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Diese
Erfindung betrifft eine hydraulische Pumpe zum Beaufschlagen von
Flüssigkeiten
mit Druck und insbesondere eine hydraulische Pumpe für Kraftstoff.
Die Pumpe kann insbesondere in Kraftstoff-Einspritzsystemen angewendet
werden, um unter hohem Druck stehenden Kraftstoff an einen Verbrennungsmotor
mit Verdichtungszündung
abzugeben, und eignet sich ganz besonders, jedoch nicht ausschließlich, für die Verwendung
in Kraftstoff Einspritzsystemen mit gemeinsamer Druckleitung ("common rail").
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Viele
gängige
Kraftstoff-Einspritzsysteme für Motoren
mit Verdichtungszündung
sind vom "common
rail"-Typ, bei welchem
Kraftstoff mit Hilfe einer Pumpe unter einen hohen Druck gesetzt
wird, um einem Speichervolumen in Gestalt einer gemeinsamen Druckleitung
(eines "common rail") Kraftstoff zuzuführen. Die
gemeinsame Druckleitung versorgt Einspritzventile des Systems mit
Kraftstoff zu dessen Abgabe an die Zylinder des zugehörigen Motors. Eine
bekannte Pumpe der vorgenannten Art ist in der ebenfalls in unserem
Namen eingereichten Anmeldung
EP 1 184 568 A beschrieben und umfasst drei Pumpenkolben,
die an gleichwinklig voneinander beabstandeten Orten rund um einen
Nocken angeordnet sind, der auf einer motorbetriebenen Nockenwelle
sitzt. Die Oberfläche
der Nocke wirkt mit allen drei Kolben zusammen, so dass dann, wenn
der Nocken angetrieben wird, jeder der Kolben veranlasst wird, sich
innerhalb einer Kolbenbohrung in einer phasischen, zyklischen Weise
hin und her zu bewegen. Als Folge der Hin- und -Herbewegung eines
jeden Kolbens wird Kraftstoff innerhalb einer zugehörigen Pumpenkammer
zur Abgabe an die gemeinsame Druckleitung unter einen hohen Druck
gesetzt. Die Verwendung von drei Kolben hat sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, weil die auf der Nockenwelle ruhende Belastung über eine
vollständige,
360 Grad betragende Drehung der Nocke hinweg im Wesentlichen konstant
ist. Zugeordnete Einlass- und Ausgabeventile steuern jeweils die
Zufuhr von Kraftstoff in jede und aus jeder Pumpenkammer. Dies ist
jedoch von Nachteil, weil eine Mehrzahl von Einlass- und Abgabeventilen
erforderlich ist, die signifikant zu den Gesamtkosten der Pumpe
beitragen.
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Es
sind Pumpen für
Gase bekannt, in denen das Erfordernis für Einlass- und Abgabeventile
in einem dualen Kolbenschema weggefallen ist. Dies wird durch das
Zusammenwirken von ersten und zweiten Pumpenkolben der Pumpe mit entsprechenden
Einlass- und Auslassöffnungen
der Pumpenkammer erreicht. Einer der Kolben wirkt mit der Einlassöffnung zusammen,
um den Strom in die Pumpenkammer zu steuern, und der andere Kolben
wirkt mit der Auslassöffnung
zusammen, um den Strom aus der Pumpenkammer heraus zu steuern. Die
Kolben werden annähernd
sinusförmig
betrieben, typischerweise mit Hilfe einer Kurbelwelle und Verbindungsstangen
oder mit Hilfe einer exzentrischen Nocke. Solche Pumpen können verwendet
werden, um Gase auf Grund ihrer Kompressibilität zu pumpen, aber wenn sie
auf diese Art und Weise angetrieben werden, ist es nicht möglich, derartige
Pumpen mit Flüssigkeiten
zu betreiben, weil sich eine hydraulische Sperre in der Pumpenkammer
für Zeiträume des
Pumpenzyklus' bildet,
in denen sowohl die Einlass- als auch die Auslassöffnung geschlossen
sind.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine hydraulische Pumpe
bereitzustellen, die sich für
die Verwendung in einem Kraftstoff-Einspritzsystem eines Motors
mit Kompressionszündung
eignet und die die vorgenannten Probleme abmildert oder beseitigt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine hydraulische Pumpe zum Ausführen eines Pumpenzyklus' mit einer Füllphase,
während
der eine Flüssigkeit
durch eine Einlassöffnung
einem Pumpenvolumen zugeführt
wird, und einer Pumpphase, während
der Flüssigkeit
aus dem Pumpenvolumen durch eine Ausgabeöffnung gefördert wird, bereitgestellt, wobei
die Pumpe umfasst:
einen Füllkolben,
der mit der Einlassöffnung
zusammenwirken kann, um die Förderung
von Flüssigkeit
in das Pumpenvolumen hinein zu steuern,
einen Förderkolben,
der mit der Ausgabeöffnung
zusammenwirken kann, um die Förderung
von Flüssigkeit
aus dem Pumpenvolumen heraus zu steuern, wobei jeder der beiden,
der Füll-
und der Förderkolben,
während
des Betriebs derart angetrieben wird, dass er einen Förderhub
und einen Rückhub
ausführt und
dass die Bewegung des einen der genannten Kolben zur Bewegung des
anderen der genannten Kolben phasenverschoben ist,
und worin
einer der beiden, der Füll-
oder der Förderkolben,
mit einem federnden Mittel ausgestattet ist, das dazu dient, dem
Flüssigkeitsdruck
innerhalb des Pumpenvolumens entgegenzuwirken, um eine Veränderung
der wirksamen Länge
des genannten Kolbens über
den gesamten Pumpenzyklus hinweg zu ermöglichen und dadurch sicherzustellen,
dass das Pumpenvolumen während
eines Zeitraums des Pumpenzyklus' im Wesentlichen
konstant bleibt, während welchem
sowohl die Einlass- als auch die Ausgabeöffnung geschlossen sind.
