DE4211886A1 - Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzpumpe für Brenn­ kraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer durch die DE-PS 33 14 360 bekannten Kraftstoffeinspritzpumpe dieser Art, wird ein Pumpenkolben von einem Nockenantrieb in einer Zylinderbohrung axial hin und her bewegt. Der Pumpenkolben begrenzt mit seiner dem Nockenantrieb abgewandten Stirnseite in der Zylinder­ bohrung einer Zylinderbüchse einen Pumpenarbeitsraum, der während eines Teils des Pumpenkolbenhubs über eine radiale Steueröffnung in der Zylinderbüchse mit Kraftstoff versorgbar ist. Der Pumpenkolben ist über eine Regelstange verdrehbar und weist auf seiner Mantel­ fläche eine über eine Längsnut mit dem Pumpenarbeitsraum verbundene schräge Steuerkante auf, mit der er zum Zweck der Änderung der Kraftstoffeinspritzmenge mit der radialen Steueröffnung der Zylinderbüchse zusammmenwirkt.

Dabei ist die Kontur der Steueröffnung so ausgeführt, daß während des Absteuervorgangs ein möglichst großer Öffnungsquerschnitt zeitlich schnell freigegeben wird, so daß der Pumpenarbeitsraum und ein über eine Einspritzleitung mit diesem verbundenes, in den Brenn­ raum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragendes Einspritzventil möglichst rasch druckentlastet wird, was ein schnelles Schließen des Einspritzventils zur Folge hat. Die Steueröffnung weist dazu die Form eines an seiner einen Längsseite abgeplatteten Eies auf, wobei diese abgeplattete Seite der schrägen Steuerkante des Pumpenkolbens zugewandt ist und mit dieser während des Absteuervorgangs zusammen­ wirkt. Dabei tritt bei der bekannten Kraftstoffeinspritzpumpe jedoch der Nachteil auf, daß durch die Ausführung des oberen Endes der Steueröffnung als Kreisbogen mit einem sehr großen Radius, der zum Beginn der Kraftstoffeinspritzung durch die dem Nockenantrieb ab­ gewandte Stirnseite des Pumpenkolbens verschlossen wird, ein sehr steiler Druckanstieg im Pumpenarbeitsraum erfolgt. Dies hat zur Folge, daß bereits zu Beginn der Verbrennung im Pumpenarbeitsraum eine große Kraftstoffmenge eingespritzt wird, die schlagartig ver­ brennt und so zu einer hohen Beanspruchung der Bauteile und einer starken Geräuschemission führt. Es ist somit mit der bekannten Kraftstoffeinspritzpumpe nicht möglich, sowohl Beginn als auch Ende der Hochdruckförderung im Pumpenarbeitsraum optimal an die Verhältnisse der zu versorgenden Brennkraftmaschine anzupassen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzpumpe mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Patentanspruchs 1, hat demgegenüber den Vorteil, daß über die ovale Form der Steueröffnungen sowohl ein langsamer Druckanstieg zu Beginn der Hochdruckförderung als auch ein rasches Druckentlasten des Pumpenarbeitsraums am Ende der Hochdruck­ förderung möglich ist. Die Steueröffnung ist dabei in vorteilhafter Weise gemäß Anspruch 2 so schräg angeordnet, daß ihre Längsachse in etwa parallel zur schrägen Steuerkante des Pumpenkolbens verläuft.

Auf diese Weise bleibt beim Zusteuern der Steueröffnung durch die Stirnseite des Pumpenkolbens der ursprüngliche kleine Kreisradius wirksam, der einen geringen Vorfördereffekt bewirkt.

Dieser Vorfördereffekt entsteht durch das langsame Verschließen der Verbindung zwischen Niederdruckraum und Pumpenarbeitsraum, wobei zu Beginn des Förderhubs des Pumpenkolbens ein Teil des im Pumpen­ arbeitsraum befindlichen Kraftstoffes über den noch geöffneten Quer­ schnitt der Steueröffnung zurück in den Niederdruckraum gedrückt wird. Dieser Abströmvorgang, bei dem sich der Druck im Pumpen­ arbeitsraum nicht wesentlich erhöht, hält solange an, bis der Öffnungsquerschnitt an der Steueröffnung verschlossen bzw. nahezu verschlossen ist, was den Beginn der Hochdruckförderung einleitet. Dabei kommt dem Verlauf des Zusteuerns der Steueröffnung durch die Stirnseite des Pumpenkolbens eine hohe Bedeutung zu. Wird die Steueröffnung sehr rasch verschlossen, wie es bei einem annähernd parallelen Verlauf der oberen Steuerkante der Steueröffnung zur Steuerkante des Pumpenkolbens der Fall ist, baut sich der Druck im Pumpenarbeitsraum rasch auf, der Kraftstoff erreicht schnell den Einspritzdruck und es gelangt sofort eine große Kraftstoffmenge zur Einspritzung.

