DE4304084C2 - Einspritzpumpenelement mit schrägen Steuerkanten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einspritzpumpe für Dieselbrenn­ kraftmaschinen mit einer Pumpenkolbenbüchse, welche mindestens eine im Druckraum der Pumpenkolbenbüchse mündende Steuerbohrung aufweist und mit einem Pumpenkolben, dessen druckraumseitig gelegener Kolben­ kopf eine obere, druckraumseitig gelegene Steuerkante und eine un­ tere, schräge Steuerkante aufweist, welche durch Überstreichen der Überströmbohrung(en) Förderbeginn bzw. -ende bestimmen, wobei der Kolbenmantel des Kolbenkopfes zwischen oberer und unterer Steuerkante in einem die Steuerbohrung überstreichenden Bereich eine Einsenkung aufweist, die an ihren zu den Druckseiten des Kolbenkopfes liegenden Grenzkanten durch Beabstandung vom Hochdruckbereich abgedichtet ist und der Abstand quer von der unteren Steuerkante zur benachbarten Grenzkante kleiner als der Mündungsdurchmesser der überstrichenen Steuerbohrung ist.

Derartige Einspritzpumpen werden in Kraftstoffeinspritzpumpen verwendet, um Kraftstoff unter hohem Druck, der bis 150 MPa erreichen kann, in die Brennräume von Dieselmotoren einzuspritzen. Zur Vermin­ derung des Kraftstoffverbrauchs und zur Verbesserung der Abgaswerte werden heute zunehmend höhere Einspritzdrücke verwirklicht. Diese hohen Drücke führen häufig zu Kavitationsschäden an Pumpenkolben und Überströmbohrung. Kolbenfresser bzw. verfälschte Steuerzeiten verur­ sachen dann den vorzeitigen Ausfall der Einspritzpumpe.

Ursache von Kavitationsschäden sind bei Förderende implodierende Kavitationsbläschen im kolbenseitigen Mündungsbereich der Steuerboh­ rungen, wobei die Kavitationsbläschen bei Förderbeginn, d. h. beim schlagartigen Überstreichen der Steuerbohrungen durch die obere Steu­ erkante des Pumpenkolbens entstehen.

Zur Vermeidung von Kavitationsschäden ist eine Vielzahl von Spülkon­ zepten bekannt geworden, mit welchen die Kavitationsbläschen bei Förderbeginn vom kolbenseitigen Mündungsbereich durch Spülkanäle weggefördert werden sollen. So ist es aus der EP 263 807 B1 bekannt, eine Sacklochbohrung mit einer Steuerbohrung über Leitungsver­ bindungen im Pumpenkolben bei Förderende zu verbinden, wobei die Sacklochbohrung früher geöffnet wird als die in den Saugraum mündende Steuerbohrung. Auf diese Weise tritt der in der Sacklochbohrung umge­ lenkte Kraftstoffstrahl über die Leitungsverbindung in die Steuerboh­ rung. Dieser Kraftstoffstrahl soll die Kavitationsblasen noch vor der Implosion zum Saugraum fördern. Auch dieses Konzept kann Kavitations­ schäden am Pumpenkolben nicht vermeiden da u. U. gerade der Kraft­ stoffstrahl vorzeitig die Kavitationsblasen zum Implodieren bringt und Kavitationsschäden verursacht. Zudem bedeutet die Leitungsverbin­ dung und die Sacklochbohrung eine Schwächung von Pumpenkolben bzw. Kolbenbüchse.

