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Die
Erfindung geht aus von einer Flüssigkeitspumpe
nach der Gattung des Anspruchs 1.
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Eine
solche als Zahnradpumpe ausgebildete Flüssigkeitspumpe ist durch die
DE 196 25 564 A1 bekannt.
Diese Zahnradpumpe ist für
eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine vorgesehen
und weist ein Gehäuse
auf, in dem eine Pumpkammer gebildet ist. In der Pumpkammer ist ein
rotierend angetriebenes Paar von an ihrem Außenumfang miteinander kämmender
Zahnräder
angeordnet. Die Zahnräder
fördern
Kraftstoff als Fördermedium
aus einem mit einem Vorratstank verbundenen Ansaugraum entlang zwischen
dem Umfang der Zahnräder
und Umfangswänden
der Pumpkammer gebildeten Förderkanälen in einen
Druckraum. Die Zahnradpumpe weist außerdem ein Druckbegrenzungsventil
zur Begrenzung des Drucks im Druckraum auf. Bei Überschreiten eines vorgegebenen
Drucks im Druckraum gibt das Druckbegrenzungsventil einen Verbindungskanal
des Druckraums zum Ansaugraum frei. Das Druckbegrenzungsventil weist
einen Ventilkolben auf, der in einer Bohrung in einer zu den Drehachsen
der Zahnräder
senkrechten Ebene verschiebbar geführt ist und der mit einem Ventilsitz
zusammenwirkt. Der Ventilkolben ist gegen die Kraft einer vorgespannten
Feder verschiebbar. Durch das Druckbegrenzungsventil ist eine Druckbegrenzung
bei dem durch die Zahnradpumpe erzeugten Druck und damit eine Begrenzung
der geförderten
Kraftstoffmenge ermöglicht. Üblicherweise
ist der Flüssigkeitspumpe
ein Filter vorgeschaltet, durch den die angesaugte Flüssigkeit
strömt
oder ein Filter nachgeschaltet, durch den die geförderte Flüssigkeit strömt. Abhängig vom
Verschmutzungsgrad des Filters wird dabei durch die Flüssigkeitspumpe
eine unterschiedlich große
Flüssigkeitsmenge
gefördert,
die durch das Druckbegrenzungsventil nicht ausgeglichen werden kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe mit
den Merkmalen gemäß Anspruch
1 hat demgegenüber
den Vorteil, dass bei dieser zusätzlich
zur Begrenzung des Förderdrucks
auch die Fördermenge
geregelt ist, so dass unabhängig
vom Verschmutzungsgrad des Filters die Fördermenge eingestellt wird.
Dies erfolgt auf einfache Weise, indem abhängig von dem stromabwärts nach
dem Filter herrschenden Druck die auf den Ventilkolben in Schließrichtung
wirkende Kraft variiert wird.
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In
den abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Flüssigkeitspumpe
angegeben. Durch die Ausbildung gemäß Anspruch 2 wird die Funktion
der Fördermengenregelung
auf einfache Weise erreicht. Die Ausbildung gemäß Anspruch 5 ermöglicht einen
einfachen Aufbau des Druckbegrenzungsventils. Durch die Ausbildung
gemäß Anspruch
6 ist der Verbindungskanal auf einfache Weise gebildet. Durch die
Ausbildung gemäß Anspruch
9 kann bei der Bewegung des Ventilkolbens in der Bohrung Fördermedium
aus dem Raum verdrängt
werden bzw. in diesen nachströmen.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Es
zeigen 1 eine Zahnradförderpumpe
in einem Schnitt entlang Linie I-I in 2, 2 die Zahnradförderpumpe
in einem Schnitt entlang Linie II-II in 1 und 3 die Zahnradförderpumpe
schematisch in einem Schnitt entlang Linie III-III in 2 in vergrößerter Darstellung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Eine
in den 1 bis 3 dargestellte Flüssigkeitspumpe
ist als Zahnradpumpe ausgebildet und in einer nicht dargestellten
Förderleitung
von einem Vorratstank zu einer Kraftstoffhochdruckpumpe oder einer
Kraftstoffeinspritzpumpe einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer
Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs angeordnet.
