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Verfahren und Einrichtung zum selbsttätigen Regeln der Brennstoffzufuhr
bei schwungmassenarmen oder schwungradlosen Brennkraftmaschinen Erfolgt bei einer
Brennkraftmaschine die Anpass@ung der je Arbeitshub zuzuführenden Brennstoffmenge
an die Belastung der Maschine mittels eines selbsttätigen Reglers, so erteilt dieser
:bei einer schnell erfolgenden starken Belastungsabnahme dem Brennstoffregelglied
zunächst eine so starke Verstellung im Sinne der Brennstoffmengenverringerung, daß
diese Brennstoffmenge gleich Null oder zumindest erheblich kleiner ist :als die
Menge, die der gerade vorliegenden Belastung der Maschine entspricht. Erst nach
und nach gleicht der Regler diese Überregelung wieder .aus und paßt die Brennstoffmenge
der vorliegenden Belastung der Maschine an. Während der Zeitspanne, in der die Brennstoffmenge
je Arbeitshub gleich Null oder zumindest kleiner als die der vorliegenden Belastung
entsprechende Brennstoffmenage ist, muß die Maschine vom Schwungrad oder einer anderen
Schwungmasse in Gang gehalten werden. Für schwungmassen.arme oder schwungradlose
Maschinen, z. B. für Freiflugkol'benmaschinen, ist diese Einrichtung zur Regelung
der Brennstoffzufuhr daher wenig geeignet, da hi.#rbei die Gefahr besteht, daß die
Maschine bei einer Belastungsabnahme infolge Ausbleibens oder zu weit gehender Verringerung
der Brennstoffzufuhr stehenbleibt.
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Nach der Erfindung wird dieser Mangel behoben, indem bei schwungmassenarmen
oder schwungradlosen Brennkraftmaschinen die bei einer Änderung der Maschinenbelastung
vom Regler vorzunehmende Anpassung der der Maschine je Arbeitshub zuzuführenden
Brennstoffmenge an die geänderte Belasturig
in der Weise erfolgt,
@daß (die durch unter sich gleiche kleine Reglerverstellungen verursachten Brennstoffmengenünderungen
sich bei dem einer Belastungsabnahme entsprechenden. Reglerau:sschlag immer mehr
derart vermindern, @daß bei der dem Leerlauf entsprechenden Reglerstellung diese
Änderung wenigstens angenähert gleich Null ist, so. daß also der Regler -bei seiner
Annäherung an die Leerlaufstellung die je Arbeitshub zuzuführende Brennstoffmenge
allmählich bis etwa auf den Leerlaufbedarf vermindert und daß er auch bei raschem
Abfall der Belastung keine kleinere als etwa diese Leerlaufbrennstoffmen:ge einstellen
kann.
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Bekannt ist eine Regelungseinrichtung für Motoren üblicher Bauart,
bei der Mittel vorgesehen sind, welche einen annähernd. proportionalen Zusammenhang
zwischen der Belastung :der Maschine und dem Reglerhub ermöglichen. Hierbei kann
sich, bei entsprechendem Verlauf der den Brennstoffverbrauch je Leistungs- und Zeiteinheit
(also: den sogenannten spezifischen Brennstoffverbrauch) in Abhängigkeit von der
Belastung darstellenden Linie, eine den Verlauf der Brennstoffzufuhr in Abhängigkeit
von-der Belastung und zugleich vom Reglerhub darstellende Linie ergeben, bei welcher
gleichen kleinen Reglerverstellun:gen im Gebiet niederer Belastung kleinere Änderungen
der Brennstoffzufuhr entsprechen als im Gebiet hoher Belastung. Eine derartige Gestalt
der Brennstofzufuhrlinie hat aber hierbei, wie gesagt, einen. bestimmten Verlauf
der Linie des spezifischen Brennstoffverbrauchs zur Voraussetzung; ferner nähert
sich bei ihr die einer kleinen Reglerverstell.ung entsprechende Brennstoffzufuhränderung
bei Annäherung des Reglers an seine Leerlaufstell.ung keinesfalls dem Wert Null;
es kann also der bei einer schnellen Belastungsabnahme sich über die Leerlaufstellung
hinaus verstellende Regler die Brennstoffzufuhr noch weiter, also erheblich unter
den für den Leerlauf erforderlichen Betrag, vermindern.
