DE1751200A1 - Steuerventil einer Brennstoffeinspritzpumpe - Google Patents

Description

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Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft, Winterthur/Schveiz

Steuerventil einer Brennstoffeinspritzpumpe

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil einer Brennstoffeinspritzpumpe für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem Ventilkörper und einem diesen umschliessenden Sitzteil.

Steuerventile der Brennstoffeinspritzpumpen von Kolbenbrennkisftmaschinen sind im Betrieb hohen Drücken ausgesetzt, bei welchen sie geöffnet oder geschlossen werden. So wird z.B. ein gesteuertes Saugventil, welches den Beginn eines Einspritzvorganges bestimmt, während des Förderhubes des Pumpenkolbens geschlossen. Während seiner Schliessbewegung bildet sich durch die Förderung vor dem Ventil ein hoher Druck, welcher eine Strömung des in die Saugleitung rückströmenden Brennstoffes mit hoher Geschwindigkeit zur Folge hat.

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Ein als Ueberströmventil dienendes Steuerventil wird bei vollem Einspritzdruck geöffnet, um den Einspritzvorgang zu beendigen. Auch in diesem Falle strömt der Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit in das Ventil ein, wodurch eine Druckwelle entsteht, welche die unter dem Ventil stehen-

' de Brennstoffsäule beschleunigt. Die Folge ist Unterdruck und Hohlraumbildung, die zur Kavitation führen.

In beiden Fällen, beim gesteuerten Saugventil wie beim gesteuerten Ueberströmventil, hat die Strömung des Brennstoffes mit hoher Geschwindigkeit durch das Steuerventil dessen rasche Abnützung durch Erosion bzw. durch Kavitation zur Folge. Kavitationserscheinungen entstehen insbesondere beim Saugventil, welches während der Rückströmung des Brennstoffes bei ansteigendem Druck geschlossen wird. Durch das Schliessen des Ventiles entsteht in der anschliessenden Brennstoffleitung durch die Trägheit der in Bewegung befindlichen Brennstoffsäule ein Unterdruck, welcher die Kavitation zur Rige hat.

Es ist bereits versucht worden, zum Schütze vor den erwähnten Erscheinungen in den mit Steuerventilen in Verbindung stehenden Brennstoffleitungen besondere Organe

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zur Verminderung von Druckstössen bzw. zur Bremsung der Brennstoffströmung anzuordnen. So wurden in den Saugleitungen von Brennstoffpumpen, in welchen eine Rückströmung durch ein Ueberströmventil entsteht, Stossdämpfer angeordnet,die z.B. die Form von federbelasteten, in geeigneten Zylindern beweglichen Kolben hatten. Derartige Stossdämpfer vermindern zwar die Druckstösse in den Leitungen, sind Jedoch gegen Unterdruck- und Hohlraumbildung, die zu Kavitation führen, kaum wirksam, da sie zu träge sind, um den raschen Druckänderungen, die bei Kavitation entstehen, folgen zu können.

Andererseits ist es bereits vorgeschlagen worden, in den erwähnten Brennstoffleitungen eine oder mehrere zu einer Kaskade geschaltete Drosselstellen anzuordnen. Diese Drosselstellen haben jedoch den Nachteil, dass sie die Strömung des Brennstoffes zu stark behindern. Man kann sie nicht so dimensionieren wie es zur Drosselung der nur einen kurzen Augenblick bestehenden Strömung mit hoher Geschwindigkeit erforderlich wäre.