Die Brennkraftmaschine ist eine selbstzündende Brennkraftmaschine und
der Kraftstoff, der durch die Zahnradpumpe gefördert wird, ist Dieselkraftstoff.
Die Zahnradpumpe weist ein mehrteiliges Gehäuse auf, das ein Gehäuseteil 10 und
ein Deckelteil 12 aufweist. Zwischen dem Gehäuseteil 10 und
dem Deckelteil 12 ist eine Pumpkammer 14 gebildet,
in der ein Paar an ihrem Außenumfang
miteinander kämmender
Zahnräder 16,18 angeordnet
ist. Das Gehäuseteil 10 weist zur
Bildung der Pumpkammer 14 zwei Vertiefungen 20,22 auf,
von deren Grund jeweils ein Lagerzapfen 24,26 absteht.
Die Lagerzapfen 24,26 sind einstückig mit
dem Gehäuseteil 10 ausgebildet
und verlaufen zumindest annähernd
parallel zueinander. Die Lagerzapfen 24,26 können zur
Gewichtsreduzierung des Gehäuseteils 10 zumindest
teilweise hohl ausgebildet sein. Das Zahnrad 16 weist eine
Bohrung 17 auf, über
die es auf dem Lagerzapfen 24 drehbar gelagert ist. Das
Zahnrad 18 weist eine Bohrung 19 auf, über die
es auf dem Lagerzapfen 26 drehbar gelagert ist. Die Lagerzapfen 24,26 bestimmten
jeweils eine Drehachse 25,27 für die Zahnräder 16,18.
Das Deckelteil 12 ist mit dem Gehäuseteil 10 fest verbunden, beispielsweise
mittels mehrerer Schrauben. Das Gehäuseteil 10 und das
Deckelteil 12 bestehen vorzugsweise aus Leichtmetall, insbesondere
Aluminium. Die Zahnräder 16,18 bestehen
vorzugsweise aus Stahl, insbesondere aus Sinterstahl.
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Die
Zahnradpumpe weist eine Antriebswelle 30 auf, die im Gehäuseteil 10 drehbar
gelagert ist. Die Antriebswelle 30 ist zumindest annähernd koaxial
zum Lagerzapfen 24 angeordnet, wobei das Gehäuseteil 10 eine
Bohrung aufweist, die sich im Lagerzapfen 24 fortsetzt
und durch die das Ende der Antriebswelle 30 hindurchtritt.
Zwischen der Bohrung und der Antriebswelle 30 ist ein Wellendichtring
eingebaut, um das Gehäuseteil 10 abzudichten.
Die Antriebswelle 30 ist mit dem Zahnrad 16 gekoppelt,
beispielsweise über
ein zwischen dem Stirnende des Lagerzapfens 24 und dem
Deckelteil 12 angeordnetes Koppelglied 36. Das
Zahnrad 16 wird beim Betrieb der Zahnradpumpe über die
Antriebswelle 30 rotierend angetrieben und überträgt diese
Drehbewegung über
eine Stirnverzahnung auf das ebenfalls mit einer Stirnverzahnung
versehene, mit dem Zahnrad 16 an seinem Außenumfang
kämmende
Zahnrad 18. Die Zahnräder 16,18 teilen
dabei die Pumpkammer 14 durch ihren Zahneingriff in zwei
Teilbereiche, von denen ein erster Teilbereich einen Ansaugraum 40 und
ein zweiter Teilbereich einen Druckraum 42 bilden. Der
Ansaugraum 40 ist dabei über je einen zwischen den Zahnnuten
an den Umfangsflächen
der Zahnräder 16,18 und
der oberen und unteren Umfangswand der Pumpkammer 14 gebildeten
Förderkanal 44 mit
dem Druckraum 42 verbunden. Der Ansaugraum 40 und
der Druckraum 42 weisen jeweils eine Anschlussöffnung in
der Wand des Gehäuseteils 10 oder
des Deckelteils 12 auf, über die der Ansaugraum 40 mit
einer nicht dargestellten Ansaugleitung vom Vorratstank und der
Druckraum 42 über eine ebenfalls
nicht dargestellte Förderleitung
mit dem Saugraum des Kraftstoffhochdruckpumpe oder der Kraftstoffeinspritzpumpe
verbunden ist. Die Anschlussöffnung
in den Ansaugraum 40 bildet eine Einlassöffnung 46 und
die Anschlussöffnung
in den Druckraum 42 bildet eine Auslassöffnung 48.
