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Die
Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe zur Verwendung beim Zuführen von
Kraftstoff zu einem Verbrennungsmotor mit Verdichtungszündung (Dieselmotor).
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Eine
bekannte Hochdruckkraftstoffpumpe zur Verwendung beim Zuführen von
Kraftstoff zu einem Dieselmotor umfasst einen Pumpenkolben, der innerhalb
einer Kolbenbohrung unter dem Einfluss einer Nockenantriebsanordnung
derart hin und her bewegbar ist, dass er Kraftstoff innerhalb einer
Pumpenkammer unter Druck setzt. Während eines vorwärts gerichteten
Zuführungshubs
des Kolbens bewegt sich der Kolben einwärts innerhalb der Kolbenbohrung,
um das Volumen der Pumpenkammer zu verringern, was bewirkt, dass
der Kraftstoffdruck in dieser erhöht wird. Während des vorwärts gerichteten
Hubs des Pumpenkolbens wird Fluid durch eine geeignete Ventilanordnung
aus der Pumpenkammer abgegeben. Nach jedem Zuführungshub führt der Kolben einen Rückwärtshub durch,
bei dem sich der Kolben in einer nach außen gerichteten Richtung innerhalb
der Kolbenbohrung bewegt, um das Volumen der Pumpenkammer zu erhöhen. Während des Rückhubs wird
der Pumpenkammer Kraftstoff durch eine Einlassventilanordnung zugeführt, die
während des
nächsten
vorwärts
gerichteten Hubs bereit ist, unter Druck gesetzt zu werden.
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Es
ist bekannt, den Pumpenkolben zum Zweck des Antreibens des Pumpenkolbens
während des
Rückhubs
mit einer Feder auszustatten. Jedoch kann die Verwendung einer Feder
unter bestimmten Umständen
nicht wünschenswert
sein.
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Die
EP 0 972 936 beschreibt
eine Kraftstoffpumpe, bei der der Rückwärtshub des Pumpenkolbens durchgeführt wird,
indem Fluid einer Arbeitskammer zugeführt wird, die teilweise durch
eine Stößelanordnung
gebildet ist, die die Wirkung hat, während des vorwärts gerichteten
Hubs des Kolbens eine Kraft von der Nockenanordnung an den Pumpenkolben
zu übertragen.
Eine Kraft, die auf dem Kraftstoffdruck innerhalb der Arbeitskammer
beruht, wirkt auf die Stößelanordnung
und dient dazu, den Kolben anzutreiben, damit dieser den Rückhub durchführt, wobei
sich der Kolben auswärts
aus der Kolbenbohrung bewegt, um das Volumen der Pumpenkammer zu
erhöhen.
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Es
ist auch bekannt, die Kraftstoffpumpe mit einer Niederdruckpumpe
zu versehen, um das Befüllen
der Pumpenkammer der Hochdruckpumpe innerhalb der verfügbaren Zeit
zu gestatten. Jedoch führt das
Vorsehen einer solchen separaten Niederdruckpumpe dazu, dass das
Kraftstoffsystem relativ komplex, sperrig und teuer ist.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kraftstoffpumpe
zu schaffen, die sich zur Verwendung bei der Zuführung von Kraftstoff zu einem
Dieselmotor eignet und bei der die Nachteile bekannter Pumpenanordnungen
abgeschwächt
oder beseitigt sind.
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Erfindungsgemäß wird eine
Kraftstoffpumpe bereitgestellt, die eine Mehrzahl von radial beabstandeten
Pumpenanordnungen umfasst, von denen jede einen Pumpenkolben, der
innerhalb einer in einem Pumpengehäuse ausgebildeten Kolbenbohrung
unter dem Einfluss eines angetriebenen Mitnehmer- oder Stößelelements
hin und her bewegbar ist, das die Funktion hat, eine Kraft auf den
Pumpenkolben zu übertragen,
während
dieser einen vorwärts
gerichteten Hub ausführt,
wobei die Pumpenbohrung eine Pumpenkammer bildet, innerhalb welcher
auf einer Hin- und Herbewegung des Pumpenkolbens innerhalb der Pumpenbohrung
eine Kompression von Kraftstoff auf einen relativ hohen Wert erfolgt,
wobei ein Endbereich des Mitnehmer- oder Stößelelements mit einer weiteren
Bohrung versehen ist, wobei eine Oberfläche, die dem Endbereich zugeordnet
ist, zum Teil eine ringförmige
Hilfspumpenkammer für
Kraftstoff bildet, wobei die weitere Bohrung eine Arbeitskammer
bildet, die zur Aufnahme von Kraftstoff bestimmt ist, um eine Kraft
an dem Mitnehmer- oder Stößelelement
zu erzeugen, die in einer Umkehrrichtung wirkt, um das Volumen der
Pumpenkammer während
eines Rückwärtshubs
des Pumpenkolbens zu vergrößern, wobei
die Kraftstoffpumpe weiterhin einen primären Versorgungsweg umfasst,
der eine Verbindung zwischen der Hilfspumpenkammer einer ersten
Pumpenanordnung und der Pumpenkammer mindestens einer der anderen
Pumpenanordnungen herstellt, derart, dass von der Hilfspumpenkammer verdrängter Kraftstoff
im Betrieb durch den primären Versorgungsweg
an die mindestens eine der anderen Pumpenkammern abgegeben werden
kann, wobei die Hilfspumpenkammern und der primäre Versorgungsweg so konstruiert
und ausgelegt sind, dass sichergestellt ist, dass Kraftstoff bei
einer gegebenen Drehzahl der Pumpe mit einer im wesentlichen konstanten
Strömungsgeschwindigkeit
durch den sekundären
Kraftstoffversorgungsweg strömt.
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Im
Betrieb ist die Hin- und Herbewegung der Pumpenkolben innerhalb
ihrer jeweiligen Bohrungen derart abgestimmt, dass die Kompression
von Kraftstoff innerhalb der Hilfspumpenkammer einer Pumpenanordnung
bewirkt, dass Kraftstoff, der auf ein erstes, schwach komprimiertes
Niveau komprimiert ist, der Pumpenkammer mindestens einer der anderen
Pumpenanordnungen zugeführt
wird, in der eine Kompression auf ein relativ hohes Niveau stattfindet, wobei
unter Druck gesetzter Kraftstoff von der bzw. den Pumpenkammer(n)
einem Abgabekanal zugeführt
wird. Der Abgabekanal kann beispielsweise einer gemeinsamen Kraftstoffleitung
(Common Rail) eines Common-Rail-Kraftstoffsystems
oder einem Druckspeicher Kraftstoff zuführen.
