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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem
einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse und mit mindestens einem
Pumpenelement, das einen Hochdruckraum umfasst, der im geöffneten
Zustand eines Saugventils über
einen Saugventilraum mit einem Niederdruckbereich in Verbindung
steht, aus dem Kraftstoff in den Hochdruckraum angesaugt wird, wo
der Kraftstoff durch einen von einer Antriebswelle angetriebenen
Hochdruckkolben mit Hochdruck beaufschlagt wird, wobei das Saugventil einen
Saugventilkolben umfasst, an dessen einem Ende ein Schließkörper und
an dessen anderem Ende ein Federteller vorgesehen ist, gegen den
eine Saugventilfeder in einem Saugventilfederraum vorgespannt ist.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben
einer vorab beschriebenen Kraftstoffhochdruckpumpe.
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Stand der Technik
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Der
Schließkörper des
Saugventils ist vorzugsweise mit einer Dichtkante oder Dichtfläche ausgestattet,
welche durch die Federkraft der Saugventilfeder gegen einen zugehörigen Sitz
gedrückt
wird. Aus Gründen
des Druckausgleichs beziehungsweise um das Öffnungsverhalten des Saugventilkolbens möglichst
wenig zu beeinflussen, kann der Saugventilfederraum an einen Vorlauf
der Kraftstoffhochdruckpumpe angeschlossen werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, unerwünschte Druckpulsationen
im Betrieb einer Kraftstoffhochdruckpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1
in einem Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe ist bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem
einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse und mit mindestens einem
Pumpenelement, das einen Hochdruckraum umfasst, der im geöffneten
Zustand eines Saugventils über
einen Saugventilraum mit einem Niederdruckbereich in Verbindung
steht, aus dem Kraftstoff in den Hochdruckraum angesaugt wird, wo
der Kraftstoff durch einen von einer Antriebswelle angetriebenen
Hochdruckkolben mit Hochdruck beaufschlagt wird, wobei das Saugventil einen
Saugventilkolben umfasst, an dessen einem Ende ein Schließkörper und
an dessen anderem Ende ein Federteller vorgesehen ist, gegen den
eine Saugventilfeder in einem Saugventilfederraum vorgespannt ist,
dadurch gelöst,
dass die in dem Saugventilfederraum der Saugventilfeder zugewandte
Fläche
des Federtellers gezielt mit einem Schließdruck beaufschlagt wird, durch
den das Saugventil geschlossen wird, bevor der Kraftstoff in dem
Hochdruckraum durch den Hochdruckkolben mit Hochdruck beaufschlagt
wird. Durch eine Saughubbewegung des Hochdruckkolbens wird Kraftstoff über das geöffnete Saugventil
in den Hochdruckraum angesaugt, durch den Hochdruckkolben mit Hochdruck beaufschlagt
und über
ein Hochdruckventil in eine Kraftstoffsammelleitung gefördert, die
auch als Rail bezeichnet wird. Bei hohen Pumpendrehzahlen kann es
passieren, dass das Saugventil zu Beginn der Förderphase noch nicht vollständig geschlossen
ist. Dann schiebt der Hochdruckkolben eine gewisse Menge Kraftstoff
durch das sich schließende
Saugventil wieder zurück
in den Niederdruckbereich, insbesondere einen Niederdruckkreis.
Die zurückgeförderte Kraftstoffmenge
führt zu
Druckinstabilitäten
im Niederdruckbereich. Außerdem
wirkt sich die zurückgeförderte Kraftstoffmenge
als Liefergradverlust der Kraftstoffhochdruckpumpe aus. Durch die
gezielte Beaufschlagung des Federtellers mit dem Schließdruck wird
zusätzlich
zu der Saugventilfeder ein separater Schließmechanismus bereitgestellt,
der dafür sorgt,
dass das Saugventil schließt,
bevor der Hochdruckkolben den Kraftstoff in dem Hochdruckraum komprimiert
und es zu Füllverlusten
kommt.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Kraftstoffhochdruckpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Saugventilfederraum mit einem Stößelraum
in Verbindung steht, in welchem ein mit dem Hochdruckkolben gekoppelter
Stößel angeordnet
ist und dessen Volumen abnimmt, wenn der Hochdruckkolben einen Kompressionshub
ausführt.
