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Einspritzpumpe mit elektromagnetisch betätigtem Pumpenkolben Die Erfindung
betrifft eine Einspritzpumpe mit elektromagnetisch betätigtem Pumpenkolben für Brennkraftmaschinen
mit Fremdzündung.
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Die bekannten 1,Tachteile der mechanisch angetriebenen Einspritzpumpen,
wie störende Drehschwingungen und zeitlich ungenaue Einspritzung infolge der notwendigen
Elastizität der benötigten Gestänge und infolge der langen Einspritzleitungen, haben
bereits zu Versuchen Anlaß gegeben, den Kolben von Einspritzpumpen elektromagnetisch
anzutreiben. So ist eine elektromagnetisch betätigte Einspritzpumpe bekannt, bei
welcher der Pumpenkolben zweiteilig ausgebildet ist. Bei solchen Pumpen liegt nämlich
ein wesentliches Problem in der Schaffung von ausreichenden Kräften, denn dem Ferromagnetismus
sind bekanntlich durch die Sättigung verhältnismäßig enge Grenzen gesetzt. Aus diesem
Grunde wollte man bei der obenerwähnten Pumpe die Masse des Kolbens in der Weise
reduzieren, daß in einem hohlen Hauptkolben ein Hilfskolben gleitbar geführt ist,
der durch einen an dessen Kopf befestigten Anker elektromagnetisch angetrieben und
durch eine im hohlen Hauptkolben gelagerte Feder zurückgestellt wird. Das untere
Ende des Hauptkolbens bildet das Einspritzventil, das auf einem Sitz aufliegt. Der
Hohlraum des Hauptkolbens ist mit dem Ventilraum durch feine Bohrungen verbunden.
Zieht also der Elektromagnet den Anker und damit den Hilfskolben gegen die Kraft
der Feder an, so verdrängt der Hilfskolben den im Hohlraum des Hauptkolbens befindlichen
Brennstoff und drückt ihn in den Ventilraum, so daß sich das Ventil vom Sitz abhebt
und der damit verbundene Hauptkolben eine der Bewegung des Hilfskolbens entgegengesetzte
Bewegung vollführt, bis der Hilfskolben mit einem Flansch auf den Hauptkolben trifft
und diesen mitnimmt. Dadurch wird der Brennstoff verstärkt durch die Einspritzdüse
gedrückt, bis das Ventil wieder auf dem Sitz aufliegt.
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Die Regelung der Einspritzmenge vom Leerlauf bis Vollast erfolgt bei
dieser Einspritzpumpe in der Weise, daß durch einen verstellbaren Anschlag dem Hilfskolben
die Möglichkeit gegeben wird, von der Feder mehr oder weniger weit aus dem Hauptkolben
herausgedrückt zu werden. Der Kolben ist also durch Veränderung des unteren Totpunktes
hubverstellbar.
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Der Brennstoff wird dieser Pumpe durch eine unter Druck stehende Brennstoffzuleitung
zugeführt, welche durch ein ebenfalls elektromagnetisch betätigtes Ventil geöffnet
bzw. geschlossen wird.
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Der Aufbau dieser Pumpe ist sehr verwickelt; die Kolben fördern den
Brennstoff nicht selbst, er muß ihnen vielmehr durch weitere Druckmittel zugeführt
werden; ferner erscheint diese Pumpe für schnell laufende Brennkraftmaschinen ungeeignet,
weil einmal die bewegten Massen zu groß sind und außerdem ihre Bewegung bis zum
Aufprall gegenläufig erfolgt, so daß mit einer solchen Pumpe keine gleichmäßige
Einspritzung und kein exaktes Einspritzende erzielt werden kann.
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Eine weitere bekannte Einspritzpumpe mit elektromagnetisch betätigtem
Pumpenkolben ist der oben geschilderten Pumpe insofern überlegen, als sie einen
glatt zylindrischen, einteiligen Pumpenkolben aufweist, der infolge seiner geringen
Masse mit den Kräften des Elektromagnets in Einklang zu bringen ist. Jedoch arbeitet
dabei der Pumpenkolben in eine Kammer, die durch je ein Ventil mit der Brennstoffzuleitung
und der Einspritzleitung verbunden ist. Somit ist auch hier der bauliche Aufwand
sehr groß; auch sind die in der Zuleitung und Einspritzleitung angeordneten Ventile
zu träge, um eine streng abgegrenzte geregelte Einspritzung zu erhalten.
