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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe zur Förderung eines Fluids.
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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 2000 bar ausgesetzt sind, müssen sie hohen Beanspruchungen standhalten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hochdruckpumpe zu schaffen, die auch bei hohen Pumpendrücken einen zuverlässigen Betrieb der Hochdruckpumpe mit einem guten energetischen Wirkungsgrad ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. 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, die ein Zylindergehäuse mit einer Zylinderkammer aufweist. Ferner umfasst die Hochdruckpumpe einen eine Längsachse aufweisenden Pumpenkolben, der derart angeordnet ist, dass er ein freies Volumen der Zylinderkammer beeinflusst. Die Hochdruckpumpe weist ferner einen Stößel auf, der zur zumindest mittelbaren Abstützung des Pumpenkolbens an einer Antriebswelle dient. Des Weiteren umfasst die Hochdruckpumpe eine Rückstellfeder, die derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sie auf den Stößel und den Pumpenkolben eine in Richtung der Antriebswelle gerichtete Kraft ausübt und die zumindest in einem der Antriebswelle zugewandten ersten Endbereich in axialer Richtung kegelförmig ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise kann für eine gleiche Funktion in der Hochdruckpumpe die zumindest abschnittsweise kegelförmig ausgebildete Rückstellfeder eine geringere Federmasse aufweisen als eine zylindrische Rückstellfeder. Die Rückstellfeder bildet mit dem Pumpenkolben und dem Stößel ein Schwingungssystem. Ein Verhalten des Schwingungssystems ist abhängig von der Federmasse der Rückstellfeder. Die Federmasse einer kegelförmig ausgebildeten Rückstellfeder kann im Vergleich zu der Federmasse einer zylindrisch ausgebildeten Rückstellfeder um einen Faktor 1/3 geringer sein, sodass die kegelförmig ausgebildete Rückstellfeder für eine gleiche Funktion eine geringere Federkraft aufweisen kann als die zylindrisch ausgebildete Rückstellfeder.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Hochdruckpumpe eine erste Kammer auf, in der der Pumpenkolben zumindest teilweise angeordnet ist und deren freies Volumen beeinflusst wird durch den Stößel, und eine zweite Kammer, in der die Antriebswelle zumindest teilweise angeordnet ist und deren freies Volumen beeinflusst wird durch den Stößel. Ferner weist der Stößel zumindest eine Durchgangsausnehmung auf, über die die erste Kammer und die zweite Kammer hydraulisch gekoppelt sind.
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Der Stößel umfasst beispielsweise ein Rollenschuhelement, ein Rollenschuhgehäuse sowie eine Rolle. Alternative Ausführungsformen des Stößels sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann der Stößel einen Tassenstößel aufweisen oder als solcher ausgebildet sein. Ferner kann der Stößel ein Stößelelement aufweisen, das einstückig mit dem Pumpenkolben ausgebildet ist. Die erste Kammer und die zweite Kammer sind vorzugsweise zumindest teilweise gefüllt mit einem Fluid, beispielsweise mit einem Brennkraftstoff. Aufgrund einer Förderhubbewegung und/oder eine Saughubbewegung des Stößels wird das Fluid, das den Stößel umgibt, beschleunigt beziehungsweise abgebremst. Dies kann ein Planschen und Pulsationen in einem Niederdruckbereich eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine verursachen. Die Durchgangsausnehmungen in dem Stößel ermöglichen, dass bei der Förderhubbewegung und/oder der Saughubbewegung des Stößels das Fluid jeweils in die jeweilige andere Kammer abfließen kann. Vorteilhafterweise kann die kegelförmig ausgebildet Rückstellfeder im Vergleich zu der zylindrisch ausgebildeten Rückstellfeder mit geringerem Bauraum derart angeordnet werden, dass die zumindest eine Durchgangsausnehmungen in dem Stößel nicht von der Rückstellfeder verdeckt wird und das Fluid ungehindert durch die zumindest eine Durchgangsausnehmung fließen kann. Ein Entstehen des Planschens und der Pulsationen in dem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems der Brennkraftmaschine kann somit reduziert oder verhindert werden. Aufgrund des geringeren Planschens und der geringeren Pulsationen kann ein Überstromkanal in einem Pumpengehäuse der Hochdruckpumpe, der einen Einlassbereich der Hochdruckpumpe mit der zweiten Kammer hydraulisch koppelt, mit einem geringeren Querschnitt ausgebildet werden, wodurch erheblich Bauraum eingespart werden kann.