In dem Saugventilfederraum ist vorzugsweise Kraftstoff enthalten,
der mit Niederdruck beaufschlagt ist. Durch die Bewegung des Stößels beim
Kompressionshub des Hochdruckkolbens wird ein Druckimpuls auf die der
Saugventilfeder zugewandte Fläche
des Federtellers in dem Saugventilfederraum bewirkt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Kraftstoffhochdruckpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die
der Saugventilfeder abgewandte Fläche des Federtellers an ein
geringeres Druckniveau wie die der Saugventilfeder zugewandte Fläche des
Federtellers angeschlossen ist. Das geringere Druckniveau bewirkt
auch einen geringeren Druckimpuls.
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Die über eine
gewisse Zeitdauer am Federteller vorhandene Druckdifferenz bewirkt
eine Kraft auf den Saugventilkolben, die das Saugventil schließt beziehungsweise über einen
bestimmten Verdrehwinkel der Antriebswelle geschlossen hält.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Kraftstoffhochdruckpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die
der Saugventilfeder abgewandte Fläche des Federtellers mit einem
Triebwerksraum in Verbindung steht, in dem die Antriebswelle aufgenommen
ist. Vorzugsweise ist der Triebwerksraum auf der dem Stößelraum
abgewandten Seite des Stößels angeordnet.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Kraftstoffhochdruckpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die
der Saugventilfeder abgewandte Fläche des Federtellers einen
Rückraum
begrenzt, in dem das geringere Druckniveau herrscht. Der Rückraum ist
vorzugsweise in einer Verschlussschraube ausgespart, die, zumindest
teilweise, zur Aufnahme des Saugventils dient.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Kraftstoffhochdruckpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Rückraum über mindestens eine
Drossel mit dem Saugventilfederraum in Verbindung steht. Über die
Drossel kann die gewünschte Druckdifferenz
eingestellt werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Kraftstoffhochdruckpumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass der
Rückraum
alternativ mit dem Niederdruckbereich in Verbindung steht. Die Verbindung
zwischen Rückraum
und Niederdruckbereich kann auf einfache Art und Weise durch eine
Verbindungsboh rung oder eine Verbindungsnut in dem Pumpengehäuse realisiert
werden.
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Bei
einem Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Kraftstoffhochdruckpumpe
ist die vorab angegebene Aufgabe dadurch gelöst, dass für eine gewisse Zeitdauer auf
die der Saugventilfeder zugewandte Fläche des Federtellers ein größeres Druckniveau
als auf die der Saugventilfeder abgewandte Fläche des Federtellers aufgebracht
wird. Wesentlich ist, dass keine bleibende Druckdifferenz aufgebracht
wird, sondern nur eine zeitlich begrenzte Druckdifferenz.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
verschiedene Ausführungsbeispiele
im Einzelnen beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es
zeigen:
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1 einen
Hydraulikschaltplan eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe
mit zwei Pumpenelementen;
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2 ein
kartesisches Koordinatendiagramm, in dem der Nockenhub der beiden
Pumpenelemente über
dem Nockenwinkel aufgetragen ist;
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3 einen
Ausschnitt eines Pumpenelements mit einem Saugventil;
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4 einen ähnlichen
Ausschnitt wie in 3 mit einem Saugventil und einem
Stößelraum und
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5 drei
kartesische Koordinatendiagramme in denen der Hochdruckkolbenhub,
der Saugventilkolbenhub und der Druck unterhalb des Federtellers
jeweils über
dem Nockenwinkel aufgetragen ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzsystems 1 mit einer
Kraftstoffhochdruckpumpe 2 in Form eines Hydraulikschaltplans.
Die Kraftstoffhochdruckpumpe 2 umfasst ein Gehäuse 3 und
ein Druckbegrenzungsventil beziehungsweise eine Zumesseinheit 4. Über einen
Kraftstoffzulauf 5 ist die Kraftstoffhochdruckpumpe 2 an
einen (nicht dargestellten) Tank angeschlossen. Aus dem Tank wird
der Kraftstoff vorzugsweise mit Hilfe einer Vorförderpumpe über einen Vorfilter zu der
Kraftstoffhochdruckpumpe 2 gefördert.
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Die
Kraftstoffhochdruckpumpe 2 umfasst zwei Pumpenelemente 8, 9 mit
jeweils einem Pumpenkolben, der auch als Hochdruckkolben bezeichnet
wird. Die Pumpenkolben der Pumpenelemente 8, 9 sind
durch einen Nocken 10 einer Nockenwelle einer (nicht dargestellten)
Brennkraftmaschine angetrieben. Der Nocken 10 ist in einem
Triebwerksraum 11 der Kraftstoffhochdruckpumpe 2 angeordnet.
