Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe, insbesondere für
Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit
einem Gehäuse, mit einer Antriebswelle mit mindestens einem
Lagerabschnitt und mit mindestens einem Antriebsabschnitt, mit
einer ersten Ausnehmung in dem Gehäuse, in welcher der
Lagerabschnitt und der Antriebsabschnitt der Antriebswelle
aufgenommen sind, mit mindestens einem Förderelement, welches
in einer zweiten Ausnehmung im Gehäuse angeordnet ist, von dem
mindestens einen Antriebsabschnitt der Antriebswelle
wenigstens mittelbar in Bewegung versetzt wird, und zur
Förderung des Kraftstoffs dient.
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Dabei wird eine derartige Kraftstoffpumpe ist aus der DE 196 27 757 A1
bekannt. Bei ihr handelt es sich um eine
Radialkolbenpumpe, deren Förderkolben von einer Exzenterwelle
angetrieben wird. Die Exzenterwelle ist einseitig durch zwei
Kugellager gelagert, welche durch ein Schmiermittel geschmiert
werden. Zwischen dem Exzenterabschnitt der Antriebswelle und
den Kugellagern ist ein Trennraum vorhanden, durch den
verhindert werden soll, dass Kraftstoff zu den Kugellagern
gelangt und dort den Schmierstoff verdünnt. Dies würde zu
einer Verringerung der Lebensdauer der Kraftstoffpumpe führen.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine
Kraftstoffpumpe der eingangs genannten Art so weiter zu
bilden, dass die Antriebswelle günstiger gelagert werden kann
und die Kraftstoffpumpe dennoch eine hohe Lebensdauer
aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoffpumpe der eingangs
erwähnten Art dadurch gelöst, dass mindestens in einem
Hohlraum zwischen der ersten Ausnehmung und den Abschnitten
der Antriebswelle ein von dem zu fördernden Kraftstoff
unterschiedliches Schmiermittel vorhanden ist, und dass sie
eine Einrichtung aufweist, welche den Druck des Schmiermittels
in dem Hohlraum auf einem bestimmten Niveau hält.
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Vorteile der Erfindung
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe wird auf einen
Trennraum, welcher das Schmiermittel vom Antriebsabschnitt der
Antriebswelle fernhält, verzichtet. Stattdessen ist in der
gesamten ersten Ausnehmung, in welcher der Lagerabschnitt und
der Antriebsabschnitt der Antriebswelle aufgenommen ist,
Schmiermittel vorhanden. Dies vereinfacht die Konstruktion der
Kraftstoffpumpe und ermöglicht beispielswiese die Anordnung
des Exzenterabschnitts zwischen zwei Lagerabschnitten, was für
den Momentenverlauf der Antriebswelle günstig ist. Um dennoch
sicherstellen zu können, dass das Schmiermittel nicht oder
nicht wesentlich durch den zu fördernden Kraftstoff
verschmutzt wird (im Betrieb kann Kraftstoff zwischen dem
Förderelement und der zweiten Ausnehmung hindurchtreten und in
die erste Ausnehmung gelangen), wird das Schmiermittel,
welches sich in der ersten Ausnehmung befindet, von einer
Einrichtung unter Druck gesetzt. Hierdurch wird der Eintritt
von Kraftstoff in die erste Ausnehmung verringert und die
Vermischung des Schmiermittels mit dem zu fördernden
Kraftstoff reduziert. Die Schmierung des Lagerabschnitts der
Antriebswelle ist daher während eines langen Zeitraums
gewährleistet, was der Lebensdauer der erfindungsgemäßen
Kraftstoffpumpe zugute kommt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
Unteransprüchen angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die
Einrichtung welche den Druck des Schmiermittels im Hohlraum im
Wesentlichen auf einem bestimmten Niveau hält, ein
kolbenartiges Teil umfasst, welches in einer dritten
Ausnehmung, die mit Hohlraum fluidig verbunden ist, im Gehäuse
gleitend geführt ist und welches von einem Vorspannelement
beaufschlagt wird. Bei dem Vorspannelement kann es sich
beispielsweise um eine einfache Schrauben-Druckfeder handeln.
Eine derartige Druckbeaufschlagungseinrichtung ist sehr
einfach zu realisieren. Darüber hinaus wird durch eine solche
Einrichtung eine Volumenänderung des Schmiermittels, welche
durch eine Wärmeausdehnung des Schmiermittels und/oder des
Gehäuses der Kraftstoffpumpe bewirkt wird, kompensiert. Auch
ein Verlust von Schmiermittel, beispielsweise durch
Undichtigkeiten, kann durch eine solchermaßen gestaltete
Einrichtung ausgeglichen werden.
