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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe, mit einem Pumpengehäuse, einem Einlass, und einem Förderraum, der von mindestens einem beweglichen Fördermittel begrenzt wird.
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Eine Fluidpumpe der eingangs genannten Art ist aus der
DE 195 39 885 A1 bekannt und kommt beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff-Direkteinspritzung zum Einsatz. Bei derartigen Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoff von der Fluidpumpe auf einen hohen Druck komprimiert und in eine Kraftstoff-Sammelleitung (”Rail”) gefördert. Von dieser gelangt der Kraftstoff unter hohem Druck über Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen direkt in die Brennräume der Brennkraftmaschine. Die Fluidpumpe saugt den Kraftstoff über einen Niederdruckanschluss und ein Einlassventil in einen Förderraum an. Dieser wird von einem Förderkolben begrenzt.
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Um Druckschwankungen in einer Kraftstoffleitung auszugleichen, die mit dem Niederdruckanschluss verbunden ist, ist dort ein Druckdämpfer angeordnet. Dieser umfasst einen federbelasteten Kolben, der eine mit der Kraftstoffleitung über einen Sackanschluss verbundene Dämpfungskammer begrenzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Fluidpumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie einerseits möglichst kleine Abmessungen aufweist und andererseits einfach hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Fluidpumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sie einen integrierten Druckdämpfer umfasst, der einlassseitige Druckschwankungen dämpft und der mindestens ein zwischen zwei Membranen eingeschlossenes Gasvolumen umfasst, welches in einem an einem Gehäusekörper der Fluidpumpe befestigten Gehäusedeckel der Fluidpumpe aufgenommen ist, und dass Randabschnitte der beiden Membranen zwischen mindestens zwei Halteelementen gehalten sind, welche wiederum im Gehäusedeckel gehalten sind.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Verwendung eines abgeschlossenen Gasvolumens kann die Kompressibilität von Gasen dazu ausgenutzt werden, die für die Dämpfung von Druckpulsationen erforderliche elastische Bewegung der Membranen sicherzustellen. Ein derartiges Gasvolumen kann in beinahe beliebiger geometrischer Form realisiert werden. Es kann also sehr platzsparend in die Fluidpumpe integriert werden. Die Unterbringung des Druckdämpfers innerhalb des Pumpengehäuses erspart darüber hinaus eine komplexe Leitungsführung mit entsprechenden Dichtigkeitsproblemen. Die Halterung der beiden Membranen zwischen zwei Halteelementen, welche wiederum im Gehäusedeckel gehalten sind, ermöglicht eine Vorabmontage des Druckdämpfers. Dies führt zu einer Vereinfachung der Montage der Fluidpumpe insgesamt und somit zu einer Reduzierung ihrer Herstellkosten. Insgesamt wird auf der Basis der erfindungsgemäßen Merkmale eine preiswerte und zugleich kompakte Fluidpumpe geschaffen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Zunächst wird vorgeschlagen, dass der Gehäusedeckel zum Gehäusekörper hin eine wenigstens im Wesentlichen offene Seite mit einem freien Rand umfasst, der einen nach radial innen weisenden Umbug aufweist, und dass sich das dem Gehäusekörper zugewandte Halteelement an dem Umbug abstützt. Ein solcher Umbug kann beispielsweise durch Einbördeln des freien Rands des Gehäusedeckels leicht und preiswert hergestellt werden. Der Umbug sorgt, ohne dass zusätzliche Arbeitsschritte oder separate Elemente erforderlich sind, für eine sichere Halterung des dem Gehäusekörper zugewandten Halteelements. Darüber hinaus muss eine Verbindung zwischen Gehäusekörper und Gehäusedeckel nur die hydraulischen Kräfte, nicht jedoch die Vorspannkräfte aufnehmen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Gehäusedeckel eine vom Gehäusekörper abgewandte geschlossene Seite umfasst, und vorzugsweise dass die Halteelemente gegenüber dem Gehäusedeckel starr sind, und dass die Halteelemente zwischen dem Umbug und der geschlossenen Seite verspannt sind. In diesem