DE3801929C2 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstoffein­ spritzeinrichtung, insbesondere für direkt einspritzende Diesel-Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei bekannten Kraftstoffeinspritzeinrich­ tungen, die insbesondere für direkt einspritzende Die­ sel-Brennkraftmaschinen als sogenannte Pumpedüsen ausgebildet sind, bei denen also die Hochdruckpumpe und die Einspritzdüse zu einem Bauteil zusammenge­ faßt sind, ist im allgemeinen der Anstieg des Einspritz­ druckes und dessen Höhe abhängig von dem Hub des Pumpenkolbens, der beispielsweise von einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Nockenwelle betä­ tigt wird. Der Anstieg des Einspritzdruckes und damit auch der Zeitpunkt, in dem die Einspritzdüse öffnet und damit der Einspritzvorgang beginnt, sind somit bezogen auf den Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine festge­ legt. Das Einspritzende wird dagegen durch frühere oder spätere Verbindung des Pumpenarbeitsraums mit der Einlaßleitung durch Drehung des Pumpenkolbens in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftma­ schine, beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, verändert.

Aus der gattungsgemäßen DE-33 00 876 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einer Verteilereinspritzpumpe für mehrere Einspritzdüsen bekannt, an deren von dem Einspritzdruck beaufschlagten Pumpenarbeitsraum eine entgegen der Wirkung von Federn verstellbare Steuerkolbenanordnung zur Steuerung des Einspritzdruckes angeschlossen ist.

Diese Steuerkolbenanordnung dient zur Formung einer Vor- und einer Hauptein­ spritzung, wobei insbesondere in allen Betriebsbereichen bzw. Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine eine optimale Voreinspritzmenge erzielt werden soll.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine Einflußmöglichkeit auf den Verlauf des Einspritzdruckanstieges und damit auf den Beginn der Kraftstoffeinspritzung nehmen zu kön­ nen, wobei auch dieser Einfluß beispielsweise drehzahl­ abhängig gestaltet werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1. Erfindungsgemäß wird also eine von dem Einspritzdruck beaufschlagte Steuerkolbenanordnung vorgesehen, die vorzugsweise aus zwei durch eine Druckfeder gekoppelten Steuerkol­ ben besteht, wobei der erste Steuerkolben in einem er­ sten Arbeitsbereich zur drehzahlabhängigen Steuerung des Einspritzdruckanstieges herangezogen wird und der zweite Steuerkolben eine Begrenzung der erreichbaren Höhe des Einspritzdruckes durchführt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Merkmalen der Unteransprüche angegeben und werden im folgenden anhand der Beschreibung des in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels der Er­ findung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild der erfindungsge­ mäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung und

Fig. 2 in einem Diagramm des Druckes über dem Kurbelwinkel den Verlauf des Einspritzdruckes der er­ findungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung.

In der Fig. 1 der Zeichnung ist mit 1 eine beispielswei­ se als Pumpenteil einer Pumpedüse ausgebildete Hoch­ druck-Kolbenpumpe angegeben, deren Pumpenkolben 2 sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrich­ tung angetrieben wird. Dabei bewirkt der axiale An­ trieb, der beispielsweise von einer mit Nocken versehe­ nen Nockenwelle ausgeführt wird, einen Kolbenhub des Pumpenkolbens 2 in einer Zylinderbohrung 4 des Ge­ häuses 3, so daß in einem mit 5 bezeichneten Pumpenar­ beitsraum ein Druck erzeugt wird. Ein zweiter, hier ebenfalls nicht gezeigter Antrieb verdreht den Pumpen­ kolben 2 in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, beispielsweise in Abhängigkeit von Last und Drehzahl, wodurch gegen Ende des Pum­ penhubs eine an dem Pumpenkolben 2 vorgesehene, schräg zur Umfangsrichtung verlaufende Steuerkante 12 eine in dem Gehäuse 3 vorgesehene Zulaufbohrung 11 früher oder später aufsteuert, so daß durch Verbin­ dung des Pumpenarbeitsraums 5 über eine an dem Pum­ penkolben 2 vorgesehene Nut 13 mit der Zulaufboh­ rung 11 der in dem Pumpenarbeitsraum 5 erzeugte Ein­ spritzdruck zum Zusammenbrechen und damit der Ein­ spritzvorgang zum Ende gebracht wird.

