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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckkolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Hochdruckversorgung von
Verbrauchern gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 10.
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Stand der Technik
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Eine
Hochdruckkolbenpumpe der eingangs genannten Art ist aus der
DE 199 38 504 A1 bekannt.
Diese zeigt eine Einzylinder-Hochdruck-Kolbenpumpe zur Hochdruckversorgung
in einem Common-Rail-Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine. Die
bekannte Kolbenpumpe umfasst eine Pumpengehäuse mit einem Hochdruckzylinder,
in dem ein Hochdruckkolben gegen die Vorspannkraft einer Feder hin-
und herbewegbar aufgenommen und durch einen Nocken angetrieben ist,
um mit Hochdruck beaufschlagten Kraftstoff in ein Rail zu befördern. In
derartigen Hochdruckzylinder werden Drücke bis zu 2500 bar erzeugt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Hochdruckkolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zu schaffen, die effizient arbeitet und vielseitig
einsetzbar ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es auch, ein Verfahren zur Hochdruckversorgung
von Verbrauchern gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 10 zu schaffen, dass eine effiziente Hochdruckversorgung
des Verbrauchers gewährleistet
und vielseitig einsetzbar ist.
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Die
Aufgabe ist bei einer Hochdruckkolbenpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 dadurch gelöst,
dass ein Niederdruckzylinder vorgesehen ist, in dem, angetrieben
durch einen Nocken, ein Niederdruckkolben hin- und herbewegbar ist,
wobei der Hochdruckkolben durch einen Druck im Niederdruckzylinder angetrieben
ist, und wobei Mittel vorgesehen sind, um bei Bedarf aus dem Niederdruckzylinder
Druck abzulassen.
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Die
Aufgabe bei einem Verfahren zur Hochdruckversorgung von Verbrauchern
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 10 wird dadurch gelöst,
dass zur Veränderung
des Drucks in einem Niederdruckzylinder ein Niederdruckkolben hin-
und herbewegt wird, wonach der Druck im Niederdruckzylinder zum
Antreiben des Hochdruckkolbens verwendet wird und wonach nach Förderung
einer vorgesehenen Menge an Fluid zu dem Verbraucher aus dem Niederdruckzylinder
Druck abgelassen wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung kann
der Volumenstrom zu dem Verbraucher, insbesondere in Common-Rail-Einspritzsystemen
von Brennkraftmaschinen, ohne Verluste und Temperaturerhöhung des
Fluids, im Fall eines Common-Rail-Einspritzsystems eines Kraftstoffes,
stufenlos von V . max bis V . = 0 gesteuert werden. Der maximale Hub des
Hochdruckkolbens kann für
den maximalen Förderstrom
(Volllast) ausgelegt sein. Insbesondere Fahrzeugmotoren werden häufig in
Teillast betrieben, wodurch eine Dosierung des Hochdruckstroms zu
dem Verbraucher notwendig ist. Diese Dosierung wird erfindungsgemäß in einfacher
Weise dadurch erreicht, dass durch die Mittel bei Bedarf aus dem
Niederdruckzylinder Druck abgelassen wird, wodurch der Antrieb des
Hochdruckkolbens beeinflusst und bei Bedarf der Fördervorgang
des Hochdruckzylinders beendet wird.
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Die
erfindungsgemäße Lösung verursacht
keine wesentliche Kavitation und fördert damit auch keine unerwünschte Materialzerstörung. Da
sich der Absteuervorgang im Niederdruckzylinder vollzieht und dort
verglichen mit dem Hochdruckzylinder ein wesentlich niedrigerer Druck
herrscht, sind die Leistungsverluste wesentlich geringer als wenn
die Absteuerung im Hochdruckzylinder erfolgen würde. Dadurch erwärmt sich
das Fluid, beispielsweise ein Kraftstoff, beim Absteuern deutlich
weniger, wodurch eine wesentliche Temperaturerhöhung des Kraftstoffs im Tank,
die insbesondere bei der Benzineinspritzung nicht zulässig ist,
vermieden wird.
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Von
Vorteil ist es, wenn ein von dem Hochdruckzylinder abgewandter Fuß des Hochdruckkolbens
mit dem Druck des Niederdruckzylinders beaufschlagt ist. Dies ermöglicht es,
den Hochdruckkolben besonders einfach, effektiv und direkt anzutreiben.