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Dabei wird vorgeschlagen, dass die Vorspannkraft des
Vorspannelements so gewählt ist, dass der Druck des
Schmierstoffes in der zweiten Ausnehmung in etwa einem
durchschnittlichen Druck des zu fördernden Kraftstoffs in
einem Bereich zwischen dem Förderelement und der zweiten
Ausnehmung entspricht. Bei dieser Weiterbildung wird also
gewährleistet, dass dieser Gegendruck, den der Schmierstoff
dem zu fördernden Kraftstoff im Bereich zwischen dem
Förderelement und der zweiten Ausnehmung entgegensetzt, in
etwa dem Druck des zu fördernden Kraftstoffs in diesem Bereich
selbst entspricht. Hierdurch wird das Eindringen von
Kraftstoff in die erste Ausnehmung wirkungsvoll verhindert
bzw. verringert.
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Vorteilhaft ist auch, wenn die Vorspannkraft des
Vorspannelements über den Bewegungsweg des Vorspannelements im
Wesentlichen konstant ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass
bei einer Volumenänderung des Schmierstoffes im Hohlraum oder
des Hohlraums selbst, beispielsweise aufgrund von
Wärmedehnung, sich die Kraft, welche das kolbenartige Teil auf
den Schmierstoff ausübt, möglichst wenig ändert. Somit ist
auch dann, wenn beispielsweise aufgrund von Leckagen die Menge
des in der ersten Ausnehmung vorhanden Schmierstoffes
abgenommen hat, gewährleistet, dass ein zur Verringerung des
Fluidaustausches ausreichend starker Gegendruck erzeugt wird.
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Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Kraftstoffpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass das Gehäuse
ein erstes Gehäuseteil umfasst, welches in einer
Aufnahmeöffnung in einem zweiten Gehäuseteil aufgenommen ist
und in welches die erste, die zweite und die dritte Ausnehmung
eingebracht sind. Hierdurch wird das Einarbeiten der
Ausnehmungen in das Gehäuse der Kraftstoffpumpe erheblich
vereinfacht, was wiederum die Herstellkosten senkt.
Insbesondere das Einbringen der dritten Ausnehmung, welche zur
Aufnahme des kolbenartigen Teils dient und Teil jener
Einrichtung ist, welche den Druck des Schmiermittels in dem
Hohlraum zwischen erster Ausnehmung und Antriebswelle konstant
hält, wird durch diese Weiterbildung sehr preiswert möglich
gemacht.
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In die gleiche Richtung zielt jene Weiterbildung, bei der in
mindestens einer der einander zugewandten Flächen der beiden
Gehäuseteile ein Ringkanal für die Zuführung des zu fördernden
Kraftstoffs und/oder ein Ringkanal für die Ableitung von
zwischen dem Förderelement und der zweiten Ausnehmung
hindurchtretendem Kraftstoff vorhanden sind/ist.
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Besonders reibungsarm arbeitet die erfindungsgemäße
Kraftstoffpumpe dann, wenn eine Lagereinrichtung, mit welcher
der mindestens eine Lagerabschnitt der Antriebswelle in der
ersten Ausnehmung in dem Gehäuse gelagert ist, mindestens ein
Kugellager umfasst, welches von dem Schmiermittel geschmiert
wird. Ein durch Schmiermittel bzw. Schmieröl anstelle von
Kraftstoff geschmiertes Kugellager kostet vergleichsweise
wenig, was die Herstellkosten insgesamt der Kraftstoffpumpe
nochmals verringert. Grundsätzlich denkbar sind aber auch
besonders kostengünstige Gleitlager zur Lagerung der
Antriebswelle im Gehäuse. In diesem Fall muss aber mit einer
etwas höheren Drehmomentaufnahme der Kraftstoffpumpe gerechnet
werden.
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Vorgeschlagen wird ferner, dass die Kraftstoffpumpe mindestens
einen Radialdichtring umfasst, welcher einen Spalt zwischen
der ersten Ausnehmung und der Antriebswelle nach außen hin
abdichtet. Auch ein solcher Radialdichtring ist
vergleichsweise kostengünstig und gewährleistet eine gute
Abdichtung des zwischen der Antriebswelle und der ersten
Ausnehmung gebildeten Hohlraums nach außen.
