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Vorrichtung zur Steuerung der Brennstoffeinspritzung-Die Erfindung
bezieht sich auf,eine Vorrichtung zur Steuerung der Brennstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen
mit im Augenblick der inneren Kolbentotpunktstellung in axialer Richtung des Zylinders
veränderlichem Verdichtungsraum, insbesondere für Maschinen mit Freiflugkolben.
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Brennkraftmaschinen mit in axialer Richtung des Zylinders veränderlichem
Verdichtungsraüm sind an sich' bekannt. Die Veränderung des Verdichtungsraums geschieht
in der Regel deswegen; um Änderungen des Ladedruckes Rechnung zu tragen. Insbesondere
bei Flugkolbenmaschinen, d. h. also bei* ' Maschinen, bei denen die Kolben im Gegensatz
zu einer Kurbelmaschine nicht =durch ein mechanisches Gestänge auf einen bestimmten
Hubfestgelegt sind, erfolgt die Änderung der inneren Kolbentotpunktstellung selbsttätig
in Abhängigkeit von der Höhe des Druckes der Spül- und Ladeluft .des Brennkraftzylinders,
indem die Flugkolben bei ihrer die Motorkompression bewirkenden Einwärtsbewegung
um so früher stehenbleiben, je höher der Druck der Ladeluft ist.
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Durch die Änderung des Verdichtungsraumes im Motorzylinder. ist es
zwar erreicht worden, den Kompressionsenddrücken trotz veränderlichen Ladedruckes
günstige Werte zu geben, jedoch hat bisher die Änderung des Verbrennungsraums einen
ungünstigen Einfluß auf die gute Verbrennung des. eingespritzten Brennstoffes gehabt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es zur
Erzielung eines guten thermischen Wirkungsgrades notwendig ist, daß der eingespritzte
Brennstoff möglichst über den ganzen Verdichtungsraum zu verteilen ist, damit die.Brennstoffmenge
mit dem ganzen Luftvolumen, das sich in dem Verdichtungsraum befindet, in Berührung
kommt. Andererseits muß aber auch dafür gesorgt werden; daß die Brennstoffmenge
im noch unverdampften Zustande nur mit der heißen Luft in Berührung kommt, nicht
aber auf die kühleren Wandungen des Verdichtungsraums auftrifft. Um diesen Bedingungen
Rechnung zu tragen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die räumliche- Verteilung
des eingespritzten Brennstoffes -in axialer Richtung des Zylinders- selbsttätig
in Abhängigkeit von der Veränderung des Inhaltes des Verdichtungsraums ebenfalls
zu verändern. Die Veränderung der räumlichen Verteilung
in axialer
Richtung des Zylinders kann beispielsweise. dadurch geschehen; daß in der Zylinderwandung
mehrere in axialer Richtung einen Abstand voneinander habende Einspritzdüsen angeordnet
werden, von denen je nach der Größe des Verdichtungsraums eine mehr oder weniger
große Zahl ein- oder ausgeschaltet wird. Ein anderes Mittel zur Durchführung des
Erfindungsgedankens besteht darin, den Brennstoffstrahlen je nach der Größe des
Verdichtungsraumes eine mehr oder weniger große Neigung in Richtung der Zylinderachse
zu geben. Weiterhin kann auch die axiale Streuung des Brennstoffstrahls in axialer
Richtung des Zylinders in Abhängigkeit von der Cröße des Ver dichtungsraunis mehr
oder weniger groß gemacht werden.
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Die Steuerung der räumlichen Verteilung der Brennstoffeinspritzung
kann unmittelbar in Abhängigkeit von der veränderlichen inneren Kolbentotpunktstellung
geschehen. Als Steuerimpuls können jedoch aber auch Größen benutzt werden, die entweder
abhängig von dem Inhalt des Verdichtungsraums sind oder die einen bestimmenden Einfluß
auf den Inhalt des Verdichtungsraumes haben. Eine Größe der erstgenannten Art ist
der Kompressionsdruck in dem Verdichtungsraum, während speziell bei Maschinen mit
Freiflugkolben und veränderlichem Druck der Spül- -und Ladeluft der letztgenannte
Druck eine Größe der an zweiter Stelle genannten Art ist, d. h. die Höhe dieses
Druckes ist maßgeblich für die innere Kolbentotpunktstellüng und somit für die Größe
des motorischen Verdichtungsraumes.