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Es
ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, dass das Erfordernis,
dass Einlass- und
Ausgabeventile den Strom in die und aus der Pumpenkammer steuern,
vermieden wird, und dass die Kolben selbst mit den Einlass- und
Ausgabeöffnungen
zusammenwirken, um die Ventilfunktion bereitzustellen. Darüber hinaus
erfordert die Pumpe nur den Einsatz von zwei Kolben.
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Bei
Gaspumpen ist es bekannt, Kolben einzusetzen, die mit Einlass- und
Ausgabeöffnungen
einer Kammer zusammenwirken, um den Strom in eine Pumpenkammer und
aus dieser heraus zu steuern. Die Kolben werden so angetrieben,
dass sie annähernd
oder im Wesentlichen eine sinusförmige
Bewegung ausführen,
und während
des Pumpenzyklus' gibt
es Zeiträume,
in denen sich das Volumen der Pumpenkammer ändert und in denen sowohl die
Einlassöffnung
als auch die Ausgabeöffnung
durch den jeweiligen Kolben geschlossen ist. Bei einer Gaspumpe
ist dies auf Grund der Kompressibilität von Gas kein Problem, aber
es ist nicht möglich,
diese Technologie auf eine hydraulische Pumpe zu übertragen,
weil das sich ändernde
Volumen der Pumpenkammer während
Zeitabschnitten, in denen beide Öffnungen
geschlossen sind, zu einer hydraulischen Blockade führt und
die Pumpe nicht laufen kann.
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Der
Erfinder hat dieses Problem dadurch beseitigt, dass er realisieren
konnte, dass die Pumpenkammer während
des Zeitabschnitts, zu dem beide Öffnungen geschlossen sind,
auf einem im Wesentlichen konstanten Volumen gehalten werden kann,
indem er es möglich
machte, dass die effektive Länge eines
der Kolben über
den Pumpenzyklus hinweg verändert
wird. Die Lösung
dieses Problems wird dadurch erreicht, dass einer der Kolben mit
einem federnden Mittel in Gestalt einer Feder ausgestattet ist, die
vorgespannt ist, um dem Flüssigkeitsdruck
innerhalb des Pumpenvolumens entgegenzuwirken, wobei die Vorspannung
so gewählt
ist, dass sie größer als
der Flüssigkeitsdruck
innerhalb des Pumpenvolumens während
der Füllphase,
aber geringer als der Flüssigkeitsdruck
innerhalb des Pumpenvolumens während
der Pumpphase ist. Die Vorspannung hat die Wirkung, die wirksame
Länge des
Förderkolbens während des
Kolben-Rückhubs
zu verringern und den Kolben während
eines anfänglichen
Teils des Rückhubs
auf seiner geringeren wirksamen Länge zu halten, um die Ausgabeöffnung für einen
längeren Zeitraum
offen zu halten und das Volumen der Pumpenkammer während des
Zeitraums, bei dem sowohl die Ausgabeöffnung als auch die Einlassöffnung geschlossen
sind, auf einem im Wesentlichen konstanten Wert zu halten. Das Auftreten
einer hydraulischen Sperre wird dadurch vermieden.
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Es
sollte klar sein, dass die Eigenschaften von Gas und die Charakteristika
eines Gasstroms völlig
anders sind als diejenigen von Flüssigkeiten, und dies erzeugt
technische Probleme, wenn die Technologie von Gaspumpen auf hydraulische
Anwendungen übertragen
werden soll. Der Erfinder hat diese technischen Probleme durch die
Erfindung gelöst,
wie sie in diesem Dokument dargestellt ist.
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In
einer bevorzugen Ausführungsform
werden der Füll-
und der Förderkolben
während
des Betriebs durch eine Nockenanordnung angetrieben, die eine erste
und eine zweite Nocke zum Antreiben von jeweils einem der beiden,
dem Füll-
und dem Förderkolben
umfasst, und zwar derart, dass diese eine annähernd sinusförmige Bewegung
ausführen.
Die erste und die zweite Nocke können
eine im Wesentlichen identische Form besitzen und können winklig versetzt
zueinander rund um eine gemeinsame Nockenwelle angeordnet sein.
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Alternativ
können
der Füll-
und der Förderkolben
mit Hilfe einer gemeinsamen Nockenanordnung angetrieben werden,
wobei der Füll-
und der Förderkolben
winklig rund um eine Nocke der Anordnung angeordnet sind.
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Die
Nockenanordnung kann so ausgebildet sein, dass die Bewegung des
Füllkolbens
relativ zu der des Förderkolbens
um zwischen 110 und 130 Grad und stärker bevorzugt um zwischen
120 und 130 Grad phasenverschoben ist.
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Es
hat sich herausgestellt, dass ein besonderer Vorteil dann erhalten
wird, wenn die Bewegung der Kolben um im Wesentlichen 130 Grad phasenverschoben
ist.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Pumpe ist der Füllkolben
mit dem federnden Mittel versehen, und der Füllkolben kann aus einem ersten
und einem zweiten Füllkolben-Teil
gebildet sein, wobei das federnde Mittel zwischen dem ersten und
dem zweiten Teil des Füllkolbens
angeordnet ist.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Pumpe ist der Förderkolben
mit dem federnden Mittel versehen, und der Förderkolben kann aus einem ersten und
einem zweiten Förderkolbenteil
gebildet sein, wobei das federnde Mittel zwischen dem ersten und dem
zweiten Teil des Förderkolbens
angeordnet ist.
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Das
federnde Mittel besitzt eine Vorspannung, die so gewählt ist,
dass sie größer als
der Flüssigkeitsdruck
innerhalb des Pumpenvolumens während
der Füllphase,
aber geringer als der Flüssigkeitsdruck
innerhalb des Pumpenvolumens während der
Pumpphase ist, und wobei das federnde Mittel dann, wenn der erwähnte Flüssigkeitsdruck
geringer als die Vorspannung ist, einen entspannten Zustand annimmt,
und dann, wenn der erwähnte
Flüssigkeitsdruck
die genannte Vorspannung übersteigt,
in einen zusammengedrückten
Zustand gedrängt
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst der zweite Kobenteil ein Anschlagelement zum Angreifen an
dem ersten Kolbenteil, wenn das federnde Mittel sich in vollständig zusammengedrücktem Zustand
befindet.
