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Kraftstoff-Einspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen Das wirtschaftliche
Dieselprinzip ist prädestiniert, sich über seine heutigen Anwendungsgebiete hinaus
auszubreiten. Für viele Motorenarten, besonders der kleineren einfachen oder auch
der hochtourigen leichten, bedeutet der Aufwand einer herkömmlichen Einspritzgarnitur
mit Kraftstofförderpumpe, nockenbetätigter Einspritzpumpe, Düsenhalter mit Düse,
nebst Regler und den sonst noch notwendigen mechanischen Antrieben, einen unzulässig
hohen Aufwand, teils preislich, teils gewichts- und raummäßig, und steht der Einführung
des Dieselprinzips, neben den Schwierigkeiten des Verbrennungsverfahrens, hinderlich
im Wege.
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Das nachstehend beschriebene Einspritzgerät des Erfindungsgegenstandes
vereinigt in sich für jeden Motorzylinder gesondert, ohne mechanische Antriebe (Räder,
Nocken, Stößel usw.), alle Einrichtungen und Funktionen, die mit der Heranholung,
Druckvorlage, Dosierung und Einspritzung des Kraftstoffes, und eventuell der Drehzahlregelung
zusammenhängen, und zur Betreibung einer Brennkraftmaschine nach dem Dieselprinzip
erforderlich sind, und zwar eines solchen Einspritz- und Verbrennungsverfahrens,
welches auf besonders kurzen Einspritzzeiten beruht und sich dadurch für die Hochtourigkeit
auszeichnet; dabei gehen die Antriebsimpulse für alle Bewegungsvorgänge vom angezapften
Kompressionsdruck des Motorzylinders aus.
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mit vom
Kompressionsdruck im Arbeitszylinder angetriebener Einspritzpumpe, bei welcher der
vom Kompressionsdruck beaufschlagte Antriebskolben zugleich als Kolben einer Kraftstoff-Zubringerpumpe
dient.
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Eine solche bekannte Pumpe erscheint deshalb unbrauchbar, weil keine
Mittel zur Aufnahme des vom Zubringerkolben geförderten Kraftstoffüberschusses vorgesehen
sind.
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Die Erfindung greift den Gedanken der Kombination von Zubringerpumpe
und Einspritzpumpe auf; die Erfindung besteht darin, daß als Zubringerpumpenkolben
die rückwärtige Stirnfläche des Antriebskolbens wirkt, die in an sich bekannter
Weise als Differentialfläche mit dem an den Antriebskolben anschließenden Einspritzpumpenkolben
gebildet wird, und daß in der Zuleitung zwischen Zubringer- und Einspritzpumpe in
an sich bekannter Weise außer einem Rückschlagventil ein zugleich als Überdruckventil
wirkender Druckspeicherkolben vorgesehen ist.
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Das zuletzt genannte Merkmal ist notwendig, um den Kraftstoffüberschuß
der Zubringerpumpe aufzunehmen bzw. abzuleiten. Dieses Merkmal ist an sich durch
eine Verteilereinspritzpumpe mit hin- und hergehendem und zugleich rotierendem Pumpenkolben
bekanntgeworden, welcher durch einen Stirnnocken bewegt wird. Das in den den Stirnnockenantrieb
aufnehmenden Raum des Pumpengehäuses eintauchende untere Ende des Pumpenkolbens
wirkt hier mit dem genannten Raum zusammen als Zubringerpumpe. Die Anwendung dieses
zweiten kennzeichnenden Merkmals auf eine Einspritzvorrichtung der vorliegenden
Gattung ermöglicht erst eine technisch einwandfreie Funktion des Zubringersystems.
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Das Wesen der Erfindung geht jedoch darüber hinaus, indem gemäß dem
zuerst genannten wesentlichen Merkmal die rückwärtige, bei kompressions-. druckbetätigten
Einspritzvorrichtungen in bekannter Weise als Differentialfläche ausgebildete Stirnfläche
des Antriebskolbens als Zubringerkolben benutzt wird. Die Erfindung besteht also
in einer Vereinigung aller Merkmale des Hauptanspruches, und sie gilt erst dann
als erfüllt, wenn alle Merkmale desselben vollzählig vorhanden sind.
