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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine (Spritz-)Verstellereinrichtung zur Verwendung bei der Steuerung
des Zeitverlaufs der Kraftstoffabgabe durch eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe,
die für
die Verwendung in einem Dieselverbrennungsmotor vorgesehen ist.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine (Spritz-)Verstellereinrichtung
vom Servo-Typ mit Schwachlast und Kaltversteller-Merkmalen.
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Sowohl die
US 4037573 als auch die
US 4037574 beschreiben Rotations-
oder Kreisel-Kraftstoffpumpen, in denen die Winkelstellung eines
Nockenrings von einer Hilfs(Spritz-)Verstellereinrichtung angepasst
wird, um den Zeitverlauf der Kraftstoffabgabe durch die Pumpe zu
steuern. Der Arbeitskolben der Einrichtung wirkt gegen eine Feder, die
auf einem Lastmesskolben aufsitzt. Abhängig von der Motorbelastung
verändert
sich der auf den Lastmesskolben wirkende Kraftstoffdruck, und damit ändert sich
die Stellung des Lastmesskolbens. Die Bewegung des Lastmesskolbens
führt zu
einer Bewegung des Arbeitskolbens, der wiederum eine Bewegung eines
Verstellerkolbens verursacht. Die Bewegung des Verstellerkolbens
verursacht eine Bewegung des Nockenrings, der den Zeitverlauf der
Kraftstoffabgabe durch die Pumpe anpasst.
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Obwohl diese bekannten Einrichtungen
die Anpassung des Zeitverlaufs in Abhängigkeit von der Last ermöglichen,
wird keine Anpassung zur Kompensation von Kaltmotor-Bedingungen
geschaffen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird eine (Spritz-)Verstellereinrichtung bereitgestellt, umfassend
einen Verstellerkolben, der innerhalb einer Bohrung verschieblich
ist, wobei der Verstellerkolben während des Betriebs mit einer
Nockenanordnung einer Kraftstoffpumpe zusammenwirkt, um den Zeitverlauf
der Kraftstoffabgabe durch die Pumpe anzupassen, einen Arbeitskolben,
der in einer im Verstellerkolben vorhandenen Bohrung verschieblich
ist, einen Schwachlastkolben, der relativ zum Verstellerkolben gegen
die Wirkung einer Schwachlast-Steuerungsfeder bewegt werden kann,
eine Hilfssteuerungsfeder, die zwischen dem Schwachlastkolben und
dem Arbeitskolben in Eingriff liegt, ein Schwachlast-Steuerventil,
das betätigt
werden kann, um das Aufbringen von Kraftstoff auf den Schwachlastkolben
zu steuern und damit den Zeitverlauf unter Schwachlast-Bedingungen
anzupassen, und ein unabhängiges
Temperatursteuerventil, das betätigt
werden kann, um das Aufbringen von Kraftstoff auf den Schwachlastkolben in
Abhängigkeit
von der Motortemperatur zu steuern und damit die Anpassung des Zeitverlaufs
der Kraftstoffabgabe zur Kompensation von kalten Bedingungen zu
ermöglichen.
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Es sollte klar sein, dass eine solche
Einrichtung eine Anpassung des Zeitverlaufs der Kraftstoffabgabe
sowohl als Reaktion auf die Last als auch auf die Motortemperatur
ermöglicht.
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Bevorzugt ist die (Spritz-)Verstellereinrichtung
so aufgebaut, dass jenseits einer vorgegebenen Stellung des Verstellerkolbens
kein Kraftstoff mehr vom Temperatursteuerventil auf den Schwachlastkolben
aufgebracht wird.
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Die Erfindung soll weiterhin beispielhaft
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben werden, worin:
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1 eine
Ansicht ist, teilweise im Querschnitt, die einen Teil einer Kraftstoffpumpe
darstellt, die eine (Spritz-)Verstellereinrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung enthält;
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2 eine
andere Ansicht ist, die die (Spritz-)Verstellereinrichtung darstellt;
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3 eine
graphische Darstellung ist, die Verstell-Charakteristika der Einrichtung
bei verschiedenen Betriebsbedingungen zeigt; und
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4 ein
Hydraulikschaltbild für
die (Spritz-)Verstellereinrichtung ist.
