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Drehzahlregelung ,bei Einspritzbrennkraftmaschinen Die Erfindung bezieht
sich auf eine DrehzahlregelungbeiEinspri.tzbrennkraftmaschinen insbesondere Fahrzeugdieselmotoren,
bei denen die Fördergeschwindigkeit des einzuspritzenden Brennstoffes von der jeweiligen
Drehzahl der Maschine abhängig ist. Von einer derartigen Drehzahlregelung wird verlangt,
daß die Brennstoffmenge, gleichgültig auf welche Solldrehzahl die Maschine eingestellt
ist, bei Überschreiten dieser Drehzahl möglichst rasch von der Vollastmenge bis
zur Menge Null verringert wird. Man hat dies grundsätzlich dadurch zu erreichen
gesucht, daß zur Drehzahlregelung ein in sich hin undherbewegendes Organ vorgesehen
ist, das eine vom Pumpendruckrau.m zu einemRaumniedrigerenDruckes führende Verbindungsöffnung
steuert- und so die Menge des einzuspritzenden Brennstoffes bestimmt, wobei dieses
Organ in der einen Bewegungsrichtung vom Pumpenantrieb aus zwangsläufig angetrieben
wird und. in der Gegenrichtung eine nicht zwangsläufige Bewegung ausführt.
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Der nicht zwangsläufigen Bewegungsrichtung des Steuerorgans entgegen
wirkt nur die Massenträgheit des Steuerorgans.
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Ein Fehler dieser Drehzahlreglung liegt darin,, daß bei alleinigem
Wirken der Massenträgheit des Steuerorgans gegenüber äußeren, im Sinne der Bewegung
gerichteten Kräften die kleinste Veränderung der Reibungsverhältnisse schon starke
Änderungen im Bewegungsgesetz der Steuermasse hervorrufen. Wenn die Bewegungsweise
des Steuerorgans aber von Hub zu Hub variiert, so wird die Reglung unsicher und
ungleichmäßig.
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Die alleinige Verwendung der Massenträgheit als Gegenkraft hat weiter
den Nachteil, daß das Zurückbleiben der Regelmasse nur von der Beschleunigungscharakteristik
der Pumpenkolbenbew egung abhängig ist. Die Pumpenkolbenbewegung und damit die Antriebsnockenform
werden
aber schon durch die gewünschte Einspritzcharakteristik teilweise bestimmt, und
es ist nicht gut möglich, hierbei ohne Nachteile einen bestimmten Verlauf der Beschleunigung
zu erzeugen.
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Nach der Erfindung sind diese Übelstände dadurch vermieden, daß einerseits
auf das hin und her gehende Organ in Richtung seiner nicht zwangsläufigen Bewegung
eine Druckkraft (Feder, Flüssigkeits- oder Luftdruck, magnetische Kraft) wirkt und
daß anderseits das Steuerorgan als Kolbenpumpe ausgebildet ist, die bei der nicht
zwangsläufigen Bewegung Flüssigkeit durch eine Drossel ausstößt. Auf das hin und
-her gehende Steuerorgan wirkt dann auch eine der nicht zwangsläufigen Bewegung
entgegen gerichteteWiderstandskraft, welche mit der Bewegungsgeschwindigkeit desselben
zu- bzw. abnimmt. Die äußeren Kräfte können dabei im Vergleich mit den Massen- und
Reibungskräften des Steuerorgans beliebig groß gemacht werden, so daß die Reibung
vernachlässigbar ist. Will bei plötzlicher Veränderung der Reibungskräfte durch
kleine Verunreinigungen oder Temperaturschwankungen usw. das Steuerglied seine Bewegung
z. B. verlangsamen, so nimmt die von .der Bewegungsgeschwindigkeit abhängige Gegenkraft,
also der Widerstand der Drossel, sofort ah, so daß der Unterschied zwischen dem
Widerstand und der in der Bewegungsrichtung wirkenden Federkraft unmittelbar stark
ansteigt. Auf diese Weise wird das Steuerglied zu einer immer gleichmäßigen Bewegungsart
:bezwungen.
Für die beiden Grenzfälle, Vollastmenge und Menge Null, gilt hiernach:
d. h. die Drehzahlerhöhung d n, welche notwendig ist, um die Vollastmenge auf die
Menge Null zu verringern, ist gegeben durch den Bruchteil der betreffenden Vollastdrehzahl
fi, ist also
nur abhängig vom Förder-t,
weitere Verbesserung ist dadurch erzielt, daß der
Steuerkolben den Steuerquerschnitt in einem einstellbaren Punkt des Pumpendruckhubes
öffnet, so daß dadurch die maimal eingespritzte Brennstoffmenge begrenzt wird (Rauchgrenze).