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Das Reduzieren des Planschens und der Pulsationen ermöglicht einen zuverlässigeren Betrieb der Hochdruckpumpe. Da das Fluid, das den Stößel umgibt, nahezu nicht mehr beschleunigt beziehungsweise abgebremst werden muss, sondern nahezu ungehindert durch die Ausnehmungen des Führungsabschnitts fließen kann, kann der energetische Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe verbessert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Hochdruckpumpe ein Führungselement mit einer Führungsausnehmung, in der der Stößel zumindest teilweise axial bewegbar angeordnet ist, und mit zumindest einer weiteren Durchgangsausnehmung, über die die erste Kammer und die zweite Kammer hydraulisch gekoppelt sind. Das Führungselement kann mit dem Pumpengehäuse und/oder dem Zylindergehäuse mechanisch gekoppelt sein.
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Aufgrund dieser Anordnung kann der Stößel im Vergleich zu einer direkten Führung des Stößels durch das Pumpengehäuse einen geringeren radialen Durchmesser aufweisen, wodurch eine Masse des Stößels verringert werden kann. Die Rückstellfeder kann somit eine geringere Steifigkeit aufweisen und somit kleiner dimensioniert werden. Eine für eine axiale Bewegung des Stößels erforderliche Kraft kann verringert werden, so dass auch ein entsprechendes, durch die Antriebswelle aufzubringendes Drehmoment zum Betreiben der Hochdruckpumpe reduziert werden kann. Dadurch kann eine höhere nutzbare Leistung einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt werden, die andernfalls zum Betreiben der Hochdruckpumpe erforderlich wäre. Des Weiteren kann das Führungselement derart ausgebildet und angeordnet sein, dass der Stößel nicht mit dem Pumpengehäuse in Kontakt kommt, wodurch ein Verschleiß des Pumpengehäuses reduziert werden kann. Das Pumpengehäuse und der Stößel können aus unterschiedlichen Materialen hergestellt sein, ohne dass ein zuverlässiger Betrieb der Pumpeneinheit auch über eine lange Laufzeit beeinträchtigt wird. Die zumindest eine weitere Durchgangsausnehmungen in dem Führungselement ermöglicht, dass bei der Förderhubbewegung und/oder der Saughubbewegung des Stößels das Fluid jeweils in die jeweilige andere Kammer abfließen kann. Vorteilhafterweise kann die kegelförmig ausgebildet Rückstellfeder im Vergleich zu der zylindrisch ausgebildeten Rückstellfeder mit geringerem Bauraum derart angeordnet werden, dass die zumindest eine weitere Durchgangsausnehmungen in dem Führungselement nicht von der Rückstellfeder verdeckt wird und so das Fluid ungehindert durch die zumindest eine weitere Durchgangsausnehmung fließen kann. Das Entstehen des Planschens und der Pulsationen in dem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems der Brennkraftmaschine kann somit reduziert oder verhindert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Zylindergehäuse einen Pumpenkolbenführungsabschnitt mit einer zylindrischen Ausnehmung, in der der Pumpkolben axial geführt wird. Der Pumpenkolbenführungsabschnitt weist in seinem der Antriebswelle zugewandten ersten Endbereich einen geringeren Außendurchmesser auf als in seinem der Antriebswelle abgewandten zweiten Endbereich und die Rückstellfeder ist zumindest teilweise koaxial zu dem Pumpenkolbenführungsabschnitt angeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Pumpenkolbenzylinder in axialer Richtung kegelförmig ausgebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Rückstellfeder als Schraubenfeder ausgebildet. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung der Rückstellfeder.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Teilansicht einer Hochdruckpumpe in einem Längsschnitt.
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1 zeigt zumindest teilweise eine Hochdruckpumpe 10 mit einem Pumpengehäuse 12 und einer Pumpeneinheit 13. Die Hochdruckpumpe 10 kann insbesondere zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei einem Speichereinspritzsystem einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden.
