DE1751200C - Durch Stosstange betätigtes Saug bzw Ueberstromventü fur Brennstoffeinspritzpumpen fur KoI benbrennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein durch Stoßstange betätigtes Saug- bzw. Überströmventil für Brennstoffeinspritzpumpen für Kolbenbrennkraftmaschinen, bei dem im Pumpenraum befindlicher, unter Druck stellender Brennstoff über eine vom Ventilkörper und Ventilsitzteil gebildete, in Abhängigkeit vom Hub des Ventilkörpers sich ändernde Drosselstelle sowie einen vom Ventilkörper und dem Ventilsitztcil begrenzten, dem teilweisen Abbau der Strömungsenergie des Brennstoffs dienenden Raum in die Saugbzw. Überströmleitung abgeführt wird.

Steuerventile für Brennstoffeinspritzpumpen an Kolbenbrennkraftmaschinen sind im Betrieb hohen Drücken ausgesetzt, bei welchen sie geöffnet oder geschlossen werden. So wird z. Fi. ein gesteuertes Saugventil, welches den Beginn eines Einspriizvorganges bestimmt, während des Förderhubes des Pumpcnkolbcns geschlossen. Während seiner Schließbewegung bildet sich vor dem Ventil ein hoher Druck, welcher ein Rückströmen von Brennstoff in die SaiiR-Icitung mit hoher Geschwindigkeit zur Folge hat.

Ein als Überströmventil dienendes Steuerventil wird bei vollem Einspritzdruck geöffnet, um den f-inspritzvorgang zu beendigen. Auch in diesem Falle strömt der Brennstoff mit hoher Geschwindigkeit in das Ventil ein, wodurch eine Druckwelle entsten;, welche die hinter dem Ventil stehende Brennstoffsäule beschleunigt. Die Folge ist Unterdruck und Hohlraumbildung, die zu Kavitationserscheinungcr.

führen. .

In beiden Fällen, beim gesteuerten Saugveruil wie beim gesteuerten Überströmventil, hat die mit hoher Geschwindigkeit ^folgende Strömung des Brenn-

stoffes durch das Steuerventil dessen rasche Abnützung durch Erosion bzw Kavitation zur Folge. Kavitationserscheinungen zeigen sich dabei insbesondere beim Saugventil, welches während der Rückströmung des Brennstoffes bei ansteigendem Druck geschlossen

xs wird. Durch das Schließen des Ventiles entsteht in der anschließenden Brennstoffleitung durch die Trägheit der in Bewegung befindlichen Brennstoffsäule ein Unterdruck, weicher die Kavitation zur Folge hat. Bei dem eingangs genannten bekannten Ventil

(deutsche Patentschrift 679 246) wird durch die Anordnung r Drosselstelle in öffnungsrichtung des VentilkT>rpers nach den Sitzf.ächen die Entstehung eines scharfen Strahles beim öffnen gegen hohen Druck nur unwesenlich gemildert. Das bekannte Ventil ist daher zusätzlich mit besonderen Reibungsflächen versehen, die zur Drosselung des Strahles dienen sollen. Diese stellen jedoch einen dauernd wirksamen erhöhten Strömungswiderstand dar, d.h. also auch in Ze träumen, wo man an einem möglichst kleinen Widerstand des /entiles interessiert wäre. Ferner weist die Drosselstelle beim bekannten Ventil auch noch einen während eines Teiles des Ventilhubes praKtisch konstanten Widerstand auf. Das führt zusammen mit dem Strömungswiderstand der Reibungsfiächen zu einer Verwischung der Steuerzeiten, wodurch der durch das Ventil ges e-ierte Einspritzvorj,ang ungenau wird.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil für eine Brennstoffeinspritzpumpe zu schaffen, bei dem Kavikations- und Erosionserscheinungen bei zugleich optimalen Verhältnissen im Hinblick auf die Strömungswiderstände sowie die Steuerung des Einspritzvorgangs weitgehend vermieden werden.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs erwähnten Steuerventil erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers gesehen vor dem Sitzflächenbereich liegende Drosselstelle durch eine ringförmige Schulter am Ventilsitzteil und einen ringförmigen Vorsprung am Ventilkörper gebildet wird, welch letzterer gegen die Schulter axial so versetzt angeordnet ist, daß sich der Querschnitt der Drosselstelle vom Hubbeginn des Ventilkörpers an sofort vergrößert, und daß die den zwischen dem Sitzflächenbereich und der Drossclstelle angeordneten, dem Abbau der Strörriungsenergie des Eirennstoffs dienenden Raum im Ventilkörper begrenzende Wandfläche derart konkav gekrümmt ausgebildet ist, daß ihr vcntilsilzseitiger Randbereich in Ventilöff-