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Die nicht zwangsläufige Bewegung des Steuerkolbens beginnt stets aus
der Stellung, die dein oberen Umkehrpunkt des Pumpenkolbens entspricht. Für irgendeine
Drehzahl. z. B. die höchste Drehzahl ii, werden die auf den Steuerkolben wirkenden
Kräfte auf ein bestimmtes Maß eingestellt, so daß sich daraus eine ganz bestimmte
Zeit bzw. Geschwindigkeit für die nicht zwangsläufige Bewegung ergibt. Soll bei
der Höchstdrehzahl ii gerade noch die Vollastmenge eingespritzt werden, dann müß
bei Beginn des wirksamen Druckhubes der vom Steuerkolben gesteuerte Querschritt
gerade geschlossen sein. Für die Zeit der nicht zwangsläufigen Bewegung des Steuerkolbens
steht also die Zeit zur Verfügung, die der Pumpenkolben braucht, um vom höchsten
Punkt bis zum Beginn des Druckhubes zu gelangen. Diese Zeit sei finit tf bezeichnet;
der dazugehörige Drehwinkel der Pumpenwelle in Kurbelwellengraden sei iii. Soll
bei der etwas größeren Drehzahl ;in kein Brennstoff mehr gefördert «=erden, so darf
der Steuerquerschnitt erst am Ende des wirksamen Druckhubes, dem der Förderwinkel
entsprechen möge, geschlossen werden. Bei der Drehzahl n, wurde also während der
gleichen Zeit tf der Drehwinkel ip + (f zurückgelegt. Danach besteht die Beziehung
Winkel 9p und dem Fallwinkel ?y des Steuerkolbens. je größer der Fallwinkel konstruktiv
gewählt wird und je schneller eingespritzt wird, desto kleiner ist der Ungleichförmigkeitsgrad
der Regulierung. Die Steilheit der Abregelkurve ist für jede Drehzahl durch das
Verhältnis
gegeben.
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Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung als
Beispiele dargestellt.
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Fig. i ist ein Längsschnitt durch eine Brennstoffpumpe mit der Drehzahlregelung
nach der Erfindung.
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Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch eine Abänderungsform.
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Fig. 3 zeigt ebenfalls im Längsschnitt eine weitere Abänderungsform.
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Fig. q. zeigt im Längsschnitt eine dritte änderungsform.
Bei-
der Ausführungsform nach Fig. i ist ein Antriebsnocken i vorgesehen, der dem irr_
Pumpenkörper :2 eingeschliffenen Pumpenkolben 3 über den Rollenstößel 4 eine hin
und her gehende Bewegung erteilt. Der Brennstoff wird beim Anschlußnippel 5 zugeführt.
Wenn beim Abwärtsgang des Kolbens 3 dessen obere Kante den Zuführkanal29 aufsteuert,
dann wird der Pumpendruckraum 7 in bekannter Weise mit Brennstoff gefüllt. Beim
Wiederabschluß des Zuführkanals 29 beim Aufwärtsgang beginnt der Druckhub, worauf
der Brennstoff durch den Druckkanal 8 über das Druckventil 9 zu der nicht dargestellten
Düse gelangt.
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Quer über dem Pumpenkolben 3 ist in einer geschliffenen Bohrung des
Pumpenkörpers 2 ein Steuerkolben il vorgesehen. Der Steuerkolbenraum 12 kann einerseits
durch die Bohrung 13 hindurch und-anderseits durch den Kanal 29 hindurch mit dem
Pumpendruckraum 7 in Verbindung treten. In das eine Ende des Steuerkolbens i i greift
gelenkig ein Winkelhebel 15 ein, dessen anderes Ende in ein Langloch 16 des Rollenstößels
4 hineinragt. Das nach außen ragende Steuerkolbenende ist durch eine Feder 2o belastet.
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Der Winkelhebel 15 ist exzentrisch gelagert. Durch Verdrehen
des Exzenters i9 kann der Augenblick des Eröffnens der Bohrung 13
durch den
Steuerkolben i i beim Aufwärtsgang des Pumpenkolbens 3 verlegt und damit der wirksame
Förderwinkel verkleinert oder vergrößert werden. Das hat auch eine Änderung der
maximal eingespritzten Brennstoffmenge zur Folge. Mit dieser Einstellung kann das
Rauchen des Motors beseitigt werden.
