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Die
Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung mit mindestens zwei Radialkolbenpumpen.
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Radialkolbenpumpen
können
starken Beanspruchungen unterliegen, wenn sie beispielsweise als
Hochdruckpumpen für
Drücke
von bis zu 2000 bar und mehr eingesetzt werden. Derartige vergleichsweise
hohe Drücke
stellen sowohl hohe Anforderungen an das Material der Radialkolbenpumpe als
auch an deren Konstruktion. Gleichzeitig müssen von derartigen Radialkolbenpumpen
große
Kräfte aufgenommen
werden können.
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Eine
derartige Radialkolbenpumpe ist beispielsweise aus der
DE 100 39 210 A1 bekannt.
Die Radialkolbenpumpe weist eine Antriebswelle mit einem Exzenterabschnitt
auf, die in einem Pumpengehäuse
drehbar gelagert ist. Auf dem exzentrischen Wellenabschnitt ist
ein Hubring gleitend gelagert angeordnet. Die Radialkolbenpumpe
weist drei in einem Abstand von je 120 Grad zueinander angeordnete
Pumpeneinheiten auf. Jede Pumpeneinheit weist einen radial im Pumpengehäuse längs bewegbar
geführten
Pumpenkolben auf. Die einzelnen Pumpenkolben liegen jeweils an einem
Gleitschuh an, der sich über
eine Feder gegen den Hubring abstützt, um so das Mitdrehen des
Hubrings mit der Antriebswelle zu verhindern. Hierzu hat der Hubring eine
der Anzahl der Pumpenkolben entsprechende Zahl von Abflachungen.
Während
des Betriebs der Pumpe führt
der Exzenterabschnitt eine Taumelbewegung aus, durch die es sowohl
zu einer Bewegung in Richtung der Achse des Pumpenkolbens als auch zu
einer Relativbewegung zwischen der Abflachung des Hubrings und der
Gleitfläche
des Gleitschuhs kommt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpenanordnung mit mindestens
zwei Radialkolbenpumpen zu schaffen, die auch bei hohen Pumpendrücken einen
zuverlässigen
und präzisen
Betrieb ermöglicht
und kostengünstig
und mit geringem Zeitaufwand herstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch eine Pumpenanordnung, mit mindestens
zwei Radialkolbenpumpen, die aufweisen jeweils ein eigenes Pumpengehäuse, eine
in dem Pumpengehäuse
drehbar angeordnete Antriebswelle, einen Zylinder mit einem Zylinderraum
und einer Zylinderlängsachse,
und einen Pumpenkolben, der axial bewegbar in dem Zylinderraum angeordnet
ist, wobei der Pumpenkolben mit der Antriebswelle in Wirkverbindung
steht, wobei die Antriebswellen drehfest miteinander gekoppelt sind.
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Die
Pumpenanordnung hat also mindestens zwei für sich allein funktionsfähige Radialkolbenpumpen,
die antriebswellenseitig miteinander gekoppelt sind, wobei die Antriebswellen
die gleiche Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung aufweisen. Dies
ist besonders vorteilhaft, da so ein einfacher Aufbau der Pumpenanordnung
aus mehreren Radialkolbenpumpen und eine kurze Montagezeit möglich sind.
Pumpenanordnungen mit einer beliebigen gewünschten Anzahl von Einheiten
aus Zylinder und Pumpenkolben können
so aus einer oder mehreren Radialkolbenpumpen eines einzigen Typs
oder einer kleinen Zahl von Typen zusammengesetzt werden. Damit
ist es nicht mehr erforderlich, eine Vielzahl verschiedener Typen
von Radialkolbenpumpen vorzuhalten, um verschiedenen Anforderungen
gerecht zu werden. So können
etwa aus Radialkolbenpumpen mit zwei Einheiten aus Zylinder und
Pumpenkolben jeweils verschiedene Pumpenanordnungen mit einer beliebigen
geraden Anzahl von Einheiten aus Zylinder und Pumpenkolben aufgebaut
werden. Dadurch ist es möglich,
mit einem Typ oder sehr wenigen Typen von Radialkolbenpumpen eine
Vielzahl verschieden ausgebildeter Pumpenanordnungen aufzubauen.