Falle kann die aus dem Druckdämpfer und dem Gehäusedeckel bestehende Einheit besonders einfach und preiswert vormontiert und vorgeprüft werden, da der Druckdämpfer im Gehäusedeckel nach der Herstellung des Umbugs unverlierbar gehalten ist. Durch die elastische Federkraft des Umbugs wird darüber hinaus der Druckdämpfer im Gehäusedeckel unverrückbar positioniert, ohne dass zusätzliche Arbeitsschritte erforderlich sind. Vorzugsweise wird die axiale Vorspannung durch den Gehäusedeckel selbst aufgebracht. Die Befestigung muss folglich im Wesentlichen nur die im Betrieb auftretenden hydraulischen Kräfte aufnehmen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fluidpumpe sieht vor, dass der Umbug an einer planen Stirnfläche des Gehäusekörpers befestigt ist. In diesem Fall erfüllt der Umbug zwei Funktionen: zum einen die Halterung des Druckdämpfers innerhalb des Gehäusedeckels, und zum anderen dient er als Befestigungsflansch der aus dem Druckdämpfer und dem Gehäusedeckel bestehenden Einheit am Gehäusekörper der Fluidpumpe. So kann beispielsweise auf eine spezielle Andrehung am Gehäusekörper verzichtet werden. Auch dies vereinfacht die Handhabung bei der Herstellung und senkt so die Herstellkosten. Außerdem wird die Bauhöhe reduziert.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der Durchmesser der planen Stirnfläche des Gehäusekörpers kleiner ist als der maximale Durchmesser des Gehäusedeckels. Hierdurch kann eine hohe Dämpferwirksamkeit durch ein entsprechendes großes Gasvolumen erzielt werden bei gleichzeitig kleinen Abmessungen des Gehäusekörpers. Dies reduziert die Gesamtabmessungen der Fluidpumpe und führt aufgrund des geringeren Materialeinsatzes beim Gehäusekörper auch zu einer Kostenreduktion.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass eine Umfangswand des Gehäusedeckels mindestens eine umlaufende und nach radial innen gerichtete Einwölbung oder mindestens zwei separate nach radial innen gerichtete Einwölbungen aufweist, und dass die Einwölbung(en) in eine Ausnehmung des dem Gehäusekörper zugewandten Halteelements eingreift beziehungsweise eingreifen. Dies ist eine zu dem oben angegebenen Umbug alternative oder zusätzliche Möglichkeit der Fixierung des dem Gehäusekörper zugewandten Halteelements. Zur Herstellung der Einwölbung(en) können einfache Werkzeuge eingesetzt werden. Darüber hinaus bietet eine solche Einwölbung die Möglichkeit, zunächst das Halteelement in einer gewünschten Stellung zu positionieren und dann die Einwölbung einzubringen und so das Halteelement in der gewünschten und optimalen Position zu fixieren.
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Eine definierte Haltekraft wird erfindungsgemäß auf die beiden Membranen ausgeübt, indem eines der Halteelemente eine Tellerfeder umfasst. Eine solche Tellerfeder hat darüber hinaus den Vorteil, dass das spezielle Federmaterial eine Federsteifigkeit über einen langen Zeitraum beibehält, was insgesamt die Lebensdauer der Fluidpumpe verlängert. Dabei können die Kosten ferner dadurch reduziert werden, wenn eines der beiden Halteelemente oder beide Halteelemente starr ist bzw. sind.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn der Gehäusedeckel mindestens einen Absatz aufweist, an dem sich das dem Gehäusekörper zugewandte Halteelement zur Membran hin abstützt. Dies gestattet bei der Herstellung eine einfache und reproduzierbare Positionierung des dem Gehäusekörper zugewandten Halteelements, was die Herstellung vereinfacht und somit die Herstellkosten senkt und was dazuhin zu einer verlängerten Lebensdauer der erfindungsgemäßen Fluidpumpe führt.
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Für die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Druckdämpfers ist es vorteilhaft, wenn an beiden Membranen die zu dämpfenden Druckpulsationen anliegen. Daher wird bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fluidpumpe vorgeschlagen, dass in den Halteelementen eine Fluidverbindung vorhanden ist, welche einen zwischen dem Gehäusekörper und dem Druckdämpfer vorhandenen Raum mit einem zwischen dem Gehäusedeckel und dem Druckdämpfer vorhandenen Raum verbindet.
