[0001] Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Eine übliche Kraftstoffeinspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine enthält einen in
einem Pumpenzylinder geführten Pumpenkolben und einen von dem Pumpenkolben begrenzten
Druckraum, sowie mindestens eine Steuerbohrung. Der Pumpenkolben verfügt über eine
obere, druckraumseitig gelegene Steuerkante und mindestens eine untere, schräge Steuerkante,
welche durch Überstreichen der Steuerbohrung Beginn und Ende der Kraftstofförderung
der Einspritzpumpe festlegen. Der Pumpenkolben weist einen den in dem Druckraum befindlichen
Kraftstoff druckbeaufschlagenden Kolbenkopf auf Eine solche Kraftstoffeinspritzpumpe
ist beispielsweise aus der DE 4304084 C2 bekannt.
[0003] Bei derartigen Einspritzpumpen, wie sie insbesondere bei Dieselmotoren verwendet
werden, treten in dem Druckraum Pumpendrücke von bis zu 2000 bar auf, wobei der Kraftstoff
mit Ausströmgeschwindigkeiten von 500m/s und darüber aus dem Druckraum entweicht,
wenn die Steuerkante die Steuerbohrung freigibt. Aufgrund dieser Bedingungen tritt
an den Steuerkanten und den Steuerbohrungen immer wieder die Bauteile zerstörende
Kavitation auf.
[0004] Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftstoffeinspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine
anzugeben, bei der das Auftreten von Kavitation wesentlich vermindert oder sogar gänzlich
vermieden wird.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kraftstoffeinspritzpumpe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
[0007] Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine umfaßt
einen in einem Pumpenzylinder geführten Pumpenkolben und einen von dem Pumpenkolben
begrenzten Druckraum, sowie mindestens eine Steuerbohrung, wobei der Pumpenkolben
eine obere, druckraumseitig gelegene Steuerkante und mindestens eine untere, schräge
Steuerkante aufweist, welche durch Überstreichen der Steuerbohrung(en) Beginn und
Ende der Kraftstofförderung der Einspritzpumpe festlegen, wobei der Pumpenkolben einen
den in dem Druckraum befindlichen Kraftstoff druckbeaufschlagenden Kolbenkopf aufweist.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß im Bereich der unteren Steuerkante an dem Pumpenkolben
eine Vorabsteuernut ausgebildet ist, welche beim Überstreichen der Steuerbohrung(en)
früher als die untere, schräge Steuerkante die Steuerbohrung im Sinne einer Beendigung
der Kraftstofförderung freigibt, und daß eine von dem Kolbenkopf zu der Vorabsteuernut
führende Strömungsverbindung vorgesehen ist, welche Mittel zur Strömungsbegrenzung
aufweist.
[0008] Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzpumpe ist es, daß
bevor die Steuerkante des Pumpenkolbens die Steuerbohrung überstreicht, mittels der
Vorabsteuernut ein signifikanter Abbau des Drucks im Druckraum erfolgt und damit kaviationsbegründende
Strömungsvorgänge im Bereich von Steuerkante und Steuerbohrung vermindert werden.
[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzpumpe
ist es vorgesehen, daß die Vorabsteuernut im wesentlichen dem Verlauf der unteren,
schrägen Steuerkante folgend in der Mantelfläche des Pumpenkolbens ausgebildet ist.
[0010] Hierbei ist insbesondere die Vorabsteuernut durch Beabstandung gegen den an die untere,
schräge Steuerkante anschließenden Hochdruckbereich abgedichtet.
[0011] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, daß die
vom Kolbenkopf zu der Vorabsteuernut führende Strömungsverbindung durch mindestens
eine durch das Innere des Pumpenkolbens verlaufende Bohrung gebildet ist.
[0012] Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform hiervon sieht es vor, daß die Strömungsverbindung
mindestens eine vom Kolbenkopf in axialer Richtung in das Innere des Pumpenkolbens
verlaufende Bohrung und mindestens eine in radialer Richtung von der Vorabsteuernut
in das Innere des Pumpenkolbens verlaufende, die axiale Bohrung schneidende Bohrung
umfaßt.
