DE2610609A1

DE2610609A1 - Brennstoffeinspritzpumpe

Info

Publication number: DE2610609A1
Application number: DE19762610609
Authority: DE
Inventors: Lloyd E Johnson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-03-17
Filing date: 1976-03-13
Publication date: 1976-09-30
Also published as: FR2304786A1; JPS51108124A; US4082072A; CA1040497A; AU1208176A; FR2304786B1; ES446120A1; BE839453A; GB1506682A; BR7601592A

Description

2610S09

PATENTANW ^;\ .,TH DipL-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST

D 5620 VELBERT 11-LANGENBERG · BÖKENBUSCH 41 Postfach 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895

Patentanmeldung Lloyd E. Johnson, 700 Highview Road, East Peoria, Illinois 61 611 USA Brennstoffeinspritzpumpe

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einem feststehenden Zylinder mit einer Zylinderkammer, aus einer von dem Zylinder getrennt, koaxial dazu angeordneten und relativ zu diesem verschiebbaren Büchse mit einer zylindrischen Innenkammer und aus einem koaxial in die Zylinderkammer und die Innenkammer der Büchse mit engem Arbeitsspielraum präzise eingepaßten Kolben mit einer konzentrischen Innenbohrung und mit Durchlaßmitteln zu der Innenbohrung, wobei der Kolben in dem Zylinder und in der Büchse in axialer Richtung unter Schließung der Durchlaßmittel hin- und hergehend beweglich ist.

Brennstoffeinspritzpumpen der vorgenannten Art finden besonders bei schnellaufenden Dieselmaschinen für Kraftfahrzeuge Verwendung. Dafür ist es notwendig, daß diese Kraftmaschinen über einen großen Geschwindigkeitsbereich mit großer Leistung und niedrigen Abgasemissionen arbeiten. Häufig werden dann Einrichtungen vorgesehen, mit denen die Sauerstoffdichte und damit die verfügbare Sauerstoffmenge im Zylinder erhöht werden kann, um die Ausgangsleistung der Maschine bei möglichst

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ORIGINAL !NSPECTED

geringer Zunahme ihrer Größe und ihres Gewichtes zu erhöhen. Beides zusammen ergibt, daß eine solche Brennstoffeinspritzpumpe geeignet sein muß, in einem Hub eine über einen weiten Bereich veränderliche Brennstoffmenge in einem großen Bereich von Betriebsgeschwindigkeiten zu fördern. Da der Fließwiderstand für die Flüssigkeit an den Mündungen der Einspritzdüsen mit dem Quadrat der Fließgeschwindigkeit zunimmt, werden häufig Einspritzdrücke bis zu 1000 atü erforderlich, wenn bei hohen Laufgeschwindigkeiten die Einspritzzeiten kurz und beim Start und niedrigen Leerlaufgeschwindigkeiten die Vernebelung des Brennstoffs ausreichend sein soll.

Zur Einstellung und zur Veränderung der Länge des Teils des Hubes des Kolbens der Brennstoffpumpe, während dessen Brennstoff unter Hochdruck an die Verbrennungskraftmaschine abgegeben wird, kann an dem Kolben eine Büchse vorgesehen werden. Diese Büchse ist von dem feststehenden Zylinder, in dem der Pumpvorgang erfolgt, getrennt. Während der Einspritzung sind sowohl die Büchse als auch der feststehende Zylinder innerhalb ihrer Präzisionsbohrungen hohen Drücken unterworfen. Solche Drücke verursachen eine Aufweitung der Bohrungen, die ausreicht, um den Spielraum um den Kolben herum beträchtlich zu vergrößern. Unter den herrschenden Druckbedingungen kann dann Brennstoff durch diesen Spielraum austreten, wodurch ein Leckverlust eintritt. Solche Leckverluste sind unerwünscht, denn durch sie wird die Menge und Geschwindigkeit der Abgabe von Brennstoff an die Maschine bei hohen Belastungen und Geschwindigkeiten in einem unannehmbaren Ausmaß vermindert.

Der hin- und hergehende Pumpenkolben, der daran angepaßte feststehende Zylinder und die Büchse bestehen üblicherweise aus hochfestem Stahl mit sehr genau gearbeiteten, geglätteten und sehr harten Zylinderflächen. Diese sind einander angepaßt, soweit es die gängigen Präzisionsschleif-und Präzisionsläppmethoden ermöglichen. Unrunde Stellen, Verjüngungen, Geradheit und Oberflächenrauhigkeit werden an jedem einzelnen Teil streng

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kontrolliert, wobei die Einzelteile dann nach ihrer Größe sortiert und jeweils getrennt zusammengesetzt werden. Die Arbeitsspielräume der Teile werden in dieser Weise auf einem Minimum gehalten.

Einspritzpumpen mit Büchsen sind leicht einstellbar und mit •niedrigen Kosten herzustellen, jedoch war ihre Anwendung bisher beschränkt auf Maschinen mit mittleren Einspritzdrücken, d.h. mit Drücken unter 700 atü.