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Im
Saughub der Pumpenkolben wird über
jeweils ein Saugventil 12, 13, das auch als Einlassventil
bezeichnet wird, Kraftstoff in das zugehörige Pumpenelement 8, 9 angesaugt.
Der Bereich mit den Saug ventilen 12, 13, dem Kraftstoffzulauf 5 und
einem Kraftstoffrücklauf 15,
der mit dem Tank in Verbindung steht, ist mit Niederdruck beaufschlagt
und wird daher auch als Niederdruckbereich 14 oder Niederdruckkreis
bezeichnet.
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In
den Pumpenelementen 8, 9 wird der Kraftstoff im
Förderhub
der Pumpenkolben mit Hochdruck beaufschlagt. Der mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff
gelangt über
Hochdruckleitungen 17, 18, in denen jeweils ein
Hochdruckventil angeordnet ist, wie durch Pfeile 19, 20 angedeutet
ist, in eine (nicht dargestellte) Kraftstoffsammelleitung, die auch
als Rail bezeichnet wird. Die Hochdruckleitungen 17, 18 mit
den Hochdruckventilen und das Rail sind mit Hochdruck beaufschlagt.
Daher wird der zugehörige Bereich
auch als Hochdruckbereich 21 bezeichnet. Die beiden Pumpenelemente 8, 9 stehen über einen Ausgleichs-
und/oder Verbindungskanal 22 miteinander in Verbindung.
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Der
Nocken 10 ist Teil einer Antriebswelle, die zu beiden Seiten
der Nocken in einem ersten Lager 24 und einem zweiten Lager 25 in
dem Gehäuse 3 drehbar
gelagert ist. Die Antriebswelle ist in einem Innenraum des Pumpengehäuses 3 angeordnet.
Die Lager 24, 25 der Antriebswelle sind als Gleitlager ausgeführt und
zwangsweise mit Kraftstoff durchströmt. Die Lager 24, 25 können als
Drosseln ausgeführt
sein. Alternativ oder zusätzlich
kann dem Lager 24 eine weitere Drossel 26 vorgeschaltet
sein.
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In 2 ist
in einem kartesischen Koordinatendiagramm der Nockenhub über dem
Nockenwinkel für
die beiden Pumpenelemente 8 und 9 aufgetragen.
Durch einen Pfeil 32 ist ein Nockenwinkelbereich angedeutet,
in dem das Element 8 zu und das Element 9 offen
ist. Durch einen Doppelpfeil 33 ist ein Nockenwinkelbereich
angedeutet, in dem das Element 8 offen und das Element 9 zu
ist. Durch einen weiteren Doppelpfeil 34 ist ein Nockenwinkelbereich angedeutet,
in dem das Element 8 zu und das Element 9 offen
ist.
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Der
Nockenwellenbereich 32 entspricht einer Entlastungsphase,
in der das Saugventil des Pumpenelements 8 geschlossen
ist. In dem Nockenwellenbereich 33 ist das Saugventil des
Pumpenelements 8 geöffnet.
Durch das geöffnete
Saugventil wird Kraftstoff in das Pumpenelement 8 angesaugt, bis
der untere Totpunkt erreicht ist. Wenn das Pumpenelement 8 nicht
komplett mit Kraftstoff gefüllt
ist, würde
das Saugventil in einem herkömmlichen
System aufgrund des herrschenden Dampfdrucks offen bleiben, bis
das Pumpenelement 8 vollständig gefüllt ist. Durch den erfindungsgemäßen Schließmechanismus
wird das Saugventil des Pumpenelements 8 zwangsweise geschlossen,
auch wenn noch Dampfdruck in dem Pumpenelement 8 herrscht.
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Die
mögliche
Ventildynamik ergibt sich aus den vorhandenen Druckdifferenzen,
die dominant durch die Saugcharakteristik des Hochdruckkolbens erzeugt
werden, und dem Feder-Masse-System der bewegten Teile. Die möglichen
Schaltfrequenzen sind bei herkömmlichen
Ventilkonstruktionen auf circa 120 bis 150 Hz begrenzt. Bei hohen
Drehzahlen kommt es zunehmend zu einem verzögerten Schließverhalten,
was dazu führt,
dass ein Teil des Kraftstoffs aus dem Pumpenelement wieder in den Niederdruckbereich
zurückgeschoben
wird, bevor das zugehörige
Saugventil. geschlossen ist. Das macht sich als Liefergradverlust
der Hochdruckpumpe bemerkbar.
