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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1, ein Hochdruckeinspritzsystem gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 11 und einen Verbrennungsmotor gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 15.
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Stand der Technik
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In
Hochdruckeinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren, insbesondere
in Common-Rail-Einspritzsystemen von Diesel- oder Benzinmotoren, sorgt
eine Hochdruckpumpe dauernd für die Aufrechterhaltung des
Druckes in dem Hochdruckspeicher des Common-Rail-Einspritzsystems.
Die Hochdruckpumpe kann beispielsweise durch eine Nockenwelle des
Verbrennungsmotors mittels einer Antriebswelle angetrieben werden.
Für die Förderung des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe
werden Vorförderpumpen, z. B. eine Zahnrad- oder Drehschieberpumpe
verwendet, die der Hochdruckpumpe vorgeschaltet sind. Die Vorförderpumpe
fördert den Kraftstoff von einem Kraftstofftank durch eine
Kraftstoffleitung zu der Hochdruckpumpe.
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Die
Zahnrad- oder Drehschieberpumpe ist dagegen normalerweise an die
Hochdruckpumpe angeflanscht und wird von deren Antriebswelle mit
angetrieben. Die von der Hochdruckpumpe benötigte Kraftstoffmenge
hängt vom Kraftstoffbedarf des Verbrennungsmotors ab. Die
insbesondere als Umlaufverdrängermaschine ausgebildete
Vorförderpumpe fördert jedoch den Kraftstoff unabhängig
vom Kraftstoffbedarf und in Abhängigkeit von der Drehzahl
der Antriebswelle, die z. B. von der Nocken- oder Kurbelwelle des
Verbrennungsmotors angetrieben wird, so dass im Allgemeinen eine Zumesseinheit
erforderlich ist, welche die von der Vorderförderpumpe
geförderte Kraftstoffmenge drosselt und damit an den Bedarf des
Verbrennungsmotors anpasst. Ferner wird durch eine Kraftstoffrücklaufleitung
der nicht an der Hochdruckpumpe benötigte Kraftstoff wieder
in den Kraftstofftank zurück geleitet.
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Aus
der
DE 27 14 705 C3 ist
eine Zahnradpumpe mit zwei zwischen zwei Seitenwänden eingeschlossen,
miteinander kämmenden, nur in einer Richtung arbeitenden
Zahnrädern bekannt. Die Arbeitsflanken der treibenden und
getriebenen Zahnräder weisen eine Berührungslinie
auf, die beim Eingriff eine Dichtlinie bilden und ferner ist ein
Rückstrompfad vorhanden.
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Die
DE 26 08 980 A1 zeigt
eine Zahnradpumpe, deren Pumpengehäuse Lagerköpfe
für Wellen mit Zahnrädern, ferner Kammern, in
denen sich die Zahnräder drehen, Umsteuerkammern sowie eine
Druckkammer und eine Saugkammer aufweist, wobei mehrere mit Durchgängen
für die Wellen koaxial hintereinander angeordnete Pumpengehäuse unmittelbar
miteinander verbunden sind und dass die Wellen eine der Anzahl der
Pumpengehäuse entsprechende Anzahl von Zahnrädern
tragen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäße
Zahnradpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Fördern
eines Fluides, umfassend ein Gehäuse, zwei Zahnräder mit
Zähnen, wobei die Zähne der beiden Zahnräder ineinander
greifen, einen innerhalb des Gehäuses ausgebildeten Arbeitsraum,
in dem die zwei Zahnräder angeordnet sind, eine Einrichtung
zum Antreiben eines Zahnrades, z. B. eine Antriebswelle, eine Einlassöffnung
und eine Auslassöffnung für das Fluid, wobei die
Einlassöffnung und die Auslassöffnung in den Arbeitsraum
münden, wobei der Arbeitsraum von einem beweglichen Schieber
begrenzt ist, so dass bei unterschiedlichen Stellungen des Schiebers der
Abstand zwischen dem Zahnrad und dem Schieber veränderbar
ist, um die Förderleistung der Zahnradpumpe in Abhängigkeit
von der Stellung des Schiebers zu steuern. Der Schieber bzw. das
Gehäuse und die Zwischenräume zwischen den Zahnrädern
schließen kleine Teilarbeitsräume innerhalb des Arbeitsraumes
ein, durch welche aufgrund deren Bewegung das Fluid gefördert
wird. Der Abstand bzw. das Spiel zwischen dem Schieber und dem Zahnrad bzw.
den Zähnen des Zahnrades ist veränderbar, so dass
dadurch die Förderleistung der Zahnradpumpe steuerbar ist.
