DE3716524A1 - Einspritzsystem fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer Einspritzpumpe, welche einen axial beweglichen Pumpenkolben aufweist, der direkt oder indirekt mit einem Einspritznocken einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Nockenwelle zusammenwirkt.

Neue Entwicklungstendenzen im Motorbau verlangen Einspritzsysteme, die immer größere Fördervolumina bei möglichst guter Zerstäubung ermöglichen.

Aufgrund der bei bekannten Einspritzsystemen üblichen Proportionen von Kolbendurchmesser und Kolbenhub, sowie der gängigen Werte für die maximale Nockengeschwindigkeit v _m ergeben sich für die Kinematik des Einspritzsystems große Übertragungskräfte zwischen der Nockenoberfläche und dem Rollenstößel bzw. einem allfälligen Schlepphebel. Unter Nockengeschwindigkeit v versteht man dabei die zeitliche Änderung des Abstandes zwischen Nockenachse und Rollenachse, bezogen auf 1000 U/min.

Bei der Nockenauslegung müssen in der Regel Kompromisse eingegangen werden, u. a. um die zulässige Hertz'sche Pressung an der Nockenoberfläche nicht zu überschreiten, wodurch der freien Wahl der Nockenkontur gewisse Grenzen gesetzt sind.

Bei herkömmlichen Einspritzsystemen wird eine Erhöhung der Förderrate primär über eine Vergrößerung des Kolbendurchmessers und sekundär durch eine Vergrößerung der Geschwindigkeit des Kolbens zu erreichen versucht. Die Vergrößerung des Kolbendurchmessers bewirkt jedoch ein weiteres Ansteigen der Kräfte im Antrieb und eine Vergrößerung des Pumpenschadraumes. Dadurch steigt die mechanische und hydraulische Elastizität und nur ein Teil der Förderrate eines theoretisch unendlich steifen Systems wird tatsächlich erreicht. Die Randbedingungen für die Auslegung der Nockenwelle und der Einspritznocken werden durch das weitere Ansteigen der Kräfte zusätzlich verschlechtert. Das Ergebnis ist ein Absinken der Nockengeschwindigkeit v. Die genannten Nachteile gelten sowohl für Einspritzsysteme mit Pumpedüse, als auch für Einspritzsysteme mit einer mehr oder weniger langen Einspritzleitung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzsystem vorzuschlagen, welches auch für größere Förderleistungen geeignet ist, wobei die Kräfte im gesamten Antrieb und in der Pumpe des Einspritzsystems, bei gegebenem Einspritzdruck verkleinert werden sollen, sowie daß mechanische und hydraulische Elastizitäten minimiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verhältnis BH von Kolbendurchmesser zu maximalem Kolbenhub des Pumpenkolbens 0,96 bis 0,3 beträgt, sowie, daß das Verhältnis VH von maximaler Nockengeschwindigkeit v _m , ermittelt aus der zeitlichen Änderung des Nockenhubes des Einspritznockens bei einer Nockenwellendrehzahl von 1000 min^-1, zu maximalem Kolbenhub des Pumpenkolbens 190 bis 400 s^-1 beträgt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Einspritzsystemen, wo das Verhältnis BH größer oder gleich 1 ist, wird durch das vorgeschlagene Verhältnis BH =0,96 bis 0,3 ein der bekannten Entwicklung entgegengesetzter Weg beschritten, nämlich das Bohrungs-Hub-Verhältnis BH in die Richtung zu kleineren Werten zu verschieben. Durch die aus dem verkleinerten BH-Verhältnis resultierende Möglichkeit, die Nockenkontur ohne Überschreitung der zulässigen Hertz'schen Pressung neu zu gestalten, kann der Einspritznocken besser unterschiedlichen Erfordernissen angepaßt werden. Das Verhältnis VH von maximaler Nockengeschwindigkeit v _m , ermittelt aus der Änderung des Abstandes ds/dt zwischen der Nockenachse und der Rollenachse (beispielsweise eines Rollenstößels) mit der Zeit, bei 1000 U/min zu maximalem Kolbenhub beträgt dabei erfindungsgemäß 190 bis 400 s^-1. In Verbindung mit dem verkleinerten Kolbendurchmesser werden dadurch bei gleicher Förderrate die Kräfte im gesamten System verkleinert.

Aus den Hauptmerkmalen - Verkleinerung des Bohrungs- Hub-Verhältnisses des Stempels sowie Erhöhung der Nockengeschwindigkeit - resultieren eine Reihe von Vorteilen gegenüber bekannten Einspritzsystemen: so ergeben sich geringe Antriebskräfte im gesamten Pumpenantrieb bei gegebenem Druck im Pumpenarbeitsraum, sowie eine geringere mechanische Verformung im Antrieb. Die geringeren Kräfte und der vergrößerte Nockenhub führen zu günstigeren Randbedingungen für die Auslegung der Nockenkontur, wodurch höhere maximale Nockengeschwindigkeiten v _m erzielt werden können.

