Pumpenelement zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Pumpenelement, insbesondere einer Reiheneinspritzpumpe, zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfassend einen einen Pumpenraum aufweisenden Pumpenzylinder, einen im Pumpenzylinder axial verschieblich geführten Pumpenkolben, wenigstens eine in den Pumpenraum mündende Zulaufbohrung für anzusaugenden Kraft- Stoff und eine vom Pumpenraum wegführende Ablaufbohrung, wobei am Außenumfang des Pumpenkolbens wenigstens eine zur Kolbenachse zumindest abschnittsweise geneigt verlaufende Steuerkante ausgebildet ist, die den der Stirnfläche des Kolbens benachbarten Kolbenbereich gegenüber einem mit verringertem Durchmesser ausgebildeten Kolbenbereich begrenzt, wobei der zwischen dem mit verringertem Durchmesser ausgebildeten Kolbenbereich und der Zylinderinnenwand ausgebildete Raum mit der Zulaufbohrung in Verbindung bringbar ist, sobald die Steuerkante beim Pumphub des Kolbens die Zulaufbohrung erreicht, und über eine axiale Nut mit dem Pumpraum in Verbindung steht.

Ein mechanisches Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine besteht in der Regel aus einer Reiheneinspritzpumpe, deren einzelne Pumpenelemente über starre Leitungen mit Einspritzdüsen verbunden sind. Die Reiheneinspritzpumpe wird von einer Nockenwelle angetrieben. In Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors muss die Pumpe unterschiedliche Mengen an Kraftstoff in den Brennraum fördern. Aufgrund der mechanischen Verbindung zwischen Pumpenhub und Einspritzung kann die Steuerung von Spritzbeginn und Spritzende und damit der Einspritzmenge nur mehr durch Drehen des Pumpenkolbens mit Hilfe einer Regelstange erfolgen, wobei der Pumpenkolben dafür mindestens eine schräge Steuerkante aufweist, mit deren unterschiedlicher Position zu einer Zulaufbohrung die geforderten Zeiten eingestellt werden können.

Bei einem derartigen Einspritzsystem steigt der Einspritzdruck aufgrund der Trägheit des im Pumpenvolumen befindlichen Kraftstoffs mit steigender Drehzahl kontinuierlich an. Dadurch kann bei niedrigen Drehzahlen nur ein geringer Einspritzdruck er- reicht werden. Bei einer änderung der Form der Nockenwelle kann im niedrigen Drehzahlbereich der Einspritzdruck erhöht werden, gleichzeitig steigt aber auch der Einspritzdruck im hohen Drehzahlbereich an, was aufgrund der auftretenden Bauteilbeanspruchung unerwünscht ist.

Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, den Einspritzdruck bei einem Pumpenelement der eingangs genannten Art bei steigenden Drehzahlen zu begrenzen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Ausbildung erfindungsgemäß derart getroffen, dass der Pumpenkolben mit wenigstens einer Absteuerbohrung versehen ist, die mit dem Pumpenraum in Verbindung steht und am Außenmantel des Pumpenkolbens in dem der Stirnfläche des Kolbens benachbarten Kolbenbereich mündet, so dass die Absteuerbohrung über einen Teilhub des Pumpenkolbens mit einer Entlastungsbohrung in Verbindung bringbar ist. Durch die Absteuerbohrung wird also eine Verbindung zwischen Pumpenraum und einer Entlastungsbohrung ermöglicht, die freigegeben wird, sobald die Mündung der Absteuerbohrung bei der Aufwärts- bewegung des Pumpenkolbens die Entlastungsbohrung erreicht, wobei Kraftstoff aus dem Pumpenraum über die Entlastungsbohrung abfließen kann. Dadurch wird der Druck im Pumpenraum abgebaut. Die Ausbildung kann hierbei derart getroffen sein, dass die Absteuerbohrung bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Pumpen- kolbens von der Innenwand des Pumpenzylinders wieder abgedeckt wird, sodass die Verbindung zwischen Pumpenraum und Entlastungsbohrung wieder unterbrochen und der Druckabbau beendet wird. Durch geeignete Dimensionierung und Anordnung der Absteu- erbohrung kann dabei die jeweils gewünschte Beeinflussung des Drucks im Pumpenraum und damit des Einspritzdrucks erzielt werden.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Pumpenelements ist die Entlastungsbohrung von der in radialer Richtung in den Pumpenraum mündenden Zulaufbohrung gebildet. In der Zulaufbohrung herrscht ein wesentlich niedrigerer Druck, sodass eine Druckentlastung des Pumpenraums ohne weiteres stattfinden kann, sobald die Mündung der Absteuerbohrung bei der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens die Zulaufbohrung erreicht. Eine gesonderte Entlastungsbohrung ist in diesem Fall nicht erforderlich, sodass der konstruktive Aufwand verringert werden kann.