^fio nungsrichtung gesehen geringfügig stärker gegen die Vcntilachse geneigt ist als die Sitzfläche des Ventilkörpers und der vorsprungseitig entgegen di.r Ventilöffnungsrichtung von der Ventilachse wegweisende Randbereich ein zn etwa senkrecht zu einer im Ventilsitzteil die Schulter bildenden Wandflikhc ausgerichteten Verlauf aufweist.

Bei einem derart ausgebildeten Steuerventil ist die hubabhängige Drosselstelle nur kurzzeitig wirksam.

seitige Randbereich der konkav gekrümmten Fläche 6 in Ventilöffnungsrichtung gesehen geringfügig stärker gegen die Ventilachse geneigt als die Sitzfläche 5 und bildet mit dieser einen Winkel α, der durch die Fertigung bedingt ist und so klein wie möglich sein sollte. In der Regel wird dieser Winkel 2 bis 5' betragen. Eine an den vorsprungseitigen Raiidbereich an die Fläche 6 im axialen Schnitt gelegte Tangente t weist entgegen der Ventilöffnungsrichtung gesehen von der Ventilachse weg. An der Stelle, wo bei auf seiner Sitzfläche 5 aufsitzendem Ventilkörper 1 die Tangente / den inneren Umriß des Ventilsitzteiles 3 trifft, ist der Ventilsitzteil 3 mit einer Fläche 17 versehen, die einen zur Tangente t etwa senkrechten

Beginn des Ventilhubs eine starke Verwirbelung des i₅ Verlauf aufweist. Die Fläche 17 erstreckt sich dabei
in das Ventil eintretenden Brennstoffs und damit in Ventilöffnungsrichtung gesehen derart weit, daß sie

auch bei geöffnetem Ventil, d. h.

d. h. in einem Augenblick, wo die höchsten Geschwindigkeiten auftreten. Dies ist der Fall, 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 ge- S steuerten Überströmventil kurz nach dem öffnen des Ventiles. Bei gehobenem Ventilkörper ist die Drosselung unwirksam und der Brennstoff kann im wesentlichen ungedrosselt abfließen. Infolge der konkav ausgebildeten Wandfläche des Ventilkörpers in Verbindung mit dem durch die Schulter und den ringförmigen Vorsprung gebildeten Drosselquerschnitt sowie die in diesem Bereich zusätzlich noch getroffenen strömungsbeeinfiussenden Maßnahmen wird zu

eine Herabsetzung der Strömungsenergie bei starker Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs im Bereich der Drosselstelle erreicht.

Kavikationssc'iäden werden hierdurch weitgehend vermieden und eine zusätzliche Dämpf! ng reflektierter Druckwellen erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein Steuerventil, links in geschlossener, rechts in geöffneter Stellung,

F i g. 2 und 3 Schnitte durch eine Brennstoffeinspritzpumpe bekannter Bauart mit je einem gesteuerten Saugventil und einem Überströmventil in Stellungen, die dem Anfang (Fig. 2) und dem Ende (Fig. 3) eines Einspritzvorganges entsprechen.

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion eines Steuerven:iles nach Fig. 1, welches als Saugventil dient und

Fi g. 5 ein Diagramm, für den Fall, daß das Ventil als Überströmventil dient.

Das in der Fig. 1 dargestellte Steuerventil enthält einen Ventilkörper 1 der mit seinem zylindrischen von der Tangente /

bei angehobenem Ventilkörper, getroffen wird.

