DE2012202A1 - Pumpe Düse zur Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

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•6.3.1970 Ks/Kb

Anlage zur

Patent- und

Gebrauchsmusterhilfsanmeldung

EGBERT BOSGH GMBH, 7 Stuttgart I, Breitscheidstrasse 4 Pumpe-Düse zur Kraftstoffeinspritzung für Brenneraft-

* -* maschinen

Die Erfindung betrifft eine Pumpe-Düse zur Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, deren Pumpenkolben durch einen im Durchmesser größeren Servokolben angetrieben wird, und die an eine Druckquelle angeschlossen ist, die sowohl dem Pumpenkolben -über ein Zulaufventil als auch dem Servokolben Kraftstoff zuführt, und* bei der ein im Takt der Maschine betätigtes Magnetventil in seiner ersten Schaltstellung den Fluß des Kraftstoffes zum Servokolben und in seiner zweiten Schaltstellung Vom Servokolben zu einer Eücklaufleitung und dabei seinen Rückhubbeginn steuert, wobei es in seiner ersten Schaltstellung den Einspritzbeginn auslöst.

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Bei einer bekannten Pumpe-Düse dieser Art (US-Patentschrift 2 598 528 Fig. 1) steuert ein elektromagnetisch betätigter Steuerschieber in seiner ersten SchaItstellung die Kraftstoff zufuhr zu einem Druckraum auf der dem Pumpenkolben abgewandten Seite eines doppeltwirkenden Servokolbens und leitet damit den Einspritzbeginn ein. Das Einspritzende wird durch eine schräge Steuerkante an der dem Pumpenkolben zugewandten Seite des Servokolbens gesteuert. Dabei verschließt die Steuerkante eine Abflußbohrung für den Kraftstoffrücklauf, so daß ein hydraulischer Anschlag gebildet wird.

Diese Pumpe-Düse hat den Nachteil, daß durch den hydraulischen Anschlag des Servokolbens Pumpenkolben und Servokolben bis zum Beginn des Rückhubs in ihrer Endlage verbleiben, wodurch eine wirksame zum Schließen der Einspritzdüse erforderliche, rechtzeitige Druckentlastung des Pumpenarbeitsraums unterbleibt.

Bei einer zweiten Ausführungsform dieser Pumpe-Düse (US-Patentschrift 2 598 528 Fig. 5) wird das Einspritzende durch eine am Pumpenkolben vorhandene schräge Steuerkante gesteuert, die in bekannter Weise mit einer Überströmbohrung in der Zylinderbohrung zusammenarbeitet. Servokolben und Pumpenkolben führen jeweils ihren gesamten Hub aus, und der von der Drehlage des Kolbens abhängige und durch die schräge Steuerkante veränderbare wirksame Förderhub bestimmt die Kraftstoffeinspritzmenge. In der zweiten Schaltstellung des Steuerschiebers wird der Kraftstoff auf die dem Pumpenkolben zugewandte Seite des Servokolbens geleitet, der dadurch in seine Ausgangslage zurückgeführt wird. Bei diesem Rückhub wird der in der ersten Schaltstellung dem Servokolben zugeführte Kraftstoff in eine Rücklaufleitung verdrängt .