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Die Regelungsart nach der Erfindung hat die Wirkung, daß bei immer
weiter absinkender Maschinenbelastung auch das Überregeln immer mehr vermindert
wird, und zwar in solchem Maße, daß hei völliger Entlastung, also beim Leerlauf,
ein Überregeln, d. h. in diesem Fall ein Unterschreiten der für denLeerlauf erforderlichen
Brennstoffizufuhr, überhaupt nicht mehr stattfinden kann. Dies bedeutet, daß die
Maschine auch dann, wenn ,der Regler bei einer solchen völligen Entlastung über
seine Leerlaufstellung hinaus ausschlägt, immer noch etwa die für den Leerlauf erforderliche
Brennstoffmenge zugeführt erhält. Bei schwungmassenarmen oder schwungradlosen Brennkraftmaschinen,
welche bei einem bei der Entlastung auftretenden starken Überregeln der Gefahr des
Stehenblei.bens unterliegen, wird sonach durch An:wendun:g der neuen Regelungsart
diese Gefahr beseitigt.
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Die Einrichtung zur Durchführung dieser neuen Regelungsart :gestaltet
sich besonders einfach bei Einspritzbrennkraftmaschinen, .bei welchen die je Arbeitshub
zuzuführende Menge flüssigen Brennstoffes mittels einer Pumpe ,abgemessen und der
Maschine zugeführt wird. Hierbei ist es bekannt, zum Zweck :der Veränderung -der
von der Pumpe je Arbeitsspiel geförderten Brennstoffmenge (Pu:mpenfÖrdermenge) den
Pumpenkolben hin und her drehbar anzuordnen .und in dessen Mantelfläche eine :Aussparung
vorzusehen, welche mit dem Pumpenarbeitsraum in ständiger Verbindung steht und welche
eine schräg zur Kolbenachse verlaufende Begrenzungskante (Steuerkante) .aufweist,
die mit einem die Zylinderwand durchsetzenden und zu einem Raum geringen Druckes
führenden Kanal (Steuerkanal) zusammenwirkt. Dabei ist die Anordnung in der Regel
entweder so getroffen, daß der beim Förderhub zunächst offene Steuerkanal während
dieses Hubes von der an die Steuerkante angrenzenden Kolbenmantelfläche nach einer
von der Winkelstellung des Kolbens abhängigen kürzeren oder längeren Hubstrecke
abgeschlossen wird (veränderlicher Beginn der Einspritzung) und sodann der Steuerkanal
oder ein anderer Kanal von einer besonderen steuernden Kante wieder geöffnet wird,
oder so, daß der Steuerkanal stets schon im Anfangsteil des Förderhubes abgeschlossen
und von der Steuerkante nach einer kürzeren oder längeren Hubstrecke wieder geöffnet
wird (veränderliches Ende der Einspritzung).
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In der Regel schließt jede Stelle der Steuerkante mit der Kolbenachse
wenigstens angenähert den: gleichen Winkel ein, so,daß auch .die auf die Einheit
der Winkeldrehung .des Kolbens entfallende Änderung der geförderten Brennstoffpumpe
über den ganzen Regelbereich angenähert gleichbleibt. Es ist aber auch bekannt,
diese Steuerkante so gekrümmt auszuführen, daß der Winkel, den sie am einen Ende
mit der Kolbenachse einschließt, vom entsprechenden Winkel am anderen Ende verschieden
ist. Es ist :dabei weiterhin bekannt, diese Steuerkante entweder so anzuordnen,
daß der größere Winkel im Bereich großer Förderung und .der kleinere Winkel im Bereich
kleiner Förderung liegt, oder auch umgekehrt. Es fehlen jedoch Angaben darüber,
für welche Anwendungsfälle die eine oder die andere Form in Betracht kommt und welche
Vorteile sich aus einer solchen Anwendung ergeben würden. Weiterhin ist bei diesen
bekannten Einrichtungen nicht vorgesehen, daß die vom Regler einstellbare Mindestbrennstoffzufuhr
nicht bis auf den Wert Null absinken kann, sondern dem Leerlaufbedarf der Maschine
entsprechen: soll.
