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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe.
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Vorzugsweise werden derartige Hochdruckpumpen als Förderpumpen zur Förderung von Fluid für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet.
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Speichereinspritzsysteme für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Common-Rail-Systemen, sollen den notwendigen Volumenstrom und den erforderlichen Fluiddruck bereitstellen können. Die Hochdruckpumpe unterliegt in Speichereinspritzsystemen für Kraftfahrzeuge starken Belastungen, insbesondere mechanischen Beanspruchungen. Insbesondere müssen von derartigen Hockdruckpumpen große Kräfte aufgenommen werden können. Damit werden sowohl hohe Anforderungen an das Material als auch an die Konstruktion der Hockdruckpumpe gestellt.
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Da Hochdruckpumpen Drücken von beispielsweise bis zu über 2000 bar ausgesetzt sind, müssen sie hohen Beanspruchungen standhalten.
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Die
DE 103 55 027 A1 offenbart eine Hochdruckpumpe, insbesondere für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung einer Brennkraftmaschine. Die Hochdruckpumpe weist wenigstens ein Pumpenelement auf, das einen Pumpenkolben hat, der einen Pumpenarbeitsraum begrenzt und der zumindest mittelbar durch eine Antriebswelle gegen die Kraft einer Rückstellfeder in einer Hubbewegung angetrieben wird. Der Pumpenkolben stützt sich über einen hülsenförmigen Stößel an der Antriebswelle ab und die Rückstellfeder greift zumindest am Pumpenkolben an.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe zu schaffen, die auch bei hohen Pumpendrücken einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglicht und dabei einem möglichst geringen Verschleiß unterliegt. Zugleich soll die Hochdruckpumpe kostengünstig herstellbar sein.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch eine Hochdruckpumpe zur Förderung eines Fluids, mit einem Pumpengehäuse, einer in dem Pumpengehäuse drehbar gelagerten Antriebswelle, über die die Hochdruckpumpe antreibbar ist, und mindestens einer Pumpeneinheit. Die Pumpeneinheit weist auf einen Zylinder mit einer Zylinderlängsachse und einer Zylinderkammer, in der ein Pumpenkolben axial bewegbar angeordnet ist, und eine Bewegungsübertragungsvorrichtung, die in einem Pumpengehäuseabschnitt gelagert ist und mittels der eine Drehbewegung der Antriebswelle in eine axiale Bewegung des Pumpenkolben übertragbar ist. In dem Pumpengehäuseabschnitt, in dem die Bewegungsübertragungsvorrichtung gelagert ist, ist ein Kanal zur Führung eines Fluids angeordnet, das ausgebildet ist zum Abführen von Wärme aus dem Pumpengehäuseabschnitt.
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Durch das Anordnen des Kanals zur Führung des Fluids in dem Pumpengehäuseabschnitt, in dem die Bewegungsübertragungsvorrichtung gelagert ist, ist die Wandung des Kanals durch den Pumpengehäuseabschnitt gebildet.
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Dies hat den Vorteil, dass eine gute Wärmeabführung aus dem Bereich des Pumpengehäuseabschnitts, in dem die Bewegungsübertragungsvorrichtung angeordnet ist, möglich ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Hochdruckpumpe ist der Kanal hydraulisch mit einem Anschlussstutzen gekoppelt, und der Anschlussstutzen ist an dem Pumpengehäuseabschnitt angeordnet. Damit ist eine rasche Abfuhr des Fluids und damit der Wärme aus dem Pumpengehäuseabschnitt möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hochdruckpumpe erstreckt sich der Kanal im Wesentlichen in der axialen Richtung des Zylinders. Damit ist eine einfache Ausbildung des Kanals beispielsweise durch eine Bohrung in dem Pumpengehäuseabschnitt möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hochdruckpumpe hat der Kanal im Wesentlichen die Form einer Helix mit einer Mittelachse, und die Bewegungsübertragungsvorrichtung hat eine Längsachse, die koaxial mit der Mittelachse der Helix ist. Damit ist ein sehr guter, bezüglich der Richtungen senkrecht zur Mittelachse im Wesentlichen isotroper Wärmeübergang von der Bewegungsübertragungsvorrichtung auf den Pumpengehäuseabschnitt und damit auf das Fluid im Kanal möglich.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hochdruckpumpe sind auf einer Außenwand des Pumpengehäuseabschnitts Kühlrippen angeordnet. Dies ermöglicht einen sehr guten Wärmeübergang von dem Pumpengehäuseabschnitt an die Umgebung. Damit ist eine Unterstützung der Kühlung des Pumpengehäuseabschnitts durch die Kühlrippen möglich. Des Weiteren ermöglichen die Kühlrippen eine mechanische Stabilisierung des Pumpengehäuseabschnitts.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Hochdruckpumpe weist die Bewegungsübertragungsvorrichtung auf eine Stößelbaugruppe mit einem Stößel, einem mechanisch mit dem Stößel gekoppelten Rollenschuh, und einer in dem Rollenschuh drehbar gelagert Rolle. Dies trägt dazu bei, die Wärme, die während des Betriebs der Hochdruckpumpe entstehen kann, mittels des Kanals von der Stößelbaugruppe abzuführen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Hochdruckpumpe in einem teilweise gebrochenen Längsschnitt,
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2 eine schematische. Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Hochdruckpumpe in einem teilweise gebrochenen Längsschnitt, und
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3 eine perspektivische Ansicht eines Pumpengehäuses der Hochdruckpumpe.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 und 2 zeigen eine Hochdruckpumpe 10 mit einem Pumpengehäuse 12 und einer Pumpeneinheit 13. Die Hochdruckpumpe 10 kann weitere nicht dargestellte Pumpeneinheiten aufweisen. Die Hochdruckpumpe 10 kann insbesondere zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei einem Speichereinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.
