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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Kolbenpumpe zur Förderung von Druckmittel in einem Druckmittelkreis nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Derartige Kolbenpumpen sind beispielsweise aus der
DE 10 2005 042 196 A1 bereits bekannt.
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Diese bekannte Kolbenpumpe umfasst einen Pumpenkolben, der einen Arbeitsraum begrenzt und der in einem Pumpenzylinder verschiebbar aufgenommen ist. Der Pumpenkolben wird von einem elektromotorisch angetriebenen Antriebselement zu einer hin und her gehenden Hubbewegung angetrieben. In einer ersten Umkehrposition des Pumpenkolbens weist der Arbeitsraum ein Maximalvolumen und in einer zweiten Umkehrposition des Pumpenkolbens ein Minimalvolumen auf. Zur Förderung von Druckmittel ist der Arbeitsraum mit einem Pumpeneinlass oder mit einem Pumpenauslass verbindbar. Die jeweiligen Verbindung des Arbeitsraums mit Pumpeneinlass oder Pumpenauslass erfolgt in gegenseitigem Wechsel und ist von federbeaufschlagten Rückschlagventilen gesteuert.
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In elektronisch schlupfregelbaren Fahrzeugbremsanlagen bzw. sogenannten ABS, ASR oder ESP-Bremsanlagen wird eine derartige Kolbenpumpe zur Bremsdruckerzeugung in den Radbremsen eingesetzt. Der in einer Kolbenpumpe stattfindende zyklische Wechsel zwischen einem Ansaugen und einem Ausschieben von Druckmittel hat Druckpulsationen zur Folge, die sich in ein an die Kolbenpumpe angeschlossenes Leitungssystem und über die Karosserie eines Kraftfahrzeugs bis in einen Fahrzeuginnenraum fortpflanzen können. Dort sind die Druckpulsationen gegebenenfalls als störendes Betriebsgeräusch von den Fahrzeuginsassen hörbar, insbesondere wenn die Fahrzeugbremsanlage im Rahmen von Fahrerassistenzfunktionen, wie beispielsweise einer automatischen Abstandsregelfunktion, aktiv ist.
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Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass für Druckpulsationen u.a. ein sogenannter Nullförderweg bzw. ein Nullförderwinkel bei Kolbenpumpen ursächlich ist. Diese Größen bezeichnen einen Weg bzw. einen Drehwinkel eines Antriebselements während dem in der Kolbenpumpe das Druckmittel vom Pumpenkolben auf den Förderdruck komprimiert wird, bevor das Druckmittel vom Pumpenkolben in den Pumpenauslass ausgeschoben wird. Die Kompressionsphase eines Pumpenkolbens bzw. einer Kolbenpumpe beginnt aufgrund des Nullförderwegs bzw. des Nullförderwinkels vor dem eigentlichen Förderbeginn. Die sich daraus ergebende höhere Kolbengeschwindigkeit zu Beginn einer Druckmittelförderung führt zu einer stärkeren Beschleunigung der Fluidsäule im Arbeitsraum der Kolbenpumpe und resultiert in stärkeren Druckpulsationen. Der Nullförderweg bzw. Nullförderwinkel einer Kolbenpumpe steigt im Übrigen auch an, wenn Gas, bei nur teilweise gefüllter Kolbenpumpe aus dem Druckmittel ausgast oder wenn sich Dampf bedingt durch Kavitation in der Kolbenpumpe bildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass sich der Beginn der Kompressionsphase und der Förderbeginn einer Kolbenpumpe zeitlich aneinander annähern. Dies wird durch eine Druckmittelverbindung zwischen dem Pumpenauslass und dem Arbeitsraum der Kolbenpumpe erreicht, welche kurz vor dem Ende einer Saugphase des Pumpenkolbens hergestellt bzw. geöffnet wird. Über die geöffnete Druckmittelverbindung wird der bis dahin vorherrschende Unterdruck im Arbeitsraum auf den Förderdruck angehoben und die Förderphase der Kolbenpumpe kann mit geringerer bzw. idealer Weise ohne zeitliche Verzögerung beginnen, sobald der Pumpenkolben seine erste Umkehrposition verlassen hat. Folglich startet die Druckmittelförderung bei niedrigerer Geschwindigkeit des Pumpenkolbens und die Fluidsäule im Arbeitsraum der Kolbenpumpe wird weniger beschleunigt. Im Ergebnis reduzieren sich dadurch die Druckpulsationen sowie das ggf. störend wahrnehmbare Betriebsgeräusch der Kolbenpumpe.
