Brennstoffeinspritzpumpe für Hubkolbenbrennkraftmaschinen

Abstract

 Die Brennstoffeinspritzpumpe weist mindestens einen Zylinder (3) und einen in diesem axial beweglichen Kolben (4) auf. Der Kolben hat eine den Förderbeginn der Pumpe bestimmende, erste Steuerkante (5) und eine das Förderende der Pumpe bestimmende, zweite Steuerkante (7), wobei beide Steuerkanten mit einer in der Wand des Zylinders (3) befindlichen Öffnung (6) zusammenwirken, die mit einem Saugkanal (12) und einem Überströmkanal (13) in Verbindung steht. Der Zylinder (3) ist in einem Pumpengehäuse (1) zwischen zwei Endstellungen axial beweglich angeordnet. Zum Halten des Zylinders in seiner einen Endstellung wirkt eine hydraulische Kraft (Raum 25) auf ihn, die aufhebbar ist, wenn der Zylinder seine andere Endstellung einnehmen soll.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffeinspritzpumpe für Hubkolbenbrennkraftmaschinen, mit mindestens einem einen Förderraum enthaltenden Zylinder und einem in diesem axial beweglichen Kolben, der eine den Förderbeginn der Pumpe bestimmende, erste Steuerkante und eine das Förderende der Pumpe bestimmende, zweite Steuerkante aufweist, wobei beide Steuerkanten mit einer in der Wand des Zylinders befindlichen Oeffnung zusammenwirken, die mit einem Saugkanal und einem Ueberströmkanal in Verbindung steht.

[0002] Bei bekannten Brennstoffeinspritzpumpen dieser Art wird die mit den beiden Steuerkanten zusammenwirkende Oeffnung so im Zylinder angeordnet, dass der Einspritzbeginn verhältnismässig früh vor dem oberen Totpunkt des Arbeitskolbens in der Hubkolbenbrennkraftmaschine liegt. Früher Einspritzbeginn ergibt bei Dauerbetrieb der Brennkraftmaschine einen sparsamen Betrieb, d.h. geringen Brennstoffverbrauch. Der Stickstoffoxyd-Gehalt (NO_x) der Auspuffgase liegt dabei leicht über dem Grenzwert, der in den Umweltschutzvorschriften mancher Länder angegeben ist. Man nimmt dies in Kauf, wenn die Hubkolbenbrennkraftmaschine als Antriebsmotor in einem Schiff dient und das Schiff sich auf grosser Fahrt befindet. Der NO_x-Gehalt der Auspuffgase lässt sich verringern, wenn der Einspritzbeginn näher an den oberen Totpunkt verlegt wird.

[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einspritzpumpe der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass sich mit ihr auf konstruktiv einfache Art der für sparsamen Betrieb festgelegte frühe Einspritzbeginn wahlweise auf einen späteren Einspritzbeginn verstellen lässt.

[0004] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Zylinder in einem Pumpengehäuse zwischen zwei Endstellungen axial beweglich angeordnet ist, dass zum Halten des Zylinders in seiner einen Endstellung eine hydraulische Kraft auf ihn wirkt und dass diese Kraft aufhebbar ist, wenn der Zylinder seine andere Endstellung einnehmen soll. Durch den zwischen zwei Endstellungen beweglichen Zylinder lässt sich erreichen, dass die Einspritzpumpe rasch und einfach entweder auf einen frühen oder späten Einspritzbeginn umgeschaltet werden kann, je nachdem ob die Hubkolbenbrennkraftmaschine mit niedrigem Brennstoffverbrauch und etwas höherem NO_x-Gehalt auf dem offenen Meer oder im schadstoffarmen Betrieb mit entsprechend weniger NO_x im Aufpuffgas für eine Fahrt in Küstennähe gefahren werden soll.

[0005] Eine Einspritzpumpe mit axial verstellbarem Zylinder ist zwar bekannt, wobei der Zylinder im Betrieb innerhalb seines Verstellbereichs verschoben und dann fixiert wird. Das Verschieben des Zylinders geschieht mit Hilfe eines Gewindes und eines Hebelgestänges, was konstruktiv sehr aufwendig ist.

[0006] Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1

einen Axialschnitt durch eine Brennstoffeinspritzpumpe, wobei der Zylinder die eine Endstellung innehat,

Fig.1a

einen Axialschnitt durch einen Teil der Einspritzpumpe, wobei der Zylinder die andere Endstellung innehat,

Fig.2

einen der Fig.1 entsprechenden Axialschnitt durch eine abgewandelte Einspritzpumpe,

Fig.3

einen der Fig.1 entsprechenden Axialschnitt durch eine weitere Abwandlung der Einspritzpumpe und

Fig.4

einen der Fig.2 entsprechenden Axialschnitt durch eine weiter abgewandelte Einspritzpumpe.

