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Die
Erfindung betrifft ein Druckfluid-Speisesystem, insbesondere für die Versorgung
von Hochdruck-Sammelleitungen (Common-Rail-Systeme) wie z. B. von
Einspritzanlagen für
Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein
derartiges Druckfluid-Speisesystem ist z. B. aus der
DE 41 26 640 A1 bekannt.
Zu der Einspritzanlage gehören
darüber
hinaus in der Regel eine Reihe von vorzugsweise elektromagnetisch
betätigbaren
Einspritzdüsen,
die entsprechend dem momentanen Betriebsmodus und dem vorliegenden Belastungsprofil
der Brennkraftmaschine ansteuerbar sind. Der Systemdruck in der
gemeinsamen Hochdruck-Sammelleitung (Common-Rail) wird durch ein
in das Pumpengehäuse
integriertes, vorzugsweise elektrisch einstellbares Druckbegrenzungsventil
(DBE-Ventil) eingestellt, wobei die Überschuß-Druckfluidmenge über dieses
DBE-Ventil über eine
Rückströmleitung
zum Tank abgedrosselt wird. Während
die Niederdruck-Speisepumpe, die meist von einer Flügelzellen-
oder einer Rollenzellenpumpe gebildet ist, lediglich einer geringen
mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt ist, unterliegt
die Pumpe der Hochdruckstufe regelmäßig einer sehr hohen mechanischen
und damit auch thermischen Belastung. Bei dem Druckfluid-Speisesystem
gemäß
DE 41 26 640 A1 ist
deshalb vorgesehen, daß diejenigen
Bereich der Pumpen-Hauptstufe, die einer erhöhten thermischen und/oder mechanischen Belastung
unterliegen, in einen Kühlölstrom einbezogen
sind, der von der Überschuß-Fluidmenge
der Niederdruck-Speisepumpe abgeleitet und zum Tank geführt wird.
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Die
DE 69 16 890 U offenbart
ein Druckfluid-Speisesystem, bei dem der Kühlölstrom nicht zurück in den
Kraftstofftank, sonder über
eine Rückführleitung
mit der Ansaugleitung oder mit dem Ansaugraum der Niederdruckspeisepumpe
verbunden ist, wodurch eine gesonderte Rückführleitung zum Kraftstofftank
vermieden wird.
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Aus
DE 195 40 549 A1 ist
ein kombiniertes Einspritz- und Motorbremssystem für eine Brennkraftmaschine
mit mehreren Zylindern bekannt. Das Einspritz- und Motorbremssystem
weist mehrere Ventilanordnungen auf, von denen jede mit einem anderen
Zylinder verbunden ist und im normalen Fahrbetrieb eine Einspritzeinheit
und im Bremsbetrieb ein hydraulisches Betätigungselement am jeweiligen
Zylinder taktgerecht mit der Druckleitung verbunden ist.
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Ein
Druckfluid-Speisesystem ähnlich
der
DE 41 26 640 A1 ist
aus der
DE 44 01 074
A1 bekannt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die
6 näher beschrieben:
6 zeigt
einen schematischen Schnitt des Gehäuses der Hochdruckstufe des
Druckfluid-Speisesystems. Die Niederdruck-Speisepumpe ist mit dem
Bezugszeichen
10 bezeichnet. Sie ist beispielsweise als Flügelzellenpumpe
oder Rollenzellenpumpe ausgebildet und kann von einem Elektromotor
11 angetrieben
werden. Das Bezugszeichen
12 bezeichnet einen Kraftstoffvorratsbehälter des
Kraftfahrzeugs, aus dem eine Niederdruck-Speisepumpe
10 Kraftstoff, vorzugsweise
Benzin oder Diesel-Kraftstoff, ansaugt und diesen über eine
Leitung
13 zu einem Anschlußstutzen
14 einer
Hochdruckpumpe
15 fördert,
die als Radialkolbenpumpe ausgebildet ist und unmittelbar an der
Brennkraftmaschine, d. h. am Verbrennungsmotor angeordnet ist und
von diesem angetrieben wird.
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Die
Hochdruckpumpe besitzt mehrere im gleichmäßigen Winkelabstand sternförmig in
einem Pumpengehäuse 20 angeordnete
Zylinder 21 mit den Mittelachsen 22. Ein zentraler,
topfartiger Innenraum 23 des Pumpengehäuses 20 ist durch
einen Stopfen 24 verschlossen. In einer Bohrung 25 des
Stopfens 24 und in einem sich in den Innenraum 23 öffnenden Sackloch 27 des
Pumpengehäuses 20 ist
eine mit der nicht näher
dargestellten Brennkraftmaschine gekoppelte Pumpenwelle 28 an
zwei voneinander beabstandeten Lagerabschnitten 29 und 30 gelagert. Zwischen
den beiden Lagerabschnitten 29 und 30 weist die
Pumpenwelle 28 einen von dem Innenraum 23 aufgenommenen
Exzenterabschnitt 35 auf, der von einem Zylinder gebildet
ist, dessen Achse 36 um das Exzentrizitätsmaß E zur Achse 37 der
Pumpenwelle 28 versetzt ist. Auf dem Exzenterabschnitt 35 ist
ein Hubring 39 drehbar gelagert, der außenseitig mit einer entsprechenden
Anzahl von Abflachungen 40 versehen ist, die sämtlich den
gleichen Abstand von der Achse 36 des Exzenters 35 haben,
mit gleichen Winkelabständen über die
Außenfläche des Hubrings 39 verteilt
sind, und die senkrecht zu den einzelnen Zylinderachsen 22 ausgerichtet
und den betreffenden Zylindern 21 zugeordnet sind. Bei
drei im Winkelabstand von 120° sternförmig im
Pumpengehäuse 20 angeordneten
Zylindern 21 schließen
jeweils benachbarte Abflachungen miteinander einen Winkel von 60° ein.
