DE2723969A1

DE2723969A1 - Kraftstoffeinspritzpumpe fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE2723969A1
Application number: DE19772723969
Authority: DE
Inventors: Josef Berg
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1977-05-27
Filing date: 1977-05-27
Publication date: 1978-11-30
Also published as: GB1586390A; FR2392245B1; JPS53147128A; FR2392245A1; US4234292A; DE2723969C2

Description

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5000 Köln 80, den 24. Mai 1977 Unser Zeichen: D 77/33 AG-XP R/Lo

Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen mit einem durch einen Nocken einer Nockenwelle über einen Schwinghebel betätigten, in einem Zylinder eines Pumpengehäuses axial verschiebbaren Kolben, der zur Regelung der Kraftstoffeinspritzmenge drehbar ist und am Umfang eine schräge Steuernut aufweist, die mit einer Steuerbohrung im Zylinder zusammenv/irkt, wobei der Schwinghebel gelenkig mit dem Pumpenkolben verbunden und in einigem Abstand davon durch eine Feder belastet ist.

Neuere Untersuchungen im Zusammenhang mit Bemühungen uir die Reduktion von Abgasemission und Kraftstoffverbrach führen unter anderem zur Steigerung des Einspritzdruckes. Unter dem Begriff "Hochdruckeinspritzung" versteht man heute die Einbringung des Kraftstoffes in den Brennraum mit Einspritzspitzendrücken ab ungefähr 800 bar, für Grunduntersuchungen werden jedoch Drücke über 2.000 bar angestrebt. Derartige hohe Einspritzdrücke bereiten Schwierigkeiten in bezug auf die Haltbarkeit der Kraftstoffeinspritzvorrichtungen und die Regelbarkeit der Kraftstoffeinspritzung über einen großen Regelbereich, wie er bei Kraftfahrzeugen üblich ist. Die Optimierung in bezug auf den Kraftstoffverbrauch, die Abgasqualität und das Geräusch erfordert eine Veränderbarkeit des Einspritzdrucks, der Einspritzzeit , des Einspritzpunkts usw.

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Bei heute gebräuchlichen Kraftstoffeinspritzpumpen (DT-AS 2 824) wird der Pumpenkolben vom Nocken einer Nockenwelle über einen Stößel nach außen gedrückt, wodurch der Kraftstoff über ein Einspritzventil in den Brennraum eingespritzt wird. Eine Rückstellfeder führt den Pumpenkolben nach der Kraftstoffeinspritzung auf der nacheilenden Nockenflanke in die Ausgangslage zurück. Da die Einspritzung zu einem Zeitpunkt erfolgt, wenn der Stößel sich im Bereich der tragfähigen Nockenflanke befindet und beendet ist, bevor er die Nockenkuppe erreicht, kann bei relativ kleinen Abmessungen ein hoher Einspritzdruck erzielt werden, ohne daß die zulässigen Flächenerpressungen an der Nockenlaufbahn überschritten werden. Allerdings ist zu berücksichtigen, daß bei dieser Pumpenbauart der Einspritzdruck nur für einen Betriebspunkt optimal ausgelegt werden kann und sich mit zunehmender Drehzahl und Last entsprechend den hydrodynamischen Verhältnissen des Einspritzsystems ändert. Das bedeutet, daß im niedrigem Drehzahlbereich und bei geringer Last mit Rücksicht auf die steigende Tendenz der Einspritzdruck niedriger liegen muß, als es für eine optimale Verbrennung wünschenswert ist. Dieser Umstand wirkt sich besonders bei Brennkraftmaschinen mit einem großen Betriebsbereich aus, z.B. bei Fahrzeugmotoren.

