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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft einen Hydraulikhochdruckspeicher
mit einem Speicherraum für
eine hydraulische Flüssigkeit
sowie mindestens einem Anschluss für die Zufuhr und für die Abfuhr
der unter Hochdruck stehenden hydraulischen Flüssigkeit aus dem Speicherraum,
wobei in dem Speicherraum ein Schwingungsdämpfungselement angeordnet ist. Derartige
Hydraulikhochdruckspeicher finden beispielsweise bei Kraftstoffeinspritzanlagen
für Brennkraftmaschinen
Verwendung. Alternativ werden derartige Hydrauliksysteme auch an
Durchflussprüfständen, sowie
anderen Prüfständen, sowie
in der chemischen Industrie eingesetzt.
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In Common-Rail-Einspritzanlagen fördert eine
Hochdruckpumpe den einzuspritzenden Kraftstoff aus einem Tank in
den Zentralkraftstoffhochdruckspeicher, der als "Common-Rail" bezeichnet wird. Vom Kraftstoffhochdruckspeicher
führen
Hochdruckleitungen zu den einzelnen Injektoren der Brennkraftmaschine, über die
Kraftstoff in die Brennräume
eingespritzt wird. Die einzelnen Injektoren werden in Abhängigkeit
von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine von einem Steuergerät angesteuert,
so dass die gewünschte
Kraftstoffmenge zum gewünschten Zeitpunkt
in die Brennräume
der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Durch den Kraftstoffhochdruckspeicher
sind die Druckerzeugung und die Einspritzung voneinander entkoppelt.
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Gerade bei strahlgeführten Brennverfahren für die Benzin-Direkteinspritzung
beziehungsweise die Diesel-Direkteinspritzung
werden sehr hohe Anforderungen an die Stabilität der Sprayform gestellt. Hierzu
ist es erforderlich, den Kraftstoffdruck zu erhöhen. Gleichzeitig sind hiermit
sehr kurze Einspritzzeiten erreichbar, welche eine variable Einspritzung
erlauben, beispielsweise Mehrfacheinspritzungen, wie sie bereits
in Dieselsystemen vorgesehen sind.
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Diese hohen Durchflüsse führen jedoch
zu einer schnellen Volumenabnahme im Injektor, welche in Druckpulsationen
im Hochdruckrail resultieren. Hierdurch ergeben sich Nachteile in
Form von starker Lärmentwicklung
und mechanischer Belastung des Rails. Gleichzeitig kann der ständige Wechsel
von Überdruck-
und Unterdruckwellen an der Einspritzdüse zu ausgeprägten Schwankungen
der Einspritzmenge führen.
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Um die Schwingungen in herkömmlichen Kraftstoffhochdruckspeichern
zu dämpfen,
wird ein relativ großes
Volumen des Kraftstoffhochdruckspeichers benötigt. Infolgedessen wird die
hochdruckfeste Auslegung des Kraftstoffhochdruckspeichers erschwert.
Außerdem
steigt der Bauraumbedarf ebenso wie die Herstellungskosten an.
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Ein herkömmlicher Kraftstoffhochdruckspeicher
ist zum Beispiel in der
DE 196
00 480 beschrieben. Der bekannte Kraftstoffhochdruckspeicher
besteht aus einem langgestreckten rohrförmigen Körper mit mehreren Anschlüssen zur
Versorgung von Injektoren. Der rohrförmige Körper dient der Druckerhaltung,
der Dämpfung
von Druckstößen im Hochdruckbereich
der Kraftstoffeinspritzanlage und der Verteilung des Kraftstoffs
an die verschiedenen Injektoren. Je nach Abstimmung der Kraftstoffeinspritzanlage
treten, insbesondere bei kleinem Rohrinnendurchmesser und einer
großen
Rohrlänge,
Druckschwingungen im Kraftstoffhochdruckspeicher auf. Diese Druckschwingungen
können
dazu führen, dass
manche Injektoren infolge der Ausbildung einer stehenden Welle nicht
die gewünschte
Kraftstoffmenge einspritzen. Außerdem
können
im Rail hinund herlaufende Druckwellen dazu führen, dass die Injektoren abwechselnd
oder stochastisch nicht die gewünschte
Kraftstoffmenge einspritzen.
