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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für ein
Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse,
in welchem eine Antriebswelle durch mindestens ein Lager gelagert
ist, das zur Schmierung und/oder Kühlung zwangsweise von
Kraftstoff durchströmt wird, und mit einer zwischen der
Antriebswelle und dem Pumpengehäuse angeordneten Dichtung,
die ein unerwünschtes Austreten von Kraftstoff in die Umgebung
der Kraftstoffhochdruckpumpe verhindert.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 027 851 A1 ist
eine Kraftstoffhochdruckpumpe bekannt, bei der die Lager einer Antriebswelle zwangsweise
von Kraftstoff durchströmt werden. Die Kraftstoffhochdruckpumpe
kann über eine mechanische Vorförderpumpe mit
Kraftstoff aus einem Kraftstofftank versorgt werden. Wenn die Vorförderpumpe mit
der gleichen oder einer geringeren Drehzahl wie beziehungsweise
als die Hochdruckpumpe durch eine Brennkraftmaschine angetrieben
wird, dann steht vor allem beim Starten der Brennkraftmaschine nur
eine sehr geringe Drehzahl zum Antrieb der Vorförderpumpe
zur Verfügung.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, insbesondere beim Starten oder Anlaufen der
Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer relativ geringen Drehzahl, einen
unerwünschten Abfluss von Kraftstoff durch das Lager in
einen Rücklauf zu verhindern.
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Die
Aufgabe ist bei einer Kraftstoffhochdruckpumpe für ein
Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine, mit einem Pumpengehäuse,
in welchem eine Antriebswelle durch mindestens ein Lager gelagert
ist, das zur Schmierung und/oder Kühlung zwangsweise von
Kraftstoff durchströmt wird, und mit einer zwischen der
Antriebswelle und dem Pumpengehäuse angeordneten Dichtung,
die ein unenwünschtes Austreten von Kraftstoff in die Umgebung
der Kraftstoffhochdruckpumpe verhindert, dadurch gelöst,
dass zwischen dem Lager und der Dichtung ein hydraulischer Widerstand
angeordnet ist, durch den der Druck vor der Dichtung abgesenkt wird.
Durch den hydraulischen Widerstand kann sichergestellt werden, dass
beim Starten der Kraftstoffhochdruckpumpe ein ausreichender Fülldruck
zur Versorgung der Hochdruckelemente aufgebaut werden, indem die
zwangsweise durch das beziehungsweise die Lager strömende
Kraftstoffmenge reduziert wird. Die reduzierte Kraftstoffmenge reicht bei
geringen Antriebsdrehzahlen, wie sie beim Starten der Kraftstoffhochdruckpumpe
beziehungsweise Brennkraftmaschine auftreten, aus, um das Lager beim
Anlaufen der Pumpe zu schmieren beziehungsweise zu kühlen.
Nach dem Anlaufen der Kraftstoffhochdruckpumpe erhöht sich
die zwangsweise durch das Lager beziehungsweise die Lager strömende Kraftstoffmenge
mit der Antriebsdrehzahl, so dass das beziehungsweise die Lager
bei hohen Drehzahlen ausreichend geschmiert beziehungsweise gekühlt
werden. Dadurch kann eine Überdimensionierung der Lager
verhindert werden. Darüber hinaus kann bei der Verwendung
einer mechanischen Vorförderpumpe auch bei geringen Startdrehzahlen
eine ausreichende Startfähigkeit der Kraftstoffhochdruckpumpe
sichergestellt werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem hydraulischen Widerstand und
der Dichtung eine Verzweigung vorgesehen ist, die mit einem Rücklauf
in Verbindung steht. Der Rücklauf ist mit einem deutlich
geringeren Druck, der auch als Niederdruck bezeichnet wird, als
der Hochdruck beaufschlagt, mit welchem der Kraftstoff in der Kraftstoffhochdruckpumpe
beaufschlagt wird. Über den Rücklauf gelangt der
zwangsweise durch das Lager strömende Kraftstoff zum Beispiel
wieder zurück in einen Tank.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung als Wellendichtring ausgeführt
ist. Bei dem Wellendichtring kann es sich um ein herkömmliches
Bauteil handeln, wie es bei Kraftstoffhochdruckpumpen verwendet
wird, um eine Schnittstelle zwischen einem feststehenden Pumpengehäuse
und einer sich relativ dazu drehenden Antriebswelle zur Umgebung
abzudichten.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Widerstand einen
zusätzlichen Wellendichtring umfasst, welcher der Dichtung
vorgeschaltet ist. Die Dichtung, die vorzugsweise als Wellendichtring
ausgeführt ist, dichtet den Kraftstoff enthaltenden Innenraum
oder Triebwerksraum der Kraftstoffhochdruckpumpe vollständig
zur Umgebung hin ab. Der zusätzliche Wellendichtring ist
vorzugsweise so angeordnet und/oder ausgeführt, dass er
einen begrenzten Durchfluss von Kraftstoff ermöglicht.