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Die dargestellte Pumpeneinheit 13 ist bevorzugt eine von mehreren Pumpeneinheiten 13 der Hochdruckpumpe 10, die durch eine gemeinsam genutzte Antriebswelle 16 betrieben werden. Die Pumpeneinheit 13 dient dazu, Kraftstoff, zum Beispiel Diesel, für das Speichereinspritzsystem aus einer Zufuhrleitung über ein Einlassventil in eine Zylinderkammer bei einem geschlossenen Auslassventil und sodann über das Auslassventil mit hohem Druck, zum Beispiel über 2000 bar, in eine Abfuhrleitung, die auch als Druckraum bezeichnet werden kann, bei geschlossenem Einlassventil zu fördern.
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Die beschriebenen Komponenten sind in einer Gehäusestruktur untergebracht, wobei in 1 Teile eines Zylindergehäuses 14 und eines Pumpengehäuses 12 zu erkennen sind. Das Zylindergehäuse 14 ist mit dem Pumpengehäuse 12 gekoppelt. Das Pumpengehäuse 12 ist beispielsweise aus einem Metall, das vorzugsweise Aluminium aufweist, gebildet. Das Zylindergehäuse 14 ist beispielsweise aus einem Metall, vorzugsweise einem Stahl, gebildet. Das Zylindergehäuse 14 ist in der dargestellten Ausführungsform von dem Pumpengehäuse 12 separat ausgebildet, Pumpengehäuse 12 und Zylindergehäuse 14 können jedoch auch einteilig ausgeführt sein.
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Die Hochdruckpumpe 10 weist die Antriebswelle 16 auf, die drehbar mit einer Drehachse D im Pumpengehäuse 12 gelagert ist. Bevorzugt ist die Antriebswelle 16 eine Nockenwelle. In diesem Fall umfasst die Antriebswelle 16 zumindest einen Nocken 20, wobei der Nocken 20 auch als Mehrfachnocken ausgebildet sein kann. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Antriebswelle 16 zwei Nocken 20 auf. 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. Anstelle der als Nockenwelle verwendeten Antriebswelle 16 kann die Hochdruckpumpe 10 auch eine Antriebswelle 16 umfassen, die mit einem Exzenterring in Wirkverbindung steht.
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1 veranschaulicht den Aufbau einer Pumpeneinheit 13 einer Hochdruckpumpe 10 mit einer ersten Ausführungsform eines Stößels 24 und einer Rückstellfeder 26. Die Pumpeneinheit 13 umfasst im Wesentlichen das Zylindergehäuse 14, die in dem Zylindergehäuse 14 angeordnete Zylinderkammer, einen Pumpenkolben 28, den Stößel 24 und die Rückstellfeder 26. Das Zylindergehäuse 14, die Zylinderkammer, der Pumpenkolben 28, der Stößel 24 und die Rückstellfeder 26 sind bevorzugt entlang einer Längsachse L des Pumpenkolbens 28 zueinander koaxial angeordnet.