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Reproduzierbare Bauverhältnisse können auf einfache Art und Weise auch dadurch sichergestellt werden, dass der radial äußere Rand mindestens einer der beiden Membranen durch die Umfangswand des Gehäusedeckels, insbesondere durch dort vorhandene Einwölbungen, zentriert ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die beiden Membranen im Bereich ihrer Ränder miteinander verschweißt sind, und dass die Halteelemente an den Membranen radial einwärts von der Verschweißung angreifen. Durch die Verschweißung an den Rändern ist das eingeschlossene Gasvolumen maximal, und eine solche Verschweißung kann vergleichsweise preiswert hergestellt werden. Durch die radial einwärts von der Verschweißung angreifenden Halteelemente wird im Betrieb des Druckdämpfers die Verschweißung entlastet, was die Lebensdauer des Druckdämpfers und somit auch der Fluidpumpe insgesamt verlängert.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fluidpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens eines der beiden Halteelemente als Kaltschlagteil oder als Sinterteil hergestellt ist.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine mit einer Fluidpumpe mit einem integrierten Druckdämpfer;
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2 einen teilweisen Längsschnitt durch die Fluidpumpe von 1;
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3 eine Ansicht III von 2;
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4 einen Schnitt durch einen Bereich einer alternativen Ausführungsform einer Fluidpumpe; und
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5 einen Schnitt durch eine nochmals abgeänderte Ausführungsform einer Fluidpumpe.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt ein Kraftstoffsystem insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kraftstoffbehälter 12, aus dem eine Vorförderpumpe den Kraftstoff in eine Niederdruckleitung 16 fördert. Diese führt zu einem Niederdruckanschluss 18 einer als Hochdruck-Kolbenpumpe ausgebildeten Fluidpumpe 20, die in 1 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist.
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Ein Hochdruckanschluss 22 der Hochdruck-Kolbenpumpe 20 ist mit einer Kraftstoff-Sammelleitung 24 verbunden. Diese wird auch als ”Rail” bezeichnet. In ihr ist der von der Hochdruck-Kolbenpumpe 20 komprimierte Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert. An die Kraftstoff-Sammelleitung 24 sind mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 26 angeschlossen, die den Kraftstoff in einen ihnen jeweils zugeordneten Brennraum 28 direkt einspritzen. Das Kraftstoffsystem 10 gehört also zu einer Brennkraftmaschine mit Kraftstoff-Direkteinspritzung.
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Das in 1 gezeigte hydraulische Schaltbild der Hochdruck-Kolbenpumpe 20 zeigt einige ihrer wesentlichen Komponenten: Hierzu gehört ein Förderkolben 30, der beispielsweise von einer nicht gezeigten Antriebswelle in eine Hin- und Herbewegung versetzt werden kann. Er begrenzt einen Förderraum 32. Dieser ist mit einer Einlassventileinrichtung 34 und einem Auslassventil 36 fluidisch verbunden. Zwischen dem Niederdruckanschluss 18 und der Einlassventileinrichtung 34 ist in einem Strömungsweg 38 ein Druckdämpfer 40 angeordnet.
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Mittels der Einlassventileinrichtung 34 kann die Fördermenge der Hochdruck-Kolbenpumpe 20 eingestellt werden. Hierzu wird während eines Förderhubs des Förderkolbens 30 die Einlassventileinrichtung 34 zwangsweise geöffnet. In diesem Fall wird während des Förderhubs des Förderkolbens 30 der Kraftstoff nicht zur Kraftstoff-Sammelleitung 24, sondern zurück über den Strömungsweg 38 in die Niederdruckleitung 16 ausgestoßen. Die unter anderem hierdurch im Strömungsweg 38 und in der Niederdruckleitung 16 auftretenden Druckpulsationen werden vom Druckdämpfer 40 geglättet.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst die Hochdruck-Kolbenpumpe 20 ein Gehäuse mit einem zylindrischen Gehäusekörper 42 und einem an einer Stirnseite des Gehäusekörpers 42 angeordneten Gehäusedeckel 44. Während es sich bei dem Gehäusekörper 42 um ein Drehteil handelt, ist der Gehäusedeckel 44 spanlos als Blechformteil beispielsweise aus Edelstahlblech geformt. Im Gehäusekörper 42 ist eine Kolbenbuchse 46 aufgenommen, in der der Förderkolben 30 axial verschieblich geführt ist. Der Förderraum 32 ist über in 2 nicht sichtbare Kanäle mit einer Einlassbohrung verbunden, die zu dem Strömungsweg 38 gehört. In diese ist ein Einlassstutzen eingesetzt, welcher den Niederdruckanschluss 18 bildet. Über einen Stichkanal 50 ist die Einlassbohrung 38 mit einem zwischen dem Gehäusekörper 42 und dem Gehäusedeckel 44 gebildeten Aufnahmeraum 52 verbunden, in dem der Druckdämpfer 40 aufgenommen ist. Auf diesen wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen. Der Förderraum 32 ist über das Auslassventil 36 auch mit einer Auslassbohrung 56 verbindbar, und in der Auslassbohrung 56 ist ein Auslassstutzen angeordnet, welcher den Hochdruckanschluss 22 bildet.
