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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1, ein Hochdruckeinspritzsystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 12 und einen Verbrennungsmotor gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 14.
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Stand der Technik
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In
Hochdruckeinspritzsystemen für Verbrennungsmotoren, insbesondere
in Common-Rail-Einspritzsystemen von Diesel- oder Benzinmotoren, sorgt
eine Hochdruckpumpe dauernd für die Aufrechterhaltung des
Druckes in dem Hochdruckspeicher des Common-Rail-Einspritzsystems.
Die Hochdruckpumpe kann beispielsweise durch eine Nockenwelle des
Verbrennungsmotors mittels einer Antriebswelle angetrieben werden.
Für die Förderung des Kraftstoffs zur Hochdruckpumpe
werden Vorförderpumpen, z. B. eine Zahnrad- oder Drehschieberpumpe,
verwendet, die der Hochdruckpumpe vorgeschaltet sind. Die Vorförderpumpe
fördert den Kraftstoff von einem Kraftstofftank durch eine
Kraftstoffleitung zu der Hochdruckpumpe.
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Als
Hochdruckpumpen werden unter anderem Radialkolbenpumpen eingesetzt.
In einem Gehäuse ist zentral eine Antriebswelle gelagert.
Radial dazu sind jeweils um 120° versetzt Pumpenelemente angeordnet.
Auf der Antriebswelle ist ein Exzenter als Polygonring aufgesetzt,
der die Pumpenelemente zu einer oszillierenden Translationsbewegung
zwingt. Auf dem Polygonring liegt eine Kolbenfußplatte
auf, welche an einem Kolbenfuß des Pumpenelementes bzw.
Pumpenkolbens befestigt ist. Die Hochdruckpumpen sind damit konstruktiv aufwendig,
bestehen aus vielen Einzelteilen und sind damit in der Herstellung
aufwendig und teuer.
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Die
DE 10 2006 045 933
A1 zeigt eine Hochdruckpumpe zur Kraftstoffhochdruckförderung.
Die Hochdruckpumpe weist eine Antriebswelle mit Nocken auf. Zylindrische
Rollen sind von Rollenschuhen gelagert und liegen auf den Nocken
auf. Die Rollenschuhe sind mittels einer Stößelbaugruppe
in einer Bohrung eines Teils des Gehäuses gelagert. Die Pumpenelemente
sind an der Stößelbaugruppe befestigt. Eine Schraubenfeder
drückt die Stößelbaugruppe auf die Nocken.
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Aus
der
DE 103 56 262
A1 ist eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckerzeugung
bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen bekannt.
In einem Pumpengehäuse ist eine Antriebswelle gelagert.
Kolben stützen sich an der Antriebswelle ab, so dass durch
Drehen der Antriebswelle die Kolben radial hin und her bewegt werden. Zwischen
den Kolben und der Antriebswelle sind Stößel angeordnet.
Die Radialkolbenpumpe weist einen komplexen Aufbau auf und ist damit
in der Herstellung teuer.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäße
Hochdruckpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum
Fördern eines Fluides, insbesondere Kraftstoff, z. B. Diesel,
umfassend eine Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken, wenigstens
einen Kolben, wenigstens einen Zylinder zur Lagerung des wenigstens
eine Kolbens, wobei sich der wenigstens eine Kolben mittelbar oder unmittelbar
auf dem wenigstens einen Nocken abstützt, so dass von dem
wenigstens einen Kolben eine Translationsbewegung aufgrund einer
Rotationsbewegung der Antriebswelle ausführbar ist, wobei
der wenigstens eine Kolben ein Außenkolben ist.
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Die
konstruktive Ausbildung der Hochdruckpumpe mit dem Außenkolben
ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau der Hochdruckpumpe. Dabei
kann beispielsweise auf einen aufwendigen Rollenstößel
verzichtet werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird eine Exzenterwelle auch als eine
Antriebswelle mit wenigstens einem Nocken betrachtet.