Hiervon ausgehend, ist es Aufgabe der Erfindung, einen gattungsgemäßen Pumpenkolben anzugeben, welcher mit einfachen Mitteln das Betriebsverhalten beeinträchtigende Kavitationsschäden am Kolben­ mantel und an den Steuerbohrungen vermeidet. Auf festigkeitsmindernde Leitungsverbindungen im Pumpenkörper und Kolbenbüchse ist zu ver­ zichten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Tiefe der Einsenkung 14 maximal 1/50 des Kolbendurchmessers beträgt.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einsenkung, die beim Überstrei­ chen der Steuerbohrungsminderung die Steuerbohrung sacklochartig abschließt, gelingt es, ohne festigkeitsmindernde Zerklüftung und Durchdringung von Pumpenkolben und Pumpenkolbenbüchse Kavitations­ schäden an kritischen Bereichen des Einspritzpumpenelementes mit geringem Aufwand zu vermeiden. Insbesondere bei Einspritzpumpen­ elementen für extrem hohe Einspritzdrücke ist es für eine ausdauernde Betriebssicherheit erforderlich, den Pumpenkolben weitgehend frei von Zerklüftungen wie z. B. Querbohrungen zu halten, um eine hohe Festig­ keit und Steifigkeit des Pumpenkolbens bei hohem Druck zu erzielen. Die Gefahr von Verformungen des Pumpenkolbens wird hierdurch weitge­ hend reduziert. Darüber hinaus kann auf zusätzliche Bohrungen oder Sacklochbohrungen in der Pumpenkolbenbüchse verzichtet werden. Eine weitere Schwächung der Büchse wird somit vermieden. Da die Kavita­ tionsbläschen bei Förderbeginn vorwiegend nur im oberen Abschnitt der Bohrungsmündung entstehen, verbleiben diese im Laufe der Pumpbewegung dort, bis bei Förderende der obere Abschnitt der Bohrungsmündung der Einsenkung gegenüberliegt. Die Kavitationsbläschen stehen nun nicht mehr in unmittelbarem Kontakt zum Kolbenmantel. Kavitationsbläschen werden im Gegensatz zu bisher vorgeschlagenen Lösungen nicht bei Förderende durch aufwendige Spülkanäle von der Mündung weggespült, sondern lösen sich dort, ohne Kavitationsschäden zu verursachen, auf, da der Mündung bei Förderende kolbenkopfseitig die erfindungsgemäße Einsenkung im Kolbenmantel gegenüber liegt.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Pumpen­ kolbenbüchse zwei diametral gegenüberliegende Steuerbohrungen auf, wobei der Kolbenmantel je Steuerbohrung mit einer separaten Einsen­ kung versehen ist. Hierdurch werden beide der den Mündungsbereichen der Steuerbohrungen gegenüberliegenden Seiten des Kolbenkopfes vor Kavitationserscheinungen geschützt. Vorteilhaft ist zudem, daß eine weitgehend symmetrische Druckverteilung auf beiden Seiten des Kolbens erzielt wird und daher einseitiger Verschleiß von Kolben und Büchse vermieden wird.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung schließen bei Vollaststel­ lung des Pumpenkolbens die die Einsenkung in Umfangsrichtung be­ grenzenden Grenzkanten die Bohrungsmündung zwischen sich ein, so daß die Bohrungsmündung auf voller Breite von der Einsenkung überstrichen wird. Da die Gefahr der Kavitationsschädigung bei Vollast, bei höch­ stem Einspritzdruck, am höchsten ist, gewährleistet diese Weiterbil­ dung auch bei diesem Lastfall einen ausreichenden Schutz.

Um das Auftreten von Kavitationsschäden effektiv unterdrücken zu kön­ nen, ist eine maximale Tiefe der Einsenkung von 1/50 des Kolbendurch­ messers ausreichend.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Einspritzpumpe im Schnitt mit Einzelheit II,

Fig. 2a die Einzelheit II des Pumpenkolbens bei Förderbeginn mit Kavitationsblasen in vergrößerter Darstellung,

Fig. 2b die Einzelheit II bei Förderende mit auflösenden Kavitations­ blasen in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3a einen Ausschnitt einer Abwicklung des Kolbenmantels im Bereich eines Steuerdreiecks mit projiziertem Mündungs­ rand kurz vor Förderbeginn bei Vollast,

Fig. 3b einen Ausschnitt einer Abwicklung des Kolbenmantels im Bereich eines Steuerdreiecks mit projiziertem Mündungs­ rand kurz nach Förderende bei Vollast,

Fig. 4a einen Ausschnitt einer Abwicklung des Kolbenmantels im Bereich eines Steuerdreiecks kurz vor Förderbeginn bei Teillast und

Fig. 4b einen Ausschnitt einer Abwicklung des Kolbenmantels im Bereich eines Steuerdreiecks kurz nach Förderende bei Teillast.

