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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem weist in der Regel wenigstens ein Pumpenelement mit einem Arbeitsraum auf, der im Saugbetrieb der Hochdruckpumpe über ein Saug- oder Einlassventil mit Kraftstoff befüllbar ist. Im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe wird der im Arbeitsraum vorhandene Kraftstoff auf Hochdruck gefördert. Um die Förderleistung einer solchen Hochdruckpumpe dem tatsächlichen Mengenbedarf anzupassen, sind aus dem Stand der Technik bereits verschiedene Konzepte zur Steuerung der Fördermenge einer Kraftstoffhochdruckpumpe bekannt.
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Ein erstes Konzept zur Steuerung der Fördermenge setzt eine Zumesseinheit ein, die in der Regel elektromagnetisch ansteuerbar und einem als Rückschlagventil ausgebildeten Saugventil vorgeschaltet ist. Über eine variable Drosselung der angesaugten Kraftstoffmenge stellt die Zumesseinheit eine Befüllung des Pumpenarbeitsraums mit einer Füllmenge sicher, die der gewünschten Fördermenge entspricht.
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Ein zweites Konzept sieht den Einsatz eines elektromagnetisch ansteuerbaren Einlassventils vor. Über die Ansteuerung ist der Hubverlauf eines hubbeweglichen Ventilelements des Einlassventils fest vorgegeben bzw. vorgebbar. Die Fördermenge wird in diesem Fall über die Zeitdauer bestimmt, in der das Ventil geöffnet ist.
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Ein drittes Konzept zur Steuerung der Fördermenge setzt ein passives Saugventil mit variablem Hubanschlag ein. Passiv bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Öffnen und Schließen über eine hydraulische Druckdifferenz am Ventilschließelement bewirkt wird. Mittels des variablen Hubanschlags ist der maximale Hub des Ventilelements begrenzbar, so dass hierüber die Befüllung des Arbeitsraums mit Kraftstoff steuerbar ist. Der effektive freigegebene Öffnungsquerschnitt korreliert dabei direkt mit der Fördermenge. Eine Kraftstoffpumpe, umfassend ein passives Saug- bzw. Einlassventil mit variablem Hubanschlag, geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2006 013 703 A1 hervor. Zur Einstellung des Hubanschlags umfasst diese Kraftstoffpumpe ferner eine elektromagnetische oder hydraulische Betätigungseinrichtung.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Konzepte erfordern demnach stets eine aufwendige Aktorik, um die hohen Anforderungen an die Stellgenauigkeit, insbesondere in Zusammenhang mit der Darstellung von Kleinstfördermengen, zu erfüllen. Sie sind demzufolge vergleichsweise kostenintensiv in der Umsetzung.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzventil anzugeben, deren Fördermenge steuerbar ist und die zudem einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Hochdruckpumpe umfasst ein in einer Gehäusebohrung eingesetztes Saugventil zur Befüllung eines Arbeitsraums der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff. Das Saugventil besitzt ein in einer Axialbohrung eines Ventilkörpers hubbeweglich aufgenommenes Ventilelement, das in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Erfindungsgemäß besitzt die Hochdruckpumpe zur Steuerung der Fördermenge eine einstellbare Durchflussbegrenzungseinrichtung, die eine in die Gehäusebohrung oder in das Saugventil eingesetzte, hub- und/oder drehbewegliche Hülse oder Lochblende umfasst. Der Einsatz einer einstellbaren Durchflussbegrenzungseinrichtung zur Steuerung der Fördermenge der Hochdruckpumpe ermöglicht den Einbau eines einfachen passiven Saugventils, das druckgesteuert ist und demzufolge keine aufwendige Aktorik benötigt. Zwar sind Mittel vorzusehen, welche die Einstellung der Durchflussbegrenzungseinrichtung ermöglichen, diese können jedoch verhältnismäßig einfach ausgestaltet sein. Denn es gilt lediglich eine Hub- und/oder Drehbewegung einer hub- und/oder drehbeweglichen Hülse bzw. Lochblende der Durchflussbegrenzungseinrichtung zu bewirken, um die Einstellung vorzunehmen. Darüber hinaus kommt eine entsprechende Aktorik – im Unterschied zur Aktorik eines elektromagnetisch ansteuerbaren Saugventils – ohne leistungsintensive Endstufe aus. Die vorgeschlagene Hochdruckpumpe ist demzufolge einfach und kostengünstig herstellbar.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe ist darin zu sehen, dass die aktuelle Kurbelwinkelposition einer die Hochdruckpumpe antreibenden Welle für die Steuerung des Saugventils unerheblich ist, da dieses als passives Ventil ausgelegt ist. Da keine kurbelwellensynchrone Verstellung vorgenommen werden muss, sind ferner die Anforderungen im Hinblick auf die Dynamik des Ventils geringer.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Hülse oder Lochblende koaxial in Bezug auf eine Längsachse A der im Ventilkörper des Saugventils ausgebildeten Axialbohrung angeordnet. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die Hülse oder Lochblende den Ventilkörper des Saugventils zumindest teilweise umgibt. Diese Maßnahmen – allein oder in Kombination – fördern eine kompakte Anordnung sowie das Zusammenwirken von Durchflussbegrenzungseinrichtung und Saugventil.