Es ist ferner eine Kraftstoffeinspritzpumpe der eingangs be-

2 schriebenen Art bekannt (deutsche Patentanmeldung M 85 29/46C 105), bei der der Nocken einer Nockenwelle den Pumpenkolben über einen Schwinghebel in die Ausgangslage zurückführt und gleichzeitig dabei eine Feder spannt, die den Schwinghebel belastet und den Förderhub des Pumpenkolbens bewirkt. Dadurch ist gewährleistet, daß der maximale Einspritzdruck durch die Federkraft begrenzt ist. Die Federcharakteristik und die Federvorspannung kann den Betriebsverhältnissen entsprechend angepaßt werden. Damit ein der max. Federspannung entsprechender Einspritzdruck erreicht wird, muß der Schwinghebel während des

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Einspritzvorgangs von der Nockenbahn abheben, so daß lediglich die am Schwinghebel angreifenden Feder-, Druck- und Massenkräfte im Gleichgewicht stehen. Das bedingt, daß der Nocken unmittelbar nach seiner höchsten Erhebung eine sehr steil abfallende Flanke aufweist.

Die für den Dieselmotorbetrieb notwendige Einhaltung des Einspritzzeitpunktes ist nur mit einem scharfkantigen Übergang von der höchsten Erhebung in die abfallende Flanke zu erreichen. Die schneidenförmige Umlenkung wird mit der maximalen Kraft belastet. Dabei treten bei höheren Einspritzdrücken Flächenpressungen auf, die mit keinem bekannten Werkstoff zu beherrschen sind. Hinzu kommt, daß nach der Entlastung des Pumpenkolbens vom Kraftstoffdruck am Ende der Einspritzung der Schwinghebel mit voller Federkraft auf die Nockenbahn aufschlägt und diese zerstört.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Ausnutzung max. Einspritzdrücke auch für den niedrigen Drehzahl- und Lastbereich eine Kraftstoffeinspritzpumpe zu schaffen, die relativ zum Bauaufwand und zur Baugröße eine hohe Standzeit aufweist und eine optimale Anpassung an unterschiedliche Betriebsverhältnisse zuläßt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kraftstoffeinspritzpumpe der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß der Schwinghebel zwischen dem Angriffspunkt der Feder und der Anlenkstelle des Pumpenkolbens mit einer Laufrolle auf dem Nocken läuft und die Feder den Schwinghebel in Förderrichtung gegen einen Anschlag drückt.

Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzpumpe betätigt der Nocken einer Nockenwelle über einen Schinghebel den Pumpenkolben. Solange der Einspritzdruck den durch die Feder und die Hebelabmessungen vorgegebenen Wert nicht übersteigt und somit der Schwing-

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hebel an dem Anschlag anliegt, arbeitet die Kraftstoffeinspritzpumpe im wesentlichen wie Kraftstoffeinspritzpumpen üblicher Bauart. Übersteigt jedoch der Kraftstoffeinspritzdruck den angegebenen Wert, hebt sich der Schwinghebel vom Anschlag ab und der Einspritzdruck ist allein durch die Federkraft begrenzt, bis die Steuernut des Kolbens die Steuerbohrung des Zylinders anschneidet. Nach der Druckentlastung des Pumpenkolbens geht der Schwinghebel unter Wirkung der Druckfeder in seine Ausgangslage zurück, während der Pumpenkolben durch eine Rückführfeder üblicher Bauweise zurückgeführt wird. Während des gesamten Einspritzvorganges liegt die Luftrolle an der Nockenbahn an und belastet diese nur im Bereich ihrer tragfähigen Flanke mit der max. Last, während im Bereich der Nockenkuppe die Kräfte infolge der Druckentlastung und der entgegenwirkenden Massenkräfte stark verringert ist.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Anschlag ein gehäusefestes Auflager ist, auf dem ein Ende des Schwinghebels schwenkbar gelagert ist, und daß der Angriffspunkt der Feder zwischen dem Auflager und der Laufrolle liegt. Dadurch ist es möglich, auf eine besondere Rückstellfeder zu verzichten. Die Druckfeder dient selbst als Rückstellfeder und erzeugt in bezug auf das Auflager ein rückstellendes Moment auf den Schwinghebel.

Der Anschlag kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung von einem Winkelhebel gebildet werden, der drehbar an der Schwingachse des Schwinghebels und im Gehäuse gelagert ist. Dadurch erhält man eine exakte Führung der Laufrolle unabhängig von der Führung des Schwinghebels durch den Stößel bzw. von der Anlenkung der Feder.