[0007] Gemäss Fig.1 weist die Brennstoffeinspritzpumpe ein Gehäuse 1 auf, das an seinem in Fig.1 oberen Ende durch einen Deckel 2 dicht verschlossen ist. Im Gehäuse 1 ist ein Zylinder 3 angeordnet, in den in Fig.1 von unten ein axial beweglicher Kolben 4 ragt. Das in Fig.1 untere Ende des Kolbens 4 ist in bekannter, nicht näher dargestellter Weise mit einem Nockenwellenantrieb in Wirkungsverbindung. Das in Fig.1 obere Stirnende des Kolbens 4 bildet eine erste Steuerkante 5, die mit einer sich quer durch den Zylinder 3 erstreckenden Bohrung 6 zusammenwirkt und die den Förderbeginn der Pumpe bestimmt. In Fig.1 unterhalb der ersten Steuerkante 5 weist der Kolben 4 eine zweite, schräg zur Kolbenachse verlaufende Steuerkante 7 auf, die ebenfalls mit der Bohrung 6 zusammenwirkt und das Förderende der Einspritzpumpe bestimmt. In Fig.1 oberhalb der die Steuerkante 5 bildenden Stirnfläche des Kolbens 4 befindet sich der Förderraum 8 der Pumpe, der vom Zylinder 3 und einem zentralen, in die Bohrung des Zylinders ragenden Fortsatz 9 des Deckels 2 begrenzt ist. Vom Förderraum 8 aus erstreckt sich durch den Deckel 2 ein zentraler Kanal 10, der an seinem oberen Ende mit einer nicht dargestellten Druckleitung verbunden ist, die zur Einspritzdüse einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der Dieselbauart führt und über die taktweise Brennstoff in den Arbeitszylinder der Maschine gespritzt wird. Die Hubkolbenbrennkraftmaschine ist als Antriebsmotor in ein seegängiges Schiff eingebaut.

[0008] Im Bereich des Förderraums 8 ist der Zylinder 3 aussen von einem Ringraum 11 umgeben, in den die Querbohrung 6 des Zylinders 3 mündet. In den Ringraum 11 mündet ausserdem ein im Gehäuse 1 angebrachter Kanal 12, über den in bekannter, nicht näher dargestellter Weise Brennstoff (Pfeil A) zugeführt wird. Ueberschüssiger Brennstoff wird aus dem Ringraum 11 über einen im Gehäuse 1 angebrachten Kanal 13 und eine nicht dargestellte Leitung zu einem Sammelbehälter zurückgeführt (Pfeil B).

[0009] Im Pumpengehäuse 1 ist in Fig.1 unterhalb des Ringraums 11 - getrennt von diesem - eine ringförmige Druckkammer 15 vorgesehen, die über einen im Gehäuse 1 angebrachten Kanal 16 mit einer Zufuhrleitung 17 für ein hydraulisches Druckmittel verbunden ist. Im Bereich der Druckkammer 15 ist der Aussendurchmesser D des Zylinders 3 auf den Durchmesser d verringert, wobei eine Schulter 18 gebildet wird, die in Fig.1 auf einer ebenen Ringfläche 19 der Druckkammer 15 ruht. Die Ringfläche 19 weist einen Aussendurchmesser D' auf, der grösser ist als der Durchmesser d, aber kleiner als der Aussendurchmesser D des Zylinders. Von der Zufuhrleitung 17 zweigt eine Leitung 20 ab, die ein Zweiwege-Umschaltventil 21 enthält und die in einen Kanal 22 mündet, der sich im Gehäuse 1 im Bereich des oberen Endes des Zylinders 3 befindet und in einen Druckraum 25 mündet. Der Druckraum 25 befindet sich zwischen der in Fig.1 oberen Stirnfläche des Zylinders 3 und dem Deckel 2. Der Druckraum 25 ist ringscheibenförmig und hat einen Aussendurchmesser gleich dem Aussendurchmesser D des Zylinders 3 und einen Innendurchmesser, der gleich dem Aussendurchmesser d' des in den Zylinder ragenden Fortsatzes 9 des Deckels 2 ist.