Von dem Pumpenarbeitsraum 5 geht ein Druckkanal 6 ab, der in einen Hochdruckraum 7 mündet, von dem aus eine hier nicht gezeigte Hochdruckleitung zu der Einspritzdüse führt. Die Einmündung des Druckkanals 6 in den Hochdruckraum 7 wird durch ein Druckventil gesteuert, das hier aus einem Kugelventil 8 gebildet ist, das von einer auf einen Ventilteller 10 lastenden Ventil­ feder 9 solange in Schließstellung gehalten wird, wie der Druck in dem Pumpenarbeitsraum 5 unterhalb eines vorgegebenen Druckniveaus liegt. Der Öffnungsdruck des Druckventils 8 liegt aber in jedem Fall unterhalb des zur Öffnung der Einspritzdüse erforderlichen Düsenöff­ nungsdrucks.

Über eine Anschlußleitung 14 ist weiterhin noch eine insgesamt mit 15 bezeichnete Steuerkolbenanordnung an den Pumpenarbeitsraum 5 angeschlossen. Diese Steuerkolbenanordnung 15 besteht im wesentlichen aus zwei in Zylinderbohrungen 16 und 17 unterschiedlichen Durchmessers gleitenden Steuerkolben 18 und 19, die über eine zwischen beiden Steuerkolben angeordnete Druckleder 24 miteinander gekoppelt sind. Während der zweite Steuerkolben 19 von einer in einem Feder­ raum 22 angeordneten Rückstellfeder 21 zur Anlage an einer Gehäuseschulter 20 in der Zeichnung nach links gedrückt wird, wird der erste Steuerkolben 18 von dem in einem Druckbeaufschlagungsraum 33 herrschenden, über die Verbindungsleitung 14 und eine evtl. vorhande­ ne Drossel 14a zugeführten Einspritzdruck sowie von einer Feder 32 in der Zeichnung nach rechts zumindest bis zur Anlage an der Druckfeder 24 belastet. An den einander zugewandten Stirnseiten der beiden Steuer­ kolben 18 und 19 sind eine Ventilfläche 27 und eine Sitzfläche 23 zur Bildung einer Ventilanordnung vorge­ sehen, die den Durchtritt von Druckmittel durch eine an der Ventilfläche 27 mündende Drosselbohrung 29 des ersten Steuerkolbens 18 verschließt. Diese Drosselboh­ rung 29 ist dabei im Stirnbereich des als Hohlkolben mit einer Sacklochbohrung 34 versehenen er­ sten Steuerkolbens 18 angeordnet und verbindet bei den Druckbeaufschlagungsraum 33 mit einem zwischen den beiden Steuerkolben 18 und 19 gebildeten Raum 30. In diesem Raum 30 ist auch die Druckfeder 24 gehalten, die sich mit einem Ende auf einer planen Stirnseite 26 des ersten Steuerkolbens 18 und mit ihrem anderen En­ de am Grund einer Ausnehmung 25 des zweiten Steuer­ kolbens 19 abstützt. Der Raum 30 ist schließlich über eine in dem zweiten Steuerkolben 19 angeordnete Längsbohrung 31 mit dem Federraum 22 verbunden, der über eine Verbindungsleitung 23 mit der Einlaßlei­ tung 11 in Verbindung steht.

An die Einlaßleitung 11 ist weiterhin noch eine Ver­ bindungsleitung 36 angeschlossen, die im Bereich der Zylinderbohrung 16 der Steuerkolbenanordnung 15 ein­ mündet. Diese Verbindungleitung 36 kann bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel mit einer an dem ersten Steuerkolben 18 vorgesehenen Querbohrung 35 zusam­ menarbeiten, die auch als Drosselbohrung ausgebildet sein kann.

Die Funktion und Wirkungsweise der in der Fig. 1 der Zeichnung gezeigten Kraftstoffeinspritzeinrichtung soll nun nachfolgend unter Heranziehung des in der Fig. 2 gezeigten Diagramms des Einspritzverlaufes über dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine näher erläutert werden. Ausgehend von einer Ausgangsstellung der Hochdruck-Kolbenpumpe 1, bei der der Pumpenkolben 2 so weit zurückgezogen ist, daß die stirnseitige Steuer­ kante 2a des Pumpenkolbens 2 die im Gehäuse 3 ange­ ordnete Zulaufleitung 11 öffnet, verschließt der bei­ spielsweise durch eine Nockenwelle angetriebene Pum­ penkolben 2 bei seinem Hub zunächst diese Zulaufboh­ rung 11. Im Pumpenarbeitsraum 5 kann sich dann ein Druck aufbauen, der das Druckventil 8 gegen die Wir­ kung der Ventilfeder 9 öffnet. Über den Druckkanal 6, den Hochdruckraum 7 und die hier nicht gezeigte Hoch­ druckleitung erreicht der Druck die Einspritzdüse und hebt nach Erreichen des Abspritzdruckes der Einspritz­ düse deren Düsennadel vom Düsennadelsitz ab. Auf die­ se Weise kann der unter dem von dem Pumpenkolben erzeugten Einspritzdruck stehende Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wer­ den.

