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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstofffördersystem für ein gasbetriebenes Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Förderpumpe.
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Eine Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
EP 2 541 062 A1 bekannt. Die bekannte Förderpumpe dient der Förderung von Kraftstoff aus einem Tankbehälter in Richtung einer Heizeinrichtung des Kraftstofffördersystems. Hierzu weist die bekannte Förderpumpe einen hydraulischen, elektrischen, pneumatischen oder mechanischen Antrieb auf, der auf einen in einem Pumpenraum der Förderpumpe angeordneten, hin- und herbeweglichen Kolben wirkt. Darüber hinaus ist am druckseitigen Ausgang des Pumpenraums der Förderpumpe ein Rückschlagventil angeordnet, das sicherstellt, dass der über den Ausgang bzw. den Druckanschluss in Richtung der Heizeinrichtung bei jedem Arbeitshub durch den Kolben geförderte Kraftstoff anschließend nicht in den Pumpenraum zurückströmen kann. Die bekannte Förderpumpe ist auf eine konstante Förderleistung bzw. auf eine maximale Fördermenge an Kraftstoff ausgelegt, die derart groß ist, dass damit der maximale Bedarf an Gas an einer Brennkraftmaschine abgedeckt werden kann. Wird eine geringere Fördermenge benötigt, so ist eine Anpassung bei der Verwendung eines Elektromotors als Antrieb für die Förderpumpe durch eine Drehzahlreduzierung einfach möglich. Wird ist derartige Förderpumpe jedoch mit einem Verbrennungsmotor bzw. einer Brennkraftmaschine zum Antreiben starr gekoppelt, so hängt die Förderleistung der Förderpumpe von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ab. Dabei gibt es jedoch Betriebszustände, die trotz relativ hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine einen relativ geringen Bedarf an Kraftstoff erfordern, beispielsweise beim Schubbetrieb eines Kraftfahrzeugs.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass auf relativ einfache Art und Weise die Fördermenge der Förderpumpe an den tatsächlichen Kraftstoffbedarf auch bei einer starren Kopplung der Förderpumpe, insbesondere wenn die Förderpumpe mit einer Brennkraftmaschine verbunden ist, angepasst werden kann. Unter einer starren Kopplung wird dabei verstanden, dass eine veränderliche Drehzahl des Antriebs in eine ggf. unter Zwischenschaltung eines Untersetzungsgetriebes entsprechende Drehzahl bzw. Frequenz eines Pumpenelements umgewandelt wird.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, mittels eines elektrisch betätigbaren Ventils die Durchflussmenge am Einlass des Pumpenraums zu beeinflussen. Dadurch ist es möglich, die Menge des in den Pumpenraum bei der Bewegung des Pumpenelements während der Ansaugbewegung einströmenden Kraftstoffs zu steuern. Auch kann ein verzögertes Schließen des als Rückschlagventil wirkenden Ventils ermöglicht werden, um die Fördermenge zu reduzieren bzw. ein zeitlich begrenztes Rückströmen in Richtung der Saugseite zu ermöglichen. Dadurch wird beispielsweise bei einem geringen Bedarf an Kraftstoff die Möglichkeit eröffnet, das Ventil zumindest zeitweise in einer geöffneten Stellung zu belassen. Dies hat zur Folge, dass bei einer Bewegung des Pumpenelements in den Pumpenraum zuvor eingeströmter Kraftstoff wieder zumindest teilweise über den Sauganschluss aus dem Pumpenraum ausgestoßen wird. Die Verwendung eines elektrisch betätigbares Ventils hat insbesondere den Vorteil, dass es mit geringem vorrichtungstechnischem Aufwand realisiert werden kann und schnell bzw. mit einer hohen Taktfrequenz und zuverlässig arbeitet.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Förderpumpe für kryogene Kraftstoffe sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Ein mechanisch besonders einfacher Aufbau eines Pumpenelements und eines Pumpenraums wird ermöglicht, wenn das Pumpenelement als ein entlang einer Längsachse des Pumpenraums zwischen zwei Endpositionen hin- und herbeweglicher Pumpenkolben ausgebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Prinzip der Förderung von Kraftstoff aus dem Pumpenraum ermöglicht es darüber hinaus, den Einlass und den Auslass des Pumpenraums in einem gemeinsamen Teilbereich des Pumpenraums anzuordnen, der außerhalb des Bewegungswegs des Pumpenelements ist. Dadurch ergibt sich eine besonders einfache Abdichtung des Pumpenelements zum Verdichterraum.