Zur Einstellung des Leerhubs und damit verbunden zur Grundeinstellung des Förderbeginns ist der Anschlag zweckmäßig veränderlich einstellbar.

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Grundsätzlich kann eine mechanische Feder verwendet werden, deren Federcharakteristik durch ihre Gestaltung, Veränderung der wirksamen Länge oder durch die Kombination mehrerer Federn den Betriebserfordernissen angepaßt werden kann, wobei der gewünschte Einspritzdruck durch eine entsprechende Vorspannung der Feder einstellbar ist. Zur besseren Regelbarkeit des Einspritzdruckes ist es jedoch vorteilhaft, daß gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Feder als hydraulische oder pneumatische Feder ausgebildet ist, oder eine Kombination einer mechanischen mit einer pneumatischen oder hydraulischen Feder verwendet wird. Die Charakteristik der Feder ist dabei durch die Verwendung von Drosseln und gesteuerten Druckänderungen in der Feder über entsprechende Regelorgane optimal den Betriebsverhältnissen anzupassen. Die Federn erhalten dabei im Vollastbereich eine Vorspannung, die ungefähr dem zulässigen Einspritzdruck entspricht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Federkraft und/oder Federcharakteristik in Abhängigkeit von maßgeblichen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine, z.B. Drehzahl, Last, Abgastemperatur, Schadstoffemissionswerte usw., veränderbar ist. Eine derartige Veränderbarkeit läßt sich durch bekannte Steuermittel, die den Druck der pneumatischen bzw. hydraulischen Feder beeinflussen, leicht erreichen.

Zur optimalen Auslegung der Federkräfte, der Federvolumen und der Flächenpressungen ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, daß die Feder und der Pumpenkolben mit ungleichen Hebelarmen zur Drehachse am Schwinghebel angreifen. Dadurch läßt sich eine besonders vorteilhafte Abstimmung von Kräften und Bauvolumen in bezug auf das Regelverhalten erzielen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

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Abb. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgetnäße Kraftstoffeinspritzpumpe -mit einem gehäusefesten Anschlag für einen Schwinghebel,

Abb. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzpumpe mit einem Anschlag, der von einem drehbar an der Schwingachse eines Schwinghebels und im Gehäuse gelagerten Winkelhebel gebildet wird.

Die Kraftstoffeinspritzpumpe besteht in üblicher Weise aus einem Pumpengehäuse 1, in das eine Zylinderbüchse 2 mit Steuerkanälen 3 eingesetzt ist. Die Zylinderbüchse 2 wird durch eine Druckverschraubung 4 mit einem Anschluß 5 für eine nicht näher dargestellte Druckleitung zu einem Kraftstoffeinspritzventil gehalten. In der Druckverschraubung 4 ist ein Druckventil 6 vorgesehen. Ein Pumpenkolben 7 ist in der Zylinderbüchse 2 axial verschiebbar gelagert. Er hat am Umfang eine schräge Steuernut 8, die über einen Kanal 9 mit einem Pumpendruckraum 17 in Verbindung steht und mit den Steuerkanälen 3 zusammenwirkt. Der Pumpenkolben 7 ist ferner durch eine Zahnstange 10 über eine Verstelleinrichtung 11 drehbar.

Der Antrieb des Pumpenkolbens 7 erfolgt von einer Nockenwelle mit einem Nocken 13 über einen Schwinghebel 14, an dem über eine Schubstange 15 ein Stößel 16 angelenkt ist. Dieser wiederum ist formschlüssig mit einem Ende des Pumpenkolbens 7 verbunden. Am Schwinghebel 14 ist eine Laufrolle 18 gelagert, die auf dem Nokken 13 läuft. Mit seinem freien Ende 19 liegt der Schwinghebel schwenkbar auf einem gehäusefesten Auflager 20,auf, das mittels eines Exzenters 21 verstellbar ist. Zwischen dem Auflager 20 und der Laufrolle 18 greift eine Feder 22 über einen Führungskolben 23 am Schwinghebel 14 an.