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Insbesondere
weist der wenigstens eine Außenkolben wenigstens eine Ausnehmung,
z. B. eine Bohrung auf, in der der wenigstens ein Zylinder, insbesondere
wenigstens ein Zylinderbolzen, angeordnet ist. Der unbewegliche
Zylinder, insbesondere Zylinderbolzen, ist innerhalb des Kolbens
angeordnet. Der Zylinder bzw. Zylinderbolzen ist damit ein innerhalb
des Kolbens angeordneter Bolzen und dient zur Lagerung und Führung
des Kolbens, der eine oszillierende Bewegung ausführt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist der wenigstens der Zylinder eine
Axialbohrung zum Durchleiten des zu förderndes Fluides
auf. Die Axialbohrung weist einen beliebigen Querschnitt auf, z.
B. einen kreisförmigen, rechteckigen oder dreiecksförmigen
Querschnitt.
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In
einer ergänzenden Ausführungsform sind zwei Außenkolben
als Boxeranordnung zueinander ausgerichtet. Bei einer Boxeranordnung
sind zwei Kolben in einem Winkel von im Wesentlichen 180°,
z. B. mit einer Abweichung von weniger als 20°, zueinander
ausgerichtet.
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Vorzugsweise
sind die beiden Außenkolben mittels eines, vorzugsweise
elastischen, Verbindungselementes, z. B. eines Federsteges, miteinander
verbunden. Mittels des elastischen Verbindungselementes werden beide
Außenkolben auf die Nocken der Antriebswelle gedrückt.
Dadurch tritt kein Spiel zwischen der Laufrolle und den Nocken bei
der Rotationsbewegung der Nocken auf.
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In
einer Variante weist die Antriebswelle drei Nocken auf.
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Zweckmäßig
stützt sich der wenigstens eine Außenkolben mittelbar
mittels wenigstens eines Rollenschuhes und wenigstens einer Laufrolle
auf dem wenigstens einen Nocken ab.
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In
einer weiteren Ausführungsform weist die Hochdruckpumpe
ein Ansaugventil und ein Auslassventil auf.
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Insbesondere
steht ein von dem wenigstens einen Zylinder und einem Gehäuse
eingeschlossener Innenraum der Hochdruckpumpe unter Druck, indem
durch ein Überströmventil ein Fluid in den Innenraum
einleitbar ist.
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Vorzugsweise
ist der Innenraum fluiddicht gegenüber der Umgebung abgedichtet.
Aus dem Innenraum kann damit bei einem Überdruck in dem
Innenraum kein Fluid ausströmen, lediglich durch das Überströmventil
kann Fluid ausgeleitet werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform sind zwei Zylinderköpfe
und zwei Zylinder und vorzugsweise das Gehäuse einteilig
ausgebildet.
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In
einer ergänzenden Variante besteht der wenigstens eine
Außenkolben und/oder der wenigstens eine Zylinder und/oder
das Gehäuse und/oder die Antriebswelle mit dem wenigstens
einem Nocken und/oder der wenigstens eine Rollenschuh und/oder die
Laufrolle wenigstens teilweise aus Metall, z. B. Stahl und/oder
Aluminium.
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Erfindungsgemäßes
Hochdruckeinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere
für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Hochdruckpumpe, ein
Hochdruck-Rail, eine Vorförderpumpe zum Fördern
eines Kraftstoffes von einem Kraftstofftank zu der Hochdruckpumpe,
wobei die Hochdruckpumpe als eine in dieser Schutzrechtsanmeldung
beschriebene Hochdruckpumpe ausgebildet ist.
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In
einer weiteren Variante weist das Hochdruckeinspritzsystem eine
Zumesseinheit auf, welche die von der Vorförderpumpe zu
der Hochdruckpumpe geförderte Menge an Kraftstoff pro Zeiteinheit steuert
oder regelt.
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Der
von der Hochdruckpumpe erzeugbare Druck in dem Hochdruck-Rail liegt
beispielsweise im Bereich von 1000 bis 3000 bar z. B. für
Dieselmotoren oder zwischen 40 bar und 400 bar z. B. für
Benzinmotoren.
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Ein
erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor mit einem
Hochdruckeinspritzsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
umfasst ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Hochdruckeinspritzsystem
und/oder eine in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Hochdruckpumpe.