Die Erfindung hat die Schaffung eines Steuerventi?es zum Ziel, welches zur Verhinderung der erwähnten

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Erscheinungen geeignet ist und nicht die Nachteile der be- ._; kannten Vorrichtungen aufweist. Es soll zu diesem Zweck eine hubabhängige, kurzzeitig wirkende Drosselung liefern, die nur in dein Augenblick wirksam ist, wo die hohen Geschwindigkeiten auftreten, nämlich, wenn sich der Ventilkörper in der Nähe des Ventilsitzes befindet, d.h. bei einem gesteuerten Saugventil kurz vor dem Schliessen des Ventiles, und bei einem gesteuerten Ueberströmventil kurz nach dem Oeffnen des Ventiles.Bei gehobenem Ventilkörper soll die

unDrosselung /wirksam sein und der Brennstoff im wesentlichen ungedrosselt fliessen können. Das wird dadurch erreicht, dass der Ventilkörper und der Sitzteil mit einander zugewandten ringförmigen Vorsprüngen versehen sind, die gemefcisam efrie Drosselstelle für die Strömung des Brennstoffes bilden, wobei der Vorsprung des Ventilkörpers in der Oeffnungsrichtung des Ventilkörpers gegenüber dem Vorsprung des Sitzteiles versetzt 1st, derart, dass sich der Querschnitt der Drosselstelle bei einer Hubbewegung des Ventilkörpers im öffnenden Sinn vergrössert.

Es ist dabei mögüch, den Ventilkörper zwischen seiner Sitzfläche und dem Vorsprung mit einer kontinuier-

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lieh gekrümmten Fläche zu versehen, deren oberer Randbereich im axialen Schnitt mit der Sitzfläche einen kleinen Winkel bildet und deren unterer Randbereich nach aussen von der Achse des Ventilkörpers weg gerichtet ist. Dadurch wird eine Führung der Strömung mit hoher Geschwindigkeit entlang des Ventilkörpers erzielt, ohne dass dabei wesentliche Erosionen am Ventilkörper entstehen können.

In diesem Zusammenhang ist es möglich, den Sitzteil oberhalb seines ringförmigen Vorsprunges mit einer Fläche zu versehen, die im axialen Schnitt imwesentlichen senkrecht zur Tangente der gekrümnfcn Fläche des Ventilkörpers an ihrem interen Randbereich steht. Dadurch wird auf einfache Weise ehe Verwirbelung der kinetischen Energie des Brennstoffes erhalten und Kavitation bzw. Erosion im Ventil vermieden.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Es zeigen:

Fig.1 einen Schnitt eines erfindungsgemässen Steuerventiles, links in geschlossener, rechts in

offener Stellung,
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Fig.2 und 3 Schnitte einer Brennstoffeinspritzpumpe mit je einem gesteuerten Saugventil und einem Ueberströmventil in Stellungen, die dem Anfang und dem Ende eines Einspritzvorganges entsprechen,

" Fig.4 ein Diagramm zur Erläuterung der Funk

tion eines Steuerventiles, welches als Saugventil dient und Fig.5 ein der Fig.4 entsprechendes Diagramm,

für den Fall, dass das Ventil als Ueberströmventil dient.

Das in der Fig.1 dargestellte Steuerventil enthält einen Ventilkörper 1, der mit seinem zylindrischen Schaft 2 in einer entsprechenden Bohrung eines SitzteELes 3 geführt ist. Der Ventilkörper ist mit einem tellerartig ausgeweiteten oberen Teil 4mit einer Sitzfläche 5 versehen. An die Sitzfläche 5 schliesst sich eine kontinuierlich gekrümmte Fläche 6 an, die an einem ringförmigen Vorsprung 7 endet. An den ringförmigen Vorsprung 7 schlisst sich eine weitere gekrümmte Fläche 8 an, die schliesslich an der zylindrischen Fläche 2 endet. Das untere Ende des Ventilkrpers ist in bekannter

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Weise mit einer ebenen oder leicht gekrümmten Endfläche 9 versehen, gegen die im Betrieb der Steuermechanismus stösst, um den Ventilkörper gegenüber dem Ventilsitz anzuheben.