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Für die Zwecke
dieser Beschreibung soll die einwärts gerichtete Bewegung des
Pumpenkolbens innerhalb der Kolbenbohrung zum Bewirken einer Kompression
von Kraftstoff innerhalb der Pumpenkammer als "vorwärts
gerichteter Hub" bezeichnet und
die von der Pumpenbohrung nach außen gerichtete Bewegung des
Pumpenkolbens zur Vergrößerung des
Volumens der Pumpenkammer als "Rückwärtshub" bezeichnet werden.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass die Hilfspumpenkammer innerhalb
des Pumpengehäuses ausgebildet
ist, anstatt eine separate Pumpe zu sein, die am Hauptpumpengehäuse befestigt
ist. Die Kosten und das Gewicht der Pumpe sowie das von der Pumpe
eingenommene Volumen sind deshalb verringert. Des weiteren ist der
Bedarf einer Rückstellfeder zur
Durchführung
des Rückwärtshubs
des Pumpenkolbens ebenfalls beseitigt, da der Rückwärtshub des Pumpenkolbens mit
Hilfe von Kraftstoff innerhalb der Arbeitskammer angetrieben wird.
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Vorzugsweise
ist die Hilfspumpenkammer jeder Pumpenanordnung durch den Endbereich
des Mitnehmer- oder Stößelelements
und eine Mitnehmer- oder Stößelbohrung
gebildet, die in dem Pumpengehäuse
vorgesehen ist.
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Das
Mitnehmer- oder Stößelelement
jeder Pumpenanordnung ist vorzugsweise mit einer zugeordneten Federanordnung
versehen, die dazu dient, den Pumpenkolben aus der Kolbenbohrung
in Auswärtsrichtung
zu drücken.
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Das
Vorsehen der Federanordnung liefert den Vorteil, dass beim Starten
des Motors der Pumpenkolben und das Mitnehmer- oder Stößelelement dazu
veranlasst werden, sich hin und her zu bewegen, wodurch Kraftstoff
in die Hilfspumpenkammer gesaugt wird. Ausschließlich von der Hilfspumpenkammer
verdrängter
Kraftstoff wird der Pumpenkammer zugeführt.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
stehen die Arbeitskammern über
einen gemeinsamen Mitnehmer- oder Stößelrücklaufströmungsweg miteinander in Flüssigkeitsverbindung,
wobei der gemeinsame Mitnehmer- oder Stößelrücklaufströmungsweg mit einer Dämpfungsanordnung
versehen ist, die dazu dient, Druckänderungen innerhalb des gemeinsamen
Mitnehmer- oder Stößelrücklaufströmungswegs
auf ein Minimum herabzusetzen.
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Da
der Endbereich des Mitnehmer- oder Stößelelements dazu verwendet
wird, für
die Hilfspumpenfunktion zu sorgen, und ein anderer Bereich der gleichen
Bewegungskomponente dazu verwendet wird, um die Rückstellkraft
für den
Pumpenkolben bereitzustellen, kann die Pumpe relativ kompakt sein. Des
weiteren wird durch die Verwendung unterschiedlicher Bereiche der
gleichen Komponente zur Bildung der Hilfspumpenkammer bzw. der Arbeitskammer
jede Leckageströmung
aus dem Mitnehmer- oder Stößelrücklaufströmungsweg
und der Arbeitskammer zu dem Übertragungsdruckströmungsweg zurückgeführt, statt
aus der Pumpe verloren zu gehen, vorbehaltlich einer relativ kleinen
Menge von Kraftstoffleckage direkt aus dem Mitnehmer- oder Stößelrücklaufströmungsweg,
wie nachstehend detaillierter beschrieben ist. Pumpenverluste können deshalb
auf ein relativ kleines Niveau begrenzt werden.
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Vorzugsweise
ist das Mitnehmer- oder Stößelelement
derart gestaltet, dass sichergestellt ist, dass die Abeitskammer über den
gesamten vorwärts gerichteten
Hub und über
den gesamten Rückwärtshub mit
dem Mitnehmer- oder Stößelrücklaufströmungsweg
in Verbindung steht.
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Vorzugsweise
ist der Übertragungsdruckströmungsweg
mit einer Dosierventilanordnung versehen, die dazu dient, die Rate
des Kraftstoffstroms in die Pumpenkammern zu regeln.
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Jede
der Hilfspumpenkammern ist vorzugsweise mit einer entsprechenden
Einlassventilanordnung zum Steuern des Kraftstoffstroms in die zugeordnete
Hilfspumpenkammer und mit einer entsprechenden Auslassventilanordnung
zum Steuern des Kraftstoffstroms zwischen der zugeordneten Hilfspumpenkammer
und dem Übertragungsdruckströmungsweg
ausgestattet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist jede Einlassventilanordnung derart gestaltet und ausgelegt,
das sichergestellt ist, dass die Strömung von Kraftstoff in die
zugeordnete Hilfspumpenkammer im wesentlichen nicht eingeschränkt ist.
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Des
weiteren ist jede Auslassventilanordnung vorzugsweise derart gestaltet
und ausgelegt, das sichergestellt ist, dass die Strömung von
Kraftstoff aus der zugeordneten Hilfspumpenkammer im wesentlichen
nicht eingeschränkt
ist. Auf diese Weise kann die Strömung von Kraftstoff innerhalb
des Übertragungsdruckströmungswegs
zu den Pumpenkammern auf einer im wesentlichen konstanten Strömungsrate
gehalten werden.
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Da
Kraftstoff innerhalb der Hilfspumpenkammer nur auf ein relativ niedriges
Niveau komprimiert wird, können
die Einlass- und
die Auslassventilanordnung, die der Hilfspumpenkammer zugeordnet sind,
derart angeordnet werden, dass sie sich einen gemeinsamen Strömungskanal
teilen, durch den Kraftstoff zu der Hilfspumpenkammer hin und von dieser
weg strömt.