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Die Regelung der Einspritzmenge erfolgt bei dieser Pumpe wie bei der
zuerst geschilderten in der Weise, daß der obere Totpunkt des Pumpenkolbens festgehalten
und der untere Totpunkt veränderlich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspritzpumpe mit elektromagnetisch
betätigtem Pumpenkolben zu schaffen, die sich durch einen sehr einfachen und gedrängten
Aufbau auszeichnet, eine streng abgegrenzte Einspritzung erzielt und auch bei schnell
laufenden Brennkraftmaschinen Verwendung finden kann.
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Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, daß bei einer Einspritzpumpe
der eingangs genannten Gattung der Einspritzbeginn in an sich bekannter Weise durch
das Zusammenwirken der Stirnkante des Pumpenkolbens mit der Kante der Brennstoffeinlaßöffnung
zum Pumpenarbeitsraum bestimmt wird, während der Abbau des Magnetfeldes in der Weise
schlagartig herbeigeführt wird, daß die Magnetspule in bei Einspritzventilen bekannter
Weise als Primärwicklung der Zündspule ausgebildet ist.
Der Pumpenkolben
der Einspritzpumpe ersetzt das bei den oben geschilderten bekannten Pumpen notwendige
Saugventil, denn er steuert selbst die Brennstoffzuleitung.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die :Mengenregelung
durch Veränderung der Wirkzeit der Magnetspule, z. B. durch Änderung des Entladestroms
einer in den Spulenstromkreis eingeschalteten Filterkette, erfolgt. Die Einspritzmenge
ist selbstverständlich abhängig vom Weg des Pumpenkolbens. Zur -Mengenregelung wird
deshalb die Zeit verändert, innerhalb welcher die elektromagnetische Kraft auf den
Pumpenkolben einwirkt. Dabei erfolgt die Auslösung des Elektromagnets innerhalb
des Verdichtungstaktes der Brennkraftmaschine je nach Erfordernis früher oder später,
während das Ende der Einspritzung durch den Zündzeitpunkt festgehalten ist.
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Damit die Stromquelle zur Erregung des Magnets nicht unnötig beansprucht
wird, sieht die Erfindung vor. daß der Unterbrecherkontakt für Magnet- und Zündspule
durch einen an sich bekannten mehrteiligen Spreiznocken betätigt wird, der mit Hilfe
eines bekannten Fliehkraftreglers mit wachsender Drehzahl gespreizt wird. Somit
ist die Gefahr ausgeschaltet, daß bei niedriger Drehzahl der Brennkraftmaschine
die Kontaktzeit länger eingestellt werden kann, als zur Förderung des Brennstoffes
notwendig ist.
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Endlich kann nach der Erfindung der Magnetkörper zur Mengenregelung
in axialer Richtung verstellt sein.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wenn hierbei
die neue Einspritzpumpe in @'erl)indung mit einem Zweitaktmotor dargestellt ist,
so soll damit jedoch keineswegs die Erfindung auf solche Brennkraftmaschinen beschränkt
werden, vielmehr kann sie auch Anwendung finden bei Viertaktmotoren sowie für alle
periodischen Antriebe, wie z. B. bei Stampfmaschinen zum Pflastern. In Abb. 1 ist
die Ausbildung der neuen Pumpe im Schnitt dargestellt, während die Abb. 2 die Pumpe
in Verbindung mit einem Motor im Schema zur Erläuterung der Wirkungsweise zeigt.
P ist der Pumpenzylinder mit einer stufenförmigen Bohrung und einem stufenförmigen
Kolben K, wobei 1 den unteren Teil und 2 den oberen Teil der Bohrung bedeutet. Zwischen
Kolben und Bohrung entstehen somit ein Niederdruckraum 3 zur Förderung von Schmieröl
und ein Hochdruckraum 4 zur Förderung von Brennstoff.
