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Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen Brennkraftmaschinen
mit unmittelbarer Eingpritzung des Brennstoffes leiden im allgemeinen an -dem Umstand,
daß die zur Einspritzung des Brennstoffes notwendige Brennstoffpumpe sowohl bezüglich
der Bauart wie .auch hinsichtlich der Handhabung umständlich und verwickelt ist.
Die Überwachung einer Einspritzpumpe und deren Instandhaltmng ist um so schwieriger,
je kleiner dis bei: jedem Hub zu fördernde Brenustoffvolunrien und! je größer die
Drehzahl des Motors ist. Infolge der Verwendung von Pumpenventilen kann eine solche
Pumpe mit Zubehör nicht von jedermann bedient werden.
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Um bei allen Belastungen und Drehzahlen eine gute Verbrennung zu erreichen,
ruß die einzuspritzende Brennstoffmenge unterhohem Druck möglichst rasch in den
'Zylinder hineingeschleudert werden, wofür man schon sogenannte Speicherpumpen vorschlug.
Diese sind noch verwickelterer Bauart als die gewöhnlichen Einspritzpumpen und deshalb
für ungeschultes Bedienungspersonal ganz ungeeignet.
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Die bekannten Pumpen haben weiterhin noch den Nachteil, daß der Eixspritzdruck
am Anfang der Einspritzung am höchsten ist und während der Einspritzung, infolge
der Entspannung der Feder des Speichers und des Brennstoffes selbst, sinkt.
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Ei'n Hineinschleudern, einer großen Brennstoffmenge gleich bei Beginn
d'er Einspritzung hat jedoch den großen Nachteil, daß infolge des 'Zündverzuges
.die Verbrennung explosionsartig einsetzt, wobei die Maschine leicht zum Klopfen
neigt. Dieser Nachteil haftet übrigens allen Einspritzvorrichtungen an, -sobald
sie lange Brennstoffleitungen haben und mit veränderlicher Drehzahl laufen müssen.
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Es ist also von großer Wichtigkeit, beim Beginn -der Einspritzung
den Einspritzdruck gerade so hoch zu wählen, daß ex noch rur Zerstäubung einer kleineren
Menge Brennstoff genügt, und den. Hauptbrennstoff alsdann mit hohem Druck durch
den entstandenen Verbrennungsherd hindurch zur Verbrennungsluft zu treiben, wobei
das Nachtropfen nach Möglichkeit verhindert werden ruß.
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Sind bei Brennstoffpumpen bekannter Art Ventile unidicht geworden,
so müssen .diese eingeschliffen und die S'te!uervorrichtungen nachgestellt werden,
was auch nur von geschultem Personal ausgeführt werden kann. Es wurd'e'n deshalb
schon Pumpen mit Saugschlitz gebaut, deren Pumpenkolben als Steuerschieber wirkte,
oder eis wurden be# sondere Schieber eingebaut, um das Einschleifen von Ventilen
zu umgehen.
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Solche Anordhungen sind für Pumpen, die bis auf mehrere hundert Atmosphären
zu fördern haben, nicht brauchbar. Es ist zu berücksichtigen, daß bei kleinen Maschinen
für eine einmalige Einspritzung oft .eine Kölbesihub genügt, der nur Bruchteileeines
Millimeters beträgt; es ist daher außerordentlich schwierig, einen. so hohen Druck
bei. einer Abdeckung, die nur Bruchteile eines Milllimeters
beträgt,
sowie eine Abdichtung zwischen Kolbenkante und Saugschlitz zu erreichen und so,
auf die Dauer eine genaues Einspritzung zu erhalten.
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Bei schlitzgesteuerten Brennstoffpumpen genannter Art wird die Einspritzung
ganz unbrauchbar, wenn lange notwendig sind und Leckverluste des Pumpenkolbens sowie
der Brennstoffnade-1entstanden sind, weil infolge der Zusammendrückbarkeit des Brennsfioffes
und der Elastizität der Brennstoffleitung zwischen. Düse und! Pumpe leicht Fehlzündungen
entstehen, die nachher wieder eine plötzliche große Füllung erzeugen, wenn ,die
Brennstoffleitung so stark aufgepumpt ist, daß, der entstandene Druck die Nadel
zum Heben bringt.
