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Die Erfindung betrifft eine Druckdämpfungseinrichtung für eine Fluidpumpe, insbesondere für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Bei Kraftstoffeinspritzsystemen werden Hochdruckpumpen als Fluidpumpen eingesetzt, die Kraftstoff auf einen hohen Druck komprimieren und in einen Hochdruckspeicher fördern. Der Druck im Hochdruckspeicher dient als Einspritzdruck, mit dem der Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Um Druckschwankungen in einer Niederdruckleitung, über die der Kraftstoff zur Hochdruckpumpe zugeführt wird, zu dämpfen, sind Druckdämpfungseinrichtungen vorgesehen.
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Als Druckdämpfungseinrichtungen kommen beispielsweise Membrandämpfer zum Einsatz. In der Regel bilden Membrandämpfer eigenständige Komponenten, die an die Hochdruckpumpe angebaut werden. Ein an der Hochdruckpumpe angebauter Membrandämpfer ist beispielsweise aus dem Dokument
DE 10345725 A1 bekannt. Der Membrandämpfer ist dabei in einem Fluidraum untergebracht, der sich zwischen einer planen Stirnfläche eines Gehäuses der Hochdruckpumpe und einem Gehäusedeckel ausbildet. Durch den Fluidraum wird der Kraftstoff niederdruckseitig zum Einlassventil der Hochdruckpumpe geleitet, so dass die von der Hochdruckpumpe ausgehenden Druckpulsationen in Richtung Niederdruckkreis gedämpft werden.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Druckdämpfungseinrichtung für eine Fluidpumpe, insbesondere für eine Hochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsysteme anzugeben, die einfach aufgebaut ist und nur geringen Bauraum erfordert.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Druckdämpfungseinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Durch die Ausbildung einer Vertiefung im Gehäuse der Fluidpumpe ist es möglich, dass sich das mindestens eine Dämpfungselement mit nur geringen Änderungen an der Fluidpumpe in das Gehäuse der Fluidpumpe versenken lässt. Dadurch lässt sich eine kompakte Fluidpumpe mit integrierter Druckdämpfungseinrichtung schaffen, die nur einen geringen Bauraum erfordert. Mittels der Druckdämpfungseinrichtung wird den Druckpulsationen im Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems entgegengewirkt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen gehen aus den Merkmalen der Unteransprüche hervor.
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Ein vollständiges Versenken des Dämpfungselements in die am Gehäuse ausgebildete Vertiefung ist möglich, wenn die Vertiefung am Gehäuse von einer im Wesentlichen planen Stirnfläche umgeben ist und wenn der Gehäusedeckel als eine im Wesentlichen ebene Platte ausgeführt ist, welche auf der Stirnfläche mit dem Gehäuse befestigt ist, so dass der Gehäusedeckel die Vertiefung abdeckt. Die Vertiefung ist vorzugsweise zylindrisch ausgeführt und weist eine Zylinderwand und eine im Wesentlichen ebene Bodenfläche auf. Das Dämpfungselement wird mittels einer Vorspanneinrichtung zwischen dem Gehäusedeckel und der Bodenfläche in der Vertiefung gehalten bzw. verspannt.
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Zum Positionieren des Dämpfungselements in der Vertiefung ist ein gehäuseseitiges Stützelement vorgesehen, das mit einer Grundfläche flach auf der Bodenfläche positioniert ist und auf dessen gegenüberliegender Auflagefläche das Dämpfungselement mit dem Rand zentriert aufliegt. Das gehäuseseitige Stützelement kann dabei selbst federnd ausgebildet sein und die Funktion der Vorspanneinrichtung übernehmen.
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Der Gehäusedeckel ist mit mindestens einem in die Vertiefung weisenden deckelseitigen Stützelement ausgeführt, mit welcher das Dämpfungselement auf dem Stützring arretiert ist. Gemäß einer ersten Ausführungsform drückt zum Aufbringen der Vorspannkraft das deckelseitige Stützelement mittels einer Stirnfläche auf einen am Dämpfungselement ausgebildeten Rand.