Die in Fig. 1 gezeigte Einspritzpumpe 1 umfaßt im wesentli­ chen eine Pumpenkolbenbüchse 2 mit einer Sacklochbohrung und einem Pumpenkolben 3, welcher in der Sacklochbohrung axial beweglich ge­ führt ist. Das Ende der Bohrung bildet den Druckraum 4, in welchem der Kraftstoff mittels des Pumpenkolbens 3 gefördert wird. Der Kraft­ stoff gelangt bei Förderbeginn unter hohem Druck über eine im Druck­ raum 4 stirnseitig mündende Abflußbohrung 5 und über nicht weiter dargestellte Ventile und Leitungen zur Brennkraftmaschine.

Zwei diametral gegenüberliegende Steuerbohrungen 6 münden in der Zylinderlauffläche 7 des Druckraumes 4. Über diese Steuerbohrungen wird bis Förderbeginn dem Druckraum 4 Kraftstoff zugeführt. Sie be­ stimmen zudem durch Überstreichen der Steuerkanten 8 am Kolbenkopf 9 des Pumpenkolbens 3 Förderbeginn und Förderende. Hierzu weist der Kolbenkopf 9 eine obere, druckraumseitig gelegene Steuerkante 8a und zwei kolbenschaftseitig, am Kolbenmantel 10 ausgebildete, schräge Steuerkanten 8b auf. Der Ausschnitt am Kolbenmantel 10, welcher je­ weils zwischen einer schrägen Steuerkante 8b und der oberen Steuer­ kante 8a abgegrenzt wird, bildet das Steuerdreieck 11a bzw. 11b. Förderbeginn setzt bei Aufwärtsbewegung, d. h. in Richtung des Druck­ raumes 4 des Pumpenkolbens 3 ein, sobald die obere Steuerkante 8a den oberen Mündungsrand 12 beider Steuerbohrungen 6 überstrichen hat, so daß der übrige Saugraum 4 gegenüber den Steuerbohrungen 6 abgedichtet ist. Kraftstoff wird nun unter hohem Druck zur Brennkraftmaschine gefördert. Bei Förderende wird eine oder beide Steuerbohrungen 6 von den schrägen Steuerkanten 8b aufgesteuert. D.h., die schrägen Steuerkanten 8b überstreichen die Steuerbohrungen 6 bevor der Pumpenkolben 3 den oberen Totpunkt erreicht. Über nutartige Aus­ fräsungen 13 am Mantel 10 des Kolbenkopfes 9 kann nun Kraftstoff aus dem Druckraum 4 über die Steuerbohrung 6 abfließen, der Druck im Druckraum 4 fällt ab, der Kraftstofffluß zur Brennkraftmaschine ist nun unterbrochen.

Die Fig. 2a und 2b zeigen Momentanaufnahmen des Mündungsbereiches einer Steuerbohrung 6 kurz vor Förderbeginn bzw. kurz nach Förder­ ende. Durch Verdrehen des Pumpenkolbens 3 setzt Förderende früher oder später in der Hubbewegung des Pumpenkolbens 3 entsprechend Teillast- bzw. Vollastbetrieb ein.

Zur Vermeidung von Kavitationsschäden am Kolbenkopf 9 und an den Mündungsrändern 12 ist der Kolbenkopf 9 jeweils in einem von der Steuerbohrung 6 überfahrenen Bereich des Steuerdreiecks mit einer länglichen Einsenkung 14 konstanter, geringer Tiefe versehen.