Durch die Durchflussbegrenzung kann der Druck vor der vorzugsweise
als Wellendichtring ausgeführten Dichtung auf einfache
Art und Weise abgesenkt werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Drossel parallel zu dem zusätzlichen
Wellendichtring geschaltet ist. Durch die Drossel kann auf einfache
Art und Weise sichergestellt werden, dass auch bei einem minimalen
Lagerspiel eine ausreichende Kraftstoffmenge zwangsweise durch das
Lager strömt, und zwar auch dann, wenn der zusätzliche
Wellendichtring die Schnittstelle zwischen dem Pumpengehäuse
und der Antriebswelle vollständig abdichtet. Mit zunehmender
Drehzahl und zunehmendem Druck öffnet der zusätzliche Wellendichtring,
um eine ausreichende Durchströmung des Lagers mit Kraftstoff
sicherzustellen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wellendichtring zwischen
dem Lager und der Dichtung angeordnet ist. Durch den zusätzlichen
Wellendichtring kann die Verbindung zwischen dem Lager und der Dichtung ganz
oder teilweise, insbesondere druckabhängig beziehungsweise
drehzahlabhängig, unterbrochen beziehungsweise freigegeben
werden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle im Bereich des zusätzlichen
Wellendichtrings eine förderaktive Wellenstruktur aufweist,
die den hydraulischen Widerstand darstellt. Das liefert den Vorteil,
dass der zusätzliche Wellendichtring wie ein herkömmlicher
Wellendichtring ausgeführt sein kann. Über die
förderaktive Wellenstruktur wird auf einfache Art und Weise eine
gedrosselte Verbindung zwischen dem Lager und der Dichtung beziehungsweise
dem Rücklauf ermöglicht.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass die förderaktive Wellenstruktur die
Bereiche vor und hinter dem zusätzlichen Wellendichtring
miteinander verbindet. Die axiale Ausdehnung der förderaktiven
Wellenstruktur ist etwas größer als die axiale
Ausdehnung des daran anliegenden Abschnitts des Wellendichtrings.
Der Begriff axial bezieht sich auf die Drehachse der Antriebswelle. Axial
bedeutet in Richtung oder parallel zu der Drehachse der Antriebswelle.
Die förderaktive Wellenstruktur kann zum Beispiel eine
schräg verlaufende Riefe oder Rille an der Antriebswelle
umfassen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wellendichtring mindestens
ein Durchgangsloch aufweist, das eine Drossel darstellt. Dadurch
kann auf einfache Art und Weise sichergestellt werden, dass auch
bei geringen Antriebsdrehzahlen beziehungsweise Drücken
eine gewisse Mindestkraftstoffmenge zwangsweise durch das Lager
strömt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Kraftstoffhochdruckpumpe
ist dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wellendichtring entgegen
seiner normalen Einbaurichtung verkehrt herum so eingebaut ist,
dass der zusätzliche Wellendichtring druckabhängig
eine Verbindung zwischen dem Lager und dem Raum vor der Dichtung
freigibt. Der zusätzliche Wellendichtring umfasst vorzugsweise
eine Dichtlippe, die von der Antriebswelle abhebt, wenn zwangsweise
Kraftstoff durch das Lager strömt. Gleichzeitig wird durch
den zusätzlichen Wellendichtring die Durchströmung
mit Kraftstoff so gedrosselt, dass der Druck vor der Dichtung deutlich abgesenkt
werden kann. Durch den zusätzlichen Wellendichtring kann
die zwangsweise durch das Lager strömende Kraftstoffmenge
beim Starten der Brennkraftmaschine beziehungsweise beim Anlaufen
der Kraftstoffhochdruckpumpe, wenn die Druckdifferenz über
dem Lager noch gering ist, auf einfache Art und Weise begrenzt werden.