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Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den vom Hauptanspruch abhängigen Unteransprüchen oder aus der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteilhafter Weise ist die Druckmittelverbindung zwischen dem Pumpenauslass und dem Arbeitsraum der Kolbenpumpe vom Pumpenkolben oder von einem am Pumpenkolben fixierten Bauteil gesteuert. Dies ist ausführbar indem ein Mündungsquerschnitt der Druckmittelverbindung am Umfang des Pumpenzylinders angeordnet ist und vom sich hin und her bewegenden Pumpenkolben überfahren wird. Damit werden keine zusätzlichen Einrichtungen zur Steuerung der Druckmittelverbindung an der Kolbenpumpe benötigt und es fallen weder Bauraum, Baukosten noch Aufwand für eine zur Kolbenbewegung zeitsynchrone Steuerung dieser Druckmittelverbindung an.
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Durch die Wahl der Form des Mündungsquerschnitts in den Arbeitsraum lassen sich die Betriebsgeräusche der Kolbenpumpe weiter optimieren. Selbiges trifft für eine Auslegung einer Stufe zwischen zwei Verbindungsabschnitten dieser Druckmittelverbindung zu, die unterschiedlich große Querschnitte aufweisen. Der Verbindungsabschnitt mit dem kleineren Querschnitt ist dabei dem Arbeitsraum der Kolbenpumpe zugewandt.
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Weitere Verbesserungen lassen sich durch die Anordnung eines Rückschlagventils in der Druckmittelverbindung erreichen, welches einen direkten Druckmittelabfluss aus dem Arbeitsraum zum Pumpenauslass verhindert und lediglich für Druckmittel, das vom Pumpenauslass zum Arbeitsraum strömt, durchlässig ist.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung detailliert erläutert und in der Zeichnung dargestellt. Gezeigt ist in
- 1 eine der Erfindung zugrunde liegende Kolbenpumpe im Längsschnitt, wobei in 1a der Kolben in seiner erste Umkehrposition und in 1b in seiner zweiten Umkehrposition dargestellt ist;
- 2 eine erste Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe bei der ein Rückschlagventil in einer Druckmittelverbindung vom Pumpenauslass zum Arbeitsraum der Kolbenpumpe angeordnet ist;
- 3 eine zweite Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe, bei der eine Druckmittelverbindung vom Pumpenauslass zum Arbeitsraum der Kolbenpumpe aus Verbindungsabschnitten unterschiedlich großer Querschnitte besteht und
- 4 veranschaulicht anhand von insgesamt 4 zueinander zeitsynchron aufgezeichneten Diagrammen den Hub des Pumpenkolbens, den Pumpeninnendruck, den Druckgradient und die Druckpulsation während der Kompressionsphase einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenpumpe im Vergleich zu einer konventionell ausgeführten und aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenpumpe. Alle Diagramme sind über die Zeit bzw. den Hub des Pumpenkolbens aufgezeichnet.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Die in zwei verschiedenen Kolbenpositionen dargestellten Kolbenpumpen 110 nach den 1a und 1b weisen jeweils einen Pumpenkolben 112 auf, der von einem eine Rotationsbewegung ausführenden Antriebselement 114 zu einer hin und hergehenden Hubbewegung antreibbar ist. Der Pumpenkolben 112 ist dazu beispielhaft verschiebbar in einer zylindrischen Laufbuchse 116 aufgenommen und wird vom Antriebselement 114 entgegen der Kraft einer Rückstellfeder 118 