DE4310457A1 - Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzpumpe gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen durch die DE-OS 22 46 056 bekannten Kraftstoffeinspritzpumpe dieser Art, bei der ein Pumpenkolben, der mit seiner Stirnfläche einen Pumpenarbeitsraum begrenzt, in einer Zylinderbüchse axial bewegt wird, ist die durch ihr Überfahren über eine in der Zylinderwand angeordnete Steuer­ öfffnung, den Einspritzbeginn steuernde Steuerkante an der Stirnseite des Pumpenkolbens, in dem den Nennlastbereich der zu versorgenden Brennkraftmaschine steuernden Drehstellungsbereich des Pumpenkolbens zur Steueröffnung derart abgeschrägt, daß der Einspritzbeginn in diesem Bereich in Richtung späterer Beginn zurückverlegt ist. Dies ermöglicht neben der Optimierung des Einspritzbeginns für den Bereich großer Last einen hohen maximalen Verbrennungsdruck im Pumpenarbeitsraum auch in den übrigen Betriebspunkten, da diese nun unabhängig vom Nennlastbereich angepaßt werden können.

Es kann somit mit der bekannten Kraftstoffeinspritzpumpe eine Er­ höhung des maximalen Verbrennungsdruckes im gesamten Arbeitsbereich der Kraftstoffeinspritzpumpe erreicht werden, ohne dabei den maximal zulässigen Grenzwert für die mechanische Belastbarkeit der Bauteile vor allem im Nennlastbereich zu überschreiten.

Dabei müssen bei der Auslegung der bekannten Kraftstoffeinspritz­ pumpe für emissionsoptimierte Brennkraftmaschinen die Spritzbeginne jedoch so spät gelegt werden, daß im kalten Betriebszustand der Brennkraftmaschine im untersten Lastbereich, bzw. bei Nullast Weiß­ rauch auftritt, der die Schadstoffemission der zu versorgenden Brennkraftmaschine in diesem Betriebszustand erhöht.

Um die Spritzbeginne jedoch auch für einen "Kaltstart" der Brenn­ kraftmaschine für eine optimale und schadstoffarme Verbrennung weit genug in Richtung früh verschieben zu können, ist aus einer zum der­ zeitigen Zeitpunkt noch nicht veröffentlichten deutschen Patentan­ meldung mit dem Aktenzeichen P 42258030 bereits eine Kraftstoffein­ spritzpumpe bekannt, bei der die den Förderbeginn steuernde stirn­ seitige Steuerkante am Pumpenkolben in zwei durch eine Längsnut voneinander getrennte Bereiche geteilt ist, von denen ein Bereich, der im Teillastgebiet angeordnet ist, einen sehr frühen Förderbeginn ermöglicht, während der zweite Bereich eine in Richtung spät ver­ setzte Steuerkante aufweist, in der wiederum eine weitere Vertiefung angeordnet ist, die eine dritte Steuerkante bildet, mit der im Bereich großer Kraftstoffördermengen eine weitere Verschiebung des Förderbeginns nach spät möglich ist, so daß mit dieser Kraftstoff­ einspritzpumpe eine optimale Förderbeginnanpassung an die ver­ schiedenen Betriebsbereiche einschließlich eines "Kaltstarts" der Brennkraftmaschine erfolgen kann.