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Vorzugsweise
besitzt jede Kolbenbohrung ihr zugeordnet eine zusätzliche
Einlassventilanordnung, die dazu dient, die Strömung von Kraftstoff in die
entsprechende Pumpenkammer zu steuern, und eine zusätzliche
Auslassventilanordnung, die dazu dient, die Strömung von Kraftstoff aus der
entsprechenden Pumpenkammer zu einem Abgabeströmungsweg zu steuern.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Mitnehmer- oder
Stößelelement
jeder Pumpenanordnung mit einer sich radial erstreckenden Bohrung
versehen, die für
eine Verbindung zwischen der zugeordneten Arbeitskammer und einer Öffnung sorgt,
die in der Oberfläche
des Mitnehmer- oder Stößelelement
vorhanden ist, wobei die Öffnung
mit dem gemeinsamen Stößelrücklaufströmungsweg
in Verbindung steht. Vorzugsweise ist die Öffnung im Vergleich zu einem
Außendurchmesser
des zugeordneten Mitnehmer- oder Stößelelements von relativ kleiner
Größe. Beispielsweise
kann die Öffnung
die Form eines Schlitzes mit einem Außenumfang haben, der im Vergleich
mit der Außendurchmesserabmessung
des zugeordneten Mitnehmer- oder Stößelelements klein ist.
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Bei
einer Ausführungsform
weist die Kraftstoffpumpe drei radial beabstandete Pumpenkolben auf,
die jeweils eine zugeordnete Hilfspumpenkammer aufweisen, die durch
das Mitnehmer- oder Stößelelement
gebildet ist. Das Vorsehen von drei oder mehr Pumpenkolben, die
alle in einer zyklisch abgestimmten Bewegung von einer gemeinsamen
Nockenanordnung angetrieben werden, stellt sicher, dass eine gleichmäßige Strömung in
den Übertragungsdruckströmungsweg
zu den Pumpenkammern eintritt.
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Die
Erfindung wird weiter rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 einen
Schnitt, der eine Kraftstoffpumpe gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt; und
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2 einen
Schnitt durch ein Teil der Pumpe von 1;
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3 eine
Längsansicht
des Teils der Pumpe von 2; und
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4 eine
perspektivische Ansicht eines Mitnehmer- oder Stößelelements, das einen Teil
der Kraftstoffpumpe von 1 bis 3 bildet.
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Unter
Bezugnahme auf 1 bis 3 ist dort
eine Hochdruckkraftstoffpumpe zur Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem
eines Verbrennungsmotors gezeigt. Insbesondere ist die Hochdruckkraftstoffpumpe
zur Verwendung bei der Zuführung
von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff zu einem Druckspeicher
oder der gemeinsamen Druckleitung (Common Rail) eines Common-Rail-Kraftstoffsystems
geeignet.
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Die
Pumpe umfasst drei gleichwinklig beabstandete Pumpenanordnungen 10a, 10b, 10c,
die sich radial um eine Antriebswelle 12 innerhalb eines Pumpengehäuses 18 herum
erstrecken. Die Antriebswelle 12 trägt eine Nockenanordnung 14,
die eine Nockenoberfläche
bildet, wobei die Nockenoberfläche
mit Rollenelementen 16a, 16b, 16c zusammenwirken
kann, die jeweils den Pumpenanordnungen 10a, 10b, 10c zugeordnet
sind. Die Pumpenanordnungen 10a, 10b, 10c sind
im wesentlichen einander gleich, und deshalb wird aus Zweckmäßigkeitsgründen nur
eine der Pumpenanordnungen 10a detailliert beschrieben.
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Das
Pumpengehäuse 18 ist
mit einer ersten Kolbenbohrung 19a versehen, innerhalb
welcher ein Pumpenkolben 20a hin und her bewegbar ist.
Die Kolbenbohrung 19a bildet eine Pumpenkammer 22a, der
im Betrieb Kraftstoff zugeführt
wird. Der Pumpenkolben 20a greift an einem Mitnehmer- oder
Stößelelement 24a an,
das Teil einer Mitnehmer- oder Stößelanordnung bildet, die im
allgemeinen als 17a bezeichnet ist, wobei das Mitnehmer-
oder Stößelelement 24a verschiebbar
in einer weiteren, im Pumpengehäuse 18 angeordneten
Mitnehmer- oder Stößelbohrung 26a angebracht
ist. Der Bereich 18a des Pumpengehäuses 18, innerhalb
dessen sich die Kolbenbohrung 19a befindet, kann als 'Kolbenabstützzylinder' bezeichnet werden.
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Das
Mitnehmer- oder Stößelelement 24a trägt das Rollenelement 16a,
das der Pumpenanordnung 10a zugeordnet ist, derart, dass
bei Drehung der Antriebswelle 12 um ihre Achse das Rollenelement 16a und
das Mitnehmer- oder Stößelelement 24a die
Hin- und Herbewegung auf den Pumpenkolben 20a überträgt. Die
Hin- und Herbewegung des Pumpenkolbens 20a ist derart,
dass während
der einwärts
gerichteten Bewegung des Pumpenkolbens 20a innerhalb der
Kolbenbohrung 19a (während
des vorwärts
gerichteten Hubs), der Pumpenkolben 20a bewegt wird, um
das Volumen der Pumpenkammer 22a zu verringern. Die Pumpenkammer 22a weist eine
zugeordnete Auslassventilanordnung 28a (wie in 1 gezeigt)
auf, die eine zugeordnete Feder 29a besitzt, welche dazu
dient, ein Auslassventilelement gegen einen Sitz zu drücken, um
zu verhindern, dass Kraftstoff aus der Pumpenkammer 22a in
den Kraftstoffzuführungsweg 31 strömt. Wenn
der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 22a über einen
vorbestimmten Wert hinaus erhöht
wird, wird bewirkt, dass sich das Auslassventilelement von seinem
Sitz weg anhebt, um es zu ermöglichen,
dass unter Druck gesetzter Kraftstoff in den Zuführungsweg 31 und zu
einem Common Rail oder einem Druckspeicher 30 strömt, der
dem Kraftstoffsystem zugeordnet ist. Es ist ersichtlich, dass unter
hohem Druck stehender Kraftstoff auch von den Pumpenkammern 22b, 22c,
die den Pumpenanordnungen 10b, 10c zugeordnet
sind, auf vergleichbare Weise zu dem Common Rail 30 strömt. Das
Schließen
der Auslassventilanordnung 28a erfolgt unter der Wirkung
der Feder 29a, wenn der Pumpenkolben 22a den oberen
Totpunkt erreicht hat und den Rückwärtshub beginnt.