Der Sitzteil 3 ist mit einer Sitzfläche 10 versehen, die an die Form der Sitzfläche 5 des Ventilkörpers angepasst ist. An die Sitzfläche 10 schliessen sich zylindrische Flächen 11, 12 an, die zusammen mit dem Ventilkörper einen Drosselraum 13 begrenzen. Am unteren Ende des Drosselraumes 13 befindet sich ein ringförmiger Vorsprung 14, welcher zusammen nit dem ringförmigen Vorsprung 7 des Ventilkörpers 1 eine Drosselstelle bildet. An den Vorsprung 14 schliesst sich ein Hohlraum 15 an, aus welchem Bohrungen 16 nach aussen in eine nicht dargestellte Brennstoffleitung führen. Wieajis der Zeichnung hervorgeht, bilden im axialen Schnitt die Tangente der Fläche 6 und die Sitzfläche miteinander einen scharfen Winkel a, der durch die Fertigung bedingt ist und so klein wie möglich sein sollte. In der Regel wird dieser Winkel 2-5° betragen. Eine am unteren Randbereich zur Fläche 6 im axialen Schnitt geführte Tangente t ist, in der Strömungsrichtung des Brennstoffes betrachtet, von der Achse des Ventilkörpers weg gerichtet. An der Stelle wo die Tangente t den inneren Umriss des Sitzteiles schnei-

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det, ist der Sitzteil mit einer Fläche 17 versehen, die im wesentlichen zur Tangente t senkrecht steht* In horizontaler Richtung erstreckt sich die Fläche 17 angenähert derart weit, dass sie von der Tangente t auch bei offenem Ventil, d.h. bei angehobenem Ventilkörper, erreicht wird*

Wie ebenfalls aus der Fig«1 der Zeichnung hervorgeht, ist der ringförmige Vorsprung 7 des Ventilkörpers 1 in der Oeffnungsrichtung des Ventiles, d/h, in der Figur nach oben, gegenüber dem Vorsprung 14 des Sitzteiles verschoben. Das hat zur Folge, dass sich der engste Querschnitt zwischen den VorSprüngen 7 und 14, welcher die Drosselstelle bildet, während einer Hubbewegung des Ventilkörpers im öffnenden Sinn aus der dargestellten Stellung nach oben sofort zu jr vergrössern beginnt. Bei einer umgekehrten Bewegung, d.h. bei einer Schliessbev^ung des Ventiles, wird durch diese Massnähme eine stetige Verengung der Drosselstelle erzielt bis zur Erreichung ihres minimalen Querschnittes im Zeitpunkt des Schliessens des Ventiles·

In den Fig.2 und"3 ist schematisch eine Brennstoffpumpe 20 dargestellt, die mit einem Saugventil 21 und einem

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Ueberströmventil 22 nach der Art des in der Fig.1 dargestellten Ventiles versehen ist. Die Ventile sind in einem Gehäuse 23 angeordnet, in welchem in einer geeigneten Bohrung 24 ein Pumpenkolben 25 geführt ist. Der Kolben 25 wird in bekannter Weise durch einen Einspritznocken 26 betätigt und bewegt dabei Hebel 27, 28, welche über Stossstangen 29, 30 auf die Ventilkörper der Ventile 21, 22 einwirken. Im Gehäuse 23 ist ein Pumpenraum 31 ausgebildet, der über ein Druckventil 32 an eine nicht dargestellte Förderleitung angeschlossen ist, die zu einem selbsttätig wirkenden Einspritzventil führt. Das Saugventil 21 befindet sich in einem Eingangskanal 33, der an eine nicht dargestellte Zubringeleitung angeschlossen ist. Das Ueberströmventil 22 steuert die Strömung des Brennstoffes in einen Ueberströmkanal 34, der mit einer nicht dargestellten Ueberströmleitung verbunden ist.

Während eines Saughubes der Pumpe, d.h. bei einer Bewegung des Kolbens 25 nach unten, s±u die Ventile 22 und geschlossen. Das Saugventil 21 wird durch den in der Pumpenkammer 31 wirkenden Unterdruck angehoben, so dass Brenn-

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stoff in die Pumpenkammer aus dem Kanal 33 einströmen kann.

