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Verfahren und Einrichtung zum Betrieb einer Dieselmaschine für den
unmittelbaren Antrieb von Lokomotiven Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
und eine Einrichtung zum Betrieb einer Dieselmaschine für den unmittelbaren Antrieb
von Lokomotiven ohne Geschwindigkeitswechselgetriebe und Schleifkupplungen, bei
der für alle Betriebsverhältnisse dieselbe Brennstoffeinspritzpumpe und dasselbe
Einpritznadelventil benutzt werden. Beim Anfahren hat die Dieselmaschine außergewöhnliche
Bedingungen zu erfüllen. Mit Rücksicht auf gleichförmige Drehkraftverhältnisse und
eine größtmögliche Beschleunigung muß der Arbeitsdruck gegenüber dem Höchstdruck
des Dieselbetriebes vermindert und zugleich die Zeit der Einführung des Brennstoffes
wesentlich verlängert werden, so daß etwa der Druckverlauf eines Dampfmaschinenzylinders
erreicht wird.
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Es ist bekannt, diese Druckverhältnisse beim Anfahren aus dem Stillstand
zu verwirklichen durch Einspritzung des Brennstoffes mit Hilfe einer besonderen
Einspritzvorrichtung und Anwendung eines Glühzünders für die Sicherstellung der
Zündung in der kalten Maschine. Ein Teil der Verbrennungsluft soll dabei gleichzeitig
mit der Brennstoffeinspritzung durch ein besonderes Ventil in den Zylinder eingeführt
werden.
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DieAnwendung zweier verschiedenerBrennstoffeinspritzvorrichtungen,
nämlich einer für das Anfahren und einer für den normalen Dieselbetrieb, ist verhältnismäßig
umständlich. Die Unterbringung mehrerer Brennstoffeinspritzventile neben anderen
Ventilen und dem Glühzünder im Zylinderkopf macht Schwierigkeiten. Das Brennstoffventil
für das Anfahren kommt dabei nicht einmal einer besseren Brennstoffverteilung während
des Dieselbetriebes zugute. Umständlich ist ferner die Regelung beider Einspritzvorrichtungen
in
der Weise, daß ein guter Übergang von einer auf die andere Betriebsart gewährleistet
ist.
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Erfindungsgemäß werden die auf den Kurbelweg bezogene Einspritzgeschwindigkeit
und die je Arbeitshub eingeführte Brennstoffmenge unabhängig voneinander in der
Weise geregelt, daß beim Anfahren und für die Entwicklung großer Zugkräfte Brennstoff
über einen großen Teil des Kolbenweges und bei hoher Fahrgeschwindigkeit im Normalbetrieb
entsprechend dem Dieselverfahren eingespritzt wird.
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Es wurde bisher nicht für möglich gehalten, mit einem und demselben
Einspritzventil die äußerst unterschiedlichen Einspritzgeschwindigkeiten zwischen
der ersten Umdrehung und der höchsten Fahrgeschwindigkeit zu verwirklichen. Denn
nicht nur ist beim Anfahren aus dem Stillstand die Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle
und damit die Antriebsgeschwindigkeit des Pumpenkolbens ein Bruchteil derjenigen
bei schnellerFahrt, sondern durch die Verteilung des Brennstoffes über einen größeren
Teil des Arbeitshubes wird auch die Einspritzgeschwindigkeit beim Anfahren gegenüber
dem Dieselbetrieb bei voller Fahrt nochmals auf einen Bruchteil verkleinert. Eine
einwandfreie Zerstäubung wird jedoch schon bei ganz niedriger Fahrgeschwindigkeit
durch eine Eigentümlichkeit des bekannten federbelasteten Nadelventils gewährleistet.
Wenn nur das Ventil für die höchste auftretende Geschwindigkeit richtig bemessen
ist, so findet während der ersten langsamen Umdrehungen der Maschinenwelle die Einspritzung
mit Unterbrechungen statt, da der Pumpenkolben nicht so schnell nachfolgt, wie ein
Teil der Brennstoffmenge durch die Düse ausspritzt. Nachdem der Einspritzdruck erreicht
ist und die Nadel beginnt sich von ihrem Sitz zu heben, wird die Angriffsfläche
an der Ventilnadel für den Brennstoffdruck plötzlich um die Größe der hinzukommenden
Stirnfläche vergrößert. Die Nadel springt daher von ihrem Sitz und läßt eine gewisse
Brennstoffmenge unter plötzlicher Entspannung durch die Düse zerstäuben. Wenn die
Nadel wieder durch die Schließfeder auf ihren Sitz geworfen ist, ist der Brennstoffdruck
vor dem Ventil unter den Einspritzdruck abgesunken, und der Pumpenkolben muß, um
den Druck wieder zu erreichen, ein weiteres Stück seines Weges zurücklegen. Die
auf solche Weise intermittierende Einspritzung liefert erfahrungsgemäß die günstigsten
Verhältnisse für ein langgestrecktes Arbeitsdiagramm. Entgegen dem bisher bestehenden.Vorurteil
kann demnach das gleiche für den normalen Dieselbetrieb bestimmte federbelastete
Einspritzventil von der ersten Umdrehung an benutzt werden. Mit zunehmender Fahrgeschwindigkeit
und gleichzeitiger Verkürzung der auf den Arbeitshub bezogenen Einspritzzeit werden
die Unterbrechungen kleiner und fallen schließlich ganz aus.