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Gemäß einem
wesentlichen Aspekt der Erfindung wird ein separater Schließmechanismus
bereitgestellt, durch den das Saugventil geschlossen wird, bevor
der zugehörige
Hochdruckkolben den Kraftstoff im Hochdruckraum komprimiert und
es zu Füllverlusten
kommt. Gemäß einem
weiteren wesentlichen Aspekt der Erfindung wird eine bereits in der
Kraftstoffhochdruckpumpe vorhandene Dynamik genutzt, zum Beispiel
ein Druckimpuls oberhalb eines Stößels während dessen Aufwärtsbewegung.
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In 3 ist
ein Ausschnitt eines der Pumpenelemente 8, 9 aus 1 im
Schnitt durch ein Pumpenelementgehäuse 41 dargestellt,
das auch als Zylinderkopf bezeichnet wird. In dem Pumpenelementgehäuse 41 ist
eine Elementbohrung 42 ausgespart, in welcher der Hochdruckraum 44 von
einem Ende eines Hochdruckkolbens 45 begrenzt wird, der in
der Elementbohrung 42 hin und her bewegbar aufgenommen
ist. Der Hochdruckraum 44 wird über eine Füllbohrung 46 mit Kraftstoff
gefüllt,
wenn der Hochdruckkolben 45 sich in einer Saughubbewegung
in 3 nach unten bewegt. Durch einen Pfeil 48 ist der
im Saughub einströmende
Kraftstoff angedeutet.
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Die
Befüllung
des Hochdruckraums 44 mit Kraftstoff wird durch ein Saugventil 50 gesteuert,
das einem der Saugventile 12, 13 in 1 entspricht. Das
Saugventil 50 umfasst eine Saugventilverschlussschraube 51 und
eine Saugventilplatte 52. Die Saugventilplatte 52 wird
mit Hilfe der Saugventilsverschlussschraube 51 in dem Pumpenelementgehäuse 41 fixiert.
In der Saugventilplatte 52 sind mehrere Querbohrungen 53, 54 vorgesehen,
die einen Füllraum 55 im
Inneren der Saugventilplatte 52 mit einem Ringraum 56 außerhalb
der Saugventilplatte 52 verbinden. In den Ringraum 56 mündet die Füllbohrung 46.
Durch weitere, nicht näher
bezeichnete Pfeile ist angedeutet, wie der Kraftstoff aus der Füllbohrung 46 in
den Füllraum 55 gelangt.
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Das
Befüllen
des Hochdruckraums 44 aus dem Füllraum 45 wird durch
einen Schließkörper 58 gesteuert,
der an einem Ende eines Saugventilkolbens 60 ausgebildet
ist. Der Schließkörper 58 umfasst
eine keglige Dichtfläche,
die an einer Dichtkante eines Saugventilsitzes 62 zur Anlage
kommt, um eine Verbindung zwischen dem Füllraum 55 und dem Hochdruckraum 44 zu
verschließen.
Wenn der Schließkörper 58 von
dem Saugventilsitz 62 abhebt, dann wird eine Verbindung
zwischen dem Füllraum 55 und
dem Hochdruckraum 44 freigegeben.
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Durch
einen zwischen der Saugventilplatte 52 und dem Pumpenelementgehäuse 41 angeordneten
O-Ring 64 ist der Ringraum 56 von einem weiteren
Ringraum 65 getrennt, in den ein Verbindungskanal 68 mündet. Durch
Pfeile 71, 72 und 73 ist angedeutet,
dass Kraftstoff aus dem Verbindungskanal 68 durch Bohrungen
in der Verschlussschraube 51 in einen Saugventilfederraum 75 im
Inneren der Verschlussschraube 51 gelangt.
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Der
Saugventilfederraum 75 wird zum Hochdruckkolben 45 hin
von der Saugventilplatte 52 begrenzt und dient zur Aufnahme
einer (nicht dargestellten) Saugventilfeder, die zwischen der Saugventilplatte 52 und
einem Federteller 76 eingespannt ist, die den Saugventilfederraum 75 auf
der anderen Seite, das heißt
in 3 nach oben, begrenzt. Der Federteller 76 ist
an dem dem Schließkörper 58 abgewandten
Ende des Saugventilkolbens 60 befestigt.