Bei eher Bewegung des Kolbens 25 nach oben, die in der Stellung geginnt, welche in der Fig.2 dargestellt ist, wird zuerst ein Teil des in der Bohrung 24 und in der Pumpenkammer 31 befindlichen Brennstoffes durch das Saugventil 21 verdrängt. Gleichzeitig wird jedoch der Hebel 37 im Gegenuhrzeigersinn geschwenkt und die Stange 29 gesenkt.. Das hat eine Schliessbewegung des Ventiles 21 zur Folge. In der Weise, wie der Strömungsquerschnitt im Ventil 21 verkleinert wird, steigt der Druck in der Pumpenkammer 31 an. Kurz vor dem Schliessen des Ventilkörpers des Ventiles steigt der Druck in der Pumpenkammer auf die Höhe des Oeffnungs- | druckes des Einspritzventiles im Zylinder, was zur Folge

hat, dass das Druckventil 32 geöffnet wird und der Einspritzvorgang am nicht dargestellten Einspritzventil beginnt. Gegen Ende des Förderhubes stösst die nach oben bewegte Stange 30 gegen den Ventilkörpsr des üeberströmventiles 22 (siehe Fig.3). In diesem Augenblick beginnt eine Hubbewegung des üeberströmventiles 22 im öffnenden Sinn , welche eine rasche Senkung des Brennstoffdruckes in der Pumpenkammer 31 zur Folge hat. Das Druckventil 32 wird

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geschlossen und der Einspritzvorgang ist beendet. Weiterer, noch vom Kolben 25 verdrängter Brennstoff wird durch das Ventil 22 und den Kanal 34 in die nicht dargestellte Ueberstromleitung abgeleitet.

Wie bereits erwähnt, herrscht in der letzten Phase des ScMiess vor ganges des Saugventiles 21 in der Pumpenkammer 31 der hohe Oeffnungsdruck des Einspritzventiles. Der durch das Ventil 21 strömende Brennstoff hat daher eine sehr hohe Geschwindigkeit, welche sich mit einer Verkleinerung des Querschnittes zwischen der Sitzfläche 10 des Sitzteiles 3 und der Sitzfläche 5 des Ventilkörpers 4 (Fig.1) vergrössert. Darauf schliesst das Ventil. Die Strömung wird unterbrochen, die Brennstoffsäule reisst infolge der Massenkräfte des im Kanal 33 und den angeschlossenen Leitungen in Bewegung befindlidien Brennstoffes, was zu Kavitationserscheinungen führt,

Beim erfindungsgemässen Steuerventil nach der Fig.1 verläuft, wenn es an der Stelle des Saugventiles 21 verwendet wird, die Strömung des Brennstoffes kurz vor dem Schliessen entlang der gekrümmten Fläche 6 und stösst gegen die Fläche 17. Die Strömungsenergie des Brennstoffes wird verwirbelt. Da der Abfluss aus dem Drosselraum 13 durch

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die zwischen den Vorsprüngen 7 und 14 befindliche. Drosselstelle behindert wird, besteht im Drosselraum 13 ein verhältnismässig hoher Druck. Wenn daher durch ein Aufsetzen des Ventilkörpers 1 die Strömung des Brennstoffes unterbrochen wird, kann im Drosselraum 13 kein Vakuum entstehen, " das zu Kavitation führen würde. Ausssrdem ist Infolge der Verwirbelung die Austrittsgeschwindigkeit aus der Drosselstelle kurz vor dem Schliessen des Ventiles niedriger, da der Drosselquerschnitt grosser ist als derjenige zwischen Ventilkörper und Sitzteil im gleichen Moment. Folglich ist die kinetische Energie des durchfliessenden Brennstoffes mit den daraus resultierenden reflektierten Druckwellen bedeutend niedriger.

Bei Verwendung des erfindungsgemässen Steüerventiles

als Ueberströmventil entsteht beim Oeffnen des Ventiles ein üeberdruck im Drosselraum 13 und die kinetische Energie des mit hoher Geschwindigkeit ausfliessenden Brennstoffes wird in der bereits erwähnten Weise verwirbelt und in Wärme umgesetzt. Dadurch werden auch die Druckwellen in der Ueberströmleitung gedämpft.