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Erfindungsgemäß wird bei einer _ derartigen Pumpe, deren Steuerkante
so gekrümmt ist, daß der Winkel, den sie mit der Kolbenachse umschließt, in dem
Bereich der Steuerkante, der bei großer Pumpenförderung wirksam ist, am kleinsten
ist und im Übergang auf .den Bereich kleinerer Förderung allmählich größer wird,
diese Vergrößerung des genannten Winkels so weit fortgeführt, bis dieser Winkel
die Größe eines rechten Winkels erreicht hat; diese Steuerkante erhält ferner eine
solche Lage, daß diejenige Stelle derselben, in welcher dieser rechte Winkel erreicht
ist, eine Förderung er-,gibt, welche dem Leerlaufbedarf der Maschine entspricht.
Die
Steuerkante kann sich von, der Stelle an, an welcher ihr Winkel mit der Kolbenachse
die Größe eines rechten Winkels erreicht hat, noch weiterhin über einen erheblichen.
Teil des Kolbenumfangs im rechten Winkel zur Kolbenachse erstrecken. Bei einer solchen
Ausggest.altung kann der Regler auch,dann, wenn sein auf Verminderung der Brennstoffzufuhr
hinwirkender Ausschlag noch größer ,ist, als es die Erreichung der Leerlaufmenge
erfordert, keine diesen Leerlaufbedarf unterschreitende Brennstoffzufuhr einstellen.
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Die Zeichnung zeigt in, den Abb. i bis 7 Ausführungsbeispiele des
Erfindungsgegenstandes. Die Abb. 8 bis roi zeigen als Gegenbeispiel eine bekannte
Ausführungsform.
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Abb. i zeigt eine Brennstoffpumpe im Mittellängsschnitt ; Abb. i a
zeigt den Kolben dieser Pumpe in einer anderen Stellung relativ zum Zylinder; Abb.2
zeigt in größerem Maßstab das dem Pumpenarbeitsraum zugekehrte Ende eines Pumpenkolbens
gemäß Abb. i in Ansicht, in Abb. 3 im Grundriß ; Abb. 4 zeigt eine Abwicklung der
Pumpenk.olbensei tenwan@d ; Abb. 5 und 5 a zeigen einen andersgestalteten Pumpenkolben
in zwei verschiedenen Stellungen relativ zum Zylinder; Abb. 6 zeigt in größerem
Maßstab .das Stirnende des Pumpenkolbens nach Abb. 5 in Ansicht; Abb. 7 zeigt eine
Abwicklung der Seitenwand dieses Kolbens; Abb. 8 zeigt eine Seitenansicht, Abb.