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Hierbei geht die Drehzahlregelung wie folgt vor sich: Der Pumpenkolben
3 stehe gerade im Begriff, sich aus der untersten Stellung nach oben zu bewegen.
Es sei zunächst eine weit unter der mittleren Drehzahl liegende Drehzahl angenommen.
Der Winkelhebel 15 liegt dann unter der Wirkung der Feder 2o am unteren Ende des
Langloches 16 an. In dieser Stellung, überdeckt der Steuerkolben i i die Bohrung
13 ganz. Der Steuerkolben macht die ganze Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens zwangsläufig
mit. Nach Abschluß des Zuführkanals 29 wird der Brennstoff durch den Druckkanal
8 hindurch zur Düse gefördert, und zwar so lange, bis die Kante ,des Steuerkolbens
i i den Kanal 13 aufsteuert und die weitere Förderung unterbricht. Der zugehörige
Drehwinkel des Nockens i ist der Förderwinkel p. Der Pumpenkolben 3 und der Steuerkolben
i i bewegen sich weiter bis zum Umkehrpunkt, wobei die Bohrung 13
mehr und
mehr freigelegt wird. Während der Pumpenkolben den Abwärtsgang dem Nockengesetz
entsprechend vollführt, macht der Steuerkolben i i eine unter der Wirkung der Spannung
der Feder 2o stehende Bewegung, da der Winkelhebel 15 im Langloch 16 frei ausschlagen
kann. Bei niedriger Drehzahl wird der Steuerkolben dem Pumpenkolben noch folgen
können; er wird aber bei steigender Drehzahl immer mehr zurückbleiben. Wird die
Bohrung 13 bei steigender Drehzahl gerade wieder zugesteuert, während sich der Nocken
vom höchsten Punkt bis zum nächsten Druckhubbeginn dreht, dann setzt die Förderung
wieder voll ein, bis der Winkelhebel 15 wieder mitgenommen und so die Förderung
unterbrochen wird. Steigt die Drehzahl weiter an, so wird bei Druckhubbeginn die
Bohrung 13 noch nicht ganz geschlossen sein und die Förderung etwas später einsetzen,
so daß nur- eine kleinere Menge eingespritzt wird. Bei einer noch etwas höheren
Drehzahl wird der Rollenstößel gerade im Augenblick des Abschlusses der Bohrung
13 auf den Winkelhebel 15 auftreffen und ihn mitnehmen; es kann somit gar kein Brennstoff
mehr eingespritzt werden.
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Der Steuerkolben i i saugt nun erfindungsgemäß während des Aufwärtsganges
des Pumpenkolbens 3 über ein Saugventil 2i eine für jedes Pumpenspiel gleiche Brennstoffmenge
aus der Ventilkammer 22 an, der der Brennstoff durch das Anschlußnippel5 und den
Zufuhrkanal6 hindurch von außen her zugeführt wird. Über Kanäle 26 und 27 und einen
Drosselquerschnitt 25 ist eine Verbindung zwischen dem Steuerkolbenraum 12 und der
Ventilkammer 22 hergestellt. Der Drosselquerschnitt 25 kann mittels einer Drosselschraube
23 und eines Regelungshebels 24 von außen her eingestellt werden. Die Füllung des
Pumpendruckraumes geschieht während der Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens aus dem
Steuerkolbenraum 12 heraus teilweise durch den Kanal 13 hindurch und nach Freilegung
des Kanals 29 durch diesen Kanal hindurch.
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Die Geschwindigkeit der Fallbewegung wird durch die Einstellung des
Drosselquerschnittes 25 und damit eines bestimmten Gegendruckes geregelt, so daß
jeder Regelungshebelstellung eine bestimmte Drehzahl zugeordnet ist, die
nicht wesentlich überschritten werden kann. Die Geschwindigkeit des Steuerkolbens
bei der nicht zwangsläufigen Bewegung ist nicht nur durch den gerade eingestellten
Drosselquerschnitt gegeben, sie ist auch beeinflußt durch das bei der Füllung des
Pumpendruckraumes vom Steuerkolbenraum nach diesem Raum übergeschobene Brennstoffvolumen.
Wäre das Verdrängungsvolumen des Steuerkolbens gleich oder kleiner als das des Pumpenkolbens,
so würde der Steuerkolben
dem Pumpenkolben stets sofort folgen;
für den Regelvorgang stünde dann kein unabhängiger Weg zur Verfügung. Die Regelung
wird also nur dann richtig vor sich gehen können, wenn das vom Steuerkolben verdrängte
Hubvolumen erheblich größer ist als das vom Pumpenkolben 3 verdrängte Volumen. Es
ist also notwendig, daß der Steuerkolben entweder einen größeren Durchmesser oder
einen größeren Hub als der Pumpenkolben oder beides zusammen aufweist.