[0013] Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe sieht es
vor, daß der Pumpenzylinder zwei diametral gegenüberliegende Steuerbohrungen aufweist
und der Pumpenkolben jeweils zwei diametral gegenüberliegende untere Steuerkanten
und Vorabsteuernuten aufweist, und daß die in radialer Richtung verlaufenden Bohrungen
diametral gegenüberliegend in die axiale Bohrung münden. Die diametrale Anordnung
der Einmündungen der radialen Bohrungen in die axiale Bohrung bringt die vorteilhafte
Wirkung mit sich, daß die in die radialen Bohrungen eintretenden Kraftstoffströme
entgegengesetzt gerichtet sind und damit möglichst viel Druckenergie vernichtet wird.
[0014] Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist es vorgesehen, daß für jede Vorabsteuernut
mehrere radiale Bohrungen vorgesehen sind, die winkelmäßig gegeneinander versetzt
verlaufen, wobei jeweils zwei Bohrungen diametral gegenüberliegend auf gleicher Höhe
in die axiale Bohrung münden. Dies führt einerseits zu einer Aufspaltung der vom Kolbenkopf
in die Vorabsteuernut eintretenden Kraftstoffströme mit der Wirkung eines starken
Abbaus an Druckenergie, sowie in den Vorabsteuernuten auftretende entgegengesetzte
Kraftstoffströme, durch welche ein weiterer Energieabbau erfolgt.
[0015] Vorteilhafterweise sind für jede Vorabsteuernut zwei radiale Bohrungen vorgesehen,
die jeweils in der Nähe der Enden der Vorabsteuernuten in diese münden. Dies führt
zu zwei entgegengesetzten Strömungen in den Vorabsteuernuten, deren Energien sich
beim Eintreten in die Steuerbohrungen gegenseitig abbauen.
[0016] Die Mittel zur Strömungsbegrenzung sind vorteilhafterweise durch mindestens einen
Bereich geringen Querschnitts der durch das Innere des Pumpenkolbens verlaufenden
Bohrungen gebildet.
[0017] Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, daß der Querschnitt der axialen Bohrung kleiner
ist als die Summe der Querschnitte der in diese mündenden radialen Bohrungen.
[0018] Bei den Ausführungsformen, bei denen für jede Vorabsteuernut mehrere radiale Bohrungen
vorgesehen sind, ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß sich der Querschnitt der
axialen Bohrung vom Kolbenkopf her zwischen den einmündenden radialen Bohrungen vermindert.
[0019] Insbesondere ist es bei den Ausführungsformen, bei denen für jede Vorabsteuernut
zwei radiale Bohrungen vorgesehen sind, besonders vorzuziehen, daß die vom Kolbenkopf
ausgehende axiale Bohrung vor der ersten radialen Bohrung einen ersten Querschnitt
A und vor der zweiten radialen Bohrung einen zweiten Querschnitt B aufweist, wobei
der zweite Querschnitt B kleiner als der erste Querschnitt A ist. Insbesondere beträgt
dabei der erste Querschnitt A vorteilhafterweise etwa das Doppelte des zweiten Querschnitts
B.
[0020] Vorteilhafterweise ist der Querschnitt der radialen Bohrung kleiner oder ungefähr
klein dem Querschnitt der Vorabsteuernut.
[0021] Bei allen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzpumpe ist
es von Vorteil, wenn die Vorabsteuernut an ihrer Sohle mit einem Radius R verrundete
Kanten aufweist.
[0022] Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme
auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
[0023] Es zeigen:
- Fig. 1)
- eine Querschnittsansicht eines Pumpenelements einer Einspritzpumpe gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
- Fig. 2a)
- eine vergrößerte Seitenansicht des mit dem Druckraum und den Steuerbohrungen zusammenwirkenden
Teils des Pumpenkolbens;
- Fig. 2b)
- eine Draufsicht auf den Pumpenkolben;
- Fig. 2c)
- eine Abwicklung um 360° des mit dem Druckraum und den Steuerbohrungen zusammenwirkenden
Teils des Pumpenkolbens;
- Fig. 3a)
- eine nochmals vergrößerte Draufsicht auf den Kopf des Pumpenkolbens;
- Fig. 3b)
- eine Schnittansicht der durch den Pumpenkolben als Strömungsverbindung führenden Bohrungen
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel; und
- Fig. 3c)
- eine vergrößerte Schnittansicht entlang der Linie A-B in Fig. 2c), welche den Querschnitt
der Vorabsteuernut zeigt.