Der Einspritzvorgang wird dann dadurch beendet, daß gegen Ende des Arbeitshubes des Pumpenkolbens 2 die schräg zur Umfangsrichtung des Pumpenkolbens verlaufende Steuerkante 12 die Zulauföffnung 11 wie­ derum aufsteuert, so daß diese über die Nut 13 mit dem Pumpenarbeitsraum 5 in Verbindung gebracht wird und der darin erzeugte Einspritzdruck zusammenbricht. Durch Verdrehung des Pumpenkolbens 2, was im we­ sentlichen in Abhängigkeit von der Last der Brennkraft­ maschine durchgeführt wird, erfolgt diese Aufsteuerung der Zulaufleitung 11 bezogen auf den Kurbelwinkel der Brennkraftmaschine früher oder später, so daß durch Verschiebung des Einspritzendes die Einspritzdauer und die Einspritzmenge variiert werden kann.

Damit aber auch der Einspritzbeginn, das heißt der Zeitpunkt, an dem die Düsennadel der Einspritzdüse von dem Düsennadelsitz abgehoben wird, verändert werden kann, ist die Steuerkolbenanordnung 15 vorge­ sehen, die über die gegebenenfalls mit der Drossel 14a versehene Verbindungsleitung 14 mit dem in dem Pum­ penarbeitsraum 5 erzeugten Druck beaufschlagt wird. Dieser Druck, der auch in dem Druckbeaufschlagungs­ raum 33 herrscht, belastet zunächst den ersten Steuer­ kolben 18 und versucht diesen gegen die Wirkung der Druckfeder 24 in Richtung auf den zweiten Steuerkol­ ben 19 zu verschieben. Dieser zweite Steuerkolben 19 wird dabei von der Rückstellfeder 21 deren Federkraft wesentlich größer als die der Druckfeder 24 ist, gegen die Gehäuseschulter 20 gedrückt. Im Stirnbereich des ersten Steuerkolbens 18 befindet sich aber die Drossel­ bohrung 29, über die ständig der als Druckmittel dienen­ de Kraftstoff aus dem Druckbeaufschlagungsraum 33 in den Raum 30 und von dort über die Längsbohrung 31 in den Federraum 22 bzw. über die Verbindungsleitung 23 zur Zulaufleitung 11 abfließt. In dieser Zulaufleitung herrscht nämlich ein von einer Förderpumpe eingestell­ tes Druckniveau, das wesentlich niedriger als der von der Hochdruck-Kolbenpumpe 1 erzeugte Einspritz­ druck ist.

Die Drosselwirkung der Drosselbohrung 29 beein­ flußt nun den Anstieg des Kraftstoffdrucks in dem Druckbeaufschlagungsraum 33 und damit auch in dem Pumpenarbeitsraum 5. Während bei kleinen Drehzah­ len der Brennkraftmaschine, bei denen sich der Hub des Pumpenkolbens 2 über eine größere Zeitdauer er­ streckt als bei höheren Drehzahlen, verhältnismäßig viel Kraftstoff abfließen kann, so daß der Druckanstieg rela­ tiv flach ist, kommt bei höheren Drehzahlen und damit kurzzeitigeren Kolbenhüben die Drosselwirkung der Drosselbohrung 29 immer mehr zum tragen, indem we­ niger Kraftstoff abfließt und sich infolgedessen ein im­ mer steilerer Druckanstieg ergibt. Dieses unterschied­ lich steile Anstiegsverhalten des Einspritzdruckes er­ folgt jedoch nur so lange, bis der Einspritzdruck einen Wert erreicht, der ausreicht, den ersten Steuerkolben 18 gegen die Wirkung der Druckfeder 24 bis zur Anlage an dem zweiten Steuerkolben 19 zu verschieben. In dem Moment der Anlage wird die Drosselbohrung 29 durch die einander zugeordneten Ventil- und Dichtflächen 27 bzw. 28 an den einander zugewandten Stirnseiten des ersten und zweiten Steuerkolbens 18 und 19 verschlos­ sen, so daß ein weiterer Kraftstoffaustritt nicht mehr möglich ist.

