DE3807965C2 - Pumpedüse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Pumpedüse für eine Kraftstoffeinspritzeinrich­ tung, insbesondere von direkt einspritzenden Diesel-Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Pumpedüsen sind bekannt aus DE-A 33 18 010 und 34 23 340. Bei solchen Einspritzeinrichtungen erfolgt die Einspritzung der gesamten, je Arbeitshub zuzuführenden Kraftstoffmenge in einem einzigen Einspritzvorgang. Zur schnellen und sauberen Abbrechung des Einspritzvorganges ist in der DE 34 23 340 A ein Steuerventil vorgesehen, das den Einspritzvorgang elektromechanisch unterbricht, um die Einspritzung in einem darauffolgenden Einspritzvorgang wieder freizugeben. In der DE 33 18 010 A sind in der Einspritzpumpe Steueröffnungen vorgesehen, die den Einspritzzeitpunkt steuern. Der Einspritzdruck wird erst nachdem diese Steueröffnungen eine Ringnut passiert haben, aufgebaut. Trotz der Steuerungen der Einspritzvorgänge sind die Verbrennungsgeräusche solcher, insbesondere als direkt einspritzende Dieselmaschinen ausgeführten Brennkraftmaschinen, relativ laut, da der Anstieg des Verbrennungsdruckes unter anderem von der Menge des in einer bestimmten Zeiteinheit eingespritzten Kraftstoffes abhängt. Prinzipiell ist es daher auch schon bekannt, zur Verringerung des Verbrennungsgeräusches solcher Diesel-Brennkraftmaschinen die Einspritzung in zwei getrennten Einspritzvorgängen vorzunehmen, indem zunächst eine kleine Voreinspritzmenge und erst in zeitlichem Abstand davon die eigentliche Hauptmenge eingespritzt wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung des Verbrennungsgeräusches ist aus der DE 28 55 539 A bekannt. Hier erfolgt bei einem stetigen Einspritzvorgang eine Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge je Zeiteinheit. Auch hierdurch wird erreicht, daß die Hauptmenge des Kraftstoffes erst gegen Ende des Einspritzvorganges eingespritzt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, die bekannten Pumpedüsen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Bauart zwecks Herabsetzung des Verbrennungsgeräuschs der mit einer solchen Einspritzeinrich­ tung ausgerüsteten Diesel-Brennkraftmaschine so weiter- bzw. auszubilden, daß auch bei ihnen die Einspritzung in zwei zeitlich getrennten Vorgängen, nämlich in einer Voreinspritzung einer kleinen Zündmenge und in einer etwas später folgenden Einspritzung der Hauptmenge erfolgt.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentan­ spruchs 1. Erfindungsgemäß sollen die an der Düsennadel angreifenden Kräfte beeinflußt werden, indem beispielsweise der in dem Pumpenarbeitsraum erzeugte und auf die Düsennadel in Öffnungsrichtung wirkende Druck während des Druckhubes des Pumpenkolbens kurzzeitig unter den Öffnungsdruck der Düsennadel abgesenkt wird. Damit wird die Düsennadel geschlossen und die von der Pumpedüse durchge­ führte Kraftstoffabspritzung nach ihrem Beginn für kurze Zeit wieder unterbrochen. Dabei wäre es zweckmäßig, wenn der Zeitpunkt und/oder die Zeitdauer der Druck­ absenkung und damit der Einspritzunterbrechung betriebszustandsabhängig steuer­ bar wäre. Dadurch könnte das Einspritzgesetz den jeweiligen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine optimal angepaßt werden. Mit Vorteil kann eine kurzzeitige Absenkung des Einspritzdruckes dadurch erreicht werden, daß der Pumpenarbeitsraum vorübergehend mit einem Druckentlastungsraum verbunden wird, der zum einen über eine Drosselbohrung mit einem Druckmittelauslaß verbunden sein kann und der zum anderen von einem in einer Zylinderbohrung gegen eine Feder verstellbaren Kolben begrenzt ist. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn dieser Kolben als Federteller für die die Düsennadel belastende Schließfeder ausgebildet ist. Auf diese Weise wird durch die Verbindung des Pumpenarbeitsraums mit dem Druckent­ lastungsraum nicht nur der Druck in dem Pumpenarbeitsraum und in der an diesen angeschlossenen Hochdruckleitung gesenkt, sondern gleichzeitig auch die Schließkraft der Düsennadel durch Erhöhung der Vorspannung der Schließfeder vergrößert, beides Maßnahmen, die den Schließvorgang der Düsennadel bewirken.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung, die sich unter anderem mit der Ausbildung des Pumpenkolbens zur gesteuerten Verbindung des Pumpen­ arbeitsraums mit dem Druckentlastungsraum sowie mit der Anordnung einer Vor­ richtung zur Begrenzung des Einspritzdruckes in der Pumpedüse befassen, gehen aus den übrigen Merkmalen der Unteransprüche hervor.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematischer Darstel­ lungsweise gezeigt, das im folgenden näher erläutert wird. Dabei zeigt die Zeichnung in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Pumpedüse gemäß der Erfindung,

