nicht genügend Kraft vor dem Ende der Einspritzung zur
Verfügung steht, welche auf den Druckkolben einwirkt, um das Betätigungsgestänge
in die in Figur 2 dargestellte Lage kollabieren zu lassen. Der Zeitpunkt der Einspritzung
wird jedoch vorverlegt, da das Betätigungsgestänge mit eingesetzter Hilfsfeder 20
etwas länger ist und die Druckkolbenspitze 12b um ein entsprechendes Stück weiter
nach unten reicht.
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Wie Figur 5 zeigt, reduziert die geringere Kraftstoffmenge, die zum
Zeitpunkt der Zündung im Verbrennungsbereich des Zylinders vorhanden ist, die Geschwindigkeit
des Gasdruck-Anstieges und den im Zylinder erzeugten Maximaldruck. Dies bedeutet,
daß die Geschwindigkeit des Druckanstieges und der Maximaldruck ohne Hilfsfeder
20, welche sich aus der Kurve 32 in Figur 5 ergeben, beide höher sind als die Geschwindigkeit
des Druckanstieges und der Maximaldruck mit Hilfsfeder 20 gemäß Kurve 33 aus Figur
5.
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Eine geringere Geschwindigkeit des Gasdruck-Anstieges und ein geringerer
Maximaldruck im Zylinder sind aber durchaus erwünscht, da sie das Motorengeräusch
und die mechanischen Beanspruchungen des Motors reduzieren.
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Wie Figur 6 zeigt, wird auch die im Zylinder infolge der geringeren
Brennstoffmenge zum Zeitpunkt der Zündung erzeugte Maximaltemperatur herabgesetzt.
Bei einer normalen Einspritzanlage steigt die im Anschluß an die Zündung freigesetzte
Wärme steil
an auf einen Maximalwert 34 und sinkt dann steil ab.
Bei Verwendung der Hilfsfeder 20 steigt die Temperatur jedoch langsamer, erreicht
einen niedriger liegenden Maximalpunkt 35 und fällt dann langsamer ab. Infolgedessen
ergibt die Verwendung der Hilfsfeder 20 zu Anfang eine geringere Wärmefreisetzung,
wie dies durch die schraffierte Fläche 36 in Figur 6 angedeutet wird, während im
späteren Arbeitstakt mehr Wärme freigesetzt wird, wie dies durch die schraffierte
Fläche 37 angedeutet ist.
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Einer der bedeutenden Vorteile der Erfindung liegt in der Reduzierung
unerwünschter Schadstoffemissionen eines Dieselmotors.
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Insbesondere wird die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe, welches
ein Hauptemissionsproblem bei geringen Motordrehzahlen und/oder -belastungen ist,
durch Vorrücken des Einspritzbeginns reduziert. Die Emission von Stickoxiden, welches
ein Hauptemissionsproblem bei hohen Drehzahlen und/oder -belastungen infolge der
hohen Temperaturen ist, wird durch Senkung der in der Zündverzugsperiode eingespritzten
Brennstoffmenge reduziert, sodaß die Wärmefreisetzung zu Anfang reduziert und die
Spitzentemperatur im Zylinder gesenkt wird.
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Während die Erfindung inbesondere im Hinblick auf die Verwendung einer
Hilfsspiralfeder zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit des Druckkolbens 12 während
eines Teiles seiner Vorschubbewegung oder seines Arbeitshubes beschrieben wurde,
können naturgemäß auch andere Arten von Geschwindigkeitssteuerungen bei alternativen
Ausführungen der Erfindung verwendet werden. So kann beispielsweise der unter der
Spitze des Druckkolbens vorgesehene
Hohlraum für den Kraftstoff
mit einer verengten Austrittsöffnung versehen werden, um einen Teil des Kraftstoffes
im Hohlraum abzulassen, wenn der Druckkolben seinen Arbeitshub beginnt, wobei ein
Kugelventil die Öffnung verschließt, wenn ein vorgegebener Zeitabschnitt abgelaufen
ist. Andererseits kann auch in Reihe mit dem Betätigungsgestänge ein hydraulischer
Stoßdämpfer vorgesehen werden oder es können auch anstelle der Spiralfeder 20 andere
Federarten wie eine Tellerfeder verwendet werden. Andererseits kann die Feder oder
irgendein anderes Steuerorgan auch mit dem Betätigungsgestänge in Reihe an irgendeiner
anderen Stelle als zwischen dem Kipphebel und dem Druckkolben angeordnet werden,
beispielsweise zwischen der Stößelrolle und dem Nockenstößel oder auch zwischen
diesem Nockenstößel und dem Kipphebel.
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Während außerdem die Erfindung vorstehend im Zusammenhang mit einer
Einspritzanlage beschrieben wurde, welche lediglich zwei verschiedene Geschwindigkeiten
des Arbeitshubes des Druckkolbens ergibt, so können im Bedarfsfall auch mehr als
zwei unterschiedliche Geschwindigkeiten vorgesehen werden. Andererseits kann auch
eine kontinuierlich veränderliche Steuereinrichtung verwendet werden, um die Geschwindigkeit
des Arbeitshubes des Druckkolbens über den gesamten Einspritzhub zu verändern.
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Wie die vorstehende detaillierte Beschreibung zeigt, reduziert die
erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzanlage unerwünschte Schadstoffemissionen des
Motors durch Reduzierung der Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe bei niedrigen
Motordrehzahlen und/oder -belastungen, während die Emission von Stickoxiden bei
hohen Motordrehzahlen und/oder -belastungen reduziert wird. Ao
mildert
die erfindungsgemäße Einspritzanlage das bei irgendeiner gegebenen Drehzahl und/oder
Belastung am stärksten vorherrschende spezielle Emissionsproblem. Außerdem wird
durch Reduzierung der Geschwindigkeit des Druckanstieges und des maximalen Gasdruckes
in den Motorzylindern mittels der erz in dungsgemäßen Einspritzanlage das Motorengeräusch
und die mechanische Beanspruchung des Motors wesentlich verringert.
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Schließlich wird durch Reduzierung der maximalen Gastemperatur in
den Zylindern durch die erfindungsgemäße Einspritzanlage auch die Temperatur- und
Wärmebeanspruchung der Zylinderwandungen des Motors und damit die Wärmebelastung
des Kühlsystems herabgesetzt.