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Die
Erfindung betrifft eine Einspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine
mit einem Saugraum, einem Hochdruckraum, einer Saugbohrung, die
Saug- und Hochdruckraum verbindet, und einem Kolben zum Absperren
des Hochdruckraumes gegen den Saugraum, der eine Steuerkante zum
Verbinden von Saug- und Hochdruckraum aufweist.
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Bewegt
sich in einer gattungsgemäßen Einspritzpumpe für
eine Brennkraftmaschine mit einem Saugraum zum Bereitstellen von
Kraftstoff für die Brennkraftmaschine, der über
Saugbohrungen mit einem Hochdruckraum kommuniziert, ein nockengesteuerter
Kolben in einer Verdichtungsrichtung auf den Hochdruckraum zu, so
sperrt er zunächst den Hochdruckraum gegen den Saugraum
ab und verdichtet in der weiteren Folge im Hochdruckraum befindlichen
Kraftstoff zur Einspritzung in einen Brennraum der Brennkraftmaschine.
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Um
nun bei konstanter Hubbewegung des nockengesteuerten Kolbens unterschiedliche
Pumpvolumina zu realisieren, ist es beispielsweise aus der
DE 10 2005 025 601 bekannt,
den Kolben an seinem Außenumfang mit eine mit dem Hochdruckraum kommunizierende
Aussparung mit einer gegen die Verdichtungsbewegungsrichtung des
Kolbens geneigten Steuerkante auszubilden. Nachdem eine dem Hochdruckraum
zugewandte Oberkante des Kolbens Saug- und Hochdruckraum getrennt
hat, verbindet bei weiterer Verdichtungsbewegung die Aussparung
Saug- und Hochdruckraum wieder miteinander, sobald die Steuerkante
die Saugbohrung überfährt, so dass Kraftstoff
aus dem Hochdruckraum in die Saugbohrung zurückströmt.
Durch Verdrehung des Kolbens um seine Bewegungsachse kann die Hubposition,
in der die geneigte Steuerkante die Saugbohrung überfährt,
vorgegeben und so die Einspritzung dieser schrägkantengesteuerten
Kolbeneinspritzpumpe bei konstanter Hubbewegung des nockengesteuerten
Kolbens variiert werden.
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Wenn
der Kolben in seiner Verdichtungsbewegung den Hochdruckraum gegen
den Saugraum absperrt, fällt durch die abrupte Beendigung
des Ansaugvorganges der Druck in den Saugbohrungen ab, wodurch sich
Blasen im dort befindlichen Kraftstoff bilden können. Überfährt
nun die Steuerkante die Saugbohrung, so strömt Kraftstoff
aus dem Hochdruckraum unter erhöhtem Druck in die Saugbohrung zurück
und kann dort befindliche Blasen zur Implosion bringen. Diese Kavitation
kann zur Schädigung der Saugbohrung, insbesondere zur Erosion
führen. Eine solche Sauglochkavitation kann aufgrund der damit
verbundenen Kerbwirkung insbesondere zum Reißen des Pumpengehäuses
führen.
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Die
genannte
DE 10
2005 025 601 A1 schlägt hierzu in einer Ausführung
vor, die Saugbohrungen mit einem zylinderförmigen und zwei
sich daran anschließenden kegelstumpfförmige Abschnitten mit
unterschiedlichen Öffnungswinkeln auszubilden, so dass
die Wandung der Saugbohrungen im Bereich der Kavitationsentstehung
zurückgenommen ist und die schädigenden Wirkung
der dort implodierenden Blasen sich reduziert.
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Die
DE 100 46 564 A1 verfolgt
einen anderen Ansatz und schlägt vor, bereits die Bläschenbildung zu
reduzieren. Hierzu sind Parallelverbindungen vorgesehen, die parallel
zu den Saugbohrungen angeordnet sind und vor deren Mündung
zum Kolben in einem Zylinderabschnitt der Saugbohrungen münden. Durch
diese Parallelverbindungen strömt während der
Beendigung des Ansaugvorganges Kraftstoff in den Zylinderabschnitt
ein und reduziert so den Druckabfall.