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Die
Pumpenkammer 22a besitzt außerdem eine zugeordnete Einlassventilanordnung 32a,
wobei die Einlassventilanordnung 32a eine Öffnungsstellung
aufweist, in der Kraftstoff durch einen primären Druckübertragungszuführungsweg 34 der
Pumpenkammer 22a zugeführt
wird. Der primäre
Zuführungsweg 34 nimmt
Kraftstoff aus einem sekundären
Kraftstoffzuführungsweg 43 durch
eine Dosierventilanordnung 36 hindurch auf, die dazu dient,
mittels einer variablen Verengung die Strömungsrate von Kraftstoff zu
der Pumpenkammer 22a zu regeln. Die Strömung von Kraftstoff durch den
primären
Zuführungsweg 34 ist
deshalb eine dosierte Strömung
von Kraftstoff. Der sekundäre
Kraftstoffzuführungsweg 43 nimmt
Kraftstoff mit Übertragungsdruck
auf, wie nachstehend detaillierter beschrieben ist, und kann deshalb
als "Übertragungsdruckströmungsweg" bezeichnet werden.
Ein Druckregler 38 dient dazu, den Kraftstoffdruck am Einlass
der Dosierventilanordnung 36 zu regeln, um es überschüssigem Kraftstoff
zu ermöglichen,
aus dem Übertragungsdruckströmungsweg 43 zu
einem Versorgungsweg 33, der in Verbindung mit einem Kraftstoffspeicher 35 steht,
zurückzukehren.
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Es
ist ersichtlich, dass die Pumpenanordnungen 10b, 10c ebenfalls
zugeordnete Einlassventilanordnungen 32b bzw. 32c aufweisen,
durch die Kraftstoff vom primären
Kraftstoffzuführungsweg 34 den
jeweiligen Pumpenkammern 22b, 22c auf eine ähnliche
Weise zugeführt
wird, wobei der primäre Kraftstoffzuführungsweg 34 von
allen drei Pumpenanordnungen 10a, 10b, 10c gemeinsam
genutzt wird.
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Ein
Endbereich des Mitnehmer- oder Stößelelements 24a ist
mit einer zusätzlichen
Bohrung 70a ausgestattet, die sich teilweise entlang der
Längsachse
des Mitnehmer- oder Stößelelements 24a erstreckt.
Der Endbereich des Mitnehmer- oder Stößelelements 24a, der
einen Teil der Pumpenanordnung 10a bildet, bildet zusammen
mit der Mitnehmer- oder Stößelbohrung 26a,
innerhalb welcher das Mitnehmer- oder Stößelelement 24a hin
und her bewegbar ist, eine ringförmige
Hilfspumpenkammer 40a für Kraftstoff.
Die Hilfskammer 40a weist eine zugeordnete Einlassventilanordnung 42a auf,
die dazu dient, die Zuführung
von Kraftstoff vom Zuführungsweg 33 zu
der Hilfskammer 40a zu steuern, wobei Kraftstoff aus dem
Zuführungsweg 33 durch
die Einlassventilanordnung 42a hindurch über einen
im Pumpengehäuse 18 vorgesehenen
Strömungskanal 46 (wie
in 3 gezeigt) der Hilfskammer 40a zugeführt wird. Die
Hilfskammer 40a weist außerdem eine zugeordnete Auslassventilanordnung 44b auf,
die dazu dient, die Strömung
von Kraftstoff aus der Hilfskammer 40a durch den Strömungskanal 46 hindurch
in den Übertragungsdruckströmungsweg 43 zu
steuern.
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Die
Hilfspumpenkammern 40b, 40c besitzen ebenfalls
Einlass- und Auslassventilanordnungen 42b, 42c bzw. 44b 44c,
die ihnen zugeordnet sind, wobei Kraftstoff, der durch die Auslassventilanordnungen 44b, 44c aus
der jeweils zugehörigen
Hilfspumpenkammer 40b, 40c abgegeben wird, ebenfalls dem
sekundären
Zuführungsweg 43 zugeführt wird.
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Unter
Bezugnahme auf 4 steht die zusätzliche
Bohrung 70a, die sich teilweise entlang der Längsachse
des Mitnehmer- oder
Stößelelements 24a erstreckt, über sich
radial erstreckende Bohrungen 72 mit axialen Schlitzen
oder Öffnungen 74,
die an der Oberfläche
des Mitnehmer- oder Stößelelements 24a vorgesehen
sind, in Verbindung. Die in dem Mitnehmer- oder Stößelelement 24a vorhandene
Bohrung 70a sowie ein Bereich des Gehäuses 18 bilden zusammen
eine Arbeitskammer 51a für Kraftstoff. Die Arbeitskammer 51a steht über die
Bohrungen 72 und die in dem Mitnehmer- oder Stößelelement 24a vorhandenen Öffnungen 74 mit
einem weiteren Strömungsweg 52 für Kraftstoff
in Verbindung, wobei der weitere Strömungsweg 52 auch in
Verbindung mit entsprechenden Arbeitskammern steht, die den anderen
Pumpenanordnungen 10b, 10c zugeordnet sind. Die
Arbeitskammer 51a ist derart angeordnet, dass der Druck
von Kraftstoff innerhalb der Arbeitskammer 51a dazu dient,
das Kolbenelement 20a und das Mitnehmer- oder Stößelelement 24a in einer
radial nach innen gerichteten Richtung (d.h. nach außen aus
ihren jeweiligen Bohrungen) zu drücken, um einen Rückwärtshub durchzuführen.