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Die
Zahnradpumpe weist ein Druckbegrenzungsventil 50 auf, das
im Gehäuse,
beispielsweise im Gehäuseteil 10 angeordnet
ist. Im Grund der die Pumpkammer 14 bildenden Vertiefungen 20,22 ist eine
Nut 52 eingebracht, die sich zwischen dem Druckraum 42 und
dem Ansaugraum 40 erstreckt. Die Nut 52 weist
eine Länge
l, eine Breite b und eine Tiefe t auf. Die Nut 52 verläuft wie
in 3 dargestellt bei
Betrachtung in Richtung der Drehachsen 25,27 der
Zahnräder 24,26 betrachtet
etwa tangential zu den Zahnrädern 16,18 und
deren Länge
l ist so bemessen, daß die
Nut 52 über
die Schnittlinien 54 der Kopfkreise Dk der Zahnräder 16,18 hinausreicht.
Die Nut 52 ist in Richtung der Drehachsen 25,27 der Zahnräder 16,18 betrachtet
zumindest annähernd mittig
zwischen den Zahnrädern 16,18 angeordnet. Die
Nut 52 bildet somit einen sich vom Druckraum 42 bis
zum Ansaugraum 40 erstreckenden Verbindungskanal. Außerhalb
der Nut 52 begrenzt das Gehäuseteil 10 mit dem
Grund der Vertiefungen 20,22 die Pumpkammer 14 mit
geringem axialem Abstand zu den Stirnseiten der Zahnräder 16,18.
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Am
Grund der Nut 52 ist eine Bohrung 56 eingebracht,
deren Durchmesser d vorzugsweise etwas größer ist als die Breite b der
Nut 52. Die Bohrung 56 verläuft zumindest annähernd parallel
zu den Drehachsen 25,27 der Zahnräder 16,18 und
ist vorzugsweise bezüglich
einer Verbindungslinie 58 zwischen den Drehachsen 25,27 der
Zahnräder 16,18 um
ein Maß H
zum Druckraum 42 hin versetzt angeordnet. Das Maß H beträgt vorzugsweise
zwischen etwa 2 und 5 mm. In der Bohrung 56 ist als Ventilglied des
Druckbegrenzungsventils 50 ein Ventilkolben 60 verschiebbar
geführt.
Der Ventilkolben 60 wird durch eine zwischen diesem und
dem Grund der Bohrung 56 eingespannte Druckfeder 62,
beispielsweise in Form einer Schraubendruckfeder, zu den diesem
zugewandten Stirnseiten der Zahnräder 16,18 hin
gedrückt.
Die Stirnseiten der Zahnräder 16,18 sind
zumindest annähernd
eben ausgebildet und zumindest annähernd senkrecht zu deren Drehachsen 25,27 angeordnet.
Der Ventilkolben 60 liegt an den Stirnseiten der Zahnräder 16,18 im
Bereich von deren Zahneingriff an. Der durch den Ventilkolben 60 auf
seiner den Zahnrädern 16,18 abgewandten
Rückseite
in der Bohrung 56 begrenzte Raum 64 ist über eine
Bohrung 66 im Gehäuseteil 10 mit
dem Ansaugraum 40 verbunden.
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Der
Ventilkolben 60 ist auf einem Teil seiner den Zahnrädern 16,18 zugewandten
Stirnfläche
von dem im Druckraum 42 herrschenden Druck beaufschlagt,
durch den eine der Druckfeder 62 entgegengerichtete Kraft
auf den Ventilkolben 60 erzeugt wird. Wenn die Kraft der
Druckfeder 62 größer ist
als die durch den im Druckraum 42 herrschenden Druck erzeugte
Kraft, so befindet sich der Ventilkolben 60 in Anlage an
den Stirnseiten der Zahnräder 16,18,
die einen Ventilsitz bilden. Dabei wird durch den Ventilkolben 60 in
Zusammenwirkung mit den Zahnrädern 16,18 der
Durchgang durch die Nut 52 und damit die Verbindung zwischen
dem Druckraum 42 und dem Ansaugraum 40 unterbrochen.