Die vorgenannten Drücke bis zu 1000 atü sind Arbeitsdrücke von einer Größe, die bereits einen beträchtlichen Bruchteil des Grenzwertes der Belastbarkeit von vergütetem hochfestem Stahl ausmachen, bei der eine Ermüdung des Materials eintritt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die unter Druck stehenden Teile der vorgenannten Brennstoffeinspritzpumpe so zu gestalten, daß die durch den Druck bewirkte Verformung nicht zu einer Vergrößerung des Spielraums zwischen den ineinander gepaßten Teilen der Einspritzpumpe führt, daß gleichzeitig aber auch die unvermeidbare Verformung der ineinander gepaßten Teile der Einspritzpumpe nicht zu einer unzulässigen Beanspruchung dieser Teile führt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Innenbohrung des Kolbens einen Durchmesser besitzt, der nicht kleiner als die Hälfte, aber auch nicht größer als sieben Zehntel des Außendurchmessers des Kolbens ist.

Es wird dadurch erreicht, daß der Kolben bei Beaufschlagung seiner Innenbohrung mit dem Einspritzdruck eine Ausdehnung erfährt, die ausreicht, um der Ausdehnung des Zylinders zu folgen, so daß insgesamt keine Vergrößerung des Arbeitsspielraums eintritt, wenn die Arbeitsdrücke von geringen Werten bis in die Größenordnung von 1000 atü erhöht werden.

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Bei Verwendung eines Kolbens mit einer solchen Innenbohrung wird zu Beginn des Einspritzvorgangs auch die gegebenenfalls in der Zylinderwandung befindliche Nebenschlußöffnung durch das Ende des Kolbens geschlossen, wobei der in dem Zylinder wirksame Druck in der Weise wirkt, daß der Kolben um die Nebenschlußöffnung herum gegen die Zylinderwandung gedrückt wird. Dadurch werden auch hier die Leckverluste auf einem Minimum gehalten.

Bei einer solchen Ausbildung des Kolbens besteht die Gefahr, daß der in der Pumpe erzeugte Druck die Büchse von dem damit in Zusammenwirkung stehenden Durchlaßmittel wegdrückt, wodurch es auch in der Büchse zu einer Vergrößerung der Leckverluste kommen würde. Zweckmäßigerweise ist daher der Außendurchmesser des Zylinders und der Außendurchmesser der Büchse im Mittel mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser ihrer jeweiligen Zylinderkammer. Das innere Ende der Innenbohrung des Kolbens ist dann in der Stellung des Kolbens, in der sich beim maximalen Einspritzdruck die Nebenschluß-Durchlaßmittel gerade zu öffnen beginnen, innerhalb der zylindrischen Innenkammer der Büchse nahe deren vom Zylinder gekehrten Ende angeordnet.

Es ergibt sich so, daß die Wandstärke des Zylinders und der Büchse einer Ausdehnung der jeweiligen zylindrischen Innenkammer einen Widerstand entgegensetzen und die Aufweitung des Kolbens unter Einwirkung hoher Drücke die unzulässige Vergrößerung des Arbeitsspielraums verhindert. Es ergibt sich weiter, daß der Kolben über den gesamten Teil seiner Länge, der bis ans Ende der Büchse reicht, mit Druck beaufschlagt wird, so daß der Kolben sowohl in der Zylinderkammer und in der Innenkammer der Büchse, als auch in dem Zwischenraum zwischen dem Ende des Zylinders und dem Anfang der Büchse unter der Wirkung des Innendrucks eine Aufweitung erfährt. Der Kolben erfährt somit über den gesamten Teil seiner Länge, der für seine Arbeitsfunktion wichtig ist, eine gleichmäßige Aufweitung.

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Ein nach der Erfindung ausgebildeter Kolben besitzt im Vergleich zu bekannten Kolben in Einspritzpumpen eine verhältnismäßig weite Innenbohrung, wodurch die Gefahr besteht, daß in der Pumpenkammer am Ende des Pumpenhubes ein unerwünscht großer Totraum entsteht. Durch diesen Totraum würden Luft oder Brennstoff nicht vollständig aus dem Hubraum entfernt, wodurch auch die Füllung des Hubraums mit Brennstoff nachteilig beeinflußt werden könnte. In der Erkennis, daß für den Durchfluß durch den Kolben kein besonders weiter Kanal erforderlich ist, ist daher in weiterer Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß in die Innenbohrung des Kolbens ein Innenkörper lose eingepaßt ist, der durch den Innenkörper und den Kolben verbindende Haltemittel axial in der Innenbohrung gehaltert ist. Dieser Innenkörper kann mindestens an einer Seite eine Abflachung besitzen, die einen Stömungsweg zwischen den Nebenschlußdurchlaßmitteln des Kolbens und seinem in der Zylinderkammer befindlichen Ende bildet. Die Haltemittel können aus einer Querbohrung in dem Kolben bestehen, sowie einer damit fluchtenden Durchbohrung des Innenkörpers und einem die Durchbohrung des Innenkörpers durchsetzenden und in wenigstens eine der Querbohrungen des Kolbens hineinverlaufenden Zapfen, der eng in die Durchbohrung und lose in die Querbohrung eingepaßt ist. Dabei kann eine Querbohrung des Kolbens außenseitig weiter als innenseitig und innenseitig enger als die Durchbohrung des Innenkörpers sein und der Zapfen entsprechend abgestuft und an seinem Außenende aufgebördelt sein und so einen festen Sitz des Zapfens bilden.

