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Selbsttätige Verstellvorrichtung für den Beginn der Brennstoffeinspritzung
bei Verbrennungskraftmaschinen Bei Dieselmaschinen mit wechselnder Drehzahl, z.
B. insbesondere bei kompressorlosen Fahrzeugdieselmotoren mit Hochdruckbrennstoffeinspritzung,
muß der Einspritzbeginn mit steigender Umlaufzahl vom Totpunkt fort entgegen der
Motordrehrichtung, mit fallender Umlaufzahl in der Drehrichtung bis zum Totpunkt
oder noch darüber hinaus verlegt werden, damit einerseits kein Nachbrennen eintritt
und damit andererseits die Maschine bei allen Drehzahlen stoßfrei arbeitet.
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Es ist bereits bekannt, besonders in Anwendung auf Schiffsglühkopfmotoren,
den Einspritzbeginn in dem angegebenen Sinne selbsttätig mit Hilfe eines Fliehkraftreglers
zu verlegen. Da nun die Fliehkraft sich quadratisch mit der Drehzahl ändert, der
Voreinspritzwinkel aber linear, d. h. entsprechend geradlinig mit der Drehzahl verlegt
werden soll, so arbeitet ein Fliehkraftregler nur hinreichend genau bei verhältnismäßig
geringen Drehzahlschwankungen. Der übermäßig starke Anstieg der Fliehkraft bei steigender
Drehzahl kann zwar durch mechanische Mittel, z. B. durch vorgespannte Zusatzfedern
und sich ändernde Hebelarme, abgeschwächt, aber nicht beseitigt werden. Daher machen
sich bei Dieselmaschinen mit Hochdruckeinspritzung, die gegenüber Glühkopfmotoren
anspruchsvoller sind in bezug auf die genaue Einstellung des Einspritzbeginns und
die mit großen Drehzahlschwankungen arbeiten sollen, z. B. im Verhältnis i : io,
erhebliche Schwierigkeiten bemerkbar, wenn man den für die jeweilige Motordrehzahl
erforderlichen genauen Einspritzbeginn mit Hilfe der Fliehkraft beherrschen will.
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Wegen Fehlens einer für vorliegenden Zweck geeigneten selbsttätig
wirkenden Verstelle orrichtung wurde deshalb bei den bisher bekannt gewordenen Brennstoffeinspritzvorrichtungen
die Verlegung des Einspritzbeginns von Hand bewerkstelligt. Diese Regelung stand
somit ganz in der Willkür des Fahrers und erschwerte ihm die Bedienung der Maschine.
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Das Arbeitsverfahren der neuen Vorrichtung, die ein Servomotor ist,
beruht im wesentlichen darauf, daß zwischen der von einer mit der Dieselmotorwelle
in getrieblicher Verbindung stehenden Pumpe in einen Druckraum (Windkessel o. dgl.)
geförderten Flüssigkeit und der von diesem wieder abfließenden Flüssigkeit bei beliebiger,
aber gleichbleibender Drehzahl Beharrungszustand eintritt unter Einstellung eines
dieser Drehzahl entsprechenden Druckes. Dieser Flüssigkeitsdruck wirkt auf einen
Kolben ein, der seinerseits den Verstellmechanismus der Nockenwelle der Brennstoffeinspritzpumpen
betätigt, indem z. B. die letztere gegen ihre Antriebskupplung verdreht wird. Es
gehört also. zu. jedem für- eine bestimmte Drehzahl
erforderlichen
Verstellwinkel ein entsprechender Flüssigkeitsdruck. Letzterer wird durch einen
federbelasteten Kolbenschieber geregelt, und zwar derart, daß der Einspritzbeginn
stets linear zur Drehzahl verlegt wird. (Beträgt z. B. der Voreinspritzwinkel bei
Zoo Umdr./Min. 3 Winkelgrade, so beträgt er bei r2oo Umdrehungen 18°, bei 2ooo Umdrehungen
30°.) Die rückläufige Verlegung des Voreinspritzwinkels bei fallender Drehzahl und
entsprechend wieder abnehmendem Flüssigkeitsdruck geschieht -in demselben Sinne
(linear) durch Federkraft.
