EP0852672B1 - Kraftstoffeinspritzpumpe zur einspritzung bei brennkraftmaschinen, insbesondere einzylinder-dieselmotoren - Google Patents

Abstract

Eine Kraftstoffeinspritzpumpe zur Einspritzung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Einzylinder-Dieselmotoren, mit einem Pumpenkolben (1), der in einem Pumpenzylinder (13) mit mindestens einer Saugbohrung (14) für Kraftstoff axial und verdrehbeweglich angeordnet ist, einer am Pumpenkolben (1) angebrachten Absteuernut (6), die mit einer parallel zur Kolbenlängsachse am Pumpenkolben (1) angebrachten Stopnut (5) zur Unterbrechung der Kraftstofförderung verbunden ist, und mit einer geometrischen Verbindung zwischen der Stirnseite (4) und der Mantelfläche des Pumpenkolbens (1), weist zur hydrodynamischen Regelung des optimalen Spritzbeginns für Start, Leerlauf und höchste Drehzahl einen schmalen Schlitz (2, 7) als geometrische Verbindung auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzpumpe zur Einspritzung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Einzylinder-Dieselmotoren mit einem Pumpenkolben, der in einem Pumpenzylinder mit mindestens einer Saugbohrung für Kraftstoff axial und verdrehbeweglich angeordnet ist, einer am Pumpenkolben angeordneten Absteuernut, die mit einer parallel zur Kolbenlängsachse am Pumpenkolben angebrachten Stopnut zur Unterbrechung der Kraftstofförderung verbunden ist, und mit einer geometrischen Verbindung zwischen der Stirnseite und der Mantelfläche des Pumpenkolbens, wobei zur hydrodynamischen Beeinflussung der Regelung des Spritzbeginns ein schmaler Querschlitz mit Abstand von der Stirnkante parallel oder schräg zu dieser verlaufend und an einem Ende in die Stopnut des Pumpenkolbens einmündend vorgesehen ist..

Derartige Kraftstoffeinspritzpumpen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt (vergleiche DE 2 906 688 A). Bei Dieselbrennkraftmaschinen, insbesondere bei solchen mit Direkteinspritzung, werden in der Regel sog. Mono- oder Blockeinsteckpumpen eingesetzt, bei denen wegen der kompakten Bauweise neben dem mechanischen Regelwegeingriff (Regellenker oder Regelstange) und der Hubmechanik über Nockentrieb keinerlei elektrische oder elektronische Steuerungssignale für Spritzbeginnkorrekturen eingebracht werden können. Keine der bekannten Spritzbeginnkorrekturen ist ohne kostenträchtige, dem Antrieb vor- oder aufschaltbare mechanische Spritzversteller realisierbar.

Für optimale Betriebwerte bezüglich Leistung, Kraftstoffverbrauch, Abgas- und Geräuschemission ist bei Dieselmotoren eine Frühverschiebung des Spritzbeginns bei höheren Drehzahlen erforderlich. Diese Frühverstellung wird bei größeren Dieselmotoren durch elektronische Regelung oder aufwendige mechanische Regelglieder angestrebt, die z.B. in der Bosch Firmenschrift "Technische Unterrichtung, Dieseleinspritztechnik im Überblick" von 1989 beschrieben sind. Diese Frühverstellung und die damit verbundenen positiven Effekte sind selbstverständlich auch bei kleineren Motoren wünschenswert bzw. erforderlich. Dies gilt insbesondere für den Start, speziell bei niedrigen Außentemperaturen, wo für die ersten Zündungen ein später Spritzbeginn und für das anschließende aussetzerfreie Weiter- bzw. Hochlaufen bei möglichst geringen Kohlenwasserstoffemissionen bei steigender Drehzahl ein früher Spritzbeginn nötig ist. Ein Zurückgreifen auf die aufwendige und teuere konventionelle elektronische Regelung ist im Falle von Einzylinder-Dieselmotoren aus Platz- und Kostengründen nicht möglich.