Bei sehr hohen Arbeitsdrücken kann die Ausdehnung des Kolbens Werte erreichen, die zu einer uberbeanspruchung führen,weil dabei unter Umständen auch bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Zylinders und der Büchse die innere Aufweitung der Zylinderkammer bzw. der Innenkammer der Büchse zu groß wird. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß der Zylinder eine konzentrisch zu dem Kolben und in axialer Richtung gegen die Büchse verlaufende Kolbeneinfassung trägt, deren Innendurchmesser größer als der Durchmesser der Zylinderkammer ist. Die axiale Länge der Kolbeneinfassung kann

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mindestens gleich, dem Radius der Zylinderkaiomer sein, und die radiale Wandstärke der Kolbeneinfassung kann mindestens drei Viertel der radialen Wandstärke des daran anschließenden Zylinders betragen. Weiter kann die Büchse zwei freie Enden aufweisen und die zylindrische Innenkammer an wenigstens einem Ende mit einer sich axial davon wegerstreckenden Kolbeneinfassung versehen sein, deren Innendurchmesser größer als der Durchmesser der Innenkammer der Büchse ist. Dabei kann die axiale Länge jeder Kolbeneinfassung mindestens gleich dem Radius der Innenkammer der Büchse oder gleich der Hälfte ihrer axialen Länge sein, je nach dem, welche von beiden die kleinere Größe ist. Die radiale Wandstärke jeder Kolbeneinfassung kann mindestens gleich drei Viertel der radialen Wandstärke der daran anschließenden Büchse oder gleich der Hälfte des Durchmessers des Kolbens sein, je nachdem, welcher von beiden Werten größer ist.

Auf diese Weise sind der Zylinder und die Büchse an ihren in den BrennstoffVersorgungsraum hineinreichenden Enden mit überstehenden Verlängerungen versehen, die gegenüber dem Kolbendurchmesser weit genug sind, um einen freien Zutritt zu den Durchlaßmitteln an dem Kolben sicherzustellen. Auf diese Weise sind die Verlängerungen auch allseitig lediglich mit dem Versorgungsdruck beaufschlagt. Da sie mit den Teilen des Zylinders bzw. der Büchse, die hohen Drücken ausgesetzt sind, aus einem Teil gebildet sind, aber in axialer Richtung in einem Abstand von diesen Teilen angeordnet sind, werden sie in den Endteilen des Zylinders und der Büchse eine zu hohe Aufweitung der Zylinderkammer bzw. der Innenkammer der Büchse verhindern, was dann gerade an den Stellen geschieht, an denen sich die Arbeitsspielräume während des Betriebes möglichst wenig ändern sollen. Gleichzeitig werden an der Büchse entstehende Leckverluste ausgeschlossen, da auch die Maße so gewählt sind, daß eine Reibung oder ein Festsitzen des Kolbens in der Innenkammer der Büchse nicht eintreten kann.

Bei etwas weniger hohen Maximaldrücken kann die gleiche Wirkung die durch die Verlängerung der Zylinder kammer bzw. der Büchse j__n

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den BrennstoffVersorgungsraum hinein entsteht, auch anders erzielt werden. Dazu kann nach der Erfindung vorgesehen sein, daß der zwischen dem Zylinder und der Büchse befindliche Zwischenteil des Kolbens einen verringerten Durchmesser gegenüber seinen benachbarten Teilen besitzt. Das Zwischenteil des Kolbens kann einen Abstand zu den Durchlaßmitteln besitzen, und dieser Abstand kann nicht geringer sein als die Hälfte und nicht größer sein als der Maximalwert der in Axialrichtung des Kolbens gemessenen Weite der Durchlaßmittel.

Brennstoffeinspritzpumpen der hier beschriebenen Art mit einer Büchse besitzen bestimmte eigentümliche· Steuer- und Regelprobleme, die sich daraus ergeben, daß Schwingkräfte ungleichmäßig und manchmal auch gleichmäßig auf ihre Steuervorrichtung übertragen werden, die dadurch in Resonanz geraten oder in anderer Weise darauf ungeeignet reagieren können. Diese Schwingkräfte entstehen durch den Widerstand, die die Kolbenbewegung innerhalb der Büchse erfährt. In der Praxis können nicht alle Kolben und Büchsen so präzise hergestellt werden, daß sie identische Bearbeitung und Passung erfahren. Je enger die Passung eines Paares ist, desto eher machen sich Abweichungen durch Bearbeitungsfehler bemerkbar. Falls durch eine ungünstige Kombination von Bearbeitungsfehlern verursacht wird, daß die Passung einer Büchse zu eng ist, so wird die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens übermäßige Schwingkräfte an der Büchse hervorrufen, die über ihren Einstellhebel auf die Steuer- und Regeleinrichtung einwirken. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Brennstoffeinspritzpumpe wird es nicht notwendig, eine so enge Passung zwischen dem Kolben und dem Zylinder bzw. der Büchse herzustellen, wodurch auch die vorgenannten Steuer- und Regelprobleme entfallen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Abbildungen und Bezugszeichen im einzelnen erläutert und beschrieben. Es zeigen

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Fig. 1 eine vollständige erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzpumpe im Schnitt und schematisch ihre Verbindung zu den übrigen Teilen einer Verbrennungskraftmaschine ;

Fig.2 den Pumpenkolben, den feststehenden Zylinder und die Büchse einer bekannten Brennstoffeinspritzpumpe im Schnitt, wobei die Arbeitsspielräume übertrieben groß dargestellt sind, um den Hauptnachteil dieser Einrichtung zu erläutern;

Fig.3 eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung für den Gebrauch bei nicht ganz so hohen Einspritzdrucken wie bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 3 und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform mit einem Druck -

ausgleich an dem Kolben innerhalb des feststehenden Zylinders.