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Aus der
DE 100 47 351 A1 ist ein
Hochdruckschlauch für
Kraftstoffeinspritzanlagen bekannt, welcher in seinem Inneren ein
Dämpfungselement
aufweist. Dieses Dämpfungselement
teilt den durch den Kraftstoffhochdruckschlauch fließenden Kraftstoff
in zwei Teilströme,
welche über
in dem Dämpfungselement
ausgebildete Drosselstellen miteinander hydraulisch in Verbindung
stehen. Diese Drosselstellen entwickeln erst bei höheren Durchflussgeschwindigkeiten
eine nennenswerte Dämpfungswirkung,
so dass sie für
die Dämpfung
hochfrequenter Druckpulsationen mit kleiner Amplitude nicht geeignet
sind. Bei dem Schwingungsdämpfungselement
handelt es sich um einen ebenfalls rohrförmigen Körper, der beispielsweise aus
gewickelten Plastikstreifen gebildet ist.
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Ein Teil des Stromes läuft dabei
innen im Schwingungsdämpfungselement,
ein anderer Teil des Stromes außen
an demselben Schwingungsdämpfungselement.
Die äußere Seite
zwischen Ringraum und Schwingungsdämpfungselement stellt dabei
eine Sackgasse für
das Fluid dar, so dass dieses durch die Lücken im Schwingungsdämpfungselement
drücken
muss und hierbei eine Druckdrosselung stattfindet.
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Schließlich ist aus der
DE 102 16 693 bekannt, bei einem
Kraftstoffhochdruckspeicher einen kompressiblen Einsatz im Speicherraum
vorzusehen, wobei es sich hierbei beispielsweise um eine Beschichtung
oder Innenauskleidung des Speicherraumes handeln kann oder ein Teilvolumen
des Speicherraums durch den kompressiblen Einsatz eingenommen wird.
Durch einen derartigen kompressiblen Einsatz lassen sich jedoch
Druckpulsationen mit großer
Amplitude nur begrenzt ausfiltern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Hydraulikhochdruckspeicher der eingangs genannten Art bereitzustellen,
dessen Dämpfungseigenschaften
insbesondere auch hohe Amplituden zu dämpfen vermögen und Einzelschwingungen
vermeiden. Darüber
hinaus sollen sowohl Überdruckwellen
als auch Unterdruckwellen gedämpft
werden können.
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Diese Aufgabe wird bei einem Hydraulikhochdruckspeicher
mit einem Speicherraum für
eine hydraulische Flüssigkeit
sowie mindestens je einem Anschluss für die Zufuhr und die Abfuhr
der unter Hochdruck stehenden hydraulischen Flüssigkeit aus dem Speicherraum,
wobei in dem Speicherraum ein Schwingungsdämpfungselement angeordnet ist,
gelöst,
bei dem das Schwingungsdämpfungselement mindestens
eine Drosselscheibe umfasst, die in dem Speicherraum in Längsrichtung
des Speicherraums federnd beweglich geführt ist, wobei die Drosselscheibe
einen Teil des Querschnitts des Speicherraums freilässt zum
Durchtritt der hydraulischen Flüssigkeit.
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Vorteile der
Erfindung
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Durch die Anordnung von Drosselscheiben, die
in axialer Richtung, also in Längsrichtung
des Druckspeicherraums, beweglich sind, können Druckwellen im Hydraulikpfad
gedämpft
werden. Durch entstehende Über-
und Unterdruckwellen, die auf die mindestens eine Drosselscheibe
treffen, wird die mindestens eine Drosselscheibe über die
auftretenden Druckgefälle
ausgelenkt, wobei Überdruckwellen die
Drosselscheibe in Laufrichtung auslenken und Unterdruckwellen die
Drosselscheibe entgegen der Laufrichtung der Druckwelle auslenken.
Hierbei wird durch die federvorgespannten Drosselscheiben ein Teil
der Druckenergie in Federenergie umgesetzt, da die Druckwellen gegen
die Federn arbeiten. Die Druckwellen setzen sich hierbei nach einer
Drosselscheibe mit verminderter Energie fort, wobei sie eine verringerte
Amplitude aufweisen, die, sofern weitere Drosseln vorgesehen sind,
an diese weitergegeben wird.
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Die Federn werden wieder in ihre
Ursprungsposition zurückgestellt,
sobald das Maximum der lokalen Druckwelle die Drosselscheibe passiert
hat, wobei sie die gespeicherte Energie wieder an das hydraulische
Fluid abgeben. Hierdurch beginnt das System zu schwingen, wobei
der Kraftstoff zwischen den Drosselscheiben wiederum als Dämpfer für die Schwingungen
fungiert. Hierdurch wird der Verlauf der jeweiligen Druckwelle abgeflacht,
Druckanstieg beziehungsweise Druckabfall erfolgt darüber hinaus verzögert und
mit geringerer Steigung, das heißt das Maximum liegt tiefer.