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Beispielweise kann die Durchflussbegrenzungseinrichtung eine Hülse umfassen, die wenigstens eine Steuerkante besitzt, die mit einer im Ventilkörper des Saugventils ausgebildeten Zulaufbohrung durchflussbegrenzend zusammenwirkt. Als Steuerkante kann eine ringförmige Stirnfläche der Hülse dienen, die vorzugsweise mit einer als Radialbohrung im Ventilkörper ausgebildeten Zulaufbohrung in der Weise zusammenwirkt, dass bei einer Hubbewegung der den Ventilkörper umgebenden Hülse ein Öffnungsquerschnitt der Zulaufbohrung vollständig oder nur teilweise freigegeben wird. Bei vollständiger Freigabe ist der Durchfluss maximal, während er bei teilweiser Freigabe begrenzt bzw. gedrosselt ist. Die Funktion der Hülse gleicht demnach der eines Drosselschiebers. Dabei kann die Hülse sehr einfach ausgebildet sein. Gleiches gilt für die Mittel, die erforderlich sind, um die Hubbewegung der Hülse zu bewirken.
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Alternativ oder ergänzend kann die Hülse drehbeweglich sein, um mit der Zulaufbohrung durchflussbegrenzend zusammenzuwirken. Das heißt, dass die Durchflussbegrenzung entweder allein durch eine Hub- oder Drehbewegung der Hülse oder durch eine kombinierte Hub- und Drehbewegung der Hülse bewirkt wird. Sofern die Hülse drehbeweglich ist, kann sie als Drehdrossel ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Steuerkante einen schrägen Verlauf besitzt und/oder als Kurve ausgeführt ist. Der Öffnungsquerschnitt der Zulaufbohrung ist in diesem Fall allein über eine Drehbewegung der Hülse veränderbar. Ferner kann ein linearer oder nicht linearer Verlauf der Änderung des Öffnungsquerschnitts bewirkt werden.
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Die Durchflussbegrenzungseinrichtung kann aber auch eine mit dem Saugventil zusammenwirkende Lochblende umfassen, die wenigstens eine Durchströmöffnung besitzt, die durch eine Hub- und/oder Drehbewegung der Lochblende in Überdeckung mit einer im Ventilkörper des Saugventils ausgebildeten Zulaufbohrung bringbar ist. Die wenigstens eine Durchströmöffnung kann jede beliebige Form aufweisen. Beispielsweise kann die Durchströmöffnung schlitzförmig sein, wobei vorzugsweise der Schlitz über den Umfang der Lochblende einen sich verändernden freien Strömungsquerschnitt besitzt. In Abhängigkeit von der konkreten Ausgestaltung der wenigstens einen Durchströmöffnung kann wiederum ein linearer oder nicht linearer Verlauf der Änderung des Öffnungsquerschnitts der Zulaufbohrung bewirkt werden.
