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Die Erfindung betrifft ein Einspritzsystem nach der Gattung des Anspruchs 1. Es ist bereits bekannt, dass bei elektrisch betriebenen Kraftstoffpumpen eines Common-Rail-Einspritzsystems in einem Kraftfahrzeug die Förderkapazität begrenzt ist. Beispielsweise wird von Fahrzeugherstellern gefordert, dass eine Vorförderpumpe eine Fördermenge bis zu ca. 2,17 l/min liefern soll, um eine ausreichende Versorgung einer Hochdruckpumpe des Common Rail Einspritzsystems beziehungsweise des Verbrennungsmotors zu gewährleisten.
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Es ist des Weiteren bekannt, dass ein großer Teil der von der Kraftstoffpumpe geförderten Kraftstoffmenge zur Spülung eines oder mehrerer Wellenlager der Kraftstoffpumpe benötigt wird. Dadurch reduziert sich die für die Kraftstoffeinspritzung zur Verfügung stehende Kraftstoffmenge erheblich, so dass unter Umständen eine Beeinträchtigung des Motorbetriebs auftreten kann.
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Des Weiteren ist bekannt, dass das Lagerspiel der Wellenlager der Kraftstoffpumpe durch Fertigungstoleranzen erheblich schwanken kann. Des Weiteren vergrößert sich das Lagerspiel im Wellenlager durch auftretenden Verschleiß, so dass die durch das Wellenlager fließende Kraftstoffmenge (Spülölmenge) mit der Zeit erheblich anwachsen kann. Das führt zu einer starken Streuung der Spülölmenge, so dass für die Einspritzung immer weniger Kraftstoff zur Verfügung steht.
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Es besteht somit das Problem, dass sich die Spülölmenge des Wellenlagers in Abhängigkeit von Produktionstoleranzen, insbesondere des Lagerspiels, von Betriebsbedingungen, wie der Temperatur, von der Kraftstoffart und als Folge des Verschleißes stark zunehmen kann. Die starke Zunahme der Spülölmenge kann dazu führen, dass die Systemversorgung nicht mehr gewährleistet ist.
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Zur Lösung dieses Problems ist bekannt, die Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Wellenlagers stark einzuschränken und alle Wellenlager mit einer höheren Präzision herzustellen. Dieses Vorgehen führt jedoch zu erheblichen Kostensteigerungen und ist daher unbefriedigend.
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EP 1 457 667 B1 beschreibt ein Einspritzsystem mit einer Hochdruckpumpe, die von einer Welle angetrieben wird, welche mit zwei Gleitlagern gelagert ist. Die Gleitlager werden mit Kraftstoff geschmiert, wobei der Kraftstoff von einer Vorpumpe zugeführt wird, die gleichzeitig einen Druckraum der Hochdruckpumpe versorgt. Um eine Unterversorgung des Druckraumes zu vermeiden, ist in einer Schmierleitung vor den Gleitlagern eine Drossel vorgesehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kraftstoffmenge für die Spülung der Wellenlager einer Kraftstoffpumpe, insbesondere einer Hochdruckpumpe zu begrenzen und sie dadurch im Wesentlichen von Fertigungstoleranzen und Alterungseinflüssen unabhängig zu machen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Einspritzsystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 ergibt sich der Vorteil, dass die Spülölmenge, d.h. die Kraftstoffmenge, die durch das Wellenlager gedrückt wird, begrenzt wird. Das bedeutet, dass Fertigungstoleranzen oder Alterungseinflüsse auf den Spülöldurchfluss praktisch keine negativen Auswirkungen haben. Dadurch ist gewährleistet, dass unabhängig vom Lagerspiel in der Kraftstoffpumpe stets eine ausreichende Kraftstoffmenge zur Verfügung steht, um die Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder des Verbrennungsmotors bei allen Betriebszuständen sicherzustellen. Da es nun nicht mehr so genau auf die Fertigungstoleranzen oder auf eine präzise Einhaltung des Lagerspiels ankommt, kann die Kraftstoffpumpe insgesamt mit weniger Aufwand und somit kostengünstiger hergestellt werden. Des Weiteren wird die Energieeffizienz für die Kraftstoffpumpe verbessert, da von der Kraftstoffpumpe eine geringere Überschussmenge gefördert wird und als Spülölmenge zur Verfügung gestellt werden muss. Als weiterer Vorteil wird auch angesehen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Kraftstoffpumpe wegen einer zu geringen Spülölmenge trocken läuft, verbessert wird. Die Drossel ist - in Flussrichtung gesehen - dem jeweiligen Wellenlager der Kraftstoffpumpe nachgeschaltet ist. Dadurch wird ein erhöhter Öldruck aufgebaut, der eine kontinuierliche Schmierung des jeweiligen Wellenlagers der Kraftstoffpumpe gewährleistet.
