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Die Erfindung betrifft einen Membranvergaser für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 22 55 594 ist ein Membranvergaser für eine Brennkraftmaschine bekannt, bei dem im Vergasergehäuse eine impulsdruckbetriebene Kraftstoffpumpe angeordnet ist. Die Kraftstoffpumpe ist als Membranpumpe, deren Membran einen Brennstofförderraum oder eine Pumpenkammer und einen Impulsraum oder eine Arbeitskammer trennt, ausgebildet. Der Impulsraum ist an eine Quelle pulsierenden Druckes angeschlossen und die Membran von einer den Impulsraum durchsetzenden Feder beaufschlagt. Die Membran bewegt sich bei Unterdruckimpulsen entgegen der Kraft der Feder, die beim Wechsel zu Druckimpulsen die Kraftstofförderung in der Pumpenkammer unterstützt und den Brennstofförderdruck der Membranpumpe verstärkt. Mit dem bekannten Membranvergaser ist ein störungsfreier Betrieb insbesondere in Verbindung mit einer Brennkraftmaschine mit nur schwachen positiven Druckimpulsen nicht möglich.
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In der
DE 1 475 921 ist ein Membranvergaser für eine Brennkraftmaschine offenbart, wobei in einem Vergasergehäuse eine impulsbetriebene Kraftstoffpumpe angeordnet ist. Die Kraftstoffpumpe besteht aus einer Pumpenkammer, einer Arbeitskammer und einer Membran, die die beiden Kammern trennt. Die Membran ist mit seitlichen Rändern in einer Schnittebene zwischen Gehäuseteilen eingespannt. Die Arbeitskammer weist einen Druckimpulsanschluß auf. In der Pumpenkammer befinden sich ein Kraftstoffeinlaßventil und ein Kraftstoffauslaßventil. Dabei sind Kraftstoffeinlaßventil und Kraftstoffauslaßventil in einem Abstand zu der Schnittebene, in der die Membran eingespannt ist, angeordnet.
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Aus der
DE 198 33 541 A1 ist eine gemischgeschmierte Viertakt-Brennkraftmaschine bekannt, deren Membranvergaser eine Kraftstoffpumpe aufweist. Die Pumpenkammer und die Antriebskammer sind durch eine Membran voneinander getrennt, wobei der wechselnde Druck des Kurbelgehäuses in der Arbeitskammer wirkt. Im Leerlauf tritt ein permanent niedriger Unterdruck auf, der zu einem Einbruch der Förderleistung führt.
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Aus der Serienfertigung zum Wartburg W311 ist eine Unterdruck-Kraftstoffpumpe bekannt, die vom wechselnden Druck im Kurbelgehäuse eines Zweitaktmotors angetrieben ist. Druckverhältnisse wie bei einem Viertaktmotor liegen nicht vor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine impulsdruckbetriebene Kraftstoffpumpe derart auszubilden, dass über den gesamten Druckbereich im Betrieb der gemischgeschmierten Viertaktbrennkraftmaschine eine ausreichende Kraftstoffförderung gewährleistet ist.
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Die Aufgabe wird durch einen Membranvergaser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Wirkt ein Unterdruckimpuls auf die Membran in der Antriebskammer, so ist durch die große Membranfläche eine ausreichende, gegen die Kraft der Feder wirkende Rückstellkraft an der Membran bewirkt. Der Verstellweg der Membran ist abhängig von der Größe des Unterdrucks, d. h. mit zunehmendem Unterdruck wird die Feder weiter gespannt. Die axiale Erstreckung der Pumpenkammer und Arbeitskammer ermöglicht es, die Kraftstoffpumpe in unterschiedlichen Arbeitsbereichen zu betreiben, d. h. mit Druckpulsen auf einem höheren oder niederen Druckniveau.
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Um mit der impulsdruckbetriebenen Kraftstoffpumpe auch bei überwiegend oder ausschließlich negativen Druckimpulsen an der Antriebskammer der Kraftstoffpumpe eine zuverlässige Kraftstofförderung zu bewirken, ist vorgesehen, die bewegbare Membranfläche der Pumpenmembran zu maximieren. Der zwischen den im Vergasergehäuse eingespannten Rändern der Membran vorhandene Flächenanteil, die bewegbare Membranfläche also, wird insbesondere dadurch maximiert, daß alle möglichen Funktionselemente, besonders ein Kraftstoffeinlaßventil und ein Kraftstoffauslaßventil, aus der Schnittebene des Vergasergehäuses, in welcher die Membran angeordnet ist, herausgenommen und mit Abstand zu der Schnittebene, in der die Membran liegt, angeordnet sind.