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Jeder
Zylinder 21 besitzt zentral eine Zylinderbohrung 41 mit
der Achse 22 und nimmt in dieser passungsgenau einen Pumpenkolben 42 auf,
der nach innen über
den Zylinder 21 vorsteht. An dem vorstehenden Abschnitt
ist an jedem Pumpenkolben 42 ein Gleitschuh 43 befestigt,
der von einer Kolbenfeder 44, welche zwischen dem Gleitschuh 43 und
einer äußeren Schulter
des Zylinders 21 eingespannt ist, gegen eine der Abflachungen 40 gedrückt wird.
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Wenn
sich die Pumpenwelle 28 dreht, behält der Hubring 39 aufgrund
der unter der Kraft der Kolbenfedern 44 auf den Abflachungen 40 aufliegenden Gleitschuhe 43 seine
Ausrichtung bei. Allerdings kreist seine Achse 36 um die
Achse 37 der Pumpenwelle 28. Die einzelnen Abflachungen 40 werden
dadurch ebenfalls auf einer Kreisbahn parallel zu sich selbst verschoben
und bewirken dadurch im Zusammenspiel mit den Kolbenfedern 44 eine
hin- und hergehende Bewegung der einzelnen Pumpenkolben 42 in
den Zylinderbohrungen 41. Die dem Hubring 39 abgewandte
Stirnseite eines Pumpenkolbens 42 begrenzt einen Verdrängerraum 45 im
Zylinder 21, dessen Volumen sich mit der Bewegung des Pumpenkolbens 42 ändert. Bei
einer Bewegung des Pumpenkolbens 42 radial nach innen und
sich vergrößerndem Verdrängerraum 45 wird
somit in diesen Kraftstoff angesaugt. Während des diesem Saughub folgenden Druckhubs
des Pumpenkolbens 42 wird der Kraftstoff unter Druck aus
dem Verdrängerraum
verdrängt.
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Um
diese Vorgänge
zu steuern, sind für
jeden Zylinder 21 ein Saugventil 50 und ein Druckventil 51 vorgesehen,
die beide nach Art eines Rückschlagventils
arbeiten. Die Ventilsitze der beiden Ventile 50 und 51 sind
beispielsweise an einer einzigen Ventilplatte 52 ausgebildet,
die zwischen einer dem Zylinder 21 zugewandten Innenseite
eines Zylinderkopfs 53 und der dem Zylinderkopf 53 zugewandten
Rückseite
des Zylinders 21 eingeklemmt ist. Der Zylinderkopf 53 hält den Zylinder 21 im
Pumpengehäuse 20 und
ist mit letzterem außerhalb
des Zylinders 21 verschraubt.
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Zum
Saugventil 50 eines Zylinders 21 gelangt Kraftstoff über einen
Kanal 54 im entsprechenden Zylinderkopf 53 und
einen im Bereich des Stopfens 24 in den Innenraum 23 mündenden
radialen Kanal 55 des Pumpengehäuses 20. Insgesamt
sind eine der Anzahl der Zylinder 21 entsprechende Zahl von
Kanälen 55 im
Pumpengehäuse 20 vorhanden. In
der selben Ebene wie die Kanäle 55 befindet
sich eine Ringnut 56 außen am Stopfen 24, über die
die Kanäle 55 mit
einem Kanal 57 des Gehäuses 20 verbunden
sind, welcher radial in eine Bohrung 58 des Gehäuses 20 mündet, die
von außen
radial in den Innenraum 23 führt und in die der Anschlußstutzen 14 eingesetzt
ist. Über
das Druckventil 51 wird Kraftstoff über einen Kanal 59 in
jeden Zylinderkopf 53 und einen Kanal 60 im Gehäuse 20,
welcher mit einer zentralen axialen Ausnehmung 61 im Pumpengehäuse 20 verbunden
ist, einem Druckanschluß 62 zugeführt, der
von einem der drei Kanäle 60 ausgeht.
In die zentrale Ausnehmung 61 ist ein Druckbegrenzungsventil 63 eingesetzt,
das elektromagnetisch verstellbar ist und mit dem im Druckanschluß 62 ein bestimmter
Druck eingestellt werden kann. Über
das Druckbegrenzungsventil 63 (DBE-Ventil) abströmender Kraftstoff
gelangt über
eine an einen Stutzen 64 angeschlossene Rücklaufleitung 65 zum
Kraftstoffvorratsbehälter 12 zurück.
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Um
dafür zu
sorgen, daß bei
einem Defekt an der Niederdruck-Speisepumpe oder an einer Einspritzdüse Folgeschäden am System
selbst oder an der Brennkraftmaschine weitgehend vermieden werden
können,
ist beim Druckfluid-Speisesystem gemäß 6 in der
Verbindung zwischen der Niederdruck-Speisepumpe und der Hochdruckpumpe ein Wegeventil
angeordnet, mit dem die Verbindung bei einem Defekt abgesperrt werden
kann. Im einzelnen dient – wie
aus der 6 ersichtlich – die Gehäusebohrung 58 zwischen
dem Anschlußstutzen 14 und einer
unmittelbar an ihrer Mündung
in dem Innenraum 23 sitzenden Abstützplatte 70 als Ventilbohrung eines
Wegeventils 71 und nimmt verschieblich ein als Steuerkolben 75 ausgebildetes
Ventilglied des Wegeventils 71 auf. Das Pumpengehäuse 20 ist
also zugleich auch das Gehäuse
des Wegeventils 71. Mit diesem kann die Verbindung zwischen
dem Kanal 57 des Pumpengehäuses 20 und dem Anschlußstutzen 14 abgesperrt
werden. Dazu ist zwischen dem Steuerkolben 72 und der Abstützplatte 70 eine
Schraubendruckfeder 73 eingespannt, die den Steuerkolben 72 in
Richtung auf die sich in der Bohrung 58 befindliche Stirnseite
des Anschlußstutzens 14 zu
in Schließrichtung
belastet. In Öffnungsrichtung
des Wegeventils 71 wirkt auf den Steuerkolben 72 der
in der Leitung 13 und im Anschlußstutzen 14 herrschende
Druck, im Normalfall also der Speisedruck. Die Kraft der Schraubendruckfeder 73 ist
verhältnismäßig klein,
so daß der
Steuerkolben 72 durch den Speisedruck gegen die Kraft der
Schraubendruckfeder 73 in Richtung auf die Abstützplatte 70 zu
verschoben werden kann. Wenn also im Anschlußstutzen 14 Speisedruck
herrscht, so ist der Kanal 57 zur Bohrung 58 offen.