Fig. 2 in einem Diagramm des Einspritzdruckes über der Zeit den Verlauf des Einspritzvorganges der erfindungsgemäßen Pumpedüse und

Fig. 3 und 4 alternative Ausführungen der Düsenspitze der Pumpedüse.

In der Zeichnung ist mit 1 die Pumpedüse insgesamt bezeichnet, die aus einem Pumpenteil 2 und einem Düsenteil 3 besteht. Insgesamt sind vier Trägerteile, nämlich ein Pumpenträger 4, ein erster Zwischenträger 5, ein zweiter Zwischen­ träger 6 und ein Düsenträger 7, vorgesehen, die durch hier nicht weiter gezeigte Mittel, wie zum Beispiel eine Überwurfmutter zusammengehalten werden. In einer Zylinderbohrung 10 des Pumpenträgers 4 ist ein Pumpenkolben 9 gehalten, der, wie hier nur grob schematisch angedeutet ist, durch eine Nockenwelle 8 in axialer Richtung und durch einen Stellantrieb 13 in Umfangsrichtung verstellbar ist. Der Pumpenkolben 9 weist dabei einen Beaufschlagungs- und Führungsteil 12 sowie einen an seinem unteren Ende vorgesehenen Steuerteil 11 auf, der mit seiner Stirnseite 11a einen Pumpenarbeitsraum 17 begrenzt.

In der Ausgangsstellung des Pumpenkolbens 9 ist dieser Arbeitsraum 17 mit einer Anschlußbohrung 16 verbunden, über die das Arbeitsmittel, nämlich der zur Ab­ spritzung kommende Dieselkraftstoff mit einem von einer Förderpumpe gelieferten Druckniveau zugeführt wird. An dem Steuerteil 11 des Pumpenkolbens 9 ist eine Nut 14 vorgesehen, deren der Zulaufbohrung 16 zugewandte Begrenzungswand 15 als im wesentlichen schräg zur Umfangsrichtung verlaufende Steuerkante zur betriebszustandsabhängigen Einstellung des Einspritzendes der Pumpedüse ausgebildet ist. Mit 18 ist eine von der Nut 14 ausgehende Steuernut bezeichnet, die mit einem in dem Pumpenträger 4 vorgesehenen Steuerbohrungsanschluß 19 auf eine später noch beschriebene Weise zusammenwirkt.