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Die 1 und 2 stellen einen Teil einer Dreh-Kraftstoffpumpe
dar, die einen Nockenring umfasst, der bezüglich eines Pumpengehäuses in
seiner Winkelstellung winkelig angepasst werden kann, wobei der
Nockenring eine Vielzahl von Nocken enthält. Der Nockenring umgibt einen
Teil eines Verteilerelements, das innerhalb der jeweiligen Bohrungen des
Verteilerelements hin- und herbewegbare Pumpenkolben umfasst, wobei
die Kolben damit verbundene jeweilige Druckfinger- und -Rollen-Anordnungen besitzen,
deren Rollen an der Nockenoberfläche des
Nockenrings angreifen können.
Während
des Betriebs wird den Bohrungen des Verteilerelements von einer Überleitungspumpe
Kraftstoff zugeführt, wodurch
die Kolben radial in Auswärtsrichtung
gedrückt
werden. Der Auslassdruck der Überleitungspumpe
wird so gesteuert, dass er im Verhältnis zur Betriebsgeschwindigkeit
des Motors steht, für
den die Pumpe verwendet wird. Eine Drehung des Verteilerelements
relativ zum Nockenring verursacht eine Bewegung der Rollen relativ
zum Nockenring, wobei das An- bzw. Ineinandergreifen der Rollen
mit den Nocken dazu führt,
dass die Kolben nach innen gedrückt
werden, wobei der Kraftstoff innerhalb der Bohrungen unter Druck
gesetzt wird und damit bewirkt, dass Kraftstoff mit hohem Druck
von der Kraftstoffpumpe abgegeben wird. Es ist klar, dass durch Verändern der
Winkelstellung des Nockenrings der Zeitpunkt, bei dem Kraftstoff
durch die Pumpe abgegeben wird, angepasst werden kann.
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Damit eine Anpassung der Winkelstellung des
Nockenrings erfolgen kann, ist der Nockenring mit einem Stift versehen,
der sich in eine in einem Verstellerkolben 12 vorhandene Öffnung 10 erstreckt,
wobei der Verstellerkolben 12 innerhalb einer in einem
Nockengehäuse 16 vorhandenen
Bohrung 14 verschlieblich ist. Die Enden der Bohrung 14 sind mit
Endplatten 18 verschlossen, die mit Hilfe von Bolzen 20
am Nockengehäuse 16 befestigt
sind, wobei geeignete O-Ringe verwendet werden, um die Endplatten 18 gegenüber dem
Gehäuse 16 abzudichten.
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Der Verstellerkolben 12 umfasst
eine sich axial erstreckende Bohrung 22, innerhalb der
ein Arbeitskolbenelement 24 verschieblich ist. Ein Schwachlastkolben 26 befindet
sich ebenfalls innerhalb der Bohrung 14, wobei der Schwachlastkolben 26 eine
zentrale Öffnung
umfasst, durch die sich der Arbeitskolben 24 erstreckt,
wobei der Arbeitskolben 24 so wirkt, dass er die Bewegung
des Schwachlastkolben 26 führt, wobei der Arbeitskolben 24 eine
im Wesentlichen für
Flüssigkeit
undurchlässige,
gleitende Passung innerhalb der Öffnung
des Schwachlastkolbens 26 und innerhalb der Bohrung 22 des
Verstellerkolbens 12 besitzt. Eine Schwachlast-Steuerungsfeder 28 ist
zwischen dem Schwachlastkolben 26 und einer der Platten 18 eingespannt,
um den Schwachlastkolben 26 in Anlage an eine von einem Teil
der Bohrung 14 gebildete Stufe vorzuspannen.