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Um sicherzustellen, dass Kraftstoff lediglich dann gefördert wird, wenn ein entsprechender Bedarf der Brennkraftmaschine vorhanden ist, ist es vorgesehen, dass das Ventil ein den Einlass des Pumpenraums verschließendes Schließelement aufweist, das mittels eines Federelements in unbestromtem Zustand des elektrischen Ventils das Schließelement in die den Einlass freigebende Position kraftbeaufschlagt.
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In Weiterbildung des zuletzt genannten Erfindungsgedankens ist es in konstruktiv bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass das Schließelement innerhalb des Pumpenraums in Überdeckung mit dem Einlass angeordnet und über eine Koppelstange in Wirkverbindung mit einem Anker verbunden ist. Dabei sind das Schließelement und die Koppelstange als separate Elemente ausgebildet, d.h. dass zwischen den beiden Bauteilen lediglich ein Anlagekontakt herrscht, derart, dass die Koppelstange das Schließelement lediglich in richtung seiner Öffnungsstellung drücken kann, jedoch nicht aktiv in seine Schließstellung.
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Insbesondere im Zusammenhang mit einem Verdichterelement, das mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportionaler Frequenz angetrieben wird, ist es zur Einstellung der Fördermenge pro Förderhub vorgesehen, dass das elektrisch betätigbare Ventil dazu ausgebildet ist, den Einlass während einer Bewegung des Pumpenelements in Richtung des Einlasses in Öffnungsrichtung zu drücken. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass das Ventil den Einlass während einer Verdichtungsphase bzw. Verdichtungsbewegung des Pumpenelements offen hält, solange dies dessen elektromagnetischer Antrieb ermöglicht. Solange das Ventil den Einlass noch nicht verschlossen hat, ist es möglich, dass Kraftstoff bei einer Bewegung des Pumpenelements in Richtung des Einlasses aus dem Einlass ausströmt und nicht zu dem Druckanschluss bzw. in Richtung einer Heizeinrichtung gelangt. Je früher die Schließbewegung des Ventils einsetzt, desto größer ist daher die pro Förderhub in Richtung des Druckanschlusses der Förderpumpe geförderte Kraftstoffmenge.
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Die Erfindung umfasst auch ein Kraftstofffördersystem für ein gasbetriebenes Fahrzeug unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Förderpumpe. Die Förderpumpe dient dazu, den Kraftstoff auf den erforderlichen Systemdruck zu komprimieren, beispielsweise auf einen Druck des Kraftstoffs, der einige Hundert bar beträgt. Das Kraftstofffördersystem zeichnet sich dadurch aus, dass der Förderpumpe eine Vorförderpumpe vorgeschaltet ist, die den Kraftstoff an dem Sauganschluss der Förderpumpe auf einen Vorförderdruck komprimiert, bei dem der Kraftstoff noch nicht verdampft. Eine derartige Ausbildung des Kraftstofffördersystems hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße (Hochdruck-)Förderpumpe in einem Bereich relativ weit entfernt vom Tankbehälter, zum Beispiel an einer Schnittstelle an der Brennkraftmaschine zum Antrieb der Förderpumpe angeordnet werden kann. Darüber hinaus wird dadurch eine Übertragung der Wärme des Antriebs der Förderpumpe in dem Kraftstoff in dem Tankbehälter reduziert.
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Ein besonders einfacher Antrieb der Förderpumpe wird ermöglicht, wenn das Kraftstofffördersystem eine mechanische Kopplung mit einer Brennkraftmaschine aufweist, die dem Antrieb der Förderpumpe dient.