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In
einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass der Fuß des
Hochdruckkolbens oberhalb eines oberen Totpunkts des Niederdruckkolbens
vom Niederdruckzylinder oder einer Verlängerung des Niederdruckzylinders
aufgenommen ist.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht
es, den Fuß des
Hochdruckkolbens besonders effektiv mit dem Druck des Niederdruckzylinders
zu beaufschlagen. Eine Anordnung des Fußes des Hochdruckkolbens oberhalb
des oberen Totpunkts des Niederdruckkolbens vermeidet eine ungewünschte Kollision.
Eine Anordnung des Fußes des
Hochdruckkolbens derart, dass dieser von dem Niederdruckzylinder
oder einer – gegebenenfalls
im Durchmesser reduzierten – Verlängerung
des Niederdruckzylinders aufgenommen wird, ermöglicht eine direkte Beaufschlagung
des Fußes
des Hochdruckkolbens mit dem Druck des Niederdruckkolbens. Aufwändige und
teure Druckleitungen werden somit vermieden. Diese Lösung lässt sich
besonders einfach und kostengünstig
realisieren.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Hochdruckkolbenpumpe kann vorgesehen sein, dass das Mittel,
um bei Bedarf aus dem Niederdruckzylinder Druck abzulassen, ein
durch einen Magneten betätigbares
Steuerventil ist, über
welches bei einer Bewegung des Niederdruckkolbens von einem unteren
Totpunkt zu einem oberen Totpunkt Druck aus dem Niederdruckzylinder
ablassbar ist.
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Eine
derartige Ausgestaltung der Mittel hat sich als kostengünstig und
zuverlässig
in der Handhabung herausgestellt. Eine Steuerung der im Niederdruckzylinder
enthaltenen Steuerflüssigkeit,
beispielsweise einem Schmier- oder Hydrauliköl, lässt sich durch ein Steuerventil,
welches über
einen Magneten gesteuert wird, in besonders einfacher Weise realisieren.
Der Magnet dieses Steuerventils ermöglicht es, das Steuerventil druckunabhängig bei
Bedarf zu schalten, um aus dem Niederdruckzylinder Druck abzulassen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass
der Niederdruckkolben zur Reduzierung der Massenträgheitskraft
aufgebohrt ist. Dies ermöglicht
einen besonders effektiven Betrieb des Niederdruckkolbens.
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Von
Vorteil ist es, wenn der Niederdruckkolben mit einer Rolle versehen
ist, über
welche der Nocken den Niederdruckkolben antreibt. Die Rolle, die
beispielsweise auf den Niederdruckkolben aufgeschrumpft sein kann,
ermöglicht
es, den Niederdruckkolben besonders vorteilhaft durch den Nocken
anzutreiben.
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In
einer konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung kann eine Rückhol-Feder
vorgesehen sein, welche den Niederdruckkolben in Richtung auf den
unteren Totpunkt vorspannt.
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Durch
die Rückhol-Feder
wird in einfacher Weise sichergestellt, dass der Niederdruckkolben
auf den unteren Totpunkt zurückgeholt
wird. Zudem kann die Rückhof-Feder
auch dafür
sorgen, dass die Rolle nicht von dem Nocken abhebt, wodurch beispielsweise
unerwünschte
Geräusche
oder Schläge
vermieden werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen
sein, dass bei einer Bewegung des Niederdruckkolbens von einem oberen
Totpunkt zu einem unteren Totpunkt über wenigstens ein Ventil Fluid
in den Niederdruckzylinder saugbar ist.
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Die
Befüllung
des Niederdruckzylinders mit Fluid kann beispielsweise über ein
einfaches Kugelventil erfolgen. Gleichzeitig kann jedoch auch vorgesehen
sein, dass das Steuerventil geöffnet
ist bzw. der Magnet, der das Steuerventil öffnet, unter Strom steht. Dadurch
wird auch über
das Steuerventil Fluid, beispielsweise ein Hydrauliköl, in den
Niederdruckzylinder gesaugt. Die Steuerung des Steuerventils über einen
Magneten ermöglicht
somit zum einen, dass aus dem Niederdruckzylinder Druck abgelassen
werden kann, wenn eine vorgesehene Menge an Fluid durch die Bewegung
des Hochdruckkolbens zu dem Verbraucher gefördert wurde, zum anderen ermöglicht die
Steuerung des Steuerventils über
den Magnet, dass Fluid in den Niederdruckzylinder gesaugt wird,
wenn sich der Niederdruckkolben von einem oberen Totpunkt zu einem
unteren Totpunkt bewegt.