beaufschlagt. Diese Rückstellfeder 118 ist im Inneren eines Arbeitsraums 120 der Kolbenpumpe 110 angeordnet und stützt sich mit einem ihrer Enden an einem Boden der Laufbuchse 116 und mit dem dazu gegenüberliegenden zweiten Ende an einer den Arbeitsraum 120 begrenzenden Stirnfläche des Pumpenkolbens 112 ab. Der Pumpenkolben 112 ist mehrteilig ausgeführt und besteht aus einem am Antriebselement 114 anliegenden ersten Kolbenteil 122 in Gestalt einer massiv ausgeführten Zylinderrolle, einem am Umfang der Zylinderrolle angreifenden zweiten Kolbenteil 124 in Form einer Hülse, in deren hohles Inneres quer zur Hülsenachse ausgerichtete Einlassöffnungen 126 der Kolbenpumpe 110 einmünden sowie einem dritten Kolbenteil 128, das topfförmig ausgebildet ist und ein Ventilgehäuse eines Einlassventils 130 der Kolbenpumpe 110 ausbildet. Das dritte Kolbenteil 128 umgreift einen, am zweiten Kolbenteil 124, auf der dem dritten Kolbenteil 128 zugewandten Ende ausgebildeten Stutzen mit einem umlaufenden Wulst 132, welcher an seinem Umfang zu einer Dichtkontur ausgebildet ist. Anhand dieser Dichtkontur ist der Arbeitsraum 120 der Kolbenpumpe 110 gegenüber einem Pumpeneinlass 134 abgedichtet. Der Pumpeneinlass 134 steht über das Einlassventil 130 mit dem Arbeitsraum 120 in steuerbarer Verbindung. Dazu umfasst das Einlassventil 130 einen, an dem, dem dritten Kolbenteil 128 zugewandten Ende des zweiten Kolbenteils 124 ausgebildeten Einlassventilsitz 136, einen diesen Einlassventilsitz 136 steuernden Einlassventilkörper 138 und eine den Einlassventilkörper 138 gegen den Einlassventilsitz 136 beaufschlagende Einlassventilfeder 140. Einlassventilkörper 138 und Einlassventilfeder 140 sind im Inneren des am zweiten Kolbenteil 124 angeordneten Einlassventilgehäuses untergebracht. Das Einlassventilgehäuse ist mit nicht erkennbaren Öffnungen versehen, durch die bei geöffnetem Einlassventil 130 Druckmittel aus dem Pumpeneinlass 134 der Kolbenpumpe 110 in den Arbeitsraum 120 hindurchtreten kann.
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Weiterhin weist die Kolbenpumpe 110 ein Auslassventil 142 zur Steuerung eines am Laufbuchsenboden ausgebildeten Auslassventilsitzes 144 auf. Der Auslassventilsitz 144 wird ebenfalls von einem federbeaufschlagten Auslassventilkörper 146 gesteuert. Eine Auslassventilfeder 148 stützt sich dazu an einem Stopfen 150 ab, welcher sich über einen Bund an der Laufbuchse 116 zentriert. Am Stopfen 150 ist ein quer zur Längsachse der Kolbenpumpe 110 ausgerichteter Pumpenauslass 152 ausgebildet, über den aus dem Auslassventil 142 austretendes Druckmittel abströmt.
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Das Einlassventil 130 und das Auslassventil 142 steuern einen Druckmitteldurchfluss durch die Kolbenpumpe 110 indem sie deren Arbeitsraum 120 wechselweise mit dem Pumpeneinlass 134 oder mit dem Pumpenauslass 152 verbinden. Einlassventil 130 und Auslassventil 142 öffnen und schließen in Abhängigkeit der von der Kolbenbetätigung bestimmten Druckverhältnisse im Inneren des Arbeitsraums 120. Weist dieser Arbeitsraum 120 sein Maximalvolumen auf, wie in 1a dargestellt, d.h. befindet sich der Pumpenkolben 112 in seiner ersten Umkehrposition gemäß 1a, herrscht im Arbeitsraum Niederdruck vor, durch den das Einlassventil 130 öffnend und das Auslassventil 142 schließend betätigt sind. Druckmittel strömt dabei in den Arbeitsraum 120 ein.