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Hierbei kann es insbesondere auch vorgesehen sein, dass zur Optimierung der Drehzahl bzw. der Geschwindigkeit des Pumpenelements der Förderpumpe die Kopplung zwischen der Förderpumpe und der Brennkraftmaschine unter Zwischenschaltung eines Getriebes erfolgt, das beispielsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine erhöht oder erniedrigt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 eine vereinfachte Darstellung eines Kraftstofffördersystems für ein gasbetriebenes Fahrzeug und
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2 einen Ausschnitt aus einer Förderpumpe, wie sie bei dem Kraftstofffördersystems der 1 verwendet wird, in vergrößerter Darstellung.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein Kraftstofffördersystem 100 für kryogenen Kraftstoff 1 dargestellt. Bei dem Kraftstoff 1 handelt es sich beispielsweise, und nicht einschränkend, um Erdgas oder Wasserstoff, der in einem Tankbehälter 2 auf eine Temperatur von beispielsweise –110°C oder weniger herabgekühlt ist, damit dieser unterhalb eines Füllpegels 3 in flüssiger Form vorliegt. Oberhalb des Füllpegels 3 liegt der Kraftstoff 1 hingegen in gasförmigem Zustand vor. Der Tankbehälter 2 besteht vorzugsweise aus einem den Kraftstoff 1 aufnehmenden Innentank, der von einer Außenhülle unter Ausbildung eines evakuierten Zwischenraums umschlossen ist. Da ein derartiger Tankbehälter 2 aus dem Stand der Technik an sich bekannt und nicht erfindungswesentlich ist, wird an dieser Stellung auf eine weitergehende Beschreibung des Tankbehälters 2 verzichtet.
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Innerhalb des Tankbehälters 2 ist eine Niederdruckförderpumpe 4 als Vorförderpumpe, vorzugsweise unterhalb des Füllpegels 3, angeordnet. Auch der Antrieb 5 der Niederdruckförderpumpe 4 ist innerhalb des Tankbehälters 2 angeordnet. Auf der Druckseite der Niederdruckförderpumpe 4 sind ein Absperrventil 6 und ein Druckbegrenzungsventil 7 angeordnet. Das Absperrventil 6 ist im stromlosen Zustand geschlossen, und das Druckbegrenzungsventil 7 dient dazu, um bei einem defekten Absperrventil 6 eine Beschädigung der Niederdruckförderpumpe 4 zu verhindern.
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Die Druckseite der Niederdruckförderpumpe 4 fördert den Kraftstoff 1 (bei geöffnetem Absperrventil 6) in eine Versorgungsleitung 8. Räumlich getrennt von dem Tankbehälter 2 ist eine Förderpumpe 10 als Hochdruckförderpumpe angeordnet. Die Förderpumpe 10 wird saugseitig von dem Kraftstoff 1 der Niederdruckförderpumpe 4 versorgt und ist druckseitig an eine insbesondere in Form eines Wärmetauschers ausgebildete Heizeinrichtung 15 angeschlossen, die wiederum auf der der Förderpumpe 10 abgewandten Seite unter Zwischenschaltung eines Pufferspeichers 17 und eines Druckregelventils 18 beispielhaft mit einem Rail 16 verbunden ist. Das Rail 16 ist beispielhaft mit mehreren Gasventilen 20 verbunden, die dazu dienen, den von der Förderpumpe 10 zunächst in die Heizeinrichtung 15 geförderten Kraftstoff, der durch die Heizeinrichtung 15 erwärmt wird, jeweils in den Brennraum einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine einzublasen. Insbesondere ist die Brennkraftmaschine Bestandteil eines gasbetriebenen Fahrzeugs.
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Während der Druck des Kraftstoffs 1 in dem Tankbehälter 2 beispielsweise etwa zwischen 3bar und 15bar beträgt, beträgt der Druck an der Saugseite der Förderpumpe 10, verursacht durch die Druckerhöhung durch die Niederdruckförderpumpe 4, etwa zwischen 10bar und 20bar, während der Druck des Kraftstoffs 1 an der Druckseite der Förderpumpe 10 zum Beispiel bis zu 60bar betragen kann.
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Die Förderpumpe 10 weist eine lediglich symbolisch dargestellte Systemgrenze 21 auf. Der Kraftstoff 1 gelangt über einen Sauganschluss 22 über die Systemgrenze 21 und strömt im Bereich eines Druckanschlusses 23 aus der Systemgrenze 21 in Richtung der Heizeinrichtung 15 aus. Innerhalb der Systemgrenze 21 ist unter Ausbildung eines von Kraftstoff 1 gefüllten Zwischenraums 25 ein Zylinder 26 angeordnet bzw. ausgebildet. Innerhalb des Zylinders 26 ist eine Längsbohrung 27 ausgebildet, in der ein Pumpenelement 28 in Form eines Hochdruckpumpenkolbens 29 in Richtung des Doppelpfeils 31 entlang einer Längsachse der Längsbohrung 37 hin- und herbeweglich angeordnet ist. Der Hochdruckpumpenkolben 29 ist über eine Kolbenstange 32 und ein mit der Kolbenstange 32 verbundenen Pleuel 33 mit einer Kurbelwelle 35 verbunden, die wiederum mit einem beispielhaft außerhalb der Systemgrenze 21 angeordneten Übersetzungsgetriebe 37 mit einem Antrieb 38 gekoppelt ist.