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Das Pumpengehäuse 12 ist vorzugsweise aus einem Metall gebildet. Das Metall weist vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumverbindung auf. Eine besonders bevorzugte Aluminiumverbindung ist AlSilMgMn, die eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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Die Hochdruckpumpe 10 weist zentral eine Antriebswelle 16 auf, die mit zwei Nocken 20 in Wirkverbindung steht und in einer Drehachse D drehbar in dem Pumpengehäuse 12 gelagert ist. Die Anzahl der Förder- und Kompressionshübe kann über die Anzahl der Nocken 20 vorgegeben werden. Die Anzahl der Förder- beziehungsweise Kompressionshübe entspricht dabei der Anzahl der Nocken 20. In der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform hat die Hochdruckpumpe 10 zwei Nocken 20.
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Die Pumpeneinheit 13 besteht im Wesentlichen aus einem Zylinder 14 mit einer Zylinderlängsachse Z, einer in dem Zylinder 14 angeordneten Zylinderkammer 18, einer Feder 26, einem Pumpenkolben 28 und einer Bewegungsübertragungsvorrichtung 29. Die Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 ist in einem Pumpengehäuseabschnitt 12a des Pumpengehäuses 12 gelagert. Die Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 hat eine Längsachse L, die in der hier gezeigten Ausführungsform identisch mit der Zylinderlängsachse Z ist. In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 als Stößelbaugruppe ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen der Hochdruckpumpe 10 kann die Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 jeweils in einer Form ausgebildet sein, wie sie dem zuständigen Fachmann bekannt ist.
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Der Zylinder 14, die Zylinderkammer 18, die Feder 26 und der Pumpenkolben 28 sind zueinander koaxial angeordnet. Der Zylinder 14 ist fest mit dem Pumpengehäuse 12 gekoppelt und aus einem Metall, vorzugsweise einem Stahl, gebildet.
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Der Pumpenkolben 28 ist axial bewegbar in der Zylinderkammer 18 des Zylinders 14 gelagert und steht über die Nocken 20 mit der Antriebswelle 16 in Wirkverbindung. Der Pumpenkolben 28 wird insbesondere durch die Nocken 20 der Antriebswelle 16 in einer Hubbewegung in zumindest annähernd radialer Richtung zur Drehachse D der Antriebswelle 16 angetrieben.
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Der Pumpenkolben 28 wird mittels der Feder 26, die vorzugsweise als Schraubendruckfeder ausgebildet ist und sich vorzugsweise am Zylinder 14 und an einem zylinderförmigen Stößel 30 abstützt, in ständiger Anlage an die Nocken 20 der Antriebswelle 16 gehalten. Damit kann ein Abheben und Wiederauftreffen des Pumpenkolbens 28 auf die Antriebswelle 16 mit den Nocken 20 vermieden werden, was zu Beschädigungen sowohl der Antriebswelle 16 und der Nocken 20 als auch des Pumpenkolbens 28 führen könnte.
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Um die Zylinderkammer 18 mit Fluid befüllen zu können, weist der Zylinder 14 eine Zylinderkammerzulaufleitung 22 auf, in der vorzugsweise ein Zylinderkammereinlassventil 23 angeordnet ist. Das Zylinderkammereinlassventil 23 erleichtert die Befüllung der Zylinderkammer 18 und verhindert beim Befüllen das Zurückströmen des Fluids aus der Zylinderkammerzulaufleitung 22. Der Zylinder 14 weist weiter eine Zylinderkammerablaufleitung 24 und ein in dieser angeordnetes Zylinderkammerauslassventil 25 auf. Damit kann Fluid aus der Zylinderkammer 18 ausgestoßen werden.