Fig. 1 zeigt, teilweise schematisch, eine Brennstoffeinspritzpumpe P nach der Erfindung in Verbindung mit einer Verbrennungskraftmaschine E. Die Maschine E enthält einen Kolben 1 in üblicher Anordnung. Der Kolben 1 ist in einem Zylinder 2 hin- und herbeweglich, wobei mittels des Kolbenkopfes 3 eine Verbrennungskammer C ausgebildet wird, sowie eine Vorkammer PC, wie dies bei einigen Typen von Dieselmotoren der Fall ist. Der Kolben 1 ist über eine Verbindungsstange 5 mit einer Kurbelwelle 4 verbunden. Ein Satz von Zahnrädern 6 wird durch die Kurbelwelle 4 angetrieben und bewirkt, daß die Nockenwelle 7 der Brennstoffeinspritzpumpe P in geeigneter Weise gegenüber dem Motor verdreht wird.

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Die Nockenwelle 7 ist in bekannter Weise mit einem Nocken 8 versehen, der einer Laufwalze 9 in einem Hubglied 10 anliegt, so daß durch den Kolben 11 Brennstoff aus der Pumpkammer 12 verdrängt wird. Die Pumpkammer 12 bildet einen Teil einer Zylinderkammer 20 innerhalb des feststehenden Zylinders 13. Zwischen dem Pumpenkörper der Pumpe P und einem Ring 11a an dem Kolben 11 wird einer Feder 14 zusammengedrückt gehalten, durch die die Kraft erzeugt wird, um den Kolben 11 in Anlage an dem Hubglied 10 und die Laufwalze 9 in Anlage an dem Nocken 8 zu halten. Dadurch wird dann bewirkt, daß sich der Kolben in Gegenrichtung zu der Richtung verschiebt, in die er durch den Nocken 8 verschoben wird, wenn zu einem späteren Zeitpunkt des Einspritzzyklus Brennstoff aus dem Brennstoffversorgungsraum in die Pumpkammer 12 fließt. Bei dem speziellen Typ der Einspritzpumpe in Fig. 1 beginnt der Hochdruck, der erforderlich ist, um den Brennstoff aus der Pumpkammer 12 durch das Rückschlagventil 16, durch die Leitung 17 in der Pumpenhaube und aus dieser durch die Brennstoffleitung 18 zu pumpen, wenn der Kolben 11 weit genug verschoben ist, so daß die Einlaßöffnung 19 im Kolben 11 geschlossen wird, indem der Kolben 11 in die mit Präzisionsläppmethoden hergestellte Zylinderkammer 20 des feststehenden Zylinders 13 an seinem unteren Ende 21 eintritt. Gleichzeitg damit wird das Nebenschlußdurchlaßmittel in Gestalt der Öffnung 22 in dem Kolben 11 innerhalb der ebenfalls mit Präzisionsläppmethoden hergestellten zylindrischen Innenbohrung 23 der Büchse 24 geschlossen, wodurch alle Auslässe der Pumpkammer 12 außer dem durch das Rückschlagventil 16 und die Leitungen 17, 18 zur Brennstoffdüse 25 geschlossen werden.

Die Büchse 24 kann auf dem Kolben 11 gegenüber dem feststehenden Zylinder 13 verschoben werden. Dies geschieht über das mit einer Kugel versehene Ende 26 eines Arms 27 an einer Steuerwelle 28. Wenn die Welle 28 und der Arm 27 in der Weise verdreht werden, daß die Büchse 24 nahe dem unteren Ende ihres Stellweges ist wie in Fig. 1, so tritt die Nebenschlußöffnung 22 aus der Innenkammer 23 der Büchse 24 heraus und wird somit geöffnet, bevor die Einlaßöffnung 19 durch Verschiebung

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in das Innere des feststehenden Zylinders 13 geschlossen wird. In dieser Abschaltstellung kann kein Brennstoff in die Maschine gepumpt werden. Wenn die Steuerwelle 28 und der Arm 27 in der Weise verdreht werden, daß sich die Büchse 24 näher an dem feststehenden Zylinder 13 befindet, werden beide öffnungen 19 und 22 über eine gewisse Länge des Hubweges des Kolbens 11 gleichzeitig geschlossen sein; diese Länge des Hubweges kann unmittelbar durch Verschiebung der Büchse 24 auf eine seit vielen Jahren übliche Weise eingestellt werden.

Fig. 2 zeigt in einer Teilansicht im Schnitt eine bekannte Brennstoffeinspritzpumpe. Die Büchse 24'befindet sich hier in einer Stellung, in der die Nebenschlußöffnung 22" und die Einlaßöffnung 19' des Kolbens 11'gleichzeitig über einen Teil des Hubweges des Kolbens 11' geschlossen sind. Die Büchse 24',

der feststehende Zylinder 13' und der Kolben 11' sind dabei in üblicher Weise ausgebildet. Die Innenbohrung des Kolbens 11' ist mit 34' bezeichnet. Die Spielräume 32 und 33 zwischen dem Kolben 11' und den damit zusammenwirkenden Innenbohrungen 20 und 23· sind in übertriebener Größe dargestellt, so daß die gegenseitige Einstellung dieser Teile beim Aufbau des Drucks innerhalb der Pumpkammer erkennbar ist. Bei Unsymmetrischer Anordnung der öffnungen 19' und 22' an dem Kolben 11', wie sie hier dargestellt ist, wird der Kolben 11' gegen die Wandung des Zylinders 13' gedrückt, die von der Fläche des Kolbens 11' mit den öffnungen 19' und 22' abgekehrt ist, denn der Druck wird sich dann eher an der Rückseite dem Druck im Brennstoffversorgungsraum annähern als auf der anderen Seite, wodurch durch die öffnung guter Zugang zu dem vollen Einspritzdruck besteht.