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Wie sich die Größe des Einspritzwinkels bei der Verlegung des Einspritzbeginns
ändert unter wechselnderDrehza;hi, aber gleicher thermischer Belastung (gleiche
Einspritzmenge) je Arbeitshüb, hängt von der Charakteristik der Brennstoffeinspritzpumpe
und Düse ab und ist für vorliegende Erfindung ohne Bedeutung. So kann der Fall eintreten,
daß, obwohl die Einspritzzeit bei der höheren Drehzahl entsprechend geringer ist,
der Einspritzwinkel größer wird. Dies ist bekanntlich bei gesteuerten Düsen .dadurch
zu erreichen, daß der Eröffnungshub des Einspritzventils in Abhängigkeit von dem
mit der Motordrehzahl steigenden Einspritzdruck vergrößert wird, und hat den Zweck,
den Einspritzdruck für verschiedene Belastungen und Drehzahlen annähernd auf dem
gleichen Wert zu halten.
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Die Regelung des Druckes der Brennstoffeinspritzpumpen und die Verlegung
des Einspritzbeginns nach vorliegender Erfindung stehen also in keinem Zusammenhang.
Wesentlich ist jedoch, daß die Regulierung der Einspritzmenge, die von Hand mittels
bekannter verschiedenartiger Regeleinrichtungen erfolgt, den Beginn der Brennstoffeinspritzung
nicht beeinflußt.
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Es sind nun zwei Möglichkeiten zur Druckregelung der Arbeitsflüssigkeit
der vorliegenden Verstellvorrichtung vorhanden: i. durch Ändern des Saugkanalquerschnittes
der Pumpe; 2. durch Ändern der Abflußkanalquerschnitte im Druckraum.
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Würde der Zufluß- -oder der Abflußquerschnitt bei niedriger und hoher
Drehzahl unveränderlich sein, so steigt der Flüssigkeitsdruck wiederum, wie beim
Fliehkraftregler die Fliehkraft, quadratisch mit der Drehzahl an. Der Zweck des
federbelasteten Kolbenschiebers (Druckregelkolbens) ist also der, den Flüssigkeitsdruck
so zu regeln, daß eine lineare Verdrehung der Nockenwelle der Einspritzpumpen zur
jeweiligen Motordrehzahl be«@irkt wird; dabei ist zu beachten, daß der Flüssigkeitsdruck
selbst nicht mit der Drehzahl geradlinig anzusteigen braucht, falls die für die
Verlegung des Einspritzbeginns erforderliche Verstellkraft nicht im einfachen Verhältnis
zur Drehzahl anwächst.
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Auf der Zeichnung sind in Abb. i und 2 die Vorrichtungen mit den beiden
verschiedenen Reglungsarten nach i und 2 dargestellt; eine Verdrehvorrichtung für
die Nockenwelle einer Brennstoffeinspritzpumpe, welch letztere nicht gezeichnet
ist, zeigt Abb. 3.
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Für die vorliegende Erfindung ist jedoch die Anordnung der Verstelleinrichtung
nach Abb. 3 unwesentlich. Es können z. B. auch Rollenzwischenhebel, die die Kolben
der Einspritzpumpen betätigen, durch den mit der Drehzahl steigenden und fallenden
Flüssigkeitsdruck derart verstellt werden, .daß der Einspritzbeginn in der oben
geschilderten Weise verlegt wird.
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Vorrichtung i : Ein Exzenter i, das unmittelbar mit der Nockenwelle
der Einspritzpumpen gekuppelt sein kann, treibt einen Pumpenkolben 2 an, der in
der gezeichneten Stellung gerade den Saugkanal 3 freigelegt hat, so daß die sorgfältig
filtrierte Arbeitsflüssigkeit - wozu vorteilhaft :der Brennstoff zum Betriebe des
Dieselmotors selbst verwandt werden kann - zur Druckübertragung jetzt in den Hubraum
q. einströmt. Der Zufluß erfolgt durch den Stutzen 5 und die Kammer 6, und zwar
mit gleichbleibendem Druckgefälle, das z. B. durch ein Schwimmerventil aufrechterhalten
wird.
