DE2328563A1

DE2328563A1 - Brennstoffeinspritzpumpe mit hin- und hergehendem plunger und mit elektromagnetisch betaetigter steueroeffnung

Info

Publication number: DE2328563A1
Application number: DE2328563A
Authority: DE
Inventors: Harlan I Fuller; Edwin B Watson
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1972-06-08
Filing date: 1973-06-05
Publication date: 1973-12-20
Also published as: JPS4956029A; IT993566B; GB1400656A; FR2188065A1; US3779225A; JPS5641821B2; CA969829A; FR2188065B1

Description

Patentanwälte - . ^

Dr. ing. H. Negendank

Dipl. Ing. H. Hauck - DIdI. Phys. W. Schmitt

DIpI. Ing. E. Graalfs - Dipl. Ing. W. Wehnert

8 MUnehon 2, MozartstraSe 23

Telefon 5580586

The Bendix Corporation Executive Offices Bendix Center 5. Juni 1973 Southfield,Michigan 48075,USA Anwaltsakte M-2692

Brennstoffeinspritzpumpe mit hin- und hergehendem Plunger und mit elektromagnetisch betätigter Steueröffnung

Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem für eine Verbrennungskraftmaschine, das eine Brennstoffquelle, eine Brennstoffpumpe zum Unterdrucksetzen des Brennstoffs und eine oder mehrere Einspritzdüsenanordnungen für die Einspritzung von Brennstoff in den Motorzylinder enthält. Die Erfindung betrifft insbesondere eine verbesserte Pumpe mit hin- und hergehendem Kolben zum Unterdrucksetzen eines Strömungsmittels und ein solenoidbetätigtes Steuerventil zum Steuern der von der Pumpe ausgeteilten Strömungsmittelmenge.

.Mechanische Brennstoffeinspritzsysteme für Verbrennungskraftmaschinen enthalten im allgemeinen einen Brennstoffbehälter,

309861/0480

die den Brennstoff vom Behälter aufnehmende und ihn unter Druck setzende Brennstoffpumpe und eine oder mehrere Düsenventilanordnungen, die den unter Druck gesetzten Brennstoff aufnehmen und in den Motorzylinder einspritzen. Die Pumpe, die den in den Motorzylinder zu fördernden Brennstoff unter Druck setzt, kann von der Bauart mit Drehkolben, hin- und hergehendem Kolben oder Plunger sein.

Brennstoffpumpen mit hin- und hergehendem Kolben haben im allgemeinen ein Gehäuse, einen im Gehäuse hin- und hergehend angeordneten Kolben, der mit der Kurbel- oder Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine so verbunden ist, daß die Drehung der Nockenwelle ein Hin- und Hergehen des Kolbens im Pumpengehäuse bewirkt, und eine Druckkammer, von der eine Wand die Stirnseite des hin- und hergehenden Kolbens bildet, wobei die Druckkammer eine Einlaßöffnung, eine Entlastungs-(Bypass-)öffnung und eine Einspritzöffnung hat. Bei allen Pumpen mit hin- und hergehendem Kolben enthält dieser einen Durchgang (im allgemeinen eine Nut oder einen Kanal im Kolben), der während des Kolbenhubs die Druckkammer periodisch mit der Entlastungsöffnung verbindet. Der Kanal und der Kolben sind so ausgebildet und angeordnet, daß die radiale Einstellung des Kolbens (durch Drehen des Kolbens) von einer in eine andere Lage die periodische Verbindung der Entlastungsöffnung mit der Druckkammer beeinflußt, wodurch die Einspritzzeit und folglich das in den Motor eingespritzte Brennstoffvolumen gesteuert werden. Es wird daher die in den Motor eingespritzte Brennstoffmenge bestimmt durch radiales Einstellen (Drehen) der

309851/0410 " -

hin- und hergehenden Kolben, die mechanisch mit der Nockenwelle des Motors verbunden sind. Weil der Kolben mechanisch mit der Nockenwelle verbunden ist, ist der Zeitpunkt, an dem Brennstoff in den Motor eingespritzt wird, im allgemeinen gegenüber der Nockenwelle von einem üblichen Bezugspunkt aus festgelegt.