Der Führungskolben 23 ist in einem Zylinder 25 gelagert, der gleichzeitig der Federraum der Feder 22 ist, und über einen Verbindungskanal 26 mit einer hydropneumatisehen Druckfeder 27 verbunden ist. Die hydropneumatische Druckfeder 27 besteht aus einem Behälter, dessen hydraulischer Teil 28 mittels einer Hut-

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membran 29 vom pneumatischen Teil' 30 getrennt ist. Im Verbindungskanal 26 ist eine bei der Kraftstofförderung einseitig wirksame, veränderbare Drossel 31 angeordnet.

In Abbildung 2 sind die funktionsmäßig gleichwirkenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Ausführung nach Abbildung 2 unterscheidet sich jedoch von der nach Abbildung 1 dadurch, daß anstelle des gehäusefesten Auflagers 20 im Gehäuse ein Winkelhebel 32 schwenkbar gelagert ist. Mit seinem freien Ende ist der Winkelhebel 32 auf der Achse der Laufrolle 18 gelagert. Die Lagerstelle des Winkelhebels 32 im Gehäuse 1 ist mit 33 bezeichnet und kann über einen Exzenter verstellt werden· Der Winkelhebel 32 dient als Anschlag für den Schwinghebel 14, indem ein Querstift 34, der gleichzeitig zur Anlenkung einer Gelenkstange 24 des Führungskolbens dient, in der Kehle des Winkelhebels 32 zur Anlage gelangt.

Die Kraftstoffeinspritzpumpe wirkt wie folgt:

Von einer nicht näher dargestellten Kraftstofförderpumpe wird der Kraftstoff über die Steuerkanäle 3 in den Pumpendruckraum 17 der Kraftstoffeinspritzpumpe gefördert. Während des Hubs des Pumpenkolbens 7 werden die Steueröffnungen 3 vom Pumpenkolben zeitweise abgedeckt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Kraftstoffförderung über das Druckventil 6 in die Druckleitung und der Druckaufbau. Bei erreichen eines vorgebbaren Druckes öffnet das nicht näher dargestellte Kraftstoffeinspritzventil. Die Kraftstoffeinspritzung wird beendet, wenn der Pumpenkolben 7 mit seiner Steuernut 9 die Steuerkanäle 3 überläuft. Zu diesem Zeitpunkt fällt der Druck im Druckraum 17 ab und das Druckventil 6 schließt. Durch eine Drehung des Pumpenkolbens 7 mittels der Zahnstange und der Verstelleinrichtung 11 kann die Einspritzzeit und damit die Einspritzmenge verändert werden. Die Hubbewegung wird von

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dem Nocken 13 der Nockenwelle 12 bewirkt in dem der Nocken 13 die Laufrolle 18 und den mit ihr verbundenen Schwinghebel anhebt. Die Laufrolle 14 wird durch eine Feder 22 ständig gegen den Nocken 13 gedruckt, wobei der Schwinghebel 19 solange auf dem Auflager 19 ruht, wie das vom Einspritzdruck auf den Schwinghebel 14 ausgeübte Moment das von der Feder 22 ausgeübte Moment nicht übersteigt. In diesem Arbeitsbereich arbeitet die Kraftstoff einspritzpumpe wie bekannte und bewährte Kraftstoffeinspritzpumpen. Übersteigt jedoch das vom Einspritzdruck ausgeübte Moment auf den Schwinghebel 14 das von der Feder 22 ausgeübte Moment, hebt der Schwinghebel 14 mit seinem Ende 19 vom Auflager 20 ab und der Einspritzdruck nimmt unabhängig von den dynamischen Kräften im Einspritzsystem nur noch in Abhängigkeit der Federcharakteristik der Federn 22 und 27 zu. Durch die Veränderung der Federcharakteristiken und der Vorspannung der Federn läßt sich der Einspritzdruck in seiner Höhe und auch in seinem Druckverlauf in weiten Grenzen den Forderungen für einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine anpassen. Die Veränderung der Federcharakteristik läßt sich besonders leicht durch die Anwendung hydropneumatischer Federn variabel und steuerbar gestalten. So kann durch die Anordnung von Drosseln und anderen Steuerorganen jede beliebige Federcharakteristik in Abhängigkeit der zu beeinflussenden Betriebsparameter erreicht werden.

