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Verfahren zur luftlosen Brennstoffeinspritzung Bei luftlosem Einspritzen
von Brennstoff in Brennkraftmaschinen ist es üblich, die Einspritzdüse durch ein
druckbelastetes Ventil zu steuern, das kurz vor der Düse angebracht ist und durch
den Druck des einzuspritzenden Brennstoffes geöffnet wird. Ein solches Ventil dient
dazu, die Einspritzung nur dann stattfinden zu lassen, wenn der Brennstoff in der
Einspritzleitung einen; durch die VentilschlieB-kraft bestimmten Druck erreicht
hat, bei dem eine genügende Reichweite des Brennstoffstrahles und eine gute Zerstäubung
des Brennstoffes im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine sichergestellt sind.
Gleichzeitig bewirkt das Ventil, falls es dicht vor der Düse angebracht ist, daß
nur eine geringe Brennstoffmenge nach AbschluB der Brennstoffleitung durch das Ventil
durch die Düse hindurch in den Zylinder der Brennkraftmaschine gelangen kann.
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Es ist ferner bekannt, für die Belastung des die Düse steuernden Ventils
unter Druck gesetzten Brennstoff zu verwenden. Dies hat ,den Vorteil, daB Dichtungsschwierigkeiten
zwischen dem mit Brennstoff gefüllten Raum zwischen Ventil und Düse und dem von-diesem
Raum durch die Ventilnadel abgetrennten Ventilbelastungsraum vermieden werden. Da
bei Belastung .des Ventils mit Brennstoffdruck der Druck in beiden; Räumen nicht
sehr beträchtlich voneinander abweicht und beide Räume mit der gleichen Flüssigkeit
gefüllt
sind, so macht die Abdichtung längs der meist kolbenartig
ausgebildeten Ventilnadel keine Schwierigkeiten.
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Für die Erzeugung des Brennstoffdruckes gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Es ist bekannt, in dein Belastungsraum Brennstoff unter Druck einzusperren und diesen
Druck durch einstellbare Verdrängerkörper auf der gewünschten flöhe zu halten.
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Es ist weiterhin bekannt, den Brennstoffdruck bei jedem Einspritzvorgang
durch die Bewegung des Pumpenkolbens zu erzeugcn, indem vom Pumpenkolben hydraulisch
ein Hilfskolben in einen geschlossenen, mit Brennstoff gefüllten Raum hineingedrückt
wird. Die Einspritzung erfolgt hierbei in -der oberen Totlage des Pumpenkolbens
durch die Expansion des zuvor komprimierten Brennstoffes in dein genannten geschlossenen
Raum, wodurch der zwischen Pumpen- und Hilfskolben eingeschlossene Brennstoff durch
die inzwischen geöffnete Einspritzleitung durch die Düse in den Zylinder gespritzt
wird.
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Es sind fernerhin mehrere Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei
denen neben der Belastung des Ventils durch Brennstoff eine Feder verwendet wird.
Der bei diesen Vorrichtungen anfänglich erzeugte Brennstoffdruck im Belastungsraum
dient lediglich zur Sperrung des Ventils. Die Einspritzung selbst erfolgt nach Entlastung
.des Ventils vom Brennstoffdruck durch den Druck der Feder oder auch aus einem besonderen
Druckspeicher heraus. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf ein Verfahren zur
luftlosen Einspritzung, bei dem der Brennstoff durch eine ventilgesteuerte Düse
gespritzt wird und das Ventil dicht vor der Düse angeordnet und mit Brennstoffdruck
belastet ist, der bei jedem Einspritzvorgang neu erzeugt wird.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß zunächst das
Ventil durch die anfängliche Bewegung des Kolbens der Brennstoffpumpe sowohl im
öffnenden als auch im schließenden Sinne belastet, daß nach Erreichen eines bestimmten
Brennstoffdruckes im Belastungsraum dieser vom Pumpenraum abgeschlossen, daß durch
die nachfolgende Bewegung des Pumpenkolbens eine weitere Drucksteigerung im Entlastungsraum
und damit das Öffnen des Ventils und Einspritzen des Brennstoffes bewirkt und daß
das Ende der Brennstofförderung in die Einspritzleitung unter Aufrechterhaltung
des Brennstoffdruckes im Belastungsraum vor Hubende des Pumpenkolbens herbeigeführt
wird.