Diese Wirkung würde jedoch für sich nicht von Bedeutung sein, wenn der Spielraum zwischen dem Kolben 11· und den Innenwänden der Zylinderkammer 20 und der Innenkammer 23' so gering bleiben würde wie im drucklosen Zustand. Die betreffenden Teile sind nach den besten verfügbaren Präzisionsmethoden hergestellt und besitzen gewöhnlich in zusammengebauter Form an den genannten Stellen und in den Bereichen ihrer Länge, in denen sich

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die Öffnungen 19' und 22' befinden, einen DurchmesserSpielraum unter 2,5 χ 10 Millimeter. Am besten geeignet ist für diese Teile legierter Stahl von nahezu maximaler Härte; unglücklicherweise dehnt sich solcher Stahl jedoch aus, wenn er Zugkräften unterworfen wird, und wird unter Druck zusammengedrückt. Da die Wandstärken aller drei genannten Teile im Vergleich zu ihren Bohrungen recht groß sind, wird das Material an seinen Innenflächen viel stärker beansprucht als an seinen Außenfläphen, wenn der Innendruck höher als der Außendruck wird.

Selbst bei einem so dickwandigen feststehenden Zylinder wie dem Zylinder 13' bewirkt ein Innendruck von 1000 atü, der über seine gesamte Länge anliegt, daß sich seine Innenbohrung um 0,01 mm (bei einem Innendurchmesser von 1 cm und einem Außendurchmesser von 2 cm) vergrößert. Diese Vergrößerung ergibt zusammen mit dem ursprünglichen Spielraum eine axiale Durchtrittsfläche für Leckverluste an der Einlaßöffnung 19", die einer Öffnung von 0,5 mm Durchmesser entspricht. Da an den Enden der Büchse 24" zwei weitere Leckwege entstehen, kann die gesamte Durchtrittsfläche für Leckverluste die Durchtrittsfläche aller anderen Öffnungen in der Anordnung übersteigen, wenn Drücke von dieser Größe für eine einwandfreie Arbeitsweise des Motors erforderlich sind.

Im allgemeinen ist es nicht möglich, die Außendurchmesser 38 und 39 des Zylinders 13' bzw. der Büchse 24' merklich zu vergrößern. Vergrößert man sie über den Durchmesser der Feder 14 und des Hubgliedes 10 hinaus, so ergibt sich eine zusätzliche Vergrößerung der Länge der gesamten Reihenanordnung einer Vielfachkolben-Einspritzpumpe wie auch eine Vergrößerung des Gewichtes und der Kosten. Außerdem ist es unglücklicherweise so, daß mit zunehmender Zylinderstärke die Vergrößerung des Durchmessers immer weniger zur Verminderung der innern Ausdehnung wirksam wird. Bei dem hier behandelten Beispiel würde so eine Verdoppelung der Wandstärke nur eine Verminderung der Ausdehnung der der Bohrung um 21% erzeugen. Auch die

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Verwendung von zwei oder mehr öffnungen, die in gleichen Abständen über den Umfang des Kolbens 11' verteilt sind, ergibt eher größere als kleinere Leckverluste, da die Durchflußwege im Mittel verkürzt werden und so innerhalb des Zylinders 11' oder der Büchse 24' der Druck im Mittel ansteigt.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführung besitzt jedoch geringere Leckverluste als die in dem vorstehend behandelten Beispiel angegebenen Maximalverluste. Die gesamte Grenzfläche ist hier sehr groß im Vergleich dazu, daß eine oder nur wenige öffnungen vorhanden sind, so daß der Ausflußkoeffizient niedriger ist. Außerdem ist die Druckverteilung innerhalb des Zylinders 13' nicht gleichförmig, sondern nimmt am Ende der Teile mit Präzisionspassung im wesentlichen bis auf den Druck im BrennstoffVersorgungsraum ab. Die Wandungen des Zylinders 13' sind daher sowohl ringförmig verteilten Beanspruchungen als auch axialen Biegebeanspruchungen ausgesetzt. Wie in Fig. dargestellt ist, sind die axialen Längen X, Y und C diejenigen Längen des feststehenden Zylinders 13' und der Büchse 24', über die der Innendruck von seinem Maximalwert auf den Druck des Brennstoffversorgungsraumes 15' abfällt; X und Y sind beide sehr kurz im Vergleich zur Dicke der Zylinderwandung, die einer Biegebeanspruchung unterworfen ist. Es ergibt sich so, daß der Innendurchmesser am Ende des Zylinders 13* und am Ende der Büchse 24' neben den Durchlaßöffnungen 19¹ und 22" im wesentlichen der gleiche Durchmesser ist, wie der des jeweiligen Zylinders an diesen öffnungen selbst.