9 einen Grundriß, Abb. to eine Abwicklung eines Pumpenkolbens. Beim Gegenstand der
Abb. i ist in dem im Pumpengehäuse i gelagerten Pumpenzylinder 2 ein Pumpenkolben
3 verschieblich angeordnet. Die Einwärtsbewegung wird dem Pumpenkolben von einem
Nocken 4 erteilt, der auf einer umlaufenden oder auch hin und her schwingenden Welle
5 festsitzt und gegen den der Kolben 3 mittels einer Feder 6 unter Zwischenschaltung
eines im Gehäuse i verschieblichen, mit einer Laufrolle B versehenen Stößels 7 ständig
angedrückt wird. An seinem äußeren Ende trägt .der Kolben 3 radiale Vorsprünge 9,
welche in Schlitzen to einer im Gehäuse i drehbar gelagerten Büchse 1i verschieblich
sind. Diese Büchse trägt eine Verzahnung 12, .die in die Verzahnung 13 einer Zahnstange
14 eingreift, welche im Pumpengehäuse i quer zur Kolbenachse verschieblich ;gelagert
ist. EineVerschiebung der Zahnstange 14 hat sonach eine Verschwenkung der Büchse
i i und des Kolbens 3 zur Folge. Das dem Pumpenarbeitsraum 15 zugekehrteKolbenende
weist eine Aussparung 16 auf, die von einer gekrümmten Kante 17 (Steuerkante) begrenzt
wird. In einiger Entfernung vom Stirnende ist der Kolben 3 mit einer Eindrehung
18 versehen, die über im Kolben verlaufende Quer- und Längsbohrungen 19 in ständiger
Verbindung mit dem Pumpenarbeitsraum 15 steht. In der Wand des Pumpenzylinders 2
sind in einer gewissen axialen Entfernung voneinander zwei Kanäle 21, 22 vorgesehen,
die den an die Brennstoffzuleitung 23 angeschlossenen Saugraum 24 mit dem Zylinderinnenraum
verbinden. Mit dem einen Kanal 22 (Steuerkanal) arbeitet die Steuerkante 17 der
Aussparung 16 so zusammen, daß dieser Kanal .bei einwärts gehendem Kolben von der
an diese Steuerkante anschließenden Mantelfläche abgeschlossen wird. Sobald der
Steuerkanal ganz abgeschlossen ist, setzt die Förderung über das Druckventil 25
und durch die Förderleitung 26 zur Einspritzstelle ein. Mit dem anderen Kanal 21
(Rückströmkanal) arbeitet die,dem Pum.penarbeitsraum 15 näher liegende Kante 2oder
Eindrehung 18 so zusammen, daß dieser vorher abgedeckte Kanal im Laufe der Kolbeneinwärtsbewegung
von der Kante 20 freigelegt wird. Hiermit ist die Förderung zur Einspritzstelle
beendet.
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Abb. i a zeigt den Kolben 3 bei derjenigen Stellung, bei welcher diese
Förderungsunterbrechung erfolgt.
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Die Steuerkante 17 ist so geformt (vgl. auch Abb. 2 bis 4), d.aß der
Winkel, den sie mit der Kolbenachse einschließt, sich im Verlauf der Steuerkante
ändert, und zwar ist dieser Winkel in dem Bereich der Steuerkante, der im Zusammenwirken
mit dem Steuerkanal 22 eine große Pumpenfördermenge ergibt (in der Nähe des äußeren
Endes A), am kleinsten und wird im obergang auf .den Bereich kleinerer Fördermenge
allmählich größer, derart, daß er an derjenigen Stelle B, die im Zusammenwirken
mit dem Steuerkanal 22 den Leerlaufbedarf der Maschine ergibt, zu einem rechten
Winkel geworden ist. Von dieser Stelle B an erstreckt sich die Steuerkante 17 noch
weiterhin über einen beträchtlichen Teil c des Kolbenumfangs (bis zum Punkt C) im
rechten Winkel zur Kolbenachse. Die Steuerkante erstreckt sich also im ganzen über
eine Umfangslänge a, die- sich aus dem in Umfangsrichtung (senkrecht zur Kolbenachse)
gemessenen Abstand b der Punkte A und B und aus der Umfangslänge c
zusammensetzt.
