DE4243665C2 - Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse für Brennkraftmaschinen

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbe­ sondere Pumpedüse für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Pa­ tentanspruchs 1 aus. Bei einer solchen aus der DE 41 42 998 C1 bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wird ein in einer Zylinderbohrung eines Pumpengehäuses axial geführter Pumpenkolben von einem Nocken­ antrieb hin- und hergehend angetrieben. Der Pumpenkolben begrenzt dabei mit seiner dem Nockenantrieb abgewandten Stirnseite einen Pumpenarbeitsraum in der Zylinderbohrung, in den eine Kraftstofflei­ tung mündet und der über einen Druckkanal mit einem in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventil ver­ bunden ist. Dabei wird sowohl der Beginn der Hochdruckförderung des im Pumpenarbeitsraum befindlichen Kraftstoffes und somit der Ein­ spritzbeginn als auch die einzuspritzende Kraftstoffmenge über den Absteuervorgang durch ein in der Kraftstoffleitung angeordnetes Magnetventil, das in Abhängigkeit von Betriebsparametern der zu ver­ sorgenden Brennkraftmaschine gesteuert wird, geregelt.
Das Magnetventil weist dazu ein elektrisch angesteuertes Ventilglied auf, das mit einer konischen an seinem Umfang angeordneten Ventil­ dichtfläche an einem Ventilsitz im Ventilkörper anliegt. Dabei ist das Magnetventil im stromlosen Zustand geöffnet und bringt erst bei einer Stromzufuhr das Ventilglied mit seiner Dichtfläche entgegen der Kraft einer Ventilfeder in Anlage an den Ventilsitz und damit zum Schließen. Für eine möglichst minimale Auslegung des Stellmagne­ ten des Magnetventils und der Ventilfeder weist das Ventilglied in Höhe des Eintritts der Hochdruckleitung vom Pumpenarbeitsraum eine ringförmige Querschnittsverringerung an seinem Umfang auf, die sich zudem bei geschlossenem Magnetventil in einem Ringraum im Ventilkör­ per befindet, so daß der Kraftstoff das Ventilglied gleichmäßig um­ strömen kann und Kraftstoffhochdruck sowohl in Öffnungsrichtung, als auch in Schließrichtung des Ventilgliedes gleichmäßig auf dieses wirkt. Dies hat zur Folge, daß die Stellkräfte dementsprechend klein dimensioniert werden können.
Zur Kühlung des Magnetventils der bekannten Kraftstoffeinspritzein­ richtung wird ein Teil des Magnetraumes von Kraftstrom niederen Drucks durchströmt, der über je einen eine Drossel enthaltenen Ver­ bindungskanal dem unterhalb des Magnetventils angeordneten Nieder­ druckraum entnommen und der im Anschluß wieder einem Raum mit nied­ rigem Druckniveau zugeführt wird
Das Magnetventil der bekannten Kraftstoffeinspritzeinrichtung hat jedoch den Nachteil, daß das Ventilglied an der ringförmigen Quer­ schnittsverringerung am Hochdruckeintritt sehr stark hydraulisch be­ ansprucht wird, wobei die in Öffnungs- und Schließrichtung des Ventil­ gliedes an den implizierenden Übergangsflächen der Querschnittsver­ ringerung wirkenden hohen axialen Kräfte eine Kerbwirkung auf den dort verbleibenden Querschnitt an der engsten Stelle des Ventilglie­ des ausüben, die zu einem Dauerbruch führen kann.