Außerdem
ist es möglich,
mit wenigen unterschiedlichen Einzelbauteilen von Radialkolbenpumpen, insbesondere
wenigen unterschiedlichen Typen von Pumpengehäusen oder Einheiten aus Zylinder
und Pumpenkolben unterschiedliche große Pumpenanordnungen aufzubauen.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Pumpengehäuse der
Radialkolbenpumpen mittels einer Gehäusekopplungsvorrichtung starr
miteinander gekoppelt sind. Dies ermöglicht eine große Stabilität der Pumpenanordnung
mit den Radialkolbenpumpen.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die Pumpengehäuse jeweils eine Pumpengehäuseausnehmung aufweisen,
und die Gehäusekopplungsvorrichtung einen
Stift aufweist, der in den Pumpengehäuseausnehmungen angeordnet
ist. Damit kann eine besonders präzise Kopplung zwischen den
Pumpengehäusen
erreicht werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die den jeweiligen
Radialkolbenpumpen zugeordneten Antriebswellen miteinander einstückig ausgebildet.
Dies hat den Vorteil, dass keine zusätzlichen Elemente zur Kopplung
der Antriebswellen erforderlich sind.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die Antriebswellen jeweils in einem Antriebswellenendabschnitt eine
Profilstruktur aufweisen, die so angeordnet und ausgebildet ist,
dass die Antriebswellen relativ zueinander drehfest sind. Es sind
so keine zusätzlichen Elemente
zur Kopplung der Antriebswellen erforderlich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Antriebswellen
Antriebswellenkopplungselemente auf, die so angeordnet und ausgebildet
sind, dass die Antriebswellen relativ zueinander drehfest sind.
Das macht eine effiziente Kopplung der Antriebswellen möglich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die Radialkolbenpumpen
jeweils Antriebswellenlager auf, die so ausgebildet und angeordnet
sind, dass die Antriebswellen je weils beidseitig in den Antriebswellenlagern
gelagert sind. Dies hat den Vorteil, dass die Antriebswellen besonders gut
abgestützt
werden können.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn ein Antriebswellenlager der einen Radialkolbenpumpe
und ein Antriebswellenlager der anderen Radialkolbenpumpe miteinander
einstückig
ausgebildet sind. Damit kann die Anzahl der Antriebswellenlager
bei guter Abstützung
der Antriebswellen klein gehalten werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Pumpenanordnung
mit zwei Radialkolbenpumpen gemäß einer
ersten Ausführungsform,
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1a eine
Detailansicht eines Antriebswellenlagers der Pumpenanordnung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
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2 eine
Schnittansicht einer Antriebswelle der Pumpenanordnung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
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2a eine
weitere Schnittansicht der Antriebswelle der Pumpenanordnung entlang
einer Linie IIa-IIa' der 2,
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3 eine
Schnittansicht der Antriebswelle der Pumpenanordnung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
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3a eine
weitere Schnittansicht der Antriebswelle der Pumpenanordnung entlang
einer Linie IIIa-IIIa' der 3,
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4 eine
Schnittansicht der Antriebswelle der Pumpenanordnung gemäß einer
weiteren Ausführungsform,
und
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4a eine
weitere Schnittansicht der Antriebswelle der Pumpenanordnung entlang
einer Linie IVa-IVa' der 4.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
eine Pumpenanordnung 10 in einer Ausführungsform mit einer ersten
Radialkolbenpumpe 11 und einer zweiten Radialkolbenpumpen 11' zur Förderung
eines Fluids. Die Radialkolbenpumpen 11, 11' sind grundsätzlich identisch
aufgebaut, nehmen jedoch unterschiedliche Betriebszustände ein,
wie unten detailliert beschrieben. Im Folgenden soll die erste Radialkolbenpumpe 11 anhand der 1 stellvertretend
auch für
die zweite Radialkolbenpumpe 11' beschrieben werden.