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Es sei darauf hingewiesen, daß es an sich bekannt ist, die Neigung
des eingespritzten Brennstoffstrahls gegenüber der Zylinderachse zu verändern. Es
ist ferner auch bekannt, den Streuwinkel des Brennstoffstrahls oder die gegenseitige
Neigung der eingespritzten Brennstoffstrahlern zu: verändern. Diese bekannten Mittel
zur Veränderung der räumlchen Anordnung oder Verteilung des eingespritzten Brennstoffes
sind jedoch niemals bei einer Brennkraftnlaschine angewendet worden, deren Verdichtungsraum
im Augenblick.der inneren Kolbentotpunktstellung veränderlich ist, woraus sich von
vornherein ergibt, daß von einer Abhängigkeit der räumlichen Verteilung der Brennstoffeinspritzung
von dem Inhalt. des im Augenblick der inneren Kolbentotpunktstellung vorhandenen
Verdichtungsraumes bei den bekannten Einrichtungen keine Rede sein kann.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele
veranschaulicht, . und zwar stellen die Fig. i und 2 schematisch .im Axialschnitt
-zwei verschiedene Brenlstoffeinspritzvorrichtungen dar, die beide auf dem Prinzip
der Vqränderung der Zahl der wirksamen Einspritzdüsen beruhen.
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Die Fig. 3 und q. zeigen eine weitere Einspritzvorrichtung gemäß der
Erfindung unter zwei verschiedenen, kennzeichnenden Betriebsbedingungen, und zwar
wird bei dieser Ausführungsform die gegenseitige Läge der Strahlen des eingespritzten
Brennstoffs verändert.
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Fig. 5 ist ein Axialschnitt durch eine Steuervorrichtung zur Veränderung
der gegenseitigen Läge der Brennstoffstrahlen bei einer .Ausführungsform nach den
Fig. 3 und q..
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Die Fig.6 und 7 stellen schematisch im Axialschnitt unter zwei verschiedenen
Betriebsbedingungen eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar, bei der die
Stellung der Brennstoffdüsen veränderlich ist. -Fig. 8 veranschaulicht eine bei
der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 7 anwendbare Steuervorrichtung zur Veränderung
der Richtung der Brenstöffstrahlen.
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Die Fig.9 und io zeigen eine Brennstoffeinspritzvorrichtung gemäß
der Erfindung, die in dem Brenlkraftkolben selbst angebracht ist.
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Fig. i i veranschaulicht eine Ausführungsform der Einspritzvorrichtung
gemäß der Erfindung, bei der die Form des Brennstoffstrahls verändert wird.
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Fig. 12 schließlich stellt im Axiälschnitt eine bei der Ausführungsform
nach Fig. 12 anwendbare Einspritzdüse dar.
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Die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen beziehen sich
insbesondere auf den Fall, daß die Einspritzvorrichtung gemäß der Erfindung bei
Motorverdichtern oder Treibgaserzeugern mit frei fliegenden gegenläufigen Kolben
angewendet wird, bei der zwei gegenläufige Kolben in ihren Endstellungen zwischen
sich die Verbrennungskammer bilden, deren Inhalt j e nach der inneren Totpunktstellung
der beiden Kolben veränderlich i ist.
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Abgesehen von der Brennstöffeinspritzvorrichtung kann die Brennkraftinaschine
in einer beliebigen, beispielsweise in üblicher Weise ausgebildet sein. .
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Die Einspritzvorrichtung ist derart ausgebildet, däß sich ihre Betriebseigenschaften
in Abhängigkeit von der veränderlichen Größe des Verdichtungsraums bzw. der Verbrennungskammer-oder
in Abhängigkeit von einer der Größen ändern, die einen Einfluß auf den Inhalt des
Verdichtungsraums haben oder ihrerseits von dem Inhalt des Verdichtungsraums. abhängig
sind.
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Bei der Ausführungsform nach den Fig. i und 2 sind an ein und dieselbe
Verbrennungskammer i mehrere Injektoren angeschlossen,
und zwar
bei dem Gegenstand der Fig. i zwei Injektoren-21, 22 und bei dem Gegenstand der
Fig. 2- eine noch größere- Zahl von Injektoren 2t, 22, 23, 24 und 25, die zweckmäßigerweise
symmetrisch angeordnet sind. Jeder Injektor kann eine Mehrzahl von sich fächerförmig
,erbreiternden Brennstoffstrahlen 3 erzeugen.
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Bei der Ausführungsforrii nach den Fig. 3 und 4 sind an die Verbrennungskammer
i zweckmäßigerweise in der gleichen Querebene mindestens zwei Injektoren 21 und
22 angeschlossen, die mehrere divergierende Brennstoffstrahlen erzeugen. Der eine
21 der Injektoren erzeugt beispielsweise zwei fächerförmige Brennstoffstrahlen 31
und 32, während der andere Injektor 22 drei ebenfalls fächerförmige- Brennstoffstrahlen
34, 35 und 3° (Fig.4) hervorruft, wobei einer dieser drei Brennstoffstrahlen in
der Mitte gelegen ist. Den genannten Injektoren wird eine-Drehbewegung um ihre Achse
erteilt, und zwar hängt ..die Amplitude der Drehbewegung von der Größe des Inhaltes
der Verbrennungskammer ab. . Wenn die Verbrennungskaminer i ihren kleinsten Inhalt
hat, liegen die Brennsoffstrahlene sämtlich in derjenigen Zylinderquerebene, die
durch die Achsen der Injektoren geht (Fig. 3). Wenn dagegen die Verbrennungskammer
i ihren Größtinhalt hat, können die Brennstoffstrahlen in zwei Ebenen liegen, die
derselben Querebene benachbart sind (Fig. 4).