Um zu verhindern, dass der Druck im Pumpenraum schlagartig abgebaut wird, kann die Ausbildung bevorzugt derart getroffen sein, dass die Absteuerbohrung wenigstens eine Drosselstelle aufweist oder über eine Drosselstelle mit dem Pumpenraum in Verbindung steht. Die Dimensionierung der Drosselstelle spielt eine entscheidende Rolle bei der Auslegung des Systems, indem die Drosselstelle mit einem Drosselquerschnitt ausgebildet ist, der bei bestimmten Teilhüben eine gezielte Druckentlastung im Pumpenraum zur jeweils gewünschten Reduzierung des Einspritzdrucks ermöglicht.

Um den Teilhub genau festlegen zu können, über welchen die Druckentlastung erfolgen soll, ist die gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass die Absteuerbohrung in einer am Außenmantel des Pumpenkolbens ausgebildeten Absteuernut mündet, wobei die Absteuernut eine obere und eine untere jeweils mit der Entlastungs- bzw. Zulaufbohrung zusammenwirkende innere Steuerkante ausbildet. Dabei wird der Pumpenraum über die Ab- Steuerbohrung mit der Entlastungs- bzw. Zulaufbohrung verbunden, sobald die obere innere Steuerkante bei der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens die Entlastungs- bzw. Zulaufbohrung erreicht. Die Druckentlastung kann so lange erfolgen bis die untere innere Steuerkante der Absteuernut die Entlastungs- bzw. Zulaufbohrung nach einer weiteren Aufwärtsbewegung verdeckt.

Wenn, wie es einer bevorzugten Weiterbildung entspricht, die obere innere Steuerkante und die untere innere Steuerkante in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet sind, kann durch Drehen des Pumpenkolbens der axiale Abstand zwischen den inne- ren Steuerkanten dort wo sie mit der Entlastungs- bzw. Zulauf- bohrung zusammenwirken, verändert werden. Dadurch gelingt in einfacher Weise eine Einstellung der Druckentlastung.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausbildung ist vorgesehen, dass die Absteuerbohrung an zwei gegenüberliegenden Stellen des Pumpenkolbens am Außenmantel desselben mündet, wobei bevorzugt an beiden Stellen je eine Absteuernut ausgebildet ist, in welcher die Absteuerbohrung jeweils mündet. Dabei wird über einen entsprechenden Teilhub an jeder Mündung eine Verbindung zu einer Entlastung- bzw. Zulaufbohrung hergestellt, wobei es vorteilhaft sein kann, die beiden Entlastung- bzw. Zulaufbohrungen in axialer Richtung versetzt anzuordnen, um erweiterte Einstellmöglichkeiten zu schaffen.

In Kombination mit der erfindungsgemäßen Ausbildung ist es in einfacher Weise möglich auch den Zeitpunkt des Einspritzendes zu beeinflussen. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, dass am Außenumfang des Pumpenkolbens wenigstens eine zur Kolbenachse zumindest abschnittsweise geneigt verlaufende Steuerkante ausgebil- det ist, die den der Stirnfläche des Kolbens benachbarten Kolbenbereich gegenüber einem mit verringertem Durchmesser ausgebildeten Kolbenbereich begrenzt, wobei der zwischen dem mit verringertem Durchmesser ausgebildeten Kolbenbereich und der Zylinderinnenwand ausgebildete Raum mit der Zulaufbohrung in Verbindung bringbar ist, sobald die Steuerkante beim Pumphub des Kolbens die Zulaufbohrung erreicht, und über eine axiale Nut mit dem Pumpraum in Verbindung steht. Die Mündung(en) der Absteuerbohrung liegen hierbei in dem der Stirnfläche des Kolbens benachbarten Kolbenbereich.

Um sowohl den Zeitpunkt des Einspritzendes als auch die Druckentlastung äquivalent zu regeln, ist die Ausbildung mit Vorteil