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Die
erste Radialkolbenpumpe 11 mit einem Pumpengehäuse 12 weist
eine in dem Pumpengehäuse 12 in
einer Drehrichtung R drehbar gelagerte Antriebswelle 14 mit
einem Exzenter 15 auf.
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Die
erste Radialkolbenpumpe 11 hat weiter einen Zylinder 38,
einen in dem Zylinder 38 angeordneten Zylinderraum 32 mit
einer Längsachse
Z und einen Pumpenkolben 30, der axial bewegbar in dem Zylinderraum 32 angeordnet
ist.
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Die
Antriebswelle 14 und der Exzenter 15 treiben über einen
Pleuel 16 und einen Kreuzkopf 24 den Pumpenkolben 30 an.
Der Pleuel 16 hat ein Großauge 18 und ein Kleinauge 20.
In dem Großauge 18 ist
die Antriebswelle 14 mit dem Exzenter 15 um eine
Drehachse S in der Drehrichtung R drehbar angeordnet.
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Der
Kreuzkopf 24 weist eine Kreuzkopfausnehmung 26 zur
Aufnahme eines Kreuzkopfbolzens 22 auf. Der Kreuzkopfbolzen 22 ist
in dem Kleinauge 20 des Pleuels 16 angeordnet
und ermöglicht
so eine Kopplung des Pleuels 16 mit dem Kreuzkopf 24.
Der Pumpenkolben 30 ist fest mit dem Kreuzkopfbolzen 22 gekoppelt.
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Um
den Zylinderraum 32 mit Fluid befüllen zu können, weist der Zylinder 38 eine
Zylinderraumzulaufleitung 33 auf, in der vorzugsweise ein
Zylinderraumeinlassventil 34 angeordnet ist. Das Zylinderraumeinlassventil 34 erleichtert
die Befüllung
des Zylinderraums 32 und verhindert beim Befüllen das Zurückströmen des
Fluids aus der Zylinderraumzulaufleitung 33. Der Zylinder 38 weist
weiter eine Zylinderraumablaufleitung 35 und ein in dieser
angeordnetes Zylinderraumauslassventil 36 auf. Damit kann Fluid
aus dem Zylinderraum 32 ausgestoßen werden.
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Die
Antriebswelle 14 der ersten Radialkolbenpumpe 11 und
die Antriebswelle 14 der zweiten Radialkolbenpumpe 11' sind drehfest
miteinander gekoppelt.
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Wie
bereits oben erwähnt,
sind die Radialkolbenpumpen 11 und 11' grundsätzlich identisch,
nehmen jedoch unterschiedliche Betriebszustände ein. Dies bedeutet insbesondere,
dass der Exzenter 15' der
zweiten Radialkolbenpumpe 11' gegenüber dem Exzenter 15 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 auf der gemeinsamen Antriebswelle 14, 14' um 180° verdreht
ist. Der Pumpenkolben 30 der ersten Radialkolbenpumpe 11 hat
in diesem Fall eine Stellung im Zylinder 38 mit einer maximalen
Entfernung von der Antriebswelle 14, während der Pumpenkolben 30' der zweiten
Radialkolbenpumpe 11' in
einer Stellung im Zylinder 38' mit einer minimalen Entfernung
von der Antriebswelle 14' ist,
und umgekehrt.
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Die
Pumpengehäuse 12, 12' weisen jeweils eine äußere Pumpengehäuseausnehmung 41, 41' auf. Zwischen
dem Pumpengehäuse 12 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 und dem Pumpengehäuse 12' der zweiten
Radialkolbenpumpe 11' ist
eine Gehäusekopplungsvorrichtung 39 angeordnet,
durch die eine starre und sichere Kopplung zwischen dem Pumpengehäuse 12 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 und dem Pumpengehäuse 12' der zweiten
Radialkolbenpumpe 11' erfolgt.