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Weiterhin bevorzugt umfasst die Durchflussbegrenzungseinrichtung eine Stellaktorik, mittels welcher die Durchflussbegrenzungseinrichtung – vorzugsweise stufenlos – einstellbar ist. Die Stellaktorik kann vergleichsweise einfach aufgebaut sein, da sie lediglich eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung der Hülse bzw. Lochblende zu bewirken hat. Sofern lediglich eine translatorische Bewegung der Hülse bzw. Lochblende gefordert ist, kann diese beispielsweise durch einen Motor in Verbindung mit einer (selbsthemmenden) Gewindespindel erreicht werden. In der Ausführung als selbsthemmender Stellantrieb besitzt die Stellaktorik einen besonders niedrigen elektrischen Energiebedarf. Eine Drehbewegung der Hülse bzw. Lochblende wird vorzugsweise über einen Drehsteller, beispielsweise über einen rotatorischen Schwenkantrieb, erreicht. Als Aktor für eine rotatorische Bewegung der Hülse oder Lochblende kann insbesondere ein Piezo-Wanderwellenmotor eingesetzt werden. Über den Drehsteller kann die Winkellage der Hülse oder Lochblende in Bezug auf den Ventilkörper verstellt werden, wobei für vorgegebene Winkellagen ein bestimmter Öffnungsquerschnitt der Zulaufbohrung definiert ist.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Stellaktorik der Durchflussbegrenzungseinrichtung pulsweitenmoduliert ansteuerbar ist. Sowohl eine Stellaktorik zur Bewirkung einer translatorischen, als auch eine Stellaktorik zur Bewirkung einer rotatorischen Bewegung der Hülse oder Lochblende, ist pulsweitenmoduliert ansteuerbar, so dass eine solche unabhängig von der gewählten Stellaktorik ist. Bei einem entsprechenden Ansteuersignal kann mittels einer pulsweitenmodulierten Ansteuerung eine kontinuierliche translatorische und/oder rotatorische Bewegung der Hülse bzw. Lochblende bewirkt werden, um diese in eine Position zu bringen, die mit einem definierten effektiven Strömungsquerschnitt und demzufolge mit einer definierten Fördermenge der Hochdruckpumpe korreliert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Stellaktorik eine Magnetspule und einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden Anker. Die translatorische und/oder rotatorische Bewegung der Hülse oder Lochblende wird in diesem Fall elektromagnetisch bewirkt. Dabei ist vorzugsweise der Anker mit der Hülse oder der Lochblende fest verbunden, um über die Bewegung des Ankers die Bewegung der Hülse bzw. Lochblende zu erzeugen. Vorzugsweise ist der Anker als hubbeweglicher Tauch- oder Flachanker ausgeführt und wirkt mit einer ringförmigen Magnetspule in der Weise zusammen, dass der Anker bei einer Bestromung der Magnetspule in Richtung der Magnetspule gezogen wird und dabei die Hülse bzw. Lochblende mitführt. In der Ausführung mit einem hubbeweglichen Anker kann die Stellaktorik besonders einfach und damit kostengünstig ausgeführt werden. Die Ausbildung des Ankers als Tauchanker besitzt dabei den Vorteil, dass ein größerer Ankerweg zur Verstellung der Hülse bzw. der Lochblende und damit zur Veränderung des Strömungsquerschnitts zur Verfügung steht. Auf diese Weise können Fertigungstoleranzen besser ausgeglichen (Kostenvorteil) und die Genauigkeit der Steuerung der Fördermenge erhöht werden (Funktionsvorteil).
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Insbesondere in Kombination mit einer elektromagnetischen Stellaktorik ist es von Vorteil, wenn die hub- und/oder drehbewegliche Hülse oder Lochblende zusätzlich von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Denn über die Federkraft der Feder kann eine Rückstellung der Hülse oder Lochblende bewirkt werden, wenn die Bestromung der Magnetspule beendet wird.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Ventilkörper im Bereich einer Zulaufbohrung wenigstens eine mit der Durchflussbegrenzungseinrichtung zusammenwirkende Strömungsgeometrie in Form eines Anschliffs, eines Schlitzes, einer Bohrung oder dergleichen besitzt. Durch die Konturierung der äußeren Geometrie des Ventilkörpers kann ebenfalls der Strömungsquerschnitt beeinflusst werden, der bei einer Bewegung der den Ventilkörper umgebenden Hülse bzw. Lochblende freigegeben wird.