Bisher sind bei Kleindieselmotoren Kraftstoffeinspritzpumpen verwendet worden, die durch einen Anschliff am Kopf des Pumpenkolbens mit einer umlaufenden radialen Tiefe von ca. 0,5 % des Kolbendurchmessers eine Spritzbeginnverschiebung verursachen. Hierdurch ist jedoch keine Differenzierung zwischen Normalbetrieb und Start/Hochlauf möglich. Eine weitere Ausführungsform weist einen örtlich begrenzter Sehnenanschliff mit einer Tiefe von ca. 1,3 % des Kolbendurchmessers auf.

Die DE 3424989 C2 offenbart einen bei einer Kraftstoffeinspritzpumpe für Brennkraftmaschinen verwendeten Pumpenkolben, durch dessen konstruktive Gestaltung eine Verringerung des Zündverzugs und damit eine Senkung der Verbrennungsdruckspitzen im Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine erreicht werden soll. Hierzu ist am Pumpenkolben eine Umfangsnut angebracht, die über den gesamten Verdrehbereich des Pumpenkolbens wirkt.

Alle beschriebenen Ausführungen haben den Nachteil, daß die Spritzbeginnverschiebung in hohem Maß vom Laufspiel zwischen Pumpenkolben und Pumpenzylinder abhängig ist und nicht zwischen den verschiedenen Drehzahlbereichen differenziert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kostengünstige Kraftstoffeinspritzpumpe zur Verfügung zu stellen, mit der durch hydrodynamisch-mechanische Regelung eine verbesserte Steuerung des Spritzbeginns für Start, Leerlauf und höchste Drehzahl einstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffeinspritzpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Hierdurch wird auf überraschend einfache Weise eine kompakte, kostengünstige hydrodynamische Regelung für Start, Leerlauf und höchste Drehzahl ermöglicht. Diese zeichnet sich durch geringe Empfindlichkeit auch bei großen Maßtoleranzen bzw. Einbautoleranzen sowie Verschleißraten aus, die erheblich über dem aus dem Stand der Technik bekannten Toleranzspiel liegen und dadurch wesentlich zur Verringerung der Kosten beitragen. Des weiteren zeichnet sich die erfindungsgemäße Kraftstoffpumpe durch eine verbesserte Steuerung des Spritzbeginns aus. Dies wird vor allem durch die drehzahlabhängige Wirkung des Schlitzquerschnittes hervorgerufen, der bei niedrigen Drehzahlen mehr Kraftstoff zurückfließen läßt als bei höheren Drehzahlen, da hier weniger Zeit zum Abströmen zur Verfügung steht. Durch Nutzung dieses Effekts kann ein nahezu optimaler Spritzbeginn für jede Drehzahl erreicht werden. Durch die geometrische Anordnung des Querschlitzes wird die gewünschte Einspritzmengenoptimierung im Verdrehbereich des Pumpenkolbens gesteuert.

Durch die einfache und kostengünstige konstruktive Ausbildung des Längsschlitzes läßt sich in einfacher Weise der Spritzbeginn in der Start- und Hochlaufphase bei kaltem Motor hydrodynamisch regeln.

Die einfach und kostengünstig herstellbare konstruktive Anordnung des schmalen Querschlitzes ermöglicht die hydrodynamische Regelung im Leerlauf-, Teillast- und Vollastbetrieb. Des weiteren ermöglicht diese Ausbildung einen großen Toleranzbereich bei Fertigung und Betrieb ohne nennenswerte Beeinflussung der Spritzbeginncharakteristik.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, daß der erste querverlaufende schmale Schlitz in den zweiten längsverlaufenden schmalen Schlitz einmündet.