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Eine wirkungsvolle Dämpfung von Druckpulsationen wird erreicht, wenn zwei übereinander angeordnete Dämpfungselemente eingesetzt werden, wobei ein deckelseitiges Dämpfungselement gegen den Gehäusedeckel und ein gehäuseseitiges Dämpfungselement gegen das Gehäuse mittels einer Vorspanneinrichtung verspannt ist. Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, wenn das deckelseitige Dämpfungselement gegen das deckelseitige Stützelement und das gehäuseseitige Dämpfungselement gegen das gehäuseseitige Stützelement mittels einer gewölbten Spiralfeder verspannt ist, wobei sich die gewölbte Spiralfeder mit dem größten Außendurchmesser an einem Innendurchmesser der Vertiefung selbst zentriert.
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Zum Anströmen des Dämpfungselements mit Kraftstoff sind am deckelseitigen Stützelement und/oder am gehäuseseitigen Stützelement jeweils Strömungsöffnungen vorhanden, durch die der Kraftstoff das Dämpfungselement anströmen kann.
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Zur Anströmung des mindestens einen Dämpfungselements ist weiterhin in der Zylinderwand der Vertiefung mindestens eine Anströmöffnung vorgesehen, die mit dem Zulaufkanal hydraulisch verbunden ist. Dadurch erfolgt einen radial Ausrichtung der Anströmung des mindestens einen Dämpfungselements innerhalb der Vertiefung, so dass die Druckpulsationswellen über alle Wirkflächen des Dämpfungselements verteilt verlaufen. Zweckmäßigerweise sind mindestens drei über den Umfang der Zylinderwand gleichmäßig verteilte Anströmöffnungen vorhanden.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Teilschnitt einer Fluidpumpe mit einer Druckdämpfungseinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Druckdämpfungseinrichtung aus 1,
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3 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Druckdämpfungseinrichtung aus 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform,
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4 eine perspektivische Teilansicht auf eine Fluidpumpe in Draufsicht mit einem Gehäusedeckel der Druckdämpfungseinrichtung in 3,
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5 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Fluidpumpe mit einer Druckdämpfungseinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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6 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Fluidpumpe mit einer Druckdämpfungseinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
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7 eine perspektivische Draufsicht auf ein Gehäuse einer Fluidpumpe in 6.
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In den 1 bis 6 ist eine Druckdämpfungseinrichtung 20 für eine Fluidpumpe 10 eines Kraftstoffeinspritzsystems dargestellt. In den vorliegenden Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der Fluidpumpe 10 jeweils um eine Hochdruckpumpe des Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine. Die Hochdruckpumpe 10 weist ein Gehäuse 11 mit einer planen Stirnfläche 12 und mit mindestens einem Zulaufkanal 13 auf. Über den Zulaufkanal 13 wird der Kraftstoff einem im Gehäuse 11 angeordneten und nicht dargestellten Pumpenarbeitsraum beispielsweise über ein Einlassventil zugeführt. Im Pumpenarbeitsraum wird der Kraftstoff mittels eines ebenfalls nicht dargestellten Pumpenkolbens komprimiert. Der komprimierte Kraftstoff wird über einen nicht dargestellten Auslass in einen Hochdruckspeicher des Kraftstoffeinspritzsystems gepumpt. Das Gehäuse 11 ist an einen nicht dargestellten Motorblock der Brennkraftmaschine anschraubbar.
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Die Druckdämpfungseinrichtung 20 umfasst mindestens ein Dämpfungselement 30, einen Fluidraum 15 zur Aufnahme des mindestens einen Dämpfungselements 30 und einen Gehäusedeckel 21, mit dem der Fluidraum 15 an einer Seite begrenzt ist. Als Dämpfungselemente 30 werden bei den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils Membrandosen eingesetzt. Die Membrandosen 30 sind rotationssymmetrisch aufgebaut und weisen jeweils einen Rand 31 auf.