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Die
Pumpe kann auch ein Einstellmittel umfassen, um das Ausmaß der Veränderungen
der wirksamen Länge
des Kolbens, die während
des Betriebs erlaubt ist, einzustellen.
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Das
Einstellmittel kann ein Mittel zum Einstellen der Stellung des Anschlagelements
relativ zu dem zweiten Kolbenteil umfassen. Das Einstellmittel kann
die Gestalt einer Anordnung mit Schraubgewinde annehmen, die das
Anschlagelement an den zweiten Kolbenteil koppelt.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann das Einstellmittel ein Mittel zum Verändern der Vorspannung des federnden
Mittels umfassen. Beispielsweise kann das Einstellmittel eine Beilegscheibe
oder ein anderes Zwischenstück
umfassen, die/das zwischen der Feder und dem zweiten Kolbenteil
angeordnet ist, wobei es das Vorsehen einer Beilegscheibe mit unterschiedlicher
Größe möglich macht,
unterschiedliche Werte für
die Vorspannung des federnden Mittels einzustellen.
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In
einer Ausführungsform
besitzt das federnde Mittel die Gestalt einer Druckfeder. Alternativ
kann es die Gestalt einer Gummifeder oder einer pneumatischen oder
hydraulischen Vorrichtung annehmen.
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Die
Pumpe eignet sich ganz besonders für die Verwendung zum Pumpen
von Kraftstoff zur Abgabe an einen Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung und
insbesondere zur Abgabe von Kraftstoff an eine gemeinsame Druckleitung
eines Kraftstoff-Einspritzsystems für einen solchen Motor.
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Die
Erfindung wird nachstehend rein beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, worin:
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1 eine
schematische Darstellung ist, die eine Vorderansicht eines Teils
einer bekannten Gaspumpe mit einem ersten und einem zweiten Kolben zeigt,
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2 eine
schematische Darstellung ist, die eine seitliche, perspektivische
Ansicht der Gaspumpe gemäß 1 zeigt,
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3 eine
graphische Darstellung ist, die bestimmte Charakteristika der Kolbenbewegung
für die
Gaspumpe gemäß den 1 und 2 zeigt,
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4 eine
schematische Darstellung ist, die eine Vorderansicht einer ersten
Ausführungsform
einer hydraulischen Pumpe der vorliegenden Erfindung zeigt,
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5 eine
vergrößerte Ansicht
eines Förderkolbens
ist, der Teil der hydraulischen Pumpe gemäß 4 ist, und
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6 eine
graphische Darstellung ist, die bestimmte Charakteristika der Kolbenbewegung
für die
Ausführungsform
der in den 4 und 5 gezeigten
hydraulischen Pumpe zeigt.
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Die
hydraulische Pumpe der vorliegenden Erfindung ist besonders vorteilhaft,
wenn sie als Kraftstoffpumpe eines Kraftstoff-Einspritzsystems für einen
Motor mit Kompressionszündung
eingesetzt wird. Es gibt zahlreiche bekannte Gestaltungen für solche
Pumpen, und in jüngerer
Zeit hat man sich auf Pumpen zur Verwendung in Kraftstoff-Einspritzsystemen
mit gemeinsamer Druckleitung konzentriert, in welchen die Pumpe
einer gemeinsamen Druckleitung unter Druck stehenden Kraftstoff
zur Abgabe an eine Mehrzahl von Einspritzventilen des Systems zuführt. Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoff-Pumpe bereitzustellen,
die sich zur Verwendung in einem Kraftstoff-Einspritzsystem mit gemeinsamer Druckleitung
eignet, die jedoch einen Kostenvorteil im Vergleich zu bekannten
Gestaltungen besitzt, indem es nicht mehr notwendig ist, Einlass-
und Ausgabeventile bereitzustellen. Es ist zu würdigen, dass Pumpen, die dieses
Merkmal nutzen, auf dem Gebiet der Gaspumpentechnologie existieren,
und zur Beleuchtung des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung
wird eine solche Form einer Gaspumpe dieser Art nachstehend beschrieben.
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Zu
diesem Zweck sei auf die 1 und 2 verwiesen.
In diesen ist eine bekannte Form einer Gaspumpe gezeigt, die einen
ersten und einen zweiten Kolben 10, 12 mit zylindrischer
Gestalt aufweist, die im Gebrauch jeweils mit Hilfe einer entsprechenden
Nocke 14, 16 angetrieben werden. Diese beiden
wiederum werden von einer gemeinsamen, motorbetriebenen Nockenwelle
getragen. Wenn die Nockenwelle 18 gedreht wird, bewegt
sich jeder der Kolben 10, 12 in einer entsprechenden
Bohrung 20, 22 hin und her. Die Bohrungen 20, 22 sind
in einem Pumpengehäuse 24 ausgebildet,
kommunizieren miteinander und bilden zusammen mit Endflächen 10a, 12a des
ersten beziehungsweise des zweiten Kolbens 10, 12 ein
Pumpenvolumen oder eine Pumpenkammer 26 zur Aufnahme eines
Gases.
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Das
Pumpengehäuse
ist mit einer ersten und einer zweiten Öffnung 30, 32 versehen,
die eine Einlass- beziehungsweise eine Ausgabeöffnung zu beziehungsweise von
der Pumpenkammer 26 bilden. Gas mit relativ geringem Druck
wird der Pumpenkammer durch die Einlassöffnung 30 zugeführt, und Gas
wird aus der Pumpenkammer 26 durch die Ausgabeöffnung 32 abgepumpt.