Dabei hat die letztgenannte Kraftstoffeinspritzpumpe jedoch den Nachteil, daß durch die als Stopnut dienende Längsnut zwischen den Steuerkantenbereichen, die den sehr frühen Förderbeginnbereich vom Gesamtregelwegbereich trennt, den für den "Normalbetrieb", also außerhalb eines Kaltstarts, verbleibenden nutzbaren Regelweg am Pumpenkolben einschränkt, so daß das Kraftstoffeinspritzsystem nicht mehr in allen Betriebsbereichen genau regelbar ist. Diese Ein­ schränkung des nutzbaren Regelweges führt dabei zu ausgeprägten "Fördermengensteilabfällen", das heißt ein sehr geringer Regelweg der Regelstange, der sich als Verdrehweg auf den Pumpenkolben fort­ setzt, hat schlagartig große Fördermengenänderungen zur Folge. Diese plötzliche Fördermengenänderung, wie sie an der bekannten Kraft­ stoffeinspritzpumpe vor allem am Übergangsbereich zwischen dem sehr frühen Förderbeginn und der Stopnut auftreten, haben dabei eine Drehzahlschwingung der zu versorgenden Brennkraftmaschine zur Folge, die zu einem Aufschaukeln des gesamten Systems und damit zu dem bekannten "Säge-Effekt" an der Brennkraftmaschine führen kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzpumpe mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch eine entsprechende Gestaltung der den Förderbeginn- und das Förderende steuernden Steuerkanten, bzw. deren Abstand zueinan­ der in Abhängigkeit von der Größe der mit diesen zusammenwirkenden Steueröffnung in der Wand der Zylinderbüchse auf eine Längsnut zwischen dem sehr frühen Förderbeginnbereich und dem übrigen Regel­ bereich verzichtet werden kann, so daß ein größerer nutzbarer Gesamtregelweg erreicht wird. Die für die Regelung nötige Null­ förderung zwischen dem frühen Förderbeginnbereich des "Kaltstarts" und dem übrigen Förderbeginnbereich bei normalem Betrieb der Brenn­ kraftmaschine wird dabei erreicht, indem die den Förderbeginn steuernde stirnseitige Steuerkante die Steueröffnung in der Zylinderwand erst dann vollständig verschließt, wenn die das Förderende steuernde Schrägnut am Pumpenkolben die Steueröffnung bereits wieder aufgesteuert hat, so daß sich kein Hochdruck im Pumpenarbeitsraum aufbauen kann. Dabei hat die erfindungsgemäße Ausführung der versetzten schrägen Steuerkante den Vorteil, daß der Übergang zwischen dem frühen Förderbeginnbereich und dem Nullförder­ mengenbereich nicht schlagartig erfolgt, so daß auch in diesem Bereich eine Regelbarkeit des Nutzhubes der Kraftstoffeinspritzpumpe verbleibt.

Der versetzte Verlauf der schrägen Steuerkante am Pumpenkolben läßt sich dabei in vorteilhafter Weise fertigungstechnisch einfach durch zwei zueinander versetzte Schrägnuten herstellen, die einander im Übergangsbereich, bzw. Absatz der schrägen Steuerkante überlappen.

Um die Regelbarkeit in den einzelnen Betriebsbereichen zusätzlich zu verbessern, sind zudem die Steigungen der beiden Steuerkanten­ bereiche, bzw. Schrägnuten unterschiedlich ausgeführt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprü­ chen entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Kraft­ stoffeinspritzpumpe, die Fig. 2 eine Abwicklung des Pumpenkolbens mit Regelweghilfslinien und einer Darstellung der Größe der Steuer­ öffnung in der Zylinderwand und die Fig. 3 ein Diagramm der Förder­ menge und des Nutzhubes über dem Regelweg der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzpumpe.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Bei der in der Fig. 1 nur in ihrem erfindungswesentlichen Bereich dargestellten Kraftstoffeinspritzpumpe wird ein Pumpenkolben 1 von einem nicht dargestellten Nockenantrieb in einer Zylinderbohrung 3 einer in ein Pumpengehäuse eingesetzten Zylinderbüchse 5 axial hin- und herbewegt. Der Pumpenkolben 1 begrenzt dabei mit seiner dem Nockenantrieb abgewandten Stirnseite 7 einen Pumpenarbeitsraum 9 in der Zylinderbohrung 3, der während eines Teils des Kolbenhubs durch eine radiale Steueröffnung 11 in der Zylinderbüchse 5 mit einem kraftstoffgefüllten, die Zylinderbüchse 5 umgebenden Niederdruckraum verbunden ist. Die radiale Steueröffnung 11 bildet dabei mit ihrer Austrittskante, in Richtung der Pumpenkolbenlängsachse gesehen, jeweils eine obere Steuerkante 10 und eine untere Steuerkante 12 die mit dem Pumpenkolben 1 zusammenwirken.

Die am Übergang zwischen der Stirnseite 7 des Pumpenkolbens 1 und dessen Mantelfläche entstandene Kante ist als Steuerkante ausge­ bildet, die in mehrere Steuerkantenbereiche geteilt ist. Dabei wird eine erste Steuerkante 14 direkt durch die Kante zwischen der Stirn­ seite 7 und der Kolbenmantelfläche gebildet. Diese erste stirn­ seitige Steuerkante 14 ist umfangsseitig auf der der Steueröffnung 11 abgewandten Seite von einer Kolbenlängsnut 16 begrenzt und weist an ihrem der Längsnut 16 abgewandten Ende einen in Kolbenlängs­ richtung zur Antriebsseite des Pumpenkolbens 1 hin vertieften Bereich auf, dessen parallel zur ersten Steuerkante 14 verlaufende Begrenzungskante zur Kolbenmantelfläche eine zweite stirnseitige Steuerkante 18 bildet, die ihrerseits einen weiteren zur Antriebs­ seite des Pumpenkolbens 1 hin vertieften Bereich aufweist, der eine dritte stirnseitige Steuerkante 20 bildet.