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Der Fluidraum 15 ist einlassseitig an eine mit einem Pfeil dargestellte niederdruckseitige Zulaufleitung 19 des Kraftstoffeinspritzsystems hydraulisch angeschlossen. Durch den Fluidraum 15 wird der Kraftstoff niederdruckseitig über den Zulaufkanal 13 und dem nicht dargestellten Einlassventil dem Pumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe zugeführt, wobei die von der Hochdruckpumpe ausgehenden Druckpulsationen zurück in den Fluidraum 15 und dadurch in Richtung Niederdruckkreis wirken. Mittels der Druckdämpfungseinrichtung 20 wird den Druckpulsationen im Fluidraum 15 und damit im Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems entgegengewirkt. Dadurch wird die Funktion des Kraftstoffeinspritzsystems verbessert.
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Das Gehäuse 11 der Hochdruckpumpe 10 ist mit einer vorzugsweise zylindrischen Vertiefung 14 versehen, welche außen von der planen Stirnfläche 12 umgeben ist. Die zylindrische Vertiefung 14 weist eine umlaufende Zylinderwand 16 und eine im Wesentlichen ebene Bodenfläche 17 auf. Die Vertiefung 14 bildet eine Begrenzung des Fluidraumes 15 innerhalb des Gehäuses 11 der Hochdruckpumpe 10. Der Zulaufkanal 13 mündet beim Ausführungsbeispiel in 1 über eine Zulauföffnung an der Bodenfläche 17 in den Fluidraum 15.
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In der Vertiefung 14 ist das mindestens eine Dämpfungselement 30 zur Dämpfung von hydraulischen Druckpulsationen untergebracht. Zur Begrenzung des Fluidraumes 15 ist die Vertiefung 14 an ihrer offenen Seite mit dem Gehäusedeckel 21 abgedeckt. Damit ist der Fluidraum 15 von der Vertiefung 14 und dem Gehäusedeckel 20 begrenzt. Das mindestens eine Dämpfungselement 30 ist mittels einer Vorspanneinrichtung zwischen dem Gehäusedeckel 21 und der Bodenfläche 17 in der Vertiefung 14 gehalten bzw. verspannt.
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Der Gehäusedeckel 21, der vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt ist, ist als eine im Wesentlichen ebene Platte 22 ausgeführt. Der Gehäusedeckel 21 ist mit der ebenen Platte 22 an der planen Stirnfläche 12 des Gehäuses 11 fluidisch dicht mittels beispielsweise vier Befestigungsschrauben 40 verschraubt.
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Beim Ausführungsbeispiel in 1 und 2 ist die ebene Platte 22 mit einem in die zylindrische Vertiefung 14 passenden ringförmigen Bund 23 versehen. Am ringförmigen Bund 23 ist ein nicht näher dargestellter Dichtring eingelassen, welcher beim Ausführungsbeispiel in 1 den Gehäusedeckel 21 hydraulisch an der Zylinderwand 16 abdichtet. Es ist aber auch möglich die Abdichtung axial zwischen dem Gehäuse 11 und dem Gehäusedeckel 21 mittels eines Dichtelements zwischen der Unterseite der Platte 22 und der Stirnfläche 12 vorzunehmen. Denkbar ist ebenfalls, die Abdichtung sowohl radial als auch axial vorzunehmen. Es ist aber genauso denkbar, zur Abdichtung einen elastischen Dichtbereich beispielsweise mittels eines 2K-Spritzgussverfahrens (z.B. ein Formdichtring) an den Gehäusedeckel 21 anzuspritzen, was die spätere Komplettierung und Montage vereinfacht. An der Platte 22 des Gehäusedeckels 21 ist weiterhin ein nach außen weisender Anschlussstutzen 41 für den Kraftstoffzulauf angeformt.
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Der Gehäusedeckel 21 weist in die Vertiefung 14 weisende deckelseitige Stützelemente 24 mit Stützflächen auf, die an der Innenseite an die Platte 22 angeformt sind. Zwischen den deckelseitigen Stützelementen 24 befinden sich Lücken, die erste Strömungsöffnungen 25 bilden, durch die der Kraftstoff in Richtung des Dämpfungselements 30 strömen kann.