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In
der
DE 198 54 326
A1 wird vorgeschlagen, gesonderte Bohrungen auszubilden,
durch die nach Überfahren durch die Steuerkante zunächst
höhere Pumpendrücke abgebaut werden, bevor nach Überfahren
von Saugbohrungen, die auch zur Kraftstoffzufuhr dienen, dann niedrigere
Pumpendrücke durch diese Saugbohrungen weiter abgebaut
werden. Auch hier übernehmen die zur Kraftstoffzufuhr vorgesehenen
Saugbohrungen die Funktion einer Absteuerbohrung, so dass weiterhin
die Gefahr besteht, dass Kraftstoff aus dem Hochdruckraum unter
erhöhtem Druck in die Saugbohrung zurückströmt
und dort befindliche Blasen zur Implosion bringt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Schädigung einer
Einspritzpumpe einer Brennkraftmaschine durch Kavitation zu reduzieren.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist eine Einspritzpumpe nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale
weitergebildet. Anspruch 12 stellt eine Brennkraftmaschine mit einer solchen
Einspritzpumpe unter Schutz.
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Kraftstoffzufuhr und die
Absteuerung weitgehend zu entkoppeln, so dass eine Saugbohrungsanordnung als
Zulaufbohrung von Kraftstoff zum Hochdruckraum dient, in der aufgrund
einer abrupten Beendigung des Ansaugvorganges ein Druckabfall und
eine Blasenbildung auftreten kann. Ein unter hohem Druck stehende
Absteuerstrahl, insbesondere der Absteuerstrahl bei einer Verdichtungsbewegung
des Kolbens, wird hingegen durch eine hiervon getrennte Absteuerbohrungsanordnung
unter Umgehung der Saugbohrungsanordnung direkt in den Saugraum geführt.
Dies ermöglicht es, im Gegensatz zu den bekannten Lösungen,
bei denen der Absteuerstrahl stets durch die Saugbohrung geführt
wird, den Kavitationsangriff in weniger gefährdete Bereiche
zu verlagern, in denen eine Kavitation nicht zum Ausfall der Pumpe
führt.
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Eine
erfindungsgemäße Einspritzpumpe für eine
Brennkraftmaschine, insbesondere eine Hochdruckeinspritzpumpe für
einen Dieselmotor, weist hierzu einen Saugraum zum Bereitstellen
von Kraftstoff auf. Vorteilhaft kann Kraftstoff durch ein Vorfördersystem
in diesen Saugraum gefördert werden, bevorzugt bereits
unter erhöhtem Druck. Der Saugraum kann sich insbesondere
im Wesentlichen ringförmig um den Hubraum des Kolbens erstrecken.
Die Einspritzpumpe weist weiter einen Hochdruckraum auf, in dem
Kraftstoff durch einen Kolben auf einen Einspritzdruck gebracht
wird.
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Saugraum
und Hochdruckraum kommunizieren zum einen über eine Saugbohrungsanordnung mit
einer, zwei oder mehr Saugbohrungen. Diese Kommunikation kann durch
den Kolben unterbrochen werden, der im Laufe einer, insbesondere
nockengesteuerten, Verdichtungsbewegung auf den Hochdruckraum zu
zunächst den Hochdruckraum gegen den Saugraum absperrt
und in der weiteren Folge den Druck von im Hochdruckraum befindlichen Kraftstoff
gegenüber dem Saugraum erhöht, um ihn in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine einzuspritzen. Nachdem der Kolben
die Saugbohrungsanordnung entgegen seiner Verdichtungsrichtung überfahren
hat, strömt neuer Kraftstoff vom Saug- in den Hochdruckraum,
um im nächsten Zyklus verdichtet zu werden.
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Saugraum
und Hochdruckraum kommunizieren zum anderen über eine Absteuerbohrungsanordnung
mit einer, zwei oder mehr Absteuerbohrungen. Der Kolben weist hierzu
eine Steuerkante zum Verbinden von Saug- und Hochdruckraum auf,
die bei einer Verdichtungsbewegung die Absteuerbohrungen überfährt
und so Saug- und Hochdruckraum wieder miteinander verbindet, so
dass Kraftstoff aus dem Hochdruckraum durch die Absteuerbohrungen
unter Umgehung der Saugbohrungen direkt in den Saugraum zurückströmen
kann. Bevorzugt ist der Kolben um seine Bewegungsachse verdrehbar
ausgebildet und die Steuerkante gegen die Bewegungsrichtung des
Kolbens geneigt, so dass die Hubposition, in der die Steuerkante
die Absteuerbohrungen überfährt, variiert und
so die Einspritzung bei konstanter Hubbewegung des nockengesteuerten
Kolbens vorgegeben werden kann.