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Diese Pumpe-Düse hat zwar den Nachteil der ersten Ausführungsform nicht, aber durch die bei immer- gleichbleibendem Hub auch bei Teillasteinspritzung erforderliche Füllung des gesamten Arbeitsraumes und durch die immer gleichbleibende Servokraftstoffmenge muß die Druckquelle auch bei Leerlaufund Teillastbetrieb bei jedem Arbeitstakt die maximale Kraftstoffmenge liefern. Dadurch wird die gesamte Anlage. . teuer und aufwendig. ;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nach- ^w teile zu vermeiden und eine magnetventilgesteuerte Pumpe-Düse zu schaffen, die bei Schnellaufenden Dieselmotoren hohe Einspritzdrücke und eine rasche Druckentlastung des Pumpenarbeitsraumes und der Druckleitung zwischen Pumpenarb ei tsraum und Düse am Ende jeder Einspritzung ermöglicht. Dabei soll zusätzlich trotz der gewünschten raschen Druckentlastung eine Hohlraumbildung in der Druckleitung und im Pumpenarbeitsraum mit Sicherheit vermieden werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch die zweite Schaltstellung des Magnetventils gleichzeitig mit dem Rückhubbeginn des Servokolbens das Einspritz- £ ende steuerbar ist und danach der Füllhub des Pumpenkolbens beginnt, und daß zwischen dem Pumpenarbeitsraum und der Einspritzdüse eine dauernd offene,Verbindung besteht. Das führt in vorteilhafter Weise zu einer plötzlichen Druckentlastung des Pumpenarbeitsraumes und der Druckleitung und damit zu der erwünschten raschen Beendigung der Einspritzung. Diese Pumpe-Düse hat außerdem den Vorteil, daß der in der Leitung zur Einspritzdüse vor Beginn jeder Einspritzung verbleibende Druck gleich, dem Servodruck ist. , '

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt

die Kraft stoffzufuhr zum Pumpenkolben über eine Drossel,

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durch die der Füllhub "bis kurz vor den Einspritzbeginn des nächsten Arbeitstaktes ausdehnbar ist. Dadurch wird der Rückhub des Servokolbens gedämpft, was die Dauerhaltbarkeit der Pumpe-Düse wesentlich verbessert und das Arbeitsgeräusch vermindert.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist derart, daß als Zulaufventil zwischen Drossel und Pumpenarbeitsraum ein Rückschlagventil angeordnet ist, das auf einen unter dem Servodruck liegenden Fülldruck vorgespannt ist, und daß außer durch die Drossel die Kraftstoffzufuhr zum Pumpenkolben durch einen einen verengten Durchflußquerschnitt bildenden Spalt am Rückschlagventil drosselbar ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht, daß das Magnetventil ein druckausgeglichenes, elektromagnetisch betätigtes 3/2-Wegeventil mit einer Kugel als Ventilglied und mit nur einer Steuerwicklung ist. Dadurch arbeitet das Ventil wegen seiner geringen bewegten Massen besonders schnell und fast verzögerungsfrei.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Pumpe-Düse entlang der

Linie I-I in Fig. 2,
Fig. 2 eine Seitenansicht der Pumpe-Düse in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung der Pumpe-Düse vor '. . Beginn der Einspritzung (erste Schaltstellung), Fig. 4- eine vereinfachte Darstellung der Pumpe-Düse . am Ende der Einspritzung (zweite Schaltstellung).

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■&te|tgart . ' '

Die aus; zwei Baugruppen bestehende Pimp^:eÄDüs© 1® wird mittels einer i%an^iiutter 11 zu einer ztisanffiemb§^g:e^^ea schraubt. Μ© erste Baugruppe ist ein·© voa eiiieni 12 gesteuerte hydraulisch angetriebene Pump& IJ unct die Zweite aus einem Federgehäuse 1#,_: eiaer ZwisefeeiSpilätte. 1^:5^: üäcL

&eEevO'rsatz 16 "besiielaende; EiiispritzaSse; 1;?V ßei■■ Düsen- : 16 !teat eiften Biisenlsörper 1S tmd; eilte Sä3?ii| g-efüiirte ¥entil2iaael 19. Me Ilachen 21,22_r23 zwischen diesem in Achsrichtung hintereinander abgeordneten BaU:grupp:e 13· Tandixeilen 14_r15 uaä Ί6 sind plangeschliffen lind dichten; mittels der Spannlicräft der Mutter 11 die die genannten flächen durchdringenden Kanäle und Räume nach außen und untereinander ab. Die Baugruppe 13 und die Teile 14, 15 unä 16 siiid,, außerdem in "befcannter ¥eise durch Paßstife 24,24a,24Td gegen Verdrehen gesichert« Das Gehäuse 26 der Pumpe; 13 hat quer zur Längsachse der Pumpe-Düse 10 eine ZuI auf bohrung 27 miib einem Anschlußgewinde 28, an das.eine Zulaufleitung 29 angeschlossen ist, die, der Pumpe-Düse 10 unter Servodruck "p "stehenden '-,"" Kraftstoff von einer nicht dargestellten Druckquelle zuführt.