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Von
Vorteil ist es, wenn der Hochdruckzylinder und der Niederdruckzylinder
von jeweils einem eigenen Fluidkreislauf versorgt sind.
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Bei
einem Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung in
Common-Rail-Einspritzsystemen kann es sich bei dem Fluid im Hochdruckkreislauf
um einen Kraftstoff handeln. Die Steuerflüssigkeit im Fluidkreislauf
des Niederdruckzylinders kann ein Schmier- oder Hydrauliköl sein.
Eine Trennung des Kraftstoffkreislaufs von dem Steuerkreislauf des
Niederdruckzylinders ist von Vorteil, da es im Steuerkreislauf des
Niederdruckzylinders keine Schmierungsprobleme gibt.
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Nachfolgend
ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
prinzipmäßig dargestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochdruckkolbenpumpe
im Längsschnitt
mit einer Darstellung von zwei möglichen
Varianten eines Mittels, um bei Bedarf aus dem Niederdruckzylinder
Druck abzulassen.
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Die
Figur zeigt eine erfindungsgemäße Hochdruckkolbenpumpe
zur Hochdruckversorgung von Verbrauchern. Im Ausführungsbeispiel
handelt es sich bei dem Verbraucher um ein Rail eines Common-Rail-Einspritzsystems
von Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen.
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Die
dargestellte Hochdruckkolbenpumpe weist ein Pumpengehäuse 1 auf.
Das Pumpengehäuse 1 kann
beispielsweise in das Gehäuse
einer nicht näher
dargestellten Brennkraftmaschine eingebaut sein. In dem Pumpengehäuse 1 ist
ein Hochdruckzylinder 2 aufgenommen, in dem ein Hochdruckkolben 3 gegen
die Vorspannkraft einer Feder 4 hin- und herbewegbar ist.
Der Hochdruckkolben 3 fördert
mit Hochdruck beaufschlagtes Fluid, im Ausführungsbeispiel einen Kraftstoff,
zu dem Rail. Im Hochdruckzylinder 2 wird der Kraftstoff
auf den sogenannten Rail-Druck pR verdichtet.
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Die
in der Figur dargestellte Hochdruckkolbenpumpe weist des weiteren
einen Niederdruckzylinder 5 auf, in dem, angetrieben durch
einen Nocken 6, ein Niederdruckkolben 7 hin- und
herbewegbar ist. Das Antreiben eines Hochdruckkolbens durch einen
derartigen Nocken 6 ist aus dem Stand der Technik bereits
bekannt, so dass auf das grundsätzliche
Prinzip des Antreibens eines Kolbens, im vorliegenden Fall eines
Niederdruckkolbens 7 über
einen Nocken 6, nicht näher
eingegangen wird.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist der Niederdruckkolben 7 mit einer Rolle 8 versehen, über welche
der Nocken den Niederdruckkolben 7 antreibt. Die Rolle 8 ist
im Ausführungsbeispiel
aufgeschrumpft.
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Der
Hydraulikkolben 7 ist in dem Niederdruckzylinder 5 zwischen
einem unteren Totpunkt 9 und einem oberen Totpunkt 10 bewegbar.
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Oberhalb
des oberen Totpunkts 10 des Niederdruckkolbens 7 ist
in einer Verlängerung
des Niederdruckzylinders 5 ein Fuß 11 des Hochdruckkolbens 3 aufgenommen.
Der Fuß 11 des
Hochdruckkolbens 3 wird dadurch mit dem Druck des Niederdruckzylinders 5 beaufschlagt.
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Der
Niederdruckkolben 7 ist zur Reduzierung der Massenträgheitskraft
aufgebohrt, d. h. im Ausführungsbeispiel
mit einer Bohrung 12 versehen. Des weiteren ist eine Rückhol-Feder 13 vorgesehen,
welche den Niederdruckkolben 7 auf den unteren Totpunkt 9 zurückholt bzw.
dafür sorgt,
dass die Rolle 8 nicht von dem Nocken 6 abhebt.
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Zur
Befüllung
des Niederdruckzylinders 5 ist im Ausführungsbeispiel ein Ventil 14 vorgesehen.
Das Ventil 14 ist als Kugelventil ausgebildet. Vorgesehen
ist dabei, dass bei einer Bewegung des Niederdruckkolbens 7 vom
oberen Totpunkt 10 zu dem unteren Totpunkt 9 über das
Kugelventil 14 Fluid in den Niederdruckzylinder 5 gesaugt
wird.
