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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe, insbesondere für
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine, mit
wenigstens einem Pumpenelement, das einen in einer zylindrischen Bohrung
eines vorzugsweise als Zylinderkopf ausgebildeten Gehäuseteils
axial verschiebbar geführten Pumpenkolben umfasst, der
innerhalb der zylindrischen Bohrung einen Pumpenarbeitsraum begrenzt.
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Eine
derartige Hochdruckpumpe wird beispielsweise in der
DE 10 2004 013 244 A1 beschrieben.
Diese Hochdruckpumpe weist wenigstens ein Pumpenelement auf, mit
einem in der Zylinderbohrung eines Gehäuseteils der Hochdruckpumpe
verschiebbar geführten, in einer Hubbewegung angetriebenen
Pumpenkolben, der in der Zylinderbohrung einen Pumpenarbeitsraum
begrenzt, in dem beim Saughub des Pumpenkolbens über ein
Einlassventil Kraftstoff angesaugt wird, der beim Förderhub
des Pumpenkolbens verdichtet und über ein Auslassventil
einem Hochdruckspeicher zugeführt wird. An dem Hochdruckspeicher
ist wenigstens ein Kraftstoffinjektor zur Einspritzung des unter
hohem Druck stehenden Kraftstoffs in den Brennraum der Brennkraftmaschine
angeschlossen.
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Der
Wirkungsgrad einer solchen Hochdruckpumpe wird unter anderem durch
das Führungsspiel zwischen Pumpenkolben und Zylinderbohrung
bestimmt, in welcher der Pumpenkolben axial geführt ist.
Im Betrieb der Pumpe unterliegen jedoch der Pumpenkolben sowie das
Gehäuseteil, in dem die Zylinderbohrung angeordnet ist,
gewissen Verformungen, die Einfluss auf das Führungsspiel
zwischen dem Pumpenkolben und der Zylinderbohrung haben. Denn der
im Pumpenarbeitsraum zeitweise herrschende sehr hohe Kraftstoffdruck
bewirkt zum Einen eine Aufweitung der den Pumpenarbeitsraum radial
begrenzenden Zylinderbohrung, zum Anderen eine Stauchung des Pumpenkolbens,
der den Pumpenarbeitsraum in axialer Richtung begrenzt. Die Stauchung
des Pumpenkolbens wiederum führt zu einer Ausdehnung des
Pumpenkolbens in radialer Richtung, wobei sich das Führungsspiel
zwischen Zylinderbohrung und Pumpenkolben derart verringern kann,
dass es zu erhöhten Verschleißerscheinungen am
Pumpenkolben und/oder am Gehäuseteil oder sogar zum Blockieren
des Pumpenkolbens kommt. Eine gleichzeitige radiale Aufweitung der
den Pumpenkolben aufnehmenden zylindrischen Bohrung vermag dabei
die radiale Ausdehnung des Pumpenkolbens nicht zu kompensieren,
da die Aufweitungs- bzw. Ausdehnungstendenzen an verschiedenen Stellen
auftreten. Während die zylindrische Bohrung im Bereich
des Pumpenarbeitsraumes aufgrund des dort herrschenden hohen Kraftstoffdruckes
ihre maximale Aufweitung erfährt, dehnt sich der Pumpenkolben
in der Regel erst in einem pumpenarbeitsraumfernen Abschnitt aus,
da im Bereich des Pumpenarbeitsraums derselbe hohe Kraftstoffdruck
auch radial außen am Pumpenkolben anliegt und einer Ausdehnung
des Kolbens entgegenwirkt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe der vorstehend
genannten Art derart zu verbessern, dass die beschriebenen Nachteile
verhindert bzw. reduziert werden, um eine Hochdruckpumpe mit einem
optimierten Wirkungsgrad bereit zustellen.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Hochdruckpumpe mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden
in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß besitzt
der Pumpenkolben zur Kompensation betriebsbedingter und das Führungsspiel
zwischen der zylindrischen Bohrung und dem Pumpenkolben beeinflussender
Verformungen zumindest über einen Teilbereich seiner axialen
Erstreckung geringfügig konisch verlaufende Außenumfangsflächen,
so dass der Pumpenkolben im unbelasteten Zustand einen pumpenarbeitsraumnahen Abschnitt
aufweist, dessen Außendurchmesser D1 größer
als der Außendurchmesser D2 eines
pumpenarbeitsraumfernen Abschnitts ist. Der zumindest über einen
Teilbereich der axialen Erstreckung des Pumpenkolbens konische Verlauf
seiner Außenumfangsflächen entspricht somit im
Wesentlichen dem – aufgrund der Aufweitung – konischen
Verlauf der zylindrischen Bohrung bei im Pumpenarbeitsraum herrschendem
Hochdruck. Denn die radiale Aufweitung der zylindrischen Bohrung
nimmt mit Entfernung vom Pumpenarbeitsraum ab, da die zylindrische
Bohrung im Bereich der Kolbenführung von einer geringeren Druckkraft
beaufschlagt wird. Der Pumpenarbeitsraum definiert einen Hochdruckbereich,
in dem die zylindrische Bohrung ihre maximale Aufweitung erfährt.