Die äußere zylindrische Oberfläche des
ersten Kolbens 10 (bezeichnet als "Füllkolben") wirkt mit der Einlassöffnung 30 zusammen,
während
sich der Kolben 10 innerhalb seiner Bohrung 20 hin-
und herbewegt, so dass eine Ventilfunktion für die Einlassöffnung 30 bereitgestellt
wird. Wenn der Füllkolben 10 also
Stellungen in der Bohrung 20 einnimmt, bei denen die äußere Oberfläche des
Kolbens 10 die Einlassöffnung 30 abdeckt,
kann kein Gas durch die Einlassöffnung 30 in
die Pumpenkammer 26 (oder aus ihr heraus) strömen. Wenn
die Oberfläche
des Füllkolbens 10 die
Anlassöffnung 30 freilegt,
ist ein Gasstrom in die Pumpenkammer 26 möglich.
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In
vergleichbarer Weise wirkt die äußere zylindrische
Oberfläche
des zweiten Kolbens 12 (bezeichnet als "Förderkolben") mit der Ausgabeöffnung 30 zusammen,
während
sich der Kolben 12 innerhalb seiner Bohrung 22 hin-
und herbewegt, so dass eine Ventilfunktion für die Ausgabeöffnung 32 bereitgestellt
wird. Wenn also der Förderkolben 12 Stellungen in
der Bohrung 22 einnimmt, bei denen die äußere Oberfläche des Kolbens 12 die
Ausgabeöffnung 32 abdeckt,
kann kein Gas durch die Ausgabeöffnung 32 aus
der Pumpenkammer 26 (oder in diese hinein) strömen.
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Wenn
die Nockenwelle 18 um ihren vollen 360 Grad-Kreis gedreht
wird, wird jeder Kolben 10, 12 unter dem Einfluss
seiner entsprechenden Nocke so angetrieben, dass er eine sinusförmige Bewegung ausführt, wobei
jeder Kolben einen Förderhub
und einen Rückhub
ausführt.
Während
seines Förderhubs wird
jeder Kolben 10, 12 in seiner Bohrung 20, 22 nach
innen in eine Richtung getrieben, durch die die entsprechende Öffnung 30, 32 geschlossen
wird, und eine fortgesetzte Bewegung während des Förderhubs im Anschluss hieran
hält die Öffnung 30, 32 in ihrem
geschlossenen Zustand. Während
die Kolben ihren jeweiligen Förderhub
ausführen,
verringert sich das Volumen der Pumpenkammer 26 oberhalb
des zugehörigen
Kolbens. Während
des Rückhubs
bewegt sich jeder Kolben 10, 12 aus seiner Bohrung 20, 22 nach
außen
in einer Richtung, durch die die entsprechende Öffnung 30, 32 geöffnet wird,
und die fortgesetzte Bewegung während
des Rückhubs
im Anschluss hieran hält
die Öffnung 30, 32 in
ihrem offenen Zustand. Jeder Kolben 10, 12 wird
als Folge der Kraft, die auf dem auf die oberste Endfläche des Kolbens
einwirkenden Gas beruht, nach außen gedrückt, so dass sich das Volumen
der Pumpenkammer 26 oberhalb des Kolbens während des
Kolbenrückhubs
vergrößert.
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Die
Nocken 14, 16 für den Füll- beziehungsweise den Förderkolben 10, 12 besitzen
eine identische Gestalt und sind exzentrisch auf der Nockenwelle 18 angebracht
(was man am besten aus 2 ersehen kann). Die Nocken 14, 16 sind
relativ zueinander um 120 Grad versetzt angeordnet, und deshalb
ist die sinusförmige
Bewegung der Kolben um 120 Grad phasenverschoben.
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3 erläutert die
Charakteristika der Kolbenbewegung über den Pumpenzyklus hinweg.
Die Linie 40 (durchgezogene Linie) stellt die Bewegung des
Füllkolbens 10 über den
Pumpenzyklus hinweg (das heißt
für eine
360-Grad-Drehung der Nocke 14) dar, und die Linie 42 (gestrichelte
Linie) stellt die Bewegung des Förderkolbens 12 über den
Pumpenzyklus hinweg (das heißt
für eine
360-Grad-Drehung der Nocke 16) dar. Die Linie 44 (durchgezogene
Linie) steht für
den Zeitabschnitt, währenddessen
die Einlassöffnungen 30 durch
den Füllkolben 10 freigelegt
ist, und die Linie 46 (gestrichelte Linie) steht für den Zeitabschnitt,
währenddessen
die Einlassöffnung 32 durch
den Förderkolben 12 freigelegt
ist. Die Linie 48 (strichpunktierte Linie) stellt eine
Angabe des Volumens der Pumpenkammer über einen Pumpenzyklus von
360 Grad dar.
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Zu
Beginn des Pumpenzyklus' (0
Grad Nockendrehung) befindet sich der Füllkolben 10 an seiner äußersten
Stellung innerhalb seiner Bohrung 20 (bezeichnet als (bodenseitiger
Totpunkt"), und
dementsprechend ist die Einlassöffnung 30 nicht
abgedeckt. Bis zu einem solchen Zeitpunkt, bei dem der Füllkolben 10 in
eine Stellung getrieben wird, in der seine äußere Oberfläche die Einlassöffnung 30 abdeckt
(bei etwa 70 Grad) kann Gas in die Pumpenkammer 26 fließen. Während dieses
Zeitraums, zwischen 0 Grad und 70 Grad, bewegt sich der Förderkolben 12 aus
seiner Bohrung 22 heraus (mit seinem Rückhub), und die Ausgabeöffnung 32 ist
geschlossen, so dass Gas nicht aus der Pumpenkammer 26 entweichen
kann. Wenn die Einlassöffnung 30 durch den
Füllkolben 10 abgedeckt
wird, ist der weitere Gasstrom in die Pumpenkammer 26 unterbunden. Schließlich wird
der Förderkolben 12 über den
Punkt hinaus bewegt, an welchem die Ausgabeöffnung 32 freigelegt
wird (ungefähr
70 Grad), und die Ausgabeöffnung 32 öffnet sich,
was es möglich
macht, dass gepumptes Gas durch die Öffnung 32 aus der
Kammer 26 entweichen kann.