Durch diese einfache und kostengünstige konstruktive Ausführung des Pumpenkolbens kann durch eine mechanische Winkelverstellung des Kolbens sowohl die optimale hydrodynamische Regelung für den Startbetrieb, als auch für den Leerlauf und Vollastbetrieb erreicht werden. Des weiteren wird durch diese Regelung die Abgabe eines möglichst hohen Momentes über den gesamten Drehzahlbereich ermöglicht und eine geringe Kohlenwasserstoffemission gewährleistet. Wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist weiterhin, daß auf überraschend einfache und kostengünstige Weise ein aussetzerfreies Weiter- und Hochlaufen nach dem Kaltstarten möglich ist. Dabei kann die Regelung beispielsweise derart erfolgen, daß eine über ein Bimetall angesteuerte Regelstange einen am Pumpenkolben angebrachten Regellenker verstellt und dadurch den Kolbenwinkel bzw. Drehstellung des Kolbens ändert.

Da ist die radiale Tiefe des schmalen Schlitzes 5 - 10 %, vorzugsweise 8 % des Pumpenkolbendurchmessers beträgt, läßt dies eine bei niedrigen Stückzahlen kostengünstige spanende Bearbeitung zu.

Weil die Breite des schmalen Schlitzes ca. 2 - 6 %, vorzugsweise 4 % des Pumpenkolbendurchmessers beträgt, kann der Drosselquerschnitt optimiert werden.

Nach Anspruch 1 ist es weiterhin vorteilhaft, daß der Kolben im Leerlauf-, Teillast- und Vollastbetrieb eine Winkelstellung aufweist, in der der schmale Querschlitz während eines Kolbenhubes mit der Saugbohrung eine Überschneidung aufweist.

Im genannten Betriebsbereich wird durch diese Einstellung gewährleistet, daß sich der Drosselquerschnitt in vorberechneter Weise mit der Drehzahl ändert und sich somit die gewünschte optimale Spritzbeginnverschiebung einstellt. Dabei kann die Saugbohrung verschiedene Querschnittsformen wie z.B. Rundloch, Ellipse, Rhomboid oder Dreieck aufweisen.

Nach Anspruch 1 ist es vorteilhaft, daß der Pumpenkolben im Startbetrieb eine Winkelstellung aufweist, in der der schmale Längsschlitz während eines Kolbenhubes mit der Saugbohrung eine Überschneidung aufweist, wobei die Achse des Längsschlitzes etwa durch das Zentrum der Saugbohrung verläuft.

Dies gewährleistet, daß der Drosselquerschnitt auch im Startbetrieb und beim Hochlaufen bei kaltem Motor optimal ist, um die gewünschte Spritzbeginnverschiebung zu erzielen.

Eine höchst vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß der Pumpenzylinder einstückig mit dem Steuergehäuse ausgebildet ist.

Auf diese Weise müssen lediglich die hochwertigen Passungsteile wie Pumpenelemente und Druckventile in dem Steuergehäuse konfektioniert werden, was Kosten für die Herstellung eines zusätzlichen Pumpenzylinders sowie Platz für die Montage spart.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1

einen Teilschnitt durch eine Kraftstoffeinspritzpumpe der erfindungsgemäßen Art mit einem Pumpenkolben gemäß einer Ausführungsform in der Stellung für den Normalbetrieb;

Fig. 2

den Pumpenkolben gemäß Fig. 1 in der Stellung für den Startbetrieb;

Fig. 3

ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Pumpenkolbens der erfindungsgemäßen Art in perspektivischer Darstellung;

Fig. 4

ein Diagramm, das den Spritzbeginn α_S über der Motordrehzahl n darstellt; und

Fig. 5

ein Diagramm, das den Spritzbeginn α_S über der Motordrehzahl n in Abhängigkeit von dem Drosselquerschnitt darstellt.

Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzpumpe mit einem Pumpenkolben 1, der in einem Pumpenzylinder 13 mit einer Saugbohrung 14 längs- und drehbeweglich angeordnet ist. Durch den Zylinder 13 und die Pumpenkolbenstirnseite 4 wird der Pumpenarbeitsraum 15 begrenzt. Der Pumpenkolben 1 weist auf seiner Mantelfläche 3 des weiteren einen schmalen Längsschlitz 2, einen Querschlitz 7, Stopnut 5 und Absteuernut 6 auf. Der Querschlitz 7 ist zwischen Stopnut 5 und Längsschlitz 2 angeordnet.

