DE4211651A1 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbe­ sondere Pumpedüse für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Pa­ tentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen aus einer früheren Patentan­ meldung mit dem Aktenzeichen P 3 94 34 192 bekannten Kraftstoffein­ spritzeinrichtung dieser Art, wird ein in einer Zylinderbohrung ei­ nes Pumpengehäuses axial geführter Pumpenkolben von einem Nockenan­ trieb hin- und hergehend angetrieben. Der Pumpenkolben begrenzt mit seiner dem Nockenantrieb abgewandten Stirnseite einen Pumpenarbeits­ raum in der Zylinderbohrung, in den eine Kraftstoffzuführleitung mündet und der über einen Druckkanal mit einem in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventil verbun­ den ist. Dabei wird sowohl der Beginn der Hochdruckförderung des im Pumpenarbeitsraum befindlichen Kraftstoffes und somit der Einspritz­ beginn als auch die einzuspritzende Kraftstoffmenge über den Ab­ steuervorgang durch ein in der Kraftstoffzuführleitung angeordnetes beidseitig öffnendes Magnetventil, das in Abhängigkeit von Betriebs­ parametern der zu versorgenden Brennkraftmaschine gesteuert wird, geregelt.

Da die bekannte Pumpendüse über den Nockenantrieb mechanisch in Ab­ hängigkeit von der Drehzahl der zu versorgenden Brennkraftmaschine angetrieben wird, hat sie den Nachteil eines sehr steilen Druckan­ stiegs des Einspritzdruckes im Pumpenarbeitsraum mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine. Dies hat zur Folge, daß bei einer Auslegung der Pumpendüse mit einem zulässigen Höchstdruck im Nennlei­ stungspunkt der Brennkraftmaschine, also bei hohen Drehzahlen der Einspritzdruck im unteren Drehzahlbereich nicht ausreichend hoch ist. Für eine optimale Verbrennung und dem damit verbundenen gerin­ gen Schadstoffausstoß sind jedoch bereits im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine hohe Einspritzdrücke nötig, die mit der be­ kannten Pumpendüse nicht erreicht werden können.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpendüse für Brennkraftmaschinen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, hat demgegenüber den Vorteil, daß durch eine Entnahme von Kraftstoff im hohen Drehzahlbereich der Druck dort be­ grenzt werden kann und die Pumpendüse über ihre Förderrate so ausge­ legt werden kann, daß bereits im unteren Drehzahlbereich hohe Ein­ spritzdrücke erreicht werden. Es ist somit möglich bereits bei nied­ rigen Drehzahlen und niedriger Last hohe Einspritzdrücke zu errei­ chen, ohne die maximal zulässigen Druckwerte im Hochdruckteil der Pumpendüse, insbesondere im Pumpenarbeitsraum im Nennleistungsbereich der Brennkraftmaschine zu überschreiten. Dazu wird gemäß Anspruch 1 in vorteilhafter Weise über eine Entnahmeeinrichtung, die mit der Hochdruckseite verbunden ist, in den Regelkreislauf zwischen Pumpen­ arbeitsraum und Magnetventil eingegriffen. Diese Entnahmeeinrichtung kann gemäß Anspruch 2 aus einem als Druckbegrenzungsventil ausge­ führten Rückschlagventil gebildet sein, wobei über dessen Federvor­ spannung der Ventilfeder der jeweilige Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils an die Betriebsverhältnisse der zu versor­ genden Brennkraftmaschine angepaßt werden kann. Gemäß Anspruch 3 ist die Entnahmeeinrichtung in vorteilhafter Weise als Magnetventil aus­ gebildet, das in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschi­ ne aufsteuerbar ist. Um einen zusätzlichen Energieverlust durch das Rückströmen des abgesteuerten Kraftstoffes in den Kraftstoffkreis­ lauf der Brennkraftmaschine zu vermeiden, ist die Entnahmeeinrich­ tung gemäß Anspruch 4 in vorteilhafter Weise als Federspeicher aus­ geführt, der aus einem in einem Zylinder geführten von einer Rück­ stellfeder beaufschlagten Kolben gebildet wird, der durch den ab­ strömenden Kraftstoff ein Entlastungsvolumen freigibt, das beim Füllvorgang des Pumpenarbeitsraumes während des Saughubes des Pumpenkolbens wieder in den Pumpenarbeitsraum entleert wird. Das die während des Entnahmevorganges abströmende Kraftstoffmenge aufnehmen­ de Volumen kann gemäß Anspruch 5 in vorteilhafter Weise auch aus ei­ nem durch einen Behälter gebildeten Raum bereitgestellt werden, des­ sen Abmaße durch die Druck- und Mengenverhältnisse des abströmenden Kraftstoffes bestimmt werden. Der Behälter ist dabei über zwei parallel zueinander verlaufende Druckleitungen mit der Kraftstoff­ versorgungsleitung verbunden, wobei in der einen Druckleitung ein in Richtung Behälter öffnendes Rückschlagventil und in der zu dieser parallel verlaufenden zweiten Druckleitung ein in entgegengesetzter Richtung öffnendes Rückschlagventil angeordnet sind. Der Öffnungs­ druck dieser Rückschlagventile bestimmt das Druckniveau, auf dem die Druckbegrenzung arbeiten soll. Zur Beherrschung der raschen Strö­ mungsvorgänge sind den Rückschlagventilen jeweils Drosseln vorge­ schaltet. Durch die in Anspruch 5 beschriebene Anordnung der Abströmeinrichtung ist es somit möglich, das Ausgangsdruckniveau im Entlastungsraum zu regeln und den abgesteuerten Kraftstoff ohne eine zusätzliche Förderpumpenarbeit erneut dem Pumpenarbeitsraum zuzuführen.