[0024] In Fig. 1 bedeutet das Bezugszeichen 1 den Pumpenzylinder einer Kraftstoffeinspritzpumpe
für eine Brennkraftmaschine, insbesondere einen Dieselmotor. In dem Pumpenzylinder
1 ist ein Pumpenkolben 2 in Axialrichtung verschieblich geführt, welcher von einer
auf einen Kolbenfuß des Pumpenkolbens einwirkenden Nockenwelle zyklisch angetrieben
wird. Nockenwelle und Kolbenfuß sind in Fig. 1 nicht gezeigt. Der Pumpenkolben 2 ist
an seinem unteren Ende mit einer Kolbenfahne 11 versehen, welche im Zusammenwirken
mit beispielsweise einer Zahnstange eine Verdrehung um die Kolbenachse über einen
vorgegebenen Winkelbereich ermöglicht. Der Pumpenkolben 2 begrenzt an seiner Oberseite
einen Druckraum 3, welcher in dem Pumpenzylinder 1 vorgesehen ist. An der Oberseite
des Druckraums 3 münden ein Zulaufkanal 10 und ein Ablaufkanal 9 für den Kraftstoff.
[0025] Seitlich in dem Pumpenzylinder 1 sind Steuerbohrungen 4a und 4b vorgesehen. Ein das
obere Ende des Pumpenkolbens 2 bildender Kolbenkopf 5 ist an einem Umfang mit einer
oberen, druckraumseitigen Steuerkante 6 und unteren, schrägen Steuerkanten 7a, 7b
versehen, von denen in Fig. 1 nur eine Steuerkante 7a sichtbar ist. Die obere Steuerkante
6 und die untere Steuerkante 7a begrenzen zusammen mit einer eine Verbindung des Druckraums
3 mit der Unterseite der unteren, schrägen Steuerkante 7a, 7b herstellenden Kolbennut
8 ein Steuerdreieck, welches durch Überstreichen der Steuerbohrungen 4a, 4b Beginn
und Ende der Kraftstofförderung der Einspritzpumpe festlegt. Bei der dargestellten
Kraftstoffeinspritzpumpe sind zwei derartige Steuerdreiecke ausgebildet, welche jeweils
mit den Steuerbohrungen 4a bzw. 4b zusammenwirken.
[0026] Durch Verdrehen des Pumpenkolbens 2 mittels der Kolbenfahne 11 wird durch Veränderung
der gegenseitigen Lage von unterer Steuerkante 7a, 7b und Steuerbohrung 4a, 4b das
Ende der Kraftstofförderung und damit die Einspritzdauer eingestellt. Insoweit entspricht
die beschriebene Kraftstoffeinspritzpumpe Bekanntem.
[0027] Wie aus Fig. 1 und Fig. 2a) bis c) ersichtlich ist, ist im Bereich von jeweils der
unteren Steuerkante 7a, 7b an dem Pumpenkolben 2 eine Vorabsteuernut 20a, 20b in Form
einer dem Verlauf der unteren Steuerkante 7a, 7b folgenden Einfräsung vorgesehen.
Die Vorabsteuernut 20a, 20b steht durch eine im Inneren des Pumpenkolbens 2 ausgebildete
Strömungsverbindung mit dem Kolbenkopf 5 und damit mit dem Druckraum in Verbindung.
Die Strömungsverbindung ist durch eine im Zentrum des Pumpenkolbens 2 verlaufende
axiale Bohrung 23 und jeweils zwei für jede Vorabsteuernut 7a, 7b vorgesehene radial
verlaufende Bohrungen 21a, 22a bzw. 21b, 22b hergestellt. An ihrer Oberseite ist die
axiale Bohrung 23 durch einen Konus 24 erweitert.
[0028] Die Vorabsteuernut 20a, 20b überstreicht bei der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens
2 während des Förderhubes der Einspritzpumpe früher die jeweilige Steuerbohrung 4a,
4b als die untere, schräge Steuerkante 7a, 7b, so daß eine frühere Druckentlastung
des Druckraums 3 über die Bohrungen 23 und 21a, 22a, 21b, 22b und die Vorabsteuernuten
20a, 20b im Sinne einer Beendigung der Kraftstofförderung erfolgt.
[0029] Der Querschnitt der durch die axiale Bohrung 23 und die radialen Bohrungen 21a, 22a,
21b, 22b gebildeten Strömungsverbindung ist so gewählt, daß ein wesentlicher Abbau
der in dem Druckraum 3 gespeicherten Druckenergie erfolgt, so daß bei der endgültigen
Druckentlastung des Druckraums 3 über die untere Steuerkante 7a, 7b keine Kavitation
mehr auftritt, andererseits jedoch noch keine Kavitation an der Vorabsteuernut 20a,
20b auftritt.