Das Wegeventil 71 ist geöffnet. Unterschreitet der Druck
im Anschlußstutzen 14 jedoch
einen bestimmten Wert, so schiebt die Schraubendruckfeder 73 den
Steuerkolben 72 gegen den Anschlußstutzen 14, und der
Kanal 57 ist zur Leitung 13 abgesperrt. Das Wegeventil 71 ist
geschlossen.
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Aus 6 ist
noch ersichtlich, daß die
Bohrung 58 und die Abstützplatte 70 in
den Bereich des Stopfens 24 hineinreichen, durch den also
die Abstützplatte 70 verliersicher
in der Bohrung 58 gehalten wird.
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Sowohl
die Abstützplatte 70 als
auch der Steuerkolben 72 besitzen eine durchgehende Axialbohrung 74 bzw. 75,
die im Steuerkolben 72 eine Drosselstelle 76 aufweist.
Aus dem Anschlußstutzen 14 kann
also Kraftstoff über
die Drosselstelle 76 in den Innenraum 23 gelangen.
Selbst wenn die Schraubendruckfeder 73 bis auf Block zusammengedrückt ist,
wird der Fluß des
Kraftstoffs nicht behindert, da sich die Drosselstelle 76 und
die Axialbohrung 74 in der Abstützplatte 70 innerhalb
der Windungen der Schraubendruckfeder bedingen. Der Innenraum 23 ist über eine
gestrichelt dargestellte Gehäusebohrung 77 mit
der Abströmseite
des Druckbegrenzungsventils 63, also mit der Rücklaufleitung 65 verbunden,
so daß bei
fördernder
Niederdruck-Speisepumpe 10 ein dauernder Flüssigkeitsstrom
durch den Innenraum 23 aufrechterhalten wird, und der Druck
auf der der Abstützplatte 70 abgewandten
Seite des Steuerkolbens 72 niedriger als der Speisedruck
ist. Die Summe der Federkraft und der von dem niedrigeren Druck
erzeugten Kraft sind kleiner als die vom Speisedruck erzeugte und
auf den Steuerkolben 72 wirkende Kraft.
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Das
aus der Axialbohrung
76 abströmende Fluid kann – in Übereinstimmung
mit der Ausgestaltung der Pumpenanordnung gemäß
DE 41 26 640 A1 – auch gezielt
in einem zusätzlichen
Spülstrom
so geführt
werden, daß die
mechanisch und/oder thermisch besonders hoch beanspruchten Bereiche
der Hochdruckpumpe in den Ablauf-Strömungspfad des vorgeförderten Überschuß-Druckfluids
einbezogen werden. Dieser verläuft
dann vorzugsweise in axialer Richtung von der einen Seite des Gehäuses zum
anderen Ende. Es werden somit vorzugsweise die Lager der Pumpenwelle,
der Exzenterabschnitt
35, das Lager des Hubrings
39 sowie
die Abflachungen
40 in einen Kühlstrom einbezogen, der am
Boden des Sacklochs
27 zusammengeführt ist und von dort über einen
Radialkanal
81 und einen Stichkanal
82 zu einem
Sammelraum
83 führt,
welcher über
den Stutzen
64 zum Tank angeschlossen ist.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung ergibt sich somit, daß im normalen
Betrieb, wenn die Niederdruck-Speisepumpe Kraftstoff fördert, das
Wegeventil 71 offen ist. Kraftstoff kann über den
Kanal 57, die Ringnut 56 und die Kanäle 55 und 54 zu
den Saugventilen 50 der Zylinder 21 gelangen.
Während des
Saughubs der Pumpenkolben 22 strömt Kraftstoff in die sich vergrößernden
Verdrängerräume 45. Während des
Druckhubs wird der Kraftstoff durch das Druckventil 51 in
die Kanäle 49 und 60 sowie
in die Ausnehmung 61 und den Druckanschluß 62 verdrängt. Von
der Brennkraftmaschine nicht benötigter Kraftstoff
strömt über das
Druckbegrenzungsventil 63 zum Vorratsbehälter 12 zurück.
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Die
Fördermenge
der Niederdruck-Speisepumpe ist größer als die maximale Fördermenge
der Hochdruckpumpe, so daß immer
eine Überschußmenge vorhanden
ist, die durch die Drosselstelle 76 des Steuerkolbens 72 des
Wegeventils 71 in die vorstehend beschriebene Kühlstrecke
und in den Innenraum 23 strömt und von dort über die
Bohrung 77 und die Leitung 65 ebenfalls zum Kraftstoffvorratsbehälter 12 zurückfließt. Dabei
führt sie
Wärme aus
der Hochdruckpumpe 15 ab.