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Ein
erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine in
dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebene Hochdruckpumpe und/oder
ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Hochdruckeinspritzsystem
und/oder einen in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Verbrennungsmotor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher
beschrieben. Es zeigt:
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1 einen
Querschnitt einer Hochdruckpumpe in einer ersten Stellung beider
Außenkolben,
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2 einen
Querschnitt der Hochdruckpumpe gemäß 1 in
einer zweiten Stellung beider Außenkolben,
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3 eine
stark schematisierte Ansicht eines Hochdruckeinspritzsystems und
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4 eine
Ansicht eines Kraftfahrzeuges.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In 1 und 2 ist
ein Querschnitt einer Hochdruckpumpe 1 für ein
Hochdruckeinspritzsystem 36 dargestellt. Die Hochdruckpumpe 1 dient
dazu, Kraftstoff, z. B. Benzin oder Diesel, zu einem Verbrennungsmotor 39 unter
Hochdruck zu fördern. Der von der Hochdruckpumpe 1 erzeugbare
Druck liegt beispielsweise in einem Bereich zwischen 1000 und 3000
bar.
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Die
Hochdruckpumpe 1 weist zwei als Außenkolben 5 ausgebildete
Kolben 4 auf. Die beiden Außenkolben 5 sind
in einer Boxeranordnung 13 zueinander ausgerichtet. Dies
bedeutet, dass beide Außenkolben 5 in der gleichen
Richtung eine oszillierende Translationsbewegung ausführen.
Eine innerhalb eines Gehäuses 9 angeordnete Antriebswelle 2 weist drei
Nocken 3 auf. Die Außenkolben 5 weisen
jeweils eine Rollenschuhausnehmung 41 auf, in der ein Rollenschuh 18 angeordnet
ist. In dem Rollenschuh 18 ist eine Laufrolle 19 gelagert,
die auf den Nocken 3 aufliegt. Der Außenkolben 5 weist
ferner zwei Befestigungsausnehmungen 16 auf. In den Befestigungsausnehmungen 16 ist
mittels eines Bolzens 17 ein als Federsteg 15 ausgebildetes
elastisches Verbindungselement 14 befestigt. Mittels der
beiden Verbindungselemente 14 sind die beiden Außenkolben 5 miteinander
verbunden (1 und 2). Der
Außenkolben 5 weist ferner eine als Bohrung 11 ausgebildete
Ausnehmung 10 auf. Die Bohrung 11 weist am unteren
Ende einen vergrößerten Querschnitt auf, so dass
die Bohrung 11 im Bereich des vergrößerten
Querschnittes und teilweise im nicht-vergrößerten
Querschnitt einen Arbeitsraum 40 für den Kraftstoff
als zu förderndes Fluid bildet. Innerhalb der Bohrung 11 ist
ein Teil des Zylinders 6 als Zylinderbolzen 42 angeordnet.
Der Zylinder 6 ist einteilig mit einem Zylinderkopf 7 ausgebildet.
In der Bohrung 11 des Außenkolbens 5 ist
damit der Zylinderbolzen 42 des Zylinders 6 angeordnet.
Der Zylinderbolzen 42 weist eine Axialbohrung 12 auf.
Ferner weist der Zylinder 6 eine Zylinderausnehmung 43 auf,
in der der Außenkolben 5 teilweise angeordnet
ist. Der Außenkolben 5 wird von Kolbenführungen 8 in
dem Zylinder 6 geführt bzw. gelagert. Die Kolbenführungen 8 bilden
sich dabei zwischen dem Zylinderbolzen 42 und der Ausnehmung 10 des
Außenkolbens 5 sowie auch zwischen der Zylinderausnehmung 43 und
dem Außenkolben 5 aus (1 und 2).
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An
dem Gehäuse 9 ist an beiden Seiten der Zylinder 6 befestigt.