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Bei
etwa 135 Grad Nockendrehung erreicht der Förderkolben 12 das
Ende seines Rückhubs
(das heißt,
den "bodenseitigen
Totpunkt") und beginnt
seinen Förderhub.
Der Förderhub
des Förderkolbens 12 setzt
sich bis etwa 315 Grad der Nockendrehung fort, wo er seine innerste
Stellung in der Bohrung 22 (bezeichnet als "oberen Totpunkt") erreicht. Nach
etwa 200 Grad Nockendrehung lässt
sich erkennen, dass die Ausgabeöffnung 32 verschlossen
wird, verursacht vom Förderkolben 12,
was es verhindert, dass weiterhin Gas durch die Ausgabeöffnung 32 abgegeben
wird. Während
dieses Zeitabschnitts der Nockendrehung, zwischen 200 und 300 Grad,
lässt sich anhand
der Linie 48 erkennen, dass sich das Volumen der Pumpenkammer 26 ändert, dass
jedoch die Einlassöffnung 30 vom
Füllkolben 10 verschlossen bleibt
(so dass kein weiteres Gas einströmen kann), und dass die Ausgabeöffnung 10 verschlossen
ist (so dass kein weiteres Gas ausströmen kann).
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Die
hydraulische Pumpe einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist in 4 dargestellt, und sie eignet
sich insbesondere zur Verwendung als Hochdruckpumpe für ein Kraftstoff-Einspritzsystem
eines Motors mit Kompressionszündung.
Die Pumpe umfasst einen ersten und einen zweiten Kolben, einen Füllkolben 110 und
einen Förderkolben 112,
die sich beide innerhalb einer entsprechenden, in einem Pumpengehäuse 124 vorhandenen
Bohrung 120, 122 unter dem Einfluss einer entsprechenden,
auf einer gemeinsamen Nockenwelle 118 angebrachten Nocke 114, 116 hin-
und herbewegen können,
wie zuvor für
die Pumpe der 1 beschrieben. Die Bohrungen 120, 122 stehen über ihre
obersten Enden (in der dargestellten Orientierung) miteinander in
Verbindung und bilden zusammen mit Endflächen des Füll- und des Förderkolbens 110, 112 eine
Pumpenkammer 126 zur Aufnahme von Kraftstoff, die über eine
Pumpen-Einlassöffnung 130 erfolgt,
welche in einer Wand des Pumpengehäuses 124 vorhanden
ist. Der Füllkolben 110 wirkt mit
der Einlassöffnung 130 zusammen,
wodurch ein Mittel zum Steuern des Kraftstoffstroms von einer Niederdruck-Kraftstoffversorgung
in die Pumpenkammer 126 bereitgestellt wird. Eine Ausgabeöffnung 132 ist
ebenfalls im Bereich der Bohrung 122 in dem Pumpengehäuse 124 vorgesehen,
und die äußere Oberfläche des
Förderkolbens 112 wirkt
mit der Ausgabeöffnung 132 zusammen,
wodurch ein Mittel zum Steuern der Abgabe von unter Druck stehendem Kraftstoff
aus der Pumpenkammer 126 an ein Volumen für Hochdruck-Kraftstoff
bereitgestellt wird. Typischerweise kann die Niederdruck-Kraftstoffversorgung
eine Niederdruckpumpe sein, beispielsweise eine Transferpumpe, und
das Volumen für
unter hohem Druck stehenden Kraftstoff kann ein "common rail", d.h. eine gemeinsame Druckleitung
eines Kraftstoff Einspritzsystems sein.
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Wie
man deutlicher aus 5 entnehmen kann, ist der Förderkolben 112 aus
zwei Teilen gebildet, einem ersten, oberen Teil 112a und
einen zweiten, unteren Teil 112b, zwischen denen ein federndes oder
elastisches Mittel in Gestalt einer Druckfeder 150 innerhalb
einer Federkammer 148 angeordnet ist. Der obere Teil 112a des
Förderkolbens 112 wirkt mit
der Abgabeöffnung 132 zusammen,
um den Kraftstoff-Strom
aus der Kammer 126 zu steuern. Der untere Teil 112b des
Förderkolbens 112 ist
mit einem Anlagestück
oder Anschlag 112c ausgestattet, der sich über einen
Teil des Wegs durch die Feder 150 erstreckt und der, an
seinem oberen Ende, eine Anschlagfläche 112d bildet, die
während
gewisser Phasen des Pumpzyklus' an
dem oberen Teil 112a des Förderkolbens 112 angreifen
kann. Die Feder 150 ist so gewählt, dass sie eine Vorspannung
besitzt, die dem Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 126 entgegenwirkt,
und sie wird entweder in einen entspannten Zustand (wie in 5 gezeigt)
gedrängt,
wenn die Vorspannung stärker
ist als der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 126, oder
sie wird in einen zusammengedrückten
Zustand gedrängt,
wenn der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 126 stärker ist
als die Vorspannung. In entspanntem Zustand befindet sich der obere
Teil 112a des Förderkolbens 112 beabstandet
von der Anschlagfläche 112d,
und in vollständig
zusammengedrücktem
Zustand greift der obere Teil 112a des Förderkolbens 112 an
der Anschlagfläche 112d an. Wenn
sich also der Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer 126 über den
Pumpenzyklus hinweg verändert, ändert sich
die wirksame Länge
des Förderkolbens 112,
weil beziehungsweise wenn sich der obere Teil 112a des
Kolbens 112 unter dem Einfluss von Kraftstoffdruck innerhalb
der Pumpenkammer 126 bewegt (oder nicht bewegt). Es ist
diese Veränderung
der wirksamen Menge des Förderkolbens (das
heißt
der Abstand zwischen der obersten Außenfläche des oberen Kolbenteils 112a,
der dem Kraftstoffdruck innerhalb der Pumpenkammer ausgesetzt ist,
und der unteren Außenfläche des
unteren Kolbenteils 112b), die es möglich macht, dass ein im wesentlichen
konstantes Pumpenvolumen während Zeitabschnitten
des Pumpenzyklus' aufrecht
erhalten wird, in denen sowohl die Einlassöffnung 130 als auch
die Ausgabeöffnung 132 von
ihren entsprechenden Kolben 110, 112 abgedeckt
werden.
