DE4211651B4 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Abstract

Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse, 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 Stirnseite (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 Kraftstoffleitung (31) beim Saughub des Pumpenkolbens (1) mit Kraftstoff versorgt 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 eine bei einem bestimmten Druck, entsprechend...

Description

• Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen aus der DE 43419 A1 bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung dieser Art, wird ein in einer Zylinderbohrung eines Pumpengehäuses axial geführter Pumpenkolben von einem Nockenantrieb hin- und hergehend angetrieben. Der Pumpenkolben begrenzt mit seiner dem Nockenantrieb abgewandten Stirnseite einen Pumpenarbeitsraum in der Zylinderbohrung, in den eine Kraftstoffzuführleitung mündet und der über einen Druckkanal mit einem in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventil verbunden ist. Dabei wird sowohl der Beginn der Hochdruckförderung des im Pumpenarbeitsraum befindlichen Kraftstoffes und somit der Einspritzbeginn als auch die einzuspritzende Kraftstoffmenge über den Absteuervorgang durch ein in der Kraftstoffzuführleitung angeordnetes beidseitig öffnendes Magnetventil, das in Abhängigkeit von Betriebsparametern der zu versorgenden Brennkraftmaschine gesteuert wird, geregelt.
• Da die bekannte Pumpedüse über den Nockenantrieb mechanisch in Abhängigkeit von der Drehzahl der zu versorgenden Brennkraftmaschine angetrieben wird, hat sie den Nachteil eines sehr steilen Druckanstiegs des Einspritzdruckes im Pumpenarbeitsraum mit zunehmender Drehzahl der Brennkraftmaschine. Dies hat zur Folge, daß bei einer Auslegung der Pumpedüse mit einem zulässigen Höchstdruck im Nennleistungspunkt der Brennkraftmaschine, also bei hohen Drehzahlen der Einspritzdruck im unteren Drehzahlbereich nicht ausreichend hoch ist. Für eine optimale Verbrennung und dem damit verbundenen geringen Schadstoffausstoß sind jedoch bereits im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine hohe Einspritzdrücke nötig, die mit der bekannten Pumpedüse nicht erreicht werden können.
• Vorteile der Erfindung
• Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse 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 begrenzt werden kann und die Pumpedüse über ihre Förderrate so ausgelegt werden kann, daß bereits im unteren Drehzahlbereich hohe Einspritzdrücke erreicht werden. Es ist somit möglich bereits bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last hohe Einspritzdrücke zu erreichen, ohne die maximal zulässigen Druckwerte im Hochdruckteil der Pumpedüse, 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 Pumpenarbeitsraum und Magnetventil eingegriffen. Diese Entnahmeeinrichtung kann gemäß Anspruch 2 aus einem als Druckbegrenzungsventil ausgeführten Rückschlagventil gebildet sein, wobei über dessen Federvorspannung der Ventilfeder der jeweilige Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils an die Betriebsverhältnisse der zu versorgenden Brennkraftmaschine angepaßt werden kann. Gemäß Anspruch 3 ist die Entnahmeeinrichtung in vorteilhafter Weise als Magnetventil ausgebildet, das in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine aufsteuerbar ist. Um einen zusätzlichen Energieverlust durch das Rückströmen des abgesteuerten Kraftstoffes in den Kraftstoffkreislauf der Brennkraftmaschine zu vermeiden, ist die Entnahmeeinrichtung gemäß Anspruch 4 in vorteilhafter Weise als Federspeicher ausgeführt, der aus einem in einem Zylinder geführten von einer Rückstellfeder beaufschlagten Kolben gebildet wird, der durch den abströmenden 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 aufnehmende Volumen kann gemäß Anspruch 5 in vorteilhafter Weise auch aus einem durch einen Behälter gebildeten Raum bereitgestellt werden, dessen Abmaße durch die Druck- und Mengenverhältnisse des abströmenden Kraftstoffes bestimmt werden. Der Behälter ist dabei über zwei parallel zueinander verlaufende Druckleitungen mit der Kraftstoffversorgungsleitung 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 Öffnungsdruck dieser Rückschlagventile bestimmt das Druckniveau, auf dem die Druckbegrenzung arbeiten soll. Zur Beherrschung der raschen Strömungsvorgänge sind den Rückschlagventilen jeweils Drosseln vorgeschaltet. 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 1 einen Längsschnitt durch einen Teil einer bekannten Pumpedüse, mit schematischer Darstellung der daran angrenzenden funktionswichtigen Bauelemente und der Anschlußstelle der erfindungsgemäßen Entnahmeeinrichtung, die 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Entnahmeeinrichtung in Form eines Rückschlagventils oder alternativ dazu eines steuerbaren Magnetventils, die 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Entnahmeeinrichtung als Federspeicher ausgeführt ist, die 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Entnahmeeinrichtung, in dem diese aus einem Entlastungsbehälter besteht, der über zwei parallele Druckleitungen in denen entgegengesetzt wirkende Druckventile angeordnet sind mit der Kraftstoffleitung verbunden ist und die 5 ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem der Entlastungsbehälter entsprechend der 4 durch einen zusätzlichen Federspeicher ersetzt ist.