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Es sind schon Pumpen vorgeschlagen worden, bei welchen die Ventile
fehlten und durch eine genügend große Abdeckung der Kanäle durch die Kolben Verluste,
d. h. ei;n 'Zurückfließen des Brennstoffes in die Saugleitung, vermi'ed'en werden
sollten. Diese Pumpen hatten jedoch den Nachteil, daß sofort nach. Schluß des Saugkanals
die Speicherfeder unter Spannung steht. Bei: hohem Druck des Brennstoffes, wie er
für Einspritzmaschinen notwendig isst, treten auch die Undichtheiten, wie sie bei
allen. schlitzgesteuerten Pumpen sich ergeben, weder auf. Ein weiterer Nachteil
bestecht -darin, da:ß bei. diesen Pumpen der Einspritzdruck am Ende des Einspritzens
ganz allmählich abnimmt, so -daß, die letzten. Teilchen: des. Brennstoffes mit bis
auf Null sinkend'ex Geschwindigkeit in den Arbeitszy"dIer hineingedrückt werden,
wodurch ein Nachtropfen: entsteht und' die Pumpe völlig unbrauchbar wird.
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Allen bekannten Einspritzvorrichtungen haftet -der ,gemeinsame Nachteil
an, daß die Einspritzzenit und, der Einspritzdruck durch die Steuerung festgelegt
sind, weil letzterer ja .nur eine Funktion der PumpenkolbengeschwindIgkeit 'und
des Düsenquerschnittes ist. Verstopft sich: @die Düse, so muß, durch ein. Sicherheitsventil
dafür gesorgt werden., daß d'er Brennstoff entweichen kann. Diese Sicherheitsventile
sind eine weitere. Quelle von Betriebsstörungen, da dieselben öfter undicht werden.
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Bei raschlaufend'en Fahrzeugmotoren mit veränderlicher Drehzahl ist
es unbedingt erforderlich, sowohl die Einspritzzeit, den Ein-i sprtzdiruck sowie
den, Zeitpunkt des Einspritzens während des Betriebes verändern zu können..
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Eine Brennstoffeinspritzvorrichtung, bei der die obeggenannten Nachteile
vermieden sind und die den angestellten Anforderungen für naschlaufende Maschinen
genügt, bildet den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Der Pumpenzyli!ndier ist
in bekannter Weise mit Saug- und Druckschlitzen "versehen, und dem Pumpenkolben
liegt im Pumpenraum ein belasteter Ausweichkolben gegenüber. Das Wesen der Erfind'ung
besteht darin, daß. der Ausweichkolben etwa im 'Zeitpunkt der Freigabe des Druckschlitzes
durch zusätzliche Belastung in seiner ausweichenden Bewegung derart verzögert wird,
da:ß der zwischen den. beiden Kolben eingeschlossene Brennstoff erst kurz vor Beginn
:der Einspritzung auf den zur unmittelbaren Einspritzung :des Brennstoffes durch
Düsen: in den Arbeiitszylinder notwendigen Einspritzdruck gebracht wird, worauf
die Einspritzung unter gleichbleibendem oder steigerndem Speächerd'ruckerfolgt.
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Auf -der 'Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise
därges-telh.
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Abb. i ist ein mittlerer Längsschnitt durch eine Ausfühmungsform mit
Sp.eicherfe!d'er. Abb. a ist ein Teilschnitt durch eine Ausführungsform, bei der
an Stelle der Speicherfeder ein Gas- oder Flüssigkeitsdruck verwendet wird.
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Abb. 3 zeigt ein Diagramm des. erzeugten Brennstoffdruckes bei der
Ausführungsform, nach Abb. i.
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Abb. 4 zeigt ein' Diagramm des erzeugten Brennstofdruckes bei! Einwirkung
der Verbxennungsluft auf den Ausweichkolben.