Zeichnungen
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe unter Bezugnahme auf die
beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
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Fig. 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine
Kraftstoffpumpe;
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Fig. 2 eine teilweise aufgebrochene Draufsicht auf
eine Stirnseite der Kraftsoffpumpe von Fig. 1;
und
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Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III von Fig.
1.
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In den Fig. 1 bis 3 trägt eine Kraftstoffpumpe insgesamt das
Bezugszeichen 10. Sie umfasst ein Gehäuse 12, eine
Antriebswelle 14, und einen Förderkolben 16 (Fig. 1 und 3).
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Das Gehäuse 12 besteht wiederum aus zwei Gehäuseteilen 18 und
20. Beide Gehäuseteile 18 und 20 weisen eine insgesamt
kreiszylindrische Außenkontur auf und sind zueinander koaxial
angeordnet. Das innere Gehäuseteil ist dabei in einer
Aufnahmeöffnung 22 im äußeren Gehäuseteil 18 aufgenommen.
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Im inneren Gehäuseteil 20 ist eine zentrische, durchgehende
und stufenförmige Ausnehmung 24 vorhanden. In dieser ist die
Antriebswelle 14 über zwei Kugellager 25 und 26 in axialer und
radialer Richtung gehalten. Zwischen Antriebswelle 14 und
Ausnehmung 24 ist ein Hohlraum 27 vorhanden. Die Antriebswelle
14 weist einen in Fig. 1 linken Lagerabschnitt 28 und einen in
Fig. 1 rechten Lagerabschnitt 30 auf. Zwischen den beiden
Lagerabschnitten 28 und 30 ist die Antriebswelle 14 mit einem
Exzenterabschnitt 32 versehen. Auf diesen ist wiederum ein
Hubring 34 aufgeschoben.
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Bei der Kraftstoffpumpe 10 handelt es sich um einen
Radialkolbenpumpe mit drei Zylindern 36a, 36b und 36c (vgl.
Fig. 3). Der Förderkolben 16 eines jeden Zylinders 36 ist in
einer Zylinderbuchse 38 aufgenommen (aus Darstellungsgründen
sind in Fig. 3 nur die Elemente eines Zylinders 36 mit
Bezugszeichen versehen; es versteht sich jedoch, dass die
Zylinder 36, 36a, 36b und 36c identisch aufgebaut sind). Die
Zylinderbuchse 38 ist in eine radial verlaufende Ausnehmung 40
im inneren Gehäuseteil 20 eingesetzt. Die Zylinderbuchse 38
ist mit Dichtringen (ohne Bezugszeichen) gegenüber der
Ausnehmung 40 abgedichtet.
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Die Zylinderbuchse 38 weist selbst eine diese in Längsrichtung
durchsetzende Ausnehmung 42 auf, in der der Förderkolben 16 im
weitgehend fluiddichten Gleitspiel und in seiner Längsrichtung
beweglich aufgenommen ist. Zwischen dem radial innen liegenden
Ende des Förderkolbens 16 und dem Hubring 34 ist ein
Gleitschuh 43 angeordnet. Der Förderkolben 16 wird mit dem
Gleitschuh 43 von einer Druckfeder 45 gegen einen plan
gearbeiteten Abschnitt auf der äußeren Mantelfläche des
Hubrings 34 beaufschlagt. Die Abdichtung der Zylinderbuchse 38
gegenüber der Ausnehmung 40 im inneren Gehäuseteil 20 erfolgt
durch eine Mehrzahl von Dichtringen (ohne Bezugszeichen).
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Ein Einlassventil 44 ist im radial äußeren Bereich der
Ausnehmung 42 angeordnet. In geöffnetem Zustand verbindet es
einen in die radial innere Mantelfläche der Aufnahmeöffnung 22
im äußeren Gehäuseteil 18 eingebrachten Ringkanal 46 mit einem
zwischen dem Einlassventil 44 und dem Förderkolben 16
vorhandenen Förderraum 48. Der Ringkanal 46 ist wiederum mit
einem Zulauf 50 verbunden (vgl. Fig. 2 und 3).
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Ein Auslasskanal 52 führt im Wesentlichen in axialer Richtung
der Pumpe 10 vom Förderraum 48 zu einem Hochdruckanschluss 54.
Der in der Zylinderbuchse 38 gelegene Bereich des
Auslasskanals 52 hat einen geringeren Durchmesser als der im
Gehäuseteil 20 gelegene Bereich des Auslasskanals 52.