Ein entlang der Kolbenführung erfolgender Druckausgleich
bewirkt, dass die radialen Aufweitungen mit zunehmender Entfernung
zum Pumpenarbeitsraum geringer werden. Durch die vorgeschlagene
Kolbenaußenkontur werden somit die Verformungen des Gehäuseteils
im Bereich der zylindrischen Bohrung im Wesentlichen ausgeglichen.
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Der
zumindest über einen Teilbereich der axialen Erstreckung
des Pumpenkolbens konische Verlauf seiner Außenumfangsflächen
bewirkt des Weiteren, dass auch die stauchungsbedingten Verformungen
des Pumpenkolbens zumindest weitestgehend ausgeglichen werden. Dabei
treten die Verformungen am Pumpenkolben gegenläufig zu
den Verformungen des Gehäuseteils im Bereich der zylindrischen
Bohrung auf. In einem pumpenarbeitsraumnahen Abschnitt erfährt
der Pumpenkolben keine oder nur eine sehr geringe radiale Ausdehnung,
da er außenumfangseitig von dem hohen Druckkraft des Kraftstoffes
beaufschlagt wird. Zum Kolbenfuß hin jedoch, d. h. mit
zunehmender Entfernung vom Pumpenarbeitsraum, nimmt auch die Verformung
bzw. die radiale Ausdehnung des Pumpenkolbens zu. Dies liegt unter
anderem darin begründet, dass ein Teil des unter hohem
Druck stehenden Kraftstoffs auch in den Führungsbereich
zwischen Bohrung und Pumpenkolben gelangt und somit einer Ausdehnung
entgegenwirkt. Mit zunehmender Entfernung zum Pumpenarbeitsraum
nimmt der Einfluss des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs ab,
so dass der Pumpenkolben sich in radialer Richtung ausdehnen kann, während
er in axialer Richtung eine Stauchung erfährt. Dabei gilt,
dass mit der Höhe des Systemdrucks auch die Verformungen
zunehmen. Das Maß der Konizität des Pumpenkolbens
ist daher bevorzugt auf den jeweils vorhandenen Systemdruck abgestimmt.
Ein derart ausgebildeter Pumpenkolben ermöglicht eine Optimierung
des Führungsspiels zwischen dem Pumpenkolben und der den
Pumpenkolben aufnehmenden zylindrischen Bohrung, so dass über
die axiale Erstreckung des Kolbens ein möglichst gleichbleibendes
Führungsspiel gegeben ist. Die Optimierung des Führungsspiels
wiederum bewirkt eine Optimierung des Wirkungsgrades der Hochdruckpumpe.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform weist der Pumpenkolben über
seine gesamte axiale Erstreckung geringfügig konisch verlaufende
Außenumfangsflächen auf. Weiterhin bevorzugt ist
der konische Verlauf der Außenumfangsflächen kontinuierlich.
Eine derartige Kolbenaußenkontur lässt sich besonders
einfach herstellen.
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Alternativ
wird vorgeschlagen, dass der konische Verlauf der Außenumfangsfläche
diskontinuierlich ist. Der Pumpenkolben weist demnach Abschnitte
auf, deren Außenumfangsflächen jeweils einen anderen
konischen Verlauf bzw. Neigung zur Kolbenlängsachse besitzen.
Die Übergänge zwischen diesen Abschnitt können
gerundet bzw. abgeflacht ausgeführt sein. Ferner kann der
Pumpenkolben Abschnitte besitzen, die zylindrisch sind. Sofern zylindrische
Abschnitte vorgesehen sind, bilden diese bevorzugt einen pumpenarbeitsraumnahen
Abschnitt aus. Soweit die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe einen
Pumpenkolben umfasst, der nicht über seine gesamte axiale
Erstreckung in einer zylinderförmigen Bohrung geführt
ist, kann auch dieser außerhalb der Kolbenführung
liegende Abschnitt des Pumpenkolbens zylindrisch ausgebildet sein.