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Die
Mitnehmer- oder Stößelelemente 24b, 24c sind
ebenfalls mit entsprechenden Öffnungen und
Bohrungen versehen, um für
eine Verbindung zwischen der jeweiligen Arbeitskammer 51b, 51c und
dem weiteren Strömungsweg 52 zu
sorgen, wobei die Öffnungen
in den Mitnehmer- oder Stößelelementen 24a, 24b, 24d derart
angeordnet sind, dass sie sicherstellen, dass die Arbeitskammern 51a, 51b, 51c während des
gesamten Bewegungsumfangs der Mitnehmer- oder Stößelelemente 24a, 24b, 24c sowohl
bei dem vorwärts
gerichteten Hub als auch bei dem Rückwärtshub in Verbindung mit dem
weiteren Strömungsweg 52 bleiben.
Die Verbindung zwischen den Arbeitskammern 51a, 51b, 51c über den
weiteren Strömungsweg 52 stellt
ein Mittel bereit, um jedes der Mitnehmer- oder Stößelelemente 24a, 24b, 24c für jeden
Pumpenhub in seine Ausgangsposition (äußerste Position innerhalb ihrer
jeweiligen Bohrungen) zurückzubringen.
Zweckmäßigerweise
kann deshalb der weitere Strömungsweg 52 als "Stößelrücklaufströmungsweg" bezeichnet werden,
durch den Kraftstoff in Abhängigkeit
von der Phase der Bewegung der Mitnehmer- oder Stößelelemente 24a, 24b, 24c und
folglich der Pumpenkolben 20a, 20b, 20c in
beiden Richtungen zwischen benachbarten Arbeitskammern strömt.
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Der
Stößelrücklaufströmungsweg 52 erhält durch
einen Hilfsströmungsweg 56,
der mit einer aufgesetzten oder Nachfüllventilanordnung 58 versehen ist,
Kraftstoff vom Übertragungsdruckströmungsweg 43.
Aus dem Stößelrücklaufkreislauf 52, 51a, 51b, 51c durch
Zwischenräume
zwischen den Stößelelementen 24a, 24b, 24c und
ihren jeweiligen Bohrungen 26a, 26b, 26c austretender
Kraftstoff kann durch eine Rückleckage-Ventilanordnung 63 über einen Rücklauf-Leckageströmungskanal 60 zu
dem Kraftstoffspeicher 35 strömen. Kraftstoff kann auch durch einen
verengten Strömungsweg 54 vom Übertragungsdruckströmungsweg 43 in
den zentralen Bereich des Gehäuses 18 fließen, um
für eine
Schmierung und Kühlung
der Nockenoberflächen,
der Rollen 16a, 16b, 16c und der Mitnehmer- oder Stößelelemente 24a, 24b, 24c zu
sorgen.
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Der
Pumpenkolben 20a wird mittels einer Federanordnung 48 in
einer Stellung innerhalb der Mitnehmer- oder Stößelbaugruppe 17a gehalten,
wobei die Federanordnung 48 in der Arbeitskammer 51a angeordnet
ist und in einer radial einwärts
gerichteten Richtung auf den Pumpenkolben 20a wirkt, um
sicherzustellen, dass der Pumpenkolben 20a, das Mitnehmer-
oder Stößelelement 24a,
das Rollenelement 16a und die Oberfläche der Nockenanordnung 14 während eines
anfänglichen
kurzen Zeitraums der Drehung, während
welchem der Stößelrücklaufströmungsweg 52 möglicherweise
nicht vollständig
gefüllt
ist, ordnungsgemäß im Kontakt
bleiben. Es ist ersichtlich, dass der Mitnehmer- oder Stößelrücklaufströmungsweg 52 vollständig gefüllt sein
muss, damit eine normale Hin- und Herbewegung stattfindet und damit
die Hilfspumpenwirkung den Kraftstoffstrom mit Übertragungsdruck korrekt zuführt. Dieser
Strom ist notwendig, um die Pumpenkammern 22a, 22b, 22c sowie
den Rücklaufströmungsweg 52 zu
füllen. Jedoch
sind bei sehr niedrigen Drehzahlen, direkt nach dem Starten des
Motors, relativ schwache Federn ausreichend, um die Hin- und Herbewegung
zu bewirken.
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Die
durch die Federanordnung 48a auf den Pumpenkolben 20a aufgebrachte
Last wirkt der Tendenz entgegen, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der
Arbeitskammer 51a den Pumpenkolben 20a in die
Pumpenkammer 22a drückt,
und stellt dadurch sicher, dass sich der Pumpenkolben 20a und
das Mitnehmer- oder Stößelelement 24a zusammen
radial nach innen bewegen. Zusätzlich
oder alternativ kann der Pumpenkolben 20a mechanisch in
seiner Lage in dem Mitnehmer- oder Stößelelement 24a gefangen sein.
Die Pumpenanordnungen 10b, 10c sind außerdem mit
entsprechenden Federanordnungen für den vorstehend mit Bezug
auf die Pumpenanordnung 10a beschriebenen Zweck versehen.
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Im
Betrieb werden, ausgehend von einer Stellung, in der das Mitnehmer-
oder Stößelelement 24a und
der Pumpenkolben 20a ihre zurückgezogene, äußerste Stellung
innerhalb der Bohrungen 26a bzw. 19a einnehmen
(d.h. am Ende eines Rückwärtshubs
vor einem nachfolgenden, vorwärts
gerichteten Pumpenhub), die Hilfskammer 40a und die Pumpenkammer 22a mit
Kraftstoff mit einem relativ niedrigen Druck befüllt. Die Drehung der Antriebswelle 12 und der
Nockenanordnung 14 bewirkt die Bewegung des Rollenelements 16a und
folglich die nach innen gerichtete Bewegung des Mitnehmer- oder
Stößelelements 24a und
des Pumpenkolbens 20a innerhalb ihrer jeweiligen Bohrungen 26a, 19a,
was zur Folge hat, dass Kraftstoff innerhalb der Pumpenkammer 22a komprimiert
wird. Das Vorsehen der Auslassventilanordnung 28a verhindert,
dass Kraftstoff aus der Pumpenkammer 22a zum Zuführungskanal 31 strömt, bis
ein solcher Zeitpunkt erreicht ist, zu dem der Kraftstoffdruck innerhalb
der Pumpenkammer 22a auf einen Wert angestiegen ist, der
ausreicht, um die von der Federanordnung 29a ausgehende
Kraft zu überwinden,
wodurch bewirkt wird, dass sich die Auslassventilanordnung 28a öffnet und
Kraftstoff aus der Pumpenkammer 22a in den Zuführungskanal 31 strömen kann.