Hierdurch wird ein Ventilsitz eines Auslassventils 56
geschaffen. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind im äußeren
Gehäuseteil 18 zwei Hochdruckkanäle 55a und 55b verbohrt, die
von den einzelnen Zylindern 36a und 36b zum Hochdruckanschlag
54 führen. Der Hochdruckkanal 55c ist dabei am einen Ende nach
außen mit einer Kugel 57 verschlossen.
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Im Bereich der Gleitführung des Förderkolbens 16 in der
Zylinderbuchse 38 ist in die innere Mantelfläche der
Ausnehmung 42 eine umlaufende Ringnut 58 eingebracht. Ein
Stichkanal (ohne Bezugszeichen) in der Zylinderbuchse 38 führt
zu einer in die äußere Mantelfläche der Zylinderbuchse 38
eingebrachten umlaufenden Ringnut 60. Von dieser führt
wiederum ein Kanal 62 im inneren Gehäuseteil 20 zu dessen in
Fig. 1 rechter Stirnfläche. Der entsprechenden Mündung des
Stichkanals 62 in diese Stirnfläche gegenüberliegend ist in
die Stirnfläche der Aufnahmeöffnung 22 im äußeren Gehäuseteil
18 eine umlaufende Nut 64 eingebracht. In diese münden auch
die entsprechenden Kanäle von den Zylindern 36b und 36c. Ein
Leckagekanal 66 (vgl. Fig. 2) führt von dieser Nut 64 zu einem
Leckageanschluss 68. Sämtliche Anschlüsse 50, 54 und 68 sind
somit am äußeren Gehäuseteil 18 untergebracht.
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Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist zusätzlich zu den drei
radial verlaufenden Ausnehmungen 40 im inneren Gehäuseteil 20
noch eine weitere radial verlaufende und das Gehäuseteil 20
vollständig von außen nach innen durchsetzende Ausnehmung
vorhanden, welche das Bezugszeichen 70 trägt. Sie ist
stufenförmig ausgebildet, wobei ihr geringster Querschnitt
radial innen und ihr größter Querschnitt radial außen liegt.
In einem mittleren Bereich der Ausnehmung 70 ist ein
zylindrischer Kolben 72 geführt, der über eine O-Ringdichtung
74 gegenüber der Ausnehmung 70 abgedichtet ist. Nach radial
außen hin wird die Ausnehmung 70 durch eine Verschlussschraube
76 verschlossen, an der sich ein Ende einer Schrauben-
Druckfeder 78 abstützt. Das andere Ende der Schrauben-
Druckfeder 78 beaufschlagt den zylindrischen Kolben 72 nach
radial einwärts.
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Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Kraftstoffpumpe 10 dient
zur Komprimierung des Kraftstoffes auf sehr hohe
Betriebsdrücke. Diese sind insbesondere bei
Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung erforderlich.
Angetrieben wird die Kraftstoffpumpe 10 von der Nockenwelle
der entsprechenden Brennkraftmaschine (diese ist in den
Figuren nicht dargestellt). Hierzu wird die Nockenwelle der
Brennkraftmaschine mit einem Flanschabschnitt der
Antriebswelle 14 der Kraftstoffpumpe 10 verbunden. Dieser
Flanschabschnitt ist in Fig. 1 auf der linken Seite der Figur
dargestellt und trägt das Bezugszeichen 80.
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Im Zulauf 50 der Kraftstoffpumpe 10 liegt im Betrieb ein
leicht erhöhter Kraftstoffdruck an, welcher üblicherweise von
einer Förderpumpe (in der Zeichnung nicht dargestellt)
bereitgestellt wird. Der Hochdruckanschluss 54 führt zu einer
Kraftstoffsammelleitung, welche gemeinhin als "Rail"
bezeichnet wird. In dieser kann der von der Kraftstoffpumpe 10
komprimierte Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert werden.
An die Kraftstoffsammelleitung sind Injektoren angeschlossen,
welche den Kraftstoff direkt in entsprechende Brennräume der
Brennkraftmaschine einspritzen. Der Leckageanschluss 68 ist
mit einem Kraftstoffbehälter (ebenfalls nicht dargestellt)
verbunden.