Die Brennstoffeinspritzpumpe nach Fig. 1 und in ihren verschiedenen Ausbildungen nach den Figuren 3,4 und 5 ist in ihrer Anwendung nicht auf die Druckbereiche beschränkt, in denen die vorstehend beschriebene bekannte Brennstoffeinspritzpumpe eingesetzt werden kann. Diese Brennstoffeinspritzpumpen sind vielmehr so ausgebildet, daß bei einer Expansion des feststehenden Zylinders 13 und der Büchse während des Einspritzvorgangs die Zunahme des Spielraums zwischen diesen Teilen und dem Kolben 11 dadurch verringert wird, daß sich auch der Kolben 11 ausdehnt. Der Teil des

Kolbens 11, der sich während des Betriebs im Brennstoffversorgungsraum 15 zwischen der Büchse 24 und dem Zylinder 13 befindet, ist der gleichen maximalen Druckdifferenz ausgesetzt wie der Zylinder 13. Wenn daher die Bohrung 34'des bekannten Kolbens im Durchmesser auf die Bohrung 34 vergrößert wird, sind die Wandungen des Kolbens 11 dünn genug, um eine hinreichende Streckung zu gestatten, so daß der Außendurchmesser des Kolbens 11 dem Innendurchmesser am Ende des Zylinders 13 gleich bleibt.

Vernachlässigt man die an den Enden auftretenden Effekte, so lassen sich für dickwandige Zylinder unter Belastung die folgenden, Gleichungen aufstellen:
(1) Für den feststehenden Zylinder 13:

cf.

^l2^p2

^l2c

£21

+ 1

- 1

(2) Für den Kolben 11:

(3) Für Λ d

^l2c

hält man:

- 1

d₂ und unter der Annahme

= p₉ er-

^d1 =

<3²

,2 ^l2

+ u

+ 1

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Darin sind:

d₁ = Innendurchmesser des Kolbens (I.D.) d₂ = Innendurchmesser des feststehenden Zylinders und

Außendurchmesser des Kolbens
d₉ = Änderung des Durchmessers d₉

d₃ = Außendurchmessers des feststehenden Zylinders (A.D.) P₁ = Innendruck im Kolben
P₂ = Innendruck im feststehenden Zylinder u = Poissonzahl
E = Young-Modul der Elastizität

Bei einheitlichem Gebrauch kann in den vorstehenden Gleichungen an Stelle des Durchmessers auch der Radius eingesetzt werden.

Die Wandung des Kolbens 11 muß stark genug sein, damit eine Überbeanspruchung vermieden wird, wenn der Kolben hohen Innendrücken ausgesetzt wird, und zur Erzielung der notwendigen Steifheit während der Bearbeitung bei der Herstellung. Ist die Wandstärke größer als der Radius der Innenbohrung 34 des Kolbens 11, so wird der Innendruck nur eine unbedeutende Vergrößerung des Kolbens 11 bewirken. Ist andererseits die Wandstärke viel geringer als die Hälfte des Radius der Innenbohrung 34 des Kolbens 11, so wird die Beanspruchung der Kolbenwand zu hoch. Es ergibt sich so, daß der Innendurchmesser in dem folgenden engen Bereich liegen sollte:

d₁ gleich oder größer als __2; das heißt größer 0,5 d~

d₁ gleich oder kleiner als 2; das heißt kleiner 0,7 d~

fr

Die Vergrößerung der Innenbohrung 24 des Kolbens 11 kann zu einem übermäßigen Totraum in der Pumpkammer 12 am Ende des Pumpenhubes führen. Um die dadurch entstehenden Nachteile beim Ausschub und beim Ansaugen zu vermeiden, und da weiter für den Durchfluß durch den Kolben kein weiter Kanal erforderlich ist, ist in den Kolben ein Innenkörper 41 aus einem geeigneten Material (z.B. Stahl) lose eingesetzt, der eine Abflachung oder Abflachungen 42 besitzt, die einen Durchgang für den Brennstoff schaffen. Ein Zapfen 42a, z.B. ein Rollzapfen, ist

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in den Innenkörper 41, aber ohne Übermaß in den Kolben 11 eingepaßt, und dient dazu, den Innenkörper 41 zu haltern. Das untere Ende 43 der Innenbohrung 34 des Kolbens 11 sollte mit einem großzügig bemessenen Radius versehen sein, um eine Konzentration der Beanspruchungen zu vermeiden; der Innenkörper 41 sollte entsprechend geformt sein. Da der Innenkörper 41 lose eingepaßt ist, hat seine Anwesenheit keinen Einfluß auf die vorstehenden Berechnungen für den Durchmesser der Innenbohrung 34 des Kolbens 11.

Sollen auch bei sehr hohen Arbeitsdrücken die Beanspruchungen tragbar bleiben, so ist eine Bemessung des Kolbens in der Weise, daß seine Ausdehnung der Ausdehnung der Zylinderkammer 20 und der Innenkammer 23 der Büchse 24. entspricht, nicht mehr sicher. Um eine übermäßige Ausdehnung des Zylinders 13 und der Büchse 24 zu verhindern, sind an dem Ende des Zylinders 13, das dem BrennstoffVersorgungsraum 15 zugekehrt ist, und in gleicher Weise an jedem Ende der Büchse 24 eine Kolbeneinfassung 35 bzw. 36 und 37 vorgesehen. Diese Kolbeneinfassungen sind als Verlängerungen des Zylinders 13 bzw. der Büchse 24 ausgebildet und besitzen eine zylindrische Innenbohrung, die gerade um so vieles größer ist als der Außendurchmesser des Kolbes 11, um einen ungehinderten Zufluß bzw. Abfluß zu bzw. von den Öffnungen 19 und 22 sicherzustellen. Diese Kolbeneinfassungen sind daher allseitig nur dem Druck unterworfen, der in dem BrennstoffVersorgungsraum 15 herrscht. Die Kolbeneinfassungen 35, 36 und 37 sind mit den Teilen des Zylinders 13 bzw. der Büchse 24, die einer hohen Druckdifferenz unterworfen sind, aus einem Stück gebildet, aber in axialer Richtung im Abstand von diesen angeordnet. Sie werden daher eine Aufweitung in denjenigen Zwischenteilen beschränken, die sich an den Enden der mit Präzisionsmethoden hergestellten Zylinder finden, wo enge BetriebsSpielräume erforderlich sind.