Dabei ist es für eine weitere Einspritzverlaufsformung auch möglich, die zweite und dritte Steuerkante 18, 20 zur Radialebene des Pumpen­ kolbens 1 in Umfangsrichtung geneigt anzuordnen.

Der Pumpenkolben 1 ist zum Zweck der Einspritzsteuerung über eine ebenfalls nicht dargestellte Regelstange verdrehbar und weist auf seiner Mantelfläche eine mit der Steueröffnung 11 zusammenwirkende Steuerausnehmung 22 auf, die aus zwei zueinander versetzten und einander überschneidenden Schrägnuten gebildet wird, von denen eine erste Schrägnut 24 von der Längsnut 16 ausgeht und umfangsseitig in Richtung Steueröffnung 11, unterhalb der stirnseitigen Steuerkanten 14, 18, 20 zur Antriebsseite des Pumpenkolbens 1 hin abfällt, wobei die erste Schrägnut 24 dabei pumpenarbeitsraumseitig von einer ersten schrägen Steuerkante 26 begrenzt wird. An ihrem der Längsnut 16 abgewandten Ende ist die erste Schrägnut 24 von einer in Kolben­ längsrichtung zum Pumpenarbeitsraum 9 hin versetzten zweiten Schräg­ nut 28 überlappt, die pumpenarbeitsraumseitig von einer zweiten schrägen Steuerkante 30 begrenzt wird. Dabei wird der Übergang zwischen der ersten schrägen Steuerkante 26 und der zweiten schrägen Steuerkante 30, deren Steigungen unterschiedlich sind, durch einen Absatz 32 in Kolbenlängsrichtung gebildet, der in Höhe des Übergangs zwischen der ersten stirnseitigen Steuerkante 14 und der zweiten stirnseitigen Steuerkante 18 angeordnet ist.

Die Dimensionierung, Lage und Abstände der Steuerkanten 14, 18, 20 und der schrägen Steuerkanten 20, 26 zueinander sind in einer Abwicklung des Pumpenkolbens 1 näher dargestellt, wobei zur Ergänzung auch die Kontur der Steueröffnung 11 in die Zeichnung aufgenommen ist. Der Abstand zwischen der ersten schrägen Steuer­ kante 26 und der stirnseitigen Steuerkante 14 ist dabei so gewählt, daß er in dem dazwischenliegenden Bereich maximaler Fördermenge größer ist als die Erstreckung, bzw. der Durchmesser der Steuer­ öffnung 11. Demgegenüber ist der Abstand zwischen der zweiten schrägen Steuerkante 30 und der zweiten stirnseitigen Steuerkante 18 im Bereich des Absatzes 32 kleiner als der Durchmesser der Steueröffnung 11, so daß die Steueröffnung 11 in dieser Verdrehlage des Pumpenkolbens 1 während dessen Förderhubs bereits von der zweiten schrägen Steuerkante 30 aufgesteuert wird, bevor die zweite stirn­ seitige Steuerkante 18 die Steueröffnung 11 vollständig verschlossen hat. Die Differenz zwischen der zweiten stirnseitigen Steuerkante 18 und der dritten Steuerkante 29 sowie die Steigungen der schrägen Steuerkanten 26, 30 können dabei an die Erfordernisse der jeweiligen zu versorgenden Brennkraftmaschine angepaßt werden.

Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzpumpe arbeitet hinsichtlich ihres Bewegungsablaufes in bekannter Weise, indem während des Saug­ hubs des Pumpenkolbens 1 in Richtung unterer Totpunkt, Kraftstoff aus dem Niederdruckraum über die von der Stirnseite 7 des Pumpen­ kolbens 1 freigegebene Steueröffnung 11 in den Pumpenarbeitsraum 9 strömt. Beim anschließenden Förderhub in Richtung oberer Totpunkt strömt zunächst ein geringer Teil des im Pumpenarbeitsraum 7 befind­ lichen Kraftstoffes wieder über die Steueröffnung 11 zurück in den Niederdruckraum, bis die stirnseitige Steuerkante 14, 18, 20 die obere Steuerkante 10 der Steueröffnung 11 überfahren hat und der Pumpenkolben 1 die Steueröffnung 11 mit seiner Mantelfläche ver­ schließt. Im weiteren Verlauf des Pumpenkolbenhubs wird der im Pumpenarbeitsraum 9 befindliche Kraftstoff komprimiert, erreicht den Einspritzdruck und gelangt über eine nicht dargestellte Einspritz­ leitung und ein Einspritzventil zur Einspritzung in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine. Mit dem Überfahren der schrägen Steuerkante 26, 30 über die untere Steuerkante 12 der Steueröffnung 11 wird die Verbindung zwischen dem unter Hochdruck stehenden Pumpenarbeitsraum 9 und dem Niederdruckraum aufgesteuert, so daß sich der Hochdruck im Pumpenarbeitsraum 9 entspannt und der Kraftstoff über die Steueröffnung 11 in den Niederdruckraum abströmt. Dabei sinkt der Druck im Einspritzsystem wieder unter den nötigen Einspritzdruck und das Einspritzventil schließt.