Demgegenüber bewirkt ein z. B. kreisrunder Verlauf der oberen Steuer­ kante beim Überfahren durch die waagerechte Steuerkante des Pumpen­ kolbens ein langsames Verschließen des Öffnungsquerschnittes an der Steueröffnung. Dadurch wird die aus dem Pumpenarbeitsraum abströmen­ de Kraftstoffmenge allmählich reduziert und in Folge dessen erhöht sich der Druck im Pumpenarbeitsraum langsam, so daß auch der Einspritzdruck langsam erreicht wird und das Einspritzventil verzögert öffnet. Dabei gelangt zu Beginn der Hochdruckförderung über den zu Beginn nicht völlig geöffneten Einspritzventilöffnungsquerschnitt zuerst nur eine geringe Einspritzmenge zur Einspritzung in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine, der dann kurz darauf bei voll geöffnetem Einspritzventilöffnungsquerschnitt die gesamte Einspritz­ menge folgt.

Diese geringe Voreinspritzmenge zu Beginn der Hochdruckeinspritzung hat dabei den Vorteil, daß diese vollständig im Brennraum auf­ bereitet werden kann und somit zu Beginn der Verbrennung im Brenn­ raum vorerst eine kleine Kraftstoffmenge verbrennt, die im weiteren Verlauf gesteigert wird und so einen allmählichen Druckanstieg im Brennraum der Brennkraftmaschine bewirkt.

Der beschriebene Vorfördereffekt macht sich dabei aufgrund der Träg­ heit des Kraftstoffes bei niedrigen Drehzahlen besonders bemerkbar, während bei höheren Drehzahlen der relativ kleine Öffnungsquer­ schnitt beim Zusteuern kurz vor Beginn des völligen Verschließens der Steueröffnung als Drossel wirkt, so daß die Förderrate und damit die Druckanstiegsgeschwindigkeit im Hochdruckbereich in diesem Dreh­ zahlbereich mit der Zusteuergeschwindigkeit der Steueröffnung durch die Steuerkante des Pumpenkolbens zunimmt.

Während des Absteuervorgangs wird der große Radius der flachen Seite der ovalen Formsteuerbohrung wirksam, der beim Überfahren der schrägen Steuerkante des Pumpenkolbens einen großen Öffnungsquer­ schnitt zeitlich rasch freigibt. Dabei hat die ovale Form der Längs­ flanke der Steueröffnung gegenüber einer geraden Kante den Vorteil, daß Fertigungstoleranzen hinsichtlich der Parallelität der Steuer­ kante am Pumpenkolben und der mit dieser zusammenwirkenden Kante der Steueröffnung keinen nennenswerten Einfluß auf die Absteuergenauigkeit am Ende der Hochdruckförderung haben. Durch die Variation von Lage und Dimensionierung der Steueröffnungen ist es möglich, verschiedene Anforderungen an die Steueröffnungen zu realisieren. So ist es in vorteilhafter Weise gemäß Anspruch 4 möglich, durch eine Lage der Steueröffnung, bei der deren Längsachse achsparallel zur Pumpenkolbenachse verlauft, einen großen Vor- und Nachfördereffekt zu erzielen, wobei der Nachfördereffekt hier dadurch erreicht wird, das der Absteuerquerschnitt am Ende der Hoch­ druckförderung nicht schlagartig, sondern verzögert freigegeben wird, so daß das Einspritzventil nicht schlagartig druckentlastet wird, sich in Folge dessen langsam schließt und eine geringe Kraft­ stoffmenge auch noch nach dem eigentlichen Ende der Hochdruck­ förderung eingespritzt wird.