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Die Maßnahme, das Kraftstoffeinlaß- und -auslaßventil mit Abstand zu einer Wand der Pumpenkammer in einer separaten Funktionsebene des Membranvergasers anzuordnen, führt zur Vereinfachung des Aufbaus des Membranvergasers. Bevorzugt ist die Schnittebene des Vergasergehäuses, in der die Membran zu liegen kommt, etwa so groß wie eine Vergasergrundfläche. Die Antriebskammer ist zweckmäßig in einem Vergasergehäusedeckel ausgebildet. An dem Vergasergehäusedeckel ist ein Impulsanschluß zur Zufuhr der Druck- und Unterdruckimpulse vorgesehen. Es ist zweckmäßig, die Pumpenkammer in einem separaten, mit dem Grundkörper des Membranvergasers verbundenen Bauteil auszubilden. Das Bauteil ist im montierten Zustand des Membranvergasers als Zwischenstück zwischen dem Vergasergehäusedeckel und dem Vergasergrundkörper angeordnet. Das Volumen der Pumpenkammer kann so in Abhängigkeit von der Höhe des Zwischenstückes bemessen werden. Die Feder dient zur Rückstellung der Membran. Die dadurch bedingte Lageänderung der Membran bewirkt damit die Kraftstofförderung. Bevorzugt kommt eine Schraubenfeder, insbesondere eine Druckfeder, zur Anwendung. Die Druckfeder ist bevorzugt in der Antriebskammer angeordnet und stützt sich einerseits an der Innenwand des Vergasergehäusedeckels und andererseits an der Membran ab. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Feder als Zugfeder oder Blattfeder auszubilden und in der Pumpenkammer einzuordnen. Vorzugsweise ist ein Membranteller, welcher flächig an der Membran zu liegen kommt, zwischen der Feder und der Membran angeordnet. Der Membranteller kann sowohl an der Membran selbst als auch an der Feder befestigt sein. Bevorzugt umschließt der Membranteller teilweise ein Ende der Schraubenfeder auf seiner der Membran abgewandten Seite. Die Feder ist dadurch quer zu ihrer Längsachse in ihrer Lage stabilisiert und elastisch gehalten.
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Bevorzugt ist das Kraftstoffeinlaß- und -auslaßventil etwa in der Trennfläche zwischen dem Zwischenstück und dem Vergasergrundkörper angeordnet. Die Ventile sind auf diese Weise leicht als Membranrückschlagventile mit großem lichtem Ventilquerschnitt auszubilden.
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Der Impulsanschluß an der Antriebskammer ist fluidisch mit einer Quelle pulsierenden Druckes der Brennkraftmaschine verbunden. Die Brennkraftmaschine ist eine gemischgeschmierte Viertaktbrennkraftmaschine. Zum Abgriff des pulsierenden Druckes eignet sich als Quelle an der Brennkraftmaschine das Kurbelgehäuse oder ein Ansaugrohr für Verbrennungsluft. Bei einer gemischgeschmierten Brennkraftmaschine ist es zweckmäßig, als Quelle pulsierenden Drucks das Ventilgehäuse, das Ventiltriebsgehäuse, das Kurbelgehäuse oder ein Ansaugrohr für die Verbrennungsluft vorzusehen. Bei Viertaktbrennkraftmaschinen bewegt sich der pulsierende Druck im Bereich des Außendrucks der Brennkraftmaschine oder negativen Drucks. Kommt eine biegeschlaffe Elastomer-Flachmembran als Membran der Kraftstoffpumpe zur Anwendung, so ist dadurch die Auslenkung der Membran erleichtert. Die Membran selbst wird dabei vorteilhaft durch den Membranteller gestützt.
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Um Schwankungen des Impulsdruckes und dadurch verursachte Schwankungen des Kraftstofförderdruckes zu kompensieren, ist vorgesehen, das Volumen der Pumpenkammer so groß zu wählen, daß die Pumpenkammer als Zwischenspeicher für unter Druck stehenden Kraftstoff dient.