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Bei der Ausführungsform- nach den Fig. Cl und 7 sind die Achsen der
Injektoren 21 und 22 in den Durchmesserebenen der Verbrennungskammer i neigbar.
Die Amplitude der Schwenkbewegung der Achsen dieser Injektoren ist eine Funktion
des Inhalts der Verbrennungskammer, derart, daß .sich die beispielsweise fächerförmigen
Brennstoffstrahlen der genannten Injektoren kreuzen, wenn die Kammer i ihren geringsten
Inhalt hat (Fig..6), während sich dieselben Brennstoffstrahlen um so mehr voneinander
entfernen, je mehr der- Inhalt der Verbrennungskammer i zunimmt (Fig. 7). ` Die
Inj ektoren- 21 und 22 können aber auch, wie dies in den Fig. 9 und io dargestellt
ist, paarweise konaxial angeordnet sein. Hierbei sind die Injektoren entweder in
den .beiden Böden der gegenläufigen - Kolben gelagert, wie dies in der Zeichnung
dargestellt ist, oder sie sind, was auf das gleiche hinausläuft, im Boden ,eines
Kolbens und im Boden des Zylinderdeckels angeordnet, wenn nämlich. die Brennkraftmaschine
nur einen Kolben je Zylinder hat. In diesem Fall werden die Brennstoffstrahlen jedes
Paares gleichachsiger Injektören längs der gekreuzten Erzeugenden zweier entgegengesetzt
liegender Kegel verteilt (Fig.9). Wenn der Inhalt der Verbrennungskamnier zunimmt
(Fig. io); trennen sich die beiden entgegengesetzt liegenden Kegel voneinander,
und der ganze- Inhalt der Verbrennungskammer wird von den Brennstoffstrahlen in
zweckentsprechender Weise bestrichen.
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Bei der in Fig: i i dargestellten Ausführungsform wird die Form des
eingespritzten Brennstoffstrahls in Abhängigkeit von dem Inhalt der Verbrennungskammer
i geändert. Dies geschieht beispielsweise dadurch; daß der Brennstoffstrahl in eine
kreisende Bewegung versetzt wird, wodurch der eingespritzte Strahl zu einer Verbreiterung
veranlaßt wird, so-daß ereein größeres Volumen einnimmt und sich so: der Form der
Verbrennungskammer i anpaßt. . -Welches auch immer die jeweilige Ausführungsform
der Erfindung sei, in allen Fällen werden die Einrichtungen zur In- und Außerwirksamkeitsetzung
von zusätzlichen Injektoren oder die Einrichtungen zur Veränderung der Richtung
der Injektoren bzw. der Form der Brennstoffstrahlen der Injektoren, mit irgendwelchen
Teilen verbunden, von denen der Inhalt der Verbrennungskammer i -abhängt . oder
die durch den Inhalt der Verbrennungskannmer beeinflußt werden. Hierbei erfolgt
das Zusammenarbeiten zweckmäßigerweise selbsttätig. Beispielsweise können die genannten
Einrichtungen durch die Veränderung des Kolbenhubes oder durch die Veränderung des
. Speisedruckes oder .des größten Druckes, welche Drücke ini- Zusammenhang mit dem
Inhalt der Verbrennungskammer.stehen, gesteuert werden.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele für die zahlreichen
möglichen Steuervorrichtungen veranschaulicht.
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Bei der Steuervorrichtung gemäß Fig.1 werden die die Mengenreglung
der Einspritzpumpen 51 und 52 besorgenden Regelstangen 4' und 42 selbsttätig durch
einen einzigen Kol-,ben 6 gesteuert, der beispielsweise unter .dem Druck der Speiseluft
der Brennkraf_tmaschine steht. Die beiden Einspritzpumpen 51 und, 52 versorgen je
einen Injektor 21 und 22. Wenn es sich um Treibgaserzeuger mit frei fliegendem Kolben
und veränderlichem Arbeitsdruck handelt, so kann der Inhalt der Verbrennungskammer
mit dem Arbeitsdruck zunehmen. In diesem Fall werden die beiden die Mengenreglung
bewirkenden Stangen 41 und 42 derart versetzt, daß bei wachsendem Speise- bzw. Arbeitsdruck,
wenn also der Inhalt der Verbr ennungskammer zunimmt, auch die Pumpe 52 und der
Inj ektor 22 zur Brennstoffeinspritzung dienen. ' Gemäß der Ausführungsform. nach
Fig. 5 wird -die Drehbewegung der Injektoren durch eine Stange 7 hervorgerufen.,,
Der Körper 8
des Injektors ist zweckmäßigerweise mit . einem konischen
Sitz 9t versehen, der unter dem Druck einer Feder io eine gute Abdichtung herstellt.