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Beim Anfahren wird erfindungsgemäß Innerhalb des einzelnen Arbeitshubes
zu Beginn die Einspritzgeschwindigkeit größer gewählt als im weiteren Verlauf, damit
der Einfluß der Beschleunigung der Maschine innerhalb des einzelnen Hubes ausgeglichen
wird und die mit Unterbrechungen arbeitende Einspritzung bis zu einer möglichst
hohen Fahrgeschwindigkeit erhalten bleibt.
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Auf Grund der erfindungsgemäßen Regelung der Einspritzgeschwindigkeit
unabhängig von der je Arbeitshub eingespritzten Brennstoffmenge läßt sich ohne zusätzliche
Anfahreinspritzventile und -pumpen jedergewünschte Druckverlauf im Arbeitshub vom
niedrigen breiten Schaubild beim Anfahren zum hohen schmalen Dieselschaubild während
der Fahrt erreichen. Wie es praktischen Verhältnissen entspricht, kann beispielsweise
ungefähr die gleiche Brennstoffmenge beim Anfahren über nahezu i$o° Kurbelwinkel
und bei hoher. Fahrgeschwindigkeit über 2o bis 30° Kurbelwinkel eingespritzt werden.
Es ist bekannt, beim Anlassen einer Dieselmaschine mit Hilfe eines zusä#zlichen
Antriebes die Geschwindigkeit des Brennstoffpumpenkolbens im Vergleich mit derUmlaufgeschwindigkeit
der Kurbelwelle zu erhöhen. Ferner ist es bekannt, die Brennstoffpumpe durch eine
auf den Pumpenkolben wirkende Schlagvorrichtung anzutreiben. Beide Einrichtungen
sind jedoch auf eine äußerst kurze Einspritzdauer beschränkt.
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Für höhere mittlere Arbeitsdrücke, insbesondere beim Anfahren, enthält
die vom Arbeitskolben selbst angesaugte Luftmenge nicht genügend Sauerstoff für
die Verbrennung. Die fehlende Luftmenge kann zugleich mit dem Brennstoff oder vor
diesem im Arbeitshub eingeführt werden. Es ist ferner möglich, diese Luft durch
Aufladung des Arbeitszylinders nach beendeter Spülung vor der Verdichtung einzuführen.
Bei größeren Maschinenzylindern, beispielsweise doppelt wirkehden Zylindern mit
Anordnung und Antrieb nach Art einer Dampfmaschine, werden mehrere Einspritzdüsen
bzw. -ventile erforderlich, die von einer Pumpe gespeist werden können. Für die
Entzündung in der noch kalten Maschine beim Anfahren wird jedoch ein einziger Glühzünder
genügen, da die Flamme auf die weiteren Brennstoffstrahlen überspringt. Die Anwendung
mehrerer Einspritzventile kommt ebensosehr im Anfahrbetrieb wie beim späteren Dieselverfahren
einer
gleichmäßigen Verteilung des Brennstoffes auf die v orhandene Luftmenge zugute,
so daß beim Anfahren über die eigentliche Verbrennungsluftmenge hinaus keine weitere
Arbeitsdruckluft erforderlich ist. In dieser Hinsicht bringt die Erfindung einen
Fortschritt gegenüber der Benutzung besonderer Anfahrbrennstoffventile, deren Anzahl
wegen Platzmangels durch die übrigen Einspritzventile beschränkt war.
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Erfindungsgemäß wird eine selbsttätige Regelung der Einspritzgeschwindigkeit,
d. h. die Verteilung des Brennstoffes über einen mehr oder weniger großen Kurbelwinkel
und damit der allmähliche Übergang auf den Dieselbetrieb, in Abhängigkeit von der
Fahrgeschwindigkeit vereinigt mit einer Regelung der Brennstoffmenge durch einen
Mengenregler oder Handregler. Damit wird einerseits die Forderung einer größtmöglichen
Beschleunigung während des Anfahrens und andererseits der Forderung des wirtschaftlichsten
Betriebes nach dem Anfahren Rechnung getragen. Eine solche Regelung der Einspritzcharakteristik
läßt sich beispielsweise selbsttätig mit Hilfe eines Fliehkraftreglers herstellen,
wie er für die Zündpunkt-Verstellung bekannt ist.