Bei geöffnetem Ventil ist, wie aus dem rechten Teil der F i g. I hervorgeht, der ringförmige Vorsprung 7 am Ventilkörper 1 nach oben gegenüber der Schulter 14 des Ventilsitzteiles verschoben. Das hat zur Folge, daß sich der engste Querschnitt der Dross.istelle zwischen dem Vorsprung 7 und der Schulter 14, während der Hubbewegung des Ventilkörpers im öffnenden Sinn aus der dargestellten Stellur g nach oben sofort /u vergrößern beginnt. Bei einer umgekehrten Bewegung, d. h. bei einer Schließbewegung des Ventils, wird umgekehrt durch diese Maßnahme bis zum Erreichen eines minimalen aber endlichen Quer

eines

schnittes im Zeitpunkt des Aufsetzens des Ventils auf dem Ventilsitz 5 eine stetige Verengung des betreffenden Querschnitts erzielt.

In den F i g. 2 und 3 ist schematisch eine Brennstoffpumpe 20 bekannter Art dargestellt, die mit einem Saugventil 21 und einem Überströmventil 22 nach Art des in der Fig. 1 dargestellten Ventils versehen ist. Die Ventile sind in einem Gehäuse 23 ungeordnet, in welchem in einer Bohrung 24 ein Pum-

Ventilschaft 2 in einer entsprechenden Bohrung eines 40 penkolben 25 geführt ist. Der Kolben 25 wird in be-Ventilsitzteiles 3 geführt ist. Der Ventilkörper 1 ist kannter Weise durch einen Nocken 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 ferner ein Pumpenraum

mit einem tellerartig ausgeweiteten oberen Teil 4 mit einer j.tzfiäche fi versehen. An die Sitzfläche 5 schließt sich eine konkav gekrümmte Fläche 6 an,

die an einem ringförmigen Vorsprung 7 endet. An 45 31 ausgebildet, der über ein Druckventil 32 an eine

den ringförmigen Vo'-sprung 7 schließt" sich eine wei- nicht dargestellte Förderleitung angeschlossen ist, die

zu einem Einspritzventil führt. Das Saugventil 21 befindet sich in einem Eingangskanal 33, der an eine Brennstoltzubringeleitung

tere, ebenfalls konk;iv gekrümmte Fläche 8 an, die schließlich an der zylindrischen Fläche des Ventilschaftes 2 endet. Das antriebsseitige Ende des VentilkörpCiS ist in bekannter Weise mit einer ebenen oder leicht balligen Endfläche 9 versehen gegen die im Betrieh dei Steuernuchanismus stößt, um ilen Ventilkörper gegenüber dem Ventilsitzt anzuheben.

Der Ventilsitz 3 ist mit einer Sitzfläche IO versehen, die mit der Sitzfläche 5 des Ventilkörpers I :usnmmenwirkt. An die Sitzfläche 10 schließen sich zylindrische Flächen II, 12 an, die zusammen mit tlem Ventilkörper einen dem Abbau der Strömungsenergie des Brennstoffs dienenden Raum 13 begrenzen. Am unteren F.ndc des Raumes 13 befindet ^fio sich im Ventilsitzteil 3 eine ringförmige Schultern, welche zusammen mit dem ringförmigen Vorsprung des Ventilkörpers I eine Drosselstelle bildet. An die Schulter 14 im Vcntilsitzteil 3 schließt sich ein Hohlraum 15 an, aus welchem im Vcntilsitzteil angⁿ- ⁶S ordnete Bohrungen 16 nach außen in eine nicht dargestellte BrennstcTIeitimg führen. Wie aus der Zeichnung (Fig. I) hervorgeht, ist der ventilsit/.-nicht dargestellte BrennstolTzubringeleitung angeschlossen ist. Das Überströmventil 22 steuert gegen Ende des F.inspritzvorganges das Überströmen des Brennstoffs in einen Überströmkanal 34, der mit einer nicht dargestellten Überströmleitung verbunden ist.

Während eines Saughubes der Pumpe, el. h. hei einer Bewegung des Kolbens 25 nach unten, sind das Üherströnnentil 22 und das Druckventil 32 geschlossen. Das Saugventil 21 wird angehoben, so daß Brennstoff in die Pumpenkammer aus dem Kanal einströmen kann.