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Erfindungsgemäß sind
Saug- und Hockdruckraum mittels der Steuerkante also nur über
die Absteuerbohrungsanordnung verbindbar, nicht wie bisher üblich
(auch) über die Saugbohrungsanordnung, die ihrerseits im
Wesentlichen nur noch der Kraftstoffzufuhr dient. Wie diese münden
die Absteuerbohrungen im Saugraum selbst. Auf diese Weise können
Kraftstoffzufuhr und Absteuerung weitgehend, vorzugsweise vollständig
entkoppelt werden, so dass Kavitation durch Implosion von Blasen,
die durch die abrupte Beendigung des Ansaugvorganges in der Kraftstoffzufuhr
entstehen, in der Saugbohrungsanordnung vermieden und in Bereiche
im Saugraum verlagert werden kann, in denen diese nicht mehr zu
einem Versagen der Einspritzpumpe führt.
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Austrittsöffnungen
der Absteuerbohrungen zum Saugraum hin sind bevorzugt ebenso wie
Eintrittsöffnungen zum Hochdruckraum hin in Verdichtungsrichtung
des Kolbens unterhalb von Eintrittsöffnungen der Saugbohrungen
zum Saugraum hin bzw. Austrittsöffnungen zum Hochdruckraum
hin angeordnet.
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Dabei
muss der Abstand in Verdichtungsrichtung des Kolbens zwischen Austrittsöffnungen der
Absteuerbohrungen und Eintrittsöffnungen der Saugbohrungen,
i. e. der Abstand der Öffnungen im Saugraum, und der Abstand
zwischen Eintrittsöffnungen der Absteuerbohrungen und Austrittsöffnungen der
Saugbohrungen, i. e. der Abstand der Öffnungen zum Hochdruckraum
hin, nicht übereinstimmen. Insbesondere kann der Abstand
sich zum Hochdruckraum hin, beispielsweise linear, vergrößern,
so dass die Absteuerbohrungsanordnung mit der Verdichtungsrichtung
des Kolbens einen Winkel einschließt, der kleiner ist als
ein Winkel, den die Saugbohrungsanordnung mit der Verdichtungsrichtung
einschließt.
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Beträgt
beispielsweise der Winkel zwischen Absteuerbohrungsanordnung und
Verdichtungsrichtung des Kolbens ungefähr 45°,
der Winkel zwischen Saugbohrungsanordnung und Verdichtungsrichtung des
Kolbens im Wesentlichen 90°, so können die Saugraumöffnungen
von Absteuerbohrungsanordnung und Saugbohrungsanordnung nahe beieinander
angeordnet und gleichzeitig die Öffnungen zum Hochdruckraum
(bzw. der Steuerkante) hin deutlicher voneinander beabstandet werden.
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Dies
ermöglicht es insbesondere, bei weiterhin kompaktem Saugraum,
in den Absteuer- und Saugbohrungsanordnung eng benachbart münden, die Öffnung
der Absteuerbohrungsanordnung zum Hochdruckraum um wenigstens den
Hubweg des Kolbens unterhalb der Öffnung der Saugbohrungsanordnung
anzuordnen. Dadurch ist sichergestellt, dass durch entsprechende
Einstellung der Steuerkante, i. e. Verdrehung des Kolbens um seine
Längsachse, auch ein voller Hub des Kolbens ohne vorzeitige
Absteuerung des Druckes erfolgen, i. e. der Kolbehub vollständig
zur Druckerhöhung genutzt werden kann.
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Durch
die Ausbildung einer eigenständigen, von der Saugbohrungsanordnung
unabhängigen Absteuerbohrungsanordnung kann ein Absteuerstrahl gezielt
auf einen kavitationsresistenten Bereich im Saugraum gerichtet werden.
Ein solcher Bereich kann beispielsweise Opfermaterial aufweisen,
welches nach entsprechender Erosion einfach ersetzt werden kann
und so funktionswichtige Bauteile, insbesondere die Saugbohrungsanordnung
selber, vor dem schädigenden Einfluss von Kavitation schützt. Zusätzlich
oder alternativ ist es auch möglich, in dem Bereich, auf
den der Absteuerstrahl gerichtet wird, kavitationsbeständigeres
Material, etwa eine entsprechende Beschichtung, Oberflächen-
und/oder Wärmebehandlung vorzusehen.
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Ein
kavitationsresistenter Bereich kann zusätzlich oder alternativ
auch dadurch ausgebildet werden, dass der Absteuerstrahl auf blasenarme oder
blasenfreie Bereiche im Saugraum gerichtet wird. Aufgrund der abrupten
Beendigung des Ansaugvorganges entstehen Blasen im Kraftstoff, die durch
den erhöhten Druck ei nes Absteuerstrahls zur Implosion
gebracht werden, vornehmlich in der Saugbohrungsanordnung selbst,
während im Saugraum – vor allem in gewisser Entfernung
von Strömungsänderungen wie einer Kraftstoffzufuhr
zum Saugraum, beispielsweise aus einem Vorfördersystem,
oder einer Eintrittsöffnung zur Saugbohrungsanordnung-Bereiche
ohne große Blasenbildung vorhanden sind. Zudem ist das
Volumen des Saugraums gegenüber der Saugbohrungsanordnung
in der Regel größer, so dass durch Eindüsung
des Absteuerstrahls in dieses größere Volumen
eventuelle Kavitationsbereiche weiter von Bauteilwänden
beabstandet und so kavitationsresistentere Bereiche genutzt werden
können.