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Nimmt der Kolben 3 diejenige Winkelstellring ein, bei welcher die
Stelle B der Steuerkante 17 mit dem Steuerkanal 22 zusammenwirkt, so hat diese Steuerkante
diesen Kanal in :dem Augenblick, in welchem die Steuerkante 2o den Rückströntkanal
21 öffnet (Abb. i a), um die Hubstrecke hl überfahren. Diese Strecke hl ist so bemessen,
daß die Brennstoffmenge, welche vom Kolben während der Zurücklegung dieses Weges
gefördert wind, dem Leerlaufbedarf der Maschine entspricht. Wird also .dem Pumpenkolben
3 bei einer Abnahme der Maschinenbelastung durch den Regler eine Verschwenkung im
Sinne einer Fördermengenverminderung erteilt, so nimmt die Fördermenge mit zunehmendem
Verschwenkungswinkel immer langsamer ab; außerdem kann diese Fördermenge nicht bis
auf -den Wert Null, sondern nur bis auf den durch die Strecke hl bestimmten Mindestbetrag,
der dem Leerlaufbetrag entspricht, absinken. Dieser Mindestbetrag wird auch dann
nichtunterschritten, wenn die Kolbenverschwenkung sich nicht auf den Bereich
b zwischen .den Punkten A und B beschränkt,
sondern
sich über den Punkt B hinaus in den Bereich c hinein erstreckt. Es kann also auch
bei einer plötzlichen, starken Belastungsabnahme und einer dementsprechend durch
den Regler hervorgerufenen weitgehenden Versch.wenkung des Pumpenkolbens im Sinne
einer Fördermengenverminderung der dem Leerlaufbedarf der Maschine entsprechende
Kleinstwert der Fördermenge nicht unterschritten werden, so daß ein Stehenbleiben
der Maschine nicht zu :befürchten ist.
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Der allmähliche Übergang es Winkels zwischen der Steuerkante und der
Kolbenachse von einem spitzen zu einem rechten Winkel kann in einfacher Weise dadurch
verwirklicht werden, daß die Steuerkante 17 in ihrem Verlauf zwischen den
Punkten A und B durch die Schnittlinie der zylindrischen Kolbenfläche mit einer
zweiten Zylinderfläche 30 (Abb. 2) gebildet -wird, ,deren Achse 31 die Kolbenachse
.senkrecht kreuzt. Die Steuerkante i7 kann also in ihrem Verlauf zwischen .den Punkten
A und B dadurch erzeugt werden, :daß am Kolben 3 mittels eines umlaufenden Werkzeugs
(Fräser od. dgl.), das einen Hohlzylinder mit- der Umfangsfläche 30 zu erzeugen
vermag, in der aus Abb. 2 und 3 ersichtlichen Weise eine Aussparung iba hergestellt
wird, deren Schnittlinie 17 mit der Kolbenmantelfläche die, Steuerkante ergibt.
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Bei der in,den Abb. i bis 4 vorgesehenen Anordnung -der Steuerkante
17 und .des Steuerkanals 22 ergibt sich ein veränderlicher Einspritzbeginn, d. h.
je nach der Winkelstellung des Pumpenkolbens 3 beginnt die Einspritzung nach einem
kleineren oder größeren Drehwinkel der Pumpenantriebswelle 5, gerechnet von der
in Abb, i gezeichneten Stellung dieser Welle ab, von .der ab die Einwärtsbewegung
des Pumpenkolbens 3 beginnt.
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Die Alb. 5 bis 7 zeigen eine Einspritzpumpe, bei welcher das Ende
der Einspritzung veränderlich ist. Am Pumpenkolben 3 ist eine Steuerkante 27 so
angeordnet, daß sie einen bis an die Kolbenstirnkante 33 reichenden Teil der Kolbenmantelfläche
von einer Aussparung 34 abgrenzt, .die über im Kolben verlaufende Kanäle ig mit
dem Pumpenarbeitsraum 15 dauernd verbunden. ist. Der an die Brennstoffzuleitung
23 angeschlossene Saugraum 2.4 steht über einen Steuerkanal 3,2 mit dem Innenraum
des Zylinders 2 in Verbindung. Die Steuerkante 27 hat bei diesem Beispiel (vgl.
Abb. ö und 7) einen solchen Verlauf, daß sie ihrem von der Kol.benstirnkan.te 33
am weitesten entfernten Teil zwischen .den Punkten D und E .mit der Kolbenachse
einen etwa gleichbleibenden spitzen Winkel einschließt, daß dieser Winkel im weiteren
Verlauf zwischen den Punkten E und F sich allmählich bis zu einem rechten Winkel
vergrößert und daß in dem hieran sich .anschließenden- Teil zwischen den Punkten:
F und' G der Winkel weiterhin ein rechter Winkel ist.