Selbstverständlich findet die ' Verstellung der Injektoren im Drehsinne zweckmäßigerweise
in dem Augenblick statt, in dem in der Verbrennungskammer i der kleinste Drück herrscht.
Zu dem Zweck kann die Stange 7 mit einem Kolben verbunden werden, der periodisch
dein Speisedruck der Maschine ausgesetzt wird.
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Wenn die Injektoren in einer Durchmesserebene der Verbrennungskammer
i einstellbar sind, erfolgt die Veränderung der Richtung der Injektoren beispielsweise
mittels der Einrichtung nach Fig. B. Hierbei findet entweder ähnlich wie bei der
Einrichtung nach Fig. , eine Stange 7 Anwendung, oder zur Einstellung der Richtung
des Brennstoffstrahls dient ein Anschlag i i, der mit einem der Kolben verbunden
ist. Im letztgenannten Fall ist eine Feder 12 vorgesehen, die ständig bestrebt ist,
den Körper 13 des Injektors gegen einen festen Anschlag 14. zu legen. Der Injektorkärper
selbst ist mittels einer Gelenkkugel 15 im Zylinder der Maschine einstellbar gelagert.
Die Einspritzung findet während der Schwenkbewegung des Injektors statt.
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Wenn wenigstens einer der Injektoren in einem der Kolben gelagert
ist, so ist es zweckmäßig, auch die Brennstoffpumpe 16 in dem gleichen Kolben anzubringen,
wie dies in Fig, io dargestellt ist. Die Pumpe wird beispielsweise durch eine feste
Schrägfläche 17 betätigt, welche zweckmäßigerweise zur Reglang der Einspritzmenge
einstellbar ist. Der Brennstoff kann der Pumpe drucklos, beispielsweise durch eine
kniegelenkförmige Leitung 18 zugeführt werden.
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Wenn es sich darum handelt, die Form -des Brennstoffstrahles in Abhängigkeit
von einer der Größen zu verändern, die.den Inhalt der Verbrennungskammer i beeinflussen,
so kann der eingespritzten Brennstoffflüssigkeit, wenn es sich um eine Einspritzung
bei einem größeren Volumen des Verbrennungsraumes handelt, eine Drehbewegung erteilt
werden. Zur Erzeugung dieser Drehbewegung dienen'beispielsweise gemäß Fig. 12 schraubenförmige
Rinnen i9; die auf der Außenfläche eines Kegels 2o angeordnet sind, der beispielsweise
durch eine Stange 7- in axialer Richtung gesteuert wird. Wenn der Konus nicht auf
seinem Sitz aufliegt, so geht die Einspritzung im wesentlichen in Richtung der Erzeugenden
des Konus vor sich, und der Brennstoffstrahl hat infolgedessen eine zusammengezogene
Form, wie sie mit gestrichelten Linien in Fig. 12 dargestellt ist. Diese Form entspricht
einem kleinen Volumen der Verbrennungskamnier i. Wenn jedoch der Konus 2o auf seinem
Sitz aufruht, erhält die eingespritzte Flüssigkeit durch die Leitwirkung der Rinneri
i9 eine Drehbewegung; durch die sich der Brennstoffstrahl ausbreitet, so daß er
eine Gestalt von, größerem Inhalt erhält, wie in Fig. i i - mit ausgezogenen Linien
dargestellt ist. Die letztgenannte Gestalt entspricht einem größeren Volumen der
Verbrennungskammer i.
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Selbstverständliph ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen
beschränkt; vielmehr umfaßt sie zahlreiche Abänderungen. So ist die Erfindung insbeson=
dere bei allen Brennkraftmaschinen anwendbar; deren Verbrennungsräume bei der Totpunktstellung
des Kolbens einen veränderlichen Inhalt haben können. Dabei ist es gleichgültig,
welche Form die Verbrennungskammer hat oder in welcher Weise die Kolben oder die
Steuerorgane der Bren:nkraftmaschine angeordnet sind. Insbesondere kommt die Erfindung
auch für Brennkraftmäschinen finit v eran ** derlicher Verdichtung el in Frage.