Wenn der Druck vor dem Lager mit zunehmender Antriebsdrehzahl ansteigt,
dann öffnet der zusätzliche Wellendicht ring zunehmend,
so dass sichergestellt ist, dass auch bei hohen Drehzahlen eine
ausreichende Kraftstoffmenge zwangsweise durch das Lager strömt.
Darüber hinaus liefert die Verwendung des zusätzlichen
Wellendichtrings den Vorteil, dass dieser sich nicht mit Partikeln
zusetzen kann, wodurch die Versorgung des Lagers mit Kraftstoff
gefährdet werden könnte.
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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 eine
vereinfachte Darstellung eines Teils eines Kraftstoffeinspritzsystems
mit einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe
in Form eines Hydraulikschaltplans;
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2 die
Ansicht eines Schnitts durch eine Antriebswelle der Kraftstoffhochdruckpumpe
mit zwei Wellendichtringen und einer förderaktiven Wellenstruktur;
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3 einen ähnlichen
Ausschnitt wie in 2 mit zwei Wellendichtringen,
von denen einer ein Durchgangsloch aufweist;
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4 den
Wellendichtring aus 3 mit dem Durchgangsloch allein
im Querschnitt;
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5 einen
Ausschnitt des Wellendichtrings aus 4 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel mit mehreren Durchgangslöchern
und
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6 einen
Ausschnitt einer Kraftstoffhochdruckpumpe im Längsschnitt
durch eine Antriebswelle mit zwei Wellendichtringen, von denen einer
verkehrt herum eingebaut ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Kraftstoffhochdruckpumpe 1 mit einem Triebwerksraum 2 stark
vereinfacht dargestellt. In dem Triebwerksraum 2 ist ein
Nocken durch eine (nicht dargestellte) Antriebswelle angetrieben. Der
Nocken wirkt in bekannter Art und Weise unter Zwischenschaltung
einer Rolle so mit einem Hochdruckkolben zusammen, dass Kraftstoff
in einen Hochdruckraum angesaugt und dort mit Hochdruck beaufschlagt
wird.
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Der
Kraftstoff wird zum Beispiel über eine Vorförderpumpe
durch einen Zulauf 11 zu der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 gefördert,
wie durch einen Pfeil 12 angedeutet ist. Der durch den
Zulauf 11 zugeführte Kraftstoff gelangt über
ein Saugventil, das auch als Einlassventil bezeichnet wird, in den
Hochdruckraum.
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Die
durch den Zulauf 11 zugeführte Kraftstoffmenge
kann mit Hilfe einer Zumesseinrichtung 16 dosiert werden.
In dem Zulauf 11 kann stromaufwärts der Zumesseinrichtung 16 ein Überströmventil 18 angeordnet
sein, das dazu dient, den Druck in dem Zulauf 11 vor der
Zumesseinrichtung 16 unabhängig von der Menge,
die über die Vorförderpumpe bereitgestellt wird,
konstant zu halten. Überschüssiger Kraftstoff
kann über einen Rücklauf 20 abgeführt werden,
wie durch einen weiteren Pfeil 21 angedeutet ist.
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Der
in dem Hochdruckraum mit Hochdruck beaufschlagte Kraftstoff gelangt über
ein Druckventil, das auch als Auslassventil bezeichnet wird, und
eine Hochdruckleitung 23 zu einem (nicht dargestellten) Kraftstoffinjektor,
wie durch einen weiteren Pfeil 24 angedeutet ist.
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Der
Triebwerksraum 2 ist in einem Pumpengehäuse angeordnet,
das zum Beispiel einen Gehäusetopf umfasst, der durch einen
Gehäusedeckel oder Flansch verschlossen ist. Mit dem Gehäusedeckel oder
Flansch kann das Pumpengehäuse der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 an
eine Brennkraftmaschine angebaut werden. Eine in 1 nicht
dargestellte Antriebswelle der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 erstreckt
sich durch den Pumpengehäusedeckel beziehungsweise Flansch
hindurch.
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Die
Antriebswelle ist in dem Pumpengehäuse der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 mit
Hilfe von zwei Lagern 35, 36 drehbar gelagert,
die vorzugsweise als Gleitlager ausgeführt sind und zur
Kühlung beziehungsweise Schmierung zwangsweise mit Kraftstoff durchströmt
werden.