Die Hubbewegung des Kolbens 1 wird durch einen nicht gezeigten Nocken bewirkt. Die mechanische Winkelverstellung des Pumpenkolbens 1 erfolgt durch eine nicht gezeigte als Zahnstange ausgebildete Regelstange, die den Pumpenkolben über eine ebenfalls nicht gezeigte außenverzahnte Regelhülse in seine Startbetriebs- oder in die hier gezeigte Normalbetriebsstellung bringt. Der Kraftstoff wird bei der Abwärtsbewegung des Pumpenkolbens 1 durch die Saugbohrung 14 in den Pumpenarbeitsraum 15 angesaugt und bei der Aufwärtsbewegung nach Verschließen der Saugbohrung 14 durch die Stirnkante 4 des Pumpenkolbens 1 über ein nicht gezeigtes Druckventil mit Einspritzleitung zu einem gleichfalls nicht gezeigten Einspritzventil gefördert. Die Förderung ist beendet, sobald die schräge Absteuerkante 10 die Saugbohrung 14 öffnet und der Kraftstoff aus dem Pumpenarbeitsraum 15 über die Stopnut 5 und die Absteuernut 6 durch die Saugbohrung 14 zurückströmen kann. Der Abstand zwischen der Stirnkante 4 des Pumpenkolbens 1 und der Unterkante 17 des schmalen Querschlitzes 7 ist dabei kleiner als der Durchmesser der Saugbohrung 14. Dadurch kann nach Verschließen der Saugbohrung 14 durch die Stirnkante 4 des Pumpenkolbens 1 der Kraftstoff über die Stopnut 5 und den schmalen Querschlitz 7 in die Saugbohrung 14 zurückströmen. Durch den kleinen Querschnitt des schmalen Schlitzes 7 wird der Rückfluß jedoch gedrosselt. Wenn die Unterkante des schmalen Schlitzes 7 durch den Kolbenhub die Oberkante der Saugbohrung 14 erreicht hat, wird das gedrosselte Zurückströmen des Kraftstoffs beendet und die Förderung auf herkömmliche Weise fortgesetzt. Dieser hydrodynamische Effekt, nämlich das gedrosselte Rückströmen des Kraftstoffs, ist von der Drehzahl abhängig. Je höher die Drehzahl, desto kürzer ist die Verweilzeit des schmalen Querschlitzes 7 im Bereich der Saugbohrung 14 und desto weniger Kraftstoff kann zurückströmen. Das bedeutet einen schnelleren Druckaufbau vor dem Einspritzventil und damit einen mit steigender Drehzahl früher werdenden Spitzbeginn.

Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt der Kraftstoffeinspritzpumpe nach Fig. 1 in der Betriebsstellung für Start- und Hochlauf. Dabei weist der Pumpenkolben 1 eine Winkelstellung innerhalb des Pumpenzylinders 13 auf, bei der die Mittellinie X des schmalen Längsschlitzes 2 durch das Zentrum Z der Saugbohrung 14 verläuft. Bei kaltem Motor wird diese Stellung des Pumpenkolbens auf herkömmliche mechanische Weise eingestellt, was für die ersten Zündungen einen späteren Spritzbeginn bewirkt.