Es wird erreicht, dass Einzeldruckschwingungen in ein System überlagerter Schwingungen überführt werden.
Die einzelnen Schwingungen sind dabei bezüglich ihrer Amplitude weniger
ausgeprägt,
und es kommt nicht zu stehenden Wellen im System.
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Durch die guten Dämpfungseigenschaften kann das
Speichervolumen des Speicherraums gering gehalten werden, wodurch
Herstellungskosten und Platzbedarf deutlich verringert sind, insbesondere
wegen der ansonsten entstehenden Kosten bei der zu erzeugenden Hochdruckfestigkeit
des Speicherraums. Eine hochdruckfeste Auslegung für Drücke bis über 2000
bar ist bei kleinen Abmessungen des Hochdruckspeicherraumes leichter
möglich.
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Vorteilhafte Varianten der Erfindung
sehen vor, dass die mindestens eine Drosselscheibe eine Bohrung
aufweist, die insbesondere zentral angeordnet ist, und durch die
das Fluid und die Druckwelle sich dann mit verminderter Kraft fortsetzen,
wobei durch Auftreffen der Druckwelle auf die Drosselscheibe eine
Auslenkung der Drosselscheibe und damit eine Umsetzung der Druckenergie
in Federenergie erreicht wird.
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Es kann hierbei weiterhin vorgesehen
sein, dass die Drosselscheiben bezüglich ihrer äußeren Kontur
und/oder Abmaße
an die innere Kontur und/oder Abmaße des Druckspeichers angepasst sind.
Hierdurch wird insbesondere erzielt, dass eine sichere Führung der
Drosselscheiben gegeben ist, und darüber hinaus kann vermieden werden,
dass größere Mengen
des Fluides außen
an der Drosselscheibe vorbeidrücken.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Federn, die die Drosselscheibe abstützen und
stabilisieren, bezüglich
ihrer Außenmaße ebenfalls
im Wesentlichen den Innenabmaßen des
Speicherraumes entsprechen, so dass die Federn, die eine gewisse
Längserstreckung
aufweisen und beispielsweise mehrere Federwicklungen umfassen, sofern
sie als Schraubenfedern gestaltet sind, sicher im Speicherraum geführt sind
und so ein Verkippen oder Knicken der Feder und damit eine Behinderung
der Kompressibilität
der Federn vermieden werden kann. Durch die Führung der Federn wird sichergestellt,
dass die umzusetzende Druckenergie durch die Federn aufgenommen
und wieder abgegeben werden kann, und dies über eine Vielzahl von Zyklen.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein,
dass die Drosselscheiben mit einigem Abstand zur Innenwandung des
Speicherraums geführt
sind, wobei dann vorgesehen sein kann, die Drosselscheiben ohne
Bohrung oder mit zusätzlicher
Bohrung in der Mitte oder an einer anderen Stelle auszubilden.
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Besonders vorteilhaft kann vorgesehen
sein, dass mehrere Schwingungsdämpfungseinrichtungen,
bestehend aus Federn und Drosselscheiben, hintereinander angeordnet
sind, wobei die verschiedenen Schwingungsdämpfungseinrichtungen verschiedene
Dämpfungsparameter
besitzen können. Die
Dämpfungsparameter
können
zum einen über die
Masse und die Federkonstante des Masseschwingersystems sowie zum
anderen über
den Durchfluss eingestellt werden. Die Parameter Federsteifigkeit,
Gehäusedurchmesser
des Speicherraumes sowie der Drosselbeiwert, der sich als Verhältnis des
Drosselscheibendurchmessers zum Bohrungsdurchmesser beziehungsweise
als Verhältnis
vom Scheibendurchmesser zum Innenmaß des Speicherraumes ergibt,
also dem Verhältnis
frei bleibender Querschnitt / verdeckter Querschnitt an der Drosselscheibe,
lassen sich beliebig variieren und damit an verschiedene hydraulische
Fluide anpassen.
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Darüber hinaus kann vorgesehen
sein, Mehrfachbohrungen vorzusehen, wobei über eine Vergrößerung des
Bohrungsquerschnittes der Drosselscheiben der Drosselbeiwert gesenkt
wird und eine Verkleinerung der Auslenkungsamplitude der Drosselscheiben
erzielt wird. Weiterhin kann durch Vergrößerung der Federkraft eine
Verkleinerung der Auslenkung der Drosselscheiben erzielt werden.