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Es ist auch vorgesehen, dass die Drossel für alle Kraftstoff-Einspritzsysteme verwendbar ist, die für die Einspritzung von Benzin- oder Dieselöl geeignet sind.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Drossel gegeben. Als besonders vorteilhaft wird angesehen, dass die Drossel mit einer sehr einfachen Konstruktion und ohne großen Mehraufwand ausgeführt ist. Es ist vorgesehen, dass die Drossel vorzugsweise als dünne Platte oder Scheibe ausgebildet ist, in der eine kleine Bohrung für den Spülöldurchfluss ausgebildet ist. Die Platte wird quer zur Flussrichtung des Kraftstoffs angeordnet, so dass sich vor der Bohrung ein entsprechender Kraftstoffdruck aufbauen kann.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, dass der Durchmesser der Bohrung für die Drossel derart dimensioniert ist, dass die vorherrschenden Bedingungen, insbesondere bezüglich der Pumpenleistung, des Lagerspiels, des Leitungsdrucks und/oder der Kraftstoffart berücksichtigt werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bohrung in der Drossel scharfkantig ausgebildet ist, um an der Bohrung insbesondere strömungstechnische Turbulenzen zu erzeugen und dadurch den Widerstand für den Spülöldurchfluss zu erhöhen.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass die Drossel innerhalb oder außerhalb der Kraftstoffpumpe, beispielsweise einer Vorförderpumpe oder Hochdruckpumpe angeordnet ist. Da die Drossel sehr einfach konstruiert und als dünne Platte ausgebildet ist, kann sie sehr einfach innerhalb der Kraftstoffpumpe angeordnet werden.
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Als alternative Lösung ist vorgesehen, die Drossel im Bereich einer externen Spülleitung anzuordnen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Teilansicht einer Kraftstoffpumpe in schematischer Darstellung im Querschnitt,
- 2 zeigt eine erfindungsgemäße Drossel und ihren Einbau in einem Leitungskanal,
- 3 zeigt ein erstes Diagramm vom Spülöldurchfluss an einem Wellenlager der Kraftstoffpumpe, bei dem keine Drossel angeordnet wurde, in Abhängigkeit vom Druck und vom Lagerspiel und
- 4 zeigt ein zweites Diagramm vom Spülöldurchfluss am Wellenlager, bei dem jedoch die erfindungsgemäße Drossel angeordnet wurde.
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In 1 ist in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. 1 zeigt ausschnittsweise einen Querschnitt einer Kraftstoffpumpe 1, die beispielsweise als Hochdruckpumpe ausgebildet ist.
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Die Kraftstoffpumpe 1 weist im Wesentlichen eine Bohrung 11 auf, in der eine Pumpenwelle 7 gelagert ist. Die Pumpenwelle 7 wird entsprechend 1 rechts und links von zwei Wellenlagern 9 geführt, die beispielsweise als Gleitlager ausgebildet sind. Die Pumpenwelle 7 ist im linken Teil von 1 aus einem Gehäuse 15 der Kraftstoffpumpe 1 herausgeführt und schließt beispielsweise mit einer Kupplung ab, die als Konus ausgebildet ist. Die Pumpenwelle 7 wird über den Konus angetrieben, beispielsweise mittels eines Riemenantriebs oder direkt über ein Zahnrad. Gegen austretenden Kraftstoff ist die Pumpenwelle 7 gegenüber dem Gehäuse 15 der Kraftstoffpumpe 1 durch einen Dichtring 14 abgedichtet. Innerhalb des Gehäuses 15 der Kraftstoffpumpe 1 ist ein Exzenterraum 8 angeordnet. In dem Exzenterraum 8 ist die Pumpenwelle 7 mit einem Exzenter 13 ausgebildet, der mit der Pumpenwelle 7 fest verbunden ist. Der Exzenterraum 8 ist dabei derart ausgebildet, dass bei Drehung der Pumpenwelle 7 mit dem Exzenter 13 der über die Kraftstoffleitung 5 zufließende Kraftstoff komprimiert wird und mit einem sehr hohen Druck, beispielsweise 1600 bis 2000 bar in ein angeschlossenes Einspritzsystem fließt. Das Einspritzsystem ist in 1 aus Übersichtsgründen nicht dargestellt.