Soll bei einer Kraftstoffeinspritzpumpe die die Voreinspritzung über ein Höckerelement oder ein Splitelement regelt der Vorfördereffekt durch die Steueröffnung vermieden werden, ist es gemäß Anspruch 5 vorteilhaft, die ovale Steueröffnung so anzuordnen, daß ihre Längs­ achse rechtwinklig zur Pumpenkolbenachse verläuft. Auf diese Weise wird dort die pumpenelementseitige Voreinspritzung durch den sehr großen Radius der Steueröffnung beim Zusteuern dieser Steueröffnung unterstützt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen entnehmbar.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer bekannten Kraftstoff­ einspritzpumpe im Längsschnitt, die Fig. 2 ein erstes Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Form der Steueröffnung, wobei diese schräg liegend angeordnet ist, die Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Steueröffnung, in dem diese querliegend angeordnet ist und die Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Form der Steueröffnung, in dem diese längs zur Pumpenkolbenachse angeordnet ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der in der Fig. 1 nur in ihren erfindungswesentlichen Bereichen gezeigten Kraftstoffeinspritzpumpe wird ein Pumpenkolben 1 von einem nicht dargestellten Nockenantrieb in einer Zylinderbohrung 3 einer in ein Pumpengehäuse 5 eingesetzten Zylinderbüchse 7 axial hin- und herbewegt. Der Pumpenkolben 1 begrenzt dabei mit seiner dem Nocken­ antrieb abgewandten Stirnseite g einen Pumpenarbeitsraum 11 in der Zylinderbohrung 3, der während eines Teils des Kolbenhubs durch eine radiale Steueröffnung 13 mit einem kraftstoffgefüllten, die Zylinderbüchse 7 umgebenden Niederdruckraum 15 verbunden ist. Der Pumpenkolben 1 ist zum Zweck der Einspritzmengensteuerung über eine ebenfalls nicht dargestellte Regelstange verdrehbar und weist auf seiner Mantelfläche eine mit der Steueröffnung 1 zusammenwirkende Steuerausnehmung auf, die von einer schrägen Steuerkante 17 begrenzt wird und die über eine Längsnut 19 ständig mit dem Pumpenarbeitsraum 11 verbunden ist.

Die gezeigte Kraftstoffeinspritzpumpe arbeitet in bekannter Weise, in dem der Kraftstoff während der Saughubs des Pumpenkolbens 1 in Richtung UT über die Steueröffnung 13 aus dem Niederdruckraum 15 in den Pumpenarbeitsraum 11 strömt. Beim anschließenden Förderhub ver­ schließt der Pumpenkolben 1 mit seiner Stirnseite 9 die Steuer­ öffnung 13, wobei die Begrenzungskante zwischen der Stirnfläche 9 und der Mantelfläche des Pumpenkolbens 1 eine Steuerkante 19 bildet, deren Überfahren über die obere Kante 21 der Steueröffnung 13 die Kraftstoffhochdruckförderung einleitet. Der im Pumpenarbeitsraum 11 befindliche Kraftstoff wird im Verlauf des weiteren Kolbenhubs komprimiert, erreicht den Einspritzdruck und gelangt über eine nicht dargestellte Einspritzleitung und ein Ein­ spritzventil zur Einspritzung in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine. Mit Überfahren der schrägen Steuerkante 17 über die untere Kante 23 der Steueröffnung 13 wird die Verbindung zwischen dem unter Hochdruck stehenden Pumpenarbeitsraum 11 und dem Niederdruckraum 15 aufgesteuert, so daß sich der Hochdruck im Pumpenarbeitsraum 11 entspannt und der Kraftstoff in den Nieder­ druckraum 15 abströmt. Dabei sinkt der Druck im Einspritzsystem wieder unter den nötigen Einspritzdruck und das Einspritzventil schließt. Der Zeitpunkt dieses Aufsteuerns der Steueröffnung 13 durch die schräge Steuerkante 17 und damit die eingespritzte Kraft­ stoffmenge, sind dabei durch ein Verdrehen des Pumpenkolbens 1 steuerbar. Während des beschriebenen Förderhubs der Kraftstoffein­ spritzpumpe kommt der durch die Steueröffnung 13 gebildeten Öffnungskontur 25 in der Zylinderbohrung 3 eine wichtige Bedeutung zu, da sowohl der Einspritzbeginn als auch das Einspritzende durch das Überfahren von kolbenseitigen Steuerkanten 19, 17 über die obere beziehungsweise untere Kante 21, 23 der Steueröffnung 13 gesteuert werden.

Um verschiedene Einspritzverläufe realisieren zu können, ist die Form der Steueröffnung 13 erfindungsgemäß wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt, ausgeführt. Die Fig. 2 zeigt eine ovale Form der Steuer­ öffnung 13 wobei der große Radius r2 der flachen Längsflanken 29 etwa doppelt so groß ausgeführt ist, wie der kleine Radius r1, der nahezu kreisrunden Querflanken 31. Die Steueröffnung 13 weist dabei eine Längsachse 27 auf, die die Querflanken 31 schneidet und die in der Fig. 2 etwa parallel zur Neigung der schrägen Steuerkante 17 verläuft. Mit dieser Ausführungsform der Steueröffnung 13 ist es somit möglich, gegenüber den bekannten kreisrunden Steueröffnungen, sowohl einen durch den kreisrunden Verlauf der oberen Steuerkante 21 im Bereich der Querflanken 31 bewirkten, langsamen Druckanstieg im Pumpenarbeitsraum 11, als auch einen sehr großen zeitlichen Öffnungsquerschnitt am Ende der Kraft­ stoffeinspritzung zu realisieren, wo sich die schräge Steuerkante 17 in Überdeckung mit der unteren Steuerkante 23 mit dem großen Begrenzungsradius r2 befindet. Damit ist ein geringer Vorförder­ effekt, mit seinen positiven Auswirkungen auf den Verbrennungsprozeß mit einer raschen Druckentlastung des Hochdruckraumes am Ende der Einspritzung, ähnlich "rapid spill", die ein schnelles Schließen des Einspritzventils zur Folge hat, kombinierbar. Der Vorfördereffekt wird dabei, wie bereits beschrieben, durch das langsame Zusteuern der Steueröffnung 13 erreicht, das durch das Überfahren der waage­ rechten Steuerkante 19 des Pumpenkolbens 1 über die kreisbogen­ förmige obere Kante 21 verursacht wird, während die schnelle Druck­ entlastung durch das rasche zeitliche Aufsteuern eines großen Über­ deckungsquerschnitts zwischen der schrägen Steuerkante 17 und der nahezu parallel dazu verlaufenden unteren Steuerkante 23 der Steuer­ öffnung 13 bewirkt wird.