In dieser Kolbenstellung ergibt sich während eines Kolbenhubes eine Überschneidung zwischen der Saugbohrung 14 und dem schmalen Schlitz 2. Hat der Pumpenkolben 1 bei seiner Aufwärtsbewegung mit der Stirnkante 4 die Saugbohrung 14 verschlossen, kann der Kraftstoff teilweise aus dem Pumpenarbeitsraum 15 über den schmalen Schlitz 2 gedrosselt durch die Saugbohrung 14 zurückfließen. Die Rückströmmenge ist dabei wieder abhängig von der Drehzahl, d.h. mit steigender Drehzahl findet ein entsprechend früherer Spritzbeginn statt. Hat die Unterkante des schmalen Längsschlitzes 2 den oberen Rand der Saugbohrung 14 erreicht, wird das Rückströmen des Kraftstoffs beendet und die Förderung wieder auf herkömmliche Weise fortgesetzt. Die Charakteristik der Spritzbeginnverstellung läßt sich durch entsprechende Auslegung des Querschnitts des Schlitzes 2 beeinflussen.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pumpenkolbens, der einen schmalen Längsschlitz 2 und einen schmalen Querschlitz 7 auf der Mantelfläche 3 aufweist. Der Längsschlitz 2 erstreckt sich dabei bis zur Stirnseite 4 des Pumpenkolbens 1. Der Abstand der Unterkante 17 des Querschlitzes 7 zur Stirnkante 8 ist kleiner als der Durchmesser der Saugbohrung. Neben der Öffnung 9 zur Stopnut 5 weist der Querschlitz 7 eine weitere Öffnung 11 zum schmalen Schlitz 2 auf. Der Querschlitz 7 ist somit ebenfalls zwischen Stopnut und Längsschlitz angeordnet, wie dies bereits beim Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 und 2 der Fall ist. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Schlitzbreite b 4 % des Pumpenkolbendurchmessers d und die Schlitztiefe t 8 % des Pumpenkolbendurchmessers. Außerdem ist auf dem Pumpenkolben 1 die Absteuernut 6 mit Absteuerkante 10 und die Startmengen-Begrenzungskante 16 angeordnet.

Der in der Fig. 3 dargestellte Pumpenstempel ist in einfacher Weise spanend herstellbar. Er wird nach seinem Einbau in den Pumpenzylinder an dem der Stirnseite 4 entgegengesetzten Ende durch einen Nocken angetrieben. Die Hubgeschwindigkeit ist proportional zur Motordrehzahl. Der Kolben weist die aus dem Stand der Technik bekannten Kanten (Absteuerkante 10, Startmengen-Begrenzungskante 16) zur Regelung von Start und Normalbetrieb zwischen Leerlauf und Vollast auf. Die hinzugefügten schmalen Schlitze erlauben hohe Fertigungstoleranzen oder verschleißbedingte Toleranzen.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem Kurvenverläufe für den Spritzbeginn α_S über der Motordrehzahl n dargestellt werden. Dabei zeigen die Kurve A den Spritzbeginnverlauf eines herkömmlichen Pumpenkolbens ohne die erfindungsgemäßen schmalen Schlitze. Der Kolben ist dabei optimal für die höchsten Drehzahlen 3 eingestellt. Kurve B zeigt ebenfalls einen herkömmlichen Pumpenkolben, der für niedrige Drehzahlen 2 optimal eingestellt ist. Kurve C zeigt schließlich den Spritzbeginnverlauf bei einem herkömmlichen Pumpenkolben, der für Startdrehzahl 1 eingestellt ist. Kurve D zeigt den Spritzbeginnverlauf bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Kolbens mit hydrodynamischer Spritzbeginnverschiebung, der auf die Bedürfnisse des Motors bei Normalbetrieb, d.h. zwischen niedrigster Drehzahl 2 und höchster Drehzahl 3 bei warmem Motor abgestimmt ist. Deutlich ist bei dem Spritzbeginnverlauf D zu erkennen, daß bei Verwendung des erfindungsgemäßen Pumpenkolbens die Kurve durch das Optimum für die niedrigste Drehzahl II und durch das Optimum für die höchste Drehzahl bei warmem Motor I verläuft. Des weiteren ist bei Kurve E der Spritzbeginnverlauf für den Betrieb von Start bis Hochlaufen (1 bis 3 bei kaltem Motor) gezeigt. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, daß der Spritzbeginn bei Verwendung des erfindungsgemäßen Pumpenkolbens in diesem Betriebszustand durch das Optimum für Start III und durch das Optimum für die höchste Drehzahl bei kaltem Motor IV verläuft.