Diese Druckquelle kann beispielsweise eine vom Motor angetriebene Zähnradpumpe sein, deren Förderdruck durch'ein DruGkregeiventil auf dem gewünschten Ser:v0.druck, ζ.,Βί· ρ - „1ÖÖ ätü, gehalten wird, ■ .

Das unten ausführlich beschriebene Magnetventil 12 ist in einer abgestuften Erweiterung 3^ der Zulaufbohruhg 27 eingesetzt und steuert den Kraft stofiKLuß von oder zu einem Druckraum_: 32 oberhalb eines in einer Bohrung 33 im. Pumgengehäuse

26 geführten Servokolbens 3^. In der in Fig, T und 3 gezeichneten Lage liegt der Servokolben an einem oberen An-' schlag 35 an. Der Rücklauf des Kraftstoffes aus dem Druckraum 32 erfolgt über eine Rücklauf leitung 36 in einen nicht darge-stellten Tank. An den Servokolben 34- schließt sich auf der

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öem Druckraum 32 abgewandten Seite ein im Durchmesser kleinerer Pumpenkolben 37 an, der in einer Zylinderbohrung 38 des Punpengehäuses 26 geführt ist und von dessen Stirnseite 39 der Puinpenarbeitsraum 41 in einer Richtung begrenzt wird.

Der Pumpenarbeitsraum 41 ist über einen kurzen Kanal 42 mit dem eine Feder 47 aufnehmenden Raum 43 eines als Zulaufventil arbeitenden Rückschlagventils 44 verbunden, das die über eine Füllbohrung 46 erfolgende Kraftstoffzufuhr zum Pumpenarbeitsraum 41 steuert. Wenn der Druck in diesem Raum 41 etwa gleich dem Servodruck in der Füllbohrung 46 ist, schließt die Feder 47 das Ventil 44, wobei die Ventilfeder 47 auf einem weit unter dem Servodruck liegenden Fülldruck (z.B. 10 atü) vorgespannt ist. Die Füllbohrung 46. zweigt zwischen Anschlußgewinde 28 und Magnetventil 12 von der Zulaufbohrung 27 ab und hat nahe dieser Abzweigung eine Drossel 51* während sich an ihrem Ende das Zulaufventil 44 befindet. Ein im Ventil 44 zwischen dem Außendurchmesser seines beweglichen Ventilglieds 52 und der Wand 53 des Federraumes 43 gebildeter Spalt 54· kann so ausgeführt sein, daß er einen verengten Durchflußquerschnitt bildet und neben der Drossel 51 als zusätzliehe Drosselstelle wirkt.

Vom Federraum fo führt eine Druckleitung 56 zu einem Ringraum 57 im Düsenvorsatz 16 der Einspritzdüse 17· Der Ringraum 57 und der Pumpenarbeitsraum 41 stehen daher in dauernaerVerbindung, und der Kraftstoffdruck in diesem Ringraum "beaufschlagt in bekannter Weise eine Differenzringfläche 58 an der Ventilnadel 19. Über einen Federteller 59 ist eine Schließfeder 61 bestrebt, die Ventilnadel 19 in der in Fig. gezeichneten Schließstellung zu halten.