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Eine Hilfssteuerungsfeder 30 liegt
in Eingriff zwischen dem Schwachlastkolben und einem ringförmigen Element 32,
das vom Arbeitskolben 24 getragen wird. Wie in 2 dargestellt, befindet
sich zwischen der Feder 30 und dem ringförmigen Element 32 ein
Abstandshalter 34. Der Abstandshalter 34 bewirkt
eine Steuerung der maximal zugelassenen Bewegung des Arbeitskolbens
in Richtung des Schwachlastkolbens 26, wobei die Bewegung
dadurch begrenzt wird, dass der Abstandshalter 34 an einer
Endfläche
des Schwachlastkolbens 26 zu liegen kommt.
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Das vom Schwachlastkolben 26 abgewandte Ende
der Bohrung 22 ist mit Hilfe eines scheibenförmigen Elements 36 verschlossen,
das sich innerhalb einer im Verstellerkolben 12 ausgebildeten
ringförmigen
Vertiefung befindet, wobei das Anbringen des Elements 36 beispielsweise
durch Verwendung einer geeigneten thermischen Ausdehnungstechnik
erreicht wird. Alternativ kann die Bohrung mit Hilfe eines Kernstopfens,
Bolzens oder Ähnlichem
verschlossen werden. Es sollte klar sein, dass die Bewegung des
Arbeitskolbens 24 relativ zum Verstellerkolben 12 dadurch
begrenzt ist, dass ein Ende des Arbeitskolbens 24 am Element 36 zu
liegen kommt.
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Eine erste Steuerungskammer 38 wird
von einer vom Schwachlastkolben 26 abgewandten Endfläche des
Verstellerkolbens 12, dem zugehörigen Teil der Bohrung 14 und
der zugehörigen
Endplatte 18 begrenzt bzw. definiert. Die erste Steuerungskammer 38 ist über einen
am Außenrand
des Verstellerkolbens 12 ausgebildeten Kanal 40 mit
einem sich radial erstreckenden Durchgang 42 verbunden,
innerhalb dessen sich ein Rückschlagventil 46 befindet. Der
sich radial erstreckende Durchgang 42 steht mit der Bohrung 22 in
Verbindung, und abhängig
von der Stellung des Arbeitskolbens 24 kann der sich radial erstreckende
Durchgang 42 mit einem zweiten sich radial erstreckenden
Durchgang 44 verbunden sein, der sich zu einer in der Außenfläche des
Verstellerkolbens 12 vorhandenen Vertiefung 48 hin öffnet. Die Vertiefung 48 ist
so angeordnet, dass sie für
alle zulässigen
Stellungen des Verstellerkolbens 12 relativ zum Gehäuse 16 mit
einem Durchgang 50 in Verbindung steht, der mit einer Kammer
verbunden ist, die zwischen dem Gehäuse 16 und einem auf
dem Gehäuse 16 angebrachten,
elektromagnetisch betätigtem
Temperatursteuerventil 52 angeordnet bzw. von diesen begrenzt
ist, wobei die Kammer ständig
mit einer Bohrung 64 in Verbindung steht, die mit einer Bohrung 62 in
Verbindung steht.
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Der Verstellerkolben 12 und
der Schwachlastkolben 26 begrenzen zusammen eine zweite Steuerungskammer 54,
innerhalb der sich die Feder 30 befindet, wobei die zweite
Steuerungskammer 54 mit einem sich radial erstreckenden
Durchgang 56 verbunden ist, der sich zu einer in der Außenfläche des
Verstellerkolbens 12 vorhandenen Vertiefung 58 hin öffnet. Die
Vertiefung 58 ist so angeordnet, dass sie für alle zulässigen Stellungen
des Verstellerkolbens 12 mit einem Durchgang 60 in
Verbindung steht, der mit der Bohrung 62 in Verbindung
steht.
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Die Bohrung 62 enthält ein einen
Durchgang begrenzendes Element 62a, das sicherstellt, dass die
Bohrung 64 ständig
mit einem Durchgang 64a verbunden ist, der Kraftstoff mit Überleitungsdruck enthält, und
der Durchgang ist mit einer Drillbohrung 60a verbunden,
die mit einem Dosierventil in Verbindung steht.