Bei einer Bewegung des Kolbens 25 nach oben, die in der Stellung beginnt, welche in der Fig. 2 dargestellt ist, wird zuerst ein Teil des in der Bohrung und in der Pumpenkainmer 31 befindlichen Brennstoffs durch das Saugventil 21 verdrängt, (ileichzeilig wird jedoch der Hebel 27 im Gogcnuhrzeigcrsimi ge

schwenkt und die Stoßstange 29 gesenkt. Das Schließbewegung des Ventils 21 /ur Folge

hai cmc In

Weise, wie der Slrümungsciuerschnill im Ventil 21 verkleinert wird, steigt der Druck in der Pumpenkiinitiicr 31 an. Kur/, vor dem .Schlichen des Ventilkörpers des Ventils 21 steigt der Druck in der l'timpcnkanimcr auf die Höhe des ÜITiuiugsilruckcs des Finspril/venlils, so daß der Hinspritzvorgang in den Zylinder der Brennkraftmaschine beginnt.

Gegen linde des Förderhubes slöBt die in/wischen muli oben bewegte Stoßstange 30 gegen den Venlilkörpcr ties Überströmventils 22 (siehe Fig. 3). In diesem Augenblick beginnt eine llubbcwegung ties I iberströmvenlils 22 im öffnenden Sinn, welche eine rasche Senkung des Brennstoffdruckes in tier l'iimpenkammer 31 zur Folge hai. Das Driickwulil 32 wirtl geschlossen und der Linsprilzvorgang ist beentlel. Weiterer, noch vom Kolben 25 verdrängter Brennstoff wird durch das Ventil 22 und den Überströmkanal 34 in die nicht dargestellte Übeislrömleilung abgeleitet.

Wie bereits erwähnt, herrscht in der letzten Phase ties Schließvorganges ties Säugventils 21 in der Pumpenk immer 31 tier hohe öffnungsdruck des IUnsprit/ventils. Der durch das Ventil 21 strömende Brennstoff hat daher eine sehr hohe Geschwindigkeit, welche sich mit einer Verkleinerung des Querschnitts /wischen den Sit/.llächen 10 und 5 des Ventils -i (Fig. I) vergrößert. Darauf schließt das Ventil. Die Strömung wird unterbrochen, die Brcnnstoffsäule reißt infolge der Massenkräfte des im Kanal 33 und den angeschlossenen Leitungen in Bewegung befindlichen Brennstoffs ab, was zu Kavitationsersciicinungen führt.

Beim Steuerventil nach der Fig. I verläuft, wenn es an der Stelle des Säugventils 21 verwendet wird, die Strömung des Brennstoffs kurz vor dem Schließen entlang der konkav gekrümmten Fläche 6 und stöl.U gegen die an der Schulter 14 des Ventilsitzteiles 3 ausgebildete Fläche 17. Die Strömungsenergie des BrennslolTs wird dabei durch Verwirbelung abgebaut. Da der Abfluß aus dem Raum 13 durch den Vorsprung 7 und die Schulter 14 behindert wird, besteht in diesem Raum ein erhöhter Druck. Wenn daher nach dem Aufsetzen des Ventilkörpers 1 die Strömung des BrennstolTs unterbrochen wird, kann im Raum 13 kein Vakuum entstehen, das zu Kavitation führen würde. Außerdem ist infolge vorangegangener Verwirbelung des Brennstoffs und Herabsetzung der kinetischen F.ncrgie die Auslriltsgesehwindigkcit aus der Diosselstcllc kurz vor dem Schließen des Ventils stark vermindert, woraus eine Verringerung reflektierter Druckwellen resultiert.

Bei Verwendung des Steuerventils nach F' i g. 1 als Überströmventil entsteht der erhöhte Druck im Raum 13 beim Öllnen des Ventils, und die kinetische Energie ties mit hoher Geschwindigkeit ausfließenden Brennstoffs wird in tier bereits erwähnten Weise durch Verwirbelung und Umsetzung in Wärme verringert. Dadurch werden neben Vermeidung von

lu Kavitation auch die Druckwellen in der (Iherslrönileitung gedämpft.