Auf diese Weise lässt
sich das Schwingungsdämpfungselement
auf die Art der zu erwartenden Schwingungen bezüglich Frequenz und Amplitude
einstellen.
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Es kann hierbei insbesondere vorgesehen sein,
dass die Drosselscheiben zwischen zwei Federn angeordnet sind, die
die Drosselscheiben in einer Grundstellung vorgespannt halten bei
konstantem Druck im Speicherraum, und dass je nach Richtung der
auftretenden Druckdifferenz eine Auslenkung der Drosselscheibe in
Längsrichtung
beziehungsweise axialer Richtung des länglichen Speicherraumes erfolgt.
Auf diese Weise kann besonders einfach sowohl ein Ausgleich von Überdruck-
als auch von Unterdruckwellen erreicht werden, wobei beide Druckarten
gleich gut ausgeglichen werden können.
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Es kann hierbei vorgesehen sein,
dass der Hydraulikhochdruckspeicher ein Kraftstoffhochdruckspeicher
für Kraftstoffeinspritzsysteme
für Brennkraftmaschinen
ist, wobei der Speicherraum insbesondere als Common-Rail ausgebildet
sein kann. Der Speicherraum kann alternativ aber auch ein separater
Speicherraum sein, der zum Beispiel einem Common-Rail nachgeschaltet
ist.
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Alternativ ist es auch möglich, dass
der Hydraulikhochdruckspeicher Teil eines Hydrauliksystems eines
Prüfstandes
ist, wobei insbesondere Durchflussprüfstände für Einspritzventile hiervon
profitieren, da bei diesen oftmals Probleme mit Druckstößen auftreten.
Darüber
hinaus ist eine Verwendung in der chemischen Industrie als vorteilhaft
denkbar.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Zeichnung,
deren Beschreibung und den Ansprüchen
aufgeführt.
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Zeichnung In der Zeichnung zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung des Einbaus des Dämpfers in einen Kraftstoffpfad
eines Kraftfahrzeuges;
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2:
eine schematische Darstellung der Schwingungsdämpfungseinrichtung zum Schutz
eines Messgeräts
in einem Durchflussprüfstand;
und
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3:
eine schematische Darstellung der Schwingungsdämpfungseinrichtung in einem
Ruhezustand.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
Hydraulikhochdruckspeichersystems 4, nämlich eines Kraftstoffhochdruckspeichersystems
im Längsschnitt.
Der Kraftstoffhochdruckspeicher weist dabei ein Common-Rail 10 auf,
in das unter Hochdruck stehender Kraftstoff über einen Zufluss 12 gelangt.
Das Common-Rail weist hierbei eine im Wesentlichen zylindrische
Geometrie auf. Der Kraftstoff wird in den Zulauf 12 mittels
einer nicht dargestellten Kraftstoffhochdruckpumpe gefördert.
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Das dem Kraftstoffzulauf 12 gegenüberliegende
Ende 14 des Common-Rails ist hierbei hydraulisch dicht,
beispielsweise durch einen Verschlussstopfen verschlossen. An einer
Außenfläche 16 des
Common-Rails 10 sind verschiedene Anschlussstutzen 18 angeordnet. Über die
Anschlussstutzen 18 wird der im Common-Rail 10 befindliche Kraftstoff
zu den Injektoren 20 transportiert. In einen weiteren Anschlussstutzen 21 ist
ein Drucksensor eingeschraubt (nicht dargestellt).
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In Strömungsrichtung zwischen Anschlussstutzen 18 und
den Injektoren 20 ist hierbei eine Dämpfungseinrichtung 22 je
Injektor vorgesehen, die in einem Speicherraum 24 angeordnet
ist, mit einer zylindrischen Innen- und Außenkontur.
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Die Dämpfungseinrichtungen 22 dienen
dazu, die Druckschwankungen, die durch die hohen Durchflüsse durch
die Injektoren 20 aufgrund von Mehrfacheinspritzungen erreicht
werden, entstehen, insbesondere Unterdrücke, die ausgehend von den Injektoren
in das Common-Rail 10 zurückschlagen, zu dämpfen.
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2 zeigt
nun alternativ einen Aufbau für ein
Hydrauliksystem eines Prüfstandes,
für eine Durchflussprüfung eines
Injektors, der hier ebenfalls mit 20 bezeichnet ist.
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Dabei gelangt das hydraulische Fluid über eine
Zuführung
(hier ebenfalls mit 12 bezeichnet) in ein Messgerät z. B.
einen Massedurchflussmesser 26, und von dort weiter über einen
Anschlussstutzen 28 in eine Dämpfungseinrichtung beziehungsweise in
ein Schwingungsdämpfungselement 22,
das zwischen Messgerät
und Injektor geschaltet ist, um die Druckstöße, die bei einem Prüfsystem
für strahlgeführte Einspritzverfahren
auftreten, gegenüber
dem Messgerät
zu dämpfen.