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Insbesondere
begrenzt der Schieber den Arbeitsraum im Bereich der Zähne
eines Zahnrades und/oder der Schieber ist im Bereich des Zahnrades im
Wesentlichen kreisförmig ausgebildet. Der Schieber ist
im Wesentlichen kreisförmig im Bereich des Zahnrades ausgebildet,
weil sich die Zähne der Zahnräder auf einer Kreisbahn
bewegen und die Zähne der Zahnräder an dem Schieber
aufliegen oder mit einem geringen Abstand sich gegenüber dem
Schieber bewegen. In dem Arbeitsraum werden kleine Teilarbeitsräume
eingeschlossen, die von dem Schieber und den seitlichen Flanken
von zwei Zähnen eines Zahnrades begrenzt sind. Diese Teilarbeitsräume
bewegen sich aufgrund der Rotationsbewegung des Zahnrades und können
dadurch das Fluid fördern.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist die Zahnradpumpe dahingehend ausgebildet,
dass bei einem größeren werdenden oder größeren
Abstand zwischen dem Zahnrad oder den Zähnen des Zahnrades und
dem Schieber aufgrund einer veränderten Stellung des Schiebers
die Förderleistung der Zahnradpumpe kleiner wird oder ist.
Bei einem größer werdenden Abstand zwischen dem
Zahnrad oder den Zähnen des Zahnrades und dem Schieber
vergrößert sich das Spiel bzw. der Freiraum zwischen
den Enden der Zähne des Zahnrades und dem Schieber, so dass
dadurch in das Fluid in den Teilarbeitsräumen nicht mehr
vollständig eingeschlossen ist und dadurch die Förderleistung
der Zahnradpumpe abnimmt, d. h. damit kleiner wird.
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In
einer Variante ist die Zahnradpumpe dahingehend ausgebildet ist,
dass bei einem kleiner werden kleinerem Abstand zwischen dem Zahnrad oder
den Zähnen des Zahnrades und dem Schieber aufgrund einer
veränderten Stellung des Schiebers die Förderleistung
der Zahnradpumpe größer wird oder ist.
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Vorzugsweise
ist der Schieber mittels des Gehäuses oder einer Komponente
des Gehäuses gelagert. Das Gehäuse kann auch mehrteilig
ausgebildet sein und eine spezielle Komponente oder ein Teil des
Gehäuses kann zur Lagerung des Schiebers vorgesehen sein.
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In
einer Variante ist der Schieber mittels eines Gleitlagers gelagert.
Ein Gleitlager ist besonders einfach und preiswert in der Herstellung
und außerdem im Betrieb sicher und zuverlässig.
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Zweckmäßig
ist die Zahnradpumpe mit wenigstens einem Anschlagteil für
den Schieber versehen, so dass mittels des wenigstens einen Anschlagteiles
der kleinste Abstand zwischen dem Schieber und dem Zahnrad begrenzt
ist. Das Anschlagteil verhindert, dass der Schieber zu nahe an das
Zahnrad gelangt und dadurch eine zu hohe Reibung zwischen den Enden
der Zähne des Zahnrades und dem Schieber auftritt, so dass
dadurch die Funktionsfähigkeit der Zahnradpumpe nicht mehr
gewährleistet ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform ist von dem Schieber, vorzugsweise
ausschließlich, eine Translationsbewegung ausführbar.
Insbesondere ist aufgrund einer Lagerung des Schiebers in einem Gleitlager
nur eine Translationsbewegung von dem Schieber ausführbar
Insbesondere ist der Schieber von einem Aktuator, z. B. ein Magnet
oder ein Piezoelement, bewegbar. Ferner kann der Schieber auch von
einem Elektromotor als Aktuator bewegbar sein. Der Elektromotor
treibt beispielsweise mit einem Spindelantrieb den Schieber an und
bewegt diesen damit.
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In
einer weiteren Ausgestaltung sind die Zähne der beiden
Zahnräder miteinander evolventenverzahnt und/oder die Zahnradpumpe
ist eine Außenzahnradpumpe und/oder die Einlass- und Auslassöffnung
sind in dem Gehäuse ausgebildet.
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In
einer Variante besteht die Zahnradpumpe, z. B. das Gehäuse
und/oder die Zahnräder und/oder die Antriebswelle und/oder
der Schieber und/oder der Stab, wenigstens teilweise aus Metall,
z. B. Stahl oder Aluminium, oder aus Kunststoff.