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Die
Absteuerbohrungen können relativ zur Verdichtungsrichtung
des Kolbens gegenüber den Saugbohrungen um einen Winkel
versetzt ausgebildet, i. e. um die Verdichtungsrichtung verdreht
angeordnet sein. Hierdurch kann der Absteuerstrahl noch weiter von
der Kraftstoffzufuhr entfernt werden. Ein solcher Winkel kann beispielsweise
größer 10° sein und bei je zwei Saug-
und Absteuerbohrungen vorzugsweise ungefähr 90° betragen,
so dass über den Umfang gleichmäßig verteilt
abwechselnd Saug- und Absteuerbohrungen angeordnet sind.
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Bevorzugt
weisen die Absteuerbohrungsanordnung und die Saugbohrungsanordnung
im Wesentlichen gleiche Durchmesser auf. Dies vereinfacht die Fertigung
und erlaubt beispielsweise den vorteilhaften Einsatz von Rüsselprallschrauben
als Verschleißelement in den Absteuerbohrungen.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen
und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise
schematisiert:
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1 einen
Teil einer Einspritzpumpe nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung in einem Axialschnitt am unteren Totpunkt des Kolbens;
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2 den
Teil der Einspritzpumpe nach 1 am Ende
einer Kraftstoffzufuhr;
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3 den
Teil der Einspritzpumpe nach 2 am Anfang
einer Druckabsteuerung; und
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4 den
Teil der Einspritzpumpe nach 3 am oberen
Totpunkt des Kolbens.
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1 zeigt
einen Teil einer Einspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine
(nicht weiter dargestellt) nach einer Ausführung der vorliegenden
Erfindung in einem Axialschnitt mit einem Saugraum 4, der
ringförmig um einen Hubraum eines Kolbens 1 ausgebildet
ist und durch ein Vorfördersystem (nicht dargestellt) mit
Kraftstoff unter erhöhtem Druck beschickt wird. Die Einspritzpumpe
weist weiter einen Hochdruckraum 2 auf, in dem Kraftstoff
durch den Kolben 1 auf einen Einspritzdruck gebracht und
durch Leitungen (nicht dargestellt) zu einem Brennraum der Brennkraftmaschine
gefördert wird.
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Saugraum
und Hochdruckraum kommunizieren einerseits direkt über
eine Saugbohrungsanordnung, die zwei Saugbohrungen 3.1, 3.2 umfasst.
Diese Saugbohrungen 3.1, 3.2 sind im Wesentlichen
zylinderförmig ausgebildet und schließen mit der
Verdichtungsrichtung des Kolbens 1 (von unten nach oben
in 1) einen rechten Winkel ein.
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Kolben 1 sperrt
im Laufe einer nockengesteuerten Verdichtungsbewegung (nach oben
in 1), ausgehend von dem in 1 dargestellten unteren
Totpunkt, den zunächst mit dem Saugraum 4 kommunizierenden
und aus diesem mit Kraftstoff befüllten Hochdruckraum 2 gegen
diesen ab (2) und erhöht in der
weiteren Folge den Druck des derart in den Hochdruckraum eingesaugten
Kraftstoffes, um ihn schließlich in einen Brennraum der
Brennkraftmaschine einzuspritzen (nicht dargestellt).
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Der
Kolben weist eine Steuerkante 5 zum Verbinden von Saug-
und Hochdruckraum auf, die nach Sperrung der Saugbohrungen 3.1, 3.2 bei
weiterer Verdichtungsbewegung zwei Absteuerbohrungen 6.1, 6.2 überfährt
(3) und so Saug- und Hochdruckraum wieder miteinander
verbindet, so dass Kraftstoff mit erhöhtem Druck als Absteuerstrahl aus
dem Hochdruckraum 2 durch die Absteuerbohrungen 6.1, 6.2 in
den Saugraum 4 zurückströmt und der Verdichtungs-
und Einspritzvorgang der Einspritzpumpe beendet wird. Der Kolben 1 ist
um seine Bewegungsachse verdrehbar ausgebildet, so dass die Hubposition,
in der die gegen die Bewegungsrichtung des Kolbens geneigte Steuerkante 5 die
Absteuerbohrungen 6.1, 6.2 überfährt,
variiert und so die Einspritzung bei konstanter Hubbewegung des
nockengesteuerten Kolbens 1 vorgegeben werden kann. Zur
Bedienung beider Absteuerbohrungen 6.1, 6.2 weist
die Steuerkante 5 über den Umfang des Kolbens
verteilt zwei gleiche Abschnitte auf, eine in 1 bis 4 erkennbaren
und einen hierzu identischen, um 180° gegen diesen versetzten.