In der Folge steigt der Einspritzdruck in dem Pum­ penarbeitsraum 5 ungedämpft an bis zu einem Wert, der von der Vorspannung der Rückstellfeder 21 abhängt. Bei Überschreitung dieses Wertes werden beide Steuer­ kolben 18 und 19 gemeinsam entgegen der Wirkung der Rückstellfeder 21 in der Zeichnung nach rechts ge­ drückt, wodurch ein durch die Kennlinie der Rückstell­ feder 21 bestimmter, beispielsweise sehr flacher Ein­ spritzdruckanstieg erreicht wird, der praktisch einer Kraftbegrenzung gleichkommt. Dieser Einspritzdruck­ anstieg kann so lange erfolgen, bis von der Steuerkante 12 des Pumpenkolbens 2 die Zulaufleitung 11 aufgesteu­ ert und damit der Einspritzvorgang beendet wird. Eine andere Möglichkeit der Beendigung des Einspritzvor­ gangs besteht darin, daß über die Querbohrung 35 an dem ersten Steuerkolben 18 der Steuerkolbenanord­ nung 15 eine Verbindung zwischen dem Druckbeauf­ schlagungsraum 33 und der Verbindungsleitung 36 her­ gestellt wird, die mit der Zulaufleitung 11 in Verbindung steht. Anstelle der Querbohrung 35 könnte dabei auch die in der Zeichnung linke Stirnseite des ersten Steuer­ kolbens 18 als Steuerkante dienen. Gegebenenfalls könnte die Querbohrung 35 aber auch als Drosselboh­ rung ausgebildet sein, wodurch dann kein schlagartiges Zusammenbrechen des Einspritzdruckes erfolgen wür­ de, sondern vielmehr eine Begrenzung des Einspritz­ druckes auf einen konstanten Wert erreicht wird.

In der Fig. 2 ist nun der Druckverlauf des Einspritz­ druckes über dem Kurbelwinkel der Brennkraftmaschi­ ne angedeutet. Dabei ist mit der ausgezogenen Linie 41 ein Verlauf des Einspritzdruckes angegeben, wie er sich ohne die Drosselbohrung 29 bzw. bei sehr hoher Dreh­ zahl der Brennkraftmaschine ergeben würde, wenn die Drosselstelle 29 praktisch keinen Kraftstoff mehr durchläßt. Gegenüber diesem Verlauf des Einspritz­ druckes bei sehr hohen Drehzahlen ergibt sich der Ver­ lauf des Einspritzdruckes bei niedrigeren Drehzahlen durch die in der Zeichnung mit 44 bzw. 45 bezeichneten Linien. Diese unterscheiden sich insbesondere in dem Winkel, mit dem sie im ersten Bereich des Druckanstie­ ges bis zu dem mit p_A angegebenen Anlegedruck anstei­ gen, der dann erreicht ist, wenn der erste Steuerkolben 18 an dem zweiten Steuerkolben 19 zur Anlage kommt.

Der weitere Verlauf des Druckanstieges zwischen den Druckwerten p_A und p_Gr, das heißt dem Begren­ zungsdruck, bei dem die Steuerkolbenanordnung 18, 19 beginnt, gegen die Wirkung der Rückstellfeder 21 in der Zeichnung nach rechts zu wandern, ist dagegen jeweils parallel zur Linie 41, da hier der Druckanstieg bei ver­ schlossener Drosselbohrung 29 erfolgt. Mit 42 ist der Druckverlauf angedeutet, wie er sich durch die von der Rückstellfeder 21 bewirkte Druckbegrenzung ergibt. 43 bezeichnet den Abfall des Einspritzdruckes, wenn nach Öffnen der Verbindungsleitung 35 der Einspritzdruck in dem Pumpenarbeitsraum 5 zusammenbricht. 46 schließ­ lich deutet mit unterbrochenen Linien den Druckverlauf des Einspritzdruckes ohne die erfindungsgemäße Steu­ erkolbenanordnung 15 an, bei dem also weder eine Be­ grenzung der Höhe des Einspritzdruckes noch eine drehzahlabhängige Veränderung des Einspritzdruckan­ stieges vorgenommen wird. Im übrigen wird durch die Veränderung des Einspritzdruckanstieges sowohl eine Veränderung der eingespritzten Kraftstoffmenge als auch eine Verschiebung des Einspritzbeginns, bezogen auf das Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine, erreicht, da ja der zum Öffnen der Düsennadel der Einspritzdüse erforderliche Öffnungsdruck, der größer als der Anlege­ druck, aber kleiner als der Begrenzungsdruck p_Gr ist, dann bei unterschiedlichen Kurbelwinkelgraden er­ reicht wird.