Der Pumpenarbeitsraum 17 ist über einen von einem Druckventil 21 gesteuerten Druckkanal 20 mit elnem Hochdruckraum 23 verbunden, der seinerseits über eine in den Zwischenträgern 5 und 6 sowie dem Düsenträger 7 eingearbeitete Kraft­ stoffdruckleitung 24 mit einem Druckbeaufschlagungsraum 25 im unteren Teil des Düsenträgers 7 in Verbindung steht. Dieser Druckbeaufschlagungsraum 25 ist dabei einer in dem Düsenträger 7 verschiebbar gelagerten Düsennadel 26 mit im Querschnitt gestuften Durchmessern zugeordnet. Dabei wird ein im Durchmesser größerer Belastungskolben 26a von einer in einem Schließfederraum 33 angeord­ neten Schließfeder 27 belastet, die die Düsennadel 26 mit ihrem am unteren Ende eines im Querschnitt kleineren Nadelkolbens 26b angebrachten Dichtkegel 28 auf einen in dem Düsenträger 7 vorgesehenen kegeligen Dichtsitz 29 preßt. In dieser in der Zeichnung gezeigten Schließstellung der Düsennadel 26 wird ein an der unteren Spitze des Düsenträgers 7 angeordneter Abspritzraum 30 mit den von diesen ausgehenden Abspritzbohrungen 31 von dem Druckbeaufschlagungsraum 25 getrennt, so daß eine Kraftstoffabspritzung nicht erfolgen kann.

Alternative Ausbildungen der Düsenspitze sind in den Fig. 3 und 4 gezeigt und einander gegenübergestellt. Während in der Fig. 3 eine Düsenspitze analog zu Fig. 1 gezeigt ist, bei der die Abspritzbohrungen 31 von dem als Sackloch ausgebildeten Abspritzraum 30 abgehen, ist in der Fig. 4 eine Ausführung darge­ stellt, bei der die Abspritzbohrungen 31′ direkt von dem kegeligen Dichtsitz 29 ausgehen. Das dort mit 30′ bezeichnete Sackloch steht dagegen nicht mehr mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine in Verbindung und dient lediglich noch als Auslauf für das den Dichtsitz 29 erzeugende Werkzeug bei der Herstellung der Düsenspritze. Mit Einspritzdüsen dieser Gestaltung sind, wie Versuche gezeigt haben, geringere Schadstoffemissionen erreichbar.

lm zweiten Zwischenträger 6 ist oberhalb des über eine Querbohrung 34 mit dem Auslaß verbundenen Schließfederraums 33 ein gegenüber diesem durch einen mit einer Drosselbohrung 38 versehenen Scheibenkolben 35 getrennter Druckentlastungs­ raum 37 vorgesehen, der über eine auch in dem ersten Zwischenträger 5 und dem Pumpenträger 4 angeordnete Verbindungsbohrung 36 mit dem Steuerbohrungsanschluß 19 verbunden ist. Der Druckentlastungsraum 37 steht zudem über eine zweite Drosselbohrung 39 mit einem Federraum 42 in Verbindung, in dem eine einen scheibenförmigen Druckbegrenzungskolben 40 belastende Begrenzungsfeder 41 angeordnet ist. Dieser scheibenförmige Druckbegrenzungskolben 40 grenzt dabei an den Hochdruckraum 23 an und dient zugleich als Federteller zur Abstützung der Ventilfeder 22 des Druckventils 21.

Die Funktion und Wirkungsweise der in der Zeichnung gezeigten Pumpedüse soll nun nachfolgend und unter Bezugnahme auf den in der Fig. 2 als Diagramm des Einspritzdruckes über der Zeit gezeigten Einspritzverlauf erläutert werden. Ausgehend von einer Grundstellung des Pumpenkolbens 9, bei dem dessen in der Zeichnung obere Stirnseite an dem Grundkreis der Nockenwelle 8 anliegt und die untere Stirnfläche 11a des Steuerteils 11 des Pumpenkolbens 9 die Zulauf­ bohrung 16 mit dem Pumpenarbeitsraum 17 verbindet, wird im ersten Teil des Druckhubes des Pumpenkolbens 9 zunächst die Zulaufbohrung 16 verschlossen, so daß sich in dem Pumpenarbeitsraum 17 ein Druck aufbauen kann. Wenn dieser Druck einen vorbestimmten, durch die Ventilfeder 22 bestimmten Wert überschrei­ tet, öffnet das Druckventil 21, so daß eine Verbindung von dem Pumpenarbeits­ raum 17 über den Druckkanal 20 zu dem Hochdruckraum 23 sowie über die Kraft­ stoffdruckleitung 24 zu dem Druckbeaufschlagungsraum 25 im Düsenträger 7 her­ gestellt ist. Bei Erreichen des von der Schließfeder 27 bestimmten Abspritzdruckes wird die Düsennadel 26 angehoben, so daß der Dichtkegel 28 die Verbindung zwischen dem Druckbeaufschlagungsraum 25 und dem Abspritzraum 30 öffnet und Kraftstoff über die Abspritzbohrungen 31 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.