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Da
sich das Mitnehmer- oder Stößelelement 24a innerhalb
der Bohrung 26a hin und her bewegt, wird Kraftstoff innerhalb
der Hilfskammer 40a unter Druck gesetzt, wodurch Kraftstoff
durch die Auslassventilanordnung 44a in den Übertragungsdruckströmungsweg 43 eingebracht
wird, wenn der Druck des Kraftstoffs innerhalb der Hilfskammer 40a ausreicht, um
zu bewirken, dass sich die Auslassventilanordnung 44a öffnet. Kraftstoff
innerhalb des Übertragungsdruckströmungswegs 43 wird
durch die Dosierventilanordnung 36 hindurch zu dem primären Zuführungsweg 34 und
durch die Eislassventilanordnung 32a hindurch, die der
Pumpenanordnung 10a zugeordnet ist, der Pumpenkammer 22b oder 22c zugeführt, die
einer der anderen Pumpenanordnungen 10b oder 10c zugeordnet
ist, in Abhängigkeit
von der Phase der Bewegung und davon, welche der Pumpenkammern 22b oder 22c ihr
Volumen vergrößert. Es
ist daher ersichtlich, dass die Strömung von Kraftstoff zu den
Pumpenkammern 22a, 22b, 22c durch die
Dosierventilanordnung 36 geregelt (oder dosiert) wird.
Des weiteren wird Kraftstoff von dem sekundären Zuführungsweg 43 durch
die Nachfüllventilanordnung 58 hindurch, wie
vorstehend beschrieben, an den Mitnehmer- oder Stößelrücklaufströmungsweg 52 abgegeben.
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Die
Hin- und Herbewegung des Mitnehmer- oder Stößelelements 24a innerhalb
der Bohrung 26a bewirkt, dass Kraftstoff innerhalb der
Hilfspumpenkammer 40a auf ein erstes, relativ niedriges
Niveau komprimiert wird, das als "Übertragungsdruck" bezeichnet wird.
So wird Kraftstoff, der durch die Auslassventilanordnung 44a hindurch
in den Übertragungsdruckströmungsweg 43 strömt, auf
den Übertragungsdruck
komprimiert, bevor er an den primären Kraftstoffzuführungsweg 34 und
damit an die zu füllende
unter den Pumpenkammern 22a, 22c, abgegeben wird.
Eine weitere Kompression des Kraftstoffs auf einen relativ hohen
Druck findet innerhalb der Pumpenkammern 22b, 22c statt,
da sich die jeweiligen Kolben 20b, 20c hin und
her bewegen.
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Die
vollständige
Pumpenanordnung umfasst drei Pumpenkreisläufe, einen Übertragungsdruckkreislauf (auf
der Grundlage der Hilfspumpenkammern 40a, 40b, 40c),
einen Hochdruckkreislauf (auf der Grundlage der Pumpenkammern 22a, 22b, 22c) und
einen Mitnehmer- oder Stößelrücklaufkreislauf (auf
der Grundlage der Arbeitskammern 51a, 51b, 51c).
Die Wirkungen eines jeden dieser Kreisläufe sind voneinander abhängig, koordiniert
und in abgestimmter Beziehung, so wie die Bewegung der drei Pumpenkolben 20a, 20b, 20c mit
derjenigen der entsprechenden Mitnehmer- oder Stößelelemente 24a, 24b, 24c auf
eine Weise abgestimmt ist, die von dem Profil der Nockenoberfläche abhängt.
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Durch
eine geeignete Gestaltung der Nockenoberfläche der Nockenanordnung wird
die Hin- und Herbewegung der Pumpenkolben und der Mitnehmer- oder
Stößelelemente
innerhalb ihrer jeweiligen Bohrungen auf zyklische Weise derart
abgestimmt, dass, wenn ein bestimmter Pumpenkolben, beispielsweise 20a,
von seiner unteren Totpunktstellung in seine obere Totpunktstellung
gedrückt
wird, das Volumen der zugeordneten Hilfskammer 40a abnimmt,
während
das Volumen der Hilfskammer 40b, 40c, die mindestens
einer der anderen Pumpenanordnungen 10b, 10c zugeordnet
ist, zunimmt. Dementsprechend besteht die Tendenz, dass Kraftstoff aus
dem Zuführungsweg 33 durch
die jeweilige Einlassventilanordnung 42a, 42b, 42c hindurch
in eine der Hilfskammern, deren Volumen sich erhöht, gesaugt wird. Günstigerweise
kann die Nockenanordnung eine im allgemeinen zylindrische Form besitzen,
wobei die Oberfläche
der Nockenanordnung einen einzigen Nocken aufweist.
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Es
ist ersichtlich, dass Kraftstoff aus allen drei Hilfspumpenkammern 40a, 40b, 40c dem
primären
Kraftstoffzuführungsweg 34 zugeführt wird
und aus dem primären
Kraftstoffzuführungsweg 34 allen drei
Pumpenkammern 22a, 22b, 22c zugeführt wird, wobei
die Kompression des Kraftstoffs innerhalb jeder der Pumpenkammern 22a, 22b, 22c auf
die vorstehend beschriebenen Weise derart stattfindet, dass Kraftstoff
durch die Auslassventilanordnungen 28a, 28b, 28c hindurch
dem gemeinsamen Zuführungskanal 31 zur
Abgabe an das Common Rail 30 zugeführt wird.
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Aufgrund
der abgestimmten Reziprokbewegung der Pumpenkolben 20a, 20b, 20c ist
die Strömungsrate
des Kraftstoffs in Richtung des Common Rail 30 für eine gegebene
Drehzahl der Pumpenantriebswelle 12 über den gesamten Pumpenzyklus
im wesentlichen konstant. Dies trifft jedoch nur zu, wenn jede der
Pumpenkammern 22a, 22b, 22c während ihres
jeweiligen Füll-
oder Rückwärtshubs
vollständig gefüllt wird.