Denn Verformungen der außerhalb der Kolbenführung
liegenden Pumpenkolbenabschnitte, haben in der Regel keinen Einfluss
auf den Wirkungsgrad der Pumpe.
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Vorzugsweise
sind die über zumindest einen Teilbereich der axialen Erstreckung
des Pumpenkolbens geringfügig konisch verlaufenden Außenumfangsflächen
mittels eines materialabtragenden Bearbeitungsverfahrens, vorzugsweise
mittels Schleifen der Pumpenkolbenaußenumfangsfläche
hergestellt worden. Der Pumpenkolben besitzt somit zunächst
eine zylindrische Grundform, mit einem Außendurchmesser,
der größer oder zumindest gleich dem maximalen
Außendurchmesser des bearbeiteten Pumpenkolbens ist. Um
dem Pumpenkolben seine endgültige Form zu geben, wird er
nachträglich bearbeitet, indem Material zumindest in einem
pumpenarbeitsraumfernen Abschnitt des Pumpenkolbens vorzugsweise
mittels Schleifen abgetragen wird.
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Zur
weiteren Optimierung des Führungsspiels zwischen zylindrischer
Bohrung und Pumpenkopf ist die zylindrische Bohrung bevorzugt in
einem Gehäuseteil angeordnet, dass als Zylinderkopf ausgebildet
ist und einen zylinderförmigen Ansatz besitzt, in dem die
zylindrische Bohrung zur Führung des Pumpenkolbens angeordnet
ist. Die Ausbildung als Zylinderkopf beinhaltet, dass das Gehäuseteil aus
einem hochfesten Material hergestellt worden ist. Durch die Wahl
eines solchen Materials, wie beispielsweise hochfester Stahl, können
Verformungen bzw. radiale Aufweitungen im Bereich der zylindrischen
Bohrung weiter verringert werden. Die unter anderem zur Kompensation
der radialen Aufweitung der zylindrischen Bohrung vorgesehenen konisch verlaufenden
Außenumfangsflächen des Pumpenkolbens können
demnach gegenüber der Pumpenkolbenlängsachse eine
geringere Neigung aufweisen. Die Ausbildung nur leicht konisch verlaufender Außenumfangsflächen
lässt sich mittels Schleifen besonders einfach herstellen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Pumpenelement einer aus dem Stand der Technik bekannten Hochdruckpumpe,
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2 einen
Längsschnitt durch den Zylinderkopf der Hochdruckpumpe
der 1,
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3 eine
Ansicht des Pumpenkolbens aus 1,
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4a einen
Ausschnitt aus 2 im Bereich der zylindrischen
Bohrung im unbelasteten Zustand,
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4b den
Ausschnitt der 4a jedoch im belasteten Zustand,
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5a den
Pumpenkolben der 3 im unbelasteten Zustand,
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5b den
Pumpenkolben der 5a jedoch im belasteten Zustand,
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6 einen
erfindungsgemäßen Pumpenkolben mit geringfügig
konisch verlaufenden Außenumfangsflächen und
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7 den
Pumpenkolben der 6 stark überzeichnet.
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Der
Darstellung der 1 ist ein Pumpenelement einer
Hochdruckpumpe zu entnehmen, die ein als Zylinderkopf ausgebildetes
Gehäuseteil 2 mit einem zylinderförmigen
Ansatz 11, in dem eine zylindrische Bohrung 1 zur
axialen Führung eines Pumpenkolbens 3 ausgebildet
ist, umfasst. Die zylindrische Bohrung 1 sowie der Pumpenkolben 3 begrenzen
einen Pumpenarbeitsraum 4, der über ein Einlassventil 9 mit
einer Kraftstoffzufuhrleitung in Verbindung steht, so dass bei einem
Saughub des Pumpenkolbens 3 Kraftstoff in den Pumpenarbeitsraum 4 gelangt.
Beim Förderhub des Pumpenkolbens 3 wird dieser
Kraftstoff verdichtet und unter hohem Druck über ein Auslassventil 10 einem
Hochdruckspeicher zugeführt.
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Die
erfindungsgemäße Hochdruckpumpe weist vorzugsweise
mehrere solcher Pumpenelemente in radialer Anordnung um eine Antriebswelle mit
wenigstens einem Exzenter oder Nocken zur Betätigung der
jeweiligen Pumpenkolben 3 auf. Hierzu liegt der Pumpenkolben 3 mit
seinem Kolbenfuß 8 direkt oder indirekt an dem
Exzenter bzw. Nocken an. Zwischen dem Pumpenkolben und dem Exzenter bzw.