Auf seinem weiteren durch den Nocken der Nockenwelle 8 bestimmten Hubweg erreicht der Pumpenkolben 9 dann die in der Zeichnung gezeigte Stellung, in der die Steuernut 18 mit dem Steuerbohrungsanschluß 19 korrespondiert, so daß über die Nut 14, die Steuernut 18 mit dem Steuerbohrungsanschluß 19 und die Verbindungs­ bohrung 36 der Pumpenarbeitsraum 17 mit dem Druckentlastungsraum 37 verbunden wird. Der sich durch diese Verbindung mit dem Pumpenarbeisraum in dem Druck­ entlastungsraum 37 aufbauende Druck wirkt auf den den Druckentlastungsraum 37 begrenzenden Scheibenkolben 35, der infolgedessen gegen die Wirkung und unter Zusammendrücken der Düsennadel-Schließfeder 27 in der Zylinderbohrung 32 nach unten gedrückt wird. Durch die Zuschaltung des Druckentlastungsraums 37 zu dem Pumpenarbeitsraum 17 und insbesondere durch die von dem nachgebenden Scheibenkolben 35 bewirkte Volumenvergrößerung des Druckentlastungsraums wird der in dem Pumpenarbeitsraum 17 erzeugte Einspritzdruck so reduziert, daß die Düsennadel 26 wieder schließt und die Abspritzung unterbrochen wird. Diese Unterbrechung währt so lange, wie die Steuernut 18 mit dem Steuerbohrungs­ anschluß 19 korrespondiert. Verstärkt wird der Schließvorgang der Düsennadel noch durch die Erhöhung der Vorspannung der Schließfeder 27 infolge der druckbe­ aufschlagten Verschiebung des als Federteller für die Schließfeder 27 wirkenden Scheibenkolbens 35.

Wenn im weiteren Verlauf des Druckhubes des Pumpenkolbens 9 die Verbindung zwischen der Steuernut 18 und dem Steuerbohrungsanschluß 19 wieder unterbro­ chen wird, kann sich der in dem Druckentlastungsraum 37 aufgebaute Druck über die Drosselbohrung 38 in den Schließfederraum 33 entspannen, der über die Quer­ bohrung 34 mit einem Druckmittelauslaß in Verbindung steht. Der Scheibenkol­ ben 35 gleitet in seine in der Zeichnung gezeigte Grundstellung zurück, wobei die Vorspannung der Schließfeder 27 wieder reduziert wird. Gleichzeitig steigt der Druck in dem Pumpenarbeitsraum 17, in dem Hochdruckraum 23, der Kraftstoff­ druckleitung 24 und dem Druckbeaufschlagungsraum 25 wieder an, wodurch die Düsennadel 26 erneut entgegen der Wirkung der Schließfeder 27 in Öffnungsrichtung angehoben wird. Es erfolgt nun die eigentliche Hauptkraftstoffeinspritzung, die so lange andauert, bis die schräg verlaufende Steuerkante 15 an dem Steuerteil 11 des Pumpenkolbens 9 die Zulaufbohrung 16 aufsteuert, so daß diese über die Nut 14 mit dem Pumpenarbeitsraum 17 verbunden wird und dort der aufgebaute Einspritzdruck zusammenbricht.