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Um
bei Bedarf aus dem Niederdruckzylinder 5 Druck abzulassen,
ist ein Mittel 15 vorgesehen, welches im Ausführungsbeispiel
als Steuerventil ausgebildet ist. Zur Betätigung des Steuerventils 15 ist
ein Magnet 16 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen,
dass das Steuerventil 15 zusätzlich zu dem Kugelventil 14 auch
zur Befüllung
des Hydraulikzylinders 5 Verwendung findet.
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Ein
Ablassen von Druck bzw. Fluid mittels dem Steuerventil 15 erfolgt – bei Bedarf – während einer Bewegung
des Niederdruckkolbens 7 von dem unteren Totpunkt 9 zu
dem oberen Totpunkt 10.
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Die
Steuerflüssigkeit
im Niederdruckzylinder 5 ist im Ausführungsbeispiel ein Schmier-
oder Hydrauliköl.
Der Kraftstoffkreislauf des Hochdruckzylinders 2 und der
Steuerkreislauf des Niederdruckzylinders 5 sind zwei getrennte
Kreisläufe.
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Nachfolgend
wird ein komplettes Arbeitsspiel der Hochdruckkolbenpumpe beschrieben.
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Befindet
sich der Niederdruckkolben 7 auf dem Weg vom oberen Totpunkt 10 zum
unteren Totpunkt 9, dann saugt der Niederdruckkolben 7 Steuerflüssigkeit über das
Kugelventil 14 an. Gleichzeitig öffnet das Steuerventil 15 bzw.
der Magnet 16, der das Steuerventil 15 öffnet, wird
unter Strom gestellt. Der Öffnungshub
des Magneten 16 kann vorzugsweise 0,5 Millimeter betragen.
Dadurch wird die Steuerflüssigkeit
nicht nur über
das Kugelventil 14, sondern auch über das Steuerventil 15 in
den Niederdruckzylinder 5 gesaugt. Im Ausführungsbeispiel
ist vorgesehen, dass der minimale Ansaugdruck pNzmin über den
Kavitationsdruck pD der Steuerflüssigkeit
liegt. Die Füllung
des Niederdruckzylinders wird dadurch verbessert und eine monotone
Steuerung ermöglicht.
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Sobald
der Nocken 6 den Niederdruckkolben 7 aus dem unteren
Totpunkt 9 anhebt, schließt das Kugelventil 14.
Der Druck im Niederdruckzylinder 5 steigt somit an. Wenn
eine Volllastförderung
des Hochdruckzylinders 2 vorgesehen ist, wird das Steuerventil 15 verschlossen,
so dass die Steuerflüssigkeit
nicht aus dem Niederdruckzylinder 5 entweichen kann. Im
Ausführungsbeispiel
erfolgt das Verschließen
des Steuerventils 15 dadurch, dass der Magnet 16 stromlos
geschaltet wird. Somit drückt
eine Steuerventilfeder 17 einen Ventilkörper 18 des Steuerventils 15 auf
einen zugeordneten Ventilsitz 19. Dadurch wird in einfacher
Weise erreicht, dass die Steuerflüssigkeit nicht aus dem Niederdruckzylinder 5 entweicht.
Der Druck im Niederdruckzylinder 5 steigt somit schnell
an. Ist der Druck im Niederdruckzylinder 5 hinreichend
groß,
wird der Hochdruckkolben 3 gegen die Feder 4 angehoben,
wodurch der Kraftstoff im Hochdruckzylinder 2 rasch verdichtet,
bis der Druck pHz den Raildruck pR übersteigt.
Für pHz > pR öffnet
ein Hochdruckventil, im Ausführungsbeispiel
ein Hochdruckkugelventil 20, und der Kraftstoff fließt in eine
Leitung, die mit dem nicht näher
dargestellten Rail verbunden ist. Die Förderung hält solange an, bis der Hochdruckkolben 3 einen
oberen Totpunkt 21 er reicht hat. Die Feder 4 bewirkt,
dass der Hochdruckkolben 3 von dem oberen Totpunkt 21 wieder
zu einem unteren Totpunkt 22 zurück geholt wird.
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Ist
nur eine Teilförderung
des Kraftstoffes in das Rail vorgesehen, dann öffnet das Steuerventil 15 während der
Bewegung des Hochdruckkolbens 3. Dies erfolgt dadurch,
dass der Magnet 16 den Ventilkörper 18 des Steuerventils 15 anzieht.