Der Zeitpunkt des Zu- und Aufsteuerns der Steueröffnung 11 und damit der Beginn und die Dauer der Kraftstofförderung und somit die ein­ gespritzte Kraftstoffmenge sind durch das Verdrehen des Pumpen­ kolbens steuerbar, wobei zur Erläuterung dieses erfindungsgemäßen Steuervorgangs das in der Fig. 3 dargestellte Diagramm dient, in dem die Einspritzmenge Q und der Nutzhub NH des Pumpenkolbens 1 über dessen Regelweg RW (in mm) aufgetragen sind. Der Regelweg RW des Pumpenkolbens, der seinem Verdrehweg entspricht, ist dabei auf der Abszisse des Diagramms, die Fördermenge Q (QK-Kennlinie der Ein­ spritzmenge) und der Nutzhub (schraffierter Bereich) des Pumpen­ kolbens sind jeweils auf der Ordinate aufgetragen, wobei die Regelweglinien zudem in die Fig. 2 eingezeichnet sind. Dabei entsprechen die Begrenzungslinien des schraffierten Bereiches den Ortslinien des Pumpenkolbenhubs, bei dem die Steueröffnung 11 durch die stirnseitigen Steuerkanten 14, 18, 20 zugesteuert wird (uB-untere Begrenzungslinie) oder am Ende der Hochdruckförderung durch die schräge Steuerkante 26, 30 aufgesteuert wird (oB-obere Begrenzungslinie).

Die Regelwegstellung 0 entspricht dabei einer Null-Fördermenge, das heißt die Steueröffnung 11 bleibt in Überdeckung mit der Längsnut 16, so daß sich im Pumpenarbeitsraum 9 kein Kraftstoffhochdruck aufbauen kann, wodurch in diesem Bereich sowohl der Nutzhub, als auch die Fördermenge Null betragen.

Mit einem Verdrehen des Pumpenkolbens 1 um einen bestimmten Regelweg beginnt die Steueröffnung 11 aus der Überdeckung mit der Längsnut 16 auszutreten, was bei einem Regelweg von etwa 2 mm vollständig erfolgt ist. Ab diesem Zeitpunkt erfolgt der oben beschriebene Fördervorgang durch das zeitweise Verschließen der Steueröffnung 11 durch die Mantelfläche des Pumpenkolbens 1. Dabei nimmt die Dauer dieses Zusteuerns der Steueröffnung 11 mit zunehmendem Regelweg RW aufgrund des ansteigenden Abstandes zwischen der Steuerkante 14 und der schrägen Steuerkante 26 bei gleichbleibendem Förderbeginn zu, wodurch auch Nutzhub NH und Fördermenge Q stetig zunehmen. Dabei entspricht dieser erste Steuerbereich einem sehr frühen Förder­ beginn, der vor allem für einen Kaltstart der zu versorgenden Brenn­ kraftmaschine nötig ist. Im weiteren Regelwegbereich gelangt die Steueröffnung bei etwa 6 mm in den Überdeckungsbereich am Absatz 32, was zur Folge hat, daß der Nutzhub und die Fördermenge sich aufgrund der Verkürzung der wirksamen Zusteuerdauer wieder verringern, bis sie bei etwa 7 mm wieder Null erreichen. Im Regelwegbereich von 7 bis etwa 9,5 mm erfolgt nun aufgrund der Anordnung der Steuerkanten 18, 30 bzw. ihres Abstandes zueinander kein Verschließen der Steuer­ öffnung 11, so daß der im Pumpenarbeitsraum 9 befindliche Kraftstoff während des Pumpenkolbenförderhubs über die Steueröffnung 11 in den Niederdruckraum abströmt. Ab einer Regelweglage von etwa 9,5 mm beginnt der Nutzhub und in dessen Folge auch die Fördermenge auf­ grund des erneuten Zusteuerns der Steueröffnung 11 wieder zu steigen, was bei einer weiteren Verdrehung des Pumpenkolbens 1 auf den in bekannter Weise zunehmenden Abstand zwischen der die Steuer­ öffnung 11 zusteuernden Steuerkante 18 und der diesen aufsteuernden schrägen Steuerkante 30 zurückzuführen ist. Dabei kommt es aufgrund des Überganges von der zweiten Steuerkante 18 auf die einen späteren Förderbeginn ermöglichende Steuerkante 20 bei etwa 18 mm Regelweg zu einem kurzzeitigen Abknicken der ansonsten stetig zunehmenden Nutz­ hub- und Fördermengencharakteristik.