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Zu erwähnen ist noch, daß es bereits bekannt ist, die der rückwärtigen
Stirnfläche des Antriebskolbens zugeordnete Kammer mit Brennstoff zu beaufschlagen,
welcher die Aufgabe hat, den Durchtritt von Gasen entlang der Kolbenführung, zu
verhindern. Eine wesentliche Kühlwirkung hat diese bekannte Vorrichtung nicht, weil
hier die rückwärtige Kolbenfläche den in der Kammer befindlichen Brennstoff nicht
verdrängt und somit ein Brennstoff durchfluß zur Wärmeabfuhr nicht gegeben ist.
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Es ist auch bekannt, die Kammer hinter der rückwärtigen Stirnfläche
des Antriebskolbens als Saugraum für die Einspritzpumpe zu verwenden und den Antriebskolben
durch den im Überschuß zugeführten Brennstoff zu kühlen. Hier wird der Durchfluß
jedoch
durch eine besondere Zubringerpumpe erzeugt. Gerade dies
will aber die Erfindung wegen des hohen Aufwandes vermeiden.
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Der geringe Aufwand des Erfindungsgegenstandes an Material, Raum,
Gewicht und Kosten sowie die Geräuschlosigkeit des Einspritzvorganges bilden einen
großen Fortschritt auf dem Gebiet der Dieselmotoren, und die angedeutete Anwendung
dieses Einspritzgeräts ermöglicht, das Dieselprinzip auf die eingangs aneführten
Motorengattungen auszubreiten. Dabei ist, die Anwendung des Erfindungsgegenstandes
nicht etwa auf kleine Zylindereinheiten oder auf Einzylindermotoren beschränkt;
auch ist die Funktion in gleicher eise bei Zwei- und Viertaktmotoren gewährleistet.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Einspritzgeräts mit einer der eigentlichen Einspritzpumpe
vorgeschaltetett überbemessenen Zubringerpumpe sind besonders einleuchtend bei kleineren
und einfacheren Motoren, bei denen die Einsparung einer separaten Förderpumpe samt
Antrieb stark ins Gewicht fällt; außerdem wird im Betriebszustand das Gerät durch
die durchfließende Ü'berschußmenge durchspült und gekühlt, während gleichzeitig
durch die Anordnung eines als Druckspeicher wirkenden Über strömventils, infolge
des erhöhten Druckniveaus. eine Dampfbildung (Bläschen) auf der Saugseite der Einspritzpumpe
verhindert und eine gleichmäßige Füllung erzielt wird.
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Durch die Erfindung werden, trotz minimaler Arbeitsimpulse, hohe Beschleunigungen
und kurze Einspritzzeiten erzielt, woraus sich neben geringen #''erlusten, kleine
Abmessungen für den Antriebskolben ergeben, dessen Iiiihlung und Abdichtung sehr
leicht durch kleinste Spiele zu beherrschen sind. Zur Abführung der gas- und kraftstoffseitigen
Lecklage dienen lediglich getrennte Entlüftungsnuten im Antriebskolben.
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Eine weitere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes besteht darin,
daß der Einspritzpumpenkolben mit einem zusätzlichen im Durchmesser abgesetzten
Kolbenteil, auf an sich bekannte Weise eine Differenzkolbenfläche bildet, die als
Einspritzpumpe dient. Mit dieser Bauart verbindet sich der Vorteil, daß für kleine
Fördermengen, gemäß der bevorzugten Anwendt?n` des Erfindungsgegenstandes für kleine
Zylindereinheiten, die Dimensionen der Pumpenkolben sich in noch wirtschaftlich
herstellbaren Größen bewegen. Ferner ist kennzeichnend. dag das ganze Pumpensvsteni
einschließlich Antriebskolben unter der Wirkung einer gemeinsamen Feder steht, welche
den Antriebskolben ventilartig gegen die Einmündung der Bohrttng drückt, welche
die Verbindung zum Kompressionsraum des Motors bildet.