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Der Pumpenkolben 28 ist axial bewegbar in der Zylinderkammer des Zylindergehäuses 14 in einer zylindrischen Ausnehmung eines Pumpenkolbenführungsabschnitts 29 des Zylindergehäuses 14 gelagert und steht mit der Nockenwelle in Wirkverbindung. Der Pumpenkolben 28 wird insbesondere durch den Nocken 20 der Antriebswelle 16 in einer Hubbewegung in zumindest annähernd radialer Richtung zur Drehachse D der Antriebswelle 16 angetrieben. Der Pumpenkolben 28 ist axial bewegbar in dem Pumpenkolbenführungsabschnitt 29 geführt, um während eines Saughubs, in 1 abwärts gerichtet, Kraftstoff aus der Zufuhrleitung über das Einlassventil in die Zylinderkammer bei geschlossenem Auslassventil zu fördern und während eines Pumphubs, in 1 aufwärts gerichtet, den in der Zylinderkammer befindlichen Kraftstoff zu komprimieren beziehungsweise über das Auslassventil unter hohem Druck an die Abfuhrleitung bei geschlossenem Einlassventil abzugeben.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Stößel 24 mehrteilig ausgebildet. Der Stößel 24 umfasst ein Rollenschuhelement 32, ein Rollenschuhgehäuse 33 sowie eine Rolle 34. Der Stößel 24 weist zumindest eine Durchgangsausnehmung 36 auf, über die eine erste Kammer 42 und eine zweite Kammer 44 hydraulisch gekoppelt sind. Die erste Kammer 42 und die zweite Kammer 44 sind beispielsweise Teil einer Gehäuseausnehmung des Pumpengehäuses 12. In der ersten Kammer 42 ist der Pumpenkolben 28 zumindest teilweise angeordnet und ein freies Volumen der ersten Kammer 42 wird beeinflusst durch den Stößel 24. In der zweiten Kammer 44 ist die Antriebswelle 16 zumindest teilweise angeordnet und ein freies Volumen der zweiten Kammer 44 wird beeinflusst wird durch den Stößel 24. Die zumindest eine Durchgangsausnehmung 36 des Stößels 24 ist beispielsweise in dem Rollenschuhgehäuse 33 angeordnet. Die Durchgangsausnehmungen in dem Stößel 24 ermöglichen, dass bei der Förderhubbewegung und/oder der Saughubbewegung des Stößels 24 das Fluid jeweils in die jeweilige andere Kammer 42, 44 abfließen kann. Vorteilhafterweise kann dadurch ein Planschen und Pulsationen in einem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems der Brennkraftmaschine vermieden werden. Aufgrund des geringeren Planschens und der geringeren Pulsationen kann ein Überstromkanal 46 in einem Pumpengehäuse 12 der Hochdruckpumpe 10, der einen Einlassbereich der Hochdruckpumpe 10 mit der zweiten Kammer 44 hydraulisch koppelt, mit einem geringeren Querschnitt ausgebildet werden, wodurch erheblich Bauraum eingespart werden kann.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Rollenschuhelement 32 mit der Rolle 34 drehbar gekoppelt. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist das Rollenschuhelement 32 einstückig ausgebildet mit dem Rollenschuhgehäuse 33. Der Pumpenkolben 28 und der Stößel 24 sind beispielsweise kraftschlüssig verbunden. Der Pumpenkolben 28 und der Stößel 24 können jeweils aus einem anderen Werkstoff bestehen, beispielsweise aus Stahl. Alternative Ausführungsformen des Stößels 24 sind ebenfalls möglich. Beispielsweise kann der Stößel 24 einen Tassenstößel aufweisen oder als solcher ausgebildet sein. Ferner kann der Stößel 24 ein Stößelelement aufweisen, das einstückig mit dem Pumpenkolben 28 ausgebildet ist.
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Der Pumpenkolben 28 weist vorzugsweise einen kleineren Durchmesser auf als der Stößel 24. Der Stößel 24 dient zur zumindest mittelbaren Abstützung des Pumpenkolbens 28 an der Antriebswelle 16. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Stößel 24 beispielsweise an einer Pumpengehäusewandung der ersten 42 und/oder zweiten Kammer 44 geführt. Ferner ist auch möglich, dass die Hochdruckpumpe 10 ein Führungselement aufweist mit einer Führungsausnehmung, in der der Stößel 24 zumindest teilweise axial bewegbar angeordnet ist, und mit zumindest einer weiteren Durchgangsausnehmung, über die die erste Kammer 42 und die zweite Kammer 44, zusätzlich oder alternativ zu der zumindest einen Durchgangsausnehmung 36 des Stößels 24, hydraulisch gekoppelt sind.
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Bevorzugt bildet der Pumpenkolben 28 zusammen mit dem Stößel 24, in dem die Rolle 34 angeordnet ist, eine vormontierte Pumpenbaugruppe und wird in das Pumpengehäuse 12 und das Zylindergehäuse 14 der Hochdruckpumpe 10 eingesetzt. Als weiteres Bauteil wird die Rückstellfeder 26 zwischen dem Stößel 24 und dem Zylindergehäuse 14 eingesetzt.