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Bei
einem Defekt an der Niederdruck-Speisepume 10 sinkt der
Speisedruck, so daß das
Wegeventil 71 schließt
und den Kanal 57 sowohl zur Niederdruck-Speisepumpe 10 als
auch zum Innenraum 23 hin absperrt. Die Hochdruckpumpe
kann nur noch den Teil des Saugtrakts zwischen dem Wegeventil 71 und
den Saugventilen 50 leersaugen. Dann ist die Gefahr gering,
daß aus
der betätigten
Niederdruck-Speisepumpe 10 oder aus dem Innenraum 23 Feststoffpartikel
in die Zylinder 21, zum Druckbegrenzungsventil 63 oder
zu den Einspritzdüsen
der Brennkraftmaschinen gelangen und diese Teile beschädigen.
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Wird
andererseits z. B. ein Fehler an einer Einspritzdüse festgestellt,
so wird der Elektromotor 11 der Niederdruck-Speisepumpe 10 abgeschaltet. Nach
dem dadurch bedingten Abfall des Drucks im Anschlußstutzen 14 schließt das Wegeventil 71,
so daß wiederum
nach kürzester
Zeit die Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine unterbrochen ist
und größere Schäden vermieden
werden.
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Diese
bekannten Druckfluid-Speisesysteme für Common-Rail-Anlagen arbeiten somit sehr betriebssicher.
Allerdings stellt sich mitunter das Problem einer übermäßigen Aufheizung
des Kraftstoffs. Dies erfordert wiederum die Verwendung aufwendiger
Kühlsysteme,
die nicht nur teuer sind, sondern den energetischen Wirkungsgrad
der Pumpenanordnung verschlechtern.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Druckfluid-Speisesystem
der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß mit geringem,
vorrichtungstechnischen Aufwand der energetische Wirkungsgrad weiter
verbessert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird das
durch das Abdrosseln oder durch das Kühlen des Pumpenaggregats thermisch
belastete Druckfluid nicht mehr wie bislang zum Tank geleitet, sondern
zunächst
innerhalb der Pumpe rückgeführt und
sofort wieder komprimiert. Dieser Teil des Mediums belastet somit
nicht mehr den Wärmehaushalt
im Tank, wodurch sich erhebliche Einsparungen am Kühlsystem
ergeben. Der Aufbau der Pumpenanordnung, insbesondere das Sicherheits-Wegeventil
gemäß
DE 44 01 074 A1 bzw.
der Kühlstrom
der Hochdruckpumpe gemäß
DE 41 26 640 A1 kann
dabei weiterhin weitgehend unverändert
und ohne funktionelle Beeinträchtigung beibehalten
werden. Weil das Triebwerk der Pumpe weiterhin durch einen Ölstrom gekühlt wird,
wirkt sich die höhere
Eingangstemperatur des zu verdichtenden Druckfluids nicht nachteilig
auf den Betrieb der Hochdruckpumpe aus, wobei zusätzlich durch
geeignete Formgebung der einzelnen Komponenten der Hochdruckpumpe
dafür gesorgt
werden kann, daß eine
gute Wärmeableitung
bzw. Wärmeabstrahlung von
der Hochdruckpumpe gegeben ist. Dabei ergibt sich der zusätzlich Vorteil,
daß die
rückgeführte Menge
an thermisch belastetem Druckfluid gleichzeitig beispielsweise durch
geschickte Einleitung in den Saugtrakt dazu genutzt werden kann,
die Antriebsleistung der Niederdruck-Speisepumpe zu reduzieren.
Dies gelingt beispielsweise dann, wenn die Einleitung des rückgeführten Druckfluids ähnlich dem Prinzip
einer Strahlpumpe erfolgt, wie sie z. B. bei Zumischeinrichtungen
in Feuerlöschanlagen
Verwendung finden. Ein weiterer besonderer Vorteil ist darin zu
sehen, daß sich
mit der erfindungsgemäßen Umgestaltung
des Druckfluid-Speisesystems gleichzeitig eine schnellere Erwärmung des
Hochdrucksystems einstellt, was insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen,
bei denen das Kraftfahrzeug betrieben wird, von besonderem Vorteil
ist. Schließlich ergibt
sich ein weiterer Vorteil hinsichtlich der energetischen Optimierung
des Systems dadurch, daß die Temperatur
in der gemeinsamen Hochdruckleitung (Common-Rail) und damit die
Temperatur des Leckage-Druckfluids höher ist als bislang, so daß bei Verwendung
eines Kühlers
in der Ablaufleitung zum Tank höhere
Kühlungs-Wirkungsgrade
aufgrund der größeren Temperaturdifferenz
erzielbar sind.
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Der
erfindungsgemäße Aufbau
des Druckfluid-Speisesystems ist für verschiedene Varianten der Druckfluidversorgung
anwendbar. So ist zum Absperren der Verbindung zwischen der Niederdruck-Speisepumpe
und der Hochdruckstufe ein Wegeventil vorgesehen sein, mit dem die
Betriebssicherheit der Anlagekomponenten bei Fehlfunktion der Nierderdruck-Speisepumpe
erhöht
wird.
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Dabei
wird die Einspeisung des über
die Rückströmleitung
abgedrosselten Druckfluids und/oder des abströmenden Kühlölstroms über das Wegeventil vorgenommen.
Dem Wegeventil wird damit eine Doppelfunktion übertragen, und es wird sichergestellt,
daß beim
Schließen
des Wegeventils die Druckfluidmenge, die von der Hochdruckpumpe angesaugt
werden kann, nach wie vor auf ein Minimum beschränkt bleibt.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung
des Druckfluid-Speisesystems ist für Hochdruckpumpen mit konstantem
Verdrängungsvolumen
gleichermaßen
anwendbar wie für
Hochdruckpumpen mit verstellbarer Fördermenge und Saugdrossel-Steuerung. Eine vorteilhafte
Ausgestaltung des Druckfluid-Speisesystems
unter Verwendung einer Hochdruckpumpe mit konstantem Verdrängungsvolumen
ist Gegenstand des Patentanspruchs 2.