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Der infolge der durch die Herstellungstoleranzen bedingten geringfügigen
Undichtigkeiten des Kolbens K aus dem Hochdruckraum 4 austretende Brennstoff wird
im Raum 3 vom Schmieröl aufgenommen und mit diesem zusammen in bekannter Weise in
die Ansaugleitung des Motors eingespritzt. Eine Leckbrennstoffleitung zur Rückleitung
des Leckbrennstoffes zum Bentintank entfällt somit. Vor allem dient jedoch die Ölstufe
3 als Abdichtung und verhindert das Eindringen von Brennstoff in das Magnetsystem,
durch welches der Kolben K angetrieben wird. Das 1Iagnetsystem besteht wie üblich
aus dem Feld F, dem mit dem Kolben K fest verbundenen Anker A und
der Magnetspule 21. Zur Rückstellung des Kolbens K
dient eine Feder, welche
sich gegen den Pumpenzylinder abstützt. Die Regelung der Brennstoffmenge, die bei
jedem Hub eingespritzt wird, erfolgt durch Veränderung des Kolbenhubs. Um jedoch
trotz der Hubveränderung eine konstante Ölförderung zu erzielen, sind am Zylinder
P eine Rücklaufbohrung und .am Kolben eine Ringnut angebracht. Bei einer bestimmten
Stellung des Pumpenkolbens k wird die Rücklaufbohrung durch die Ringnut mit dem
Ölzulauf kurzgeschlossen.
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Vorteilhaft sind das Gehäuse der Einspritzpumpe und die Düse in bekannter
Weise zu einer Baueinheit verbunden, um die bei den mechanisch angetriebenen Einspritzpumpen
benötigten nachteiligen langen Druckleitungen zu vermeiden. Dabei kann die Düse
durch Kühlrippen ER oder andere Kühlmittel auf zulässigen Temperaturen gehalten
werden (Abb. 2).
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Die Verstellung des Kolbenhubs zwecks Regelung der Einspritzmenge
erfolgt durch koaxiale Verschiebung des Magnetkörpers mit Hilfe einer schiefen Ebene.
Sie kann jedoch auch auf elektrischem Weg durch Regelung der Wirkzeit der Magnetspule
erfolgen, z. B. durch Absenken der Spannung des Erregerstromes oder durch Änderung
des Entladestromes einer in den Spulenstromkreis eingeschalteten Filterkette.
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Die Magnetwicklung 31 ist durch eine Sekundärwicklung S in bekannter
Weise zu einer Zündspule ergänzt. Wird nun der Strom unterbrochen, so erfolgt der
Abbau des Kraftfeldes schlagartig. Dieser rasche Abbau dient zur wirksamen Abbremsung
des Kolbens am Ende der Einspritzung.
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Die Füllmenge der Arbeitszylinder eines 2Jotors mit Frischgas bzw.
Luft ist bekanntlich drehzahlabhängig und nimmt durch die Strömungswiderstände und
andere Einflüsse mit wachsender Drehzahl zunächst allmählich, dann rasch ab. Dieser
Effekt ist bei Zweitaktmotoren besonders deutlich. Die Zeit, die der beginnenden
starken Füllungsabnahme entspricht, sei als »Gaswechselzeitkonstante« T' definiert.
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Das Magnetsystem der Einspritzpumpe hat nun in ähnlicher Weise eine
elektrische Zeitkonstante, gegeben durch die Selbstinduktion L und den Widerstand
R (der sich zusammensetzt aus dem Wicklungswiderstand der Magnetwicklung, dem Leitungswiderstand
der Zuleitung einschließlich Übergangswiderstand des Schaltkontaktes und anderen
Effekten). Durch Hinzufügen eines weiteren Widerstandes R bzw. R' (Abb. 2) kann
man daher diese Zeitkonstante beeinflussen.
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Oberhalb einer Zeitdauer, die der der elektrischen Zeitkonstante entspricht,
ist das Magnetsystem in der Lage, den Kolben vollständig durchzuziehen, die Einspritzmenge
ist also konstant. Wird die Einschaltzeit jedoch kürzer, als der elektrischen Zeitkonstanten
entspricht, nimmt die Fördermenge ab. Es ist daher leicht einzusehen, daß man durch
Einstellung der elektrischen Zeitkonstanten eine Anpassung der Fördermengenkurve
in ähnlichem Sinne vornehmen kann, wie die Fördermengenkurve der Luft in Abhängigkeit
von der Drehzahl verläuft. Es ist somit ein einfaches Mittel gegeben, die Fördermengenkurve
den gegebenen Verhältnissen anzupassen.