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Erfindungsgemäßes
Hochdruckeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere
für ein Kraftfahrzeug, insbesondere Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend
eine Hochdruckpumpe, eine Vorförderpumpe zum Fördern
eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank zu der Hochdruckpumpe, wobei
die Förderleistung der Vorförderpumpe unabhängig
von der Drehzahl des Verbrennungsmotors steuerbar ist und die Drehzahl
der Vorförderpumpe von der Drehzahl des Verbrennungsmotors
abhängt. Die Drehzahl der Vorförderpumpe ist direkt
proportional zur Drehzahl des Verbrennungsmotors. Vorzugsweise wird,
z. B. mittels eines Getriebes, die Vorförderpumpe von einer
Kurbel- oder Nockenwelle des Verbrennungsmotors angetrieben. Die
notwendige Antriebsleistung wird dabei im Allgemeinen mittels einer
Antriebswelle und einem vorzugsweise dazwischengeschalteten Getriebe
von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors auf die Vorförderpumpe übertragen.
In vorteilhafter Weise ist aufgrund der Steuerbarkeit der Förderleistung
der Vorförderpumpe keine Zumesseinheit oder Drossel notwendig,
um die Förderleistung der Vorförderpumpe an den
notwendigen Kraftstoffbedarf des Verbrennungsmotors anzupassen.
Dadurch kann mechanische Energie zum Antrieb der Vorförderpumpe
eingespart werden.
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In
einer ergänzenden Variante ist die Vorförderpumpe
eine Verdrängermaschine, insbesondere eine Umlaufverdrängermaschine.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Vorförderpumpe
des Hochdruckeinspritzsystems als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung
beschriebene Zahnradpumpe ausgebildet.
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In
einer weiteren Variante umfasst das Hochdruckeinspritzsystem ein
Hochdruck-Rail oder ein Kraftstoffverteilerrohr und mittels der
Hochdruckpumpe ist der Kraftstoff in das Hochdruck-Rail förderbar. Der
von der Hochdruckpumpe erzeugbare Druck in dem Hochdruck-Rail liegt
beispielsweise im Bereich von 1000 bis 3000 bar.
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Ein
erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor mit einem
Hochdruckeinspritzsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
umfasst ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Hochdruckeinspritzsystem
und/oder eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Zahnradpumpe.
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Ein
erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine in
dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Zahnradpumpe und/oder
ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Hochdruckeinspritzsystem
und/oder einen in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verbrennungsmotor.
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Die
Förderleistung der Zahnradpumpe ist die Menge oder das
Volumen an Fluid, das pro Zeiteinheit gefördert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 einen
Querschnitt einer Zahnradpumpe,
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2 eine
stark schematisierte Ansicht eines Hochdruckeinspritzsystems und
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3 eine
Ansicht eines Kraftfahrzeuges.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 ist
eine als Außenzahnradpumpe 2 ausgebildete Zahnradpumpe 1 abgebildet.
Die Zahnradpumpe 1 wird als Vorförderpumpe 3 für
ein Hochdruckeinspritzsystem 6 für ein Kraftfahrzeug 32 genutzt.
Die Zahnradpumpe 1 ist auch eine Verdrängermaschine 4,
insbesondere eine Umlaufverdrängermaschine 5.
Die Zahnradpumpe 1 fördert ein Fluid, d. h. eine
Flüssigkeit oder ein Gas. Insbesondere wird beim Einsatz
der Zahnradpumpe 1 in dem Hochdruckeinspritzsystem 6 Kraftstoff
als Flüssigkeit gefördert.
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Die
Zahnradpumpe 1 weist ein ein- oder mehrteiliges Gehäuse 9 mit
einer Einlassöffnung 16 und einer Auslassöffnung 17 auf.
Das Gehäuse 9 umschließt bzw. begrenzt
einen Arbeitsraum 13, in dem ein erstes Zahnrad 10 und
ein zweites Zahnrad 11 jeweils mit Zähnen 12 angeordnet
sind. Die beiden Zahnräder 10, 11 sind
um eine Achse 34 gelagert, so dass die beiden Zahnräder 10, 11 eine
Rotationsbewegung um die Achse 34 ausführen können.
Das erste Zahnrad 10 wird dabei von einer als Antriebswelle 15 ausgebildeten
Einrichtung 14 zum Antreiben des ersten Zahnrades 10 angetrieben.
Die Zähne 12 der beiden Zahnräder 10, 11 sind
miteinander evolventenverzahnt, so dass dadurch aufgrund der Rotationsbewegung
des ersten Zahnrades 11 auch das zweite Zahnrad 12 eine
Rotationsbewegung ausführt. Die Rotationsbewegung des zweiten
Zahnrades 11 verläuft dabei in entgegengesetzter
Richtung zu der Rotationsbewegung des ersten Zahnrades 10, wobei
die Drehrichtung der Rotationsbewegung in 1 jeweils
durch einen Pfeil veranschaulicht ist. Der Arbeitsraum 13 wird
im Bereich der Enden bzw. Zähne 12 des ersten
Zahnrades 10 von dem Gehäuse 9 begrenzt.