Häufig
fehlt es an einem vollständigen Füllen der
Pumpenkammern 22a, 22b, 22c, da die durchschnittliche
Strömungsrate
des Kraftstoffs zum Common Rail 30 durch die Betätigung des
Dosierventils 36 gesteuert wird, das dazu dient, die Strömungsrate
des Kraftstoffs in den primären
Kraftstoffzuführungsweg 34 und
folglich in die Pumpenkammern 22a, 22b, 22c zu
beschränken,
wenn es erwünscht
ist, dass die Abgabemenge der Pumpe verringert wird. Unter solchen
Umständen
wird jede Pumpenkammer 22a, 22b, 22c zu
Beginn des vorwärts
gerichteten Pumpenhubs des zugeordneten Pumpenkolbens nur teilweise
gefüllt.
So kommt der Pumpenkolben innerhalb der jeweiligen Pumpenkammer
erst einige Zeit nach Beginn des vorwärts gerichteten Hubs, wenn
sich der Kolben bereits relativ schnell bewegt, mit Kraftstoff in
Kontakt.
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Der
Ausdehnungs- oder Füllhub
jeder Hilfskammer 40a, 40b, 40c (d.h.
die nach außen
gerichtete Bewegung der Mitnehmer- oder Stößelelemente 24a, 24b, 24c innerhalb
ihrer jeweiligen Bohrungen 26a, 26b, 26c)
erfolgt gleichzeitig mit derjenigen der jeweiligen Pumpenkammern 22a, 22b, 22c,
da sich der Pumpenkolben und das Mitnehmer- oder Stößelelement
jeder Pumpenanordnung 10a, 10b, 10c zu jeder
Zeit über
die gleiche Wegstrecke und mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen.
Die Einlassventilanordnung 42a, 42b, 42c zu
jeder Hilfspumpenkammer 40a, 40b, 40c ist
derart gestaltet, dass die Strömung
von Kraftstoff in jede Hilfspumpenkammer im wesentlichen uneingeschränkt ist,
wodurch ein möglicher
Druckabfall aufgrund von Ansaugung auf ein Minimum herabgesetzt
wird. Deshalb füllt
sich jede Hilfspumpenkammer 40a, 40b, 40c während des
Rückwärtshubs
immer, und der Fluss von Kraftstoff mit Übertragungsdruck aus den drei
Hilfspumpenkammern 40a, 40b, 40c durch
den Übertragungsdruckströmungsweg 43 hindurch
wird bei jeder beliebigen gegebenen Pumpengeschwindigkeit (d.h. für eine gegebene
Drehzahlgeschwindigkeit der Pumpenantriebswelle 12) auf
einer im wesentlichen konstanten Rate gehalten. Jeder übermäßige Stromfluss,
der in den Übertragungsdruckströmungsweg 43 eintritt
und nicht zum Füllen
der Pumpenkammern 22a, 22b, 22c benötigt wird,
wird durch den Regler 38 umgelenkt und im Kreislauf zurück zu dem
Pumpeneinlass geführt,
um die Hilfspumpenkammern 40a, 40b, 40c zu
füllen.
Es ist jedoch ersichtlich, dass die Strömung von Kraftstoff durch den
primären
Versorgungsweg 34 nicht konstant ist, sondern gemäß der Stellung
der Dosierventilanordnung 36 schwankt, die ihrerseits dazu
dient, die Strömung
von Kraftstoff zu den Pumpenkammern 22a, 22b, 22c zu
regeln.
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Wenn
der Kraftstoffdruck innerhalb der Arbeitskammer 51a während der
nach innen gerichteten Bewegung des Mitnehmer- oder Stößelelements 24a und
des Pumpenkolbens 20a innerhalb ihrer jeweiligen Bohrungen
erhöht
wird, wird die Kraft, die in einer radial nach innen gerichteten
Richtung auf die anderen Mitnehmer- oder Stößelelemente 24b, 24c wirkt,
ebenfalls erhöht.
Wenn der Pumpenkolben 20a seine obere Totpunktstellung
erreicht hat, dient die Kraft, die aufgrund des Kraftstoffdrucks
innerhalb der Arbeitskammer 51a auf das Mitnehmer- oder
Stößelelement 24a wirkt,
dazu, den Pumpenkolben 20a radial nach innen, auswärts aus
der Bohrung 19a zu drücken,
um das Volumen der Pumpenkammer 20a und das Volumen der
Hilfskammer 40a zu erhöhen. Des
weiteren stellt der Druck des Kraftstoffs, der auf das Stößelelement 24a wirkt,
sicher, dass das Rollenelement 16a während des Rückwärtshubs seinen Kontakt mit
der Nockenoberfläche
der Nockenanordnung 14 beibehält. Das Gesamtkraftstoffvolumen
innerhalb der Arbeitskammer 51a, die der Pumpenanordnung 10a zugeordnet
ist, der entsprechenden Arbeitskammern 51b, 51c,
die den Pumpenanordnungen 10b, 10c zugeordnet
sind, und des gemeinsamen Mitnehmer- oder Stößelrücklaufwegs 52 ist
deshalb im wesentlichen konstant, was einen geringen Betrag an Kraftstoffleckage
durch Zwischenräume
innerhalb der Pumpenanordnung ermöglicht, die durch den Rücklaufleckagekanal 60 austreten
kann, wie nachstehend detaillierter beschrieben wird. Da das Gesamtvolumen
der Arbeitskammer 51a und die Volumina der zugeordneten
Arbeitskammern 51b, 51c der Pumpenanordnungen 10b, 10c relativ
klein sind, ist die Größenordnung
der Strömung
zwischen den Arbeitskammern relativ gering, und parasitäre Pumpenverluste
werden dadurch verringert.
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Jede
Arbeitskammer 51a, 51b, 51c ist aufgrund
der Bauweise und Anordnung verschiedener radialer Zwischenräume oder
Spalte drei Kraftstoffleckagewegen ausgesetzt. Der erste Leckageweg
liegt zwischen dem Außendurchmesser
des Mitnehmer- oder Stößelelements 24a, 24b, 24c und
der entsprechenden Mitnehmer- oder Stößelbohrung 26a, 26b, 26c und
erstreckt sich mit einem relativ geringen Druck von den Öffnungen 74 der
Mitnehmer- oder Stößelelemente
radial nach innen zu dem Mitnehmer- oder Stößelrücklaufweg 52 und dem
Inneren des Nockenkastens oder Pumpengehäuses. Der Leckagestrom entlang
dieses ersten Leckagewegs verlässt
die Pumpe schließlich über das
Rücklaufleckageventil 63.