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Wenn
das Druckbegrenzungsventil in das Pumpengehäuse integriert ist, ist es
von Vorteil, die Rückströmleitung
des Druckbegrenzungsventils direkt über das Wegeventil zu führen. Bei
geöffnetem Wegeventil
wird somit der abgedrosselte, thermisch belastete Kraftstoff in
den separaten Saugraum stromab. des Wegeventils eingespeist und
der Kompression durch die Hochdruckpumpe zugeführt. Es genügen hierzu – wie in Patentanspruch 15
angegeben, geringfügige
konstruktionstechnische Umbaumaßnahmen
am Wegeventil, um die Doppelfunktion des Ventils sicherzustellen.
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Es
ist jedoch auch möglich,
das Druckbegrenzungsventil – entsprechend
Patentanspruch 4 – außerhalb
des Gehäuses
des Pumpenaggregats in der gemeinsamen Hochdruckleitung zu montieren, und
in diesem Fall lediglich den vom Pumpenaggregat abströmenden Kühlmittelstrom über das
Wegeventil zu führen.
Dies hat den Vorteil, daß an
der Pumpe kein Rücklaufanschluß mehr erforderlich
ist. Gleichzeitig wird die Zulaufmenge von der Niederdruck-Speisepumpe
und damit deren Leistungsaufnahme reduziert. Der Wärmehaushalt
des Kraftstoffs bleibt dabei nach wie vor verbessert. Weil gemäß dieser
Variante die Abdrosselmenge des Druckfluids vom Druckbegrenzungsventil
und die Leckage der Einspritzventile zusammengefaßt werden
können, ergeben
sich in der zum Tank strömenden
Ablaufleitung höhere
Temperaturen, wodurch der Kühl-Wirkungsgrad
der dann ggfs. in die Ablaufleitung eingesetzten Kühler angehoben
werden kann. Die Kühlung
erfolgt effektiver.
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Das
Wegeventil kann nach wie vor mit vergleichbaren Funktionen ausgestattet
werden, wie es bei der Pumpenanordnung gemäß
DE 44 01 074 A1 der Fall
ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Wegeventils sind Gegenstand
der Ansprüche
5 bis 14.
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Wenn
das Pumpengehäuse
der Hochdruckpumpe auch das Gehäuse
für das
Wegeventil ist, so ergibt sich eine unmittelbare örtliche
Zuordnung zwischen Wegeventil und Hochdruckpumpe. Damit kann das
Volumen des Speisetrakts der Hochdruckpumpe, das von dieser nach
der Unterbrechung der Verbindung zur Niederdruck-Speisepumpe noch
leer gesaugt werden kann, sehr klein gehalten werden.
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Die
Weiterbildung gemäß Patentanspruch
7 hat den Vorteil, daß das
Wegeventil unter Wirkung der Rückstellkraft
automatisch eine Sperrstellung einnimmt, wenn der Speisedruck abfällt.
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Gemäß Patentanspruch
10 wird das Wegeventil, mit dem die Verbindung zwischen der Niederdruck-Speisepumpe
und der Hochdruckpumpe abgesperrt werden kann, auch dazu benutzt,
um den Innenraum der Hochdruckpumpe vom Eingang in den Verdrängerraum
abzusperren. Es ist also insgesamt nur ein einziges Ventil notwendig,
um die verschiedenen Verbindungen unterbrechen zu können.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, wenn der Druck im Innenraum der Hochdruckpumpe
geringer als der Speisedruck gehalten ist, was Gegenstand des Patentanspruchs
12 ist. Auf diese Weise ist eine definierte Fließrichtung des Druckfluids vorhanden,
und es ist sichergestellt, daß kein
eventuell mit festen Partikeln verunreinigter Kraftstoff aus dem
Innenraum in den Verdrängerraum
eines Pumpenkolbens gelangt. Der Druckabfall zwischen dem Speisetrakt, zwischen
der Niederdruck-Speisepumpe und der Hochdruckpumpe und dem Innenraum
kann z. B. durch eine Drossel in der Verbindung zwischen dem Speisetrakt
und dem Innenraum hergestellt werden. Auch mit einem Rückschlagventil
läßt sich
unter Ausnutzung von dessen Funktion als Druckdifferenzventil ein
Druckabfall zwischen dem Speisetrakt und dem Innenraum erzeugen.
Wenn ein solcher Druckabfall vorhanden ist, so ist im Sinne einer
einfachen Bauweise vorteilhafterweise gemäß Patentanspruch 12 das Ventilglied
des Wegeventils in Schließrichtung vom
Druck im Innenraum beaufschlagbar. Der höhere Speisedruck kann das Wegeventil
dann immer noch offen halten. Eine Trennung des Raumes auf der anderen
Seite des Ventilglieds vom Innenraum und eine separate Verbindung
zur Rücklaufleitung
ist dann nicht notwendig.
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Wenn
die Hochdruckpumpe von einer Pumpe mit verstellbarer Fördermenge
(Patentanspruch 17) gebildet ist, erfolgt vorzugsweise die Einspeisung des
thermisch belasteten Überschuß-Druckfluids stromauf
des Drosselventils, das zur Drosselsteuerung der Fördermenge
herangezogen wird. Bei dieser Variante kann ein Kraftstoffkühler in
jedem Fall entfallen. Gleichzeitig verringert sich der Ölstrom,
der vom Kraftstofftank über
einen meist vorhandenen Feinfilter zur Kraftstoffpumpe gefördert werden
muß, erheblich.