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Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung wird erreicht, daß der Einspritzdruck
finit wachsender Drehzahl zunimmt und auch während ein und desselben Einspritzvorganges
bis zur Beendigung der Brennstofförderung zur Einspritzung zunimmt oder jedenfalls
am Ende der Brennstofförderung nicht merklich abninnnt. Ein solches Einspritzverfahren
hat gegenüber den bekannten den Vorteil, daß der Einspritzdruck bei niedrigen Drehzahlen
der Maschine niedrig ist, leas Voraussetzung für einen ruhigen Gang des Motors bei
geringen Drehzahlen ist. Andererseits ist bei holten Drehzahlen der Einspritzdruck
hoch. Dies ist wiederum Voraussetzung dafür, um innerhalb der bei hohen Drehzahlen
sehr kurzen Geit die für den Verbrennungsvorgang erforderliche Brennstoffinenge
einspritzen zu können. Die Aufrechterhaltung des Einspritzdruckes bis zum Ende der
Brennstofförderung während ein und desselben Hubes bewirkt, daß auch die zuin Schluß
eingespritzte Brennstoffmenge noch genügend zerstäubt und verbrannt wird. Das Verfahren
gemäß der Erfindung vermeidet somit den allen zuvor angeführten bekannten Verfahren
mit ventilgesteuerter Einspritzdüse und Brennstoffdruckbelastung des Ventils gemeinsamen
Nachteil, daß der Einspritzdruck mit wachsender Drehzahl nicht ebenfalls ansteigt
und der Einspritzdruck am Ende eines Einspritzvorganges erheblich absinkt. Das Verfahren
gemäß der Erfindung hat fernerhin den Vorteil, daß auch der Druck im Belastungsraum
des Ventils in Anpassung an die Drehzahl geändert werden kann. Das Verfahren kann
ferner so gestaltet werden, daß die bei druckbelasteten Einspritzventilen unvermeidliche
Nacheinspritzung durch Expansion des Inhalts der Einspritzzuleitung auf ein geringstmögliches
Maß herabgesetzt wird. 1?rfindungsgemäfß kann nämlich durch einen Druckausgleich
zwischen dem Be- und dem Entlastungsraum des Ventils außer der plötzlichen Beendigung
der Brennstofförderung in die Einspritzleitung ein schnelles Schließen des Ventils
mit Hilfe einer verhältnismäßig schwachen, im Belastungsraum angebrachten Feder
bewirkt werden. Dies gibt die Möglichkeit, die bei Verwendung von starken Federn
bzw. hohen Belastungen des Ventils verhältnismäßig große -Nachexpansion zu vermeiden.
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Das Verfahren ist im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben,
deren drei Figuren je eine Einspritzpumpe mit einer Einspritzdüse zeigen.
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Nach Fig. z wird der Pumpenkolben i, der im Zylinder :2 dicht eingeschlossen
ist, beim Einwärtshub vom Nocken 3 und beim Auswärtshub von der Feder d. bewegt.
Die Welle 5 des Nockens 3 wird von der Brennkraftmaschine in nicht gezeichneter
Weise angetrieben. Der Pumpenkolben i ist mit einem
Kreuz 6 versehen,
das in-, Nuten 7 des Zahnkolbens 8 eingreift, und kann deshalb mit Hilfe des letzteren
und einer Zahnstange 9 unbeschadet seiner Hubbewegung um seine Achse verdreht werden.