Der zweite Leckageweg ist eine Folge desselben Zwischenraums oder
Spaltes (nämlich zwischen
dem Außendurchmesser
des Mitnehmer- oder Stößelelements 24a, 24b, 24c und
der jeweiligen Mitnehmer- oder Stößelbohrung 26a, 26b, 26c), verläuft jedoch
in Richtung der zugeordneten Hilfspumpenkammer 40a, 40b, 40c.
Die Leckageströmung
entlang dieses zweiten Leckagewegs wird durch die Hilfspumpenkammer 40a, 40b, 40c in
dem Kreislauf zurückgeführt. Der
dritte Leckageweg ist auf den radialen Zwischenraum zwischen dem
Innendurchmesser der Mitnehmer- oder Stößelbohrung 70a, 70b, 70c und
dem Außendurchmesser
des benachbarten Bereichs 18a des Pumpengehäuses (als
Kolbenunterstützungszylinder
bezeichnet) zurückzuführen. Der
dritte Kraftstoffleckageweg hat einen Zugang zu der zugeordneten
Arbeitskammer 51a, 51b, 51c, der direkt
ist und nicht über
die Öffnungen 74 und
die Bohrung 72 erfolgt, und so wird die Leckage durch diesen
dritten Weg ebenfalls mit Hilfe der zugeordneten Hilfspumpenkammer 40a, 40b, 40c gesammelt
und im Kreislauf rückgeführt. So geht
nur die Kraftstoffleckage durch den ersten Leckageweg aus der Pumpe
verloren.
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Die
relativ kleine Größe jeder Öffnung 74 (d.h.
der Außenumfang
jeder Öffnung 74)
im Vergleich zum Außendurchmesser
der Mitnehmer- oder Stößelelemente 24a, 24b, 24c (d.h.
der Außenumfang
der Öffnung 74 im
Vergleich zum Außendurchmesser
des Mitnehmer- oder Stößelelements)
dient dazu, den Leckageströmungsbereich
des ersten Leckagewegs, durch den hindurch unter Druck gesetzter
Kraftstoff in den Stößelrücklaufströmungspfad 52 strömen kann,
auf ein Minimum herabzusetzen. Die Richtung des Kraftstoffflusses
entlang jedes Zwischenraums oder Spalts hängt von der Richtung ab, in
der der Druckgradient, falls vorhanden, wirkt. Wenn die Arbeitskammer 51a, 51b, 51c pumpt
und deshalb ihr Volumen verkleinert, verkleinert sich auch das Volumen
der zugehörigen
Hilfskammer 40a, 40b, 40c, und ein unerwünschter
Austausch von Kraftstoff zwischen den beiden ist deshalb auf ein
Minimum herabgesetzt. Der Druck innerhalb des Mitnehmer- oder Stößelrücklaufkreislaufs
hat die Tendenz, sich mit der Drehzahl der Pumpe zu erhöhen, wenn
der Trägheitswiderstand
des Mitnehmer- oder Stößelelements zunimmt;
jedoch nimmt die Zeit ab, die für
die Leckage während
jedes Hubs verfügbar
ist, und folglich sind Leckageverluste aus dem Mitnehmer- oder Stößelrücklaufkreislauf 52, 51a, 51b, 51c gering.
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Um
jede unerwünschte
Erhöhung
des Kraftstoffdrucks innerhalb des Rücklaufkanals 52 (d.h. Druck-"spitzen") zu vermeiden, kann
es bevorzugt sein, eine Dämpfungsanordnung
oder einen Dämpferkreislauf 62 in
die Kraftstoffpumpe (wie in 1 gezeigt)
aufzunehmen, um für
eine gewisse volumetrische Nachgiebigkeit zu sorgen.
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Da
die Kompression von Kraftstoff auf Übertragungsdruck innerhalb
der Hilfspumpenkammern 40a, 40b, 40c im
Pumpengehäuse 18 stattfindet,
besteht kein Bedarf an einer separaten Hilfs- oder Übertragungspumpe. Folglich
sind die Komplexität,
das Gewicht, die Größe und die
Kosten der Kraftstoffpumpe verringert. Des weiteren kann, da Kraftstoff
innerhalb der Hilfskammer 40a nur auf ein relativ niedriges
Niveau komprimiert wird und deshalb durch den Verlust an Volumen
aufgrund der Verdichtbarkeit in vernachlässigbarer Weise beeinträchtigt ist,
sodass ein Minimieren des Volumens der unter Druck stehenden Kammern
keine Bedeutung hat, sowohl die Strömung von Kraftstoff zur Hilfskammer 40a hin
als auch aus der Hilfskammer 40a heraus durch einen gemeinsamen
Strömungskanal 46 fließen, was
bezüglich
der Pumpengröße und -komplexität einen weiteren
Nutzen darstellt.
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Die
vorliegende Erfindung hat den weiteren Vorteil, dass der Kolben-Rückwärtshub durch
den Kraftstoffdruck innerhalb der Arbeitskammern angetrieben wird,
die teilweise durch die in den Mitnehmer- oder Stößelelementen
vorhandenen Bohrungen 70a, 70b, 70c gebildet
sind, was den Bedarf an einer relativ großen Feder beseitigt. Des weiteren
ist die Anordnung der Strömungswege,
die erforderlich sind, um für
eine Verbindung zwischen den Hilfspumpenkammern 40a, 40b, 40c und
den Pumpenkammern 22a, 22b, 22c zu sorgen,
relativ einfach.
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Die
Kraftstoffpumpe der vorliegenden Erfindung ist besonders zur Verwendung
beim Zuführen von
unter hohem Druck stehendem Kraftstoff zu dem Kraftstoffeinspritzsystem
eines Verbrennungsmotors geeignet. Es ist jedoch ersichtlich, dass
die Pumpe auch bei anderen Anwendungen eingesetzt werden kann. Es
ist des weiteren ersichtlich, dass die Antriebsanordnung für die Pumpe
nicht die Form der gezeigten Nockenanordnung haben muss, sondern eine
andere Form haben kann.