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Durch
mehrere Verbindungskanäle 78, 79, die
jeweils einen Drosselquerschnitt A aufweisen, steht der Saugventilfederraum 75 mit
einem Rückraum 80 in
Verbindung, der von dem Federteller 76 begrenzt wird. Der
Rückraum 80 steht
mit einem weiteren Ringraum 81 in Verbindung, von dem ein
weiterer Verbindungskanal 83 ausgeht. Durch weitere Pfeile
ist angedeutet, wie Kraftstoff aus dem Saugventilfederraum 75 durch
die Verbindungskanäle 78, 79 in
den Ringraum 81 und den Verbindungskanal 83 gelangt.
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In 4 ist
ein Ausschnitt aus 3 verkleinert und mit weiteren
Elementen im Schnitt dargestellt. In 4 sieht
man, dass der Verbindungskanal 68 zusammen mit einem weiteren
Verbindungskanal 121 in einen Stößelraum 125 mündet, in
dem ein Stößel 126 hin
und her bewegbar aufgenommen ist. Der Stößel 126 ist über eine
Rolle 127 und einen Rollenschuh 128 mit einem
Antriebswellennocken (10 in 1) gekoppelt.
An dem Rollenschuh 128 befindet sich das dem Hochdruckraum 44 abgewandte
Ende des Hochdruckkolbens 45 in Anlage. Durch eine Stößelfeder 129 wird
der Hochdruckkolben 45 an dem Rollenschuh 128 in
Anlage gehalten, der über
die Rolle 127 durch den Antriebswellennocken angetrieben
ist. Der Stößelraum 125 steht über einen
Ausgleichskanal 130 mit einem weiteren (nicht dargestellten)
Stößelraum
eines weiteren Pumpenelements in Verbindung.
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Über den
Verbindungskanal 68 steht der Stößelraum 125 mit dem
Saugventilfederraum 75 in Verbindung. Somit ist die Oberseite
des Stößels 126 an die
Unterseite des Federtellers 76 hydraulisch angebunden.
Während
einer Aufwärtsbewegung
des Stößels 126 entsteht
ein Druckimpuls, der auf die Unterseite des Federtellers 76 des
Saugventilkolbens 60 übertragen
wird. Gleichzeitig ist die Rückseite
des Federtellers 76 in dem Rückraum 80 an ein Druckniveau
angeschlossen, das nicht denselben beziehungsweise einen geringeren
Druckimpuls erfährt. Zu
diesem Zweck ist der Verbindungskanal 83 zum Beispiel an
den Triebwerksraum (11 in 1) angeschlossen,
der mit Niederdruck beaufschlagt ist.
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Die über eine
gewisse Zeitdauer entstehende Druckdifferenz am Federteller 76 in
Verbindung mit der druckbeaufschlagten Fläche führt zu einer Kraft, die das
Saugventil 50 zum Schließen bringt beziehungsweise über einen
bestimmten Nockenwinkel geschlossen hält. Prinzipiell lässt sich
jedes dynamische Druckniveau nutzen, jedoch muss darauf geachtet
werden, dass keine bleibende Druckdifferenz entsteht, die den gewünschten Öffnungsdruck
verfälschen
würde.
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In 5 sind
der Hub HD des Hochdruckkolbens 45, der Hub SV des Saugventilkolbens 60 und der
Druck p in dem Saugventilfederraum 75, der an dem Federteller 76 anliegt,
jeweils über
dem Nockenwinkel NW aufgetragen. Der obere Totpunkt des Hubs HD
des Hochdruckkolbens 45 ist mit OT und der untere Totpunkt
mit UT bezeichnet. Durch einen Pfeil 136 ist angedeutet,
dass der Saugventilkolben 60 bei herkömmlichen Kraftstoffhochdruckpumpen verspätet schließt. Durch
einen weiteren Pfeil 138 ist angedeutet, dass durch die
erfindungsgemäße Lösung eine
schnellere Schließcharakteristik
des Saugventilkolbens 60 erreicht werden kann.
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Durch
eine gestrichelte Linie 135 ist der Hubverlauf SV einer
herkömmlichen
Kraftstoffhochdruckpumpe angedeutet. Durch einen Bereich 141 ist
ein Druckverlaufsbereich angedeutet, der eine Aufwärtsbewegung
des Federtellers bewirkt. Durch diese Aufwärtsbewegung wird das Saugventil 50 geschlossen. Durch
einen weiteren Bereich 142 ist ein Druckverlaufsbereich
angedeutet, der eine Abwärtsbewegung des
Federtellers 76 und somit ein Öffnen des Saugventils 50 bewirkt.
Die gestrichelt angedeuteten Steuerimpulse sind zur erfindungsgemäßen Funktion
des Saugventils 50 nicht zwingend erforderlich.