Tritt ein solcher Druck auf, so treiben die hohen Axialkräfte die Teile des Ventilgliedes an der Bruchstelle auseinander, wobei der hohe Pumpenarbeitsdruck nun auf den gesamten Ventilgliedquerschnitt wirkt und somit das Ventilglied mit seiner Dichtfläche auf den Ven­ tilsitz gepreßt hält. Die Öffnungskraft der Ventilfeder reicht nun nicht mehr aus das Ventilglied selbständig zu öffnen, so daß es über den gesamten Pumpenkolbenhub geschlossen bleibt und in Folge dessen die Kraftstoffeinspritzeinrichtung die größtmögliche Fördermenge in den Brennraum der Brennkraftmaschine einspritzt. Diese unkon­ trollierte, nicht steuerbare hohe Kraftstoffeinspritzmenge kann dann zu einem Ansteigen der Drehzahl der Brennkraftmaschine über den zu­ lässigen Bereich hinaus und in weiterer Folge zur Zerstörung der Brennkraftmaschine führen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse für Brennkraftmaschinen, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die axiale Bohrung im Ventilglied bei dessen Bruch sofort eine Verbin­ dung zwischen dem unter Hochdruck stehenden Pumpenarbeitsraum und einem unter niedrigem Kraftstoffdruck stehenden Absteuerraum freige­ geben ist, über die sich der Kraftstoffhochdruck entspannt, so daß das Einspritzventil schließt und kein weiterer Kraftstoff mehr in den zu versorgenden Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt. Dies kann dabei erreicht werden ohne die Vorteile des druckausgeglichenen Ventilgliedes einzuschränken, so daß trotz einer Sicherung des Magnetventils vor einem Blockieren im geschlossenen Zustand bei Bruch des Ventilgliedes die Betätigungskräfte am Ventilglied gering bleiben, womit Ventilfeder und Stellmagnet möglichst klein auslegbar bleiben. Zudem mündet die axiale Bohrung in einen vorhandenen, einen Kühlkreislauf bildenden Verbindungskanal zum Niederdruckraum, so daß ein zusätzlicher Bauaufwand vermieden werden kann.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, gemäß Anspruch 2 die axiale Boh­ rung als Sackbohrung im Ventilglied auszuführen, die von der dem Niederdruckraum zugewandten Stirnseite des Ventilgliedes ausgeht und bei dessen Bruch den Kraftstoff über einen Verbindungskanal zum Nie­ derdruckraum leitet. Die Sackbohrung läßt sich dabei fertigungstech­ nisch einfach in das Ventilglied einbringen und mündet in den die Ventilfeder aufnehmenden Raum, der in den mit dem Niederdruckraum verbundenen Kühlkreislauf des Magnetventils integriert ist.
Eine weitere vorteilhafte Lösung ist gemäß Anspruch 3 das Einbringen der Sackbohrung von einer oberen, in das Magnetventil ragenden Ring­ schulter des Ventilgliedes aus, wobei auch hier bei einem Bruch des Magnetventilgliedes der Kraftstoff über diese Bohrung in den vorhan­ denen, mit dem Niederdruckraum verbundenen Kühlkreislauf abfließen kann.
Gemäß Anspruch 4 ist es zudem in vorteilhafter Weise möglich die axiale Bohrung im Ventilglied sowohl in den unteren, die Ventilfeder aufnehmenden Bereich des mit dem Niederdruckraum verbundenen Kühl­ kreislaufes im Magnetventil münden zu lassen, als auch in seinen oberen in das Magnetventil hineinragenden Bereich. Dadurch werden bei einem Bruch des Ventilgliedes zwei Abströmkanäle freigesetzt, die eine rasche Druckentlastung des Hochdruckraumes ermöglichen. Um eine sichere Verbindung zwischen dem Hoch- und Niederdruckraum im Falle des Bruchs des Ventilgliedes zu gewährleisten, ist die axiale Bohrung gemäß Anspruch 4 so weit ausgeführt, daß sie über den Be­ reich mit dem verringerten Querschnitt am Ventilglied in Höhe des Hochdruckeintritts hinaus geht.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Drei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 eine bekannte Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Längsschnitt, der die Einbaulage des erfindungsgemäßen Magnetventils und deren Kraftstoffanschlüsse entnehmbar sind, die Fig. 2 ein er­ stes Ausführungsbeispiel des Magnetventils, in dem die axiale Boh­ rung im Ventilglied als von der unteren Stirnseite ausgehende Sack­ bohrung ausgeführt ist, die Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Magnetventils mit von oben eingebrachter Sackbohrung in das Ven­ tilglied und die Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel des Magnet­ ventils, in dem die axiale Bohrung im Ventilglied als Durchgangsboh­ rung ausgeführt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Bei der in der Fig. 1 zur Erläuterung der Lage des Magnetventils dargestellten und nur in ihren erfindungswesentlichen Bereichen näher beschriebenen Pumpedüse ist ein Pumpenkolben 1 axial in einer Zylinderbohrung 3 eines Pumpengehäuses 5 geführt und wird von einem nicht näher dargestellten Nockenantrieb 7 entgegen einer Rückstell­ feder 9 axial einwärts bewegt. Der Pumpenkolben 1 begrenzt mit sei­ ner dem Nockenantrieb 7 abgewandten Stirnseite 11 einen Pumpenar­ beitsraum 13 in der Zylinderbohrung 3, von dem ein Druckkanal 15 ausgeht, der den Pumpenarbeitsraum 13 mit einem Einspritzventil 17 verbindet, das in einen Brennraum der zu versorgenden Brennkraftma­ schine ragt.