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Geht der Kolben 2 aufwärts, so öffnet sich das Rückschlagventil 7,
wobei das Öl dann in einen Aufnehmer 8 mit Windkessel, der im hohlen Druckregelkolben
9" liegen kann, gedrückt wird. Eine Feder io, deren Spannung durch die Schraube
i i einstellbar ist, belastet den Kolben 9d. Mit ihm ist ein ringförmiger Kolben
12, der in 01 eintaucht und als Bremse wirkt, verbunden. Die Bewegung des
Kolbens 9" überträgt ein Stift 13 auf den Drosselschieber 14 des Einlaßkanals
3; Blattfedern 15 drücken den Schieber auf seine Gleitfläche.
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Eine Leitung 16, die mit dem Aufnehmer 8 in Verbindung steht, verzweigt
sich; die eine Leitung 17 führt zum Oldruckanzeiger, während die andere, 18, an
den Zylinder des Verstellkolbens i9 (Abb. 3) angeschlossen ist.
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Durch eine Nadelschraube 2o ist der Abflußkanal 21 des Druckraumes
8 justierbar. Die Hemmkraft der Ölbremse 12 wird durch eine Schraube 22 eingestellt.
Ferner ist auch der Saugkanalquerschnitt 3 durch den Drosselschieber 14. selbst
regulierbar, da letzterer mit Hilfe seines geschlitzten Fortsatzes 23, der ihm als
Führung dient, um den Stift 13 als Drehpunkt verlegt werden kann, wodurch die Möglichkeit
besteht, die verschieden geneigten Steuerkanten 24 oder 25 arbeiten zu lassen. Diese
Justierbarkeit ist
nötig, da das einwandfreie Arbeiten der Vorrichtung
sonst von der genauen Herstellung der Kanäle und der Viskosität der zur Verwendung
kommenden Flüssigkeit abhängt.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung nach Abb. i ist in Verbindung mit
der als Beispiel gewählten Verstelleinrichtung nach Abb.3 folgendermaßen: Bei steigender
l7otordrehzahl geht der Druckregelkolben % aufwärts, gleichzeitig wird der Verstellkolben
ig (Abb. 3) vorgetrieben und verschiebt mit seiner keilförmigen Fläche die Nockenwelle
26 der Brennstoffeinspritzpumpe in axialer Richtung. (Der Verstellkolben kann auch
axial zur Nockenwelle liegen.) Durch das Steilgewinde 27. das in radialer
Richtung selbstsperrend ist. wird die Nockenwelle 26 dann gegen ihre Antriebskupplung
28 in an sich bekannter Weise vorauseilend verdreht, und zwar in der oben beschriebener.
Weise stets linear zur Drehzahl. Die Verdrehung selbst erfolgt mit sehr kleinen
ruckartigen Bewegungen, da sich die Belastung der Nockenwelle, also auch ihr -Rei=
bungsverhältnis innerhalb der Kupplung, periodisch je nach der Anzahl der Einspritzpumpen
ändert. Hierdurch wird glas Einspielen auf den für. die jeweilige Drehzahl erforderlichen
Verstellwinkel erleichtert. Bei konstanter Drehzahl stellt sich zwischen der Druckfeder
zg, die dauernd das Bestreben hat, die Nockenwelle im Sinne eine Späteinspritzung
rückläufig zu verdrehen, und der Feder io des Druckreglers ein Gleichgewichtszustand
ein. Die zu- und wieder abfließende Flüssigkeitsmenge im Druckraum 8 wird gleich,
nachdem der Drosselschieber 1q. zur Erreichung des zu der augenblicklichen Drehzahl
gehörigen Druckes durch den Regelkolben 9" ,eingestellt wurde. Die Leckverluste
«-erden durch die erwähnte Zuflußleitung 5 dauernd ergänzt.