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In der Vertiefung 14 ist weiterhin ein gehäuseseitiges Stützelement in Form eines Stützrings 32 mit einer Auflagefläche 33 und einer Grundfläche 34 angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel in 1 und 2 ist das Dämpfungselement 30 mit dem umlaufenden Rand 31 auf der Auflagefläche 33 des Stützrings 32 positioniert. Der Stützring 32 liegt weiterhin mit der Grundfläche 34 flach auf der Bodenfläche 17 der Vertiefung 14 auf. Dadurch wird die Membrandose in der Vertiefung 14 radial zentriert positioniert. Der Stützring 23 weist gemäß 2 um den Umfang verteilte zweite Strömungsöffnungen 35 auf. Die zweiten Strömungsöffnungen 35 im Stützring 32 dienen dazu, dass der Kraftstoff die Unterseite des Dämpfungselements 30 anströmen kann.
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Beim Ausführungsbeispiel in 1 und 2 wird die Vorspanneinrichtung vom Stützring 32 selbst gebildet, der als Federring aus dünnwandigem Metall ausgeführt ist. Als Vorspanneinrichtung können aber auch eine oder mehrere Spiralfedern eingesetzt werden, die zwischen Dämpfungselement 30 und Stützring 32 und/oder zwischen Dämpfungselement 30 und Gehäusedeckel 21 angeordnet sein können.
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Beim Verschrauben des Gehäusedeckels 21 an der Stirnfläche 12 drücken beim Ausführungsbeispiel in 1 und 2 die Stützelemente 24 mit den Stirnflächen in axialer Richtung auf den Rand 31 des Dämpfungselements 30, wodurch das Dämpfungselement 30 auf die Auflagefläche 33 des Stützrings 32 gedrückt wird. Der als Federring wirkende Stützring 32 übernimmt die Wirkung der Vorspanneinrichtung und das Dämpfungselement 30 wird dadurch im Fluidraum 15 arretiert.
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3 stellt eine modifizierte Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels dar. Hierbei ist der Stützring 32 massiv ausgeführt und die Vorspanneinrichtung wird von einer Spiralfeder 26 übernommen. Dazu ist der Stützring 32 mit axial erstreckenden Stützsegmenten 38 ausgeführt, die an ihren Stirnflächen jeweils die Auflageflächen 33 ausbilden. Die Lücken zwischen den Stützsegmenten 38 bilden die zweiten Strömungsöffnungen 35 am Stützring 32.
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Bei den weiteren Ausführungsbeispielen in 5 und 6 weist die Dämpfungseinrichtung 20 zwei Dämpfungselemente 30 jeweils in Form von Membrandosen auf, nämlich ein deckelseitiges Dämpfungselement 30.1 und ein gehäuseseitiges Dämpfungselement 30.2. Das gehäuseseitige Dämpfungselement 30.2 liegt auf dem Stützring 32 auf. Hierbei ist der Stützring 32, wie bei der Ausführungsform in 3, mit den axial erstreckenden Stützsegmenten 38 und den zwischen den Lücken vorhandenen zweiten Strömungsöffnungen 35 ausgeführt.
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Beim Ausführungsbeispiel in 6 ist das an der Platte 22 angeformte deckelseitige Stützelement 24 als ein sich in die Vertiefung 14 erstreckender deckelseitiger Stützring 27 mit einer geschlossenen Ringfläche 29 ausgeführt. In der Umfangswand des deckelseitigen Stützrings 27 sind gleichmäßig um den Umfang verteilte radiale Bohrungen 28 eingebracht, wobei die radialen Bohrungen 28 die ersten Strömungsöffnungen 25 bilden, die bereits im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel in 1 und 2 erwähnt wurden. Durch die ersten Strömungsöffnungen 25 wird das erste Dämpfungselement 30.1 an der oberen Seite optimal vom Kraftstoff umspült.
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Als Vorspanneinrichtung zum Verspannen der beiden Dämpfungselemente 30.1 und 30.2 innerhalb der Vertiefung 14 dient in 5 und 6 als Federelement eine gewölbte Spiralfeder 37, wobei der größte Außendurchmesser an den Innendurchmesser der Vertiefung 14 angepasst ist, wie 6 näher zu entnehmen ist. Dadurch zentriert sich die Spiralfeder 37 in der Vertiefung 14 und drückt mit den gegenüberliegenden Stirnseiten den Rand 31 des ersten Dämpfungselements 30.1 an die Ringfläche 29 des gehäuseseitigen Stützrings 27 des Gehäusedeckels 21. Der Rand 31 des zweiten Dämpfungselements 30.2 wird mittels der Spiralfeder 37 auf die Auflageflächen 33 der Stützsegmente 38 gedrückt.