Schließlich sei noch darauf hingewiesen, daß die Steu­ erkolbenanordnung 15, die hier alt gesonderte Anord­ nung neben der Pumpedüse 1 dargestellt ist, mit Vorteil auch beispielsweise innerhalb der Pumpedüse und hier sogar innerhalb des Pumpenkolbens 2 angeordnet sein kann. Auf diese Weise könnte eine sehr kompakte und kleinbauende Kraftstoffeinspritzeinrichtung erreicht werden, die insbesondere bei Einsatz einer Pilot- oder Voreinspritzung umfangreiche Gestaltungsmöglichkei­ ten des Einspritzdruckverlaufes ermöglicht.

Claims (13)

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere für direkt einspritzende Diesel-Brennkraftmaschinen, mit einer von der Brennkraftmaschine angetriebe­ nen Hochdruck-Kolbenpumpe, deren Pumpenkol­ ben in einem Pumpenarbeitsraum einen über ein Leitungssystem einer Einspritzdüse zuführbaren Einspritzdruck erzeugt, und mit einer von dem Einspritzdruck entgegen der Wirkung von Federn (21, 24) verstellbaren Steuer­ kolbenanordnung (15) zur Steuerung des Einspritzdruckes, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkolbenan­ ordnung (15) in einem ersten Arbeitsbereich mit einem ersten, von dem Einspritzdruck beaufschlagten Steuerkolben (18) einen in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraft­ maschine veränderlichen Anstieg des Einspritz­ druckes über dem Kurbelwinkel der Brennkraftma­ schine und in einem zweiten Arbeitsbereich mit einem mit dem ersten gekoppelten zweiten Steuerkolben (19) einen über dem Kurbelwinkel konstanten Anstieg des Einspritzdruckes steuert.

2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkolbenan­ ordnung (15) in einem dritten Arbeitsbereich eine Begrenzung des Einspritzdruckes auf einen vorge­ gebenen Wert steuert.

3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkolbenanordnung (15) den ersten Steuerkolben (18) und den zweiten, mit diesem unter Zwischen­ schaltung einer Druckfeder (24) gekoppelten Steu­ erkolben (19) aufweist, der mit dem ersten Steuer­ kolben zur Bildung einer Ventilvorrichtung (27, 28) zusammenwirkt, die zur Versperrung einer zwi­ schen einem mit dem Einspritzdruck beaufschlag­ ten Druckbeaufschlagungsraum (33) und einem Auslaßraum (22, 30) angeordneten Drosselbohrung (29) ausgebildet ist.

4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Steuerkol­ ben (19) von einer die Druckbegrenzung bewirken­ den Rückstellfeder (21) belastet ist, deren Feder­ kraft größer als die Federkraft der Druckfeder (24) ist.

5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Steuerkolben (18) an seiner dem zweiten Steuer­ kolben (19) zugewandten Stirnseite eine Ventilflä­ che (27) aufweist, die mit einer an dem zweiten Steuerkolben vorgesehenen Sitzfläche (28) zur Bil­ dung der Ventilvorrichtung zusammenwirkt.

6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselbohrung (29) im Bereich der Ventilfläche (27) des ersten Steuerkolbens (18) angeordnet ist.

7. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem zweiten Steuerkolben (19) Mittel (31) zur Ver­ bindung des zwischen den beiden Steuerkolben be­ findlichen Raumes (30) mit einem die Rückstellfe­ der (21) aufnehmenden, mit einem Auslaß (11, 23) verbundenen Federraum (22) vorgesehen sind.

8. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel durch eine in dem zweiten Steuerkolben (19) angebrachte Axi­ albohrung (31) gebildet sind.

9. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem ersten Steuerkolben (18) Mittel (35) zur Auf­ steuerung einer Verbindung zwischen dem Druck­ beaufschlagungsraum (33) und einer Auslaßleitung (36) nach Erreichen eines vorgegebenen Verstell­ weges der Kolbenanordnung (15) vorgesehen sind.

10. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel durch eine an der dem zweiten Steuerkolben (19) abge­ wandten Stirnfläche des ersten Steuerkolbens (18) vorgesehene Steuerkante gebildet sind.

11. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel durch eine an dem ersten Steuerkolben (18) vorgesehene Bohrung (35) gebildet sind.

12. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (35) als Drosselbohrung ausgebildet ist.

13. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkolbenanordnung (15) in dem Pumpen­ kolben angeordnet ist.