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Die
Absteuerbohrungen 6.1, 6.2 sind ebenfalls im Wesentlichen
zylinderförmig ausgebildet, weisen denselben Bohrungsdurchmesser
auf wie die Saugbohrungen 3.1, 3.2, und schließen
mit der Verdichtungsrichtung des Kolbens 1 einen Winkel
von 45° ein. Somit ist ein Abstand in Verdichtungsrichtung
des Kolbens (vertikaler Abstand in 1) zwischen
einer Eintrittsöffnung der Saugbohrungsanordnung und einer
Austrittsöffnung der Absteuerbohrungsanordnung zum Saugraum 4 (links
in 1 für die linke Saugbohrung 3.1 bzw.
Absteuerbohrung 6.1) kleiner als ein Abstand zwischen einer
Austrittsöffnung der Saugbohrungsanordnung und einer Eintrittsöffnung
der Absteuerbohrungsanordnung zum Hochdruckraum 2 bzw.
der Absteuerkante 5 (rechts in 1 für
die linke Saugbohrung 3.1 bzw. Absteuerbohrung 6.1).
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Auf
diese Weise kann ein Abstand zwischen den hochdruckraumseitigen Öffnungen
von Absteuer- und Saugbohrungsanordnung vorteilhaft wenigstens dem
Hub des Kolbens entsprechen, im Ausführungsbeispiel etwa
50 mm.
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In
einer abgewandelten, nicht dargestellten Ausführung ragt
in die Absteuerbohrungen der Absteuerbohrungsanordnung als Verschleißelement
jeweils eine Rüsselprallschraube hinein.
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Überfährt
der Kolben 1 – je nach Drehung um seine Längsachse – mit
seiner Steuerkante 5 die Absteuerbohrungen 6.1, 6.2,
verbinden diese den Hochdruckraum 2 direkt mit dem Saugraum 4,
so dass ein Absteuerstrahl (nicht dargestellt) unter hohem Druck
durch die Absteuerbohrungen direkt in den Saugraum 4 tritt.
Da durch die abrupte Beendigung des Saugvorganges (2)
Blasen im Kraftstoff vornehmlich an den Austrittsöffnungen
der kraftstoffzuführenden Saugbohrungen 3.1, 3.2 entstehen, während
der Saugraum 4 selber aufgrund seines größeren
Volumens weitgehend blasenfrei ist, führt die Eindüsung
des Hochdruck-Absteuerstrahls direkt in diesen Saugraum unter Umgehung
der Saugbohrungen zu einer geringeren Kavitationsbildung. Zudem findet
die Kavitation in dem größeren Saugraum 4 in größerem
Abstand zu dessen Wänden statt als dies bei einer Absteuerung
in die engeren Saugbohrungen der Fall wäre. Außerdem
ist die Saugraumwand weniger sensitiv gegenüber Kavitation
als die Saugbohrungen, sie kann insbesondere durch Opfermaterial,
Materialverdickung und/oder entsprechende Beschichtung noch kavitationsresistenter
ausgebildet sein.
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Wie
insbesondere aus 4 hervorgeht, die den oberen
Totpunkt des Kolbens 1 zeigt, ist die Absteuerkante 5 derart
ausgebildet, dass unabhängig von der Verdrehung des Kolbens 1 um
seine Längsachse, i. e. unabhängig von der eingestellten
Absteuerbeginn nach Sperren der Saugbohrungen 3.1, 3.2, Saugraum 4 und
Hockdruckraum 2 mittels der Steuerkante 5 ausschließlich über
die Absteuerbohrungen 6.1, 6.2 verbindbar ist.
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- 1
- Kolben
- 2
- Hochdruckraum
- 3.1,
3.2
- Saugbohrung
- 4
- Saugraum
- 5
- Steuerkante
- 6.1,
6.2
- Absteuerbohrung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005025601 [0003]
- - DE 102005025601 A1 [0005]
- - DE 10046564 A1 [0006]
- - DE 19854326 A1 [0007]