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Die Anströmung der Dämpfungselemente 30.1 und 30.2 geschieht bei den Ausführungsbeispielen in 5, 6 und 7 radial, damit die Pulsationswellen optimal über alle Wirkflächen des mindestens einen Dämpfungselements 30 verteilt werden. Als Anströmrichtung ist hierbei nicht die Fließrichtung des Kraftstoffs gemeint, sondern die Richtung der Druckpulsationen, die von dem Pumpenarbeitsraum der Hochdruckpumpe 10 ausgehen und zurück in den Fluidraum 15 wirken. Dazu ist bei den Ausführungsbeispielen in 5, 6 und 7 in der Zylinderwand 16 mindestens eine Zulauföffnung 45 vorgesehen, die mit dem Zulaufkanal 13 hydraulisch in Verbindung steht. Fertigungstechnisch kann der Zulaufkanal 13 abgewinkelt, beispielsweise durch eine zweistufige Bohrung (vgl. 5) oder durch Sandkernanpassung realisiert werden.
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Eine noch bessere Umströmung der Dämpfungselemente 30.1, 30.2 wird erreicht, wenn die Dämpfungselemente 30.1, 30.2 beispielsweise jeweils von drei Seiten angeströmt werden. Dazu sind gemäß 7 in der Zylinderwand 16 der Vertiefung 14 drei gleichmäßig über den Umfang verteilte Zulauföffnungen 45 vorgesehen, von denen in 6 aufgrund der perspektivischen Darstellung lediglich zwei zu sehen sind. Dadurch wird eine optimale Druckbeaufschlagung des mindestens einen Dämpfungselements 30 gewährleistet.
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Die Ausführungsbeispiele in den 3, 4, 5 und 6 zeichnen sich weiterhin dadurch aus, dass neben dem ersten Anschlussstutzen 41 für die Zulaufleitung 19 ein zweiter Anschlussstutzen 42 für eine Rücklaufleitung und ein dritter Anschlussstutzen 43 zum Einsetzen beispielsweise einer Sensoreinrichtung angeformt sind. Der angeformte Anschlussstutzen 42 für die Rücklaufleitung kann so gestaltet sein, dass eine Kombinationsmöglichkeit mit einem Rückschlagventil gegeben ist, wodurch Zerspanungsaufwand am Gehäusekörper 11 des Pumpengehäuses und eine Dichtstelle eingespart werden können. Die Integration einer Sensoreinrichtung, beispielsweise eines Temperatursensors geschieht mittels Umspritzen einer Gewindebuchse 44, die in den dritten Stutzen 43 eingesetzt ist. Alternativ kann die Sensoreinrichtung auch direkt im dritten Anschlussstutzen 43 umspritzt sein, wodurch die Komplexität des Niederdrucksystems reduziert wird, weil eine Dichtstelle für eine separat untergebrachte Sensoreinrichtung entfällt. Es ist ebenso denkbar, ein Kraftstoffsieb im Gehäusedeckel 21 zu integrieren. Ein dadurch großflächiges Sieb ist wenig empfindlich gegenüber Paraffinversulzung bei niedrigen Temperaturen. Die Abdichtung der Schnittstellen an den angeformten Stutzen 41, 42, 43 erfolgt vorzugsweise axial durch Dichtelemente, wie O-Ringe.
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Der Einsatz der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung 20 ist nicht auf den beschriebenen Anwendungsfall einer Hochdruckpumpe 10 beschränkt. Die erfindungsgemäße Dämpfungseinrichtung 20 kann auch an anderen Funktionseinheiten des Kraftstoffeinspritzsystems angewendet werden, bei denen ein Gehäuse 11 zur Verfügung steht, in dem das mindestens eine Dämpfungselement 30 versenkbar und die Vertiefung 14 mit einem im Wesentlichen flachen Gehäusedeckel 21 verschließbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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