Ferner besitzt der Kolben i eine Kehle io, die mit der Lauffläche des Kolbens zwei
zur Steuerung dienende Kanten i i und 12 bildet und durch die Längsnut 13 mit dem
Pumpenarbeitsraum 14 in offener Verbindung steht. Eine weitere Steuerkante 15 wird
von der schräg zur Kolbenachse stehenden Stirnfläche des Kolbens i gebildet. In
die Bohrung des Zylinders 2 mündet seitlich die vom Brennstoffbehälter 16 herkommende
Saugleitung 17 in solcher Höhe, daß ihre Mündung bei der gezeichneten äußeren Hubendlage
des Kolbens i der Kehle io gegenüberstehi. Von der Zylinderbohrung geht die Belastungsleitung
18 aus, deren Mündung beim Hub des Kolbens i von den Steuerkanten i i und 15 gesteuert
wird, während die Einspritzleitung i9 am Zylinderboden an den Pumpenarbeitsraum
14. angeschlossen ist und mit ihm in offener Verbindung steht. Die beiden Leitungen
18 und i9, in die keine Absperrorgane eingebaut sind, verbinden den Pummpenzylinder
mit dem Einspritzventil 2o, das im Deckel 21 des Arbeitszylinders der Brennkraftmaschine
eingebaut ist. Die Verbindung zwischen der Einspritzleitung i9 und den in den Verbrennungsraum
mündenden Düsenbohrungen 22 wird durch die Ventilnadel 23 beherrscht; deren Schaft
25 ist im Ventilgehäuse 24 dicht eingeschliffen. Die Ventilnadel 23 wird
hydraulisch gesteuert. Sie wird jeweils durch den Druck des Brennstoffes in der
Einspritzleitung i9 geöffnet, welcher im Ringraum 26 von unten auf den Schaft 25
einwirkt, und vor der Einspritzung geschlossen gehalten durch den Brennstoffdruck
in dem an die Belastungsleitung 18 angeschlossenen Raum 27, wo außerdem die Feder
28 auf den Schaft 25 drückt. Die Feder 28 stützt sich gegen eine verstellbare Mutter
29, die in dem mit Gewinde versehenen oberen Teil des Ventilgehäuses 2q. eingeschraubt'
ist. Die Mutter 29 wird in ihrer Lage durch eine Gegenmutter 3o gesichert. Bei der
gezeichneten unteren Totpunktstellung des Kolbens i, d. h. am Ende der Saugperiode,
stehen der Belastungsraum 27 des Einspritzventils, die Einspritzleitung i9 einschließlich
des Raumes 26 und die Saugleitung 17 der Pumpe miteinander in Verbindung, so daß
in ihnen überall der Ansaugdruck herrscht. Bei Beginn des Druckhubes schließt zunächst
die Steuerkante 12 die Mündung der Saugleitung 17; dann wird der Brennstoff, der
bekanntlich bei den in derartigen Einrichtungen vorkommenden Volumenverhältnissen
und Drücken merklich zusammendrückbar ist, gleichzeitig durch die Einspritzleitung
i9 in den Ringraum 26 und durch die Belastungsleitung 18 in die Kammer 27 des Einspritzventils
gepreßt und so ein Druckanstieg in den Flüssigkeiten erzeugt, die beiderseitig auf
den Ventilschaft 25 einwirken. Dann schließt der Pumpenkolben i mit seiner Kante
i5 auch die Mündung der Leitung 18 ab, so daß im Belastungsraum -27 des Einspritzventils
die Brennstoffmenge abgeschlossen wird, deren Druck zum Geschlossenhalten der Düse
auf das Organ 23 einwirkt. Dies geschieht wegen der Schräge der Kante 15 j e nach
der Drehstellung des Kolbens i früher oder später. In der Einspritzleitung wird
der Brennstoff weiterverdichtet, bis der Druck im Ringraum 26 ausreicht, um die
Ventilnadel 23 entgegen der Belastung der Feder 28 und der Brennstoffbelastung im
Belastungsraum 27 anzuheben.
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Letztere ist im Zeitpunkt des Abschlusses der Leitung 18 größer als
der Brennstoffdruck im Raume 26, der die Nadel 23 öffnen möchte, da die Spitze und
die Ventilsitzfläche der letzteren dem Druck im Ringraum 26 nicht ausgesetzt sind,
während für die Schließbelastung der ganze Querschnitt des Schaftes 25 maßgebend
ist.
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Sobald die Ventilnadel 23 angehoben wird, beginnt die Einspritzung;
sie erfolgt ununterbrochen oder intermittierend, je nachdem die Nachförderung des
Brennstoffes durch den Pumpenkolben den Druck unter der Nadel 23 oberhalb des Schließdruckes
zu halten vermag oder nicht. Der Schluß der Einspritzung wird durch Öffnen des Kanals
18 durch den Pumpenkolben mittels der Steuerkante i i herbeigeführt, was einen sofortigen
Druckausgleich in -den beiden Räumen 26 und 27 zur Folge hat. Infolgedessen wird
das Einspritzventil von der Feder 28 geschlossen. Dadurch wird ein Nacheinspritzen
infolge Expandierens des Inhaltes der Einspritzleitung i9 und des Ringraumes 26
durch die Düsenbohrungen 22 verunmöglicht. Da die Steuerkante 15 schräg zur Kolbenachse,
die Kante i i aber senkrecht zu derselben verläuft, kann durch Drehen des Pumpenkolbens
die Dauer der Einspritzung und die Einspritzbrennstoffmenge verändert werden. Nach
Beendigung der Einspritzung setzt der Pumpenkolben seinen Verdrängerhub fort, so
daß die zu seiner Bewegungsumkehr erforderliche Verzögerung der Einwärtsbewegung
erst nach erfolgter Einspritzung einsetzen kann. Nach der Umkehr des Pumpenkolbens
wird die Leitung 18 vom Pumpenkolben nochmals für einen Teil des Hubes abgeschlossen.