Zwischen dem Gehäuse 9 und je zwei Zähnen 12 des
ersten Zahnrades 10 bilden sich somit Teilarbeitsräume 35 aus.
Aufgrund der Rotationsbewegung des ersten Zahnrades 10 bewegen
sich die Teilarbeitsräume 35 von einem oberen
Bereich des Arbeitsraumes 13 mit der Einlassöffnung 16 zu einem
unteren Bereich des Arbeitsraumes 13 mit der Auslassöffnung 17.
Dadurch kann in den Teilarbeitsräumen 35 ein Fluid,
insbesondere Kraftstoff, gefördert bzw. bewegt werden und
dadurch die Förderleistung der Zahnradpumpe 1 erreicht
werden. Die Enden der Zähne 12 weisen dabei kein
oder nur ein geringes Spiel zu dem Gehäuse 9 auf.
In analoger Weise begrenzt ein Schieber 18 den Arbeitsraum
im Bereich der Enden der Zähne 12 des zweiten
Zahnrades 11. Damit kann in analoger Weise auch von dem zweiten
Zahnrad 11 das zu fördernde Fluid in den bewegbaren
Teilarbeitsräumen 35 von dem oberen Bereich des
Arbeitsraumes 13 mit der Einlassöffnung 16 zu
dem unteren Bereich des Arbeitsraumes 13 mit der Auslassöffnung 17 bewegt
werden und dadurch das Fluid gefördert werden. Der Schieber 18 und
das Gehäuse 9 sind dabei im Bereich der Enden
der Zähne 12 des ersten und zweiten Zahnrades 10, 11 kreisförmig
ausgebildet.
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Der
Schieber 18 kann in der Lage bzw. Stellung verändert
werden. Hierzu ist der Schieber 18 mittels eines Gleitlagers 20,
welches von einer Komponente 19 des Gehäuses 9 (nicht
dargestellt) oder dem Gehäuse 9 gebildet wird,
gelagert. Das Gleitlager 20 ist dabei dahingehend ausgebildet,
dass von dem Schieber 18 ausschließlich eine Translationsbewegung
ausgeführt werden kann. Ferner ist der Schieber 18 mit
einem Stab 31 mechanisch fest verbunden. Am Ende des Stabes 31 ist
außerhalb des Gehäuses 9 ein Aktuator 23 vorhanden.
Der Aktuator 23 kann beispielsweise als Magnet 24 oder
als eine Piezoelement 25 ausgebildet sein. Mittels des
Aktuators 23 kann der Schieber 18 bewegt werden.
Die Stellung des Schiebers 18 relativ zu dem zweiten Zahnrad 11 ist
mittels eines ersten Anschlagteiles 21 und eines zweiten
Anschlagteiles 22 begrenzt.
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Die
beiden Anschlagteile 21, 22 verhindern, dass der
Schieber 18 in unmittelbaren Kontakt zu den Zähnen 12 tritt
oder dass aufgrund eines Kontaktes zwischen den Zähnen 12 und
dem Schieber 18 eine zu hohe Reibung zwischen den Zähnen 12 und
dem Schieber 18 auftritt, so dass dadurch die Funktionsfähigkeit
der Zahnradpumpe 1 nicht mehr gewährleistet ist.
Wird der Schieber 18 von dem Aktuator 23 gemäß der
Darstellung in 1 nach rechts bewegt, d. h.
der Abstand zwischen dem zweiten Zahnrad 11 und dem Schieber 18 wird
vergrößert, vergrößert sich dadurch
auch das Spiel zwischen den Enden der Zähne 12 des
zweiten Zahnrades 11 und dem kreisförmigen Abschnitt
des Schiebers 18. Dadurch sind die Teilarbeitsräume 35 nur
in einem geringeren Umfang fluidmäßig abgedichtete
Einheiten, so dass dadurch die Förderleistung der Zahnradpumpe 1 abnimmt.
Die Förderleistung der Zahnradpumpe 1 kann damit
unabhängig von der Drehzahl der beiden Zahnräder 10, 11 gesteuert
werden. Umgekehrt erhöht sich bei einer Bewegung des Schiebers 18 in 1 nach
links, so dass der Abstand zwischen dem zweiten Zahnrad 11 und
dem Schieber 18 verkleinert wird, die Förderleistung
der Zahnradpumpe 1, weil die Teilarbeitsräume 35 zwischen
jeweils zwei Zähnen 12 des zweiten Zahnrades 11 und
dem Schieber 18 fluidmäßig aufgrund des
kleiner werdenden Spiels zwischen den Enden der Zähne 12 des
zweiten Zahnrades 11 und dem Schieber 18 besser
abgedichtet bzw. abgegrenzt sind.