Die in der Fig. 3 dargestellte Kontur der Steueröffnung 13 unter­ scheidet sich zu der in der Fig. 2 beschriebenen lediglich in der Lage der Steueröffnung 13 in der Zylinderbüchse 7. Die ovale Steuer­ öffnung 13 ist hier querliegend angeordnet, das heißt ihre Längs­ achse 27 verläuft im rechten Winkel zur Pumpenkolbenachse. Dies hat den Vorteil, daß durch die nahezu waagerechte Ausbildung der oberen Kante 21 der Steueröffnung 13 ein rasches Schließen zu Beginn der Hochdruckförderung gewährleistet ist, wie es zum Beispiel bei elementseitig ausgeführten Maßnahmen zur Vorförderung und damit zur Voreinspritzung, bei der die voreingespritzte Kraftstoffmenge über Ausnehmungen am Pumpenkolben 1 und in der Zylinderbohrung 3 gesteuert wird, gefordert ist. Die Absteuerung erfolgt ähnlich der in Fig. 2 beschriebenen Weise, durch ein rasches Aufsteuern der Steueröffnung 13 durch den gegenüber einer Kreisbogen-Form der Steueröffnung 13 größeren zeitlichen Öffnungsquerschnitt infolge des großen Radius r2 der unseren Kante 23 der Steueröffnung 13. In dem in der Fig. 4 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel ist die ovale Steueröffnung 13 längs angeordnet, das heißt ihre Längsachse 27 verlauft achsparallel zur Pumpenkolbenachse. Hier wird bewußt ein großer Vor- und Nachfördereffekt erreicht, wobei über die Ausbildung der kleinen Radien r1 sowohl die Befüllung des Pumpenarbeitsraumes 11 als auch der Druckabbau beim Förderende optimal an die Erforder­ nisse der zu versorgenden Brennkraftmaschine, in diesem Fall vor allem Kammer-Motoren, angepaßt werden können.

Es ist mit den in den Fig. 2 bis 4 beschriebenen Ausführungs­ varianten von Steueröffnungen somit möglich, die verschiedensten Anforderungen an die Funktion der Steueröffnung während des Zu- und Aufsteuerns zu realisieren, wobei diese Konturen fertigungstechnisch gut beherrschbar bleiben.

Claims (5)

1. Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen mit einem von einem Nockenantrieb hin- und hergehend angetriebenen und zum Zweck der Änderung der Kraftstoffeinspritzmenge verdrehbaren Pumpenkolben (1), der in einer Zylinderbohrung (3) einer Zylinderbüchse (7) axial geführt ist und in dieser mit seiner einen Stirnseite (9) einen Pumpenarbeitsraum (11) begrenzt, der über eine radial verlaufende Steueröffnung (13) in der Wand der Zylinderbohrung (3), die mit einer schrägen Steuerkante (17) am Pumpenkolben (1) zur Beendigung der Kraftstoffeinspritzung zusammenwirkt, mit Kraftstoff versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (25) der Austrittsfläche der radialen Steueröffnung (13) in der Wand der Zylinderbüchse (7) als gleichmäßiges Oval ausgebildet ist.

2. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ovalförmige Steueröffnung (13) so schräg angeordnet ist, daß ihre Längsachse (27) parallel zur schrägen Steuerkante (17) am Pumpenkolben (1) verläuft (Fig. 2).

3. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der große Radius (r2) der flachen Längsflanken (29) der ovalen Steueröffnung (13) etwa doppelt so groß ausgeführt ist, wie der kleine Radius (r1) der runden, die Längsachse (27) schneidenden Querflanken (31) (Fig. 2 bis 4).

4. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (27) der ovalen Steueröffnung (13) achsparallel zur Pumpenkolbenachse verläuft (Fig. 4).

5. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (27) der ovalen Steueröffnung (13) rechtwinklig zur Pumpenkolbenachse verläuft (Fig. 3).