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Der Druckdämpfer 40 umfasst zwei insgesamt zueinander parallele Membranen 58 und 60, welche einen zentralen und mit konzentrischen Sicken (ohne Bezugszeichen) versehenen Federabschnitt 62 beziehungsweise 64 sowie einen planen und umlaufenden Randabschnitt 66 beziehungsweise 68 aufweisen. Die beiden Randabschnitte 66 und 68 sind an ihrem radial äußeren freien Rand miteinander verschweißt (Position 70). Zwischen den beiden Membranen 58 und 60 ist ein Gasvolumen 72 eingeschlossen.
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Die beiden umlaufenden und aneinander anliegenden Randabschnitte 66 und 68 sind zwischen der Verschweißung 70 und den Federabschnitten 62 und 64 zwischen zwei ringförmigen Halteelementen 74 und 76 verklemmt. Hierzu verfügen die beiden Halteelemente 74 und 76 jeweils in dem radial innen liegenden und zu den Federabschnitten 62 und 64 der Membranen 58 und 60 gelegenen Bereich über eine Fase 77 (aus Darstellungsgründen ist diese nur am oberen Halteelement 74 mit einem Bezugszeichen versehen). Analog hierzu ist ein radial äußerer und zu den Randabschnitten 66 und 68 der beiden Membranen 58 und 60 zugewandter Bereich der beiden Halteelemente 74 und 76 mit einer Freisparung 79 versehen. Hierdurch ergibt sich ein relativ kleiner und sich kragenartig axial erstreckender Haltebereich (ohne Bezugszeichen) an jedem Halteelement 74 und 76, der an dem jeweiligen Randabschnitt 66 beziehungsweise 68 einer Membran 58 und 60 zwischen dem Federabschnitt 62 beziehungsweise 64 und der Verschweißung 70 angreifen kann. Hierdurch wird im Betrieb des Druckdämpfers 54 die Verschweißung 70 entlastet.
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Die beiden Halteelemente 74 und 76 sind als Kaltschlagteile beispielsweise durch Kaltumformung von Messingrohrabschnitten oder Messingblechstreifen hergestellt. Alternativ können sie auch als Sinterteile hergestellt werden. In die in 2 außen liegenden Begrenzungsflächen der beiden Halteelemente 74 und 76 sind über den Umfang verteilt radial und axial verlaufende Kerben 78 beziehungsweise 80 eingeprägt (vergleiche auch 3). Hierdurch wird ein zwischen der Membran 60 des Druckdämpfers 40 und dem Gehäusekörper 42 gebildeter Bereich 82 des Aufnahmeraums 52 mit einem zwischen der Membran 58 und dem Gehäusedeckel 44 gebildeten oberen Bereich 84 des Aufnahmeraums 52 fluidisch verbunden.
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Der Druckdämpfer 40 mit seinen beiden Membranen 58 und 60 ist über die beiden Halteelemente 74 und 76 im Gehäusedeckel 44 fest gehalten. Hierzu verfügt der Gehäusedeckel 44 über einen geschlossenen Deckelabschnitt 86, dessen zentraler Bereich 88 leicht nach außen gewölbt ist und dessen radial äußerer Bereich 90 exakt radial verläuft. An den geschlossenen Deckelabschnitt 86 schließt sich zum Gehäusekörper 42 hin eine axial verlaufende geschlossene Umfangswand 92 an. Deren freier Rand ist nach radial innen umgebogen, was als Umbug 94 bezeichnet wird. Die beiden Halteelemente 74 und 76 mit den zwischen diesen gehaltenen Membranen 58 und 60 sind wiederum zwischen dem radial äußeren Bereich 90 des Deckelabschnitts 86 des Gehäusedeckels 44 und dem Umbug 94 axial verklemmt. Gleichzeitig liegen die beiden Halteelemente 74 und 76 radial an der Umfangswand 92 des Gehäusedeckels 44 an. Die beiden Halteelemente 74 und 76 und somit auch der Druckdämpfer 54 sind daher starr und unverrückbar im Gehäusedeckel 44 aufgenommen. Der Umbug 94 ist mit einer planen Stirnfläche 96 des Gehäusekörpers 42 in 98 verschweißt. Dabei sei darauf hingewiesen, dass der Durchmesser des Gehäusekörpers 42 kleiner ist als der Durchmesser des Gehäusedeckels 44. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Verschweißung 98 zwischen dem Gehäusedeckel 44 und dem Gehäusekörper 42 im Bereich des radial inneren Randes des Umbugs 94 liegt.