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Bei geringen Drehzahlen wird die Kontaktzeit länger, als zur Förderung
des Brennstoffes notwendig ist. Dementsprechend würde auch mehr Strom gebraucht
werden. Daher ist es erforderlich, bei niedrigen Drehzahlen die Steuerung des elektrischen
Kontaktes so durchzuführen, daß die Kontaktzeit unabhängig von der Drehzahl annähernd
konstant bleibt. Dies gilt für den Drehzahlbereich unterhalb T'.
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Der elektrische Kontakt wird durch einen mit der Kurbelwelle synchron
laufenden Nocken gesteuert, derart, daß der Kontakt jeweils im erforderlichen Zündmoment
unterbricht. Es sind also die gleichen Anforderungen wie bei den bisherigen Zündsystemen
zu stellen, lediglich mit dem Unterschied, daß der
elektrische Kontakt
dem höheren Strombedarf entsprechend kräftiger ausgelegt werden muß. Auch der bisher
übliche Zentrifugalregler kann verwendet werden. Um jedoch die genannte Bedingung
zu erfüllen, daß die Stromflußzeit bei niedrigen Drehzahlen drehzahlunabhängig konstant
sein soll, wird ein geteilter Nocken vorgesehen, derart, daß die einzelnen Teile
gegeneinander drehbar gelagert sind. Bei niedrigen Drehzahlen decken sie sich und
spreizen sich mit wachsender Drehzahl, so daß der Drehwinkel, bei welchem der Strom
fließt, zunimmt. Dies kann mit dem gleichen Regler geschehen, der auch das Ende
der Kontaktgabe und damit den Zündzeitpunkt einregelt.
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Es ist auch möglich, anstatt dieser Veränderung der Kontaktzeit mittels
Spreiznocken die Wirkzeit der Magnetspule auf rein elektrischem Wege zu verändern,
etwa durch Kondensatorentladung oder Verwendung von Gasentladungsröhren.
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Der in Abb. 2 angedeutete Kondensator C dient zur Erzeugung des Hochspannungsfunkens,
wie er in den üblichen Zündsystemen vorgesehen ist.
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In Abb. 2 ist die Wirkungsweise der Einspritzpumpe im Zusamenhang
mit einem Zweitaktmotor veranschaulicht. Der Brennstoff gelangt über ein Filter
Fi und die Ansaugleitung in den Pumpenzylinder P und wird von dort bei jedem Arbeitshub
des Kolbens K der Einspritzpumpe mit Hochdruck in die Düse D befördert. Das Schmieröl
fließt über ein Ölfilter Fi und eine Leitung in die Ölstufe 3. Der Leckbrennstoff
gelangt in den Ölraum und wird dort gemeinsam mit dem Nutzöl in den Ansaugkanal
L eingespritzt. Der Stromfluß durch die Magnetwicklung M wird durch den Nocken N
derart gesteuert, daß er kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes unterbrochen wird.
Infolge des hohen Einspritzdruckes sowie der weiter oben beschriebenen elektrischen
Bremsung und der dadurch bewirkten Dämpfung des Kolbens hört die Einspritzung fast
unmittelbar nach Stromunterbrechung auf, das Nachspritzen ist aus diesem Grund und
infolge der kurzen Druckleitung bis zur Düse vermieden. Alle Einflüsse, die durch
die endliche Schallgeschwindigkeit in die Hochdruckleitung sonst zu störenden Nebenerscheinungen
geführt haben, sind somit unterdrückt.
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Die Widerstände R bzw. R' dienen zur Regelung der Zeitkonstanten bei
hohen Drehzahlen bzw. im Leerlauf.
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Aus magnetischen Gründen darf der Kolben K, soweit er sich im Feld
F bzw. innerhalb des Ankers A befindet, nicht aus einem magnetisierbaren Material
bestehen. Aus diesem Grund sowie aus Korrosionsgründen ist daher die unmagnetische
austenitische Form des nichtrostenden Stahles vorteilhaft. Die Feldbleche des Magnets
müssen so ausgelegt sein, daß sie die elektrische Zeitkonstante nicht unnötig verzögern.
Hoher Widerstand, feine Larnellierung und hohe Sättigung sind daher günstig. Außerdem
ist der mit dem Pumpenkolben K eine Einheit bildende Anker A an seinem Ende ebenso
wie der mit dem Anker zusammenwirkende Magnetkörper M konisch ausgebildet; dadurch
wird ein günstiges Anzugsmoment während der Erregung des Elektromagnets erzielt.