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In der Fig.4 sind einige charakteristische Grossen des Ventiles bei dessen Anwendung als Saugventil 21 dargestellt, und zwar über dem Winkel ⁰NW der Nockenwelle des Nockens 26, kurz vor dem Schliessen des Ventiles 21. Die Verhältnisse gelten einfachheitshalber für eine kurze Förderleitung, bei welcher dynamische Erscheinungen wie Druckwellen usw. nicht aiftreten. Die Linie s_y stellt dabei den Hub des Ventilkörpers dar, welcher angenähert linear verläuft und zum Schluss den Wert Null erreicht. In der gleichen V/eise verläuft die Linie f_y, welche den Querschnitt des Ventiles zwischen den Sitzflächen 5, 10 des Sitzteiles und des Ventilkörpers darstellt und ebenfalls bis auf Null absinkt. Mit fj ist der Drosselquerschnitt zwischen den Vorsprüngen 7 und 14 bezeichnet. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, isb bei voll geöffnetem Ventil der Drosselquerschnitt f^ ungefähr gleich gross wie der Querschnitt f_y des Ventiles. Mit abnehmendem Ventilhub verkleinert sich dieser Querschnitt, erreicht jedoch nicht den Wert Null. Im gleichen Diagramm iä, mit einer linie 2 die Fördermenge des Pumpenkolbens 25 eingezeichnet, die allerdings von der Form der Flanke des

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C. Nockens 26 abhängig ist und einen beliebigen Verlauf haben kann. Weiterhin sind mit v_vuid v_d die Geschwindigkeiten im Ventil und an der Drosselstelle bezeichnetj ρ und p_d sind die Drücke in der Pumpenkammer 31 bzw. im Drossel· raum 13. Mit p_Q ist der Oeffnungsdruck des Einspritzventiles bezeichnet, bei welchem dieses öffnet und den Einspritzvorgang beginnt. Die nach dem Erreichen des-Oeffnungsdruckes · P₀ durch das Ventil 21 noch fliessende Brennstoffmenge ist mit q bezeichnet.

In der Pig.5 ist ein entsprechendes Diagramm für die Verwendung des Steuerventiles als üeberströmventil dargestellt. Die Bezeichnung der Linien in diesem Diagramm j* entspricht der Bezeichnung nach der Fig.4.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Steuerventil einer Brennstoffeinspritzpumpe für eine Kolbenbrennkraftmaschine mit einem Ventilkörper und einem diesen umschliss senden Sitzteil, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (1) und der SitzteilO) mit einander zugewandten ringförmigen Vorsprüngen (7, 14) versehen sind, die gemeinsam eine Drosselstelle für die Strömung des Brennstoffes bilden, wobei der Vorsprung (7) des Ventilkörpers in der Oeffnungsrichtung des Ventilkörpers (1) gegenüber dem Vorsprung (14) des Sitzteiles (3) versetzt ist, derart, dass sich der Querschnitt der Drosselstelle (7, 14) bei einer Hubbewegung des Ventilkörpers

(1) im öffnenden Sinn vergrössert. ^

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (1) zwischen seiner Sitzfläche (5) und dem Vorsprung (7) eine kontinuierlich gekrümmte Fläche (6) aufweist, deren oberer Randbereich im axialen Schnitt mit der Sitzfläche einen kleinen Winkel (a) bildet und deren unterer Randbereich nach aussen von der Achse des Ventilkörpers (1) weg gerichtet ist (Tangente t).

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3. Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sitzteil (3) oberhalb seines ringförmigen Vorsprunges (14) mit einer Fläche (17) versehen 1st, die im axialen Schnitt im wesentlichen senkrecht zur Tangente (6) der gekrümmten Fläche (6) des Ventilkörpers (1) an ihrem unteren Randbereich steht.

4. Steuerventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung als ein gesteuertes Saugventil.

5. Steuerventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung als ein gesteuertes Ueberströmventil.

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