In den Pumpenarbeitsraum 13 mündet zudem eine Kraftstoffleitung 19, die von einem schematisch dargestellten Kraftstoffvorratsbehälter 21, der eine Kraftstoffquelle bildet ausgeht und in der eine Förder­ pumpe 23 sowie ein Magnetventil 25 angeordnet sind. Da sowohl das Füllen des Pumpenarbeitsraumes 13 als auch der Beginn und das Ende der Kraftstoffhochdruckförderung über das Öffnen und Schließen des Magnetventils 25 in der Kraftstoffleitung 19 gesteuert werden, ist das Magnetventil 25 für beide Zwecke ausgelegt.
Der Aufbau des Magnetventils 25 zur Steuerung der Kraftstoffhoch­ druckförderung im Pumpenarbeitsraum 13 ist den Fig. 2 bis 4 ent­ nehmbar, wobei die Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel des Magnetventils 25 zeigt.
Das Magnetventil 25 ist dabei als Nadelventil ausgebildet, dessen in einer Bohrung 29 eines an das Pumpengehäuse 5 angeflanschten Ventil­ körpers 27 axial dichtend geführtes Ventilglied 31 durch ein von ei­ nem Elektromagneten gebildetes elektrisches Stellglied 33 betätigt wird und das im Bereich seines dem Stellglied 33 abgewandten Endab­ schnittes 35 von einem ringförmigen Druckraum 37 umgeben ist. Dieser Druckraum 37 ist einerseits über einen koaxial zum Ventilglied 31 vom Ringraum 37 abführenden vom Ventilglied 31 gesteuerten Über­ strömkanal 39 mit einem Niederdruckraum 41 verbunden, der Bestand­ teil des Abschnitts der Kraftstoffleitung 19 zum Kraftstoffvorrats­ behälter 21 ist und andererseits über einen einen Hochdruckraum 43 bildenden Abschnitt der Kraftstoffleitung 19, mit dem Pumpenarbeits­ raum 13 verbunden. Die in der Fig. 2 geschlossen dargestellte Ver­ bindung vom Druckraum 37 zum Niederdruckraum 41 weist am Übergang vom Druckraum 37 zu einem ersten Abschnitt des Überströmkanals 39 einen von einer konischen Dichtfläche 45 am Ventilglied 31 ver­ schließbaren, konischen Ventilsitz 47 auf an dem sich anschließend der Überströmkanal 39 wieder konisch erweitert. Das nach oben, zu dem unter Hochdruck setzbaren Druckraum 37 hin öffnende Ventilglied 33 trägt abströmseitig an seinem in den sich konisch erweiternden Bereich des Überströmkanals 39 tauchenden Ende ein Endstück 49, das von der konischen Dichtfläche 45 begrenzt wird und im Anschluß an die Dichtfläche 45 einen rotationssymmetrischen Ansatz aufweist, der in srömungsgünstiger Form kegelförmig an die konische Kontur des Überströmkanals 39 so angepaßt ist, daß der Kraftstoff ungehindert durchströmen kann.
Im Bereich des Überströmkanals 39 ist zudem eine auf die Stirnseite des Endstückes 49 des Ventilgliedes 31 wirkende Ventilfeder 51 ange­ ordnet, die der vom Elektromagneten bewirkten Schließkraft entgegen wirkt, das Ventilglied 31 mit seiner Dichtfläche 45 vom Ventilsitz 47 abhebt und somit bei stromlosem Elektromagneten den Überströmka­ nal 39 geöffnet hält.
Das durch den Elektromagneten gebildete elektrische Stellglied 33 besteht dabei aus einer in einem Magnetraum 55 angeordneten Magnet­ spule 53, die über ein Anschlußkabel 57 und einen Anschlußstecker 59 elektrisch erregbar ist und über einen auf dem dem Druckraum 37 ab­ gewandten Ende des Ventilgliedes 31 angeordneten tellerförmigen Anker 61 auf das Ventilglied 31 wirkt. Der 61 Anker wird dabei bei erregter Spule 53 bis in Anlage an diese verschoben und bringt dabei über das Ventilglied 31 auch die Dichtfläche 45 in Anlage an den Ventilsitz 47. Der durch die Ventilfeder 51 bewirkte, entgegenge­ setzte Öffnungshub des Ventilgliedes 31 bei stromloser Spule 53 wird dabei durch einen der spulenseitigen Stirnseite des Ventilgliedes 31 gegenüberliegenden axialen Anschlag 63 begrenzt.