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Die Auslösung des Einspritzvorganges erfolgt vorzugweise dadurch,
daß über einen kleinen Hilfsschieber, dessen sondenartige Verlängerung zu einem
cora»sbestimmten Zeitpunkt (in 'KW) vom Motorkolben angehoben wird, ein Kompressionsdruckstoß
in Elen :flachen Ringraum zwischen der im Durchmesser abgesetzten Ventilsitzfläche
des Antriebskolbens und dessen Außendurchmesser gelangt, und durch überwinden der
Federrestkraft, die den Antriebskolben entgegen dem Kompressionsdruck auf seinen
Sitz drückt, das Abheben von diesem Sitz veranlaßt.
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Fig. 1 zeigt, insbesondere im Schnitt A-B, das Beispiel eines Einspritzgeräts
entsprechend den angeführten Kennzeichen, in Verbindung mit einem Brennraum eines
schlitzgesteuerten kleinvolumigen Zweitaktmotors; Fig.2 zeigt in vergrößertem Maßstab
die nippelartige Bauart einer an sich bekannten Spritzdüse, wie sie in Verbindung
mit dem Erfindungsgegenstand bevorzugt zur Anwendung kommt.
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Im Gehäuse 1 liegen hintereinander zum Teil walzenartige Pumpenkörper
2, 3, 4 für den Antriebskolben 5 und die Pumpenkolben 6 und 7. Diese Kolben sind
nacheinander im Durchmesser so abgesetzt, daß hinter dem Antriebskolben 5 zwei Differenzkolbenpumpen
6',7' entstehen, deren erstere größere, 6', die Ansaugung des Kraftstoffs und die
Druckvorlage für die folgende kleinere Druck- bzw. Einspritzpumpe 7' besorgt.
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Der Übertritt der Kraftstoffbohrungen, sowohl vom Gehäuse auf die
Pumpenkörper als auch zwischen diesen, erfolgt ausschließlich über stirnseitige
Dichtflächen, entsprechend den Schnitten E-F, G-H und I-K, die unter der Pressung
einer Verschraubung 12 stehen. Die Rückschlagventile 6" (7" nur bei offener Spritzdüse)
für die beiden Pumpensysteme und der Druckspeicher 6" für die Kraftstoffvorlage
der Einspritzpumpe 7', ferner die notwendigen Längsbohrungen für den Saug-, Druck-
und Überschußkraftstoff sowie die Führungsbohrung für einen zur mittelbaren Auslösung
der Einspritzung vorgesehenen Hilfsschieber 8 liegen innerhalb dieser Pumpenkörper
2, 3, 4, was zum Teil ebenfalls in den angeführten Teilschnitten dargestellt ist.
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Der Antriebskolben 5 wird in seiner Ruhelage durch eine Federkraft
(Pumpenfeder 10) mit seinem etwas vorstehenden und im Durchmesser stark abgesetzten
Ende auf einen Ventilsitz 5' gedrückt, wobei die Ventilfläche 5" über die Bohrung
9' unmittelbar vom Kompressionsdruck des Motors beaufschlagt ist. Die Federkraft
überwiegt gegenüber dem auf die Ventilfläche 5" wirksamen Kompressionsdruck noch
sicher, und das Abheben des Antriebskolbens 5 wird durch Einleiten eines Kompressionsdruckstoßes,
in einem genau fixierten Zeitpunkt, in den flachen Ringraum 2' zwischen dem Ventilsitz
5' und der übrigen Kolbenstirnfläche bewirkt, worauf durch Freiwerden der Ventilöffnung
5" die schlagartige Arbeitsleistung erfolgt. Zu diesem Zweck ist der kleine Hilfsschieber
8 vorgesehen, dessen sondenartige Verlängerung in genau abgestimmter Länge in den
Verbrennungsraum ragt und vom Motorkolben kurz vor dem Kolbentotpunkt angehoben
wird, worauf die Steuerkante den Kompressionsdruckstoß freigibt, der in den Ringraum
2' weitergeleitet wird und das Abheben des Antriebskolbens be-,virkt. Durch Druckentlastung
des nahezu masselosen Kolbentastschiebers 8 ist die Berührungskraft am Kolben ganz
gering, und es genügt eine sehr kleine Federkraft, um diesen wieder in seine Ausgangsstellung
zurückzuführen.