Eine weitere Begrenzung und ein weiterer Nachteil bei Brennstoffpumpen mit hin- und hergehendem Kolben ist, daß der hin- und hergehende Kolben den Beginn des Einspritzzyklus' bestimmt, d.h. der Kolben beginnt den Einspritzzyklus, wenn er die Einlaßöffnung schließt. Der Kolben beginnt Druck in der Druckkammer aufzubauen bis der Druck einen Punkt erreicht, der die Öffnung der Einspritzöffnung und ein Einspritzen des Brennstoffs in den Motorzylinder bewirkt. Ist einmal eine hin- und hergehende Brennstoffpumpe eingebaut, so ist bei den meisten Systemen der Kolben mit der Nocken- oder Kurbelwelle des Motors so verbunden, daß die Einlaßöffnung immer schließt, wenn die Nockenwelle den gleichen Grad der Drehung erreicht. Ein üblicher Versuch, das Schließen der Einlaßöffnung gegenüber der Drehung der Nockenwelle zu ändern, ist der, einen mechanischen Übersetzer zwischen der Motornockenwelle und dem Pumpenkolben einzuführen. Mechanische Übersetzer (Einstellvorschubmechanismen) sind sperrig und teuer, was natürlich bei kommerziellen Brenn-

stoffeinspritzsystemen unerwünscht ist. Eine weitere Lösung des Problems war, den hin- und hergehenden Kolben wegzulassen und eine solenoidbetätigte Einspritzdüse zu verwenden, die durch eine hochentwickelte Schaltelektronik· gesteuert wird. Diese

309851/0460

Systemart erfordert jedoch eine Pumpe für extrem hohe Drücke, mehrere elektromechanische und elektrische Bestandteile und sehr komplizierte Einspritzdüsen.

Die Erfinder haben daher zur Steuerung der in eine Verbrennungskraftmaschine eingespritzten Brennstoffmenge über einen breiten Bereich von Motordrehzahlen versucht, die Brennstoffpumpe mit hin- und hergehendem Kolben in der Weise abzuändern, daß das Öffnen und Schließen der Einlaßöffnung gesteuert wird. Nachdem dies in wirtschaftlicher und praktischer Weise nicht gelungen ist, wendete sich die Technik den elektronischen Einspritzsystemen zu, die keine Brennstoffpumpe mit hin- und hergehendem Kolben verwenden, bei der das Öffnen und Schließen der Einlaßöffnung gesteuert wird. Diese Systeme sind verhältnismäßig teuer und kompliziert.

Zur Vermeidung dieser Nachteile offenbart die vorliegende Erfindung ein Brennstoffeinspritzsystem für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer mit hin- und hergehendem Kolben versehenen Druckpumpe mit einem elektromechanisch betätigten Entlastungs- oder Steuerventil, das so angeordnet ist, daß die Stirnseite des Ventils -nicht dem unter Druck gesetzten Strömungsmittel in der Pumpenkammer ausgesetzt ist, wodurch zum Öffnen und Schließen des Ventils weniger elektromechanische Energie benötigt wird. Bei dieser. Art von Anordnung ist es nun möglich, das Öffnen und Schließen des Entlastungsventils unabhängig von der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens

309851/0460

zu steuern, der den Brennstoff in einer zeitlichen Beziehung zur Drehung der Nocken- oder Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine unter Druck setzt. - .

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennstoffpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine;

Fig. 2 eine vergrößerte, schematische, teilweise Ansicht des Ventilteils des Solenoids und des hin- und hergehenden Plungers;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf die Druckkammer entlang den Linien III-III in Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Brennstoffeinspritzpumpe 1 mit einer hin- und hergehenden Kolbenanordnung 30 zum Unterdrucksetzen des Brennstoffs in Abhängigkeit von der Rotation einer nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine, mit einer solenoidbetätigten Entlastungs- oder Steuerventilanordnung 27, die unabhängig von der hin- und hergehenden Kolbenanordnung 30 gesteuert wird, und eine Einspritz- oder Auslaßventilanordnung 50, die mit dem Motorzylinder in Verbindung steht.

309851/Q46Q

Die hin- und hergehende Kolbenanordnung 30 enthält ein Nockenfolgeglied 32, das der Nocken- oder Kurbelwelle einer nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine folgt, eine Federanordnung 33, die das Nockenfolgeglied 3 2 in Berührung mit der Nockenwelle hält, und einen Kolben 31, der in einer Bohrung des Gehäuses hin- und hergeht.

Die elektromagnetische Ventilanordnung enthält eine Drahtspule, die Energie von einer nicht gezeigten Quelle empfängt, und einen Ventil- oder Solenoidkern 20, der abhängig von der Erregung einer Spule 24- axial bewegbar ist. Die Feder spannt das Ventil 20 axial in der Offenstellung so vor, daß zum Schließen des Ventils 20 eine Erregung der Solenoidspule 24" erforderlich ist.