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Abb. 5 ist ein Schnitt durch eine Gesamtanardnung d'e'r Einspritzvorrichtung.
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In dem Pumpenzylinder i (Abt. i) bewegen sich zwei; Kolben, nämlich
der Pumpenkolben a und der Ausweichkolben. 3. Der Pump: enzyln:d@er i besitzt !unten
einen SaugschUtz 4 und, oben einen oder mehrere übereinandergelagerte Druckschlitze
5, je nachdem mit der Pumpe eine oder mehrere Düsen der Einspritzvorridhtung gespeist
werden sollen, Der Pumpenkolben z wird auf irgendeine Art auf wind ab bewegt, nach
der 'Zeichnung beispielsweise durch :ein. Exzenter 6. Der Kolben z hat unten eine
kreuzkopfartige Führung z'. Der Ausweichkolhen 3 wird auf irgendeine Art von oben
her belastet, b eispi'elsweise durch eine Feder 7, welche sich auf den Bund: 3'
einerseits und' den Federteller 8 andererseits abstützt und so den Kolb-en 3 immer
in seine: tiefste Lage drückt. Der Kalben: 3 besitzt einen Anschlag 9, der je nach
dem Hub des Kolbens 3 .auf einen Anschlag io trifft. Dieser Anschlag io ist einstellbar,
indem der FederteTTer 8 mittels des Nockens i i gehoben oder gesenkt wird.
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Der Ausweichkolben 3, der durch die Feder 7. niedergedrückt wird,
liegt in der unteren. Ruhestellung auf einem in, seiner Höhe regelbaren: Anschlag
i z auf. Die Höhe dieses, wird durch -den Regler oder von Hand während des Betriebes
eingestellt;
sie bestimmt den Abstand der beiden Kolben 2 und 3
in ihrer untersten Lage, also auch die von dem Kolben eingeschlossene Brennstoffmenge.
Der mit dem Anschlag io versehene Federteller 8 ist zu einer Büchse ausgebildet,
in der eine zweite Feder 13 sich befindet. Diese .stützt sich gegen. -einen. regelbaren
Anschlag 1q., so daß, durch die Einsteltvorrichtung 15 die Spannung der Feder
13 verändert werden kann. Die Feder 16 auf dem Kreuzkopf 2' bezweckt, bei'
eingetretenem Spiel ein Klopfen zu verhindern., indem die Feder stets in der gleichen
Richtung einen Druck ausübt und so einen Druckwechsel verhindert.
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Bei Pumpen, die ohne Speicherfeder arbeiten, tritt an die Stelle der
Feder 13, wie aus Abb. -- ersichtlich ist, ein als Anschlag dienender belasteter
Kolben; 2o. Derselbe bewegt sich in dem Zylinder 21, dessen unterster Teil .als
Ventil itz 22 ausgebildet ist. Oberhalb des Kolbens 20 Indem Raum 23 herrscht ein
regelbarer Flüssig#-,ets- oder Gasdruck.
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In den Abb. i und 2 sind die un,terstea Kolbenstellungen mit,tt bei
Vollrast 'und mit U'
bei Leerlauf eingetragen, während die obersten Stellungen
mit O bezeichnet sind, gleichgültig wie die Belastung ist.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Die Pumpe nach Abb. i zeigt die beiden
Kolben 2 und 3 in ihrer untersten Lage. Der Pumpenkolben 2 wurde durch die gekröpfte
Welle 6 in seine unterste Lage gezogen, der Ausweichkolben 3 folgte " ihm unter
Wirkung der Feder 7, bis er auf den: Anschlag 12 traf. Je kleiner die Menge ist,
die die Pumpe zu fördern hat, desto tiefer steht der Anschlag 12, d. h. desto später
kommt der Kolben 3 beim Abwärtsgang zum Aufsetzen.
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Der Pumpenkolben 2 hat in seiner untersten Lage den Saugschlitz ¢
geöffnet, so daß der Raum zwischen 'beiden Kolben mit Brennstoff sich. auffüllt.