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Die Regelung der Einspritzgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der
Fahrgeschwindigkeit allein ist jedoch nicht für alle Betriebsverhältnisse ausreichend.
Bei warmer Maschine ist z. B. das Dieselverfahren schon bei einer niedrigeren Fahrgeschwindigkeit
möglich als bei kalter Maschine während des Anfahrens. Das Dieselverfahren läßt
sich ferner mit kleiner Zugleistung schon bei verhältnismäßig niedriger Fahrgeschwindigkeit
anwenden, also beispielsweise wenn der Zug nicht beschleunigt wird oder bergab fährt.
Für derartige Fälle ist ein willkürlicher Eingriff des Fahrers in die selbsttätige
Regelung der Einspritzgeschwindigkeit notwendig. Erfindungsgemäß wird also die auf
den Kurbelweg bezogene Einspritzgeschwindigkeit zusätzlich in Abhängigkeit von der
Zugleistung geregelt.
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Die Einspritzgeschwindigkeit wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung
entweder durch die verschiedene Steigung eines auf der Pumpenantriebswelle verschiebbaren
Nockens oder bei einem unveränderlichen Nocken durch eine auf der Druckseite der
Einspritzpumpe vorgesehene Drosselstelle geregelt, durch die je Grad Kurbelwinkel
bei niedriger Fahrgeschwindigkeit ein größerer Teil der geförderten Brennstoffmenge
austritt als bei hoher Fahrgeschwindigkeit. Verschiebbare Nocken zum Antrieb von
Brennstoffpumpen sind an sich bekannt. Diese Nocken dienen jedoch dem Zweck, die
je Arbeitshub geförderte Brennstoffmenge zu verändern. Sie weisen deshalb je nach
Einstellung auf der Antriebswelle eine verschieden wirksame Höhe auf. Es ist ferner
an sich bekannt, Drosselstellen auf der Druckseite der Pumpe zu dem gleichen Zweck
vorzusehen.
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Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele von Brennstoffeinspritzpumpen
nach der Erfindung dargestellt. Außerdem sind die dazugehörigen Schaubilder der
Bewegung des Pumpenkolbens wiedergegeben.
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Die in Abb. i in einem Längsschnitt gezeichnete Einspritzpumpe besitzt
einen üblichen Kolben z, der in seiner unteren Totlage den Saugkanal 3 öffnet und
mit der zur Regelung dienenden Schrägkante 4 einer Kolbenausnehmung später die Verbindung
zwischen dem Pumpenraum 5 und einem Rückströmkanal 6 über eine Längsbohrung 7 im
Kolben herstellt und dadurch je nach Winkelstellung des Kolbens die Förderung in
die zum Einspritzventil führende Leitung 8 früher oder später unterbricht. Diese
Regelung der je Arbeitshub eingespritzten Brenn stoffmenge geschieht mittels der
längs verschiebbaren. Regelstange g entweder von Hand oder durch einen Drehzahlregler.
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Die Einspritzgeschwindigkeit wird durch die verschiedene Form eines
auf der Antriebswelle längs verschiebbaren Nockens io beeinflußt. Beim Anfahren
findet die Einspritzung über den großen Winkel a und bei voller Fahrt über den kleineren
Winkel ß statt. Das Gesetz der Kolbenbewegung ist in Abb. z über dem Kurbelweg dargestellt.
Nach dem Anlaufweg, der dem Überlaufen des Saugkanals 3 entspricht, beginnt die
Förderung im Punkte ii. Beim Anfahren bewegt sich der Pumpenkolben nach der flacheren
Linie a bis zum Punkte 1z, d. h. über einen sehr großen Kurbelwinkel. Die Geschwindigkeit
des Pumpenkolbens, die Steigung der Linie, ist zu Beginn der Einspritzung größer
als in ihrem weiteren Verlauf. Das hat, wie früher gesagt; den Zweck einer möglichst
langen Beibehaltung der mit Unterbrechungen arbeitenden Einspritzung. Im Dieselbetrieb
wird über den Winkel ß nach der steiler verlaufenden Linie b beispielsweise bis
zum Punkte 13 eingespritzt. Die Pfeilhöhen c und d, deren oberes Ende durch
die Regelung geändert wird, bedeuten beispielsweise Fördermengen der beiden Betriebsarten
im Grenzfalle. Der verschiebbare Nocken io besitzt einen allmählichen Übergang von
einer in die andere Fördercharakteristik. Er wird während der zunehmenden Fahrgeschwindigkeit
der Lokomotive nach den früher angegebenen Richtlinien verschoben.