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Alternativ oder ergänzend kann die Zulaufbohrung des Saugventils zumindest abschnittsweise einen von der Kreisform abweichenden Strömungsquerschnitt besitzen. Beispielsweise kann die Zulaufbohrung – zumindest im Bereich ihres Austritts aus dem Ventilkörper – einen dreieckigen, trapezförmigen oder ovalen Strömungsquerschnitt besitzen. In Abhängigkeit von dem jeweils gewählten Strömungsquerschnitt der Zulaufbohrung kann in Verbindung mit einer Hubund/oder Drehbewegung der Hülse bzw. Lochblende wiederum ein linearer oder nicht linearer Verlauf der Querschnittsänderung bewirkt werden. Ferner kann eine hohe Genauigkeit der Mengenregelung selbst bei der Förderung von Kleinstmengen erreicht werden. Hierzu ist die Zulaufbohrung derart auszulegen, dass eine translatorische und/oder rotatorische Bewegung der Hülse bzw. Lochblende nur eine geringe Änderung des Strömungsquerschnitts zur Folge hat (Funktionsvorteil einer hohen Regelgenauigkeit).
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Hochdruckpumpe gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform im Bereich des Saugventils,
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2 einen schematischen Teillängsschnitt durch ein Saugventil einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
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3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Saugventil einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Hochdruckpumpe umfasst ein Gehäuseteil 18 mit einer zylinderförmigen Gehäusebohrung 1, in die ein Saugventil 2 zur Befüllung eines Arbeitsraums 3 der Hochdruckpumpe mit Kraftstoff eingesetzt ist. Die Befüllung des Arbeitsraums 3 mit Kraftstoff erfolgt im Saugbetrieb der Hochdruckpumpe bzw. während des Saughubs eines im Gehäuseteil 18 hubbeweglich aufgenommenen Pumpenkolbens 19, der den Arbeitsraum 3 in axialer Richtung begrenzt. Der Saughub des Pumpenkolbens 19 bewirkt im Arbeitsraum 3 einen Unterdruck, der zum Öffnen des Saugventils 2 führt. Im Förderbetrieb der Hochdruckpumpe bzw. während des Förderhubs des Pumpenkolbens 19 schließt das Saugventil 2, wobei der im Arbeitsraum 3 vorhandene Kraftstoff auf Hochdruck gefördert wird. Bei dem Saugventil 2 handelt es sich demnach um ein passives, druckgesteuertes Saugventil.
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Das Saugventil 2 der Hochdruckpumpe der 1 besitzt einen Ventilkörper 5, über den das Saugventil 2 an einem Absatz der Gehäusebohrung 1 abgestützt ist. Mittels einer in die Gehäusebohrung 1 eingesetzten Verschlussschraube 20 wird der Ventilkörper 5 gegen den Absatz axial vorgespannt. Der Ventilkörper 5 weist eine Axialbohrung 4 auf, in der ein Ventilelement 6 hubbeweglich aufgenommen ist, das in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder 7 beaufschlagt ist. Die Feder 7 ist einerseits am Ventilkörper 5, andererseits mittelbar über einen Federteller 21 an dem Ventilelement 6 abgestützt.