Dieser fließt der Pumpe vorteilhafterweiseunter Druck zu. Bewegt sich der Kolben
2 unter der Wirkung des Exzenters nach oben, so schließt .er den Saugschlitz q.
ab. Die zwischen den Koo-lben 2 und 3 eingeschlossene Brennstoffmenge wird noch
ganz wenig mehr verdichtet, bis der auf den Ausweichkolben 3 wirkende Flüssigkeitsdruck
die Spannung der Feder 7 überwindet, so daß auch der Kolben 3 sich nach oben bewegt.
Der Kolben 2 überdeckt so den Saugkanal q. ohne wesentliche Drucksteigerung .auf
eine beliebig zu wählende Länge, so daß ein, sicheres Abdichten der eingeschlossenen
Flüssigkeit gegen den Saugkanal hin stattfindet. Gleichzeitig bewegt sich der Kolben
2 in der Gegend größter Kolbengeschwindigkeit, d. h. in derjenigen Zone, wo bei
einem gegebenen Kurbelwinkel die :größte Brennstoffmenge verdrängt werden kann.
Sobald der Kolben 3 mit dem Ansatz 9 an den Anschlag io anstößt, wird er an seiner
Weiterbewegung verhindert, da die starke Spannung der Feder 13
zu überwinden
ist. Erst wenn der Flüssigkeitsdruck zwischen den beiden Kolben so weit gestiegen
ist, daß. der Federdruck überwunden wird, kann der Kolben 3 sich weiter nach oben
bewegen. Gleichzeitig öffnet derselbe einen oder mehrere Druckschlitze 5 nacheinander,
so daß, die hochgespannte Flüssigkeit nach der Einspritzdüse bzw. den. Einspritzdüsen
abströmen kann. Man kann das Öffnen der Druckschlitze auch kurz vor Beendigung der
Bewegung des Kolbens 3 :erfolgen lassen. Vorteilhafterweise wählt man. die Kolbengeschwindigkeit
des Kolbens 2 so groß, daß sie noch genügt, frei dem gewünschten Einspritzdruck
"die kleinste Brennstoffmenge in der gewünschten kurzen 'Zeit so einzuspritzen,
daß noch eine jite 'Zerstäubung erfolgt. Ist die :einzuspritzende Brennstoffmenge
größer, so daß zu deren Einspritzung ein größerer Kurbelwinkel notwendig wird, sch
bewegt sich anfänglich der Kölhen 3 ebenfalls nach oben, indem er den Federdruck
der Speicherfeder 13 weiter überwindet und so den Einspritzdruck der Charakteristik
der Feder entsprechend weiter steigert.
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Die Einspritzung des Brennstoffes erfolgt nun, abhängig von dem Düsenquerschnitt,
durch das Weiterschreiten des Pumpenkol bens 2 und durch den Federdruck, der auf
den Ausweichkolben 3 ausgeübt wird, so daß eine größere Brennstoffmenge in einer
verschieden. langen. Zeit in den Arbeitszylinder hineingepreßt wird. Nimmt die Drehzahl
der Maschine zu und soll bei ,annähernd gleichem Kurbelwinkel, d. h. in einer kürzeren
Zeit, die Einspritzung vollendet sein, so muß, die Spannung der Feder 13 erhöht
werden, was mit Hilfe der Vorrichtung 14 und 15 während des Betriebes möglich
ist. Da die Geschwindigkeit des Pumpenkolbens 2 mit der Drehzahl zunimmt -und auch
der Druck bei einer gegebenen Brennstoffmenge auf den Ausweichkolben 3 infolge höherer
Federspannung ebenfalls größer wird, so muß der Einspritzdruck steigen; .die absolute
Einspritzzeit wird also kürzer. Verfährt man umgekehrt, so kann bei ,abnehmender
Drehzahl auch der Einspritzdruck vermindert und die Einspritzzeit beliebig während
des Betriebes verlängert werden. Die Querschnitte der Düsen, sind so zu wählen,
daß bei dem entstehenden Einspritzdruck und der verfügbaren Einspritzzeit der ganze
eingeschlossene Brennstoff in den Arbeitszylinder eingespritzt wird, damit die Einspritzung
beendigt ist, bevor der Druckschlitz
durch den fortschreitenden
Kolben geschlossen wird. Man hat es also in. der Hand, die durch einen äußeren Einfiuß
ganz beliebig zu gestalten, ohne eine Querschnittsregelang der Einspritzorgane vornehmen
zu müssen. Hierd-,srch wird es mäglich, bei jeder Belastung @.md Dreh-zahl
den ,günstigsten Brennstoffverbrauch zu erreichen. Verstopft sich eine Düse teilweise
oder ganz, so verlängert sich nur die Einspritzzeit, aber @es kann niemals eine
die Pumpe gefährdende DrucksteigerLmg eintreten.