Damit bildet sich ein Innenraum 23, der von dem Gehäuse 9 und
den beiden Zylindern 6 begrenzt ist. Innerhalb dieses Innenraumes 23 bewegen
sich somit die beiden Außenkolben 5, welche von
der rotierenden Antriebswelle 2 mit den drei Nocken 3 bewegt
werden. An den beiden Zylinderköpfen 7 ist jeweils
eine Einlassöffnung 26 zum Einleiten des Kraftstoffes
sowie eine Auslassöffnung 28 zum Ausleiten des
Kraftstoffes ausgebildet. Die Einlassöffnung 26 mündet
in einen Einlasskanal 27 und die Auslassöffnung 28 mündet
in einen Auslasskanal 29. Am Einlasskanal 27 ist
ein Ansaugventil 20 und am Auslasskanal 29 ist
ein Auslassventil 21 vorhanden. Das Ansaug- und Auslassventil 20, 21 sind
dabei vorzugsweise als Rückschlagventile ausgebildet. Das
Ansaugventil 20 bewirkt, dass der Kraftstoff nur in Richtung
des in 1 und 2 abgebildeten Pfeiles in dem
Einlasskanal 27 strömen kann und das Auslassventil 21 bewirkt,
dass der Kraftstoff in dem Auslasskanal 29 nur in der Richtung
gemäß dem Pfeil in dem Auslasskanal 29 strömen
kann.
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In
der Darstellung in 1 befindet sich der in 1 und 2 oben
dargestellte Außenkolben 5 an seinem oberen Totpunkt
und der in 1 unten dargestellte Außenkolben 5 an
seinem unteren Totpunkt. In der Stellung in 1 des oberen
Außenkolbens 5 weist der obere Arbeitsraum 40 sein
minimales Volumen auf und der Arbeitsraum 40 des unteren Außenkolbens 5 das
maximale Volumen auf. Umgekehrt weist in der Darstellung in 2 der
Arbeitsraum 40 des oberen Außenkolbens 5 das
maximale Volumen auf und der Arbeitsraum 40 des unteren
Außenkolbens 5 das minimale Volumen auf. Bei einer Bewegung
des oberen Außenkolbens 5 von der Position in 1 zu
der Position in 2 vergrößert sich
somit das Volumen des Arbeitsraumes 40, so dass durch den
Einlasskanal 27, und das Ansaugventil 20 sowie
die Axialbohrung 12 in den Arbeitsraum 40 Kraftstoff
einströmt als Saughub. Bei dieser Bewegung des oberen Außenkolbens 5 von
seinem oberen Totpunkt gemäß der Darstellung in 1 zu seinem
unteren Totpunkt gemäß der Darstellung in 2 ist
das Auslassventil 21 geschlossen. Während der
Bewegung des oberen Außenkolbens 5 von dem unteren
Totpunkt gemäß der Darstellung in 2 zu
dem oberen Totpunkt ' gemäß der Darstellung in 1 verkleinert
sich das Volumen des Arbeitsraumes 40, so dass Kraftstoff
aus dem Arbeitsraum 40 durch die Axialbohrung 12,
das Auslassventil 21 und den Auslasskanal 29 sowie
die Auslassöffnung 28 aus der Hochdruckpumpe 1 herausgefordert wird.
Dieses beschriebene Arbeitsverfahren gilt in analoger Weise auch
für den unteren Außenkolben 5. Dadurch
wird abwechselnd am oberen Außenkolben 5 durch
den Einlasskanal 27 Kraftstoff angesaugt und gleichzeitig
durch den unteren Außenkolben 5 an dem Auslasskanal 29 Kraftstoff
unter Hochdruck durch die Auslassöffnung 28 aus
der Hochdruckpumpe 1 herausgefördert. Daran anschließend
wird umgekehrt von dem oberen Außenkolben 5 Kraftstoff durch
die Auslassöffnung 28 herausgefördert
und von dem unteren Außenkolben 5 durch die Einlassöffnung 26 Kraftstoff
angesaugt, wobei sich beide Vorgänge wiederholen.
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In
dem Arbeitsraum 40 treten sehr hohe Drücke im
Bereich zwischen 1000 und 3000 bar auf. Dies hat zur Folge, dass
aufgrund des hohen Druckes sich der Außenkolben 5 ausdehnt,
so dass sich das Spiel zwischen dem Zylinderbolzen 42 und
der Bohrung 11 des Außenkolbens 5 vergrößert.