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Zur Steuerung der Fördermenge weist die Hochdruckpumpe der 1 ferner eine Durchflussbegrenzungseinrichtung 8 auf, die vorliegend eine hubbewegliche Hülse 9 sowie eine Stellaktorik 14 in Form einer Magnetspule 15 umfasst. Die Hülse 9 bildet zugleich einen mit der Magnetspule 15 zusammenwirkenden Anker 16 aus, so dass bei einer Bestromung der Magnetspule 15 die Hülse 9 gegen die Federkraft einer rückstellenden Feder 22 in Richtung der Magnetspule 15 gezogen wird. Die Hülse 9 ist derart angeordnet, dass sie den Ventilkörper 5 im Bereich mehrerer als Radialbohrungen ausgebildeter Zulaufbohrungen 12 umgibt, die in die Axialbohrung 4 münden. In Abhängigkeit von der axialen Lage der Hülse 9 wird demnach ein bestimmter Öffnungsquerschnitt freigegeben, der die Kraftstoffmenge bestimmt, die über die Zulaufbohrungen 12 und die Axialbohrung 4 in den Arbeitsraum 3 der Hochdruckpumpe gelangt. Eine ringförmige Stirnfläche der Hülse 9 dient dabei als Steuerkante 11. Die axiale Lage der Hülse 9 bestimmt sich nach der Stärke des Magnetfelds, das sich im Material ausbildet, das die Magnetspule 15 umgibt. Als vorteilhaft erweist sich dabei, dass sich die Strömungsrichtung des Kraftstoffs quer zur Bewegungsrichtung der Hülse 9 verläuft und somit auftretende Druckunterschiede von den Axialkräften weitgehend entkoppelt sind.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der 2 dargestellt. Sie zeigt ein in ein Gehäuseteil 18 einer Hochdruckpumpe eingesetztes Saugventil 2, das sich von dem der Hochdruckpumpe der 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass die Durchflussbegrenzungseinrichtung 8 nicht in das Saugventil 2 integriert, sondern unmittelbar in die Gehäusebohrung 1 der Hochdruckpumpe eingesetzt ist. Die Durchflussbegrenzungseinrichtung 8 umfasst wiederum eine Hülse 9 und eine elektromagnetische Stellaktorik 14 in Form einer Magnetspule 15. Die Magnetspule 15 ist an einem Absatz der Gehäusebohrung 1 abgestützt und wird von der Verschlussschraube 20 in Position gehalten. Die Hülse 9 bildet in ihrem oberen Teil einen Anker 16 aus, der mit der Magnetspule 15 zusammenwirkt. Bei einer Bestromung der Magnetspule 15 bewegt sich der Anker 16 bzw. die Hülse 9 in Richtung der Magnetspule 15 und gibt in Abhängigkeit von der Magnetkraft einen bestimmten Strömungsquerschnitt in einem Zulaufbereich der Hochdruckpumpe frei, der den Zulaufbohrungen 12 vorgelagert ist. Die ringförmige Stirnfläche der Hülse 9 dient dabei als Steuerkante 11. Die Strömungsrichtung des Kraftstoffs verläuft auch hier quer zur Bewegungsrichtung der Hülse 9, wobei der innerhalb der Hülse 9 angeordnete Ventilkörper 5 eine Umlenkung des Kraftstoffstroms bewirkt (siehe Pfeile in der 2). Eine außenumfangsseitig am Ventilkörper 5 ausgebildete Strömungsgeometrie 17 wirkt dabei drosselbildend mit der Hülse 9 zusammen. Die Strömungsgeometrie 17 ist dergestalt, dass mit zunehmendem Hub der Hülse 9 der Drosselquerschnitt vergrößert wird.
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In der 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Durchflussbegrenzungseinrichtung 8 umfasst hier eine drehbeweglich in einer Gehäusebohrung 1 einer Hochdruckpumpe aufgenommene Lochblende 10, die den Ventilkörper 5 des Saugventils 2 umgibt, sowie eine nicht näher dargestellte Stellaktorik 14 in Form eines Drehstellers, um die Drehbewegung der Lochblende 10 zu bewirken. Die Lochblende 10 weist im Bereich der als Radialbohrungen ausgebildeten Zulaufbohrungen 12 des Saugventils 2 Durchströmöffnungen 13 auf, die schlitzartig ausgebildet sind. Die schlitzartigen Durchströmöffnungen 13 sind dergestalt, dass in Abhängigkeit von der jeweiligen Winkellage der Lochblende 10 ein bestimmter Strömungsquerschnitt freigegeben wird. Dabei wirkt die Lochblende 10 mit dem Ventilkörper 5 zusammen.
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Die in den 1 bis 3 beispielhaft dargestellten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe machen deutlich, dass die vorgeschlagene Durchflussbegrenzungseinrichtung 8 sehr einfach ausgestaltet sein kann und keine aufwendige Stellaktorik 14 benötigt. Ferner kann sie mit einem einfach aufgebauten, passiven Saugventil kombiniert werden. Auf diese Weise wird eine besonders kostengünstige und energiesparende Lösung zur Steuerung der Fördermenge der Hochdruckpumpe geschaffen, die zudem präzise und robust ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006013703 A1 [0005]