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Die Regelung der Pumpe :erfolgt sehr genau infolge der großen Abdeckung,
die -der Kolben 2 gegenüber dem Saugschlitz aufweist. Die bisher bekannten, mit
Saugschlitz verseUenen Pumpen ändern bei eintretender Abnutzung ihre Reglerstellung,
denn der den Saugschlitz abschließende und dann sofort auf hohen Druck dichtende
Kolben läßt bei sehr geringer Abnutzung schon relativ große Brennstoffmengen rückwärts
in den Saugkanal fließen. Es :entsteht so: auch .eine Verspätung der Brennstoffeinspritzung
und somit eine schlechtere Verbrennung.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 2 sowie Abb. 5 wird je nach der
zu fördernden Brexmstoffmen@ge der den Anschlag bildende Kolben 20 mehr oder weniger
aus seiner Ruhelage von seinem Sitz gehoben, wobei er auf den Einspritzvorgang in
gleicher Weise einwirkt wie die Speicherfeder 13 nach Abb. i. Der .auf :lern Kolben
20 wirkende Druckkahn von der Anlaßluft :oidereiner Flüssigkeit, -die unter einem
Gasdruck stellt, oder nach, Abb. 5 :durch -die Veribrennungsluft .ausgeübt werden.
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Wird beispielsweise die Luft im Arb,eüszylinder nach Abb, 5 zum Belasten;
des Kolbens 2o benutzt, sa ist dieser Luftdruck am Anfang der Einspritzung am niedrigsten,
weil bekanuterweise die Einspritzung vor dem Totpunkt des Arbeitskolbens beginnt.
Infolge der Weiterbewegung des Arbeitskolbens und der beginnenden Verbrennung bis
zum Totpunkt steigt alsdann !der Druck im Arbeitszylinder ganz beträchtlich, wobei
dieser Druck, auf den Kolben- 20 wirkendl, den: Einßpritzdruck erheblich steigern
wird, immer in Abhängigkeit der Pumpen olbengeschwindigkeit und der :offenstehenden
Düsenqquerschnitbe.
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Das in Abb. q. .dargestellte Diagramm, bei. welchem die Kolbenwege
als Abszissen, die Drücke als Ordinaten; eingetragen sind, zeigt, we sich :der Einspritzdruck
mit dem Steigen des Verbnenpungsdzuckes ändert, wäb:nend das Diagramm gemäß Abb.3
den Verlauf der Brennstoffdrücke zeigt, wenn die Speicherfeder 13 angewendet
wird.