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Die Anordnung ist so. getroffen, daß, wenn die Stirnkante 33 des auf
kleine Fördermenge eingestellten Pumpenkolbens 3 .den Kanal, 32 beim Kolbeneinwärtsgang
abschließt (Abb. 5 a und 7), der Kolben die Strecke hl zurückzulegen hat, ehe der
zwischen den PunktenF und G liegende Teil ,der Steuerkante 27diesen Kanal wieder
freilegt. Diese Strecke k1 ist -wiederum so bemessen, daß die während ihres Durchlaufens
vom Pumpenkolben geförderte Menge dem Ieerlaufbed'arf der Maschine entspricht.
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Die Abb. 8 bis io veranschaulichen eine bekannte, einen veränderlichen
Einspritzbeginn ergebende Ausgestaltung des Pumpenkolbens. Dieser Kolben unterscheidet
sich von dem nach Abh. i dadurch, daß seine an (den Pumpenarbeitsraum angrenzende
Aussparung von einer an der Kolbenstirnkante im Punkt K beginnenden und in einiger
Entfernung von dieser Stirnkante im Punkt L endigenden Steuerkan.te37 begrenzt wird,
.die über ihren ganzen Verlauf mit der Kolbenachse einen etwa gleichbleibenden Winkel
einschließt. Bei der in A'bb. io mit vollen Linien,,dargestellten Lage des sich
einwärts bewegenden, .auf Förderung des Leerlaufbedarfs eingestellten Pumpenkolbens
hat eine mittlere Stelle AI der Steuerkante 37 den Steuerkanal 22 um die
denn Leerlaufbedarf entsprechende Hubstrecke hl überfahren, während die steuernde
Kante 2o der Kolbeneindrehung iS den Rückströmkanal 21 soeben öffnet.
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Bei dieser bekannten Ausgestaltung der schräg zur Kolbenachse verlaufenden
Steuerkante 37 haben bei jeder Pumpenkolbeneinstellung schonkleine Änderungen derselben
einen :großen Einfluß auf .die Fördermenge. Infolgedessen bedarf es nur eines kleinen
Verschwenkweges e im Sinne einer Fördermengenverringerung, um den Kolben aus der
in Abb. io mit vollen Strichen gezeichneten Einstell,ung auf den Leerlaufbe@darf
in die gestrichelt gezeichnete Einstellung zu verschivenken, welche der Fördermenge
Null entspricht, bei -welcher also im gleichen Augenblick, in welchem der Steuerkanal
z2 abgeschlossen -wird, der Rückströmkanal 21 geöffnet wird. Ebenso ist bei jeder
über den Betrag e hinausgehenden Pumpenkolbenverschwenkung die Fördermenge gleich
Null. Bei Benutzung einer Brennstoffpumpe mit .dieser üblichen Steuerkantenausbildung
zur Speisung einer schvvungmassenarmen oder schivungradlosen :Maschine ist alsodamit
zu rechnen, daß schon bei einem ganz geringen Überregeln im Sinne einer Fördermeagenverringerung
d'ie Maschine zuwenig Brennstoff erhält und stehenbleibt.
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Die Erfindung ist nicht auf die .dargestellten Pumpenbauarten beschränkt,
sondern ist sinnentsprechend. auf alle Brennstoffeinspritzpumpen anwendbar, bei
-,welchen zurVeränderung der Pumpenfördermenge der Pumpenarbeitsraum mit einem Außenraum
geringen Druckes während verschieden langer Teile des Kolb.eneinwärtshubes -dadurch
in Verbindung gebracht -werden kann, daß zwischen beiden Räumen eine Aussparung
einer der zylindrischen Pumpengleitflächen mit einer die Kolbenachse in schräger
Richtung kreuzenden Begrenzungskante und ein von dieser Kante steuerbarer, in der
Gegengleitfläche ausmündender Kanal angeordnet und die beiden. Gleitflächen selbst
gegeneinander nicht allein gemäß der Pumpenkolbenhubbewegung
axial
verschiebbar, sondern auch verschwenkbar sind.