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Die
Anordnung und Funktion der beiden Lager sind zum Beispiel in der
deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2005 027 851 A1 beschrieben. Das Lager
35 ist
vorzugsweise innerhalb des Gehäusetopfs des Pumpengehäuses
angeordnet und wird daher auch als Gehäuselager
35 bezeichnet.
Das Lager
36 ist vorzugsweise in dem Flansch oder Pumpendeckel des
Pumpengehäuses angeordnet und wird daher auch als Flanschlager
36 bezeichnet.
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Der
zwangsweise durch das Gehäuselager 35 strömende
Kraftstoff wird über einen Schmierkanal 38 dem
Rücklauf 20 zugeführt. In dem Schmierkanal 38 ist
eine Drossel 39 vorgesehen, durch welche die zwangsweise
durch das Gehäuselager 35 strömende Kraftstoffmenge
begrenzt werden kann. Die Drossel 39 ist innerhalb des
Pumpengehäuses angeordnet und kann auf einfache Art und
Weise als Bohrung ausgeführt sein.
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Die
Schnittstelle zwischen dem Flansch des Pumpengehäuses und
der Antriebswelle ist zur Umgebung hin durch eine Dichtung 46 abgedichtet,
die vorzugsweise als Wellendichtring 48 ausgeführt
ist. Der Wellendichtring 48 ist an einem Ende eines Schmierkanals 49 angeordnet,
der sich von dem Triebwerksraum 2 über eine Verzweigung 50 bis
zu dem Wellendichtring 48 erstreckt. Über die
Verzweigung 50 ist der Schmierkanal 49 an den
Rücklauf 20 angeschlossen.
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Zwischen
dem Flanschlager 36 und der Verzweigung 50 beziehungsweise
dem Wellendichtring 48 ist ein hydraulischer Widerstand 54 in
dem Schmierkanal 49 angeordnet. Der hydraulische Widerstand 54 umfasst
einen zusätzlichen Wellendichtring 55, durch den
die zwangsweise durch das Flanschlager 36 strömende
Kraftstoffmenge ganz oder teilweise begrenzt wird.
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Aufgrund
des anstehenden Drucks unterliegt der zusätzliche Wellendichtring 55 einem
relativ hohen Verschleiß und wird daher auch als Opferwellendichtring
bezeichnet. Der hydraulische Widerstand 54 umfasst alternativ
oder zusätzlich eine Drossel 56, die im dargestellten
Beispiel parallel zu dem zusätzlichen Wellen dichtring 55 geschaltet
ist. Mit Hilfe der Drossel 56 wird ein minimaler Kraftstoffdurchsatz durch
das Flanschlager 36 auch dann sichergestellt, wenn der
zusätzliche Wellendichtring 55 noch geschlossen
ist.
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In 2 ist
ein Abschnitt einer einen Nocken 60 aufweisenden Antriebswelle 61 im
Längsschnitt dargestellt. Die Antriebswelle 61 ist
mit Hilfe eines Flanschlagers 62 in einem Flansch eines
Pumpengehäuses drehbar gelagert. Eine Schnittstelle zwischen der
Antriebswelle 61 und dem Pumpengehäuseflansch
ist zur Umgebung hin durch einen Wellendichtring 64 abgedichtet.
Ein zusätzlicher Wellendichtring 65 ist zwischen
dem Flanschlager 62 und dem zur Umgebung hin abdichtenden
Wellendichtring 64 angeordnet. An dem zusätzlichen
Wellendichtring 65 liegt je nach Antriebsdrehzahl der Antriebswelle 61 auf
der dem Flanschlager 62 zugewandten Seite ein hoher Kraftstoffdruck
an.
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Die
Antriebswelle 61 weist im Bereich des zusätzlichen
Wellendichtrings 65 eine förderaktive Wellenstruktur 66 auf,
die den Durchtritt von Kraftstoff zwischen der Antriebswelle 61 und
dem zusätzlichen Wellendichtring 65 ermöglicht.
Der zwischen der Antriebswelle 61 und dem zusätzlichen
Wellendichtring 65 durchströmende Kraftstoff ermöglicht
bei geringen Antriebsdrehzahlen, insbesondere beim Anlaufen der
Pumpe beziehungsweise beim Starten der Brennkraftmaschine, den Durchtritt
einer minimal erforderlichen Kraftstoffmenge durch das Flanschlager 62.
Bei hohen Antriebsdrehzahlen ermöglicht die förderaktive
Wellenstruktur 66 den Durchtritt von Kraftstoff zum Schmieren
und Kühlen des zusätzlichen Wellendichtrings 65.