• Beschreibung der Ausführungsbeispiele
• Bei der in der 1 dargestellten und nur in ihren erfindungswesentlichen 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 begrenzt mit seiner dem Nockenantrieb 7 abgewandten Stirnseite 11 einen Pumpenarbeitsraum 13 in der Zylinderbohrung 3, von dem ein Druckkanal 15 ausgeht, der den Pumpenarbeitsraum 13 mit einem Einspritzventil 17 verbindet, das aus einem Ventilkörper 19 und einer axial darin bewegbaren Düsennadel 21 besteht, die von einer Ventilfeder 23 an einem Anschlag 25 gehalten wird, über den der Druckkanal 15 gegenüber dem Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine, in den das Einspritzventil 17 ragt, dichtend verschlossen wird. Die Düsennadel 21 des Einspritzventils 17 weist eine Schulter 27 auf, an der der unter hohem Druck aus dem Pumpenarbeitsraum 13 strömende Kraftstoff angreift und so die Düsennadel 21 entgegen der Rückstellkraft der Ventilfeder 23 von ihrem Sitz 25 abhebt, 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 Kraftstoff 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 eingesetzt.
• Für eine Druckbegrenzung des im Pumpenarbeitsraum 13 komprimierten Kraftstoffes bei hohen Drehzahlen und damit zur Anhebung des gesamten von der Kraftstoffeinspritzpumpe erbringbaren Druckniveaus besonders im Niedrigdrehzahlbereich, ist eine Abzweigung 43 in der Kraftstoffleitung 31 vorgesehen, an die sich eine Entnahmeeinrichtung 45 anschließt. Diese Entnahmeeinrichtung 45 ist in der 1 nur symbolisch dargestellt und wird in den 2 bis 5 in mehreren Ausführungsvarianten genauer dargestellt.
• Bei der in der 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 Druckbegrenzungsventils 47 einstellbar ist. Die Abzweigungsleitung 43 mündet hinter dem Druckbegrenzungsventil 47 in einen weiteren Kraftstoffvorratsbehälter 33. Analog dazu zeigt die 2 eine weitere Ausführungsmöglichkeit, bei der das Druckbegrenzungsventil 47 durch ein beidseitig öffnendes, in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, insbesondere der Drehzahl, gesteuertes Magnetventil 55 gebildet wird. Dieses Magnetventil 55 öffnet bei einer bestimmten 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 stehenden Kraftstoffes aus dem Pumpenarbeitsraum 13 und der Kraftstoffleitung 31 in den Kraftstoffvorratsbehälter 33 zur Begrenzung des Druckes bei einer weiteren Drehzahlsteigerung.
• In der 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 Entnahmeeinrichtung 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 Entspannungsvolumen 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 Bypassleitung 39 zurück in den Kraftstoffvorratsbehälter 33. Sinkt der Absteuerdruck 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 unterstützt. 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 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 dabei ein erstes in Richtung Druckausgleichsraum 73 hin öffnendes Druckventil 77 auf, während die zweite Druckleitung 79 ein in entgegengesetzter 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 Druckniveau, 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 Pumpenarbeitsraum, der über den Öffnungsdruck des ersten Druckventils 77 bestimmbar ist füllt sich der Druckausgleichsraum 73 mit der abgesteuerten 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 Magnetventils 37 beim anschließenden Saughub dem Pumpenarbeitsraum 13 erneut zugeführt.
• Das in der 5 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel der Entnahmeeinrichtung 45 unterscheidet sich zu dem in der 4 beschriebenen lediglich in der Ausgestaltung des Druckausgleichsraumes 73. Dieser ist hier in Form eines Federspeichers 57 ausgebildet und arbeitet auf die in der 3 beschriebene Weise. Dabei bringt die Verwendung eines Federspeichers 57 anstelle eines durch einen Behälter gebildeten Druckausgleichraumes 73 den Vorteil, daß die Entlastung des Druckausgleichsraumes 73 unterstützt wird und über die Vorspannung der Rückstellfeder 61 des Federspeichers 57 beeinflußbar ist.
• Mit den in den 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 Kraftstoffeinspritzdruckes vorzunehmen, durch die bereits im unteren Drehzahlbereich hohe Einspritzdrücke realisierbar sind, ohne im oberen Drehzahlbereich 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 Kraftstoffeinspritzpumpe angewandt werden, bei der die Kraftstoffeinspritzung durch andere Mittel, wie Schrägkantensteuerung oder auf den Pumpenkolben verschiebbaren Schiebern, z.B. bei den sogenannten Hubschieberpumpen, gesteuert wird.