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Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend anhand der Zeichnung gezeigt. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine Seitenansicht eines Membranvergasers mit einem Längsschnitt einer Kraftstoffpumpe,
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2 einen Ausschnitt II in 1,
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3 eine Explosionsdarstellung des Membranvergasers in 1,
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4 einen schematischen Querschnitt durch die Kraftstoffpumpe bei anliegendem Unterdruckimpuls in der Pumpenkammer in einem ersten Arbeitsbereich,
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5 einen schematischen Querschnitt durch die Kraftstoffpumpe in einem zweiten Arbeitsbereich,
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6 den Hub einer Kraftstoffpumpenmembran aufgetragen über dem relativen Druck in der Pumpenkammer.
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Der in der 1 dargestellte Membranvergaser 1 dient der Gemischaufbereitung für eine Brennkraftmaschine 2 für einen Viertaktmotor. Ein derartiger Motor ist vorteilhaft in handgeführten Arbeitsgeräten wie Motorkettensägen, Freischneidegeräten, Trennschleifern, Rasenmähern oder dgl. einsetzbar.
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In dem Membranvergaser 1 ist ein Ansaugkanal 26 ausgebildet, über den in Pfeilrichtung Verbrennungsluft 27 zum Einlaß der Brennkraftmaschine strömt. Im Ansaugkanal 26 ist ein Venturi-Abschnitt 28 ausgebildet, in dessen Bereich Kraftstoffdüsen münden. Die Düsen sind aus einer in den 1 und 3 ersichtlichen Regelkammer 29 im Inneren des Vergasergehäuses 3 gespeist. Strömt Verbrennungsluft durch den Ansaugkanal 26, tritt Kraftstoff aus den Düsen aus und wird der Verbrennungsluft zugemischt. Die Regelkammer 29 wird über einen Zulaufkanal von einer Kraftstoffpumpe 5 mit Kraftstoff versorgt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Kraftstoffpumpe 5 von dem schwankenden Druck 25 im Kurbelgehäuse 30 eines Viertaktmotors 31 angetrieben. Hierzu ist die Kraftstoffpumpe 5, bestehend aus einer Kammer 32 zwischen Gehäuseteilen 15, 16 des Vergasergehäuses 3, in eine Pumpenkammer 6 und eine Antriebskammer 7 unterteilt. Die Pumpenkammer 6 und die Antriebskammer 7 sind durch eine Membran 8 getrennt.
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Die Antriebskammer 7 steht mit dem Kurbelgehäuse des Viertaktmotors 31 fluidisch in Verbindung, wodurch in die Antriebskammer 7 Druckschwankungen eingeleitet werden. An der Membran 8 steht beispielsweise abwechselnd Unterdruck oder etwa Umgebungsdruck an, wobei die Druckschwankungen von der Drehzahl, von der Bauart der Brennkraftmaschine und der Quelle 22 des pulsierenden Druckes 25 (Kurbelgehäuse, Ventilgehäuse, Ventiltriebsgehäuse und Ansaugrohr) abhängt. Die dadurch bedingten Pumpbewegungen der Membran 8 bewirken durch Volumenänderung der Pumpenkammer 6 und mittels einem Kraftstoffeinlaßventil 9 und einem Kraftstoffauslaßventil 10 eine Kraftstofförderung. Vorzugsweise sind die Ventile als Membranrückschlagventile oder Kugelventile oder dgl. ausgebildet.
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Über das Kraftstoffeinlaßventil 9 ist der Pumpenkammer 6 Kraftstoff zugeführt, so daß beim Ansaugen Kraftstoff in die Pumpenkammer nachfließt. Bei einem anschließenden Förderhub der Membran 8 in Richtung des Vergasergrundkörpers 4 schließt das Kraftstoffeinlaßventil 9 und das Kraftstoffauslaßventil 10 öffnet, so daß der Kraftstoff mit Druck durch den Zulaufkanal in die Regelkammer zu den Düsen gefördert wird und mit definiertem Druck in den Ansaugkanal 26 gelangt.
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Wie insbesondere 2 als Teilausschnitt II aus 1 und die 3 zeigen, ist die Membran 8 als Elastomer-Flachmembran ausgebildet. Etwa im Zentrum der Membran 8 ist eine kreisscheibenförmige bewegbare Membranfläche 11 vorgesehen. Die Membranfläche 11 bildet einen Teil der Fläche 13 der Schnittebene 12, in welcher die Membran 8 im Vergasergehäuse 3 zu liegen kommt. Vorzugsweise ist die Fläche der Schnittebene 12 etwa so groß wie eine Vergasergrundfläche 24. Die Membran 8 ist zwischen dem Vergasergehäusedeckel 15 und dem Zwischenstück 16 eingespannt. Zwischen den eingespannten Rändern der Membran 8 hat die bewegliche Membranfläche 11 einen Abstand b, der den größten Teil einer Breite B des Vergasergehäuses 3 ausmacht. Auf diese Weise ergibt sich eine relativ große kraftbeaufschlagbare Fläche 11 der Membran 8.