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Das
Umschalten der Feder 150 zwischen ihren entspannten und
zusammengedrückten
Zuständen
wird nachstehend unter Bezugnahme auf 6 näher beschrieben,
welche die Charakteristika der Kolbenbewegung und der Zustände der
Einlass- und der Ausgabeöffnung 130, 132 über eine
volle 360-Grad-Drehung der Nockenwelle 118 zeigt.
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Die
Linie 160 stellt die Bewegung des Füllkolbens 110 dar,
die annähernd
sinusförmig
ist, und es lässt
sich sehen, dass die Bewegung über
den Füllkolben-Förderhub hinweg (zwischen 0
und 180 Grad) mit der Bewegung über
den Rückhub
hinweg (zwischen 180 und 360 Grad) symmetrisch ist. Die Linie 162 stellt
den Zustand der Einlassöffnung 130 dar,
und es lässt
sich erkennen, dass zwischen etwa 300 Grad eines ersten Zyklus' und etwa 65 Grad
des nachfolgenden Zyklus' der
Füllkolben 110 sich
in einer Stellung Innerhalb seiner Bohrung 120 befindet, bei
der die Einlassöffnung 130 freigelegt
ist. Wenn sich die Einlassöffnung 130 in
diesem offenen Zustand befindet, kann Kraftstoff von der Niederdruck-Kraftstoffversorgung
in die Pumpenkammer 126 strömen. Die Linie 170 (gestrichelte
Linie) stellt den Zustand der Ausgabeöffnung 132 über den 360-Grad-Zyklus
dar.
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Die
Linie 164 (gestrichelt) steht für die Bewegung des Förderkolbens 112 über einen 360-Grad-Zyklus
hinweg, und es lässt
sich erkennen, dass die Kolbenbewegung von der symmetrischen, sinusförmigen Bewegung
des Füllkolbens 110 abweicht.
Während
verschiedener Zustände
des Zyklus' wird
die Bewegung des Förderkolbens 112 durch
die Vorspannung der Feder 150 in unterschiedlichem Ausmaß beeinflusst.
Eine erste, gepunktete Linie 166 ist eine hypothetische
Darstellung der Bewegung des Förderkolbens 112,
wenn dieser einen vollständigen
Zyklus mit der Feder 150 in ihrem relaxierten Zustand bis
zum Ende ausführen
würde.
Eine zweite gepunktete Linie 168 ist eine hypothetische Darstellung
der Bewegung des Förderkolbens 112, wenn
dieser einen vollständigen
Zyklus mit der Feder 150 in ihrem vollständig zusammengedrückten Zustand
bis zum Ende ausführen
würde.
Die tatsächliche
Bewegung des Förderkolbens 112 wird
durch die Linie 164 dargestellt und steht für die Feder 150 in deren
Bewegung zwischen ihrem vollständig zusammengedrückten und
dem entspannten Zustand während
des Zyklus'. Das
Umschalten der Feder 150 zwischen ihren entspannten und
zusammengedrückten Zuständen hat
die Wirkung, dass sich die effektive Länge des Förderkolbens 112 ändert.
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Die
Vorspannung der Feder 150 ist so gewählt, dass bei Beginn des Füllhubs des
Füllkolbens 110 und
während
eines Zeitabschnitts, währenddessen
die Einlassöffnung 130 offen
ist (das heißt
die "Füllphase"), die Feder 150 entspannt
ist und dazu dient, den oberen Teil 112a des Kolbens 112 weg
von der Anschlagfläche 112d zu
drücken.
Während
sich die Feder in ihrem entspannten Zustand befindet, hat der Förderkolben 112 dementsprechend
eine erste, relative lange effektive Länge. Es ist wichtig, dass die Vorspannung
der Feder 150 groß genug
ist, den Förderkolben 112 während der
Füllphase
des Zyklus' in seiner
ersten, längeren
wirksamen Länge
zu halten, um sicher zu sein, dass die Ausgabeöffnung 132 nicht zur
selben Zeit offen ist wie die Einlassöffnung 130. Eine Bewegung
der oberen Außenfläche des Förderkolbens 112 (wie
mit Hilfe der Linie 164 dargestellt) während dieser Füllphase
folgt dementsprechend der Linie 166. Während der Füllphase bleibt die Ausgabeöffnung 132 durch
die äußere Oberfläche des
oberen Teils 112a des Förderkolbens 112 abgedeckt,
und deshalb wird Kraftstoff innerhalb der Pumpenkammer 126 nicht
an das Hochdruck-Kraftstoffvolumen
abgegeben.
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Wie
durch die Linie 160 dargestellt, deckt die äußere Oberfläche des
Kolbens 110 ab einem Teil des Wegs des Förderhubs
des Füllkolbens 110,
bei etwa 60 Grad, die Einlassöffnung 130 ab,
und die Versorgung der Pumpenkammer 126 mit Kraftstoff wird
angehalten. Wie man aus der Linie 164 ersehen kann, befindet
sich an diesem Punkt der Förderkolben 112 auf
seinem Rückhub,
den er bis dahin teilweise zurückgelegt
hat, und zwar an dem Punkt, an welchem sich der obere Teil 112a des
Kolbens 112 an der Ausgabeöffnung 132 vorbei
bewegt, um die Verbindung zwischen der Pumpenkammer 126 und
dem stromabwärts
gelegenen Hochdruck-Kraftstoffvolumen zu öffnen. Die auf dem Kraftstoffdruck
innerhalb der Pumpenkammer 126 beruhende Kraft ist ausreichend
erhöht,
um die Vorspannung der Feder 150 zu überwinden, was bewirkt, dass
der obere Teil 112a des Kolbens 112 in Richtung
der Anschlagfläche 112d gedrückt wird.