Claims (8)

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse, 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 Stirnseite (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 Kraftstoffleitung (31) beim Saughub des Pumpenkolbens (1) mit Kraftstoff versorgt 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 eine bei einem bestimmten Druck, entsprechend einem oberen Drehzahlbereich der Kraftstoffeinspritzeinrichtung öffnende Kraftstoffentnahmeeinrichtung (45) angeordnet ist (1).
2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckabhängige Kraftstoffentnahmeeinrichtung (45) als Druckbegrenzungsventil (47) ausgebildet ist, dessen Öffnungsdruck über die Federvorspannung seiner Ventilfeder (51) bestimmbar ist (2).
3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckabhängige Kraftstoffentnahmeeinrichtung (45) als Magnetventil (55) ausgebildet ist, das in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine elektrisch aufsteuerbar ist ( 2).
4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 (3).
5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die druckabhängig öffnende Kraftstoffentnahmeeinrichtung (45) aus einer Ventilanordnung besteht, die in einer ersten Druckleitung (75) ein in der von der Hochdruckseite (13, 15, 31) abgewandten Richtung öffnendes erstes Druckventil (77) und in einer parallel dazu verlaufenden zweiten Druckleitung (79) ein in dazu entgegengesetzter Richtung öffnendes zweites Druckventil (61) aufweist, denen jeweils eine Drosselstelle (83) vorgeschaltet ist, wobei die Druckleitungen (75, 79) an ihrem der Hochdruckseite (13, 15, 31) abgewandten Ende in einen Druckausgleichsraum (73) münden ( 4).
6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckausgleichsraum (73) als Federspeicher (57) ausgebildet ist (5).
7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (37) als Magnetventil ausgeführt ist (1).
8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß pro Zylinder eine druckabhängige Kraftstoffentnahmeeinrichtung (45) vorgesehen ist, die einzeln steuerbar ist und somit für jeden Zylinder einen extern geschlossenen Einspritzmengen-Regelkreis bildet, der z.B. nach dessen Abgastemperatur oder Abgasemission regelbar sein kann.