[0010] Die beschriebene Einspritzpumpe funktioniert wie folgt: Bei der in Fig.1 gezeichneten Stellung des Umschaltventils 21 wird hydraulisches Druckmittel sowohl in die Druckkammer 15 als auch in den Druckraum 25 eingeführt. Da die vom Druckmittel beaufschlagte Differenzfläche (D - D') an der Schulter 18 kleiner ist als die Stirnfläche des Zylinders 3 (D - d') im oberen Druckraum 25, wird der Zylinder auf die Ringfläche 19 gedrückt, denn die Druckkraft im oberen Druckraum 25 überwiegt. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 wird der im Förderraum 8 eingeschlossene Brennstoff von dem Moment an auf einen höheren Druck gebracht, in dem die erste Steuerkante 5 die obere Begrenzung der Querbohrung 6 passiert. Gleichzeitig wird der Brennstoff über den zentralen Kanal 10 zur schon erwähnten Einspritzdüse gefördert, über die der Brennstoff dann in den Arbeitszylinder eingespritzt wird, wenn der Einspritzdruck erreicht wird. Die Einspritzung wird unterbrochen, wenn die zweite Steuerkante 7 die untere Begrenzung der Querbohrung 6 passiert. In diesem Moment findet eine Druckentlastung des Brennstoffs im Förderraum 8 statt und der Brennstoff kann über die Querbohrung 6, den Ringraum 11 und den Kanal 13 entweichen. Die beschriebene Einspritzung geschieht bei einer Fahrt des Schiffes auf offener See, wobei der Betrieb des Antriebsmotors sich nach dem guten Wirkungsgrad richtet und der NO_x-Gehalt relativ hoch liegt. Kommt das Schiff in die Nähe der Küste, wo für den Betrieb der Antriebsmaschine die Umweltschutzvorschriften massgebend sind, d.h. möglichst niedriger NO_x-Gehalt, wird z.B. von Hand oder pneumatisch oder durch ein elektrisches Signal das Umschaltventil 21 nach rechts in die in Fig.1a gezeichnete Stellung verschoben. In dieser Stellung wird der obere Druckraum 25 entlastet, und das hydraulische Druckmittel entweicht aus diesem Raum in einen Sammelbehälter. Das weiterhin über die Leitung 17 zugeführte Druckmittel wirkt dann nur in der unteren Druckkammer 15 auf die Schulter 18. Als Folge davon verschiebt sich der Zylinder 3 nach oben, bis die obere Stirnfläche des Zylinders am Deckel 2 anliegt. Dadurch wird der Querkanal 6 ebenfalls nach oben verschoben und bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 beginnt auch die Förderung und die Einspritzung später als zuvor, weil es länger dauert, bis die erste Steuerkante 5 die obere Begrenzung der Querbohrung 6 passiert hat. Der NO_x-Gehalt der den Antriebsmotor verlassenden Auspuffgase ist damit niedriger. Diese Stellung des Zylinders 3 bleibt so lange erhalten, bis das Schiff das Küstengewässer wieder verlässt. Dann wird durch Zurückstellen des Umschaltventils 21 in die in Fig.1 gezeigte Stellung der Zylinder 3 wieder in seine untere Endstellung bewegt, und es findet wieder der Betrieb mit früherem Einspritzbeginn statt.

[0011] Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig.2 ist die untere Druckkammer in den Ringraum 11 einbezogen, so dass die Schulter 18 vom Druck des Brennstoffs im Ringraum beaufschlagt ist. Am Kanal 22 des Gehäuses 1, der zum oberen Druckraum 25 führt, ist eine Leitung 31 angeschlossen, die ein Zweiwege-Umschaltventil 32 enthält. Ueber das Umschaltventil 32 kann die Leitung 31 und damit die Druckkammer 25 mit einer Leitung 33 für die Zufuhr eines hydraulischen Druckmittels verbunden werden.

[0012] Wie aus Fig.2 ersichtlich, besteht in der gezeichneten Stellung des Umschaltventils 32 die Druckmittelverbindung, so dass das in der Druckkammer 25 befindliche Druckmittel den Zylinder 3 - gegen den auf die Schulter 18 wirkenden Brennstoffdruck - in der unteren Endstellung hält. Die Einspritzpumpe arbeitet wie zu Fig.1 beschrieben, d.h. die Einspritzung findet mit früherem Einspritzbeginn statt und das Schiff befindet sich auf offener See. Fährt das Schiff in Küstengewässer ein, so wird das Umschaltventil 32 in Fig.2 nach rechts verschoben, so dass die Leitung 31 und damit die Druckkammer 25 druckentlastet werden. Die Druckkraft des Brennstoffs auf der Schulter 18 verschiebt nunmehr den Zylinder 3 in seine obere Endstellung, die also der in Fig.1a gezeichneten entspricht. Die Querbohrung 6 im Zylinder 3 liegt nun höher als in Fig.2 gezeichnet, d.h. der Förderbeginn der Einspritzpumpe findet später statt und die NO_x-Bildung ist reduziert.