Die den Steuerkanten 8a bzw. 8b benachbarten Grenzkanten 15a der Einsenkung 14 verlaufen zumindest streckenweise parallel im Abstand a zu den Steuerkanten 8a bzw. 8b. Der Abstand a der Einsenkung 14 zu den druckbeaufschlagten Teilen des Kolbenkopfes 9 gewährleistet eine ausreichende Dichtigkeit während der Förderphase, so daß kein Kraftstoff zwischen Zylinderlauffläche 7 und Kolbenmantel 10 über die Einsenkung 14 in die Steuerbohrungen 6 vorzeitig abfließen kann. In Umfangsrichtung sind die Einsenkungen 14 jeweils derart in die Steuerdreiecke 11a und 11b plaziert, daß bei Vollast- Stellung der Einsenkung 14 gegenüber dem überstrichenen Mündungsrand 12 die gesamte Mündung der Steuerbohrungen 6 während des Förderhubes bestrichen wird und zumindest ein oberer Mündungsabschnitt M der Steuerbohrungen 6 bei Förderende der jeweiligen Einsenkung 14 gegen­ überliegt, wie in Fig. 3b im schraffierten Bereich M gezeigt. Die vollastseitige Grenzkante 15b tangiert daher den Mündungsrand 12 vollastseitig, während die teillastseitige Grenzkante 15c außerhalb des Mündungsrandes 12 liegt, so daß die vollast- und die teil­ lastseitige Grenzkante 15b bzw. 15c die Mündung der bestrichenen Steuerbohrung zumindest im Vollastfall zwischen sich einschließen. Die beiden Einsenkungen 14 bewirken nun folgendes (siehe Fig. 3a und 3b bzw. Fig. 4a und 4b): Die bei Förderbeginn im oberen Abschnitt des Mündungsbereiches der Steuerbohrungen 6 entstehenden Kavitations­ blasen K verbleiben zunächst während der Förderphase in diesem obe­ ren Abschnitt nahe des Kolbenmantels 10, bis bei Förderende den Kavi­ tationsblasen K statt des Kolbenmantels 10 ein Teil der Einsenkung 14 gegenüberliegt, so daß aufgrund des geringfügig größeren Implosions­ raumes die Kavitationswirkung erheblich reduziert wird. Kavitations­ schäden treten daher nicht auf.

Claims (4)

1. Einspritzpumpe für Brennkraftmaschinen mit einer Pumpen­ kolbenbüchse, welche mindestens eine im Druckraum der Pumpen­ kolbenbüchse mündende Steuerbohrung aufweist und mit einem Pumpenkolben, dessen druckraumseitig gelegener Kolbenkopf eine obere, druckraumseitig gelegene Steuerkante und wenigstens eine untere, schräge Steuerkante aufweist, welche durch Überstreichen der Steuerbohrung(en) Förderbeginn bzw. -ende bestimmen, wobei der Kolbenmantel des Kolbenkopfes zwischen oberer und unterer Steuerkante (8a bzw. 8b) in einem die Steuerbohrung (6) über­ streichenden Bereich eine Einsenkung (14) aufweist, die an ihren zu den Druckseiten des Kolbenkopfes (9) liegenden Grenz­ kanten (15a, b, c) durch Beabstandung vom Hochdruckbereich abge­ dichtet ist und der Abstand a quer von der unteren Steuerkante (8b) zur benachbarten Grenzkante (15a) kleiner als der Mündungs­ durchmesser der überstrichenen Steuerbohrung (6) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Einsenkung (14) maximal 1/50 des Kolbendurchmessers beträgt.

2. Einspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenkolbenbüchse (2) zwei diametral gegenüberliegende Steuerbohrungen (6) aufweist und der Kolbenmantel (10) je Steuer­ bohrung (6) mit einer separaten Einsenkung (14) versehen ist.

3. Einspritzpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Einsenkung (14) in Umfangsrichtung be­ grenzenden Grenzkanten (15b, c) bei Vollaststellung des Pumpen­ kolbens (3) die Bohrungsmündung zwischen sich einschließen, so daß die Bohrungsmündung zumindest bei Vollaststellung des Pumpenkolbens (3) auf voller Breite von der Einsenkung (14) überstrichen wird.

4. Einspritzpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsenkung (14) über ihre Grundfläche gleichmäßig tief ist.