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Vollständigkeitshalber wird darauf hingewiesen, dass die Kraftstoffpumpe 1 in der Praxis mit weiteren Steuer- und Regeleinrichtungen ausgebildet ist. Beispielsweise ist innerhalb der Kraftstoffpumpe 1 zwischen dem Exzenterraum 8 und der Spülleitung 10 ein Druckregelventil 16 angeordnet, mit dem der Kraftstoffdruck im Exzenterraum 8 geregelt werden kann. Alternativ ist vorsehbar, dass das Druckregelventil 16 außerhalb der Kraftstoffpumpe 1 zwischen den Kraftstoffleitungen 5 und 10 angeordnet ist, wie im linken Teil von 1 dargestellt ist.
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Die beiden Wellenlager 9 sind mit einem gewissen Lagerspiel ausgebildet, so dass eine bestimmte Kraftstoffmenge als Spülölmenge durch die beiden Wellenlager 9 fließen kann. Das Lagerspiel beträgt je nach Fertigung einige Mikrometer und liegt beispielsweise im Bereich von 30 bis 80 µm. Durch Verschleiß kann sich das Lagerspiel im Laufe der Lebensdauer erheblich vergrößern, so dass damit auch der Spülöldurchfluss entsprechend zunimmt, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
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Entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 1 ist vorgesehen, dass vorzugsweise jedem Wellenlager 9 erfindungsgemäß eine Drossel 4 nachgeschaltet ist. Der Ausgang der Drossel 4 ist mit einer Spülleitung 10 verbunden, die in den Niederdruckbereich, beispielsweise in den Tank 3 zurückgeführt ist. Entsprechend der 1 sind für die zwei Wellenlager 9 zwei Drosseln 4 vorgesehen. Bei drei Wellenlagern 9 können drei Drosseln 4 vorgesehen werden. Die Drosseln 4 bewirken, dass am Ausgang des Wellenlagers 9 der Druck für das Spülöl erhöht wird und somit weniger Spülöl abfließen kann. Der Einfluss der Drossel ist um so größer, je größer das Lagerspiel ist. Die Drossel 4 ist dabei derart ausgebildet, dass der Spülöldurchfluss durch das Wellenlager 9 im Wesentlichen unabhängig ist von Fertigungstoleranzen für das Lagerspiel oder auch durch Änderungen des Lagerspiels als Folge von Alterungs- und Verschleißeinflüssen. Durch die Drossel 4 wird somit erreicht, dass die aus dem Exzenterraum 8 abfließende Spülölmenge unabhängig vom Lagerspiel begrenzt wird. Dadurch ist in vorteilhafter Weise sicher gestellt, dass genügend Kraftstoff zur Verfügung gestellt wird, um die Kraftstoffeinspritzung unter allen Betriebsbedingungen und unabhängig von Alterungseinflüssen sicher zu stellen.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Drossel 4. Die Drossel 4 ist vorzugsweise als dünne Platte 12 in Form einer Lochblende ausgebildet. Die Platte 12 ist als Vieleck oder rund geformt und weist eine Bohrung 11 auf, die in Abhängigkeit von der Pumpenleistung, der Kraftstoffsorte, der Temperatur und/oder dem Lagerspiel dimensioniert ist. Um eine gute Drosselwirkung zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Bohrung 11 der Drossel 4 scharfkantig ausgebildet ist. Durch die an der Bohrungskante entstehenden Verwirbelungen wird die Drosselwirkung der Drossel 4 im Sinne der Erfindung noch weiter verbessert.
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Der Durchmesser der Bohrung 11 liegt beispielsweise im Bereich von ca 0,2 bis 1,5 mm und beträgt beispielsweise 0,5 mm für eine standardisierte Kraftstoffpumpe. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Drossel 4 vorzugsweise innerhalb der Kraftstoffpumpe 1 angeordnet und dem jeweiligen Wellenlager 9 strömungstechnisch vor- und/oder nachgeschaltet ist. Beispielsweise ist die Drossel 4 innerhalb der Kraftstoffpumpe 1 in einem entsprechenden Leitungskanal angeordnet.
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Alternativ ist vorgesehen, dass die Drossel 4 an einer geeigneten Stelle der Spülleitung 10 außerhalb der Kraftstoffpumpe 1 angeordnet ist. Bei dieser Lösung ergibt sich der Vorteil, dass ein älterer Motor, bei dem bereits ein vergrößertes Lagerspiel an den Wellenlagern 9 der Kraftstoffpumpe 1 vorliegt und dadurch ein vergrößerter Spülöldurchfluss zu erwarten ist, mit der erfindungsgemäßen Drossel 4 problemlos nachgerüstet werden kann.