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Die axiale Länge der Kolbeneinfassung 35 hat einen Wert, der dem Radius der Zylinderkammer 20 gleich ist oder bis zu 50 % größer ist als dieser. Bei einer solchen axialen Länge hat die Kolbeneinfassung 35 eine hinreichende Wirkung. Die Summe der axialen Längen der Kolbeneinfassungen 36 und 37 an der Büchse 24 ist der axialen Länge der Innenkammer 23, die dem Einspritzdruck unterworfen ist, gleich oder bis zu 50 % größer als diese. Die jeweils geeigneten Längen der Kolbeneinfassungen 35, 36 und 37, die bewirken, daß die Leckverluste gering gehalten werden, ohne daß eine Reibung oder ein Festsitzen des Kolbens 11 eintritt, werden im allgemeinen innerhalb der vorgenannten Bereiche liegen, sie hängen jedoch im einzelnen von den jeweils verwendeten Materialien, der Oberflächenbearbeitung der ineinander gepaßten Teile, der Art des zu fördernden Brennstoffs und von dem maximal zu erzeugenden Einspritzdruck ab.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform findet bevorzugt in solchen Fällen Anwendung, in denen die jeweilige Brennstoff- und Pumpenmaterialkombination an der Einlaßöffnung 40, die mit dem BrennstoffVersorgungsraum 15 in Verbindung steht, seitlich wirkende Drücke aufnehmen kann. Hier ist ein Paar von Nebenschlußdurchlaßöffnungen 22 vorgesehen, mittels derer an der Büchse 24 auftretende Verzögerungskräfte reduziert werden. Bei dieser Ausführung kann die Büchse 24 mit etwas größerem Spielraum in drucklosem Zustand auf den Kolben 11 gepaßt werden, da hier unter Druck keine übermäßige Aufweitung eintritt. Bei zu enger Passung nimmt sonst der Kolben 11 bei seiner hin- und hergehenden Bewegung die Büchse 24 mit, so daß diese schwingt. Durch die Vermeidung der Notwendigkeit zu einer so engen Passung bei Atmosphärendruck können die an der Büchse 24 und an ihrem Einstellmechanismus im Betrieb und bei der Einstellung auftretenden Kräfte beträchtlich vermindert werden, woraus sich eine beachtliche Erleichterung der Einstellung ergibt.

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Die Ausführungsform nach Fig. 4 besitzt einen Kolben 11 mit einer erweiterten Innenbohrung 34 mit Innenkörper 41, sowie einen Zylinder 13', dessen Außendurchmsser d₃ wenigstens doppelt so groß ist wie der Durchmesser d„ des Kolbens 11. Der Innendurchmesser d.. des Kolbens 11 ist hier am oberen Ende des vorhergenannten Bereichs, d.h.

Der feststehende Zylinder 13' und die Büchse 24' besitzen hier keine Kolbeneinfassungen. Der Kolben 11 ist jedoch in der Weise abgeändert, daß er zwischen der Einlaßöffnung 19 und der Nebenschlußöffnung 22 einen Zwischenteil 49 von verringertem Außendurchmesser besitzt, wobei die Verringerung des Durchmessers durch die Ermüdungsgrenze bei Beanspruchung des Material bestimmt ist. Eine solche Anordnung bringt in der Anwendung eine verbesserte Dichtung mit sich, sofern dabei nicht so hohe Drücke erforderlich sind, wie sie die vorstehend beschriebenen Ausführungen aushalten. Das Zwischenteil 49 erstreckt sich fast bis an die Öffnungen 19 und 22, läßt jedoch an jedem Ende in der Umgebung der Öffnungen ein Dichtteil 50 stehen. Die axiale Länge dieser Dichtteile 50 beträgt wenigstens die Hälfte des Durchmessers der öfffnung 19 bzw. 20. Die dünnere Wandung des Kolbens 11 im Bereich des Zwischenteils befindet sich im Brennstoffversorgungsraum 15 und wird unter Druck im Vergleich zu anderen Ausführungen in den Teilen des Kolbens 11, die dem Zwischenteil 49 unmittelbar benachbart sind (d.h. in den Teilen 50), eine stärkere Aufweitung erfahren, ohne daß jedoch die Wandungen der durch Präzisionsbearbeitung hergestellten Kolbenteile zu dünn werden und für die Bearbeitungsverfahren der Herstellung nicht mehr ausreichen oder für die Beanspruchungen bei mittleren maximalen Einspritzdrucken nicht mehr tragbar sind.

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Eine weitere Ausführung zeigt Fig. 5, und zwar für die Anbringung des Innenkörpers 44 in der Innenbohrung 34 des Kolbens 11. Der Innenkörper 44 besitzt eine einzige Abflachung 42 und Durchbohrungen 46. Ein solcher Innenkörper ist billiger herzustellen als ein Innenkörper mit zwei Abflachungen, stellt aber trotzdem ausreichende Fließwege zur Verfügung, um einen Ausgleich an den Paaren von öffnungen 19, 22 zu bewirken. Ein abgestufter hohler Zapfen 45 ist insgesamt kurz genug, um in eine Querbohrung des Kolbens 11 eingesetzt zu werden. Nach Einbringen des Innenkörpers 44 in die Innenbohrung 34 des Kolbens 11 wird der Zapfen 45 in axialer Richtung (nach rechts in Fig.5) verschoben, so daß sein Schmalende 47 in die Wandung des Kolbens vorsteht. Das äußere Teil dieses Schmalendes wird dann in der Gegenbohrung 48 aufgebördelt, so daß der Stift 45 dadurch festgehalten wird.