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Zuvor durchströmt dieses Druckmittel noch ein Filterelement 154, welches Verunreinigungen aus dem Druckmittel filtert bevor diese in das Innere der Kolbenpumpe 110 eindringen können. Das Filterelement 154 ist am offenen Ende der Laufbuchse 116 befestigt. Darüber hinaus ist das Filterelement 154 mit einer Filterdichtung 156 bestückt, welche den Pumpeneinlass 134 gegenüber demjenigen Raum abgedichtet, in dem sich das rotierende Antriebselement 114 befindet.
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Gemäß 1 b ist der Pumpenkolben 112 vom Antriebselement 114 derart betätigt, dass der Arbeitsraum 120 sein Minimalvolumen aufweist. Der Pumpenkolben 112 befindet sich demnach in seiner zweiten Umkehrposition. Dabei herrscht ein Hochdruck im Inneren des Arbeitsraums 120, welcher das Einlassventil 130 in Schließrichtung und das Auslassventil 142 in Öffnungsrichtung beaufschlagt. Durch das geöffnete Auslassventil 142 strömt das Druckmittel aus dem Arbeitsraum 120 zum Pumpenauslass 152 ab.
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Da insoweit Aufbau und Funktion der erläuterten Kolbenpumpe dem Stand der Technik entsprechen, wird auf weiterführende Ausführungen diesbezüglich verzichtet.
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Erfindungsgemäß besteht zwischen dem Pumpenauslass 152 und dem Arbeitsraum 120 eine Druckmittelverbindung 160, die in Abhängigkeit der Relativposition des Pumpenkolbens 112 zum ersten Umkehrpunkt steuerbar ist. Diese Druckmittelverbindung 160 umfasst einen Verbindungskanal 162, der vorzugsweise in einem die Kolbenpumpe 110 aufnehmenden Pumpengehäuse ausgebildet ist und der in den Arbeitsraum 120 der Kolbenpumpe 110 einmündet. Eine zugeordnete Einmündung 164 ist am Umfang der Laufbuchse 116 der Kolbenpumpe 110 ausgebildet. Sie ist dadurch von dem sich hin und her bewegenden Pumpenkolben 112 steuerbar und ist derart an der Laufbuchse 116 platziert, dass der Mündungsquerschnitt erst dann geöffnet ist, wenn sich der Pumpenkolben 112 seiner ersten Umkehrposition nähert bzw. sich in seiner ersten Umkehrposition befindet. In dieser Position des Pumpenkolbens 112, weist der Arbeitsraum 120 der Kolbenpumpe 110 sein maximales Volumen auf. Aufgrund der dann bestehenden Druckmittelverbindung mit dem Pumpenauslass 152 ändern sich die Druckverhältnisse im Arbeitsraum 120. Anstelle des bislang aufgrund der Kolbenbewegungsrichtung vorherrschenden Niederdrucks liegt nunmehr der am Pumpenauslass 152 vorherrschenden Hochdruck an. Dieser Druckwechsel vollzieht sich innerhalb eines relativ kleinen Zeitraums und vor allem zu einem Zeitpunkt an dem das Auslassventil 142 noch geschlossen ist, die Kolbenpumpe 110 also kein Druckmittel fördert. Unmittelbar nach erfolgter Bewegungsrichtungsumkehr des Pumpenkolbens 112 beginnt dadurch die Druckmittelförderung durch Öffnen des Auslassventils 142. Die Kompressionsphase und der Förderbeginn einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe 110 nähern sich zeitlich aneinander an bzw. beginnen idealer Weise zum selben Zeitpunkt. Das bewirkt, dass sich der Leerweg des Pumpenkolbens 112, also der notwendige Kolbenhub zum Komprimieren des Druckmittels auf das Förderdruckniveau, reduziert.