Diese Vergrößerung des Spieles tritt im Wesentlichen
dadurch nicht auf, dass der Zylinderbolzen 42 die Axialbohrung 12 aufweist,
in der ebenfalls die hohen Drücke zwischen 1000 und 3000
bar auftreten, so dass sich auch der Zylinderbolzen 42 bei
diesen hohen Drücken ebenfalls ausdehnt. Das zwischen dem
Zylinder 6 und dem Außenkolben 5 schwankende
Volumen als Teil der Zylinderausnehmung 43 wird mittels
einer Entlastungsbohrung 22 fluidleitend mit dem Innenraum 23 verbunden.
Dadurch können die beiden Außenkolben 5 ungehindert
die Oszillationsbewegung in den Zylindern 6 ausführen,
weil Fluid von diesem Teil dieser Zylinderausnehmung 43 zu
dem Innenraum 23 strömen kann und umgekehrt. Der
Innenraum 23 wird unter einen geringen Druck gesetzt, indem
durch einen Überströmkanal 25 und ein Überströmventil 24 beispielsweise
Luft als Fluid unter einen Druck von ungefähr 1 bis 3 bar
in den Innenraum 23 eingeleitet wird. Dadurch kann im Wesentlichen
vermieden werden, dass der zu fördernde Kraftstoff durch
Undichtigkeiten an den Kolbenführungen 8 in den
Innenraum 23 gelangt, weil ein Gegendruck vorhanden ist.
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In 3 ist
in stark schematisierter Darstellung das Hochdruckeinspritzsystem 36 für
ein Kraftfahrzeug 38 abgebildet mit einem Hochdruck-Rail 30 oder
einem Kraftstoffverteilerrohr 31. Von dem Hochdruck-Rail 30 wird
der Kraftstoff mittels Ventilen in den Verbrennungsraum beispielsweise
einer Hubkolbenverbrennungskraftmaschine eingespritzt (nicht dargestellt).
Eine Vorförderpumpe 35 fördert Kraftstoff
von einem Kraftstofftank 32 durch eine Kraftstoffleitung 33 zu
der Hochdruckpumpe 1 gemäß dem obigen
Ausführungsbeispiel. Die Hochdruckpumpe 1 und
die Vorförderpumpe 35 werden dabei von der Antriebswelle 2 angetrieben.
Die Antriebswelle 2 ist mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 39 gekoppelt.
Das Hochdruck-Rail 30 dient – wie bereits beschrieben – dazu,
den Kraftstoff in den Verbrennungsraum der als Hubkolbenmaschine
ausgebildeten Verbrennungsmotors 39 einzuspritzen. Der
von der Vorförderpumpe 35 geförderte
Kraftstoff wird durch die Kraftstoffleitung 33 zu der Hochdruckpumpe 1 geleitet.
Der von der Hochdruckpumpe 1 nicht benötigte Kraftstoff
wird dabei durch eine Kraftstoffrücklaufleitung 34 wieder
in den Kraftstofftank 32 zurückgeleitet. Eine Zumesseinheit 37 steuert und/oder
regelt die der Hochdruckpumpe 1 zugeleitete Menge an Kraftstoff,
so dass in einer weiteren Ausgestaltung auf die Kraftstoffrücklaufleitung 34 verzichtet
werden kann (nicht dargestellt).
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Die
Einzelheiten der verschiedenen Ausführungsbeispiele können
miteinander kombiniert werden, sofern nichts Gegenteiliges erwähnt
wird.
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Insgesamt
betrachtet sind mit der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe 1 und
dem erfindungsgemäßen Hochdruckeinspritzsystem 36 erhebliche
Vorteile verbunden. Die Hochdruckpumpe 1 ist konstruktiv
einfach aufgebaut, so dass diese in der Herstellung preiswert und
in Betrieb zuverlässig ist. Ferner weist die Hochdruckpumpe 1 einen
kompakten und kleinen Aufbau auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006045933
A1 [0004]
- - DE 10356262 A1 [0005]