Um ein Ansteigen des Einspritzdruckes auf zu hohe Werte zu verhindern, ist unter­ halb des Druckventils 21 eine Druckbegrenzungsvorrichtung angeordnet, die aus dem in der Zylinderbohrung 43 entgegen der Wirkung der Begrenzungsfeder 41 verstellbaren Druckbegrenzungskolben 40 besteht. Dieser Druckbegrenzungskol­ ben 40, der zugleich als Federteller zur Abstützung der Ventilfeder 22 des Druck­ ventils 21 dient, begrenzt den Hochdruckraum 23 und wird folglich von dem in diesem anstehenden Einspritzdruck belastet. Bei Überschreiten eines durch die Federvorspannung der Entlastungsfeder 41 vorgegebenen Druckes in dem Hochdruck­ raum 23 weicht der Druckbegrenzungskolben 40 in der Zeichnung nach unten aus und gibt durch diese Verstellbewegung ein Volumen frei, das so abgestimmt sein kann, daß der Druck in dem Hochdruckraum 23 und damit auch in dem angeschlossenen Hochdrucksystem nicht weiter ansteigen kann. Die Bewegung des Druckbegrenzungs­ kolbens 40 wird dabei von der Kennlinie der Druckbegrenzungsfeder 41 sowie von der Größe der Drosselbohrung 39 bestimmt, die den Federraum 42 mit dem Druckentlastungsraum 37 verbindet, der seinerseits über die Drosselbohrung 38 mit dem im wesentlichen auf Atmosphärendruckniveau stehenden Schließfederraum 33 verbunden ist.

Nach Beendigung der Einspritzung kehrt der Druckbegrenzungskolben 40 in seine in der Zeichnung gezeigte Ausgangslage zurück, wobei ein Druckausgleich in dem Federraum 42 wiederum über die Drosselbohrungen 39 und 38 zum Schließfeder­ raum 33 hin erfolgen kann.

Es ergibt sich dann insgesamt ein Druckverlauf für die Einspritzung, wie er mit ausgezogenen Linien in dem in der Fig. 2 gezeigten Diagramm dargestellt ist. Die Einspritzung setzt sich demzufolge aus einer Voreinspritzung 50, einer relativ kleinen Kraftstoffmenge sowie einer Haupteinspritzung 51 zusammen, die zeitlich verzögert der Voreinspritzung nachfolgt. Durch entsprechende Ausbildung der Steuerkanten der Steuernut 18, deren Verlauf über den Umfang des Steuerteils 11 des z.B. in Abhängigkeit vom Betriebszustand von dem Stellantrieb 13 verdreh­ baren Pumpenkolbens 9 variabel gestaltet werden kann, läßt sich sowohl die Dauer der Voreinspritzung als auch deren Abstand zu der Haupteinspritzung verändern. Dabei kann auch diese Veränderung in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine vorgenommen werden, indem beispielsweise bei niedrigeren Drehzahlen eine länger andauernde Voreinspritzung und ein größerer Zeitabstand zur Haupteinspritzung als bei höheren Drehzahlen, bei der unter Umständen auch wieder ein Zusammenfallen der beiden Einspritzungen möglich wäre, vorgesehen wird. Gegebenenfalls könnte auch daran gedacht werden, die Steuernut 18 mit einem definierten Verlauf in einem gesonderten, beispielsweise als Buchs ausge­ führten Pumpenteil vorzusehen, das dann unabhängig von dem Stellantrieb 13 des Pumpenkolbens 9 durch einen gesonderten Antrieb in Abhängigkeit vom Betriebs­ zustand der Brennkraftmaschine verstellt wird. Mit 52 ist in der Fig. 2 die Druck­ begrenzung des Einspritzdruckes bei der Haupteinspritzung angedeutet, die demnach das Erreichen extrem hoher Einspritzdrücke vermeiden hilft, die die Bauteile der Einspritzeinrichtung und deren Antrieb belasten aber kaum noch für eine Verbesserung des Einspritzvorganges selbst sorgen.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die von der Erfindung vorgeschla­ gene kurzzeitige Druckentlastung durch Verbindung des Pumpenarbeitsraums 17 mit dem Druckentlastungsraum 37 gegebenenfalls auch dadurch herbeigeführt werden könnte, daß in einer direkt von dem Pumpenarbeitsraum 17 zu dem Druck­ entlastungsraum 37 führenden Verbindungsleitung ein beispielsweise elektrisch ansteuerbares Ventil vorgesehen wird, das in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine zur Erreichung der in der Fig. 2 angedeuteten, aufgeteilten Einspritzung angesteuert wird.