Während dieses Hubteiles wird durch die von der Kolbenbewegung bewirkte Volumenvermehrung
des Pumpenarbeitsraumes 14 nur der Druck in der Ein-
Spritzleitung
19 und dem Ringraum 26 gesenkt. Dann erfolgt beim Aufsteuern der Leitung i8 durch
die Kolbenkante 15 nochmals ein Druckausgleich zwischen den Räumen 26 und 27 über
die Einspritzleitung i9 und die Belastungsleitung 18 des Einspritzventils, und der
Druck sinkt bei der weiteren Kolbenbewegung in den genannten Räumen gleichzeitig.
Kurz vor der unteren Grenzlage des Pumpenkolbens i wird die Mündung der Saugleitung
17 durch die Steuerkante 12 aufgesteuert, und der Brennstoff kann aus dem Behälter
16 in den Pumpenraum 14 nachfließen, worauf das beschriebene Arbeitsspiel von neuem
beginnt. Nach Fig.2 ist die Einspritzpumpe mit einem besonderen Saugraum 31 versehen,
der durch eine Leitung 32 mit dem Brennstoffbehälter 16 in Verbindung steht. Ein
Kanal 33 führt in solcher Höhe vom Saugraum 31 in die Zylinderbohrung, daß er beim
Beginn des Druckhubes des Pumpenkolbens i, dessen Stirnfläche senkrecht zur Kolbenachse
ist, von der Stirnkante 34. geschlossen wird. Außerdem ist die Zylinderbohrung mit
dem Saugraum 31 durch eine Drosselbohrung 35 verbunden, die in gleicher Höhe wie
die Belastungsleitung i8 einmündet. Der Pumpenkolben i ist mit einer zur Kolbenachse
senkrechten Hohlkehle 39 und einer Ausnehmung 41 versehen, die Steuerkanten 36,
37 und 38 bilden, welche beim Einwärtshub nacheinander die Mündung der Leitung 18
und der Bohrung 35 öffnen, schließen und wieder öffnen. Die Kehle 39 ist durch die
Längsnut 40 mit dem Pumpenarbeitsraum 14 in Verbindung. Ihre Kanten 36 und 37 laufen
senkrecht zur Kolbenachse. Die Kante 38 hingegen ist auf demjenigen Teil des Kolbenumfanges,
wo sie die Mündung der Leitung 18 steuern soll, schräg zur Kolbenachse. Sie trifft
die Kante 37 derart, daß auch die Ausnehmung 41 mit der Kehle 39 und durch diese
mit dem Arbeitsraum i-. der Pumpe in Verbindung steht. Der Kolben i kann mit Hilfe
einer Zahnstange 9 verdreht werden. Auch die übrigen Teile der Einrichtung entsprechen
den mit denselben Bezugsziffern bezeichneten Teilen der Einrichtung nach Fig. i.
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Bei seiner Einwärtsbewegung schließt der Pumpenkolben i zuerst den
Saugkanal 33 ab und beginnt hierauf seinen Förderweg. Auf einem ersten Teil des
letzteren erfolgt bei abgeschlossener Belastungsleitung 18 die Förderung der Voreinspritzbrennstoffmenge.
Im abgeschlossenen Belastungsraum 27 des Einspritzventils ist während der Voreinspritzung
der Druck niedriger als während der Haupteinspritzung, da während der Auswärtsbewegung
des Kolbens i vor dem Abschluß des Belastungsraumes eine Drucksenkung in demselben
bewirkt worden ist.
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Es wird nur eine kleine Brennstoffmenge gefördert, bis der Brennstoff
in der Leitung auf den Öffnungsdruck des Einspritzventils gebracht ist und die Voreinspritzung
stattfindet. Diese wird beendet, sobald durch das Aufsteuern der Mündung der Leitung
18 mittels der Kante 36 ein Druckausgleich in den Räumen 26 und 2-7 herbeigeführt
wird. Das die Düse steuernde Organ 23 wird dann sofort von der Feder 28 auf seinen
Sitz gedrückt. Somit ist die Genauigkeit der Abinessung der kleinen Voreinspritzbrennstoffmenge
durch den Pumpenkolben sichergestellt. Nach dem Druckausgleich bewirkt der Pumpenkolben
ein Einpressen von Brennstoff in die Räume i9, 26 und 18, 27. Der bei diesem Vorgang
im Belastungsraum 27 erzeugte Flüssigkeitsdruck ist von der Pumpenkolbengeschwindigkeit
abhängig, da während dieser Verdichtung ein Teil des vom Pumpenkolben verdrängten
Brennstoffes durch die Öffnung 35 in den unter niedrigerem Druck stehenden Saugraum
31 abfließt. Die abfließende Brennstoffmenge ist infolge der Drosselung bei geringer
Kolbengeschwindigkeit größer als bei hoher Kolbengeschwindigkeit, so daß bei rascher
Kolbenbewegung ein höherer Enddruck im Raum 27 erreicht wird als bei langsamer.