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Durch die vorgespannte Rückstellfeder 26 wird die Pumpenbaugruppe über die Rolle 34 in Anlage am Nocken 20 der Antriebswelle 16 gehalten. Somit kann ein Abheben und Wiederauftreffen der Rolle 34 auf den Nocken 20 vermieden werden, was zu Beschädigungen sowohl innerhalb der Pumpenbaugruppe als auch des Nockens 20 der Antriebswelle 16 führen könnte. Bei der Drehbewegung der Antriebswelle 16 mit dem Nocken 20 wird die Pumpenbaugruppe in einer Hubbewegung angetrieben. Bei einer Drehung der Antriebswelle 16 mit dem Nocken 20 erfolgt die in 1 abwärts gerichtete Rückstellung des Pumpenkolbens 28, die auch als Saughub bezeichnet werden kann, durch die Rückstellfeder 26. Der Stößel 24 ist derart mit dem Pumpenkolben 28 gekoppelt, dass die auf den Pumpenkolben 28 wirkende Federkraft sich auf den Stößel 24 überträgt und diesen nach unten führt. Bei der umgekehrten Pumpenkolbenbewegung, die auch als Pumphub bezeichnet werden kann, wird der Pumpenkolben 28 entgegen die Federkraft nach oben hin gedrängt.
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Die Rückstellfeder 26 ist in der ersten Kammer 42 zwischen dem Zylindergehäuse 14 und dem Pumpenkolben 28 axial wirkend angeordnet. Beispielsweise stützt sich die Rückstellfeder 26 an dem Pumpenkolben 28 an einer zur Längsachse L annähernd senkrecht liegenden Stützfläche 39 des Pumpenkolbens 28 ab. Alternativ kann sich an einer zur Längsachse L annähernd senkrecht liegenden Stützfläche des Stößels 24 abstützen. Die Rückstellfeder 26 ist beispielsweise als Schraubendruckfeder ausgebildet.
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Die Rückstellfeder 26 ist zumindest in einem der Antriebswelle 16 zugewandten ersten Endbereich in axialer Richtung kegelförmig ausgebildet. Die in 1 gezeigte Rückstellfeder 26 ist beispielsweise entlang ihrer gesamten axialen Erstreckung in axialer Richtung kegelförmig ausgebildet. Durch den reduzierten Durchmesser der Rückstellfeder 26 im dem ersten Endbereich kann ein zumindest teilweises Bedecken und/oder Verschließen der zumindest einen Durchgangsausnehmung 36 des Stößels 24 und/oder der zumindest einen weiteren Durchgangsausnehmung des Führungselements einfach und raumsparend vermieden werden.
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Das Zylindergehäuse 14 weist einen Pumpenkolbenführungsabschnitt 29 auf mit einer zylindrischen Ausnehmung, in der der Pumpkolben axial geführt wird. Der Pumpenkolbenführungsabschnitt 29 weist beispielsweise in seinem der Antriebswelle 16 zugewandten ersten Endbereich einen geringeren Außendurchmesser auf als in seinem der Antriebswelle 16 abgewandten zweiten Endbereich. Die Rückstellfeder 26 ist zumindest teilweise koaxial zu dem Pumpenkolbenführungsabschnitt 29 angeordnet und der Pumpenkolbenführungsabschnitt 29 kann so beispielsweise einen der Rückstellfeder 26 angepasste Form aufweisen. Beispielsweise kann der Pumpenkolbenführungsabschnitt 29 in axialer Richtung kegelförmig ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hochdruckpumpe
- 12
- Pumpengehäuse
- 13
- Pumpeneinheit
- 14
- Zylindergehäuse
- 16
- Antriebswelle
- 20
- Nocken
- 24
- Stößel
- 26
- Rückstellfeder
- 28
- Pumpenkolben
- 29
- Pumpenkolbenführungsabschnitt
- 32
- Rollenschuhelement
- 33
- Rollenschuhgehäuse
- 34
- Rolle
- 36
- Durchgangsausnehmung
- 39
- Stützfläche
- 42
- erste Kammer
- 44
- zweite Kammer
- 46
- Überstromkanal
- D
- Drehachse
- L
- Längsachse der Pumpeneinheit