Claims (12)

1. Pumpedüse für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere von direkt einspritzenden Diesel-Brennkraftmaschinen, mit einem von wenigstens einem Antrieb antreibbaren, den Einspritzdruck erzeugenden Pumpenkolben, dessen Pumpenarbeitsraum über eine Kraftstoffdruckleitung mit einem Druckbeaufschla­ gungsraum verbindbar ist, der einer die Abspritzöffnungen verschließenden, von einer Schließfeder belasteten Düsennadel zugeordnet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel zur in einem Einspritzvorgang kurzzeitigen Spritzunterbrechung durch Beeinflussung der an der Düsennadel (26) angreifenden Kräfte vorgesehen sind.

2. Pumpedüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt und/oder die Zeitdauer der Kräftebeeinflussung betriebszustandsabhängig steuerbar ist.

3. Pumpedüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur kurzzeitigen Spritzunterbrechung als Verbindung des Pumpenarbeitsraums (17) mit einem Druckent­ lastungsraum (37) ausgebildet sind.

4. Pumpedüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckentlastungs­ raum (37) über eine Drosselbohrung (38) mit einem Druckmittelauslaß (33, 34) verbunden ist.

5. Pumpedüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckentlastungs­ raum (37) von einem in einer Zylinderbohrung (32) gegen eine Feder (27) ver­ stellbaren Kolben (35) begrenzt ist.

6. Pumpedüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (35) als Federteller ausgebildet ist, auf dem die die Düsennadel (26) belastende Schließfeder (27) abgestützt ist.

7. Pumpedüse nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkolben (9) eine Steuernut (18) aufweist, die während des Pumpen­ druckhubes den Pumpenarbeitsraum (17) vorübergehend mit einem zu dem Druck­ entlastungsraum (37) führenden Anschluß (19, 36) verbindet.

8. Pumpedüse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkolben zur betriebszustands­ abhängigen Veränderung der Einspritzzeit um seine Längsachse verdrehbar ist, und daß die Steuernut (18) in Umfangsrichtung des Pumpenkolbens (9) derart ausgebildet ist, daß sie eine Verbindung des Pumpenar­ beitsraums (17) mit dem Anschluß (19) in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu unterschiedlichen Zeiten herstellt.

9. Pumpedüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Steuernut (18) aufweisendes gesondertes Teil des Pumpenkolbens vorgesehen ist, das unabhängig von der Verdrehung des übrigen Pumpenkolbens verdrehbar ist.

10. Pumpedüse, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein in einer Zylinderbohrung (43) entgegen einer Rückstellfeder (41) verstellbarer Druckbegrenzungskolben (40) vorgesehen ist, der von dem in der Kraftstoffdruckleitung (24) anstehenden Druck beaufschlagbar ist.

11. Pumpedüse nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Rückstellfeder (41) zugeordneter Federraum (42) über eine Drosselbohrung (39) mit dem Druck­ entlastungsraum (37) verbunden ist.

12. Pumpedüse nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck­ begrenzungskolben (40) als ein eine Feder (23) eines zwischen dem Pumpenar­ beitsraum (17) und der Kraftstoffdruckleitung (24) angeordneten Druckventils (21) abstützender Federteller ausgebildet ist.