derart getroffen, dass der geneigt verlaufende Abschnitt der Steuerkante des Pumpenkolbens parallel zur unteren Steuerkante der Absteuernut verläuft.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 den schematischen Aufbau einer Reiheneinspritzpumpe, Fig. 2 eine 180°-Abwicklung des Pumpenkolbens im Bereich der Steuerkanten gemäß dem Stand der Technik, Fig. 3 den Zusammenhang zwischen Drehzahl und Einspritzdruck, Fig. 4 eine 180°-Abwicklung eines Pumpenkolbens gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 5 eine Schnittansicht des pumpenraumseitigen Bereichs des Pumpenkolbens und Fig. 6 eine Schnittansicht des Pumpenkolbens gemäß Fig. 5 in einer abgewandelten Ausbildung.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Reiheneinspritzpumpe 1. Die Pumpe 1 besteht aus einem Pumpenzylinder 2, einem darin axial verschieblich geführten Pumpenkolben 3 und einer Kolbenfeder 4, die den Kontakt des Pumpenkolbens 3 mit der No- ckenwelle 5 aufrechterhält. Im unteren Totpunkt des Pumpenkolbens 3 ist der Pumpenraum 10 mit der Zulaufbohrung 6 verbunden, sodass Kraftstoff aus dem Tank (nicht dargestellt) über eine Vorförderpumpe (nicht dargestellt) in den Pumpenraum einströmen kann. Beim Aufwärtsgang des Pumpenkolbens 3 wird bei einem festgelegten Hub die Zulaufbohrung 6 von der oberen Steuerkante 8 des Pumpenkolbens verschlossen. Beim weiteren Aufwärtsgang des Pumpenkolbens 3 wird so lange der Druck in Pumpenraum 10, Ablaufbohrung 7 und an die Ablaufbohrung 7 anschließender Einspritzleitung und düse (nicht dargestellt) erhöht, bis der öffnungsdruck der Einspritzdüse (nicht dargestellt) erreicht ist und die Einspritzung beginnt.

Sobald der Hub des Pumpenkolbens 3 so groß ist, dass die untere Steuerkante 9 die noch verschlossene Zulaufbohrung 6 erreicht, wird der Druck im Pumpenraum 10 über die Längsnut 11 und die Zulaufbohrung 6 abgebaut, die Düsennadel (nicht dargestellt) schließt wieder und das Spritzende ist erreicht.

Fig. 2 zeigt die Abwicklung des Pumpenkolbens 3 im Bereich der Steuerkanten 8 und 9. Die untere Steuerkante 9 ist in der Regel zumindest über einen Teil des Pumpenkolbenumfangs gegenüber der oberen Steuerkante 8 geneigt, sodass durch Verdrehung des Pumpenkolbens 3 relativ zur Zulaufbohrung 6 unter-schiedliche Zeitpunkte für das Spritzende eingestellt werden können.

Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Drehzahl 12 und Ein- spritzdruck 13. Aufgrund der Trägheit des im Pumpenvolumen befindlichen Kraftstoffs steigt der Einspritzdruck 13 mit steigender Drehzahl 12 kontinuierlich an, wie dies durch die Linie 14 beispielhaft dargestellt ist. Dadurch kann bei niedrigen Drehzahlen nur ein geringer Einspritzdruck erreicht werden. Bei einer änderung der Form der Nockenwelle 5 kann im niedrigen Drehzahlbereich der Einspritzdruck 13 erhöht werden, wie dies durch die Linie 15 angedeutet ist, gleichzeitig steigt aber auch der Einspritzdruck 13 im hohen Drehzahlbereich, was aufgrund der auftretenden Bauteilbeanspruchung unerwünscht ist.

Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsbeispiele der gegenständlichen Erfindung. In Fig. 4 ist die Abwicklung eines Pumpenkolbens 3 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In der durch die Steuerkanten 8 und 9 definierten Fläche des Pum- penkolbens 3 befindet sich eine Absteuernut 16, die über eine Absteuerbohrung 17 mit dem Pumpenraum 10 in Verbindung steht. Die Absteuernut 16 definiert eine obere innere Steuerkante 19, sowie eine untere innere Steuerkante 20. Erreicht die obere Steuerkante 19 bei der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens 3 die Zulaufbohrung 6, so kann Kraftstoff vom Pumpenraum 10 über die Absteuerbohrung 17 und die Absteuernut 16 in die Zulaufbohrung 6 gelangen, und der Druck im Pumpenraum 10 sinkt ab. Bei weiterem Hub des Pumpenkolbens 3 verdeckt schließlich die untere Steuerkante 20 die Zulaufbohrung 6, sodass kein Kraftstoff mehr über Absteuerbohrung 17 und Absteuernut 16 in die Zulaufbohrung 6 gelangen kann.

Um zu verhindern, dass der Druck im Pumpenraum 10 schlagartig abgebaut wird, ist im Pumpenkolben 3 im Lauf der Absteuerbohrung 17 eine Drosselstelle vorgesehen. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsalternative, bei der die Drossel in der Achse des Pum- penkolbens mit Hilfe eines Drosseleinsatzes 18 realisiert ist. Alternativ dazu zeigt Fig. 6 eine Ausführung, bei der im radialen Teil der Absteuerbohrung 17 eine Drosselstelle 21 realisiert ist. Bei geeigneter Wahl der Geometrie der Drossel 18 oder 21 und der Absteuernut 16 kann erreicht werden (Fig. 3), dass bei gleichem Verhalten im niedrigen Drehzahlbereich der Einspritzdruck im hohen Drehzahlbereich nicht weiter ansteigt, sondern konstant bleibt, wie dies durch die Linie 22 in Fig. 3 angedeutet ist.