Nocken kann zudem ein Pumpenstößel zur Kraftübertragung
angeordnet sein.
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Dem
Längsschnitt der 2 durch
das als Zylinderkopf ausgebildete Gehäuseteil 2 ist
zu entnehmen, dass die zylindrische Bohrung 1 auch als Stufenbohrung
ausgeführt sein kann. Die Stufenbohrung weist im Bereich
des Pumpenarbeitsraumes 4 einen größeren
Durchmesser auf als im Bereich der Kolbenführung im zylinderförmigen
Ansatz 11. Die als Stufenbohrung ausgeführte zylindrische
Bohrung 1 ist vergrößert in den 4a und 4b dargestellt, wobei
zur Verdeutlichung der unter Druck auftretenden Verformungen die
Darstellungen leicht verzerrt sind. 4a zeigt
die zylindrische Bohrung 1 im unbelasteten Zustand, d.
h., wenn kein unter hohem Druck stehender Kraftstoff an den pumpenarbeitsraumbegrenzenden
Innenwänden der Bohrung anliegt. Die zylindrische Bohrung
weist in diesem Fall zwei zylinderförmige Abschnitte mit
unterschiedlichen Durchmessern auf. Der Übergang zwischen den
beiden Abschnitten ist konisch ausgebildet. Beim Förderhub
des Pumpenkolbens 3 wird der Kraftstoff im Pumpenarbeitsraum 4 derart
stark verdichtet, dass der an den den Pumpenarbeitsraum begrenzenden
Innenwandflächen der Bohrung 1 anliegende Kraftstoffdruck
eine Verformung, d. h. eine radiale Aufweitung der ursprünglich
zylindrischen Bohrung 1 wirkt. Das ursprüngliche
Querschnittsmaß ist in der 4b mit
B1 und das geweitete Querschnittsmaß mit
B2 bezeichnet, wobei die Differenz der beiden Querschnittsmaße
der Deutlichkeit halber stark überzeichnet ist. Die radiale
Aufweitung der zylindrischen Bohrung 1 setzt sich bis in
den Bereich der Kolbenführung fort. Entlang der Kolbenführung
erfolgt jedoch ein Druckausgleich, so dass aufgrund der unterschiedlichen
Druckbelastungen die beiden ursprünglich zylinderförmigen
Abschnitte der zylindrischen Bohrung 1 jeweils einen konischen
Verlauf aufweisen. Zum pumpenarbeitsraumfernen Ende der zylindrischen
Bohrung 1 hin läuft die Differenz zwischen den
Maßen B2 und B1 auf
Null aus. Die Verformung der zylindrischen Bohrung 1 bewirkt,
dass das Führungsspiel zwischen der Bohrung 1 und
dem Pumpenkolben 3 entlang der Kolbenführung variiert.
Im Bereich der radialen Aufweitung an der zylindrischen Bohrung 1 führt
das größere Führungsspiel zu einem schlechteren
Wirkungsgrad des Pumpenelements und damit der Hochdruckpumpe.
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Der
Pumpenkolben 3 dagegen (siehe 3 sowie 5a)
erfährt aufgrund des im Pumpenarbeitsraum 4 herrschenden
hohen Kraftstoffdrucks Verformungen, die eine gegenläufige
Konizität im Vergleich zur Verformung der zylindrischen
Bohrung 1 bewirken. Die Verformung des Pumpenkolbens 3 bei
Belastung ist – wiederum stark überzeichnet – in 5b dargestellt.
Der an der den Pumpenarbeitsraum 4 begrenzenden Stirnseite
des Pumpenkolbens 3 anliegende Kraftstoffdruck bewirkt,
dass der Pumpenkolben 3 zunächst gestaucht wird.