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In
einem zweiten, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Zahnradpumpe 1 mit zwei Schiebern 18 versehen.
Zusätzlich zu dem im 1 bereits
abgebildeten Schieber 18 ist auch an dem ersten Zahnrad 10 in
analoger Weise ein weiterer Schieber 18 vorhanden. Dadurch
kann die Förderleistung der Zahnradpumpe 1 noch
stärker unabhängig von der Drehzahl der Zahnradpumpe 1 gesteuert
werden.
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In 2 ist
in stark schematisierter Darstellung das Hochdruckeinspritzsystem 6 abgebildet.
Es handelt sich dabei um ein Common-Rail-Einspritzsystem 7 mit
einem Hochdruck-Rail 26 oder einem Kraftstoffverteilerrohr 27.
Von dem Hochdruck-Rail 26 wird der Kraftstoff mittels Ventilen
in den Verbrennungsraum beispielsweise einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine
eingespritzt (nicht dargestellt). Die als Zahnradpumpe 1 ausgebildete
Vorförderpumpe 3 fördert Kraftstoff von
einem Kraftstofftank 28 durch eine Kraftstoffleitung 29 zu
einer Hochdruckpumpe 8. Die Hochdruckpumpe 8 ist
dabei vorzugsweise als Hubkolbenpumpe ausgebildet und wird dabei
von der Antriebswelle 15 angetrieben. Die Antriebswelle 15 ist
mit einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors 33 gekoppelt.
Das Hochdruck-Rail 26 dient – wie bereits beschrieben – dazu,
den Kraftstoff in den Verbrennungsraum des als Hubkolbenmaschine
ausgebildeten Verbrennungsmotors 33 einzuspritzen. Ferner
wird die Zahnradpumpe 1 ebenfalls in analoger Weise zu
der Hochdruckpumpe 8 auch von der Antriebswelle 15 angetrieben.
Der von der Zahnradpumpe 1 geförderte Kraftstoff
wird durch eine Kraftstoffleitung 29 zu der Hochdruckpumpe 8 geleitet.
Der von der Hochdruckpumpe 8 nicht benötigte Kraftstoff
wird dabei durch eine Kraftstoffrücklaufleitung 30 wieder
in den Kraftstofftank 28 zurückgeleitet. Die Zahnradpumpe 1 in
dem Hochdruckeinspritzsystem 6 ist dabei gemäß dem
oberen Ausführungsbeispiel ausgebildet, so dass die Förderleistung
der Zahnradpumpe 1 unabhängig von der Drehzahl
der Antriebswelle 15 gesteuert werden kann. Die Zahnradpumpe 1 wird
dabei von einer nicht dargestellten Steuerungseinheit dahingehend
gesteuert, dass die Zahnradpumpe 1 zu der Hochdruckpumpe 8 nur
diejenige Kraftstoffmenge fördert, welcher von dem Verbrennungsmotor 33 benötigt
wird, oder nur diejenige Kraftstoffmenge fördert, welcher
geringfügig größer ist als diejenige
Kraftstoffmenge, welche von dem Verbrennungsmotor 33 benötigt
und damit von der Hochdruckpumpe 8 in das Hochdruck-Rail 26 gefördert
wird. Aufgrund dieser Steuerung der Zahnradpumpe 1 in Abhängigkeit
von der tatsächlichen erforderlichen Menge an Kraftstoff
pro Zeiteinheit, kann in vorteilhafter Weise mechanische Energie
zum Antrieb der Zahnradpumpe 1 eingespart werden. Darüber
hinaus kann auf eine Zumesseinheit bzw. Drossel in der Kraftstoffleitung 29 von
der Zahnradpumpe 1 zu der Hochdruckpumpe 8 verzichtet
werden.
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Die
Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele können
miteinander kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt
wird.
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Insgesamt
betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe 1 und
dem erfindungsgemäßen Hochdruckeinspritzsystem 6 erhebliche
Vorteile verbunden. Aufgrund der Steuerbarkeit der Förderleistung
der Zahnradpumpe 1 unabhängig von der Drehzahl
der Zahnradpumpe 1 kann mechanische Energie für
den Antrieb der Zahnradpumpe 1 eingespart und auf eine
Zumesseinheit in der Kraftstoffleitung 29 verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2714705
C3 [0004]
- - DE 2608980 A1 [0005]