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Die Kraftstoffpumpe 10 arbeitet folgendermaßen: Eine Drehung
der Antriebswelle 14 versetzt den Hubring 34 in eine Bewegung
längs einer Kreisbahn. Über die Gleitschuhe 43 werden die
Förderkolben 16 der einzelnen Zylinder 36a, 36b und 36c
jeweils in eine Hin- und Herbewegung versetzt. Bei einer
radial einwärts gerichteten Bewegung eines Förderkolbens
öffnet das Einlassventil 44, sodass Kraftstoff vom Zulauf 50
in den Förderraum 48 gelangen kann. Bei einer radial auswärts
gerichteten Bewegung eines Förderkolbens 16 schließt das
Einlassventil 44 und der Kraftstoff wird im Förderraum 48
komprimiert. Bei Überschreiten eines bestimmten Drucks öffnet
das Auslassventil 56 und der komprimierte Kraftstoff wird zum
Hochdruckanschluss 54 hin aus dem Förderraum 48 ausgestoßen.
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Dabei gelangt Kraftstoff auch zwischen Förderkolben 16 und der
Ausnehmung 42 in der Zylinderbuchse 38 hindurch nach radial
einwärts. Er gelangt dabei in die umlaufende Ringnut 58 und
wird von dort über den Leckageanschluss 68 zum
Kraftstoffbehälter zurückgeführt.
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Der Hohlraum 27 zwischen der Ausnehmung 24 im inneren
Gehäuseteil 20 und den Lagerabschnitten 28 und 30 sowie dem
Exzenterabschnitt 32 der Antriebswelle 14 ist mit Schmieröl 82
gefüllt. Hierzu befindet sich im Gehäuseteil 20 der
Kraftstoffpumpe 10 an geeigneter Stelle eine mit einer
Schraube verschlossene Schmieröl-Einfüllöffnung (in den Figur
nicht sichtbar). Die Antriebswelle 14 mit ihren
Lagerabschnitten 28 und 30 und dem Exzenterabschnitt 32 läuft
somit in einem "Schmierölbad". Auch die Kugellager 25 und 26
befinden sich in diesem Schmierölbad. Somit können für diese
Kugellager 25 und 26 handelsübliche Kugellager verwendet
werden, welche vergleichsweise preiswert sind. Aufgrund der
guten Schmierung wird ferner eine lange Lebensdauer der
Kugellager 25 und 26 erreicht.
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Auch die Gleitschuhe 43 werden gegenüber dem auf dem
Exzenterabschnitt 32 der Antriebswelle 14 beweglichen Hubring
34 durch das Schmieröl 82 geschmiert. Zur Verbesserung der
Schmierwirkung sind hierzu in die plan bearbeitenden Flächen
(ohne Bezugszeichen) des Hubrings 34 in axialer Richtung
verlaufende Nuten eingebracht. Diese sind in Fig. 3 sichtbar,
wobei aus Darstellungsgründen nur eine mit dem Bezugszeichen
84 gekennzeichnet ist.
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Das sich in dem Hohlraum 27 zwischen der Ausnehmung 24 und der
Antriebswelle 14 befindende Schmieröl 82 steht unter einem
gewissen Druck. Dieser wird durch den Kolben 72 bzw. dessen
Beaufschlagung durch die Schrauben-Druckfeder 78 bewirkt. Die
Schrauben-Druckfeder 78 hat dabei eine sehr flache Kennlinie,
sodass der Druck des Schmieröls 82 in dem Hohlraum zwischen
Antriebswelle 14 und Ausnehmung unabhängig von der Stellung
des zylindrischen Kolbens 72 im Wesentlichen immer gleich ist.
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Die Vorspannkraft durch die Schrauben-Druckfeder 78 ist dabei
so gewählt, dass der Druck des Schmieröls 82 in dem Hohlraum
27 zwischen Antriebswelle 14 und Ausnehmung 24 in etwa einem
durchschnittlichen Druck des zu fördernden Kraftstoffs im
Bereich der Ringnut 58 bzw. im Bereich zwischen Ringnut 58 und
Hohlraum 27 entspricht. Durch diesen Gegendruck des Schmieröls
82 findet zwischen der mit Kraftstoff gefüllten Ringnut 58 und
dem mit Schmieröl 82 gefüllten Hohlraum 27 nur wenig Austausch
zwischen den entsprechenden Medien statt. Hierdurch wird das
sich im Hohlraum 27 befindende Schmieröl 82 im Laufe der Zeit
nur in geringe Umfange durch den Kraftstoff verdünnt. Der
Zeitraum, nach welchem das Schmieröl 82 ausgetauscht werden
muss, um die Funktion und eine ausreichend lange Lebensdauer
der Kugellager 25 bzw. 26 zu gewährleisten, ist somit sehr
lange.
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Der Spalt zwischen der Antriebswelle 14 und der Ausnehmung
wird nach außen hin durch einen handelsüblichen Radial-
Dichtring 86 verschlossen.