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Die Ausführungsform als dünne Platte ist nur beispielhaft. In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drossel 4 in Form einer Düse eingesetzt oder als geeignete Leitungsverengung in der Kraftstoffpumpe 1 oder der Spülleitung 10 ausgebildet ist.
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In 2 ist ein Ausschnitt mit einer Anordnung der Drossel 4 in einem Kraftstoffkanal 22 der Kraftstoffpumpe 1 dargestellt. 2 zeigt ein erstes Gehäuseteil 20 und ein zweites Gehäuseteil 21, die zusammen den Kraftstoffkanal 22 bilden. Die beiden Gehäuseteile 20,21 sind mit ihren Stirnseiten 23 miteinander kraftstoffdicht verbunden. Im ersten Gehäuseteil 20 ist am Kraftstoffkanal 22 eine Aussparung 24 ausgebildet, in die die Drossel 4 eingelegt ist. Die Drossel 4 ist als dünnwandige Platte 12 mit der zentralen Bohrung 11 quer zur Flussrichtung des Kraftstoffs ausgerichtet. Durch Zusammenfügen der beiden Gehäuseteile 20, 21 wird die Drossel 4 in die Aussparung 24 gepresst und ist somit nach außen hin kraftstoffdicht im Kraftstoffkanal 22 eingefügt.
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An Hand der 3 und 4 wird nachfolgend die Wirkung der erfindungsgemäßen Drossel 4 in der Kraftstoffpumpe 1 bzw. dem Kraftstoffeinspritzsystem näher erläutert. 3 zeigt zunächst ein Diagramm für den Spülöldurchfluss (Volumenstrom) in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, bei dem die erfindungsgemäße Drossel 4 nicht verwendet wurde. Dieser Fall entspricht der bisherigen Praxis, bei der das Problem der Streuung für den Spülöldurchfluss noch nicht zufriedenstellend gelöst werden konnte.
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Im Diagramm von 3 ist der Volumenstrom Q durch ein Wellenlager 9 als Funktion des Kraftstoffdrucks aufgetragen. Die Kurven A bis F wurden für unterschiedliche Lagerspiele und Kraftstoffarten ermittelt. Auf der y-Achse ist zu diesem Zweck der Volumenstrom (Spülöldurchfluss) Q in l/min im Bereich 0 bis 1,0 aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Druckdifferenz dP (bar) am Wellenlager 9 im Bereich 0 bis 10,0 bar aufgetragen. Die einzelnen Kurven wurden durch Simulation ermittelt.
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Bei der Kurve A liegt ein Wellenlager 9 vor, das ein Lagerspiel von 30 µm aufweist. Bei dieser Simulation wurde Kraftstoff nach ISO 4113 bei 40°C verwendet. Die Kurve 1 verläuft relativ flach, da das Lagerspiel klein ist. Bei dP = 10,0 bar beträgt der Volumenstrom Q ca. 0,05 l/min.
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Bei dem Wellenlager der Kurve B liegen die gleichen Bedingungen vor. Allerdings beträgt hier das Lagerspiel 80 µm. Die Folge ist, dass der Volumenstrom Q in etwa doppelt so hoch wie der Volumenstrom Q der Kurve A ist.
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Bei der Kurve C beträgt das Lagerspiel ebenfalls 80 µm. Hier wurde jedoch als Kraftstoff ein schwedischer Dieselkraftstoff verwendet. Diese Kraftstoffart weist eine geringere Viskosität auf, so dass sich entsprechend der Kurve C ein noch höherer Volumenstrom Q ergibt.
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Bei der Kurve D liegen ähnliche Bedingungen wie bei der Kurve A vor. Das Lagerspiel beträgt 30 µm, verwendet wurde Kraftstoff nach ISO 4113. Allerdings beträgt hier die Kraftstofftemperatur 80°C. Durch die höhere Temperatur des Kraftstoffes nimmt die Viskosität ab, so dass der Volumenstrom Q entsprechend der Kurve 4 auf einen noch höheren Wert ansteigt.
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Bei der Kurve E wurde, wie zuvor zu Kurve bereits beschrieben, ein Lagerspiel von 80 µm und ein Kraftstoff nach ISO 4113 verwendet. Die Temperatur des Kraftstoffs beträgt jedoch 80°C. Aus dem steilen Anstieg der Kurve E erkennt man deutlich, dass bei vergrößertem Lagerspiel und erhöhter Temperatur der Volumenstrom wesentlich größer ist als bei den zuvor genannten Kurven.