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Ein ähnlicher Aufbau ist darüber hinaus
auch bei Einsätzen
in der chemischen Industrie denkbar.
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3 zeigt
ein Dämpfungselement,
wie es in den 1 und 2 dargestellt und mit dem
Bezugszeichen 22 bezeichnet ist im Schnitt, im Ruhezustand. Der
Dämpfer
selbst ist dabei in einem Speicherraum 24, der durch ein
zylindrisches Gehäuse
gebildet wird, untergebracht. Auf beiden Seiten der Kopfenden des
zylindrischen Gehäuses
besitzt der Speicherraum 24 hydraulische Anschlüsse 30.
Die Durchströmungsrichtung
ist durch Pfeile gekennzeichnet, das heißt, der in der Zeichnungsdarstellung
rechts dargestellte hydraulische Anschluss führt zu dem Injektor 20.
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Der Dämpfer 22 weist hierbei
zwei Drosselscheiben 32 auf, die über drei Federn 34', 34'' und ''' im Gehäuse des
Speicherraumes gelagert sind und bezüglich ihrer axialen Position
in diesem in einer Ruheposition stabilisiert sind.
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Dabei werden die Drosselscheiben 32 von beiden
Seiten durch die Federn 34' bis 34''' gehalten. Die Federkonstante aller
drei Federn 34' bis 34''' ist hierbei so eingestellt, dass Bewegungen
sowohl entgegen als auch in Strömungsrichtung
des Fluids gleichermaßen
leicht durch die Drosselscheiben 32 vollführt werden
können.
Die Drosselscheiben 32 besitzen dabei einen derartigen
Querschnitt, dass sie annähernd
der Kontur des Querschnitts des Speicherraums 24 angepasst
sind. In der Mitte jeder Drosselscheibe 32 ist eine Öffnung 36 vorgesehen,
durch die Fluid hindurchströmen
kann.
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Wird nun hydraulisches Fluid durch
die Injektoren 20 beispielsweise in einen Brennraum eines Kraftfahrzeugs
eingespritzt, so entsteht eine Unterdruckwelle, die entgegen der
Strömungsrichtung
des Fluides in den Speicherraum 24 zurückläuft. Durch die Unterdruckwelle
werden die Drosselscheiben 32 durch das entstehende Druckgefälle Δp über die Drosselscheibe 32,
das entsteht, da das Fluid und damit auch der Druck durch die Drosselscheiben
am Weiterfluss gehindert wird, entgegen der Strömungsrichtung des Fluids ausgelenkt,
wobei die Feder 34''' komprimiert wird
und die Federn 34'' und 34' gedehnt werden.
Ein Teil der Druckenergie wird dadurch in Federenergie umgesetzt.
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Die Druckdifferenz, die sich über die
erste Drosselscheibe 32 dann fortpflanzt und die zweite Drosselscheibe 32 erreicht,
ist bezüglich
ihrer Amplitude deutlich abgeschwächt. An der zweiten Drosselscheibe 32 führt sie
durch den Druckabfall Δp über die
zweite Drosselscheibe 32 zu einer Kompression der Feder 34'' und einer weiteren Dehnung der
Feder 34'.
Durch diese Bewegung der Drosselscheibe 32 wird weitere
Druckenergie in Federenergie umgewandelt, so dass am hydraulischen
Zulauf möglichst Δp = 0 herrscht
und keine Druckwelle mehr vorliegt, die sich dann in beispielsweise
das Common-Rail 10 fortpflanzen würde.
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Nachdem das Maximum der Druckwelle
an den Drosselscheiben vorbeigelaufen ist, geben die Federn 34 die
in ihnen gespeicherte Energie an den Kraftstoff zurück, wobei
sich das System wieder in die Ausgangslage bewegt. Das System beginnt
hierdurch zu schwingen, wobei der Kraftstoff zwischen den Drosselscheiben 32 als
weiterer Dämpfer
wirkt. Die Einzeldruckschwingung wird hierdurch in ein System überlagerter
Schwingungen umgesetzt.
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Über
die Auswahl der Drosselscheiben 32 sowie der Federn 34,
sowie der jeweiligen Parameter kann das Dämpfungssystem auf die verschiedenen, beispielsweise
Kraftstoffsysteme, angepasst werden.