Das bewegbare Ventil 20 hat einen hohlen Abschnitt 21, dessen Zweck es ist, die Masse des Kerns so zu vermindern, daß zum Bewegen des Ventils 20 weniger elektromagnetische Energie benötigt wird. Das Ventil 20 weist eine Endstirnseite 23 auf, die im Gehäuse 60 endet. Ein wichtiges Merkmal des Ventils ist die darin vorgesehene Ringnut 2, die den Entlastungskanal 3 mit der Bohrung 10 im Gehäuse 6Ö verbindet, wenn das Ventil 20 in seine weiteste Stellung gegenüber der Spule 24 ausgefahren wird. Offensichtlich können Teile des Kerns, die nicht auf das Solenoid ansprechen müssen, aus anderen Stoffen als Eisen hergestellt werden.

Die Pumpenanordnung 1 weist ferner eine Quelle oder Versorgungskammer 5 auf, die Brennstoff über einen (Einlaß-)Kanal 6

30 98S1/0480

zu einer Druckkammer 10 liefert. Die Versorgungskammer 5 steht auch mit der Druckkammer 10 über den (Entlastungs-)Kanal 3 und den Kanal in Verbindung, der durch die Ringnut 2 des Ventils gebildet wird, wenn sich das Ventil 20 in der gezeigten Stellung befindet.

In der Zeichnung ist der Kanal 6 wegen der Stellung des Kolbens 31 geschlossen und der Entlastungskanal 3 wegen der Stellung , des Solenoidventils 20 offen."Der Einlaßkanal 6 der Druckkammer 10 ist daher geschlossen und der Entlastungskanal 3 offen, was ein Unterdrucksetzen des Brennstoffs in der Kammer 10 durch den Kolben 31 verhindert. -

Die Brennstoffeinspritzpumpe 1 weist ferner die Einspritzventilanordnung 50 auf, bestehend aus einem Auslaßventil 51, einem Ventilsitz 49 zum Aufnehmen des Ventils.51 und einer Federanordnung 52 zum Halten des Ventils 51 in Schließstellung bis,in der Kammer 10 ein vorgegebener Druck erreicht ist, wobei das Ventil 51 und der Ventilsitz 49 in einer¹ Kammer 15 angeordnet sind, die mit zum Motorzylinder führenden Kanälen 56, 57 in Verbindung steht. Das Ventil 51 ist in Schließstellung gezeigt, die eine Verbindung des Brennstoffs in der Druckkammer 10 mit dem Strömungsmittel in der Kammer 15 und hierdurch ein Einspritzen von Brennstoff in den Motor verhindert.

Das Ventil 51 wird durch die Feder 52 vorgespannt geschlossen, so daß das Ventil 51 nicht öffnet bis der Druck im Kanal 10

309851/0 480

ein vorgegebenes Druckniveau erreicht, das viel größer ist als irgendein Druckniveau des Strömungsmittels in der Versorgungskammer 5. Fig. 1 zeigt den druckerzeugenden Kolben 31 am oberen Totpunkt seines Hubs und das Solenoidventil so eingestellt, daß die Pumpenkammer 10 über den Kanal 3 mit der Versorgungskammer 5_; so in Verbindung steht, daß der Druck in der Kammer 10 nicht merklich größer ist als der Druck in der Versorgungskammer 5.

Fig. 2 ist ein vergrößerter, schematischer Schnitt der in Fig. gezeigten Pumpenanordnung. Bei dieser schematischen Ansicht steht die Versorgungskammer 5 mit der Druckkammer 10 nur über den Einlaßkanal 6 in Verbindung} da der Eisenkern 20 des Solenoidventils in eine den Entlastungskanal 3 sperrende Stellung bewegt wurde. Der Entlastungskanal 5 würde sonst mit der Druckkammer 10 in Verbindung stehen. Diese schematische Ansicht zeigt, daß der Kolben, wenn er sich zum Punkt A hochbewegt, die mit der Versorgungskammer 5 verbundene Einlaßöffnung schließt, wodurch der Brennstoff in der Kammer 10 unter Druck gesetzt werden kann, wenn das Volumen der Kammer abnimmt. Wenn der Druck des Strömungsmittels in der Kammer 10 einen vorgegebenen Druck erreicht, öffnet das Ventil 51 (Fig. 1) und läßt das Strömungsmittel durch die Einspritzdüsenanordnung 50 (Fig, 1) um den Ventilkörper 20 und zur nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine fließen. Ein weiteres, in Fig, 2 zu sehendes Merkmal der Erfindung ist die Tatsache, daß die Stirnseite 23 des Ventils nicht dem Druck in der Kammer 10 ausgesetzt ist. Wenn die Stirnseite 23 des elektromagnetischen Ventils innerhalb der Kammer 10 enden würde, wäre sie Drücken ausgesetzt,