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Bei der Kurve F wurden - wie bei der Kurve C - die gleichen Bedingungen gewählt, d.h. Lagerspiel 80 µm und schwedischer Dieselkraftstoff. Hier wurde die Temperatur auf 80°C erhöht. Diese Kurve zeigt mit etwa 0,88 l/min bei einer Druckdifferenz von dP = 10,0 bar den höchsten Volumenstrom Q. Das entspricht mehr als dem 17-fachen des Volumenstroms Q bei der Kurve A.
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Aus dem Diagramm der 3 ist somit erkennbar, dass sowohl die Größe des Lagerspiels, die Viskosität und insbesondere auch die Temperatur des Kraftstoffs einen entscheidenden Einfluss auf den Volumenstrom, d.h. auf den Spülöldurchfluss durch das Wellenlager 9 ausüben. Man kann daher davon ausgehen, dass mit zunehmenden Verschleiß des Wellenlagers bzw. mit seiner Alterung der Spülöldurchfluss durch das Wellenlager erheblich zunimmt. Das kann dazu führen, dass die Kraftstoffpumpe nicht genügend Kraftstoff fördert, um für alle Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors genügend Kraftstoff für die Einspritzung bereit zu stellen. Die mangelnde Kraftstoffförderung kann dann zu Leistungseinbußen oder Funktionsstörungen des Verbrennungsmotors führen.
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Bei den sechs Kurven A bis F in dem Diagramm der 4 wurden die gleichen Bedingungen bezüglich des Lagerspiels, der Kraftstoffart und der Temperatur gewählt, wie sie zuvor zum Diagramm der 3 beschrieben wurden. Im Unterschied zu 3 wurde bei dem Diagramm der 4 dem Wellenlager 9 jedoch die erfindungsgemäße Drossel 4 nachgeschaltet.
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In 4 sind die Achsen des Diagramms ebenfalls so gewählt, wie sie zuvor im Diagramm der 3 beschrieben wurden.
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Kurve A entspricht einem Lagerspiel von 30 µm mit dem Kraftstoff ISO 4113 bei 40°C.
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Kurve B entspricht einem Lagerspiel von 80 µm mit dem Kraftstoff ISO 4113 bei 40°C.
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Kurve C entspricht einem Lagerspiel von 80 µm mit schwedischem Dieselkraftstoff bei 40°C.
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Die Kurven D - F wurden jeweils bei 80°C gerechnet. Bei der Kurve D liegt ein Lagerspiel von 30 µm und ein Kraftstoff ISO 4113 zu Grunde.
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Bei der Kurve E liegt ein Lagerspiel von 80 µm und ein Kraftstoff ISO 4113 zu Grunde und
bei der Kurve F liegt einem Lagerspiel von 80 µm und schwedischer Dieselkraftstoff zugrunde.
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Wie aus dem Diagramm der 4 erkennbar ist, liegen die sechs Kurven wesentlich enger beieinander als im Diagramm der 3. Der maximale Volumenstrom bei 10,0 bar beträgt bei der Kurve 1 etwa 0,05 l/min und bei der Kurve F etwa 0,375 l/min. Die maximale Streuung ist somit etwa nur 1/3 so groß wie bei der Streuung im Diagramm der 3. Man erkennt des Weiteren, dass die Vergleichswerte bei der Kurve A mit einem Lagerspiel von nur 30 µm und 40°C der Volumenstrom in etwa gleich groß ist.
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Bei dem Lager der Kurve F mit dem Lagerspiel 80 µm und schwedischem Dieselöl bei 80°C wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen Drossel der Volumenstrom praktisch um den Faktor 3 reduziert. Das bedeutet, dass mit zunehmender Alterung oder Verschleiß der Kraftstoffpumpe 1 der Volumenstrom durch das Wellenlager wesentlich geringer ansteigt, als wenn die nachgeschaltete Drossel 4 nicht verwendet wird. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass auch bei stark vergrößertem Lagerspiel eine noch ausreichende Kraftstoffmenge zur Einspritzung in einen Verbrennungsmotor zur Verfügung steht und somit kein pumpenbedingter Leistungsverlust auftreten kann. Die Zuverlässigkeit der Kraftstoffpumpe 1 wird also durch die erfindungsgemäße Drossel 4 erheblich verbessert.