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

Zeichnung

Vier Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer bekann­ ten Pumpedüse, mit schematischer Darstellung der daran angrenzenden funktionswichtigen Bauelemente und der Anschlußstelle der erfin­ dungsgemäßen Entnahmeeinrichtung, die Fig. 2 ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel der Entnahmeeinrichtung in Form eines Rückschlagven­ tils oder alternativ dazu eines steuerbaren Magnetventils, die Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Entnahmeeinrichtung als Federspeicher ausgeführt ist, die Fig. 4 ein drittes Ausfüh­ rungsbeispiel der Entnahmeeinrichtung, in dem diese aus einem Ent­ lastungsbehälter besteht, der über zwei parallele Druckleitungen in denen entgegengesetzt wirkende Druckventile angeordnet sind mit der Kraftstoffleitung verbunden ist und die Fig. 5 ein viertes Ausfüh­ rungsbeispiel, bei dem der Entlastungsbehälter entsprechend der Fig. 4 durch einen zusätzlichen Federspeicher ersetzt ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der in der Fig. 1 dargestellten und nur in ihren erfindungswe­ sentlichen Bereichen beschriebenen Pumpedüse ist ein Pumpenkolben 1 axial in einer Zylinderbohrung 3 eines Pumpengehäuses 5 geführt und wird von einem nicht näher dargestellten Nockenantrieb 7 entgegen einer Rückstellfeder 9 axial einwärts bewegt. Der Pumpenkolben 1 be­ grenzt mit seiner dem Nockenantrieb 7 abgewandten Stirnseite 11 ei­ nen Pumpenarbeitsraum 13 in der Zylinderbohrung 3, von dem ein Druckkanal 15 ausgeht, der den Pumpenarbeitsraum 13 mit einem Ein­ spritzventil 17 verbindet, das aus einem Ventilkörper 19 und einer axial darin bewegbaren Düsennadel 21 besteht, die von einer Ventil­ feder 23 an einem Anschlag 25 gehalten wird, über den der Druckkanal 15 gegenüber dem Brennraum der zu versorgenden Brenn­ kraftmaschine, in den das Einspritzventil 17 ragt, dichtend ver­ schlossen wird. Die Düsennadel 21 des Einspritzventils 17 weist eine Schulter 27 auf, an der der unter hohem Druck aus dem Pumpenarbeits­ raum 13 strömende Kraftstoff angreift und so die Düsennadel 21 ent­ gegen der Rückstellkraft der Ventilfeder 23 von ihrem Sitz 25 ab­ hebt, so daß der Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 13 über den Druckkanal 15 und zwei Einspritzlöcher 29 in den Brennraum gelangt.