In tier Fig. -4 sind einige charakteristische Größen ties Ventils bei dessen Anwendung als Saugventil 21 dargestellt, und zwar über dem Winkel /VIC der Nockenwelle ties Nockens 26, kurz vor dem Schließen ties Ventils 21. Die Verhältnisse gelten einfachheilshalber Tür eine kurze Förderleitung, bei welcher dynamische Erscheinungen wie Druckwellen usw. nicht auftreten. Die Linie .v,, stellt dabei ilen Hub ties Ventilkörpers dar, welcher angenähert linear verläuft und zum Schluß tlen Wert Null erreicht. In tier gleichen Weise verläuft die Linie /,., welche den Ulf nungsquersehnitt des Ventils zwischen ilen Sitzflächen 5, 10 des Ventilkörpers und des Ventilsitzteiles darstellt und ebenfalls bis auf Null absinkt. Mit /_(/ ist tl'"r Drosselquerschnilt zwischen dem Vorsprung 7 und der Schulter 14 bezeichnet. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, ist bei voll geöffnetem Ventil der Drosselquerschnitt f_d ungefähr gleich groß wie der öflnungsquerschnitt /,. des Ventils. Mit abueiunenueiü vCfmiiiüu VCrKiCifiCFt SiCiI uiüSCF C/UCT- schnitt. erreicht jedoch nicht den Wert Null. Im gleichen Diagramm ist mit einer Linie ei die Fördermenge des Pumpenkolben 25 eingezeichnet, die allerdings von der Form der Flanke des Nockens 26 abhängig ist und einen beliebigen Verlauf haben kann. Weiterhin sind mit V₁, und v_rf die Geschwindigkeiten im Ventil und an der Drosselstclle bezeichnet; P_n und p,, bezeichnen die Drücke in der Pumpenkammer 31 bzw. im Raum 13. Mit p_ti ist der Öffnungsdruck des F.insprilzvcnlils bezeichnet, bei welchem die Einspritzung beginnt. Die nach dem Erreichen ties Öffnungsdruckcs p_lt durch das Ventil 21 nocl fließende Brennstoffmenge ist mit r/,. bcz' · 'inet.

In der F i g. 5 isl ein entsprechendes Diagramm füi die Verwendung des Steuerventils als Überströmventil tiargestellt. Die Bezeichnungen der Linien in die sem Diagramm entsprechen den Bezeichnungen n;id der ΙΊ g. 4.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Durch Stoßstange betätigtes Saug- bzw. Überströmventil für Brennstoffeinspritzpumpen für Kolbenbrennkraftmaschinen, bei dem im Pumpenraum befindlicher, unter Druck stehender Brennstoff über eine vom Ventilkörper und Ventilsitzteil gebildete, in Abhängigkeit vom Hub des Ventilkörpers sich ändernde Drosselstelle sowie einen vom Ventilkörper und dem Ventilsitzteil begrenzten, dem teiiweisen Abbau der Strömungsenergie des Brennstoffs dienenden Raum in die Saug- bzw. Überströmleitung abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die in Öffnungsrichtung des Ventilkörpers (1) gesehen vor dem Sitzf.a:henbereich (5, 10) liegende Drosselstelle durch eine ringförmige Schulter (14) am Ventilsitzteil (3) und einen ringförmigen Vorsprung (7) am Ventilkörper (1) gebildet wird, welch letzterer gegen die Schulter (14) axial so versetzt angeordnet ist. daß sich der Querschnitt der Drosselstelle (7, 14) vom Hi:bbeginn des Ventilkörpers (1) an sofort vergrößert, und daß die den zwischen dem Siizflächenbereich (S, 10) und der Drosselstelle angeordneten, dem Abbau der Strömungsenergie des Brennstoffs dienenden Raum (13) im Ventilköiper (1) begrenzende Wandfläche (6) derart 1onknv gekrümmt ausgebildet ist, daß ihr ventikJtzseitiger Randbereich in Ventilöffnungsrichtung gese.· en geringfügig stärker gegen die Ventilachse geneigt ist als die Sitzfläche (5) des Ventilkörpers (1) und der vorsprungseitig entgegen der Ventilöffnungsrichtung von der Ventilachse wegweisende Randbereich einen etwa senkrecht (Tangente t) zu einer im Ventilsitzteil (3) die Schulter (14) bildenden Wandfläche (17) ausgerichteten Verlauf aufweist.