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Bei Verstellung des Betätigungshebels 24 im Sinne des Herausschraubens
der Drossel schraube 23 wird der Drosselquerschnitt 25
vergrößert. Dadurch
sinkt der Gegendruck, während der Steuerkolben seine nicht zwangsläufige Bewegung
rascher ausführt, so daß die Abregelung bei hoher Drehzahl erfolgt. Beim Hineinschrauben
der Drosselschraube steigt der Gegendruck, der Steuerkolben führt diese Bewegung
langsamer aus und steuert den Kanal 13 erst bei einer niedrigeren Drehzahl rechtzeitig
zu, um diese niedrigere Drehzahl zu halten. Wird die Drosselschraube 23 ganz zugedreht,
dann wird der Kanal 13 überhaupt nicht mehr geschlossen; es wird daher auch kein
Brennstoff mehr eingespritzt, d. h. der Motor wird abgestellt.
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Das in Fig. i dargestellte Ausführungsbeispiel könnte dadurch eine
konstruktive Abwandlung erfahren, daß der Kanal 29 über ein Rückschlagventil in
den Pumpendruckraum mündet. In diesem Falle würde bei der unteren Bewegungsumkehr
des Pumpenkolbens das Rückschlagventil geschlossen werden, worauf dann der Druckhub
beginnt.
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Statt durch eine Änderung des Drosselquerschnitts 25 kann auch die
Drehzahlverstellung dadurch erfolgen, daß die Spannung der Feder 2o mittels eines
Hebels 18 verändert wird; der Drosselquerschnitt 25 braucht dann nicht verstellt
zu werden. Die Drosselschraube 23 kann dann wegfallen. Der Hebel 18 kann beispielsweise
am Federgehäuse drehbar gelagert und in verschiedenen Lagen feststellbar sein.
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Bei der geschilderten Arbeitsweise war angenommen, daß sich der Hebel
18 in der Stellung II befindet, die einer mittleren Drehzahl entspricht. Wird der
Hebel 18 in die Stellung I gebracht, die der Höchstdrehzahl entsprechen soll, dann
wird der Steuerkolben unter der Wirkung der nun stärker gespannten Feder viel rascher
fallen. Es wird wieder voll eingespritzt, die Drehzahl steigt an, bis bei der Höchstdrehzahl
der Abschluß der Bohrung 13 erst so spät während des Druckhubes erreicht wird, daß
gerade noch die zum Halten der Höchstdrehzahl nötige Brennstoffmenge gefördert wird.
Wird der Regelungshebel jetzt in die Stellung III gebracht, welche dem langsamen
Leerlauf entsprechen soll, dann wird der Steuerkolben wegen der schwächeren Federspannung
so langsam fallen, daß so lange kein Brennstoff eingespritzt wird, bis die Drehzahl
so weit gesunken ist, daß der Abschluß der Bohrung 13 noch innerhalb des Förderwinkels
(f, erfolgt und gerade die zum Halten des langsamen Leerlaufs notwendige Menge eingespritzt
wird.
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Wird der Regelungshebel 18 noch etwas mehr umgelegt und dadurch die
Feder 2o ,ganz entspannt, dann bleibt der Steuerkolben i i in der 'äußersten Lage
stehen. Die Folge ist, daß der Kanal 13 ständig offen bleibt und infolgedessen überhaupt
kein Brennstoff mehr zur Düse gefördert wird. Der Motor bleibt daher stehen. Bei
der Ausführung nach Fig. i kann eine Drehzahlverstellung auch durch eine Änderung
des Drosselquerschnittes und durch gleichzeitige Verstellung der Spannung der Feder
2o erfolgen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.2 ist der Drosselquerschnitt 25 erst
hinter dem Pumpenraum angeordnet. Gegen Ende des Abwärtsganges des Pumpenkolbens
wird der Kanal 26 vom Pumpenkolben aufgesteuert, worauf die vom Drosselquerschnitt
25 kontrollierte, nicht zwangsläufige Bewegung des Steuerkolbens einsetzt. Dabei
fließt der überschüssige Brennstoff über den Kanal 27 in die -Ventilkammer 22 zurück.