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Claims

Patentansprüche

1. ) Brennstoffeinspritzpumpe für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einem feststehenden Zylinder mit einer Zylinderkammer, aus einer von dem Zylinder getrennt, koaxial dazu angeordneten und relativ zu diesem verschiebbaren Büchse mit einer zylindrischen Innenkammer und aus einem koaxial-in die Zylinderkammer und in die Innenkammer der Büchse mit engem Arbeitsspielraum präzise eingepaßten Kolben mit einer konzentrischen Innenbohrung und Durchlaßmitteln zu der Innenbohrung, wobei der Kolben in dem Zylinder und in der Büchse in axialer Richtung unter Schließung der Durchlaßmittel hin- und hergehend beweglich ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Innenbohrung (34) des Kolbens (11) einen Durchmesser (d1) besitzt, der nicht kleiner als die Hälfte, aber auch nicht größer als sieben Zehntel des Außendurchmessers (d2) des Kolbens (11) ist.

2. Einspritzpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (d3) des Zylinders (13) und der Außendurchmesser der Büchse (24) im Mittel mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser ihrer jeweiligen Zylinderkammer (20 bzw. 23) ist.

3. Einspritzpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende der Innenbohrung (34) des Kolbens (11) in der Stellung des Kolbens (11), in der sich bei maximalem Einspritzdruck die Nebenschluß-Durchlaßmittel (22) gerade'zu öffnen beginnen, innerhalb der zylindrischen Innenkammer (23) der Büchse (24) nahe deren vom Zylinder (13) abgekehrten Ende angeordnet ist.

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4. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Innenbohrung (34) des Kolbens (11) ein Innenkörper (41, 44) lose eingepaßt ist, der durch den Innenkörper (41,44) und den Kolben (11) verbindende Haltemittel (42a, 45) axial in der Innenbohrung (34) gehaltert ist.

5. Einspritzpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkörper (41, 44) mindestens an einer Seite eine Abflachung (42) besitzt, die einen Strömungsweg zwischen den Nebenschluß-Durchlaßmitteln (22) des Kolbens (11) und seinem in der Zylinderkammer (20) befindlichen Ende bildet.

6. Einspritzpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel aus einer Querbohrung in dem Kolben (11) bestehen, sowie einer damit fluchtenden Durchbohrung (46) des Innenkörpers (44) und einem die Durchbohrung (46) des Innenkörpers (44) durchsetzenden und in wenigstens eine der Querbohrungen des Kolbens (11) hineinverlaufenden Zapfen (45) , der eng in die Durchbohrung (46) und lose in die Querbohrung eingepaßt ist.

7. Einspritzpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Querbohrung des Kolbens (11) außenseitig weiter als innenseitig und innenseitig enger als die Durchbohrung (46) des Innenkörpers (44) ist und daß der Zapfen (45) entsprechend abgestuft und an seinem Außenende aufgebördelt ist und so einen festen Sitz des Zapfens (45) bildet.

8. Einspritzpumpe nach einem der Ansrpüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (13) eine konzentrisch zu dem Kolben (11) und in axialer Richtung gegen die Büchse

(24) verlaufende Kolbeneinfassung (35) trägt, deren Innendurchmesser größer als der Durchmesser (d2) der Zylinderkammer (20) ist.

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9. Einspritzpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Kolbeneinfassung (35) mindestens gleich dem Radius der Zylinderkammer (20) ist.

10. Einspritzpumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Wandstärke der Kolbeneinfassung (35) mindestens drei Viertel der radialen Wandstärke des daran anschließenden Zylinders (13) beträgt.

11. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse (24) zwei freie Enden aufweist und die zylindrische Innenkammer (23) an wenigstens einem Ende mit einer sich axial davon wegerstreckenden Kolbeneinfassung (36; 37) versehen ist, deren Innendurchmesser größer als der Durchmesser der Innenkammer (23) der Büchse (24) ist.

12. Einspritzpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge jeder Kolbeneinfassung (36, 37) mindestens gleich dem Radius der Innenkammer (23) der Büchse (24) oder gleich der Hälfte ihrer axialen Länge ist, je nachdem, welche von beiden die kleinere Größe ist.

13. Einspritzpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Wandstärke jeder Kolbeneinfassung (36, 37) mindestens gleich drei Viertel der radialen Wandstärke der daran anschließenden Büchse (24) oder gleich der Hälfte des Durchmessers (d2) des Kolbens (11) ist, je nachdem, welcher von beiden Werten größer ist.

14. Einspritzpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Zylinder (13) und der Büchse (24) befindliche Zwischenteil (49) des Kolbens (11) einen verengerten Durchmesser gegenüber seinen benachbarten Teilen besitzt.

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15. Einspritzpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil (49) des Kolbens (11) einen Abstand zu den Durchlaßmitteln (19, 22) besitzt und daß dieser
Abstand nicht geringer ist als die Hälfte und nicht größer ist als der Maximalwert der in Axialrichtung des Kolbens (11) gemessenen Weite der Durchlaßmittel (19, 22).

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