309861/046 0

"die zum Bewegen des Ventilkörpers 20 eine zusätzliche elektromagnetische Kraft benötigen würden. Da die Bewegung des Ventils

i^ *

20 unabhängig vom Betrieb des hin- und hergehenden Kolbens 31 ist, können die Steuerung und Einspritzung des Brennstoffs in den Motorzylinder zu irgendeinem Zeitpunkt unabhängig vom Drehwinkel der Nockenwelle begonnen oder beendet werden..Dies ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung,-da frühere Brennstoffeinspritzpumpen mit hin- und hergehendem Kolben dieses Merkmal nicht erzielen konnten.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht in die Druckkammer 10 .entlang den Linien III-III in Fig. 2. Diese Figur zeigt die Form der Druckkammer 10, die dem unter Druck gesetzten Strömungsmittel gestattet, um den Ventilkörper 20 zu- strömen. Der Ventilkörper 20 ist in der öffnungsstellung gezeigt, so daß das Strömungsmittel in der Druckkammer 10 durch den Beipaß oder Entlastungskanal 3 zur Versorgungskammer 5 strömen kann. Diese Ansicht zeigt ferner, wie eine axiale Bewegung des Ventils 20 in axialer Richtung die Verbindung zwischen der Druckkammer 10 und dem Beipaßkanal 3 öffnet und schließt. Diese Figur zeigt ferner, daß die Stirnseite des Ventils 20 nicht zu jeder Zeit innerhalb der Druckkammer 10 angeordnet ist und daher nicht irgendwelchen axialen Kräften ausgesetzt ist, die durch das Strömungsmittel in der Kammer bewirkt werden, wenn, das Ventil 20 geschlossen oder geöffnet ist. Die Bewegung .de.sviJCör-pers 20 in beiden axialen-Richtungen ist in der Größenordnung .von Q;,l25 mm oder weniger und gestattet einen maximalen

309851/0460

Strömungsdurchsatz bei einer minimalen Zeitdauer.

Unter Hinweis auf die Zeichnung, insbesondere auf Fig. 1 und 2, arbeitet die Brennstoffpumpe 1 in der folgenden Weise: Eine nicht gezeigte Meßeinrichtung mißt einen der Betriebsparameterder nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine zur Steuerung der axialen Bewegung des Solenoidkerns oder des Ventils 20. Das Steuersignal hat die Wirkung, daß es ein Schwingen des Körpers 20 mit verschiedenen Größen und/oder Frequenzen bewirkt. Gleichzeitig mit der Bewegung des Eisenkerns 20 bewegt sich der Kolben 31 in Abhängigkeit von der Wirkung der Feder 33 und des Nockenfolgeglieds 32 hin und her. Das Nockenfolgeglied 32 folgt der rotierenden Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine. Hat sich einmal der Kolben 31 bis zu einer Stelle hinter der Bohrung 6 nach oben bewegt, so wird das Strömungsmittel in der Kammer 10 je nach der Lage des Eisenkerns 20 unter Druck gesetzt oder nicht. Wenn sich der Eisenkern 20 in der in Fig. 2 gezeigten Stellung befindet, besteht keine Verbindung zwischen der Kammer 10 und der" Versorgungskammer 5, da die Ringnut 2 2 eine solche Lage hat, daß der Kanal 3 nicht mit der Druckkammer 10 in Verbindung steht. Der Druck in der Kammer 10 steigt daher an bis das Einspritzventil 51 öffnet, das den Brennstoff durch den Kanal 57 und zum Motor strömen läßt. Der Brennstoff fährt fort durch den Kanal 57 zu strömen bis entweder die Entlastungsöffnung öffnet oder der Kolben 31 seine Richtung umkehrt, was das Volumen der Kammer 10 vergrößert, den Druck in der Kammer 10 vermindert und hierdurch ein Schließen des Ventils 51 bewirkt.