Ein die Schließfeder 61 umgebender Federraum 62 im Federgehäuse 14 ist über eine in den Figuren 1 und 2 gestrichelt

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angedeutete Leckkraftstoffbohrung 63 mit einer Leckkraftstoff leitung 64 verbunden, die den an der Ventilnadel durchleckenden KraftstofffTank zurückführt*

Der an den Kolben 34 und 37 durchleckende Kraftstoff wird in einer Ringnut 66 gesammelt, die sich am Ende der Bohrung

33 an dem dem Druckraum 32 entfernten Ende des Servokolbens ':

34 befindet. Von dieser Ringnut 66 führt eine Leitung über ein Rückschlagventil 68 in die Rücklaufleitung 36. Das Rückschlagventil 68 3oll verhindern, daß beim Rückhub

des Servokolbens 34 Kraftstoff aus der Rücklauf1eitung φ

•36 in den von Ringnut 66 und Pumpenkolben 37 begrenzten Raum 6$"zurückgesaugt wird, denn dadurch könnte die beim Einspritzhub erfolgende Abwärtsbewegung des Servokolbens 34 behindert werden.

Erweiterung ~y\ der Das im Gehäuse 26 in die/Zulaufbohrung 27 eingesetzte Magnetventil 12 ist ein druckausgeglichenes von einem Elektromagneten 71 betätigtes 3/2-V/egeYentil mit einem Ventilgehäuse 72 und einer Kugel 73 als "beweglichem Ventilglied» Diese Kugel 73 verschließt in der in Fig. 1 gezeichneten Stellung" einen Ventilsitz ?4 an der Hündung einer Längsbohrung 75 und sperrt damit die Zufuhr des Ä

Kraftstoffes zu einem Steuerraum 76 im Ventilgehäuse 72· Dieser Steuerraum 76 ist durch eine zweite Längsbohrung 77 und einen Kanal 78 mit der Rücklauf leitung 36 verbunden, wobei die Öffnung der Bohrung 77 zum Steuerraum 76 als zweiter Ventilsitz 79 für die Kugel 73 ausgebildet ist. Die Verbindung zwischen dem St euer raum 76 und dem Druckraum 32 des Servokolbens 34 wird durch eine Querbohrung 81 hergestellt.

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Der Elektromagnet 71 hat einen Anker 82, der in Verlängerung der zweiten Längsbohrung 77 im "Ventilgehäuse

72 geführt ist und mit einem Dorn 83 unter der Kraftwirkung einer Feder 84 die Kugel 73 auf den Ventilsitz 74 drückt, wenn der Elektromagnet 71 im stromlosen Zustand ist. Um die Schließkraft der Feder 84 hei dem hohen Servodruck (p = 1QO atü) in Grenzen halten zu können, ist das Magnetventil 12 druckausgeglichen, und zwar dadurch, daß der in der Zulaufbohrung 27 herrschende Druck über einen Kanal 85 hinter den Anker 82 in den

w die Feder 84 aufnehmenden Raum 86 geleitet wird. Die vom Druck des Kraftstoffes beaufschlagten Flächen an der Kugel

73 und am Anker 82 sind gleich, so daß die in öffnungs- und Schließrichtung auf die Kugel 73 ausgeübten Kräfte ebenfalls gleich sind. Deshalb braucht nur die zusätzlich in Schließrichtung wirkende Kraft der Feder 84 die Kugel 73 auf ihrem Sitz 7^ zu halten.

Der Elektromagnet 71 hat als Steuerwicklung eine Spule 87· Sobald die Spule 87 erregt wird, z.B. über ein elektronisches Steuergerät (nicht dargestellt), wird die Kraft der Feder 84 überwunden und der Anker 82 ange-Jfe zogen. Der nachströmende Kraftstoff preßt die Kugel 73 auf den zweiten Ventilsitz 79 und der Kraftstoff kann über die Bohrungen 27,75 und 81 in den Druckraum 3^ Belangen. Die unter verschieden hohen Drücke stehenden Abschnitte des Ventilgehäuses 72 sind in der abgestuften Erweiterung 31 der Zulaufbohrung 27 gegeneinander durch Dichtringe 88, 88a,88b abgedichtet.