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Die Wirkung der in Abb.3 gezeichneten
Einspritzpumpe
ist grundsätzlich dieselbe wie derjenigen nach Abb. i. Die Förderung mit Hilfe des
unveränderlichen Antriebsnockens beginnt nach Abschluß des Saugkanals 3 und wird
beim Überlaufen der Schrägkante 4 über den Rückströmkanal 6 unterbrochen. Ebenso
wird die Regelung der Einspritzmenge durch Drehung des Pumpenkolbens 2 mit Hilfe
der verschiebbaren Zahnstange 9 vorgenommen. Anders dagegen ist die Regelung der
Einspritzcharakteristik. Sie geschieht durch den Austritt eines mehr oder weniger
großen Teils der vom Kolben im Einspritzhub verdrängten Brennstoffmenge durch die
Drosselstelle 14. Bei den ersten langsamen Umdrehungen der Maschinenwelle strömt
naturgemäß viel Brennstoff durch die Drosselstelle aus, während im späteren Dieselbetrieb
hierfür eine kürzere Zeit zur Verfügung steht. Dadurch gelangt je Grad Kurbelwinkel
beim Anfahren weniger Brennstoff als bei schneller Fahrt durch das Einspritzventil
in den Brennraum. Falls die unveränderliche Größe der Drosselstelle nicht ,dazu
ausreicht, die gewünschte Änderung der Einspritzgeschwindigkeit herzustellen, kann
der Querschnitt der Drosselstelle zusätzlich mit Hilfe der Verstellnadel 15 und
des Hebels 16 dem tatsächlichen Bedarf angepaßt werden.
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In Abb.4 ist wieder über dem Kurbelwinkel das Bewegungsgesetz des
Pumpenkolbens aufgezeichnet. Die Einspritzmengen c bei hoher Fahrgeschwindigkeit
und d beim Anfahren entstehen durch Abzug der verschieden großen durch die Drossel
entweichenden Überströmmengen e und f von der Gesamtlänge des Kolbenweges
an der betreffenden Stelle. Der Einspritz-Kurbelwinkel ca beträgt beim Anfahren
wieder das Vielfache des Winkels (i im Dieselbetrieb.
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Abb.5 zeigt in kleinerem Maßstabe eine Einrichtung für die Regelung
der Einspritzcharakteristik. Am Hebel 16 der Brennstoffpumpe greift eine Stange
17 an, deren anderes Ende mit einem zweiarmigen Hebel i8 verbunden ist. Dieser Hebel
wird am unteren Ende durch einen Fliehkraftregler i9 so bewegt, daß der Hebel 16
bei jeder Drehgeschwindigkeit der Maschinenwelle eine andere Stellung einnimmt.
Außerdem kann der Hebel 18 mit .Hilfe des Schneckentriebes 20 von Hand betätigt
und damit jede gewünschte Änderung der selbsttätigen Verstellung vorgenommen werden.
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Die Einspritzpumpe nach Abb.6 besitzt ebenso wie die vorher beschriebene
einen unveränderlichen Antriebsnocken io. Die Regelung der geförderten Brennstoffmenge
geschieht durch Zurückdrücken eines Teiles der angesaugten Menge in den Saugkana13.
Je nach Winkelstellung des angetriebenen Kolbens 2 beginnt daher die eigentliche
Förderung früher oder später nach Überschleifen der Schrägkante 21 über den Saugkanal.
Von da ab wird die eingeschlossene Brennstoffmenge zusammen mit dem durch die Feder
22 belasteten Gegenkolben 23 aufwärts bewegt. Am Ende des Aufwärtshubes wird eine
Verbindung des Pumpenraumes 5 über die Kolbenbohrung 7 und die ringförmige Ausnehmung
24 mit dem Druckkanal 8 hergestellt und die Einspritzung darauf durch den Gegenkolben
23 allein unter Entspannung der Feder 22 vorgenommen.
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Die Regelung der Einspritzcharakteristik, d. h. des Bewegungsgesetzes
des Einspritzkolbens 23, wird bei dieser Brennstoffpumpe durch verschiedene Bremsung
des Kolbens mit Hilfe einer Flüssigkeitsdrossel erreicht. Ein Stufenansatz 25 des
Kolbens 23 dient dabei als Bremskolben. Der damit gebildete Ringzylinder steht über
je ein Saugventil und Druckventil mit der Ansaugeleitung der Pumpe in Verbindung.
Hinter dem Druckventil ist eine durch Nadel 26 -verstellbare Drossel 27 vorgesehen,
so daß mit Hilfe eines Gewindes und des Hebels 2$ jedes gewünschte Fördergesetz
erzielt werden kann. Die je Hub geförderte Brennstoffmenge wird wiederum ganz unabhängig
davon mit Hilfe der Zahnstange 9 und der vorher beschriebenen verschieden großen
Ansaugmenge geregelt.