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In dem Vergasergehäusedeckel 15 ist die Antriebskammer 7 der Kraftstoffpumpe 5 ausgebildet, während eine im Querschnitt annähernd rechteckförmige Ausnehmung in dem Zwischenstück 16 die Pumpenkammer 6 bildet. Eine Feder 17, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Schraubenfeder 18 ausgebildet ist, ist zwischen dem Boden 33 des Vergasergehäusedeckels 15 und der Membran 8 federnd eingespannt. Ein flacher Membranteller 19 ist an einem Ende 34 der Schraubenfeder 18 zwischen die Membran 8 und die Schraubenfeder 18 gelegt. Der Durchmesser des Membrantellers 19 ist etwa doppelt so groß wie der Durchmesser der Schraubenfeder 18. Der Membranteller 19 ist auf seiner Rückseite, der der Schraubenfeder 18 zugewandten Seite, hülsenförmig gebildet, wobei die Wand 37 der Hülse 38 das Ende 34 der Schraubenfeder 18 radial umschließt.
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Am anderen Ende 35 der Schraubenfeder 18 ist diese radial in einer Vertiefung 39 des Vergasergehäusedeckels 15 gehalten. Auf diese Weise ist die Schraubenfeder 18 beweglich radial in der Antriebskammer 7 gehalten und geführt. Es kann zweckmäßig sein, anstelle einer Schraubendruckfeder in der Antriebskammer eine Zugfeder in der Pumpenkammer vorzusehen. Die Zugfeder kann auch als Blattfeder, als Tellerfeder oder als Federzunge ausgebildet sein. Es ist zweckmäßig, den Membranteller 19 formschlüssig oder kraftschlüssig, beispielsweise durch Nieten mit der Membran 8 zu verbinden.
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Die frei in der Kammer 32 bewegbare Membranfläche 11 ist möglichst groß zu wählen, um bei den insbesondere bei Viertaktmotoren zur Verfügung stehenden, geringen Druckdifferenzen oder auch bei den geringen zur Verfügung stehenden Druckdifferenzen eines Zweitaktmotors im Leerlauf eine genügend große Kraft zur Rückstellung und Vorspannung der Feder in der Antriebskammer zu erzeugen. Aus diesem Grund ist in dem Ausführungsbeispiel das Kraftstoffeinlaßventil 9 und das Kraftstoffauslaßventil 10 mit Abstand a zur Funktionsebene der Membran 8 angeordnet.
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Das Kraftstoffeinlaßventil 9 und das Kraftstoffauslaßventil 10 liegen mit Abstand a zu der Schnittebene 12 etwa in einer Trennfläche 21 zwischen dem Zwischenstück 16 und dem Vergasergrundkörper 4. Wie 2 zeigt, sind zur fluidischen Verbindung der Pumpenkammer 6 mit dem Kraftstoffeinlaßventil 9 und dem Kraftstoffauslaßventil 10 zwei Durchbrechungen 20 in dem Zwischenstück 16 vorgesehen. Die Ventile können so im Rahmen des zur Verfügung stehenden Bauraumes mit beliebigem Abstand von der Innenwand 14 der Pumpenkammer 6 angeordnet werden. Die Pumpenkammer 6 läßt sich in gewünschter Weise zu einem Zwischenspeicherraum für Kraftstoff ausdehnen. Durch diese konstruktive Maßnahme ist eine Kompensation der im Betrieb einer Brennkraftmaschine auftretenden Impulsdruckschwankungen ermöglicht. Schwankungen des Kraftstofförderdruckes und der Kraftstoffördermenge sind dadurch wirksam ausgeglichen. Insbesondere beim Start oder Wiederstart der Brennkraftmaschine ist dadurch die Ausnutzung eines bereits unter Druck stehenden Kraftstoffvolumens in der Pumpenkammer 6 ermöglicht. Eine einwandfreie Gemischbildung im Ansaugkanal 26 des Membranvergasers 1 ist dadurch bewirkt.