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Um
die thermische Beanspruchung der Pumpe klein zu halten, wird gemäß Patentanspruch 18
vorzugsweise eine Spülölleitung
stromab des Drosselventils abgezweigt, die über eine Drossel zum Pumpenaggregat
geführt
ist und deren Spülöl nach dem
Durchströmen
des Pumpenaggregats dem Saugbereich der Niederdruck-Speisepumpe
rückgeführt wird.
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Wenn
die Rückführung des
Spülöls gemäß Patentanspruch
19 derart erfolgt, daß sie
in die Saugleitung der Niederdruck-Speisepumpe eingespeist wird,
so ergibt sich der besondere Vorteil, daß überhaupt keine Rücklaufleitung
zum Tank mehr erforderlich ist.
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Wenn
das Wegeventil gemäß Patentanspruch
23 eine NOT-AUS-Schaltstellung
hat, so kann der erforderliche Speisedruck für die Pumpe herabgesetzt werden.
Wenn beispielsweise ein einfacher Schaltmagnet verwendet wird, kann
der Speisedruck etwa halbiert werden.
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Vorzugsweise
wird die NOT-AUS-Schaltstellung mittels eines Elektromagneten gehalten,
der der Druckkraft des auf den Ventilkörper einwirkenden Niederdrucks
entgegenwirkt.
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Nachstehend
werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Hydraulik-Schaltkreises zur Realisierung
einer ersten Ausführungsform
des Druckfluid-Speisesystems der vorliegenden Erfindung;
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2 in
einer der 1 entsprechenden Prinzip-Darstellung den Schaltkreis
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung; und
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3 bis 5 Schaltbilder
zur Verdeutlichung weiterer Ausführungsformen
der Erfindung, wobei in diesem Fall Hochdruckstufen verwendet werden,
die eine Pumpe mit verstellbarer Fördermenge und Saugdrosselsteuerung
beinhalten.
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In
den Figuren sind diejenigen Komponenten, die den Bauteilen bereits
beschriebener Varianten, wie z. B. den Bauteilen der Pumpenanordnung gemäß 6 entsprechen,
mit ähnlichen
Bezugszeichen versehen, denen jedoch die Ziffern ”1” bis ”5” vorangestellt
sind.
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Das
Druckfluid-Speisesystem gemäß 1, welches
zur Versorgung einer gemeinsamen Hochdruckleitung 159,
d. h. der Common-Rail mit einer Vielzahl von Einspritzdüsen 184 dient,
hat eine Niederdruck-Speisepumpe 110, die Fluid, d. h.
Kraftstoff und im einzelnen Diesel-Kraftstoff aus einem Tank 112 ansaugt.
Hierzu ist ein Antriebsmotor 111 in Form eines kleinen
Elektromotors vorgesehen. In der Leitung 113 herrscht somit
bei Betrieb der Niederdruck-Speisepumpe 110 ein Speisedruck
von beispielsweise 1 bar Überdruck,
der durch ein Druckbegrenzungsventil 185 einstellbar ist.
Die Versorgung der Saugleitung 155 der schematisch angedeuteten Hochdruckpumpe 190 erfolgt über ein
Wegeventil 171, das im wesentlichen die Funktion des Wegeventils 71 der
bekannten Pumpenanordnung nach 6 hat, d.
h. bei ausreichendem Förderdruck
in der Leitung 113 geöffnet
ist und darüber
hinaus über
eine Drosselstelle 176 und eine Axialbohrung 174 in
der Lage ist, einen Innenraum 123 der Hochdruckpumpe 190 in
einen Kühlölstrom mit
der Zulaufleitung 186 und einer Ablaufleitung 187 einzubeziehen.
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Die
Wirkungsweise der Hochdruckpumpe entspricht derjenigen des vorstehend
unter Bezugnahme auf die 6 beschriebenen Pumpenaggregats,
d. h. es ist ein Saugventil 150 und ein Druckventil 151 vorgesehen, über das
die Common-Rail 159 gespeist wird. Die Hochdruck-Speiseleitung
in der Hochdruckpumpe ist mit 159a bezeichnet. Das Gehäuse der
Hochdruckpumpe 190 ist mit strichpunktierter Linie angedeutet,
so daß es
einen Sauganschluß AS
und einen Hochdruckanschluß AH
hat. Mit gestrichelten Linien sind die Saug- und Druckseiten der
weiteren Verdränger
der Hochdruckpumpe 190 angedeutet.
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Der
Druck in der Common-Rail 159 und damit der Druck in der
Hochdruck-Speiseleitung 159a wird durch das Druckbegrenzungsventil
(DBE) 163 eingestellt, das elektromagnetisch verstellbar
ist. Bei der gezeigten Ausführungsform
befindet sich das DBE-Ventil 163 innerhalb der strichpunktierten
Linie 120, 124, die das Gehäuse der Hochdruckpumpe 190 andeutet.
Die Abströmleitung
des Druckbegrenzungsventils 163 ist mit 188 bezeichnet.
Leckage-Druckfluid der einzelnen Einspritzdüsen 184 wird über eine
gemeinsame Rückströmleitung 189 zum Tank 112 geführt.
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Die
Besonderheit der Ausgestaltung gemäß 1 besteht
darin, daß die
Abströmleitung 188 des Druckbegrenzungsventils
bzw. des DBE-Ventils 163 nicht direkt an den Tank angeschlossen
ist, sondern innerhalb des Pumpengehäuses 120, 124 derart
rezirkuliert wird, daß er
so in einen separaten Saugraum stromab des Wegeventils 171 eingeleitet
wird, daß er
sofort wieder von der Hochdruckpumpe 190 komprimiert werden
kann. Mit anderen Worten, die Abströmleitung 188 wird über das
Wegeventil 171 mit einem Zulaufanschluß 188a und einem Ablaufanschluß 188b geführt und
hinter dem Wegeventil 171 in die Saugleitung 155 eingespeist.