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Bei dem Antrieb 38 handelt es sich insbesondere um die Brennkraftmaschine, deren Kurbelwelle beispielsweise auch zum Antreiben der Kurbelwelle 35 der Förderpumpe 10 dient. Die Kurbelwelle 35 bewirkt zusammen mit dem Pleuel 33, dass die Drehbewegung der Kurbelwelle 35 in Richtung des Pfeils 39 in die angesprochene Hin- und Herbewegung der Kurbelstange 32 bzw. des Hochdruckpumpenkolbens 29 in Richtung des Doppelpfeils 31 übertragen wird.
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Die Längsbohrung 27 bildet innerhalb des Zylinders 26 u.a. einen zylindrischen Pumpenraum 40 aus, der auf der auf der der Kolbenstange 32 abgewandten Seite des Hochdruckpumpenkolbens 29 über eine Längsbohrung 41 Verbindung zu einer Querbohrung 42 hat. Die Querbohrung 42 ist zumindest mittelbar mit dem Sauganschluss 22 verbunden. Die Längsbohrung 41 ist von einer Koppelstange 44 mit radialem Abstand durchsetzt, die innerhalb des Pumpenraums 40 durch Anlagekontakt, d.h. in Wirkverbindung mit einem als von der Koppelstange 44 als separates Bauteil ausgebildeten plattenförmigen Schließelement 45 angeordnet ist. Das als Rückschlagventil wirkende Schließelement 45 ist Bestandteil eines elektrisch betätigbaren Ventils 50. Die Koppelstange 44 ist auf der dem Schließelement 45 abgewandten Seite mit einem Anker 51 verbunden, der mit einer den Anker 51 radial umgebenden Magnetspule 52 zusammenwirkt. Weiterhin ist der Anker 51 in Wirkverbindung mit einer Druckfeder 53 angeordnet, die den Anker 51 und somit auch das Schließelement 45 in Richtung des Hochdruckpumpenkolbens 29 kraftbeaufschlagt.
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Bei bestromter Magnetspule 32 wird der Anker 51 entgegen der Federkraft der Druckfeder 53 in die dem Hochdruckpumpenkolben 29 abgewandte Richtung bewegt, so dass das Schließelement 45 mit seiner Unterseite 56 am Übergangsbereich der Längsbohrung 27 zur Längsbohrung 41 (die einen geringeren Durchmesser aufweist als die Längsbohrung 27) dichtend anliegen kann. Dieses Anliegen bzw. Abdichten kann auch bei unbestromter Magnetspule 32 stattfinden, wenn der in dem Pumpenraum 40 herrschende hydraulische Druck größer ist als die Öffnungskraft der Druckfeder 53 (zusammen mit dem in der Längsbohrung 41 herrschenden hydraulischen Druck). In einem Zustand, in dem die Magnetspule 52 nicht oder mit einer relativ geringen Stromstärke betätigt ist, bewirkt die Druckfeder 53, dass das Schließelement 45 durch Anlagekontakt mit der Koppelstange 44 in Richtung des Hochdruckpumpenkolbens 29 bewegt wird und somit über die Längsbohrung 41 Kraftstoff 1 in den Pumpenraum 40 einströmen kann. Die Längsbohrung 41 bildet somit auf der dem Pumpenraum 40 zugewandten Seite einen Einlass 58 aus. Seitlich neben dem Einlass 58 ist in dem Pumpenraum 40 ein Auslass 59 mit einem Hochdruckventil 60 ausgebildet. Das Hochdruckventil 60 ist als Rückschlagventil ausgebildet und verhindert ein Rückströmen von Kraftstoff 1 in Richtung des Pumpenraums 40. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass das Hochdruckventil 60 erst bei Überschreiten eines bestimmten Mindestdrucks öffnet. Über den Auslass 59 gelangt der Kraftstoff 1 zumindest mittelbar an den Druckanschluss 23. Sowohl der Einlass 58 als auch der Auslass 59 sind in einem Teilbereich 61 des Pumpenraums 40 angeordnet, in den der Hochdruckpumpenkolben 29 bei seiner Hin- und Herbewegung nicht gelangt.