In Fig. 3 stehen Servokolben 34- und Pumpenkolben 37 in ihrer oberen auch inFig. 1 dargestellten Ruhelage, jedoch

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ist in Fig. 3 das Magnetventil 12 in seiner den Zufluß von der DruckquelLe zum Druckraum "32 freigebenden Stellung gezeichnet. In dieser Sehaltst'elltmg beginnt der Einspritzhub der Pumpe 13· .

In Fig.. 4- haben, ServolcoIben 3^ und Pumpenkolben 37 ihren Förderhub"H"beendet und das Magnetventil 12 hat in "seine ' den Druckraum 32 zur Eückl auf Leitung 36·. entlastende Stellung' umgesehaltet. ' ^;

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Pumpe-Düse anhand eines vollständigen-Arbeitstaktes beschrieben.

In der in Fig. 1 gezeigten Schaltstellung des Magnetventils 12 herrscht im Pumpenarbextsraim.41 und in der Druckleitung 56 der Servodruck ρ von z.B. 100 atü; das Zulaufventil 44-ist geschlossen. ¥enn das Magnetventil 12 unter der Wirkung eines Steuersignals in die in Fig. 3 gezeichnete Stellung umschaltet, gelangt der unter Servodruck stehende Kraftstoff von der Zulauf bohrung 27 in den Druckraum 32 oberhalb des Servoko'lbens 34. Die jetzt auf den Servo kolben 34 wirkende Kraft bewegt Servokolben 34 und Pumpenkolben 37 nach unten und im Pumpenarbeitsraum 41 entsteht ein Einspritz druck p-g von z.B. 300 atü, der entsprechend dem "Übersetzungsverhältnis zwisehen Servokolben 30 xmd- Pumpenkolben 37 größer ist als der Servodruck.

Die Schließfeder 61 der Einspritzdüse 17 ist im¹ vorliegenden Beispiel auf 150 atü Düsenöffnungsdruck vorgespannt und der unter Einspritz druck p_E stehende Kraftstoff greift an der Differenzringfläche 58 der Tentilnadel 19 an, hebt die Yenti !nadel an und Kraftstoff wird in den Motor zylinder eingespritzt. . · " —ΙΟ

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Der EinspritzhubΉ"wird beendet, wenn durch Abschalten des Steuersignals zum Magnetventil 12 dieses in die in Fig. 4 gezeichnete Schaltstellung umschaltet. Jetzt wird der Druckraum 32 plötzlich entlastet, der im Pumpenarbeitsraum 41 und Druckleitung 56 befindliche und unter Einspritzdruck stehende Kraftstoff bewegt die Kolben 34 und 37 etwas nach oben, wodurch der Druck in der Leitung 56 unter den Düsenöffnungsdruck abfällt. Die Ventilnadel 19 kehrt in ihre Schließstellung zurück und die Einspritzung ist beendet.

" Sobald der Druck im Pumpenarbeitsraum 41 zusammen mit dem der Kraft der Feder 43 entsprechenden Druck unter den Druck in der Füllbohrung 46 fällt, öffnet das Zulaufventil 44 und Kraftstoff strömt von der Füllbohrung 46 in den Pumpenarbeit sraum 41 und bewegt dabei Pumpenkolben 37 und Servokolben 3/^^ach oben. Durch die Wirkung der Drossel 51 entsteht ein so großer Druckabfall, daß der Servokolben 34 gedämpft an seinem oberen Anschlag 35 anlangt. Durch eine Abstimmung von Zulaufventil 44 und Drossel 51 kann dieser Füllhub bis kurz vor den Beginn des nächsten Einspritzhubes ausgedehnt werden. Der sofort nach der Entlastung der Druckleitung einsetzende Füllhub verhindert die bei schneller Druckentlastung so gefürchtete und bei Unterdruck in der Pumpe entstehende Kavitation.