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Die Außenfläche des Verstellerkolbens 12 ist mit
einer kurzen, sich von der Vertiefung 58 her erstreckenden
Abflachung 66 versehen, die so angeordnet ist, dass sie
abhängig
von der axialen Stellung des Verstellerkolbens 12 mit einem
Durchgang 68 verbunden sein kann, der mit dem Temperatursteuerventil 52 in
Verbindung steht.
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Unter normalen Betriebsbedingungen,
wenn der Motor heiß ist
und die Motorbelastung ziemlich hoch ist, ist das Temperatursteuerventil 52 so
geschaltet, dass unter Überleitungsdruck
stehender Kraftstoff über
den Durchgang 64 zum Durchgang 50 geleitet wird, aber nicht
zum Durchgang 68. Weiterhin leitet das Dosierventil unter
niedrigem Druck stehenden Kraftstoff zum Durchgang 60.
Bei diesen Bedingungen ist der Kraftstoffdruck innerhalb der zweiten
Steuerungskammer 54 relativ niedrig, weshalb der Schwachlastkolben 26 durch
die Feder 28 in Anlage an die Schulter der Bohrung 14 gespannt
ist, wie dargestellt. Unter Überleitungsdruck
stehender Kraftstoff wird über
den Durchgang 50, die Vertiefung 48 und den Durchgang 44 zu
einer Kammer 70 geleitet, die von der Bohrung 22 des
Verstellerkolbens 12, dem Ende des Arbeitskolbens 24 und
dem Element 36 begrenzt wird. In der gezeigten Stellung
nimmt der Arbeitskolben 24 eine Stellung ein, in der eine
Verbindung zwischen der Kammer 70 und dem sich radial erstreckenden
Durchgang 42 nicht möglich
ist. Sollte jedoch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors zunehmen,
was zu einem Anstieg des Überleitungsdrucks
führt,
kann der Kraftstoffdruck innerhalb der Kammer 70 in ausreichendem
Maß zunehmen,
um eine Bewegung des Arbeitskolben 24 gegen die Wirkung
der Feder 30 bis zu einer Stellung zu verursachen, in der
eine Verbindung zwischen der Kammer 70 und dem sich radial
erstreckenden Durchgang 42 möglich ist. Unter diesen Umständen fließt Kraftstoff aus
der Kammer 70 durch den sich radial erstreckenden Durchgang 42 und
am Rückschlagventil 46 vorbei
zur ersten Steuerungskammer 38. Der Kraftstofffluss zur
Kammer 38 lässt
dort den Druck ansteigen, wodurch eine Kraft auf den Verstellerkolben 12 einwirkt,
die den Kolben 12. veranlaßt, sich in der in 2 dargestellten Ausrichtung
nach links zu bewegen. Eine Bewegung des Verstellerkolbens 12 in
diese Richtung verursacht aufgrund des Zusammenwirkens des Stifts
mit der Öffnung 10 eine
Bewegung des Nockenrings, und damit wird der Zeitpunkt der Kraftstoffabgabe
durch die Pumpe verstellt bzw. vorverlegt.
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Es sollte klar sein, dass während des
Betriebs in dem Moment, in dem die Rollen an den am Nockenring vorhandenen
Nocken angreifen, eine merkliche Kraft durch den Nockenring und
den Stift auf den Verstellerkolben 12 übertragen wird, wodurch der Verstellerkolben 12 dazu
gebracht wird, sich in der dargestellten Ausrichtung nach rechts
zu bewegen. Es ist offensichtlich, dass diese Bewegung zu einem
Anstieg des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerungskammer 38 führen würde, und
das Rückschlagventil 46 ist
dafür vorgesehen,
den Anstieg des Kraftstoffdrucks innerhalb der Kammer 38 zu
verhindern, indem Kraftstoff in die entgegengesetzte Richtung fließt.
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Wenn die Bewegung des Verstellerkolbens 12 dazu
führt,
dass der Durchgang 42 vom Arbeitskolben 24 verschlossen
wird, wird die Kraftstoffzufuhr zur Kammer 38 beendet und
die Bewegung des Verstellerkolbens in diese Richtung hört auf.