308851/04S0

2328583

Da die Bewegung des Ventils 20 unabhängig von der Bewegung des hin- und hergehenden Kolbens 3.1 gesteuert wird, ist es möglich; die Verbindung zwischen der-Druckkammer 10 lind der Versorgungskammer 5.an jedem besonderen Punkt während des Aufwärtshubs des Kolbens 31 zu öffnen und/oder zu schließen. Es ist daher nun leicht zu .erkennen, daß die Einspritzung von Brennstoff in den Motor durch das elektromagnetisch betätigte Ventil 20 .gesteuert werden kann» das seinerseits unabhängig vom hin- und, hergehenden Kolben gesteuert wird. Die Menge des in den Motor eingespritzten Brennstoffs ist daher eine Funktion des Zeitintervalls zwischen dem öffnen und Schließen des Entlastungskanals 3 durch die Bewegung des Ventils 20.

Die Entlastungsöffnung wird mit anderen Worten geschlossen '· (keine Verbindung zwischen der Kammer 10 und der Versorgungskammer 5), der Kolben setzt den Brennstoff in der Kammer 10 unter Druck und läßt ihn das Einspritzventil 51 öffnen und Brennstoff in den Motor einspritzen. Das unabhängig gesteuerte Ventil 20 kann jedoch zu jeder Zeit während dieses Zyklus' in eine Stellung bewegt werden, die eine Verbindung zwischen der Druckkammer 10 und der Versorgungskammer 5 errichtet, wodurch der Druck in der Kammer 10 entlastet wird, woraus sich ein Schließen der Einspritzdüse oder des Auslaßventils ergibt.

309851/0460

Claims

Pat entansprüche

/l/ι Brennstoffeinspritzpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Nockenwelle, bestehend aus einem Pumpengehäuse mit einer Pumpenkammer, die eine Einlaßöffnung, eine Entlastungsöffnung und ein Auslaßventil aufweist, das mit einer Einspritz öffnung und dem Motor in Verbindung steht zum Liefern von Brennstoff zur Pumpenkammer durch die Einlaßöffnung, aus einer Einrichtung zum Schließen des Auslaßventils, wobei diese Schließeinrichtung eine Vorspanneinrichtung enthält zum Geschlossenhalten des Auslaßventils bis in der Pumpenkammer ein vorgegebener Brennstoffdruck erreicht ist, aus einer von der Drehung der Nockenwelle des Motors abhängigen Einrichtung zum periodischen Unterdrucksetzen des Brennstoffs in der Pumpenkammer und zum Hindurchlassen des darauffolgenden BrennstoffStroms durch die Entlastungsöffnung, und aus einem elektromagnetischen Ventil, das die Entlastungsöffnung in vorgegebenen Intervallen öffnet und schließt in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter des Motors, wodurch jedesmal, wenn die Entlastungsöffnung geschlossen ist, der Brennstoffdruck in der Pumpenkammer ein vorgegebenes Druckniveau erreicht, bei dem das Auslaßventil öffnet und hierdurch Brennstoff in den Motor einspritzt, und jedesmal, wenn die Entlastungsöffnung geöffnet ist, das Auslaßventil geschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das elektromagnetische Ventil (27) ein Solenoidventil ist mit einem Plunger (20), der mit der Entlastungsöffnung

309851/0460

2328583

(3) zusammenarbeitet, um diese durch seine axiale Bewegung zu öffnen und zu schließen, und der- quer zu einer Wan'd der Pumpenkammer (10) so angeordnet ist, daß keines der beiden Enden des Plungers innerhalb der Pumpenkämmer endet, wodurch die axiale Bewegung des Plungers (20) nicht durch unter Druck stehendes Strömungsmittel innerhalb-der Pumpenkammer (10) vorgespannt wird und dann synchron mit, jedoch phasenunabhängig von der zyklischen Bewegung des Pumpenkolbens (31) ist.
2. Brennstoffeinspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plunger (20) einen ersten Abschnitt mit einem axialen Querschnittsbereich aufweist, der auf die An-Ordnung und Größe der Entlastungsöffhung (3) paßt, und einen zweiten Abschnitt (2) mit einem zweiten* axialen Querschnittsbereich aufweist, der kleiner ist als die Entlastungsöffnung (3), und daß der Plunger (20) gegenüber der Entlastungsöffnung (3) axial so hin-und hergehend angeordnet ist, daß der erste Abschnitt des Plungers (20) die Entlastungsöffnung (3) in einer ersten Stellung schließt und der zweite Abschnitt des Plungers (20) die Entlastungsöffnung (3) in einer zweiten Stellung öffnet.

309851 /0460