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Im Betrieb der Kraftstoffpumpe wird von der Quelle 22 pulsierenden Druckes über einen im wesentlichen radial in dem Vergasergehäusedeckel 15 eingesetzten Stutzen 36 die Arbeitskammer 7 mit einem Unterdruck beaufschlagt, der auf die Membran 8 wirkt. Unter Wirkung von Unterdruck bewegt sich die Membran 8 entgegen der Federkraft der Schraubenfeder 18 mit dem Membranteller 19 in Richtung des Bodens 33 des Vergasergehäusedeckels 15. Am Beispiel der 4 ist verdeutlicht, daß bei einem bestimmten Unterdruck, beispielsweise in der Größenordnung von etwa 0,5 bar, die Membran 8 weit gegen die Feder 18 ausgelenkt wird. Mit der durchgezogenen Linie ist dabei eine Mittellage eines ersten Arbeitsbereichs I dargestellt und die gestrichelten Linien geben die Auslenkungen infolge der Druckpulsation an, wobei die Druckamplitude zwischen den Auslenkungen beispielsweise 0,1 bar beträgt. Der daraus erzeugte Membranhub kann etwa 0,25 mm betragen.
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In 5 ist gezeigt, daß im Bereich eines anderen Druckniveaus sich ein zweiter Arbeitsbereich II einstellt. Aus der mit der durchgezogenen Linie dargestellten Grundstellung der Membran 8 bei entspannter Feder 18 wird durch einen Unterdruckimpuls in der Antriebskammer von etwa 0,15 bar die Membran 8 entgegen der Federkraft ausgelenkt. Das entspricht der in 5 unteren gestrichelten Position. Mit Abschwächung des Druckimpulses erfolgt die entgegengesetzte Bewegung der Membran 8 aufgrund der Rückstellkraft der Feder 18 und durch positive Druckimpulse, d. h. über den relativen Normaldruck von 0 bar ansteigend, in der Antriebskammer 7 erfolgt eine Auslenkung der Membran in die obere gestrichelte Position in 5.
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Es versteht sich von selbst, daß zwischen den in 4 und 5 dargestellten Arbeitsbereichen I und II auch beliebige Zwischenarbeitsbereiche einstellbar sind, bzw. sich aufgrund des jeweiligen aktuellen Druckniveaus selbständig einstellen.
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Bevorzugt gelangt eine biegeschlaffe Flachmembran 23 zur Anwendung, wodurch wenig Verformungsarbeit für die Membran 23 selbst aufzuwenden ist und auch bei geringsten zur Verfügung stehenden Druckimpulsschwankungen eine bestmögliche Kraftstofförderleistung der Kraftstoffpumpe 5 bewirkt ist.
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6 verdeutlicht in einem Diagramm die Hubbewegungen einer Membran aufgetragen über die von einer Brennkraftmaschine generierten Impulsdruckschwankungen am Beispiel der Arbeitsbereiche I und II. Es ist daraus ersichtlich, daß die Federkennlinie einen proportionalen Verlauf hat, wobei im vollständig entspannten Zustand der Feder 18 die Membran 8 in der Normallage bei 0 mm Hub liegt. Diese Stellung wird bei einem relativen Druck von 0 bar eingenommen. Im Arbeitsbereich II wird bei einem negativen Druckimpuls von beispielsweise 0,15 bar ein Hub gegen die Feder 18 von > 0,4 mm erzeugt. Bei Ende des negativen Impulses ist die Membran 8 wieder in der Grundstellung und bei sich anschließendem positiven Druckimpuls erfolgt ein Hub in 6 gesehen nach links von beispielsweise 0,3 mm. Somit kann ein Gesamthub von 0,7 mm genutzt werden.
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Bei einem Druckniveau, in dem die Gesamtamplitude im Unterdruckbereich liegt wie beispielsweise beim Arbeitsbereich I, wird jeweils der Anstieg der Druckdifferenz zum Normaldruck von 0 bar für den Hub der Membran 8 gegen die Feder 18 genutzt, wohingegen bei Verringerung dieser Druckdifferenz die Kraft der Feder in Gegenrichtung wirkt und somit die Membran etwas zurückgestellt wird. Wie aus 6 im Arbeitsbereich I deutlich wird, können bei Druckamplituden von 0,1 bar noch Pumpenhübe von ca. 0,25 mm erreicht werden, so daß mit der erfindungsgemäßen Anordnung selbst solch kleine Druckimpulse für eine erforderliche Kraftstofförderung ausreichen.