Durch die geänderten Proportionen läßt sich der Pumpenschadraum verkleinern, was zu einer geringeren hydraulischen Elastizität führt. In Verbindung mit der Verringerung der mechanischen Elastizität wird der Absteuerverlust der Einspritzpumpe verringert, wodurch sich der Pumpenwirkungsgrad - das Verhältnis Zerstäubungsarbeit zu Antriebsarbeit - gegenüber herkömmlichen Einspritzsystemen bis zu 35% verbessert.

Aufgrund des kleineren Durchmessers des Pumpenkolbens treten kleinere Durchmesseränderungen durch Druck- und Temperaturunterschiede auf, so daß das Kaltspiel verkleinert werden kann; gleichzeitig werden durch den größeren Förderhub die Dichtflächen vergrößert, womit insgesamt die Leckagen des Systems verringert werden.

Die genannten Vorteile gelten dabei für eine Einspritzpumpe beliebiger Bauart, sobald die erfindungswesentlichen kennzeichnenden Merkmale berücksichtigt werden, wobei es nebensächlich ist, ob die Einspritzpumpe Teil einer Pumpedüse ist, oder ob eine über Einspritzleitungen mit den Einspritzdüsen verbundene Einspritzpumpe vorliegt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einem Kolbendurchmesser größer oder gleich 13,5 mm das Verhältnis BH von Kolbendurchmesser zu maximalem Kolbenhub des Pumpenkolbens 0,78 bis 0,3 beträgt. Sehr günstige Ergebnisse im Sinne der oben angeführten Vorteile erreicht man bei Einspritzsystemen mit großem Kolbendurchmesser, wenn das Verhältnis BH gleich 0,78 bis 0,3 beträgt, andererseits ist es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil, wenn bei einem Kolbendurchmesser kleiner 13,5 mm das Verhältnis VH von maximaler Nockengeschwindigkeit v _m zu maximalem Kolbenhub des Pumpenkolbens 220 bis 400 s^-1 beträgt. Hier liegen dann VH-Werte vor, die im Zusammenhang mit den kleineren Übertragungskräften sehr geringe mechanische und hydraulische Elastizitäten zulassen.

Speziell für Pumpe-Leitung-Düse-Systeme haben sich dabei für verschiedene Durchmesser D des Pumpenkolbens folgende günstige Werte-Kombinationen ergeben:

D kleiner 8 mm, BH gleich 0,68 bis 0,3, D zwischen 8 und 10 mm, BH gleich 0,78 bis 0,3, D zwischen 10 und 13,5 mm, BH gleich 0,82 bis 0,3, D größer oder gleich 13,5 mm, BH gleich 0,75 bis 0,3.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Einspritznocken in einem Winkelbereich einen negativen Krümmungsradius aufweist, dessen minimaler Wert kleiner oder gleich dem zehnfachen Nockenhub ist. Besonders günstige Voraussetzungen für eine freie Wahl des Geschwindigkeitsverlaufes während der Einspritzung ergeben sich, wenn der negative Krümmungsradius ρ _m unter dem zehnfachen Nockenhub liegt. Der negative Krümmungsradius erstreckt sich dabei auf einen Winkelbereich von 16 bis 30°, typischerweise 21°.

Bei einem Einspritzsystem, bei welchem der Einspritznocken über einen Hebel, insbesondere einen Kipphebel, mit dem Pumpenkolben zusammenwirkt, ist schließlich in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß das Verhältnis i von maximalem Kolbenhub zu maximalem Nockenhub 0,95 bis 0,3 beträgt. Bei herkömmlichen Einspritzsystemen ist ein Übersetzungsverhältnis i gleich 1 bis 1,5 üblich. Besonders bei größeren Motoren ist eine Übersetzung, bei welcher der Kolbenhub größer ist als der Nockenhub, weit verbreitet. Durch die Umkehrung des Übersetzungsverhältnisses auf Werte zwischen 0,95 bis 0,3 werden die Kräfte im gesamten System weiter verringert, wodurch auch weniger Antriebsarbeit durch nicht rückgewinnbare elastische Verformung des Kipphebels verlorengeht und sich der Pumpenwirkungsgrad noch deutlicher verbessert. Aufgrund des geänderten Übersetzungsverhältnisses kann der Einspritznocken bzw. dessen Hub weiter vergrößert werden, die Kräfte an der Nockenoberfläche nehmen weiter ab, wodurch der Freiraum für die Gestaltung der Nockenkontur größer wird und trotz der Untersetzung noch höhere Kolbengeschwindigkeiten erreicht werden können.

Die gegenüber dem Stand der Technik auftretende Nockenvergrößerung läßt sich bei allen bekannten Einspritzsystemen in sinnvollen Grenzen realisieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 teilweise schematisch ein erfindungsgemäßes Einspritzsystem,

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Einspritzsystems und

Fig. 3 ein Detail aus den Fig. 1 und 2 in vergrößertem Maßstab.