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Während eines Saughubs, das heißt einer bezüglich der 1 und 2 abwärts gerichteten Bewegung des Pumpenkolbens 28, wird Fluid, insbesondere Kraftstoff aus der Zylinderkammerzulaufleitung 22 über das Zylinderkammereinlassventil 23 in die Zylinderkammer 18 gefördert, wobei das Zylinderkammerauslassventil 25 geschlossen ist. Während eines Pumphubs, das heißt einer bezüglich der 1 und 2 aufwärts gerichteten Bewegung des Pumpenkolbens 28, wird der in der Zylinderkammer 18 befindliche Kraftstoff komprimiert beziehungsweise über das Zylinderkammereinlassventil 23 unter hohem Druck an die Zylinderkammerablaufleitung 24 abgegeben, wobei das Zylinderkammerauslassventil 25 geschlossen ist.
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Die als Stößelbaugruppe ausgebildete Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 umfasst den zylinderförmigen Stößel 30, der innerhalb des Pumpengehäuses 12 in Richtung der Zylinderlängsachse Z geführt ist und in Mitnahmeverbindung mit dem Pumpenkolben 28 steht. Der Pumpenkolben 28 weist vorzugsweise einen kleineren Durchmesser auf als der Stößel 30. Der Pumpenkolben 28 und der Stößel 30 können aus demselben oder jeweils einem anderen Werkstoff bestehen, vorzugsweise aus einem Stahl.
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Der Stößel 30 wird bevorzugt am Pumpengehäuse 12 geführt. Die Feder 26 stützt sich auf einem Federteller 31 ab, der in Eingriff mit dem Pumpenkolben 28 und dem Stößel 30 ist.
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Der Stößel 30 weist eine innere Stößelausnehmung 32 auf, in der ein Rollenschuh 34 wenigstens teilweise aufgenommen ist. Ein der Antriebswelle 12 zugewandter Abschnitt des Rollenschuhs 34 umfasst im zentralen Bereich eine Rollenschuhausnehmung 36, in der eine zylindrische Rolle 38 zumindest teilweise aufgenommen und drehbar angeordnet ist. Bevorzugt ist die Rollenschuhausnehmung 36 an die radiale Lagerung und Führung der Rolle 38 angepasst.
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Der Stößel 30 dient zur zumindest mittelbaren Abstützung des Pumpenkolbens 28 über die mit dem Stößel 30 drehbar gekoppelte Rolle 38 an der Antriebswelle 16. Die Rolle 38 ist mittels einer durch die Feder 26 über den Stößel 30 und den Rollenschuh 34 auf die Rolle 38 übertragenen Kraft in Anlage an die Antriebswelle 16 gehalten, vorzugsweise in Anlage an den zumindest einen Nocken 20 der Antriebswelle 16, und rollt auf der Antriebswelle 16 beziehungsweise den Nocken 20 ab. Die Längsachse der Rolle 38 ist bevorzugt zumindest annähernd parallel zur Drehachse D der Antriebswelle 16.
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In dem Pumpengehäuseabschnitt 12a, in dem die Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 angeordnet ist, ist ein Kanal 42 angeordnet. Der Kanal 42 dient der Führung eines Fluids. Mittels dieses Fluids kann Wärme aus dem Körper des Pumpengehäuseabschnitts 12a abgeführt werden. Um ein rasches und effizientes Abführen von Wärme aus dem Körper des Pumpengehäuseabschnitts 12a zu ermöglichen, ist der Fluidstrom in dem Kanal 42 wesentlich größer als ein zwischen dem Pumpengehäuseabschnitt 12a und dem Stößel 30 auftretender Fluidstrom. Der zwischen dem Pumpengehäuseabschnitt 12a und dem Stößel 30 auftretende Fluidstrom dient zum einen der Schmierung und kann zum anderen ebenfalls zu einer Kühlung des Pumpengehäuseabschnitts 12a und der Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 beitragen.
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Die Wandung des Kanals 42 zur Führung des Fluids in dem Pumpengehäuseabschnitt 12a, in dem die Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 gelagert ist, ist durch den Pumpengehäuseabschnitt 12a selbst gebildet. Insbesondere ist die Wandung des Kanals 42 vollständig durch den Pumpengehäuseabschnitt 12a gebildet.
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Der Kanal 42 in dem Körper des Pumpengehäuseabschnitts 12a ist hydraulisch mit einem Anschlussstutzen 44 gekoppelt. Der Anschlussstutzen 44 ist an dem Pumpengehäuseabschnitt 12a angeordnet und fest mit diesem gekoppelt, so dass das Fluid und damit die Wärme rasch von der Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 und aus dem Pumpengehäuseabschnitt 12a abgeführt werden kann.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform der Hochdruckpumpe 10 ist der Kanal 42 in der Form einer Helix mit einer Mittelachse H ausgebildet. Die Längsachse L der Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 ist in der hier dargestellten Ausführungsform identisch mit der Mittelachse H der Helix. Damit ist aufgrund des bezüglich der Richtungen senkrecht zur Längsachse L der Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 im Wesentlichen isotropen Wärmeübergangs ein guter Wärmetransport von der als Stößelbaugruppe ausgebildeten Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 auf das Fluid in dem Kanal 42 möglich.