Für eine Kühlung des Magnetventils 25 wird dieses von Kraftstoff niederen Drucks durchströmt. Der Kraftstoff tritt dazu über einen die Ventilfeder 51 aufnehmenden ersten Teil 67 einer Verbindungslei­ tung 68 in den Magnetraum 55 ein und strömt im Anschluß daran über einen zweiten Teil 69 der Verbindungsleitung 68 in den Niederdruck­ raum 41 zurück, wobei die Verbindungsleitung 68 an ihren Eintritten zum Niederdruckraum 41 jeweils Drosselstellen 71 aufweist.
Um die Verstellkräfte auf das Ventilglied 31 möglichst gering halten zu können, weist dieses im Bereich des Druckraumes 37 eine eine Ringnut bildende rotationssymmetrische Querschnittsverringerung 65 auf, so daß sowohl in geschlossenem als auch in geöffnetem Zustand ein Kraftstoffdruckausgleich am Ventilglied 31 vorhanden ist.
Bei einem Bruch des Ventilgliedes 31 aufgrund einer durch die Ring­ nut entstandenen Kerbwirkung im stark hydraulisch beanspruchten Be­ reich der Querschnittsverringerung 65 wirkt der Kraftstoffhochdruck einseitig auf die gesamte Querschnittsfläche des die Dichtfläche 45 aufweisenden, vom mit dem Anker verbundenen Teil getrennten Teil des Ventilgliedes 31 und hält dieses mit seiner Dichtfläche 45 entgegen der Kraft der für ein druckausgeglichenes Ventilglied 31 ausgelegten Ventilfeder 51 in Anlage am Ventilsitz 47, so daß die Hochdruckför­ derung nicht unterbrochen wird und zuviel Kraftstoff zur Ein­ spritzung in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangt.
Um dies zu vermeiden ist im in der Fig. 2 gezeigten ersten Ausfüh­ rungsbeispiel der Erfindung eine von der dem Niederdruckraum 41 zu­ gewandten Stirnseite des Ventilgliedes 31 ausgehende axiale Sackboh­ rung 73 in das Ventilglied 31 so weit eingebracht, daß sie sich in den druckgefährdeten Bereich erstreckt. Im Falle eines Bruchs des Ventilgliedes 31 verbindet der im ventilsitzseitigen Teil befindli­ che Teil der Sackbohrung 73, der nun für diesen Teil eine Durch­ gangsbohrung ist, den Druckraum 37 mit der Verbindungsleitung 68. Somit wird ein Abströmen des unter hohem Druck stehenden Kraftstof­ fes aus dem Hochdruckraum 43, über die den Kühlkreislauf im Magnet­ ventil 25 bildende Verbindungsleitung 68 in den Niederdruckraum 41 ermöglicht, so daß der Hochdruckeinspritzvorgang unterbrochen wird. Das in der Fig. 3 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel unter­ scheidet sich zum ersten nur in der Ausführung der Bohrung im Inne­ ren des Ventilgliedes 31, die hier als schräge von einer Ringschul­ ter 75 im oberen, in den Magnetraum 55 ragenden Ende des Ventilglie­ des 31 ausgehende und bis in den Bereich der Querschnittsverringe­ rung 65 im Bereich des Druckraumes 37 ragende Sackbohrung 73 ausge­ führt ist. Bei einem Bruch des Ventilgliedes 31 strömt nun der unter hohem Druck stehende Kraftstoff aus dem mit dem Pumpenarbeitsraum 13 verbundenen Druckraum 37 über die schräge Sackbohrung 73, den Magnetraum 55 und die Verbindungsleitung 68 in den Niederdruckraum 41 ab und beendet somit die Hochdruckförderung des Pumpenkolbens 1.
Das in der Fig. 4 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel vereint die Möglichkeiten der vorangegangenen Lösungen, indem die Bohrung im Ventilglied 31 als axiale Durchgangsbohrung 77 ausgeführt ist, deren einer Austritt aus dem Ventilglied 31 an dessen druckraumseitiger Stirnseite und der andere Austritt über einen Radialbohrungsab­ schnitt in den Magnetraum 55 erfolgt. Bricht das Ventilglied infolge der hohen hydraulischen Belastung an der Querschnittsverringerung 65 im Druckraum 37, so entspannt sich der darin befindliche Kraftstoff­ hochdruck über beide entstandenen Teile der Durchgangsbohrung 77 so­ wohl in den ersten Teil 67 der Verbindungsleitung 68, als auch in den Magnetraum 55 und von dort weiter in den Niederdruckraum 41.