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Die Hochdruck-Kolbenpumpe 20 mit dem Druckdämpfer 54 wird folgendermaßen montiert:
Zunächst wird der Gehäusedeckel 44 hergestellt, jedoch noch ohne Umbug 94. Nach dem Verschweißen der beiden Membranen 58 und 60 (Position 70) wird zunächst das Halteelement 74 in den Gehäusedeckel 44 eingelegt, und dann wird der eigentliche Druckdämpfer 54, der aus den beiden Membranen 58 und 60 und dem eingeschlossenen Gasvolumen 72 besteht, auf das Halteelement 74 gelegt. Dann wird das Halteelement 76 positioniert und der Umbug 94 beispielsweise durch Bördeln hergestellt. Der Gehäusedeckel 44 bildet somit mit dem Druckdämpfer 54 eine vormontierbare und vorprüfbare Einheit. Anschließend wird der Gehäusedeckel 44 direkt auf die plane Stirnfläche 96 des Gehäusekörpers 42 aufgesetzt und mit dieser in 98 verschweißt.
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Wie bereits weiter oben ausgeführt worden ist, kommt es im Betrieb der Hochdruck-Kolbenpumpe 20 systembedingt beispielsweise in der Einlassbohrung 38 zu Druckpulsationen. Diese werden durch den Druckdämpfer 40 geglättet. Hierzu ist die Einlassbohrung 38 über den Stichkanal 50 mit dem Bereich 82 des Aufnahmeraums 52 verbunden, welcher von der Membran 60 des Druckdämpfers 40 begrenzt wird. Über die Kerben 78 und 80 ist aber auch der Bereich 84 des Aufnahmeraums 52, welcher an die Membran 58 des Druckdämpfers 40 angrenzt, mit dem Stichkanal 50 und somit mit der Einlassbohrung 38 verbunden.
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In 4 ist ein Bereich einer alternativen Ausführungsform einer Hochdruck-Kolbenpumpe 20 gezeigt. Dabei tragen hier und in nachfolgenden Figuren solche Elemente und Bereiche, welche äquivalente Funktionen zu zuvor erwähnten Elementen und Bereichen aufweisen, die gleichen Bezugszeichen. Sie sind im Normalfall nicht nochmals im Detail erläutert.
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Ein erster Unterschied der in 4 gezeigten Hochdruck-Kolbenpumpe 20 zu jener der 2 und 3 besteht darin, dass das Halteelement 74 nicht als starrer Ring, sondern als Tellerfeder ausgeführt ist. Somit ist bei der Bördelung des Umbugs 94 eine geringere Genauigkeit erforderlich, da die Klemmkraft, welche die beiden Halteelemente 74 und 76 auf den Druckdämpfer 40 ausüben, wesentlich durch die Tellerfeder 74 vorgegeben wird. Ferner verfügt die Umfangswand 92 des Gehäusedeckels 44 über eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten und nach radial einwärts gerichteten Einwölbungen beziehungsweise Sicken 100, welche zwei Funktionen haben: Zum einen wird durch sie der Druckdämpfer 40 radial im Gehäusedeckel 44 zentriert. Zum anderen bilden die Sicken 100 jeweils Absätze 102, an denen sich das Halteelement 76 axial zum Druckdämpfer 40 hin abstützt. Hierdurch ergibt sich eine präzise Einstellung der Vorspannkraft der Tellerfeder 74.
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Eine nochmals abgeänderte Variante einer Hochdruck-Kolbenpumpe 20 ist in 5 gezeigt: Bei dieser weist das Halteelement 76 in seiner radial äußeren Umfangswand eine umlaufende Nut 104 auf. Auf einen Umbug wird bei dieser Variante verzichtet. Stattdessen wird bei der Herstellung der aus Gehäusedeckel 44 und Druckdämpfer 40 bestehenden Einheit nach dem Einführen der Tellerfeder 74 und des Druckdämpfers 40 das Halteelement 76 kraftgesteuert eingeführt, bis eine gewünschte Vorspannkraft erreicht ist. Dann wird die Umfangswand 92 des Gehäusedeckels 44 örtlich an mehreren Stellen 106 radial deformiert, wodurch das Halteelement 76 axial fixiert wird.