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Die Besonderheit des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 besteht darin,
daß sich der Steuerkolben i i über dem Pumpenkolben in der gleichen Achse wie dieser
bewegt und von diesem an einer Stelle mitgenommen wird, die durch die Einstellung
einer Stellschraube 32 bestimmt ist. Der Steuerkolben i i ist dabei als Stufenkolben
ausgebildet. Die untere Kante des kleineren dem Pumpendruckraum zugekehrten Kolbens
steuert den Steuerquerschnitt, während der größere Kolben bei jedem Anhub über das
Saugventil 21 eine bestimmte Menge Brennstoff ansaugt, die dann nach der Bewegungsumkehr
nach Maßgabe des Drosselquerschnitts 25 wieder ausgestoßen wird. Die Belastungsfeder
2o muß bei diesem Ausführungsbeispiel so stark gewählt werden, daß auch beim höchsten
vorkommenden Einspritzdruck der Steuerkolben während des Druckhubes nicht angehoben
wird. Bei der Fallbewegung findet der Steuerkolben seine untere Hubbegrenzung an
der Schulter 3 i ; der Steuerquerschnitt 13 ist dann gerade abgeschlossen. Der Pumpendruckraum
wird bei dem weiteren Abwärtsgang des Pumpenkolbens nach Öffnung des Zuführkanals
6 in bekannter Weise gefüllt, worauf beim Wiederabschluß der Druckhub beginnt. Die
Regelung
geht genau in der gleichen Weise vor sich wie bei den vorher
beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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In Fig. 3 ist der Augenblick festgehalten, in dem der Kanal 6 beim
Aufwärtsgang gerade geschlossen ist und der Steuerkolben, der sich noch in der Fallbewegung
befindet, den Kanal 13 noch nicht ganz abgeschlossen hat. Der Druckanstieg kann
daher erst nach einem gewissen Leerhub beginnen; es wird daher eine kleinere Menge
als die Vollastmenge eingespritzt. Wird der Motor weiter entlastet, dann steigt
die Drehzahl, der Abschluß des Kanals 13 erfolgt entsprechend später, so daß immer
weniger eingespritzt' wird, bis bei etwas höherer Drehzahl wieder Gleichgewicht
eintritt. Bei Belastung des Motors sinkt die Drehzahl bei gleichzeitiger Zunahme
der eingespritzten Menge, da der Abschluß des Kanals 13 entsprechend früher eintritt.
Die maximal eingespritzte Menge wird durch Hinein- oder Herausschrauben der Stellschraube
32 verändert, da dadurch der Druckhub früher oder später unterbrochen wird.
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Die Ausführungsform nach Fig. q. stellt eine Abwandlung der Ausführungsform
nach Fig. 3 dar. Der Brennstoff wird einem Federraum 33 zugeführt; er gelangt beim
Anhub des Steuerkolbens über das im Steuerkolben eingebaute Ringventil 2r in den
Steuerkolbenraum 12. Der Pumpendruckraum wird über ein Rückschlagventil28 aus dem
Steuerkolbenraum 12 heraus gespeist, wobei der Druckhub beim unteren Umkehrpunkt
nach dem Zuschlagen des Rückschlagventils 28 beginnt. Der Drosselquerschnitt 25
ist bei diesem Ausführungsbeispiel dem Steuerquerschnitt 13 nachgeschaltet. Der
veränderbare Gegendruck wird :erzeugt .durch ein federbelastetes Nadelventil 3q.,
dessen Feder 35 durch Hinein- oder Herausschrauben der Regelungsschraube 23 mit
Hilfe des Betätigungshebels 24 mehr oder weniger gespannt werden kann. Ein Entspannen
der Feder bedeutet Regelung bei hoher Drehzahl, ein Anspannen der Feder Regelung
bei kleiner Drehzahl.
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Die in den Fig.1 bis 3 vorgesehenen Drosselschrauben 23 können auch
durch federbelastete Nadelventile oder Kolben ersetzt werden.
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Die beschriebene selbsttätige Regelung kann durch eine große Anzahl
Abänderungsformen ersetzt werden. Allen ist gemeinsam, daß während des Füllungshubes
des Pumpenkolbens :ein Steuerorgan in einer nichtzwangsläufigen Bewegung einem vom
Pumpendruckraum nach außen führenden Steuerquerschnitt zusteuert, wobei die Zeit
für ,diese Bewegung durch von außen verstellbare Kräfte beeinflußt wird. Die Art
dieser äußeren Verstellkräfte ist beliebig; es können Federkräfte, hydraulische,
pneumatische, magnetische, elektrische oder sonstige Kräfte sein.