Das in Fig. 1 dargestellte Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine weist eine Einspritzpumpe 1 auf, in deren Pumpenkörper 2 sich in einer Bohrung 3 ein axial beweglicher Pumpenkolben 4 befindet, dessen obere Totpunktstellung 5 strichliert eingezeichnet ist. In einer zur Bohrung 3 des Pumpenkörpers 2 koaxialen Bohrung 6 einer Führung 7 gleitet ein Stößel 8, der mit dem Pumpenkolben 4 zusammenwirkt, und an seiner dem Pumpenkolben abgewandten Seite eine Rolle 9 mit einer Achse 10 trägt, welche in der dargestellten Position des Pumpenkolbens am Grundkreis 11 des Einspritznockens 12, welcher eine Achse 13 aufweist, anliegt. Die höchste Erhebung der Nockenkontur 14 des Einspritznockens 12 über den Grundkreis 11 entspricht dem maximalen Nockenhub H _n . Der Pumpenkolben 4, welcher einen Durchmesser D aufweist, wird durch die Kolbenfeder 15 angehoben, wodurch die Zuleitung 16 in den Pumpenarbeitsraum 17 aufgesteuert wird. Der maximale Kolbenhub, bis zu seiner oberen Totpunktstellung 5, ist mit H _k bezeichnet. Die Druckleitung 18 führt entweder direkt oder über eine Einspritzleitung in die nicht dargestellte Einspritzdüse. Allfällige Rückschlagventile bzw. Absteuerventile in den Leitungen 16, 18 sind nicht dargestellt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Einspritzsystem ist die Rolle 9 an einem Kipphebel 19 befestigt, welcher über eine Stelze 20 mit dem Stößel 8 der Einspritzpumpe 1 zusammenwirkt. Die Lage der Achse 21 des Kipphebels 19 bestimmt das Verhältnis i von maximalem Kolbenhub H _k zu maximalem Nockenhub H _n mit 0,95 bis 0,3, wodurch eine Übersetzung ins Langsame realisiert wird.

Die Nockenkontur 14 des Einspritznockens 12 ist in Fig. 3 im Detail festgehalten. Sie weist im Winkelbereich ϕ einen negativen Krümmungsradius ρ auf, wobei der minimale Wert ρ _m kleiner oder gleich dem zehnfachen Nockenhub H _n ist. Innerhalb des Winkelbereiches, den die Strecke s zwischen der Achse 10 der Rolle 9 und der Achse 13 des Einspritznockens 12 überstreicht, befindet sich der Berührungspunkt der Rolle 9 im negativen Krümmungsbereich der Nockenkontur 14. Der Winkelbereich ϕ erstreckt sich dabei über 16 bis 30°. Aus der Änderung der Strecke s mit der Zeit, ergibt sich die Nockengeschwindigkeit v =ds/dt. Als Kenngröße gilt dabei das Verhältnis VH, welches sich aus dem Quotienten von maximaler Nockengeschwindigkeit v _m bei 1000 U/min und dem maximalen Nockenhub H _n errechnet.

Claims (5)

1. Einspritzsystem für Brennkraftmaschinen mit einer Einspritzpumpe, welche einen axial beweglichen Pumpenkolben aufweist, der direkt oder indirekt mit einem Einspritznocken einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Nockenwelle zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis BH von Kolbendurchmesser (D) zu maximalem Kolbenhub (H _k ) des Pumpenkolbens (4) 0,96 bis 0,3 beträgt, sowie daß das Verhältnis VH von maximaler Nockengeschwindigkeit v _m , ermittelt aus der zeitlichen Änderung des Nockenhubes (H _n ) des Einspritznockens (12) bei einer Nockenwellendrehzahl von 1000 min^-1, zu maximalem Kolbenhub (H _k ) des Pumpenkolbens (4) 190 bis 400 s^-1 beträgt.

2. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kolbendurchmesser (D) größer oder gleich 13,5 mm das Verhältnis BH von Kolbendurchmesser (D) zu maximalem Kolbenhub (H _k ) des Pumpenkolbens (4) 0,78 bis 0,3 beträgt.

3. Einspritzsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kolbendurchmesser (D) kleiner 13,5 mm das Verhältnis VH von maximaler Nockengeschwindigkeit v _m zu maximalem Kolbenhub (H _k ) des Pumpenkolbens (4) 220 bis 400 s^-1 beträgt.

4. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritznocken (12) in einem Winkelbereich ( ϕ ) einen negativen Krümmungsradius aufweist, dessen minimaler Wert ( ρ ) kleiner oder gleich dem zehnfachen Nockenhub (H _n ) ist.

5. Einspritzsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Einspritznocken über einen Hebel, insbesondere einen Kipphebel, mit dem Pumpenkolben zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis i von maximalem Kolbenhub (H _k ) zu maximalem Nockenhub (H _n ) 0,95 bis 0,3 beträgt.