In den Pumpenarbeitsraum 13 mündet zudem eine Kraftstoffleitung 31, die von einem Kraftstoffvorratsbehälter 33 ausgeht und in der eine Förderpumpe 35 sowie ein Magnetventil 37 angeordnet sind. Da sowohl das Füllen als auch der Förderbeginn und das Einspritzende über das Magnetventil 37 und die Kraftstoffleitung 31 gesteuert wird, ist die Kraftstoffleitung 31 beidseitig durchlässig, wobei der während des Absteuervorganges aus dem Pumpenarbeitsraum 13 abströmende Kraft­ stoff über eine Bypassleitung 39 in den Kraftstoffvorratsbehälter 33 zurückströmt. Zur Einsteuerung eines bestimmten Versorgungsdrucks der Förderpumpe 35 ist in der Bypassleitung 39 ein in Richtung Kraftstoffvorratsbehälter 33 hin öffnendes Drucksteuerventil 41 ein­ gesetzt.

Für eine Druckbegrenzung des im Pumpenarbeitsraum 13 komprimierten Kraftstoffes bei hohen Drehzahlen und damit zur Anhebung des gesam­ ten von der Kraftstoffeinspritzpumpe erbringbaren Druckniveaus be­ sonders im Niedrigdrehzahlbereich, ist eine Abzweigung 43 in der Kraftstoffleitung 31 vorgesehen, an die sich eine Entnahmeeinrich­ tung 45 anschließt. Diese Entnahmeeinrichtung 45 ist in der Fig. 1 nur symbolisch dargestellt und wird in den Fig. 2 bis 5 in mehre­ ren Ausführungsvarianten genauer dargestellt.

Bei der in der Fig. 2 gezeigten ersten Ausführungsvariante besteht die Entnahmeeinrichtung 45 aus einem in die Abzweigungsleitung 43 eingesetzten Druckbegrenzungsventil 47, das ein Ventilschließglied 49 und eine dieses auf einen Ventilsitz 53 pressende Ventilfeder 51 aufweist, über deren Vorspannung der Öffnungsdruck des Druckbegren­ zungsventils 47 einstellbar ist. Die Abzweigungsleitung 43 mündet hinter dem Druckbegrenzungsventil 47 in einen weiteren Kraftstoff­ vorratsbehälter 33. Analog dazu zeigt die Fig. 2 eine weitere Aus­ führungsmöglichkeit, bei der das Druckbegrenzungsventil 47 durch ein beidseitig öffnendes, in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, insbesondere der Drehzahl, gesteuertes Magnet­ ventil 55 gebildet wird. Dieses Magnetventil 55 öffnet bei einer be­ stimmten hohen Pumpen- bzw. Motordrehzahl, der ein bestimmter hoher Kraftstoffeinspritzdruck im Pumpenarbeitsraum 13 zuzuordnen ist und ermöglicht so das Abströmen eines Teils des unter hohem Druck ste­ henden Kraftstoffes aus dem Pumpenarbeitsraum 13 und der Kraftstoff­ leitung 31 in den Kraftstoffvorratsbehälter 33 zur Begrenzung des Druckes bei einer weiteren Drehzahlsteigerung.

In der Fig. 3 ist die Entnahmeeinrichtung 45 als Federspeicher 57 ausgebildet, der aus einem in einem Zylinder 59 geführten und von einer Rückstellfeder 61 an einem Anschlag 63 gehaltenen Kolben 65 besteht. Auch hier wird der Begrenzungsdruck, bei dem die Entnahme­ einrichtung anspricht durch die Rückstellfeder 61 bestimmt, wobei der Kolben 65 während des Abströmvorganges entgegen der Kraft der Rückstellfeder 61 nach unten bewegt wird und so ein Entspannungsvo­ lumen 67 im Zylinder 59 freigibt, das den abströmenden Kraftstoff aufnimmt. Nach Beendigung der Hochdruckeinspritzung durch das Magnetventil 37 strömt ein Teil des gespeicherten Kraftstoffvolumens über die Kraftstoffleitung 31, das Magnetventil 37 und die Bypass­ leitung 39 zurück in den Kraftstoffvorratsbehälter 33. Sinkt der Ab­ steuerdruck des abströmenden Kraftstoffes unter den Schließdruck des in der Bypassleitung 39 angeordneten Drucksteuerventils 41, wird die restliche Kraftstoffmenge aus dem Entlastungsvolumen 67 über die Kraftstoffleitung 31 erneut dem Pumpenarbeitsraum 13 zugeführt und somit die Kraftstofförderung durch die Kraftstofförderpumpe 35 un­ terstützt. Zum Abführen einer Leckölmenge ist der die Rückstellfeder 61 aufnehmende Federraum 69 über eine Leckölleitung 71 mit einem Kraftstoffvorratsbehälter 33 verbunden.