Durch die Stauchung verringert sich seine ursprüngliche
Länge L1 auf die Länge
L2. Zugleich bewirkt die Stauchung, dass
der Pumpenkolben 3 sich radial ausdehnt. Während
der Pumpenkolben im unbelasteten Zustand ein Querschnittsmaß B3 besitzt, weist er bei einer Stauchung und
gleichzeitiger radialer Ausdehnung im Bereich der maximalen Ausdehnung
das Querschnittsmaß B4 auf. Dabei
verändert sich das Maß der radialen Ausdehnung
entlang der axialen Erstreckung des Pumpenkolbens 3. In
einem pumpenarbeitsraumnahen Abschnitt 6 beispielsweise
erfährt der Pumpenkolben 3 keine oder lediglich
eine geringe Ausdehnung, da in diesem Abschnitt die Außenumfangsflächen
des Pumpenkolbens 3 von der Druckkraft des unter hohem
Druck stehenden Kraftstoffs beaufschlagt werden. Zudem kann dieser
Abschnitt, wie in dem dargestellten Beispiel gezeigt, im Bereich
der Stufenbohrung mit dem größeren Durchmesser
zu liegen kommen. Entlang der Kolbenführung findet dagegen
ein Druckausgleich statt. Das Führungsspiel verringert
sich und der Einfluss des Kraftstoffdruckes nimmt ab. Zum Kolbenfuß 8 hin
vermag sich der Pumpenkolben 3 daher radial auszudehnen.
Vergleicht man die Darstellungen der 4b und 5b so
wird deutlich, dass die Verformungen der zylindrischen Bohrung 1 und
des Pumpenkolbens 3 gegenläufig sind. Während
die radiale Aufweitung der zylindrischen Bohrung 1 zu einer
Vergrößerung des Führungsspiels führt,
bewirkt die radiale Ausdehnung des Pumpenkolbens 3 eine
Verringerung des Führungsspiels. Im Bereich der maximalen
Ausdehnung des Pumpenkolbens 3 kann es daher zu einem erhöhten
Verschleiß entlang der Kolbenführung kommen oder
sogar zu einem Blockieren des Kolbens. Um Abhilfe zu schaffen, wird
daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Pumpenkolben 3 zumindest
für einen Teilbereich seiner axialen Erstreckung konisch verlaufend
auszubilden. Ein entsprechend ausgebildeter Pumpenkolben 3 ist
in 7 stark überzeichnet dargestellt. Dabei
weist ein pumpenarbeitsraumnaher Abschnitt 6 einen Außendurchmesser
D1 auf, der größer als
der Außendurchmesser D2 eines pumpenarbeitsraumfernen
Abschnitts 7 ist. Der konische Verlauf der Außenumfangsflächen 5 erstreckt
sich dabei über die gesamte axiale Länge des Pumpenkolbens 3,
an den ein gestufter Kolbenfuß 8 angesetzt ist.
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Derselbe
Pumpenkolben 3 ist ohne Überzeichnung in der 6 dargestellt.
Aus 6 wird deutlich, dass der Pumpenkolben 3 nur
geringförmig konisch verlaufende Außenumfangsflächen 5 aufweist.
Beträgt die Länge A beispielsweise 38 mm und die
Länge B 5,5 mm kann die Differenz D1–D2 etwa 0,002 mm betragen. Das Maß der
Konizität des Pumpenkolbens 3 kann hiervon jedoch
auch abweichen. Es hängt immer von der jeweiligen Anwendung,
insbesondere von dem jeweiligen Systemdruck der Hochdruckpumpe ab.
Des Weiteren ist es nicht erforderlich, dass der Pumpenkolben 3 über
seine gesamte axiale Erstreckung einen konischen Verlauf aufweist.
Das Maß der axialen Erstreckung der konisch verlaufenden
Außenumfangsflächen 5 sowie das Maß der
Neigung dieser Flächen gegenüber der Kolbenlängsachse
gilt es ebenfalls für jeden Anwendungsfall separat festzulegen.
Vorzugsweise entspricht die Konizität des Pumpenkolbens 3 im
unbelasteten Zustand der Konizität der zylindrischen Bohrung 1 im
belasteten Zustand, so dass die radiale Aufweitung der zylindrischen
Bohrung 1 vollständig kompensiert wird. Zu berücksichtigen
ist dabei auch, dass der Pumpenkolben 3 selbst eine Verformung
erfährt, die der Konizität entgegengesetzt ist,
so dass die konisch verlaufenden Außenumfangsflächen 5 des
Pumpenkolbens 3 im unbelasteten Zustand sogar eine stärkere
Neigung als die Innenwandflächen der zylindrischen Bohrung 1 im
belasteten Zustand aufweisen können. Auf diese Weise werden
durch die konische Außenkontur des Pumpenkolbens 3 nicht
nur die betriebsbedingten Verformungen des Gehäuseteils 2 im
Bereich der zylindrischen Bohrung 1 kompensiert, sondern
auch die Verformungen des Pumpenkolbens 3.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004013244
A1 [0002]