Dadurch kann der Verschleiß an dem zusätzlichen
Wellendichtring 65, insbesondere bei hohen Drücken,
deutlich reduziert werden.
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In 3 ist
eine ähnliche Ansicht wie in 2 mit einer
einen Nocken 70 aufweisenden Antriebswelle 71 und
einem Flanschlager 72 dargestellt. Die Abdichtung zur Umgebung
hin erfolgt durch einen herkömmlichen Wellendichtring 74.
Zwischen dem Flanschlager 72 und dem Wellendichtring 74 ist ein
zusätzlicher Wellendichtring 75 angeordnet, der in
der gleichen Richtung wie der Wellendichtring 74 eingebaut
ist. Um einen minimal erforderlichen Durchsatz von Kraftstoff zu
ermöglichen, weist der zusätzliche Wellendichtring 75 ein
Durchgangsloch 76 auf, das eine Drossel 78 darstellt.
Der zusätzliche Wellendichtring 75 dient dazu,
den Druck zwischen dem Wellendichtring 74 und dem zusätzlichen
Wellendichtring 75 abzusenken. Dadurch kann der Verschleiß an
dem Wellendichtring 74 deutlich reduziert werden. Dabei
wird in Kauf genommen, dass der zusätzliche Wellendichtring 75 aufgrund
des hohen Drucks einem relativ hohen Verschleiß unterliegt. Durch
einen Pfeil 79 ist der Rücklauf angedeutet.
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In 4 ist
der zusätzliche Wellendichtring 75 mit dem Durchgangsloch 76 allein
im Querschnitt dargestellt. Das Durchgangsloch 76 ist vorzugsweise als
Bohrung mit einem Durchmesser ausgeführt, der kleiner als
0,8 Millimeter ist.
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In 5 ist
dargestellt, dass der zusätzliche Wellendichtring 75 auch
mehrere Durchgangslöcher 81, 82, 83 aufweisen
kann, die zum Beispiel als Laserbohrungen ausgeführt sind.
Die Durchgangslöcher 81 bis 83 stellen
gemeinsam eine Drossel 85 dar. Das Durchgangsloch 78 beziehungsweise
die Durchgangslöcher 81 bis 83 ermöglichen
es, die im Betrieb des Flanschlagers erzeugte Wärme durch eine
entsprechende Kraftstoffdurchströmung abzuführen.
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In 6 ist
ein axialer Abschnitt einer Antriebswelle 91 dargestellt,
die mit Hilfe eines Flanschlagers 92 drehbar in einem Flansch 93 eines Pumpengehäuses
einer Kraftstoffhochdruckpumpe gelagert ist. Eine Schnittstelle
zwischen der Antriebswelle 91 und dem Flansch 93 zur
Umgebung ist durch einen Wellendichtring 94 vollständig
abgedichtet. In axialer Richtung zwischen dem Flanschlager 92 und
dem Wellendichtring 94 ist ein zusätzlicher Wellendichtring 95 angeordnet.
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Der
zusätzliche Wellendichtring 95 ist nicht in seiner
normalen Einbaurichtung eingebaut wie der Wellendichtring 94,
sondern verkehrt herum eingebaut. Durch die falsche Einbaulage beziehungsweise Einbaurichtung
des zusätzlichen Wellendichtrings 95 wird die
durch das Flanschlager 92 strömende Kraftstoffmenge
reduziert. Sobald der Druck vor dem zusätzlichen Wellendichtring 95 ansteigt, öffnet
dieser, indem eine Dichtlippe des zusätzlichen Wellendichtring 95 von
der Antriebswelle 91 abhebt.
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Durch
einen Pfeil 101 ist der zwangsweise durch das Flanschlager 92 strömende
Kraftstoff angedeutet. Durch weitere Pfeile 102 und 103 ist
angedeutet, dass, in Abhängigkeit vom Druck, eine gewisse
Kraftstoffmenge an der Schnittstelle zwischen der Antriebswelle 91 und
dem zusätzlichen Wellendichtring 95 hindurch strömt.
Durch weitere Pfeile 104, 105 und 106 ist
angedeutet, dass eine reduzier te Kraftstoffmenge über einen
entsprechenden Schmierkanal durch den Pumpenflansch 93 in
den Rücklauf der Kraftstoffpumpe gelangt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005027851
A1 [0002, 0028]