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Wie erläutert wird beim beschriebenen Ausführungsbeispiel die Druckmittelverbindung 160 durch den Pumpenkolben 112 bzw. durch das am Pumpenkolben 112 angeordnete Einlassventilgehäuse (Kolbenteil 128) gesteuert, was eine besonders kostengünstige und bauraumsparende Lösung darstellt, da keine separaten Steuerungsmittel vorgesehen werden müssen. Dennoch ist diese Lösung nicht die einzige Möglichkeit zur Steuerung dieser Druckmittelverbindung 160. Grundsätzlich wäre beispielsweise auch eine Steuerung mittels eines elektronisch ansteuerbaren Ventils, wie bspw. einem Magnetventil, vorstellbar.
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Eine weitere Möglichkeit zu Optimierung der erläuterten Wirkung des erfindungsgemäßen Vorschlags besteht in der Wahl der Ausgestaltung, Dimensionierung und/oder Ausrichtung des Querschnitts der Einmündung 164 in den Arbeitsraum 120. Dieser Mündungsquerschnitt kann zum Beispiel alternativ zu einer kreisrunden Form einer Bohrung, die Form eines Rechtecks, Quadrats, Dreiecks, Ovals oder eines Trapezes aufweisen. Durch die Ausrichtung des Mündungsquerschnitts in der Ebene kann bei einer Steuerung des Mündungsquerschnitts durch den Pumpenkolben 112 der Übergang vom geschlossenen Zustand zum offenen Zustand vergleichmäßigt und an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
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Denkbar ist es auch die Druckmittelverbindung 160 zusätzlich mit einem Rückschlagventil 200 auszustatten bzw. zu steuern, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist. Dieses Rückschlagventil 200 wäre so anzuordnen bzw. auszubilden, dass es eine Druckmittelströmung in Richtung vom Arbeitsraum 120 zum Pumpenauslass 152 sperrt und nur in Richtung vom Pumpenauslass 152 zum Arbeitsraum 120 zulässt. Auf diese Weise kann beispielsweise der Wirkungsgrad einer Kolbenpumpe 110 verbessert werden, indem ein unmittelbarer Druckmittelabfluss aus dem Arbeitsraum 120 zum Pumpenauslass 152 bzw. ein hydraulischer Kurzschluss zwischen Arbeitsraum 120 und Pumpenauslass 152, während einer Kompressionsphase der Kolbenpumpe 110 verhindert wird, trotz eines vom Arbeitsraum 120 in Richtung Pumpenauslass 152 möglicherweise bestehenden Druckgefälles.
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In den 1a und 1b ist die Druckmittelverbindung 160 im Bereich der Laufbuchse 116 beispielhaft als zylindrische, einen durchgehend konstanten Bohrungsdurchmesser aufweisende Bohrung dargestellt. Eine gestuft ausgeführte Druckmittelverbindung 160, also eine Druckmittelverbindung 160 aus wenigstens zwei Verbindungsabschnitten 300, 310 unterschiedlich großer Querschnitte, wie in 3 schematisch dargestellt, wäre jedoch in diesem Zusammenhang ebenfalls denkbar. In diesem Fall ist der Verbindungsabschnitt 300 mit dem kleinsten Querschnitt auf der dem Arbeitsraum 120 der Kolbenpumpe 110 zugewandten Ende der Druckmittelverbindung 160 anzuordnen und bestimmt demnach die Größe des Mündungsquerschnitts in den Arbeitsraum 120. Übergänge 320 vom einem zum anderen Verbindungsabschnitt 300, 310 können als rechtwinklige Stufe/n ausgebildet sein oder können, strömungstechnisch günstig, als Rampen mit oder ohne gerundeten Übergangsradien ausgeführt werden (Aufzählung nicht abschließend).