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Das Einspritzgerät kann in verschiedener Lage zum Zylinder bzw. Verbrennungsraum
des Motors angeordnet sein; bei dem Beispiel der Fig. 1 ist derselbe schrägliegend
dargestellt, mit stirnseitiger, also schräg nach oben abgehender Betätigung. Diese
erfolgt hier, indem die Längsbewegung eines stirnseitig angeschlossenen Bowdenzuges,
entgegen der Rückstellkraft einer Feder, mittels kulissenartiger Führungsschlitze
in eine Drehbewegung umgesetzt und durch geeignete Koppelungen zum Pumpenkolben
6 weitergeleitet wird. Die Veränderung der Einspritzmengen erfolgt dann durch Drehen
des mittleren Pumpenkolbens 6, der mit einer entsprechenden Steuerkante versehen
ist, derzufolge der wirksame Förderhub und damit die Einspritzmenge veränderlich
sind. Der Anfangsweg (Vorhub) des Pumpenkolbens erfolgt nahezu drucklos, da der
vom Kolben verdrängte Kraftstoff in die Räume der Vorlage zurückweicht; dadurch
wird fast die ganze ausgelöste Energie zunächst nur zur Beschleunigung
der
kleinen Massen der bewegten Teile aufgewendet.
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Die Steuerkante des Pumpenkolbens 6 kann entweder auf einen konstanten
Förderbeginn oder auf ein konstantes Förderende ausgelegt sein. Bei der beschriebenen
Einspritzpumpe ist die Hubbegrenzung des Pumpenkolbens 6 hydraulisch bedingt durch
den im Pumpentotraum eingeschlossenen Kraftstoff. Beim übersteuern der Abflußbohrung
am Ende der Einspritzung bewirkt die Massenverzögerung der bewegten Teile einen
starken Druckanstieg bis zum exakten Abschluß, während bei den eingeführten Einspritzpumpen
beim Öffnen der Entlastungsbohrung ein mit der Drehzahl größer werdender \Tachfluß
die Fördercharakteristik und damit den Drehmomentverlauf (Elastizität) des Motors
sehr ungünstig beeinflußt, was durch besondere Angleichmaßnahmen korrigiert werden
muß.
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Die Spritzdüse ist zweckmäßig in der Form eines Nippels in das Gehäuse
des Einspritzgerätes 1 eingeschraubt und ragt über die Dichtfläche gegen den Motorzylinderkopf
hinaus in den Verbrennungsraum. Als eine besonders günstige Spritzdüse, die befähigt
ist, den Vorteil der hohen Pumpenkolbengeschwindigkeit voll auszunutzen. ist in
Fig. 2 die bekannte Ringspaltdüse in vergrößertem Maßstab dargestellt. In dem Düsenkörper
11' ist eine Düsennadel 11" geführt, deren Kopf von außen unter Federspannung den
Düsenkörper verschließt, um mit ihm, je nach der Spritzmenge, einen engeren oder
weiteren Ringspalt für einen Schleierstrahl zu bilden; dabei bestimmt die Federkraft
zusammen mit dem effektiven Kompressionsdruck auf den Düsennadelkopf den Abspritzdruck
des Kraftstoffes.
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Die Kurzzeitigkeit der Einspritzung (in 'KW) und die konzentrische
Ausbreitungsfähigkeit des Schleierstrahles bilden, in Verbindung mit einer entsprechend
erzeugten konzentrischen Wirbelwalze der Verbrennungsluft, welcher sich der Kraftstoff
bzw. Kraftstoffdampf in gleichsinniger Bewegungsrichtung mitteilt, die Voraussetzung
zur Anpassung des Dieselverbrennuiigsverfahrens an die Hochtourigkeit von Kleinmotoren.
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In dem Beispiel des Verbrennungsraumes des Zweitaktmotors nach Fig.
1 wird durch entsprechende Gestaltung einer konzentrischen Mulde im Zylinderkopf
mit ausgeprägter überfallkante auf bekannte Art durch die Verdrängerwirkung des
Kolbens ein ringförmiger Überfallwirbel erzeugt, dem sich der Schleierstrahl bzw.
der Kraftstoffdampf gleichsinnig mitteilt.