Die Gehäusekopplungsvorrichtung 39 hat äußere Schraubverbindungen 40, durch
die das Pumpengehäuse 12 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 und das Pumpengehäuse 12' der zweiten
Radialkolbenpumpe 11' starr
miteinander gekoppelt sind. Die Gehäusekopplungsvorrichtung 39 weist
in der hier dargestellten Ausführungsform
weiter Stifte 40a auf, die in den äußeren Pumpengehäuseausnehmungen 41, 41' angeordnet
sind. Damit lassen sich die Radialkolbenpumpen 11, 11' besonders präzise zueinander
ausrichten.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform der Pumpengruppe 10 sind
die Antriebswellen 14, 14' der Radialkolbenpumpen 11, 11' miteinander einstückig ausgebildet
und in Antriebswellenlagern 42, 42' der Radialkolbenpumpen 11, 11' drehbar gelagert.
Damit werden die Antriebswellen 14, 14' in vorteilhafter
Weise mechanisch gestützt.
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Die
zwei Antriebswellenlager 42 der ersten Radialkolbenpumpe 11 und
die zwei Antriebswellenlager 42' der zweiten Radialkolbenpumpe 11' sind so angeordnet,
dass die Antriebswellen 14, 14' jeweils beidseitig gelagert sind.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform
der Pumpenanordnung 10 sind eines der Antriebswellenlager 42 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 und eines der Antriebswellenlager 42' der zweiten
Radialkolbenpumpe 11' miteinander
einstückig
ausgebildet. Damit kann eine geringe Zahl von Bauteilen der Pumpenanordnung 10 und
dabei eine gute Abstützung
der Antriebswellen 14, 14' in den Pumpengehäusen 12, 12' erreicht werden.
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In
der in 1a gezeigten alternativen Ausführungsform
der Pumpenanordnung 10 sind die Antriebswellenlager 42 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 von den Antriebswellenlagern 42' der zweiten
Radialkolbenpumpe 11' getrennt
ausgebildet. Dabei sind die Antriebswellenlager 42, 42' in vorteilhafter Weise
jeweils einem Pumpengehäuse 12, 12' zugeordnet.
Damit kann besonders vorteilhaft ein modularer Aufbau der Pumpenanordnung 10 realisiert
werden.
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Die
Antriebswellen 14, 14' können alternativ zu der in 1 gezeigten
einstückigen
Ausführungsform
auch mehrstückig
ausgebildet sein. An einem Antriebswellenendabschnitt 44, 44' können die
Antriebswellen 14, 14' eine Profilstruktur 46, 46' aufweisen,
wobei die Profilstruktur 46 des Antriebswellenendabschnitts 44 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 vorzugsweise komplementär zu der
Profilstruktur 46' des
Antriebswellenendabschnitts 44' der zweiten Radialkolbenpumpe 11' ausgebildet
ist, um so eine drehfeste Kopplung der Antriebswellen 14, 14' zu ermöglichen
(2 und 2a). Die Profilstrukturen 46, 46' sind in der
hier dargestellten Ausführungsform
als Zahnprofil ausgebildet, das einen besonders guten Formschluss
gewährleisten
kann. Alternativ können
die Profilstrukturen 46, 46' jedoch vorzugsweise auch als Zweiflachprofil
oder als Polygonprofil ausgebildet sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
haben die Antriebswellen 14, 14' ein Antriebswellenkopplungselement 48, 148,
durch das die Antriebswellen 14, 14' drehfest zueinander gekoppelt
sind (3, 3a, 4, 4a).
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In
der in den 3 und 3a dargestellten Ausführungsform
ist das Antriebswellenkopplungselement 48 als Passfeder
ausgebildet, die in einer Aussparung 50 zwischen der Antriebswelle 14 der ersten
Radialkolbenpumpe 11 und der Antriebswelle 14' der zweiten
Radialkolbenpumpe 11' angeordnet ist.