Bei der in der Fig. 4 dargestellten Entnahmeeinrichtung 45 ist ein einen Druckausgleichsraum 73 bildender Behälter über zwei parallel zueinander verlaufende Druckleitungen mit der Abzweigleitung 43 der Kraftstoffleitung 31 verbunden. Die erste Druckleitung 75 weist da­ bei ein erstes in Richtung Druckausgleichsraum 73 hin öffnendes Druckventil 77 auf, während die zweite Druckleitung 79 ein in entge­ gengesetzter Richtung, also zur Kraftstoffleitung 31 hin öffnendes zweites Druckventil 81 aufweist. Dabei bestimmen der Öffnungsdruck vom ersten Druckventil 77 und vom zweiten Druckventil 81 das Druck­ niveau, auf dem die Druckbegrenzung arbeiten soll. Zur Beherrschung der raschen Strömungsvorgänge sind den Druckventilen 77, 81 jeweils eine Drossel 83 vorgeschaltet. Während des Absteuervorganges beim Überschreiten eines bestimmten zulässigen Druckhöchstwertes im Pum­ penarbeitsraum, der über den Öffnungsdruck des ersten Druckventils 77 bestimmbar ist, füllt sich der Druckausgleichsraum 73 mit der ab­ gesteuerten Kraftstoffmenge und speichert diese. Nach Beendigung der Hochdruckeinspritzung, also nach Aufsteuern des Magnetventils 37, entspannt sich der Hochdruck in der Kraftstoffleitung 31 und der Druck sinkt unter den im Druckausgleichsraum 73. Infolgedessen steuert der im Druckausgleichsraum 73 unter hohem Druck stehende Kraftstoff das zweite Druckventil 81 auf und der Kraftstoff strömt über das Magnetventil 37 und die Bypassleitung 39 zurück in den Kraftstoffvorratsbehälter 33 bzw. wird nach Umschalten des Magnet­ ventils 37 beim anschließenden Saughub dem Pumpenarbeitsraum 13 er­ neut zugeführt.

Das in der Fig. 5 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Ent­ nahmeeinrichtung 45 unterscheidet sich zu dem in der Fig. 4 be­ schriebenen lediglich in der Ausgestaltung des Druckausgleichsraumes 73. Dieser ist hier in Form eines Federspeichers 57 ausgebildet und arbeitet auf die in der Fig. 3 beschriebene Weise. Dabei bringt die Verwendung eines Federspeichers 57 anstelle eines durch einen Behäl­ ter gebildeten Druckausgleichraumes 73 den Vorteil, daß die Entla­ stung des Druckausgleichsraumes 73 unterstützt wird und über die Vorspannung der Rückstellfeder 61 des Federspeichers 57 beeinflußbar ist.

Mit den in den Fig. 2 bis 5 beschriebenen Ausführungsformen der Entnahmeeinrichtung 45 ist es somit möglich unabhängig von der Steuerung durch das Magnetventil 37, das lediglich Förderbeginn und -ende regelt, eine Druckbegrenzung des Kraftstoffeinspritz­ druckes vorzunehmen, durch die bereits im unteren Drehzahlbereich hohe Einspritzdrücke realisierbar sind, ohne im oberen Drehzahlbe­ reich zu einer Überbelastung der Pumpenbauteile zu führen. Um dabei die Mengentoleranzen der einzuspritzenden Kraftstoffmenge sicher einhalten zu können, sind Zusatzmittel möglich, die z. B. durch einen extern geschlossenen Einspritzmengenregelkreis für jeden Zylinder gebildet sein können, wobei eine Regelung nach der Abgastemperatur oder einer Emissions-Sonde für jeden einzelnen Zylinder vorteilhaft ist.