Wenn der Ventilkolben 60 durch die Kraft der Druckfeder 62 an
den Stirnseiten der Zahnräder 16,18 gepresst
wird, so wird hierbei das Spiel der Zahnräder 16,18 in
der Pumpkammer 14 in Richtung von deren Drehachse 25,27 verringert,
vorzugsweise vollständig
beseitigt. Dies ist insbesondere beim Anlaufen der Zahnradpumpe
und beim Starten der Brennkraftmaschine vorteilhaft, da dann der
Wirkungsgrad der Pumpe optimal ist. Durch den Ventilkolben 60 wird
dabei durch die Reibung eine bremsende Kraft auf die Zahnräder 16,18 erzeugt,
die insbesondere beim Anlaufen der Zahnradpumpe vorteilhaft ist, da
hierdurch ein besserer Flankenkontakt zwischen den Verzahnungen der
Zahnräder 16,18 bewirkt
wird. Infolge des guten Wirkungsgrads der Zahnradpumpe insbesondere beim
Anlaufen und beim Starten der Brennkraftmaschine, wenn eine große Kraftstoffmenge
gefördert werden
muß, kann
die Zahnradpumpe in ihrer Dimensionierung auf eine geringere Fördermenge
ausgelegt werden als bekannte Zahnradpumpen.
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Wenn
ein vorgegebener Druck im Druckraum 42 überschritten wird, so übersteigt
die durch den Druck auf den Ventilkolben 60 erzeugte Kraft
die Kraft der Druckfeder 62, so daß der Ventilkolben 60 sich
gegen die Kraft der Druckfeder 62 verschiebt und von den
Stirnseiten der Zahnräder 16,18 abhebt. Dabei
wird der Durchgang durch die Nut 52 freigegeben und es
besteht eine Verbindung zwischen dem Druckraum 42 und dem
Ansaugraum 40, so daß Kraftstoff
aus dem Druckraum 42 in den Ansaugraum 40 abfließen kann,
wodurch der Druck im Druckraum 42 begrenzt wird. Durch
die Vorspannung der Druckfeder 62, den Durchmesser des
Ventilkolbens 60 und die Lage des Ventilkolbens 60 bezüglich des
Druckraums 42 und damit der Größe der vom im Druckraum 42 herrschenden
Druck beaufschlagten Stirnfläche
des Ventilkolbens 60 kann der Druck variiert werden, bei
dem das Druckbegrenzungsventil 50 öffnet. Mit zunehmendem Druck
im Druckraum 42 wird der Ventilkolben 60 weiter
in die Bohrung 56 hinein verschoben, so daß durch
den Ventilkolben 60 in der Nut 52 ein zunehmend
größerer Durchflußquerschnitt
freigegeben wird. Der größte vom
Ventilkolben 60 in der Nut 52 freigegebene Durchflußquerschnitt
ist vorzugsweise so groß,
daß die
gesamte durch die Zahnräder 16,18 geförderte Kraftstoffmenge
vom Druckraum 42 in den Ansaugraum 40 zurückfließen kann,
wenn durch die Zahnradpumpe kein Kraftstoff gefördert werden darf. Die Querschnittsfläche der
Nut 52, die den maximalen Durchflußquerschnitt bestimmt, beträgt vorzugsweise
zwischen etwa 30 und 60 mm2. Beim Eintauchen
des Ventilkolbens 60 in die Bohrung 56 wird durch diesen
aus dem Raum 64 Kraftstoff über die Bohrung 66 in
den Ansaugraum 40 verdrängt.
Beim Austauchen des Ventilkolbens 60 aus der Bohrung 56 kann über die
Bohrung 66 der Raum 64 wieder mit Kraftstoff aus
dem Ansaugraum 40 befüllt
werden.