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Es ist klar, dass unter solchen Umständen, unter
denen eine Verzögerung
des Zeitpunkts der Kraftstoffabgabe durch die Pumpe wünschenswert ist,
sich der Verstellerkolben 12 in der dargestellten Ausrichtung
nach rechts bewegen muss. Unter diesen Umständen fällt der Überleitungsdruck, weshalb der
Arbeitskolben 24 sich nach rechts bewegt. Eine Bewegung
des Arbeitskolbens 24 relativ zum Verstellerkolben 12 über eine
vorgegebene Stellung hinaus führt
dazu, dass ein Ablaufkanal 25 freigelegt wird, wodurch
Kraftstoff aus der Steuerungskammer 38 zum Nockengehäuse der
Hochdruck-Kraftstoffpumpe austreten kann. Deshalb fällt der
Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerungskammer 38, was
zu einer Bewegung des Verstellerkolbens 12 nach rechts führt. Eine
Bewegung des Verstellerkolbens hört dann
auf, wenn sich der Verstellerkolben bis zu einer Stellung bewegt
hat, in der der Ablaufkanal 25 vom Arbeitskolben verschlossen
wird.
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3 stellt
das Last- und Drehzahl-Verstellerverhalten für die Kraftstoffpumpe unter
Volllast-Verstellbedingungen dar, wenn der Motor heiß ist, und,
wie in 3 dargestellt,
die maximale zulässige
Verstellung relativ gering ist. In der Praxis wird das maximale
Verstellen durch das Angreifen des von der Steuerungskammer 38 abgewandten
Endes des Verstellerkolbens 12 am Schwachlastkolben 26 begrenzt.
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Wenn nun der Zustand betrachtet wird,
bei dem der Motor unter relativ schwacher Last arbeitet, während der
Motor heiß ist,
lässt unter
diesen Bedingungen das Drosselventil den auf den Durchgang 60 einwirkenden
Druck ansteigen. Daher steigt der auf die zweite Steuerungskammer 54 aufgebrachte Kraftstoffdruck.
Das Aufbringen von Kraftstoff mit gesteigertem Druck auf diese Kammer
führt zu
einer Bewegung des Schwachlastkolbens 26 gegen die Wirkung
der Feder 28. Es ist klar, dass diese Bewegung des Schwachlastkolbens 26 die
Kompression der Feder 30 verringert, und das Aufbringen
von Kraftstoff auf die Kammer 70, wie voranstehend beschrieben, verursacht
eine Bewegung des Arbeitskolbens 24 nach links in der dargestellten
Ausrichtung. Wie voranstehend beschrieben, ermöglicht die Bewegung des Arbeitskolbens 24,
dass Kraftstoff zur ersten Steuerungskammer 38 fließt, was
zu einer Bewegung des Verstellerkolbens 12 nach links führt, wodurch
der Zeitpunkt der Kraftstoffabgabe durch die Pumpe verstellt bzw.
vorverlegt wird.
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Wie in 3 dargestellt,
hat die Wirkung der Bewegung des Schwachlastkobens eine Auswirkung 26 auf
die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und dem Anpassungsgrad
für den
Zeitpunkt der Kraftstoffabgabe durch die Pumpe, und auch weil der Schwachlastkolben 26 bewegt
wird, wird das maximal zulässige
Niveau für
das Verstellen ebenfalls erhöht.
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Für
beide voranstehend beschriebenen Betriebsbedingungen kann das Temperatursteuerventil 52 zur
Anpassung des Zeitpunkts angeschaltet werden, so dass eine Kompensation
für die
Bedingungen bei kaltem Motor erfolgt. Das Anschalten des Temperatursteuerventils 52 wirkt
sich so aus, dass dem Durchgang 68 Kraftstoff mit Überleitungsdruck
zugeführt
wird. In der in 2 dargestellten
Stellung fließt Kraftstoff
aus dem Durchgang 68 durch die Abflachung 66 zur
Vertiefung 58 und von dort zur zweiten Steuerungskammer 54.
Das Aufbringen von Kraftstoff auf die zweite Steuerungskammer 54 führt zu einer
Bewegung des Schwachlastkolbens 26, und dies führt, wie
voranstehend beschrieben, zu einer Anpassung der Stellung des Verstellerkolbens 12.