Die oben beschriebene Kraftstoffeinspritzeinrichtung, bei der die Kraftstoffeinspritzmenge und die Einspritzdauer mit Hilfe eines Magnetventils gesteuert wird, kann aber auch bei einer Kraftstoff­ einspritzpumpe angewandt werden, bei der die Kraftstoffeinspritzung durch andere Mittel, wie Schrägkantensteuerung oder auf den Pumpen­ kolben verschiebbaren Schiebern, z. B. bei den sogenannten Hubschie­ berpumpen, gesteuert wird.

Claims (8)

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpendüse, für Brennkraftmaschinen mit einem in einer in einem Pumpengehäuse (5) angeordneten Zylinderbohrung (3) geführten Pumpenkolben (1), der durch einen Nockenantrieb (7) axial hin- und hergehend angetrieben wird und mit seiner einen, dem Nockenantrieb (7) abgewandten Stirn­ seite (11) einen Pumpenarbeitsraum (13) begrenzt, der über einen Druckkanal (15) mit einem in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventil (17) verbunden ist und der über eine mit einem Kraftstoffvorratsbehälter (33) verbundene, eine Förderpumpe (35) mit Bypassleitung (39) aufweisende Kraftstoff­ leitung (31) beim Saughub des Pumpenkolbens (1) mit Kraftstoff ver­ sorgt wird, sowie mit einem insbesondere elektrisch angesteuerten Ventil (37) in einer Entlastungsleitung (31) des Pumpenarbeitsraumes (13) zur Steuerung der Hochdruckförderphase des Pumpenkolbens (1), dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Entlastungsleitung (43) von der, durch den pumpenarbeitsraumseitig vom Ventil (37) liegenden Teil der Kraftstoffleitung (31) gebildeten Hochdruckseite, dem Druckkanal (15) oder dem Pumpenarbeitsraum (13) abzweigt, in der ei­ ne bei einem bestimmten Druck, entsprechend einem oberen Drehzahlbe­ reich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung öffnende Kraftstoffentnah­ meeinrichtung (45) angeordnet ist (Fig. 1).

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die druckabhängige Kraftstoffentnahmeeinrichtung (45) als Druckbegrenzungsventil (47) ausgebildet ist, dessen Öffnungs­ druck über die Federvorspannung seiner Ventilfeder (51) bestimmbar ist (Fig. 2).

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die druckabhängige Kraftstoffentnahmeeinrichtung (45) als Magnetventil (55) ausgebildet ist, das in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine elektrisch aufsteuerbar ist (Fig. 2).

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die druckabhängige Kraftstoffentnahmeeinrichtung (45) durch einen vorgespannten Federspeicher (57) gebildet wird, der aus einem in einem Zylinder (59) geführten Kolben (65) besteht, dessen Kolben (65) in der Niederdruckphase von einer Rückstellfeder (61) an einen Anschlag (63) bringbar ist und dessen die Rückstellfeder (61) umgebender Federraum (69) über eine Leckölleitung (71) mit dem Kraftstofftank (33) verbunden ist (Fig. 3).

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die druckabhängig öffnende Kraftstoffentnahmeeinrich­ tung (45) aus einer Ventilanordnung besteht, die in einer ersten Druckleitung (75) ein in der von der Hochdruckseite (13, 15, 31) ab­ gewandten Richtung öffnendes erstes Druckventil (77) und in einer parallel dazu verlaufenden zweiten Druckleitung (79) ein in dazu entgegengesetzter Richtung öffnendes zweites Druckventil (81) auf­ weist, denen jeweils eine Drosselstelle (83) vorgeschaltet ist, wo­ bei die Druckleitungen (75, 79) an ihrem der Hochdruckseite (13, 15, 31) abgewandten Ende in einen Druckausgleichsraum (73) münden (Fig. 4).

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Druckausgleichsraum (73) als Federspeicher (57) ausgebildet ist (Fig. 5).

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (37) als Magnetven­ til ausgeführt ist (Fig. 1).

8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinder eine druckabhängige Kraft­ stoffentnahmeeinrichtung (45) vorgesehen ist, die einzeln steuerbar ist und somit für jeden Zylinder einen extern geschlossenen Ein­ spritzmengen-Regelkreis bildet, der z. B. nach dessen Abgastemperatur oder Abgasemission regelbar sein kann.