Um eine optimale Fördergeschwindigkeit und einen möglichst hohen Druckanstieg als Ausgangswert zu erhalten, der durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen abgeregelt werden kann, ist die Verwirklichung großer Nockenhöhen und einer Hebelübersetzung vorteilhaft, durch die große Leerhübe und hohe Fördergeschwindigkeiten erzielt werden können. Eine einfache Einstellung des Leerhubs erfolgt durch die Verstellung des Auflagers 20 mittels eines Exzenters bzw. bei der Ausführung nach Abbildung 2 durch die Verlagerung dor Lagerstelle 33 des Winkelhebels 32.

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Die Auslegung der Kraftstoffeinspritzpumpe hat so zu erfolgen, daß bei Nenndrehzahl und Vollast die erforderliche Kraftstoffmenge mit dem max. zulässigen Einspritzdruck in der zur Verfügung stehenden Zeiteinheit eingespritzt wird und daß die Einspritzgeschwindigkeit bei kleinen Fördermengen und Drehzahlen noch so hoch ist, daß annähernd der max. Einspritzdruck erreicht werden kann.

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Claims

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Patentansprüche

(l.) Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen mit einem durch einen Nocken einer Nockenwelle über einen Schwinghebel betätigten, in einem Zylinder eines Pumpengehäuses axial verschiebbaren Kolben, der zur Regelung der Kraftstoffeinspritzmenge drehbar ist und am Umfang eine schräge Steuernut aufweist, die mit einer Steuerbohrung im Zylinder zusammenwirkt, wobei der Schwinghebel gelenkig mit dem Pumpenkolben verbunden und in einigem Abstand davon durch eine Feder belastet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinghebel (14) zwischen dem Angriffspunkt der Feder (22) und der Anlenkstelle des Pumpenkolbens (7) mit einer Laufrolle (18) auf dem Nocken (13) läuft und die Feder (22) den Schwinghebel (14) in Förderrichtung gegen einen Anschlag drückt.
2. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag ein gehäusefestes Auflager (20) ist, auf dem ein Ende (19) des Schwinghebels (14) schwenkbar gelagert ist, und daß der Angriffspunkt der Feder (22) zwischen dem Auflager (20) und der Laufrolle (18) liegt.
3. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag von einem Winkelhebel (32) gebildet wird, der drehbar an der Schwingachse des Schwinghebels (14) und im Gehäuse (1) gelagert ist.
4. Kraftstoffeinspritzpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag veränderlich einstellbar ist.

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5. Kraftstoffeinspritzpumpe 'nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Feder als hydraulische oder pneumatische Feder (27) ausgebildet ist.
6. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Kombination einer mechanischen(22) mit einer pneumatischen oder hydraulischen Feder (27).
7. Kraftstoffeinspritzpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Charakteristik der Feder (22, 27) veränderbar ist.
8. Kraftstoffeinspritzpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (27) mit einer einseitig wirksamen, einstellbaren Drossel (31) verbunden ist.
9. Kraftstoffeinspritzpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (22, 27) eine Vorspannung erhält, die ungefähr dem max. zulässigen Einspritzdruck entspricht.
10. Kraftstoffeinspritzpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft und/oder Federcharakteristik in Abhängigkeit von maßgeblichen Betriebskenngrößen der Brennkraftmaschine, z.B. Drehzahl, Last, Abgastemperatur, Schadstoffemissionswerte usw., veränderbar ist.
11. Kraftstoffeinspritzpumpe nacheeinem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (22) und der Pumpenkolben (7) mit ungleichen Hebelarmen zur Drehachse am Schwinghebel (14) Eingreifen.

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