In diesem Fall fällt
der Druck im Niederdruckzylinder 5 ab und der Fördervorgang des
Hochdruckkolbens 3 wird vorzeitig beendet. Die Steuerflüssigkeit
wird im Niederdruckzylinder 5 über das Steuerventil 15 abgesteuert,
bis der Niederdruckzylinder 5 seinen oberen Totpunkt 10 erreicht
hat. Inzwischen drückt
die Feder 4 den Hochdruckkolben 3 in dessen unteren
Totpunkt 22 zurück.
Das Hochdruckkugelventil 20 schließt und neuer Kraftstoff wird über ein
Saugventil 23 des Kraftstoffkreislaufs angesaugt.
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Der
Absteuervorgang im Niederdruckzylinder 5 vollzieht sich
bei einem niedrigen Druck von z. B. pNz ≈ 10 bar. Fließt dabei
im zeitlichen Mittel der Volumenstrom V .Nz ,
dann entsteht ein Leistungsverlust in der Größenordnung von PNz = ΔpNz·V .Nz ≈ 106·V .Nz
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Im
Vergleich dazu würde
der Leistungsverlust
betragen, wenn, wie bei den
Pumpen gemäß dem Stand
der Technik, der Hochdruckstrom abgesteuert wird. Im Ausführungsbeispiel
wurde ein Druckübersetzungsverhältnis von
10 gewählt.
Das Verhältnis
von
beträgt bei Vernachlässigung
der Kompressibilität
der Flüssigkeiten
nur 1/25.
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In
der Figur des Ausführungsbeispiels
sind zwei Varianten des Steuerventils 15.1 und 15.2 dargestellt. In
der Variante 15.1 befindet sich der Ventilsitz 19 auf
der Hochdruckseite, während
er sich bei der Variante 15.2 auf der Niederdruckseite
befindet.
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Der
Durchmesser eines Sitzbundes 24 ist in beiden Varianten
im Ausführungsbeispiel
größer als
der Durchmesser des Ventilkörpers 18.
Bei einer geeigneten Wahl des Durchmessers eines Elementes 28 des Steuerventils 15 ist
der Ventilkörper 18 im
geschlossenen und geöffneten
Zustand fast kraftlos. Der Magnet 16 hat dann nur die Kraft
der Steuerventilfeder 17 und die Ventilreibung beim Öffnen zu überwinden.
Ein Gehäuse des
Steuerventils 15 kann in diesem Fall zweigeteilt sein.
In der Variante 15.1 ist vorgesehen, dass der Durchmesser
des Elements 28 gleich groß oder größer ist als der Durchmesser
des Ventilkörpers 18.
In der Variante 15.2 ist vorgesehen, dass der Durchmesser
zudem kleiner ist als der Durchmesser des Sitzbundes 24.
In Versuchen hat sich das Steuerventil 15.2 als geeigneter
herausgestellt.
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Wie
sich aus der Figur ergibt, ist ein Entlastungsventil 25 in
einer Ausbildung als Kugelventil vorgesehen, um einen Federraum 26 der
Feder 4 von Leckagekraftstoff zu entlasten.
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Der
Durchmesser des Fußes 11 des
Hochdruckkolbens 3 weist im Ausführungsbeispiel den gleichen Durchmesser
auf wie der Niederdruckkolben 7. Grundsätzlich kann der Durchmesser
des Fußes 11 auch
größer oder
kleiner gewählt
werden, falls eine Hubübersetzung
erwünscht
ist.
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Wie
ferner aus der Figur ersichtlich ist, liegt bzw. ruht der Fuß 11 auf
einer Begrenzung 27 bzw. einem (vorzugsweise ringförmigen)
Anschlag, wenn sich der Hochdruckkolben 3 im unteren Totpunkt 22 befindet.
Die Begrenzung 27 kann in beliebiger Art und Weise realisiert
werden. Die im Ausführungsbeispiel
dargestellte Ausgestaltung bietet sich an, um für den Niederdruckzylinder 5 bzw.
dessen Verlängerung
und den Federraum 26 in kostengünstiger Weise denselben Durchmesser
wählen
zu können.
Somit können
diese Räume
gegebenenfalls in einem Arbeitsgang hergestellt werden. Eine Beaufschlagung
des Fußes 11 des
Hochdruckkolbens 3 mit Druck des Niederdruckzylinders 5 lässt sich
somit in einfacher Weise realisieren.
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Die
Toträume
der beiden Zylinder (2, 5) sollten möglichst
sehr klein gewählt
werden.
beträgt bei Vernachlässigung der Kompressibilität der Flüssigkeiten nur 1/25.