Zwischen etwa 85 und 130 wird die Feder 150 zusammengedrückt, wobei
sie sich zwischen ihrem vollständig
entspannten und dem vollständig
komprimierten Zustand bewegt, und die effektive Länge des
Förderkolbens 112 beginnt
sich zu verändern.
Wenn die Feder 150 vollständig zusammengedrückt ist,
greift der obere Teil 112a des Kolbens 112 an
der Anschlagfläche 112d an,
und die tatsächliche
Bewegung des Förderkolbens 112 (wie durch
die Linie 164 dargestellt) folgt nun der Linie 168.
Der Förderkolben 112 setzt
seinen Rückhub
bis etwa 135 Grad fort, wo er seinen bodenseitigen Totpunkt erreicht,
und beginnt sodann mit dem nachfolgenden Förderhub.
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Als
Folge der vollständigen
Kompression der Feder 150, durch die der Förderkolben 132 eine
kürzere
effektive Länge
annimmt, gibt es einen längeren Zeitabschnitt
des Förderhubs
des Förderkolbens,
bevor die Ausgabeöffnung 132 geschlossen
wird, als es ansonsten der Fall wäre, wenn die Feder nicht vorhanden
wäre. Dies
kann man durch Vergleichen der Linie 164, die die tatsächliche
Bewegung des Förderkolbens 112 darstellt,
mit der Linie 166 erkennen, die die Kolbenbewegung darstellt,
wenn die Feder 150 immer entspannt ist (oder überhaupt
nicht vorhanden ist). Der Punkt, an dem sich die Ausgabeöffnung 132 schließt, tritt
bei einer Kolbenbewegung von etwa zwei Einheiten (Y-Achse) auf,
und dies erfolgt bei einem Förderkolben
mit verringerter effektiver Länge später.
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Für den Zeitraum,
währenddessen
die Ausgabeöffnung 132 offen
ist (die "Pumpphase") setzt der Füllkolben 110 seinen
Vorwärtshub
fort (über
die Stellung hinaus, ab der die Einlassöffnung 130 geschlossen
wird), so dass das Volumen der Pumpenkammer 126 verringert
wird, was deshalb zur Folge hat, dass Kraftstoff innerhalb der Kammer
mit erhöhtem
Druck durch die offene Ausgabeöffnung 132 gepumpt
wird. Bei etwa 230 Grad Nockendrehung durchschreitet der Förderkolben 112 den
Punkt in seinem Förderhub,
an dem die Ausgabeöffnung
verschlossen wird (wie durch die Linie 170 dargestellt). In
diesem Stadium hat der Füllkolben 110 den
oberen Totpunkt (rund 180 Grad) durchschritten und führt seinen
Rückhub
aus, während
die Einlassöffnung 130 noch
verschlossen ist. Zwischen etwa 230 und 305 Grad sind deshalb sowohl
die Einlassöffnung 130 als
auch die Ausgabeöffnung 132 verschlossen.
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Während beide Öffnungen 130, 132 verschlossen
sind, wird die Kraft, die darauf beruht, dass Kraftstoff innerhalb
der Pumpenkammer 126 auf den oberen Teil 112a des
Förderkolbens 112 wirkt,
verringert, und deshalb beginnt die Feder 150 sich zu entspannen.
Dies bewirkt, dass die effektive Länge des Förderkolbens 112 ansteigt,
und bei einer Nockenwellenposition von etwa 275 Grad folgt die Bewegung
des Förderkolbens 112 den
durch die Linie 166 gezeigten Charakteristika. Es ist ein
wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass die Feder 150 in
der Lage ist, sich während
des Zeitraums, zu dem sowohl die Einlass- als auch die Ausgabeöffnung 130, 132 geschlossen
sind, zu entspannen, und es ist diese Maßnahme, die bewirkt, dass das
Volumen der Pumpenkammer 126 während dieser Zeit ein im wesentlichen
konstantes Volumen beibehält.
Dies ist es, was das Auftreten einer hydraulischen Sperre verhindert,
die ansonsten auftreten könnte,
wenn sich das Volumen der Pumpenkammer ändern würde, während beide Öffnungen
geschlossen wären.
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Die
Linie 172 stellt das Volumen der Pumpenkammer 126 über eine
Drehung von 360 Grad der Nockenwelle 118 dar, und man kann
erkennen, dass für
den Zeitabschnitt, währenddessen
sowohl die Einlassöffnung 130 als
auch die Ausgabeöffnung 132 durch
ihre entsprechenden Kolben verschlossen sind (als "Totperiode" bezeichnet), das
Volumen der Kammer 126 im Wesentlichen konstant bleibt.
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Es
ist eine Folge der Bereitstellung der Feder 150, dass es
einen Zeitabschnitt gibt, währenddessen
die Ausgabeöffnung 132 offen
ist, ein Pumpen jedoch nicht erfolgt. Dies beruht auf der Kompression der
Feder 150, die eine Folge des ansteigenden Drucks in der
Pumpenkammer 126 während
des Rückhubs
des Förderkolbens 112 (zwischen
etwa 80 und 135 Grad) ist. Die Kompression der Feder 150 bewirkt,
dass sich der obere Teil 112a des Kolbens 112 relativ
zu dem unteren Teil 112b bewegt, bis der obere Teil 112a gegen
die Anschlagfläche 112b stößt, und
in Abwesenheit der Feder 150 würde dieser Druckanstieg innerhalb
der Pumpenkammer 126 den Ausstoß aus der Pumpe begünstigen.