Kurven A, B und C, die den Stand der Technik darstellen, zeigen im Durchschnitt einen fallenden Verlauf, während die Kurven D und E der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzpumpe im Durchschnitt einen steigenden Verlauf aufweisen.

Fig. 5 zeigt Kurvenverläufe für den Spritzbeginn α_S über der Motordrehzahl n bei Änderung des Drosselquerschnitts. Dieser wird durch die Änderung des Querschnitts der schmalen Schlitze bestimmt. Kurve a zeigt den Spritzbeginnverlauf bei kleinem Drosselquerschnitt, der durch eine steile Frühverstellung bei niedriger Drehzahl und anschließenden konstanten Spritzbegin im übrigen Drehzahlberich gekennzeichnet ist, während Kurve c den Spritzbeginnverlauf bei großem Drosselquerschnitt darstellt. Kurve b entspricht in etwa dem Spritzbeginnverlauf der Kurven E und D aus Fig. 4 und weist ebenfalls einen S-förmigen Verlauf auf. Dies bedeutet einen späten Spritzbeginn im niedrigen Drehzahlbereich und eine Frühverstellung mit zunehmender Motordrehzahl.

Claims (3)

1. Kraftstoffeinspritzpumpe zur Einspritzung bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei Einzylinder-Dieselmotoren, mit einem Pumpenkolben (1), der in einem Pumpenzylinder (13) mit mindestens einer Saugbohrung (14) für Kraftstoff axial- und verdrehbeweglich angeordnet ist und eine Absteuernut (16) aufweist, die mit einer parallel zur Kolbenlängsachse am Pumpenkolben (1) angebrachten Stopnut (5) zur Unterbrechung der Kraftstofförderung verbunden ist, und mit einer geometrischen Verbindung im Bereich der Umlaufkante zwischen der oberen Stirnseite und der Mantelfläche (3) des Pumpenkolbens (1), wobei zur hydrodynamischen Beeinflussung der Regelung des Spritzbeginns ein schmaler Querschlitz (7) mit Abstand von der Stirnkante (8) parallel oder schräg zu dieser verlaufend und an einem Ende in die Stopnut (5) des Pumpenkolbens (1) einmündend vorgesehen ist,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß ein parallel zur Pumpenkolbenachse verlaufender, in die Umlaufkante einschneidender schmaler Längsschlitz (2) vorgesehen ist,

   daß der schmale Querschlitz (8) zwischen der Stopnut (5) und dem schmalen Längsschlitz (2) angeordnet ist,

   daß der Pumpenkolben (1) in Leerlauf-, Teillast- und Vollastbetrieb jeweils eine Winkelstellung aufweist, in der der schmale Längsschlitz (2) während eines Kolbenhubes mit der Saugbohrung (14) eine Überschneidung aufweist,

   daß der Pumpenkolben (1) im Startbetrieb eine Winkelstellung aufweist, in der der schmale Längsschlitz (2) während eines Kolbenhubes mit der Saugbohrung (14) eine Überschneidung aufweist, wobei die Achse des Längsschlitzes (2) etwa durch das Zentrum der Saugbohrung (14) verläuft,

   daß die radiale Tiefe (t) des schmalen Schlitzes jeweils 5 - 10%, vorzugsweise 8 % des Pumpenkolbendurchmessers (d) beträgt, und

   daß die Breite (b) des schmalen Schlitzes jeweils 2 - 6 %, vorzugsweise 4 % des Pumpenkolbendurchmessers (d) beträgt.
2. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß der Querschlitz (7) in den Längsschlitz (2) einmündet.
3. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenzylinder einstückig mit dem Steuergehäuse ausgebildet ist.

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