Der durch die Drossel 51 verursachte Druckabfall in der Füllbohrung 46 und im Pumpenarbeitsraum 41 besteht nur solange, wie sich Pumpenkolben 37 und Servokolben 34 nach oben bewegen. Sind diese Kolben an ihrem oberen Anschlag 35 angelangt, steigt der Druck in der Füllbohrung 46, im Pumpenarbeitsraum 41 sowie in der Druckleitung 56 wieder auf den Servodruck an (siehe Fig. 1). Dies hat den Vorteil,

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daß der vor Beginn jeder Einspritzung zwischen Pumpenarbeitsraum 41 und Ringraum 57 verbleibende Druck (Standdruck) durch entsprechende Festlegung des Servodruckes genau bestimmt werden kann. Wenn der Servodruck so ausgelegt wird, daß er nur wenig niedriger ist als der Düsenöffnungsdruck, erfolgt das Öffnen der Düse infolge kurzen Einspritzverzuges sehr rasch. ■

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Pumpe-Düse besteht darin, daß die Abweichung der Einspritzmenge vom Sollwert (Mengenstreuung) von Einspritzung zu Einspritzung infolge der Flächenübersetzung von Servokolben zu Pumpenkolben·erheblich verringert wird. Bekanntlich haben Magnetventile eine zeitliche Streuung, d.h. Offnungs- und Schließzeitpunkt sind bei gleich langen Steuerzeiten nicht immer ganz ge nau gleich. Diese zeitliche Streuung führt auch zu einer, entsprechenden Mengenstreuung der Pumpe-Düse. Da im vorliegenden Fall die vom Magnetventil gesteuerte Menge dem Servokolben zugeführt wird, vermindert sich im Pumpenkolben die Mengenstreuung im Verhältnis der Flächenübersetzung. / ·■

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Claims (1)

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   Ansprüche

   •"!.,/Pumpe-Düse zur Kraftstoffeinspritzung für Brennkraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, deren Pumpenkolben durch einen im Durchmesser größeren Servokolben angetrieben wird, und die an eine Druckquelle angeschlossen ist, die sowohl dem Pumpenkolben über ein Zulaufventil als auch dem Servokolben Kraftstoff zuführt, und bei der ein im Takt der Maschine betätigtes Magnetventil in seiner ersten Schaltstellung den Fluß des Kraftstoffes zum Servokolben und in seiner zweiten Schalt stellung vom Servokolben zu einer Rücklaufleitung und dabei seinen Rückhubbeginn steuert, wobei es in seiner ersten Schaltstellung den Einspritzbeginn auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß durch die zweite Schaltstellung des Magnetventils (12) gleichzeitig mit dem Rückhubbeginn des Servokolbens (34-) das Einspritzende steuerbar ist und danach der Füllhub des Pumpenkolbens (37) beginnt, und daß zwischen dem Pumpenarbeitsraum (41) und der Einspritzdüse (17) eine dauernd offene Verbindung besteht.

   2. Pumpe-Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzufuhr zum Pumpenkolben (37) über eine Drossel (51) erfolgt, durch die der Füllhub bis kurz vor den Einspritzbeginn des nächsten Arbeitstaktes ausdehnbar ist.

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   5. Pumpe-Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zulaufventil (44) zwischen Drossel (51) unct Pumpenarbeitsraum (41) ein Rückschlagventil (44) angeordnet ist, das auf einen unter dem Servodruck 0p_s) liegenden Eülldruck vorgespannt ist.

   4, Kr aft stoff einspritz einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß außer durch die Drossel (51) die Kraftstoffzufuhr zum Pumpenkolben (37)* durch einen einen verengten Durchflußquer schnitt bildenden Spalt (54) am Rückschlagventil.(44) drosselbar ist,

   5. Kraftstoffeinspritzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das; Magnetventil (12) ein ■ druckausgeglichenes _t elektromagnetisch betätigtes 3/2-Wegeventil mit einer Kugel (73). als Ventilglied und mit nur einer Steuerwicklung (8?) ist.,

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