[0030] Wie aus Fig. 2c) ersichtlich ist, die eine Abwicklung des oberen Teils des Pumpenkolbens
2 um 360° zeigt, überstreichen die Vorabsteuernuten 20a, 20b jeweils gleichzeitig
die Steuerbohrungen 4a, 4b, die in Fig. 2c) gestrichelt dargestellt sind. Die Vorabsteuernuten
20a, 20b sind gegen den an die untere Steuerkante 7a, 7b anschließenden Hochdruckbereich
durch Beabstandung um einen Abstand S abgedichtet.
[0031] Die radialen Bohrungen 21a, 22a bzw. 21b, 22b münden jeweils nahe den Enden der Vorabsteuernuten
20a, 20b in diese. Wie aus Fig. 2b) ersichtlich ist, sind die radialen Bohrungen 21a,
22a und 21b, 22b winkelmäßig gegeneinander versetzt und münden jeweils paarweise einander
diametral gegenüberliegend in die axiale Bohrung 23. Die gegenseitige Lage der radialen
Bohrungen 21a, 22a und 21b, 22b ist in Fig. 3a) nochmals vergrößert dargestellt.
[0032] Wie aus Fig. 3b) ersichtlich ist, weist die axiale Bohrung 23 zwischen den Einmündungen
der radialen Bohrungen 21a, 21b und 22a, 22b eine Verminderung des Querschnitts auf.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Querschnitte der axialen Bohrung
23 50 gewählt, daß der erste Querschnitt an der ersten radialen Bohrung 21a, 21b ungefähr
doppelt so groß wie der zweite Querschnitt an der zweiten radialen Bohrung 22a, 22b
ist. Durch diese Verminderung des die Strömung in der axialen Bohrung 23 begrenzenden
Querschnitts soll erreicht werden, daß sich die Strömung vom Druckraum 3 zu den Vorabsteuernuten
20a, 20b ungefähr gleich auf die erste radiale Bohrung 21a, 21b und die zweite radiale
Bohrung 22a, 22b verteilt. Weiterhin sind die Querschnitte der Bohrungen so gewählt,
daß der Querschnitt der axialen Bohrung 23 kleiner ist als die Summe der Querschnitte
der in diese mündenden radialen Bohrungen 21a, 21b bzw. 22a, 22b.
[0033] Fig. 3c) zeigt einen nochmals vergrößerten Schnitt entlang der Linie A-B in Fig.
2c) im Bereich der Vorabsteuernut 20b. Wie ersichtlich ist, sind die Kanten der Vorabsteuernut
an ihrer Sohle mit einem Radius R verrundet, was zum einen einer Verbesserung des
Strömungsverhaltens innerhalb der Vorabsteuernut 20a, 20b und zum anderen die Festigkeit
des Pumpenkolbens 2 im Bereich der Vorabsteuernut 20a, 20b und insbesondere der hochbelasteten
unteren Steuerkanten 7a, 7b dient. Hinsichtlich der Festigkeit ist das Maß des Abstandes
S zwischen der Vorabsteuernut 20a, 20b und der unteren Steuerkante 7a, 7b von Bedeutung.
Dieses Maß S ist so zu wählen, daß einerseits der Beginn der Vorabsteuerung beim Anlangen
der Vorabsteuernut 20a, 20b an der Steuerbohrung 4a, 4b in einer passenden Beziehung
zum Ende der Kraftstofförderung beim Anlangen der unteren Steuerkante 7a, 7b an der
Steuerbohrung 4a, 4b steht und andererseits das Auftreten eines Schadens in diesem
hochbeanspruchten Bereich des Pumpenkolbens 2 zuverlässig ausgeschlossen ist.
1. Kraftstoffeinspritzpumpe für eine Brennkraftmaschine mit einem in einem Pumpenzylinder
(1) geführten Pumpenkolben (2) und einem von dem Pumpenkolben (2) begrenzten Druckraum
(3), und mit mindestens einer Steuerbohrung (4a, 4b), wobei der Pumpenkolben (2) eine
obere, druckraumseitig gelegene Steuerkante (6) und mindestens eine untere, schräge
Steuerkante (7a, 7b) aufweist, welche durch Überstreichen der Steuerbohrung(en) (4a,
4b) Beginn und Ende der Kraftstofförderung der Einspritzpumpe festlegen, wobei der
Pumpenkolben (2) einen den in dem Druckraum (3) befindlichen Kraftstoff beaufschlagenden
Kolbenkopf (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der unteren Steuerkante(n)
(7a, 7b) an dem Pumpenkolben (2) eine Vorabsteuernut (20a, 20b) ausgebildet ist, welche
beim Überstreichen der Bohrung(en) (4a, 4b) früher als die untere, schräge Steuerkante
(7a, 7b) die Steuerbohrung (4a, 4b) im Sinne einer Beendigung der Kraftstofförderung
freigibt, und daß eine von dem Kolbenkopf (5) zu der Vorabsteuernut (20a, 20b) führende
Strömungsverbindung vorgesehen ist, welche Mittel zur Strömungsbegrenzung aufweist.
2. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorabsteuernut
(20a, 20b) im wesentlichen dem Verlauf der unteren, schrägen Steuerkante (7a, 7b)
folgend in der Mantelfläche des Pumpenkolbens (2) ausgebildet ist.
3. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorabsteuernut
(20a, 20b) durch Beabstandung (S) gegen den an die untere, schräge Steuerkante (7a,
7b) anschließenden Hochdruckbereich abgedichtet ist.
4. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
vom Kolbenkopf (5) zu der Vorabsteuernut (20a, 20b) führende Strömungsverbindung durch
mindestens eine durch das Innere des Pumpenkolbens (2) verlaufende Bohrung (21a, 21b,
22a, 22b, 23) gebildet ist.
5. Kraftstoffeinspritzsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverbindung
mindestens eine vom Kolbenkopf (5) in axialer Richtung in das Innere des Pumpenkolbens
(2) verlaufende Bohrung (23) und mindestens eine in radialer Richtung von der Vorabsteuernut
(20a, 20b) in das Innere des Pumpenkolbens (2) verlaufende, die axiale Bohrung (23)
schneidende Bohrung (21a, 21b, 22a, 22b) umfaßt.
6. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenzylinder
(1) zwei diametral gegenüberliegende Steuerbohrungen (4a, 4b) aufweist und der Pumpenkolben
(2) jeweils zwei diametral gegenüberliegende untere Steuerkanten (7a, 7b) und Vorabsteuernuten
(2a, 2b) aufweist, und daß die in radialer Richtung verlaufenden Bohrungen (21a, 21b,
22a, 22b) diametral gegenüberliegend in die axiale Bohrung (23) münden.
7. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Vorabsteuernut
(20a, 20b) mehrere radiale Bohrungen (21a, 22a bzw. 21b, 22b) vorgesehen sind, die
winkelmäßig gegeneinander versetzt verlaufen, wobei jeweils zwei Bohrungen (21a, 21b
bzw. 22a, 22b) diametral gegenüberliegend in die axiale Bohrung (23) münden.
8. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Vorabsteuernut
(20a, 20b) zwei radiale Bohrungen (21a, 22a bzw. 21b, 22b) vorgesehen sind, die jeweils
in der Nähe der Enden der Vorabsteuernuten (20a, 20b) in diese münden.
9. Kraftstoffeinspritzpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel zur Strömungsbegrenzung durch mindestens einen Bereich geringen Querschnitts
der durch das Innere des Pumpenkolbens (2) verlaufenden Bohrung(en) (21a, 21b, 22a,
22b, 23) gebildet ist.
10. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 9 in Verbindung mit einem der Ansprüche 5 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der axialen Bohrung (23) kleiner ist
als die Summe der Querschnitte der in diese mündenden radialen Bohrung(en) (21a, 21b
bzw. 22a, 22b).
11. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der axialen Bohrung (23) vom Kolbenkopf (5)
her zwischen den einmündenden radialen Bohrungen (21a, 21b und 22a, 22b) vermindert.
12. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 11 in Verbindung mit Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die vom Kolbenkopf (5) ausgehende axiale Bohrung (23) vor der ersten radialen
Bohrung (21a, 21b) einen ersten Querschnitt und vor der zweiten radialen Bohrung (22a,
22b) einen zweiten Querschnitt aufweist, wobei der zweite Querschnitt kleiner als
der erste Querschnitt ist.
13. Kraftstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Querschnitt
etwa das Doppelte des zweiten Querschnitts beträgt.
14. Kraftstoffeinspritzpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt der radialen Bohrung(en) (21a, 21b, 22a, 22b) kleiner oder ungefähr
gleich dem Querschnitt der Vorabsteuernut (20a, 20b) ist.
15. Kraftstoffeinspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorabsteuernut (20a, 20b) an ihrer Sohle mit einem Radius R verrundete Kanten
aufweist.