Die Passfeder ermöglicht
einen sicheren Formschluss zwischen der Antriebswelle 14 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 und der Antriebswelle 14' der zweiten
Radialkolbenpumpe 11' und
somit eine Übertragung
des Drehmoments zwischen den Antriebswellen 14 und 14'. Alternativ
kann das Antriebswellenkopplungselement 48 jedoch vorzugsweise
auch als Scheibenfeder ausgebildet sein.
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In
der in den 4 und 4a dargestellten Ausführungsform
ist das Antriebswellenkopplungselement 148 als zweiseitige
Stiftverbindung ausgebildet, die in einer Aussparung 150 in
den Antriebswellen 14, 14' angeordnet ist und einen sicheren
Formschluss zwischen der Antriebswelle 14 und der Antriebswelle 14' und somit eine Übertragung
des Drehmoments zwischen den Antriebswellen 14 und 14' ermöglicht.
Alternativ kann das Antriebswellenkopplungselement 148 jedoch
vorzugsweise auch als einseitige Stiftverbindung ausgebildet sein.
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Im
Folgenden soll die Funktionsweise der Pumpenanordnung 10 beschrieben
werden:
Im Ausgangszustand nimmt der Pumpenkolben 30 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 einen maximalen Abstand zur
Antriebswelle 14 ein, während
der Pumpenkolben 30' der
zweiten Radialkolbenpumpe 11' einen
minimalen Abstand zur Antriebswelle 14 einnimmt.
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In
einer ersten Betriebsphase wird durch eine Drehbewegung der Antriebswelle 14 um
die Drehachse S in eine Drehrichtung R für die erste Radialkolbenpumpe 11 das
Kleinauge 20 des Pleuels 16 von dem Zylinder 38 wegbewegt. Über den
Kreuzkopfbolzen 22 wird der Kreuzkopf 24 bei dieser
Bewegung mitgenommen, wodurch wegen der festen Kopplung zwischen
dem Kreuzkopfbolzen 22 und dem Pumpenkolben 30 der
Pumpenkolben 30 in Richtung der Längsachse Z des Zylinderraums 32 zur
Antriebswelle 14 hin bewegt wird.
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Durch
diese Bewegung des Pumpenkolbens 30 wird der Zylinderraum 32 vergrößert und über das als
Rückschlagventil
ausgebildete Zylinderraumeinlassventil 34 und die Zylinderraumzulaufleitung 33 mit
Fluid befüllt.
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Gleichzeitig
wird für
die zweite Radialkolbenpumpe 11' durch die Drehbewegung der Antriebswelle 14' in Drehrichtung
R das Kleinauge 20' des
Pleuels 16' in
Richtung auf den Zylinder 38' hinbewegt. Die
Kraft wird über
den Kreuzkopfbolzen 22' auf
den Pumpenkolben 30' übertragen,
wodurch eine direkte Druckbeaufschlagung des Zylinderraums 32' und damit eine
Verdichtung des in dem Zylinderraum 32' befindlichen Fluids erfolgt. In
dem Zylinderraum 32' können dabei
Drücke
von 2000 bar und mehr auftreten. Das komprimierte Fluid wird im
Anschluss an den Kompressionshub über die Zylinderraumablauf leitung 35' und das nun
geöffnete
Zylinderraumauslassventil 36' ausgestoßen.
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Die
Radialkolbenpumpen 13, 13' wirken also einander entgegengesetzt,
indem ein Ansaugen von Fluid im Zylinderraum 32 der ersten
Radialkolbenpumpe 11 mit einem gleichzeitigen Ausstoßen von Fluid
aus dem Zylinderraum 32' der
zweiten Radialkolbenpumpe 11' einhergeht.