Die Fördermenge Q ist dabei dem in der Fig. 3 gezeigten schraffier­ ten Bereich entnehmbar, wobei die diesen begrenzende untere Linie dem Förderbeginn und die obere Begrenzungslinie dem Förderende zuzuordnen ist, so daß sich die Fördermenge aus dem Abstand beider Linien ergibt. Die der Zeichnung und Beschreibung zugrunde liegenden Regelwegangaben beziehen sich dabei lediglich auf das Ausführungs­ beispiel und sind je nach Erfordernis veränderbar und an die zu versorgende Brennkraftmaschine anzupassen.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung der Steuerkanten ist es somit möglich, eine Kaltstartfrühverschiebung des Förderbe­ ginns zu erreichen, ohne dabei den nutzbaren Regelweg am Pumpen­ kolben einzuschränken.

Claims (5)

1. Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Zylinderbohrung (3) einer Zylinderbüchse (5) axial geführten, von einem Nockenantrieb hin- und hergehend angetriebenen und ver­ drehbaren Pumpenkolben (1), der mit seiner Stirnfläche (7) einen Pumpenarbeitsraum (9) begrenzt und der auf seiner Mantelfläche eine mit dem Pumpenarbeitsraum (9) verbundene Steuerausnehmung (22) mit einer schrägen Steuerkante aufweist, die mit einer von einem Nieder­ druckraum ausgehenden Steueröffnung (11) in der Wand der Zylinder­ büchse (5) zusammenwirkt, wobei eine Kante der pumpenarbeitsraum­ seitigen Stirnfläche (7) des Pumpenkolbens (1) zu dessen Mantel­ fläche eine mit der Steueröffnung (11) zusammenwirkende erste Steuerkante (14) bildet, die umfangsseitig durch eine Längsnut (16) begrenzt ist und die auf ihrer der Längsnut (16) abgewandten Seite einen in Kolbenlängsrichtung zur Antriebsseite des Pumpenkolbens (1) hin vertieften, eine zweite Steuerkante (18) bildenden Bereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuerkante (18) in einen zusätzlichen zur Antriebsseite des Pumpenkolbens (1) hin vertieften Bereich übergeht, der eine dritte Steuerkante (20) mit der Mantelfläche des Pumpenkolbens (1) bildet und daß die in Höhe der stirnseitigen Steuerkanten (14, 18, 20) angeordnete, von der Längsnut (16) ausgehende und im weiteren Verlauf abfallende schräge Steuerkante in zwei Steuerkanten geteilt ist, von denen eine erste schräge Steuerkante (26) von der Längsnut (16) ausgeht und in Höhe des Überganges zwischen der ersten stirnseitigen Steuerkante (14) und der zweiten stirnseitigen Steuerkante (18), über einen Absatz (32) in Kolbenlängsrichtung zum Pumpenarbeitsraum (9) hin in eine zweite schräge Steuerkante (30) übergeht, wobei der Abstand der zweiten schrägen Steuerkante (30) an ihrem der ersten schrägen Steuerkante (26) zugewandten Ende zu der zweiten stirnseitigen Steuerkante (18) kleiner ist, als die kolbenlängsseitige Erstreckung der Steueröffnung (11) in der Wand der Zylinderbüchse (5).

2. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerausnehmung (22) auf der Mantelfläche des Pumpenkolbens (1) aus zwei zueinander versetzten und einander zum Teil überschnei­ denden Schrägnuten (24, 28) gebildet ist, deren pumpenarbeitsraum­ seitige Kanten die schrägen, in Umfangsrichtung zur Längsnut (16) hin in Richtung Pumpenkolbenstirnfläche (7) ansteigenden Steuer­ kanten (26, 30) bilden.

3. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schrägen Steuerkanten (26, 30) unterschiedliche Steigungen aufweisen.

4. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Steuerkante (18, 20) in zur Ebene der Stirnfläche (7) parallelen Ebenen liegen.

5. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Steuerkante (18, 20) zur Radialebene des Pumpenkolbens (1) in Umfangsrichtung geneigt verlaufen.