Obwohl es eine leichte Verringerung der Pumpeneffizienz gibt, ist
diese unbedeutend und beeinträchtigt
den erfolgreichen Betrieb der Pumpe für hydraulische Fluide nicht.
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In
einer anderen als der in 4 gezeigten Ausführungsform
der hydraulischen Pumpe (nicht gezeigt) kann die Pumpe mit einem
Einstellmittel ausgestattet sein, um es möglich zu machen, dass die Veränderung
beziehungsweise Veränderlichkeit der
effektiven Kolbenlänge
eingestellt wird, bevor die Pumpe in Betrieb geht. Beispielsweise
kann das Einstellmittel ein Mittel zum Verändern der Stellung des Anschlags 112c des
Förderkolbens 112 relativ
zu dem unteren Teil 112b des Kolbens 112 umfassen, um
es zu ermöglichen,
dass die Veränderung
der effektiven Länge
des Förderkolbens 112 zwischen
dem federrelaxierten und dem federkomprimierten Zustand eingestellt
wird. Dies erlaubt die Anwendung der Pumpe in verschiedenen Umgebungen
oder unter unterschiedlichen Umständen und ermöglicht es auch,
dass Unterschieden in Pumpen mit nominell identischer Spezifizierung
während
des Einbaustadiums Rechnung getragen wird. Das Einstellmerkmal kann
durch Bereitstellung einer Anordnung mit Schraubgewinde zum Verschrauben
des Anschlagelements mit dem unteren Kolbenteil und dadurch bereitgestellt
werden, dass das Ausmaß,
mit dem der Anschlag vor dem Einbau in den Kolbenteil hineingeschraubt
wird, verändert
werden kann, um die erforderliche Veränderung der effektiven Kolbenlänge während des
Gebrauchs zu erreichen.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann das Einstellmittel ein Mittel zum Verändern der Vorspannung der Feder 150 vor
dem Gebrauch umfassen. Beispielsweise kann der Kolben mit einer
Beilegscheibe ausgestattet werden, die sich zwischen der oberen
Oberfläche
des unteren Kolbenteils 112b und der Basis der Feder 150 befindet.
Beilegscheiben unterschiedlicher Größe machen es möglich, dass
die Vorspannung der Feder 150 auf unterschiedliche Werte
eingestellt wird, wie es für
unterschiedliche Pumpenanwendungen oder unterschiedliche Pumpenspezifizierungen
erforderlich sein kann.
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In
anderen als der in 4 gezeigten und beschriebenen
Ausführungsformen
der hydraulischen Pumpe kann das federnde Mittel, durch welches
die effektive Länge
des Förderkolbens
verändert
wird, eine andere Gestalt als die einer Druckfeder 150 annehmen.
Beispielsweise kann das federnde Mittel in Gestalt einer Gummifeder,
einer pneumatischen Vorrichtung oder mit Hilfe eines veränderlichen
hydraulischen Druckes innerhalb der Kammer 148 zwischen
dem oberen und dem unteren Teil 112a, 112b des
Kolbens 112 bereitgestellt werden, wobei jeweils sichergestellt
wird, dass die Vorspannkraft, die gegen den Kraftstoffdruck innerhalb
der Pumpenkammer 126 wirkt und tendenziell dazu führt, dass
die effektive Länge
des Förderkolbens 112 zunimmt,
größer als
der Kraftstoffdruck innerhalb der Kammer 126 während der
Füllphase
("Fülldruck") aber kleiner als
der Druck innerhalb der Pumpenkammer 126 während der
Pumphase ("Pumpdruck") ist.
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Es
sollte klar sein, dass jeder Kolben 110, 112 nicht
notwendigerweise von einem ihm allein zugeordneten Nocken angetrieben
werden muss, sondern dass alternativ beide Kolben mit Hilfe einer
gemeinsamen Nocke angetrieben werden können. Um die gewünschte Phasendifferenz
zwischen der Kolbenbewegung zu erhalten, können die Kolben 110, 112 um
den erforderlichen Betrag, beispielsweise 130 Grad, winklig rund
um die gemeinsame Nocke beabstandet angeordnet werden.
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In
einer nochmals anderen Ausführungsform ist
es auch möglich,
den Füllkolben 110 mit
einem federnden Mittel zum Verändern
der effektiven Länge des Füllkolbens über den
Pumpzyklus von 360 Grad hinweg auszustatten. Dies kann auf ähnliche
Weise wie für
den Förderkolben 112 in
der Ausführungsform der 4 erreicht
werden, indem der Füllkolben zweiteilig
ausgebildet wird und indem eine Feder oder ein anderes federndes
oder elastisches Mittel zwischen den beiden Kolbenteilen bereitgestellt
wird. Die Füllkolben-Feder
wird so gewählt,
dass sie eine Vorspannung besitzt, die größer als der Flüssigkeitsdruck
innerhalb des Pumpenvolumens während
der Füllphase
ist (was bedeutet, dass der Füllkolben
eine relativ große
effektive Länge
besitzt), aber geringer als der Flüssigkeitsdruck innerhalb des
Pumpenvolumens während
der Pumpphase ist (was bedeutet, dass der Füllkolben eine verringerte effektive
Länge annimmt).
Dies bedeutet, dass der Füllkolben
die Einlassöffnung
während
des Pumpzyklus' länger verschlossen
hält mit
der Folge, dass das Pumpenvolumen während desjenigen Zeitabschnitts
des Zyklus' auf
einem im Wesentlichen konstanten Wert gehalten wird, währenddessen
sowohl die Einlass- als auch die Ausgabeöffnung verschlossen sind.
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Es
sollte klar sein, dass das Einstellmittel zum Ermöglichen
der Veränderung
der effektiven Kolbenlänge
und/oder zum Ermöglichen
des Festlegens unterschiedlicher Feder-Vorspannungen auch in Ausführungsformen
der Erfindung enthaften sein kann, in denen es die wirksame Länge des
Füllkolbens 110 ist,
die veränderlich
ist.