Unter der Annahme, dass der Motor zunächst unter Schwerlast läuft, wird
deshalb kein Kraftstoff über den
Durchgang 60 zur zweiten Steuerkammer 58 zugeführt; dann,
nach einer vorgegebenen Bewegung des Verstellerkolbens 12,
wird der Durchgang 68 nicht mehr mit der Abflachung 66 in
Deckung gehalten, weshalb weiterhin kein Kraftstoff zur zweiten Steuerungskammer 54 fließen kann.
Diese Unterbrechung in der Verbindung führt dazu, dass die Bewegung
des Schwachlastkolbens 26 in der gezeigten Ausrichtung
nach links begrenzt ist. Sollte jedoch der Motor bei Schwachlastbedingungen
betrieben werden, kann Kraftstoff durch den Durchgang 60 zur zweiten
Steuerungskammer 54 fließen, weshalb sich die Bewegung
des Schwachlastkolbens 26 nach links fortsetzt. 3 zeigt das Last- und Drehzahl-Verstellverhalten
für diese
beiden Betriebsbedingungen.
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Die Bereitstellung einer solchen
Verstellereinrichtung besitzt den Vorteil, dass unter Schwerlastbedingungen über einen
größeren Druckbereich hinweg
gearbeitet werden kann, was es möglich macht,
die Steifigkeit der Feder 30 zu erhöhen, was zu einer größeren Stabilität und zu
einem gleichbleibenderen Betrieb führt. Mit der Schwachlastverstellbedingung
kann man ebenfalls über
einen größeren Druckbereich
hinweg arbeiten, ohne dass dies die Betätigung der Verstellereinrichtung
unter Schwerlastbedingungen stören
würde.
Da getrennte Federn verwendet werden, um den Betrieb unter Schwerlast und
unter Schwachlast zu steuern, können
die Eigenschaften dieser Federn für die Pumpe optimiert werden,
mit der die Verstellereinrichtung verwendet werden soll. Da auch
bei Schwerlast die Bewegung des Arbeitskolbens 24 durch
Anliegen an den Schwachlastkolben 26 begrenzt ist, ist
die maximale Verstellposition des Verstellerkolbens 12 gut
definiert, und damit ist der Motorbetrieb bei diesen Bedingungen stabiler.
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Es sollte klar sein, dass durch Verändern der Länge der
Abflachung 66 das maximale Verstellen bei Schwerlast unter
kalten Bedingungen unabhängig
von anderen Betriebscharakteristiken der Anordnung gesteuert werden
kann. Wie in 3 dargestellt,
ist die Länge
der Abflachung 66 bei Schwachlastbedingungen von geringerer
Bedeutung, da die Stellung des Schwachlastkolbens 26 vom Druck des Kraftstoffs
bestimmt wird, der unter diesen Bedingungen durch den Durchgang 60 der
zweiten Steuerungskammer 54 zugeführt wird.
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Zweckmäßigerweise besitzt das Temperatursteuerventil 52 die
Gestalt eines herkömmlichen
Unterbrechungselektromagneten, dem nur dann elektrischer Strom zugeleitet
wird, wenn der Motor eine niedrige Temperatur besitzt. Es sollte
klar sein; dass das Temperatursteuerventil 52 wahrscheinlich
bei Hochtemperatur-Bedingungen ausfällt, wenn es denn ausfällt. Das
hat den Vorteil, dass eine Unterbrechung der Stromzufuhr zum bedingungseinstellenden
Ventil 52 nicht zu einer erhöhten Leistung des Motors auf
Kosten von Abgasemissionen führt,
was die Gefahr eines unsachgemäßen Eingriffs
verringert.
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Obwohl die voranstehende Beschreibung diejenige
einer Kraftstoffpumpe vom Typ ist, in dem sich Pumpenkolben in radialer
Richtung bewegen, um unter hohem Druck stehenden Kraftstoff einem Motor
zuzuführen,
sollte klar sein, dass die Verstellereinrichtung auch auf andere
Typen einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe angewendet werden kann.