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Nach Abb.3 ist der Einspritzdrucka im
| Punkt A, wo der Saugschlitz ¢ geschlossen. |
| wird, :gleich dem Drucks, unter welchem |
| der Brennstoff der Pumpe zufließt; er steigt |
| infolge Vorwärtsschreitens -des Pump.enkal- |
| bens 2 auf der Strecke A B und überwin- |
| dung :dIer Feder 7 auf b an, bis vier Bund 3' |
| am Anschlag io liegt. jetzt steigt der Druck |
| infolge des Druckes der Speicherfeder i3 auf |
| der Strecke B-C .auf c. Im Punkt C erfolgt |
| das Öffnen :des Druckschlitzes 5. Linie c-d |
| zeigt den Druckverlauf bei, Leerlauf, d. h. bei |
| kleinster Brennstoffmenge, während Lime c-.a |
| den Verlauf bei: größter Brennstoffmenge |
| zeigt. Der Verlauf der Linie cid sowie auch |
| der Linie c-e wird steiler bei zunehmender |
| Geschwinekeit der Maschine, da, die einge- |
| zeichneten Linien für ungefähr die kleinste |
| Drehzahl der Maschine gellten. Bei, stärker |
| gespannter Feder i3 setzt @di'e Linilee-e' bei |
| c' ein. Bei, D ist dez Totpunkt dies Arbeits- |
| kolbens, bei F das Ende der, Ebispritzung |
| und bei F,der Totpunkt der Brennstoffpumpe. |
| Ganz ,ähnlich ist der Druckverlauf bei der |
| Anomdnung mach Abb. 2 und 5. Der Druck, |
| unter welchem der Brennstoff ider Pumpe |
| zufließt, ist in Abb. q. bei A durch Punka |
| bestimmt. Infolge des Vorwärtsschreitens des |
| Pump:enkdlbiennis 2 nach Schlaß des Saugschlit- |
| zes q. und (des Spannens der Feder 7 ist der |
| Brennstoffdruck im Punkt B ,auf b gestiegen. |
| In diesem Zeitpunkt herrscht im Arbeits- |
| zylinder der Druck b'. Infolge des Anscbla- |
| gens des Ausweichkolbens 3 an Ien Kolben |
| 2o, welcher unter -dem Druck b' steht, steigt |
| der Brennstoffdruck bis. Punkt c. In diesem |
| 'Zeitpunkt wird,der Druckschlitz 5 der Pumpe |
| geöffnet, wobiei die Einspritzung des Brenn- |
| stoffes, welcher unter dem Drack c steht, be- |
| ginnt. Mit fortschreitendem Arbeitskolben |
| steigt auch die Verdichtung .im Arbeitszylin- |
| der von b' bis c', unterstützt durch die ein- |
| setzendt .Verbrennung. Der Brennstaffdgruck |
| steigt infolge dieser Drucksteigerung im |
| Arbeitszylinder, welche sich auf den Kolben |
| 2o auswirkt, bis zu Punkt e, wo die Kolben 2 |
| und 3 aufeinandertrefen, also die Einsprit- |
| zung beenddet ist. Der Tetpunkt des Arbeits- |
| kolbens liegt in: Punkt D@ Die Verbrennmig |
| ist mit dem Schluß der Einspritzung noch |
| nicht beendet. F ist der Totpunkt der Pumpe. |
| Die Diagramme sind nur schematisch ge- |
| halten, da die entstehenden Beschleunigungs- |
| drücke Oder Pumpenkolben sowie des Antriebs- |
| gestänges dieselbenetwas beeinflussen können. |
| Ebenso kann. die Viskosität des Brennstoffes |
| nebst seiner Temperatur die Drucklinien etwas |
| verschieben. |
| Vorteilhafterweise kaum die Pumpe gemäß |
| Abb.5 für jedem :einzelnen Arbeitszylinder |
| 28 so -gebaut @s.ein:, daß, deren Druckschlitze 5 |
| unmittelbar in die Einspritzdüsen 2q. und 2¢' |
münden, um durch eine möglichste Verkürzung der Einspritzleitung
ein Nachtropfen dies Brennstoffes zu verhindern. Der Raum 25 oberhalb des Kolbens
2o steht durch einen Kanal 26 mit dem Innern 27 des Arbeitszylinders in Verbindung.
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Eine solche Anordnung ist sehr gut möglich, da infolge Wegfalles aller
Ventile, die ein Einschleifen erfordern würden,, die Pumpe, die nur ,aas zwei Kolben
besteht, selbst an einem schlecht zugänglichen Ort der Maschine eingebaut werden
kann:.