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In
Bezug auf 1 nimmt der Pumpenkolben 30 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 nun einen minimalen Abstand
zur Antriebswelle 14 ein, während der Pumpenkolben 30' der zweiten
Radialkolbenpumpe 11' einen
maximalen Abstand zur Antriebswelle 14 einnimmt.
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In
einer zweiten Betriebsphase wird für die erste Radialkolbenpumpe 11 durch
die Drehbewegung der Antriebswelle 14 in Drehrichtung R
das Kleinauge 20 des Pleuels 16 wieder in Richtung
auf den Zylinder 38 hinbewegt. Die Kraft wird vom Kreuzkopfbolzen 22 direkt
auf den Pumpenkolben 30 übertragen, wodurch eine direkte
Druckbeaufschlagung des Zylinderraums 32 und damit eine
Verdichtung des in dem Zylinderraum 32 befindlichen Fluids
erfolgt. Das komprimierte Fluid wird über die Zylinderraumablaufleitung 35 und
das geöffnete
Zylinderraumauslassventil 36 ausgestoßen.
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Gleichzeitig
wird für
die zweite Radialkolbenpumpe 11' durch die Drehbewegung der Antriebswelle 14' um die Drehachse
S in eine Drehrichtung R das Kleinauge 20' des Pleuels 16' von dem Zylinder 38' wegbewegt. Über den
Kreuzkopfbolzen 22' wird
der Kreuzkopf 24' bei
dieser Bewegung mitgenommen. Wegen der festen Kopplung zwischen
dem Kreuzkopfbolzen 22' und
dem Pumpenkolben 30' wird
der Pumpenkolben 30' in
Richtung der Längsachse
Z' des Zylinderraums 32' zur Antriebswelle 14 hin
bewegt.
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Durch
die Bewegung des Pumpenkolbens 30' wird der Zylinderraum 32' vergrößert und über das
als Rückschlagventil
ausge bildete Zylinderraumeinlassventil 34' und die Zylinderraumzulaufleitung 33' mit Fluid befüllt.
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In
dieser Betriebsphase ist also ein Ausstoßen von Fluid aus dem Zylinderraum 32 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 mit einem gleichzeitigen Ansaugen
von Fluid im Zylinderraum 32' der
zweiten Radialkolbenpumpe 11' verbunden.
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Handelt
es sich bei der Pumpenanordnung aus Radialkolbenpumpen beispielsweise
um eine Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine,
so kann das mit hohem Druck beaufschlagte Fluid zu einem Hochdruckkraftstoffspeicher,
dem Common Rail, gelangen. In der ersten Betriebsphase wird Fluid
aus dem Zylinderraum 32' der
zweiten Radialkolbenpumpe 11',
in der zweiten Betriebsphase wird Fluid aus dem Zylinderraum 32 der
ersten Radialkolbenpumpe 11 in Richtung zu dem Common Rail
hin ausgestoßen.
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Die
dargestellte Pumpenanordnung 10 aus den zwei als Einkolbenpumpen
aufgebauten Radialkolbenpumpen 11, 11' arbeitet also,
wie gezeigt, wie eine Zweikolbenpumpe im Gegentaktbetrieb. Durch eine
entsprechende Aneinanderreihung einer oder mehrerer weiterer als
Einkolbenpumpen aufgebauter Radialkolbenpumpen lassen sich so durch
drehfeste Kopplung der Antriebswellen und durch starre Kopplung
der Pumpengehäuse
der Radialkolbenpumpen Pumpenanordnungen aufbauen, die als Dreikolbenpumpe,
Vierkolbenpumpe etc. arbeiten können.
In entsprechender Weise lassen sich aus als Zweikolbenpumpen aufgebauten
Radialkolbenpumpen in einfacher Weise Pumpenanordnungen aufbauen,
die als Vierkolbenpumpe, Sechskolbenpumpe usw. arbeiten. Genauso
kann durch eine entsprechende Kombination geeigneter Radialkolbenpumpen
eine Pumpenanordnung mit einer beliebigen Kolbenzahl aufgebaut werden.