Das über
das DBE-Ventil 163 abgedrosselte Druckfluid, das aufgewärmt, d.
h. thermisch belastet ist, belastet somit nicht mehr den Wärmehaushalt
im Tank 112. Eine Überhitzung
des Triebwerks bzw. des Antriebsaggregats der Pumpe 190 kann
dabei jedoch ausgeschlossen werden, weil die Pumpe 190 weiterhin über die Leitungen 186, 187 durch
einen Ölstrom
gekühlt
wird. Im übrigen
können
die mit dem wärmeren
Kraftstoff durchflossenen Partien so gestaltet werden, daß eine gute
Wärmeableitung
bzw. Wärmeabstrahlung
gegeben ist.
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1 zeigt
die Stellung eines Steuerkolbens 172 des Wegeventils 171 im
geschlossenen Zustand des Ventils, d. h. für den Fall, daß der Druck
in der Speiseleitung 113 zu gering ist, um das Ventil 171 zu öffnen. In
dieser Schaltstellung ist auch der Zulaufanschluß 188a vom Ablaufanschluß 188b getrennt. Wenn
die Niederduck-Speisepumpe 110 Fluid, d. h. Kraftstoff
fördert,
wird der Steuerkolben 172 entgegen der Kraft einer Feder 173 gemäß 1 nach oben
verschoben, wodurch das Ventil 171 geöffnet wird.
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Der
Steuerkolben 172 hat eine weitere Steuerkante in Form einer
ringförmigen
Eindrehung 191, die bei Verschiebung des Steuerkolbens 172 gemäß 1 nach
oben in Fluchtung mit den Anschlüssen 188a und 188b gebracht
wird, so daß es
gelingt, den über
das DBE-Ventil 163 abgedrosselten erwärmten Kraftstoff über das
Wegeventil 171 in die Saugleitung 155 einzuspeisen.
Dabei kann durch eine geeignete Einleitung der Abströmleitung 188 in
den Saugtrakt 155 der Hochdruckpumpe 190 der Effekt ähnlich einer
Strahlpumpe (vgl. Beschreibung der Strahlpumpe bzw. einer Wasserstrahl-Luftpumpe
in ”Willi
Bohl: Technische Strömungslehre” insbesondere
Bild 4.15) erzielt werden, wodurch es gelingt, die Antriebsleistung
der Niederdruck-Speisepumpe 110 zu
verringern. Weil das Wegeventil 171 im geschlossenen Zustand
ebenfalls die Abströmleitung 188 sperrt,
wird nach wie vor bei Ausfall der Niederdruck-Speisepumpe 110 dafür gesorgt,
daß das
von der Hochdruckpumpe 190 zirkulierte Fluid ein minimales
Volumen hat.
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Aus
der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß durch die Wiedereinspeisung
des erwärmten,
d. h. thermisch belasteten, abgedrosselten Druckfluids über die
Abströmleitung 188 eine
höhere Temperatur
des Druckfluids in der Common-Rail erreicht wird, und das in kürzerer Zeit,
was sich für
die Betriebsweise der Einspritzanlage bei tiefen Außentemperaturen
als vorteilhaft erweist. Mit dieser höheren Temperatur der Common-Rail
steigt auch die Temperatur des Leckagefluids in der Rückströmleitung 189.
Wenn in dieser Leitung somit ein Kühler 192 eingebaut
wird, so kann dieser mit höheren
Temperaturdifferenzen arbeiten und somit mit einem besseren thermischen
Wirkungsgrad betrieben werden. Das System wird damit thermisch weiter
optimiert.
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Eine
weitere Variante des Druckfluid-Speisesystems ist in 2 gezeigt.
Diese Ausführungsform unterscheidet
sich von der Variante gemäß 1 dadurch,
daß eine
andere Art der Rezirkulierung einer Teilströmung von thermisch belastetem
Druckfluid zur Saugseite der Hochdruckpumpe gewählt wird. Im einzelnen ist
hier das Druckbegrenzungsventil 263 nicht mehr in das Pumpengehäuse 220, 224 integriert,
sondern in die gemeinsame Hochdruckleitung, d. h. in die Common-Rail 259.
Rezirkuliert wird hingegen der durch die Hochdruckpumpe 290 laufende Kühlölstrom,
d. h. das Fluid in der Ablaufleitung 287, die jetzt gegebenenfalls über einen
Filter 287a zum Anschluß 288a geführt ist.
Das Wegeventil 271 ist ansonsten identisch mit dem Ventil 171 der
Ausführungsform
nach 1 ausgebildet. Eine Besonderheit besteht noch
darin, daß ein
NOT-AUS-Magnet 293 vorgesehen ist, der es erlaubt, die
Kraft der Vorspannfeder 273 so zu verringern, daß der erforderliche
Speisedruck in der Leitung 213 in etwa halbiert werden
kann. Das Druckbegrenzungsventil 285 ist entsprechend abgeändert, d.
h. mit einer anderen Feder ausgestattet.
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Die über das
Druckbegrenzungsventil 263 abgedrosselte Druckfluidmenge
wird der Rückströmleitung 289 stromauf
eines Kühlers 292 zugespeist. Somit
werden die Abdrosselmenge des DBE-Ventils und die heiße Leckagemenge
der Einspritzdüsen 284
stromauf
des Kühlers 292 zusammengefaßt, wodurch
sich erneut die Möglichkeit
einer effektiveren Kühlung
ergibt.
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Auch
bei der Ausführungsform
nach 2 ergibt sich somit eine Verbesserung des Wärmehaushalts
des Kraftstoffs. Von zusätzlichem
Vorteil ist dabei, daß an
der Pumpe 190 kein Rücklaufanschluß mehr erforderlich
ist. Die Leistungsaufnahme der Vorförderpumpe, d. h. der Niederdruck-Speisepumpe 210 kann
durch die Rezirkulierung des Kühlölstroms über die
Leitung 287 kleiner gehalten werden.