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Während des
Betriebs der Zahnradpumpe entstehen Druckpulsationen durch den wechselnden Zahnreingriff
der Zahnräder 16,18,
und das dabei zwischen den Verzahnungen verdrängte Kraftstoffvolumen. Der
Ventilkolben 60 liegt an den Stirnseiten der Zahnräder 16,18 im
Bereich von deren Zahneingriff an und ist somit von dem zwischen
den Verzahnungen herrschenden Druck beaufschlagt. Bei Druckpulsationen
zwischen den Verzahnungen führt der
Ventilkolben 60 dabei eine Ausweichbewegung aus, wodurch
diese Druckpulsationen gedämpft
und verringert werden.
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Die
Zahnradpumpe weist außerdem
ein Bypassventil 70 auf, durch das eine Verbindung zwischen
dem Druckraum 42 und dem Ansaugraum 40 freigegeben
werden kann, wenn der Druck im Druckraum 42 geringer ist
als im Ansaugraum 40. Dies kann insbesondere nach einem
Leerlaufen der Zahnradpumpe oder bei deren Erstbefüllung der
Fall sein, wobei das Bypassventil 70 ein Entlüften und
Befüllen der
Zahnradpumpe ermöglicht.
Das Bypassventil 70 weist ein Ventilglied 72 auf,
das von dem im Druckraum 42 herrschenden Druck beaufschlagt
ist und durch diesen zu einem Ventilsitz 74 am Gehäuseteil 10 gedrückt wird.
Das Ventilglied 72 ist beispielsweise in einer Vertiefung 76 der
Nut 52 auf deren in den Druckraum 42 ragendem
Bereich angeordnet. Das Ventilglied 72 kann beispielsweise
aus einem Elastomer bestehen und der Ventilsitz 74 kann
als Flachsitz ausgebildet sein. Vom Ventilsitz 74 führt eine
Bohrung 78 in den Raum 64 in der Bohrung 56 hinter
dem Ventilkolben 60 ab, der wiederum über die Bohrung 66 mit
dem Ansaugraum 40 verbunden ist. Am Ventilglied 72 greift
außerdem
eine Schließfeder 80 an, die
beispielsweise eine in der Bohrung 78 angeordnete vorgespannte
Zugfeder sein kann, die einerseits am Ventilglied 72 angreift
und andererseits an der letzten Windung der Druckfeder 62 eingehängt ist. Durch
die Schließfeder 80 wird
das Ventilglied 72 mit geringer Kraft zum Ventilsitz 74 hin
gezogen und dadurch eine Anlage am Ventilsitz 74 erreicht,
wenn die Zahnradpumpe nicht in Betrieb ist. Wenn während des
Betriebs der Zahnradpumpe der Druck im Druckraum 42 geringer
ist als im Ansaugraum 40, so öffnet das Bypassventil 70,
indem dessen Ventilglied 72 vom Ventilsitz 74 abhebt,
so daß Kraftstoff
direkt aus dem Ansaugraum 40 in den Druckraum 42 gelangen kann
und der Druckraum 42 mit Kraftstoff befüllt wird. Wenn während des
weiteren Betriebs der Zahnradpumpe der Druck im Druckraum 42 ansteigt
und höher
ist als der Druck im Ansaugraum 40, so wird das Ventilglied 72 gegen
den Ventilsitz 74 gedrückt,
so daß das
Bypassventil 70 schließt
und der Druckraum 42 vom Ansaugraum 40 getrennt
ist.
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Der
Zahnradpumpe ist in der Kraftstoffleitung ein Filter 82 vorgeschaltet,
der als Vorfilter ausgebildet ist und durch den der von der Zahnradpumpe
aus dem Vorratstank angesaugte Kraftstoff strömt. Der Zahnradpumpe ist in
der Kraftstoffleitung außerdem ein
weiterer Filter 83 nachgeschaltet, der als Feinfilter ausgebildet
ist und durch den der von der Zahnradpumpe geförderte Kraftstoff zur Kraftstoffhochdruckpumpe
oder zur Kraftstoffeinspritzpumpe strömt. Es kann auch vorgesehen
sein, dass nur der der Zahnradpumpe vorgeschaltete Vorfilter 82 vorhanden
ist und kein Feinfilter. An der Zahnradpumpe ist beispielsweise
auf der dem Deckelteil 12 abgewandten Seite des Gehäuseteils 10 ein
weiteres Gehäuseteil 84 angeordnet,
das eine zum Gehäuseteil 10 weisende
Ausnehmung aufweist, in der eine Druckkammer 85 gebildet
ist. Die Druckkammer 85 ist mit einem Bereich stromabwärts nach
dem Feinfilter 83 verbunden, so dass in der Druckkammer 85 derselbe
Druck herrscht wie stromabwärts
nach dem Feinfilter 83. Wenn nur der Vorfilter 82 vorhanden
ist, so ist die Druckkammer 85 mit einem Bereich stromabwärts nach
dem Vorfilter 82 verbunden, so dass in der Druckkammer 85 derselbe
Druck herrscht wie stromabwärts
nach dem Vorfilter 82 und vor der Zahnradpumpe.