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Steigt nun die Motordrehzahl weiter, so ist der Gleichgewichtszustand
aufgehoben, denn die Servopumpe 2 fördert jetzt in der Zeiteinheit eine größere
Ölmenge, als durch den im Augenblick' gleichbleibenden Abflußkanal ai bei dem bisherigen
Druck wieder fortfließen kann. Der Druck muß daher ansteigen und treibt den Verstellkolben
ig weiter vor. Bleibt jetzt die höhere Drehzahl konstant. so stellt sich nach einer
gewissen Zeit wieder .der Gleichgewichtszustand unter entsprechender Einstellung
des Schiebers 14 ein, und zwar bei einem Flüssigkeitsdruck, der imstande ist, den
nun erforderlichen Verdrehwinkel der Nockenwelle gegen ihre Kupplung herzustellen.
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Fällt die Umlaufzahl, so fließt mehr Öl vom Druckraum 8 ab, als hineingefördert
wird. Der Öldruck sinkt, und die @Tocken-«-elle 26 wird durch die Kraft der Feder
29 rückläufig verdreht; das hierbei zu verdrän-"ende Öl wird durch die Zuflußleitung
5 zurückgedrückt.
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ändert sich nun die Drehzahl sehr schnell, so macht sich eine gewisse
Trägheit im Arbeiten der Verstellvorrichtung bemerkbar, da der Druck der Arbeitsflüssigkeit
nicht sofort der neuen Drehzahl entsprechend folgt. Diese Verzögerung vermindert
die Ölbremse 12. Fällt z. B. die Umlaufzahl plötzlich, so kann der Druckkegelkolben
9d durch die Bremswirkung nicht so schnell folgen, und die Pumpe bleibt länger auf
kleinere Füllung, also kleinere Fördermenge eingestellt; im Verein mit der geringeren
Drehzahl sinkt der Öldruck dann schneller. Das Umgekehrte geschieht bei schnellem
Ansteigen der Drehzahl. Hier bleibt die Pumpe länger auf größere Füllung eingestellt,
und der Arbeitsdruck steigt schneller.
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Vorrichtung 2 unterscheidet sich von i dadurch, daß der Einlaßkanal3
hier unver--änderl-ich -ist, während der Druckregelkolben 9b die Abflußquerschnitte
zur Erzielung der für die jeweilige Drehzahl erforderlichen Drücke freilegt. Sie
entstehen durch Verschieben der kleinen Öffnung 30 im Regelkolben längs des
Schlitzes 31 im Zylinder 3a.
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Durch Verdrehen des Kolbens 9b mittels der Hülse 33 und des Stiftes
3.4, der in einem Schlitz 35 der durch die Schraube 36 feststellbaren Hülse gleitet,
kann die Abflußöffnung 30 mit einer der beiden verschieden geneigten Steuerkanten
37 oder 38 des Schlitzes 31 zusammenarbeiten, so daß die Einstellbarkeit auch hier
ebenfalls erweitert ist.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung 2 ist derjenigen von i ähnlich. Bei
steigender Drehzahl wird der Druckregelkolben 9b angehoben und legt größere Abflußquerschnitte
frei und umgekehrt. Der Arbeitsdruck steigt und fällt wieder mit der Drehzahl, aber
nie quadratisch. Die Ölbremse hat die gleiche Aufgabe wie bei Vorrichtung i.
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Ändert sich die Viskosität des Drucköls während des Betriebes, so
ist zu berücksichtigen, daß sich die Verhältnisse im Zu- und Abfluß ändern. Bei
geringer werdender Zähflüssigkeit fließt der Pumpe in der Zeiteinheit mehr Öl zu,
aber auch vom Druckraum wieder mehr ab; das Umgekehrte tritt bei größer «-erdender
Zähflüssigkeit ein. Geringe Unterschiede in der Viskosität haben also keinen erheblichen
Einfluß auf das einwandfreie Arbeiten der Vorrichtung. .