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Die Wirkungsweise des Ventils 50 innerhalb der Förderpumpe 10 wird wie folgt erläutert: Bei nicht betätigtem Ventil 50 bzw. nicht bestromter Magnetspule 52 wird das Schließelement 45 durch die Federkraft der Druckfeder 53 in die den Einlass 58 freigebende Position gedrückt. Dadurch gelangt bei einer (Ansaug-)Bewegung des Hochdruckpumpenkolbens 29 von der in der 1 rechten Seite in die Richtung der linken Seite bis zu dem Umkehrpunkt des Hochdruckpumpenkolbens 29 Kraftstoff 1 über die Längsbohrung 41 in den Pumpenraum 40. Bei der Bewegung des Hochdruckpumpenkolbens 29 von der in der 1 linken Seite in Richtung des Einlasses 58 wird durch die Druckfeder 53 ein Verschließen des Einlasses 58 verhindert, so dass Kraftstoff 1 aus dem Einlass 58 in Richtung des Sauganschlusses 22 rückströmen kann, da gleichzeitig das Hochdruckventil 60 aufgrund der geringen Druckerhöhung noch nicht öffnet. Bei nicht betätigtem Ventil 50 bzw. nicht bestromter Magnetspule 52 wird somit kein Kraftstoff 1 in Richtung des Druckanschlusses 23 bzw. der Heizeinrichtung 15 gefördert.
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Wird hingegen das Ventil 50 bzw. die Magnetspule 52 im Bereich des Umkehrpunkts des Hochdruckpumpenkolbens 29 nach dem Ansaugen von Kraftstoff 1 in den Pumpenraum 40 aktiviert bzw. bestromt, so kann sich das Schließelement 45 entgegen der Federkraft der Druckfeder 53 in seine den Einlass 58 verschließende Position bewegen, so dass es als Rückschlagventil wirkt. Dadurch wird Kraftstoff 1 bei der nachfolgenden Bewegung des Hochdruckpumpenkolbens 29 in Richtung des Einlasses 58 verdichtet und über den Auslass 59 bei geöffnetem Hochdruckventil 60 in Richtung des Druckanschlusses 23 und somit in Richtung der Heizeinrichtung 15 gefördert.
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Eine Betätigung des Ventils 50 im Bereich des dem Einlass 58 abgewandten Umkehrpunktes des Hochdruckpumpenkolbens 29 bewirkt somit pro Förderhub eine maximale Fördermenge von Kraftstoff 1 in Richtung des Druckanschlusses 23 der Förderpumpe 10.
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Wird hingegen die Magnetspule 52 des Ventils 50 in Abänderung des zuletzt beschriebenen Sachverhalts erst während der Bewegung des Hochdruckpumpenkolbens 29 von der dem Einlass 58 abgewandten Seite in Richtung des Einlasses 58 bestromt, so wird zunächst Kraftstoff 1 bei der Bewegung des Hochdruckpumpenkolbens 29 in Richtung des Einlasses 58 aus dem Einlass 58 solange herausgefördert, bis das Schließelement 45 den Einlass 58 verschließt bzw. abdichtet. Ab diesem Zeitpunkt wird der Kraftstoff 1 über den Auslass 59 in Richtung des Druckanschlusses 23 bzw. der Heizeinrichtung 15 gefördert.
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Abhängig vom Zeitpunkt, wann das Ventil 50 während der Bewegung des Hochdruckpumpenkolbens 29 in Richtung des Einlasses 58 bestromt bzw. betätigt wird, kann somit die Fördermenge des Kraftstoffes 1 während eines Arbeitshubs des Hochdruckpumpenkolbens 29 bedarfsgerecht angepasst werden.
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Die soweit beschriebene Förderpumpe 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. So ist es insbesondere denkbar, das Ventil 50 mit umgekehrtem Wirksinn auszubilden. In diesem Fall wird der Einlass 58 im bestromten Zustand der Magnetspule 52 offengehalten und im unbestromten Zustand durch die Druckfeder 53 der Einlass 58 durch das Schließelement 45 verschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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