Mit der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist es so­ mit bei einer Beibehaltung der druckausgeglichenen Ausführung des Ventilgliedes 31 ohne zusätzlichen Bauaufwand möglich, bei einem Bruch des Ventilgliedes ein Blockieren des Magnetventils 25 in ge­ schlossenem Zustand, mit der damit verbundenen zu hohen Kraftstoff­ einspritzmenge sicher zu vermeiden.

Claims (6)

1. Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere Pumpedüse, für Brennkraftmaschinen mit einem in einer Zylinderbohrung (3) eines Pumpengehäuses (5) geführten Pumpenkolben (1), der durch einen Nockenantrieb (7) axial hin- und hergehend angetrieben wird und mit seiner einen, dem Nockenantrieb (7) abgewandten Stirnseite (11) ei­ nen Pumpenarbeitsraum (13) begrenzt, der über einen Druckkanal (15) mit einem in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine ragenden Einspritzventil (17) verbunden ist und der aus einer Kraft­ stoffquelle (21) über eine Kraftstoffleitung (19) mit Kraftstoff versorgt wird, die zur Steuerung der Hochdruckförderphase ein elek­ trisch angesteuertes Ventil ent­ hält, dessen von einem elektrischen Stellglied (33) betätigtes Ven­ tilglied (31) einen aus dem Pumpenarbeitsraum (13) und dem daran an­ grenzenden Teil der Kraftstoffleitung (19) gebildeten Hochdruckraum (43) von einem durch den zur Kraftstoffquelle (21) führenden Teil der Kraftstoffleitung (19) gebildeten Niederdruckraum (41) durch An­ lage einer Dichtfläche (45) auf einem Ventilsitz (47) trennt, bzw. beim Abheben vom Ventilsitz (47) die Verbindung zwischen beiden öff­ net, wobei das Ventilglied (31) im Bereich eines mit dem Hochdruck­ raum (43) verbundenen Druckraumes (37) eine ringförmige Quer­ schnittsverringerung (65) aufweist, dadurch gekennzeichnet daß das Ventilglied (31) eine ständig mit dem Niederdruckraum verbundene Bohrung aufweist, die im Falle eines Bruchs des Ventilgliedes (31) im Bereich der Querschnittsverringerung den Hochdruckraum (43) mit dem Niederdruckraum (41) verbindet.
2. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch angesteuerte Ventil ein Magnetventil (25) ist.
3. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bohrung im Ventilglied (31) als axiale Sackbohrung (73) ausgeführt ist, die auf der dem Niederdruckraum (41) unterhalb des Magnetventils (25) zugewandten Stirnseite des Ventilglieds (31) austritt und von dort über eine Verbindungsleitung (68, 69) ständig mit dem Niederdruckraum (41) verbunden ist. (Fig. 2)
4. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bohrung im Ventilglied (31) als schräge Sackboh­ rung (73) ausgeführt ist, die an einer Ringschulter (75) auf der dem Ventilsitz (47) abgewandten, in den Ventilkörper (27) hineinragenden Seite aus dem Ventilglied (31) austritt und dabei die Bohrung (73) mit einem Magnetraum (55) verbindet, der seinerseits über die Ver­ bindungsleitung (69) ständig mit dem Niederdruckraum (41) verbunden ist. (Fig. 3)
5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Bohrung im Ventilglied (31) als axiale Durchgangs­ bohrung (77) ausgeführt ist, die von der dem Niederdruckraum (41) unterhalb des Magnetventils (25) zugewandten und mit diesem über die Verbindungsleitung (69) verbundene Stirnseite des Ventilgliedes (31) ausgeht und in den mit der Verbindungsleitung (69) zum Niederdruck­ raum (41) verbundenen, Kraftstoff niederen Drucks führenden Magnet­ raum (55) im Ventilkörper (27) mündet. (Fig. 4)
6. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bohrung im Ventilglied (31) mindestens bis in den Bereich des verringerten Querschnitts (65) am Ventilglied (31) in Höhe des Druckraumes (37) erstreckt. (Fig. 2-4)
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