[0013] Bei den Ausführungsbeispielen gemäss Fig.1 und 2 kann das über die Leitungen 17 und 33 zugeführte hydraulische Druckmittel Diesel-Brennstoff sein, dessen Zufuhr jedoch unabhängig von dem über den Kanal 12 der Einspritzpumpe zugeführten Brennstoff ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig.3 wird als hydraulisches Druckmittel Brennstoff aus dem der Pumpe zugeführten Dieselbrennstoff abgezweigt. Zu diesem Zweck ist im Gehäuse 1 im Bereich des Ringraums 11 ein Kanal 36 vorgesehen, an den eine Leitung 37 angeschlossen ist, die über ein Zweiwege-Umschaltventil 38 in den Kanal 22 mündet, der mit der oberen Druckkammer 25 in Verbindung steht. Dem Kanal 22 gegenüberliegend ist im Gehäuse 1 ein Kanal 39 vorgesehen, der ebenfalls mit der Druckkammer 25 kommuniziert und an den eine Leitung 40 angeschlossen ist, die in eine Leitung 13' mündet, die an Ablaufkanal 13 für den Brennstoff angeschlossen ist. In den Leitungen 13' und 40 befindet sich je eine Drosselstelle 41 bzw. 42.

[0014] Bei der in Fig.3 gezeichneten Stellung des Umschaltventils 38 wird ein Teil des über den Kanal 12 der Einspritzpumpe zugeführten Brennstoffs über die Leitung 37 der oberen Druckkammer 25 zugeführt. Der in dieser Druckkammer wirkende Brennstoffdruck drückt den Zylinder 3 in seine untere Endstellung, die dem früheren Einspritzbeginn entspricht, bei dem das Schiff auf offener See fährt. Beim Einfahren des Schiffes in Küstengewässer wird das Umschaltventil 38 in Fig.3 nach rechts verschoben, wodurch der Druckraum 25 entlastet wird und nunmehr der auf die Schulter 18 wirkende Brennstoffdruck den Zylinder 3 in seine obere Endstellung bewegt, wie in Fig.1a dargestellt. Durch das Vorsehen des Kanals 39, der Leitung 40 und der beiden Drosseln 41 und 42 wird erreicht, dass der Druckraum 25 bei der in Fig.3 dargestellten Stellung des Zylinders 3 ständig von Brennstoff durchströmt wird.

[0015] Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig.4 entspricht weitgehend dem Beispiel gemäss Fig.2, wobei jedoch die in Fig.2 auf die Schulter 18 wirkende hydraulische Kraft durch eine Schraubenfeder 30 ersetzt ist. Die Feder 30 umgibt das untere Ende des Kolbens 4 und drückt auf die in Fig.4 untere Stirnfläche des Zylinders 3. Bei dieser Ausführungsform entfällt also die Ausbildung einer besonderen Ringfläche im Gehäuse 1 unterhalb der Schulter 18.

[0016] Im Betrieb der Pumpe wird bei der gezeichneten Stellung des Umschaltventils 32 der Zylinder 3 durch die hydraulische Kraft in der Druckkammer 25 in der unteren Endstellung gehalten und dies entspricht also frühem Einspritzbeginn. Bei einer Fahrt des Schiffes in Küstennähe wird das Umschaltventil 32 in Fig.4 nach rechts verschoben, wodurch die Druckkammer 25 vom Druck entlastet wird. Die Druckkraft der Schraubenfeder 30 drückt dann den Zylinder 3 in seine obere Endstellung, so dass späterer Einspritzbeginn stattfindet.

Ansprüche

1. Brennstoffeinspritzpumpe für Hubkolbenbrennkraftmaschinen, mit mindestens einem einen Förderraum enthaltenden Zylinder und einem in diesem axial beweglichen Kolben, der eine den Förderbeginn der Pumpe bestimmende, erste Steuerkante und eine das Förderende der Pumpe bestimmende, zweite Steuerkante aufweist, wobei beide Steuerkanten mit einer in der Wand des Zylinders befindlichen Oeffnung zusammenwirken, die mit einem Saugkanal und einem Ueberströmkanal in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder in einem Pumpengehäuse zwischen zwei Endstellungen axial beweglich angeordnet ist, dass zum Halten des Zylinders in seiner einen Endstellung eine hydraulische Kraft auf ihn wirkt und dass diese Kraft aufhebbar ist, wenn der Zylinder seine andere Endstellung einnehmen soll.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Endstellung des Zylinders diejenige ist, bei der ein früherer Einspritzbeginn stattfindet.

3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Kraft auf die der Antriebsseite des Kolbens abgewendete Stirnfläche des Zylinders wirkt.

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Halten des Zylinders in der anderen Endstellung ebenfalls eine hydraulische Kraft vorgesehen ist, die auf eine der Antriebsseite des Kolbens zugewendeten Fläche des Zylinders wirkt, die kleiner bemessen ist als die der Antriebsseite des Kolbens abgewendete Stirnfläche.

5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als hydraulische Kraft der Druck des der Pumpe zugeführten Brennstoffs dient.

6. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Halten des Zylinders in der anderen Endstellung eine Federkraft vorgesehen ist, die auf eine der Antriebsseite des Kolbens zugewendeten Fläche des Zylinders wirkt.

Zeichnung