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In der in 2 gezeigten Ausführungsform der Hochdruckpumpe 10 erstreckt sich der Kanal 42 im Wesentlichen in Richtung der Längsachse L der Bewegungsübertragungsvorrichtung 29. Abhängig von dem verwendeten Material des Pumpengehäuses 12 und insbesondere des Pumpengehäuseabschnitts 12a ist der Kanal 42 vorzugsweise als zylindrische Bohrung (2) oder als konisch geformter Gusskern (nicht dargestellt) ausgebildet. In beiden Ausführungsformen kann der Kanal 42 einfach in dem Pumpengehäuseabschnitt 12a hergestellt werden.
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In 3 ist das Pumpengehäuse 12 der Hochdruckpumpe 10 gezeigt. Der Pumpengehäuseabschnitt 12a, in dem die Bewegungsübertragungsvorrichtung 29 gelagert ist, hat eine Außenwand 48, auf der Kühlrippen 50 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Kühlrippen 50 so dimensioniert, dass die Oberfläche des Pumpengehäuseabschnitts 12a mit den Kühlrippen 50 mindestens das 1, 2-fache der Oberfläche des Pumpengehäuseabschnitts 12a ohne Kühlrippen ist. Damit kann mit Unterstützung durch die Kühlrippen 50 ein sehr guter Wärmeabtransport von dem Pumpengehäuseabschnitt 12a sowie die Ausbildung eines mechanisch sehr stabilen Pumpengehäuseabschnitts 12a erreicht werden.
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Im Folgenden soll die Funktionsweise der Hochdruckpumpe beschrieben werden:
Im Ausgangszustand soll sich der Pumpenkolben 28 in einer Position in der Pumpeneinheit 13 befinden, in der er einen maximalen Abstand von der Antriebswelle 16 aufweist, wie in 1 dargestellt.
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Durch eine Drehbewegung der Antriebswelle 16 mit den Nocken 20 um die Drehachse D wird die Rolle 38, bedingt durch die Federkraft der Feder 26, von der Zylinderkammer 18 wegbewegt. Über den Rollenschuh 34 wird der Stößel 30 bei dieser Bewegung mitgenommen, wodurch wegen der bestehenden festen Kopplung zwischen dem Stößel 30 und dem Pumpenkolben 28 der Pumpenkolben 28 in Richtung der Zylinderlängsachse Z bezüglich der 1 und 2 nach unten bewegt wird.
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Durch die Bewegung des Pumpenkolbens 30 wird die Zylinderkammer 18 vergrößert und über das als Rückschlagventil ausgebildete Zylinderkammereinlassventil 23 und die Zylinderkammerzulaufleitung 22 mit Fluid befüllt.
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Im Weiteren wird durch die Drehbewegung der Antriebswelle 16 der Pumpenkolben 28 in Richtung der Zylinderlängsachse Z bezüglich der 1 und 2 nach oben bewegt, wodurch eine direkte Druckbeaufschlagung der Zylinderkammer 18 und damit eine Verdichtung des in der Zylinderkammer 18 befindlichen Fluids auf Drücke von bis zu über 2000 bar erfolgt.
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Das komprimierte Fluid kann im Anschluss an den Kompressionshub über die Zylinderkammerablaufleitung 24 und das nun geöffnete Zylinderkammerauslassventil 25 ausgestoßen werden. Handelt es sich bei der Hochdruckpumpe 10 beispielsweise um eine Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, so kann das mit hohem Druck beaufschlagte Fluid zu einem Hochdruckkraftstoffspeicher, dem Common Rail, gelangen.
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Die bei der Bewegung der Stößelbaugruppe, insbesondere des Stößels 30 innerhalb des Pumpengehäuseabschnitts 12a frei werdende Wärme kann üben den Pumpengehäuseabschnitt 12a zu dem Fluid in dem Kanal 42 gelangen und von dort in einfacher Weise über den Anschlussstutzen 44 nach außen abgeführt werden. Ist die Hochdruckpumpe 10 eine Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, so kann des Weiteren aufgrund der Kühlung der Stößelbaugruppe und des Pumpengehäuseabschnitts 12a der von der Hochdruckpumpe 10 in einen Kraftstofftank zurückfließende Kraftstoff gegebenenfalls auf einer Temperatur gehalten werden, bei der auf eine Kühlung dieses von der Hochdruckpumpe 10 zurückfließenden Kraftstoffs verzichtet werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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