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Die 4a - 4d veranschaulichen die Wirkungsweise der erläuterten Erfindung anhand von zueinander zeitsynchron aufgenommenen Kennlinien.
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Die Kennlinie 410 in Diagramm 4a zeigt den von einem Antriebselement 114 auf einen Pumpenkolben 112 übertragenen Hub an. Dieser Hub nimmt ab einem Zeitpunkt t1 kontinuierlich zu. Zum Zeitpunkt t1 beginnt demnach die Kompressionsphase der Kolbenpumpe 110, das heißt, der Pumpenkolben 112 beginnt sich von seinem ersten Umkehrpunkt in Richtung seines zweiten Umkehrpunkts zu bewegen und reduziert dabei sukzessive das Volumen des Arbeitsraums 120 (Arbeitshub).
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Im Diagramm 4b ist der Verlauf des Druckniveaus im Inneren der Arbeitskammer zeitsynchron zu 4a dargestellt. Die gestrichelte Linie 412 veranschaulicht dabei den Verlauf bei einer konventionellen Kolbenpumpe und die durchgezogene Linie 414 gibt den Verlauf bei einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe an. Dem Diagramm 4b ist zu entnehmen, dass bei einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe der Druckanstieg unmittelbar zum Zeitpunkt t1 beginnt, während dieser Druckanstieg bei einer konventionellen Kolbenpumpe demgegenüber zeitverzögert einsetzt.
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4c gibt demgegenüber den Druckgradientenverlauf 416 bei einer konventionellen Kolbenpumpe (gestrichelte Linie) im Vergleich zum Druckgradientenverlauf 418 einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe (durchgezogenen Linie) an. Der Druckgradient gibt an wie schnell sich das Druckniveau im Inneren des Arbeitsraums 120 der jeweiligen Kolbenpumpe 110 verändert. Bei einer Kolbenpumpe 110 nach der Erfindung steigt der Druck im Arbeitsraum 120 bereits ab dem Zeitpunkt t1 langsam an und erreicht zum Zeitpunkt t2 seine maximale Änderungsgeschwindigkeit, während bei einer konventionellen Kolbenpumpe sich das Druckniveau zum Zeitpunkt t1 zunächst gar nicht ändert und die maximale Änderungsgeschwindigkeit zu einem gegenüber t2 späteren Zeitpunkt t3 auftritt. Letztere fällt deutlich höher aus als beim Erfindungsgegenstand. Dieses Diagramm 4c zeigt also auf, dass beim Erfindungsgegenstand der Druckaufbau früher und gleichmäßiger abläuft als bei einer konventionellen Kolbenpumpe.
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Schließlich sind in 4d die Druckpulsation 420 eine erfindungsgemäßen Kolbenpumpe (durchgezogene Linie) der Druckpulsationen 422 einer konventionellen Kolbenpumpe (gestrichelte Linie) gegenübergestellt. Aufgrund des zyklischen Arbeitsprinzips bei Kolbenpumpen sind Druckpulsationen nicht zu vermeiden, dennoch ist diesen Kennlinien 420, 422 zu entnehmen, dass die Druckpulsationen beim Erfindungsgegenstand einen flacheren Verlauf haben und einen niedrigeren Maximalwert annehmen als bei bekannten Kolbenpumpen. Dies veranschaulicht die Druckpulsationen dämpfende Wirkung der erläuterten Maßnahmen. Die bei Kolbenpumpen unvermeidlichen Druckpulsationen verursachen beim Erfindungsgegenstand weniger starke und weniger störend wahrnehmbare Geräusche.
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Selbstverständlich sind weitere Änderungen und Ergänzungen gegenüber den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung denkbar, ohne von dem der Erfindung zugrunde liegenden Grundgedanken abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005042196 A1 [0001]