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Vorstehend
wurde die Erfindung bei Pumpenanordnungen mit Hochdruckpumpen 190, 290 mit
konstantem Fördervolumen
beschrieben. Es ist jedoch klar, daß das erfindungsgemäße Prinzip
nicht auf derartige Anordnungen beschränkt ist. Im folgenden werden
Ausführungsbeispiele
beschrieben, die mit Hochdruckpumpen arbeiten, deren Fördermenge verstellbar
ist.
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Der
Hochdruckpumpe 390 gemäß 3 ist ein
Drosselventil 394 vorgeschaltet, so daß die Hochdruckpumpe mit einer
Saugdrossel-Steuerung betrieben werden kann. Das Drosselventil 394 ist
beispielsweise als stetig verstellbares Wegeventil ausgeführt, welches
gegen die Kraft einer Rückstellfeder
elektrisch verstellbar ist. Die Speisung der Hochdruckpumpe 390 erfolgt
durch eine Niederdruck-Speisepumpe 310,
wobei zwischen der Niederdruck-Speisepumpe 310 und dem
Drosselventil 394 ein Filter 395 vorgesehen ist.
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Zur
energetischen Optimierung bzw. zur Verringerung der thermischen
Belastung der Tankanlage wird bei dieser Variante das heiße Leckagefluid
der Einspritzdüsen 384 über die
Rückströmleitung 389 rezirkuliert,
d. h. in die Speiseleitung 313 stromauf des Filters 395 eingespeist.
Von der Speiseleitung 313 zweigt eine Spülölleitung 396 ab,
die über
eine Drossel 397 zum Pumpenaggregat der Hochdruckpumpe 390 geführt ist.
Die Ablaufleitung 387 ist zum Tank 312 geführt. Man
erkennt, daß hier
ein Kraftstoffkühler
entfallen kann. Der Ölstrom,
der vom Kraftstofftank 312 über einen nicht dargestellten Feinfilter
zur Niederdruck-Speisepumpe 310 gefördert werden muß, ist erheblich
verringert.
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Wenn
das System gemäß 3 im
Hochdruckbereich durch ein Druckregelventil abgesichert werden soll,
so ist es von Vorteil, den abgedrosselten Volumenstrom eines solchen
Druckregelventils gemeinsam mit dem Leckageöl der Einspritzdüsen 384 wieder
in den Niederdruckkreis einzuspeisen. Dies ist mit den gestrichelten
Linien in 3 angedeutet. Das Druckregelventil
ist mit 398 bezeichnet, und man erkennt, daß die Abströmleitung 388 mit
der Rückströmleitung 389 zusammengelegt
ist. Die Variante gemäß 4 unterscheidet
sich von der Ausführungsform
nach 3 im wesentlichen nur dadurch, daß die Ablaufleitung 487 für das Spülöl nicht
zum Tank 412, sondern zur Saugleitung 499 der
Niederdruck-Speisepumpe 410 geführt ist. Dies hat den Vorteil,
daß keine
Rücklaufleitung
zum Tank 412 mehr erforderlich ist. Ansonsten können die
Komponenten der Ausgestaltung gemäß 3 verwendet werden,
deren Beschreibung hier zur Vermeidung von Wiederholungen weggelassen
wird.
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Entsprechendes
gilt für
die Ausführungsform nach 5,
die derjenigen der 3 ebenfalls weitgehend entspricht.
Lediglich der Antrieb für
die Niederdruck-Speisepumpe 510 ist variiert. Es versteht sich,
daß die
Ausführungsformen
der 4 und 5 auch mit einem Druckregelventil
im Hochdruckbereich des Druckfluid-Speisesystems ähnlich dem
Druckregelventil 389 der Ausführungsform nach 3 ausgestattet
werden können.
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Selbstverständlich sind
Abweichungen von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen möglich, ohne
den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Während bei den beschriebenen
Ausführungsformen
entweder die Rückströmleitung
der Leckage- und/oder der Druckbegrenzungseinrichtung oder der vom
Pumpenaggregat abströmende
Kühlölstrom zumindest
teilweise zur Saugseite der Hochdruckpumpe stromab der Niederdruck-Speisepumpe rezirkuliert
wird, kann selbstverständlich
auch dafür Sorge
getragen sein, daß sowohl
Fluid aus der Rückströmleitung
als auch der vom Pumpenaggregat abströmende Kühlölstrom vollständig oder
zumindest teilweise zur Saugseite der Hochdruckpumpe zurückgeführt werden.
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Die
Erfindung schafft somit ein Druckfluid-Speisesystem, insbesondere
für die
Versorgung von Hochdruck-Sammelleitungen (Common-Rail-Systeme) beispielsweise
von Einspritzanlagen für
Brennkraftmaschinen, wobei eine von einer Niederdruck-Speisepumpe
versorgte Hochdruckstufe vorgesehen ist. Die Überschuß-Druckfluidmenge der Hochdruckstufe
wird mittels einer Leckage- und/oder Druckbegrenzungseinrichtung
in eine Rückströmleitung
abgedrosselt. Gleichzeitig wird das Pumpenaggregat in einen Kühlölstrom einbezogen. Zur
energetischen Optimierung des Druckfluid-Speisesystems wird die
Rückströmleitung
und/oder der vom Pumpenaggregat abströmende Kühlölstrom zumindest teilweise
wieder in die Saugseite der Hochdruckpumpe stromab der Niederdruck-Speisepumpe eingespeist.
Es ergibt sich eine wesentlich geringere Wärmebelastung des Kraftstoffsystems
und gleichzeitig eine schnellere Erwärmung des Hochdrucksystems
bei niedrigen Außentemperaturen.