Dieser Verdichtungsvorgang wird dadurch beendet, daß die Kante 37 die Mündung der
Leitung 18 abschließt, worauf auf einem dritten Teil des Förderweges die Haupteinspritzung
durch die Leitung iA erfolgt. Zur Beendigung der Einspritzung öffnet die Steuerkante
38 die Verbindung zwischen der Leitung i8 und dem Pumpenarbeitsraum 14 wieder, so
daß die Flüssigkeitsdrücke beiderseits des Nadelschaftes 25 sich ausgleichen und
das Einspritzventil von der Feder 28 wieder geschlossen wird. Da die Kante 37 senkrecht,
die Kante 38 aber schräg zur Kolbenachse verläuft, ist der Teil des Kolbenhubes,
während dessen die Einspritzung erfolgt und der die während der Haupteinspritzung
geförderte Brennstoffmenge bestimmt, abhängig von der Stellung der Regulierstange
9. Der Beginn der Einspritzung ist konstant, ihr Ende richtet sich dagegen nach
der Drehstellung des Kolbens i. Der Kolben bewegt sich nun noch etwas weiter einwärts,
kehrt dann seine Bewegung um und senkt dabei den Druck in den beiden Räumen 26 und
27 und nach erneutem Abschluß der Leitung 18 nur noch den Druck in der Einspritzleitung
i9 und im Raum 26. Wenn die Steuerkante 37 die Mündung der Leitung 18 freilegt,
erfolgt der Druckausgleich zwischen den beiden Leitungen i8 und i9 und den an diese
angeschlossenen Räumen. Bis zum Abschluß
der Leitung 18 durch die
Kante 36 erfolgt eine weitere Drucksenkung in den Flüssigkeitsräumen 18, 27 und
I g, 26. Der dann in den Räumen 18, 27 zurückbleibende Brennstoffdruck ist maßgebend
für die Belastung der Ventilnadel 2,3 während der Voreinspritzung. Schließlich
öffnet der Pumpenkolben mit seiner Steuerkante 34 die Saugöffnung 33 wieder und
gestattet -das Nachströmen von Brennstoff in den Pumpenarbeitsraum 14, die Leitung
ig und den Ringraum 26.
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Die Einrichtung könnte auch so ausgebildet sein, daß ein Pumpenkolben
gleichzeitig mehrere Einspritzdüsen mit j e einem die Düse steuernden Organ bedient.
Zweckmäßig würde dann zwischen allen Belastungsräumen 27, in denen Flüssigkeit auf
die Steuerorgane zum Geschlossenhalten der Düsen vor der Ein" spritzung einwirkt,
Druckausgleich bestehen. Insbesondere könnten zwei Einspritzdüsen vorgesehen sein,
von denen die eine für die Voreinspritzung etwa in eine Vorkammer des Verbrennungsraumes
benutzt würde, während die andere, für die Haupteinspritzung dienende, direkt in
den Hauptverbrennungsraum einspritzen würde. In diesem Falle würde die Voreinspritzdüse
mit einer Leitung 42, in Fig. 2 strichpunktiert gezeichnet, an die Bohrung des Pumpenzylinders
angeschlossen, die von der Kante 34 des Pumpenkolbens gesteuert würde und bei der
Haupteinspritzung vom Arbeitsraum 14 der Pumpe abgesperrt wäre.
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In der Pumpe nach Fig. 3 ist der Kolben i mit einer Ringnut 62 versehen,
durch welche bei der gezeichneten unteren T6tpunktlage dieses Kolbens die Leitung
18 über die Längsnut 4o und den Arbeitsraum 14 vorübergehend mit dem Saugraum 31
in Verbindung kommt und der Raum 27 bis auf den Saugdruck entlastet wird. Der Raum
27 wird dann erst nach der Voreinspritzung unter Druck gesetzt.