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Die
Druckkammer 85 ist in der Ausnehmung des Gehäuseteils 84 auf
ihrer dem Gehäuseteil 10 abgewandten
Seite durch eine bewegliche Wand 86 begrenzt, die beispielsweise
als eine Membran ausgebildet ist. Die Membran 86 ist mittels
einer Hülse 87 in
der Ausnehmung des Gehäuseteils 84 verspannt.
Im mittleren Bereich der Membran 86 stützt sich eine Stange 88 ab,
die durch eine Bohrung im Gehäuseteil 10 hindurchragt
und am Ventilkolben 60 anliegt. In dem durch die Membran 86 von
der Druckkammer 85 abgetrennten Teil der Ausnehmung des Gehäuseteils 84 ist
eine vorgespannte Feder 89 angeordnet, die beispielsweise
als Schraubendruckfeder ausgebildet ist. Die Membran 86 ist
somit einerseits von dem in der Druckkammer 85 herrschenden Druck
beaufschlagt und andererseits durch die vorgespannte Feder 89.
Wenn der Druck in der Druckkammer 85 niedrig ist, so wird
die Membran 86 und mit dieser die Stange 88 durch
die Feder 89 zum Ventilkolben 60 hin gedrückt, wodurch
auf den Ventilkolben 60 zusätzlich zur Druckfeder 62 eine
weitere Kraft in Schließrichtung
wirkt. Wenn der Druck im Druckraum 85 hoch ist, so wird
die Membran 86 und mit dieser die Stange 88 gegen
die Kraft der Feder 89 vom Ventilkolben 60 weggezogen,
so dass auf den Ventilkolben 60 eine geringere Kraft in
Schließrichtung
wirkt. Wenn der Feinfilter 83 oder der Vorfilter 82 gering
verschmutzt sind, so entsteht bei der Durchströmung mit Kraftstoff nur ein
geringer Druckverlust, so dass stromabwärts nach dem Filter ein relativ
hoher Druck herrscht. In diesem Fall herrscht im Druckraum 85 ebenfalls
ein hoher Druck, so dass die Öffnungsbewegung
des Ventilkolbens 60 im wesentlichen durch die Druckfeder 62 bestimmt
wird. Wenn der Feinfilter 83 oder der Vorfilter 82 stark
verschmutzt sind, so entsteht bei der Durchströmung mit Kraftstoff ein großer Druckverlust,
so dass stromabwärts
nach dem Filter ein relativ geringer Druck herrscht. In diesem Fall
herrscht im Druckraum 85 ebenfalls ein geringer Druck,
so dass zusätzlich
zur Kraft der Druckfeder 62 auch die Kraft der Feder 89 auf
den Ventilkolben 60 in Schließrichtung wirkt und dieser
erst bei einem höheren
Druck im Druckraum 42 öffnet.
Durch die Zahnradpumpe wird dann ein entsprechend höherer Druck
erzeugt und eine größere Kraftstoffmenge
gefördert
und der Druck- und Mengenverlust des Filters 82 bzw. 83 ausgeglichen.
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Die
Flüssigkeitspumpe
kann anstelle als Zahnradpumpe alternativ auch beispielsweise als
Innenzahnradpumpe oder als Flügelzellenpumpe
ausgebildet sein, wobei das Druckbegrenzungsventil 50 zur
Druckregelung und die Druckkammer 85 zur Fördermengenregelung
in gleicher Weise wie vorstehend beschrieben verwendet werden können.