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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
DE102004013307 A1 ist bereits eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe bekannt, die ein Druckbegrenzungsventil aufweist. Dabei handelt es sich um ein Druckbegrenzungsventil mit einem Ventilgehäuse und einem Ventilelement und einem Beaufschlagungskörper, der das Ventilelement entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils in Richtung eines Ventilsitzes des Druckbegrenzungsventils drückt.
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Das Druckbegrenzungsventil verhindert, dass ein Druck in einem Hochdruckspeicher eines Kraftstoffsystems zu stark ansteigt. Erreicht der Druck in dem Hochdruckspeicher einen zu hohen Wert, so öffnet in einem Saughub der Hochdruckpumpe das Druckbegrenzungsventil zu einem Förderraum der Hochdruckpumpe des Kraftstoffsystems hin und der Druck im Hochdruckspeicher wird nicht weiter erhöht, sondern es wird Kraftstoff aus dem Hochdruckspeicher in den Förderraum abgegeben. Das Druckbegrenzungsventil öffnet dabei, wenn der Druck im Hochdruckspeicher derart groß ist, dass eine Druckdifferenz, die zwischen dem Hochdruckspeicher und dem Förderraum im Saughub der Hochdruckpumpe auftritt, einen Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils überschreitet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Beobachtung der Erfinder zugrunde, dass im Betrieb der Kraftstoff-Hochdruckpumpe im Bereich des Förderraums und in dem mit dem Förderraum fluidisch verbundenen stromabwärtigen Bereich des Druckbegrenzungsventils hydraulische Schwingungen auftreten können, die beispielsweise auch durch Kavitationseffekte während des Pumpenbetriebs verursacht sein können. Der Erfindung liegen ferner die Beobachtungen der Erfinder zugrunde, dass diese hydraulische Schwingungen Relativbewegungen in radialer Richtung zwischen dem Beaufschlagungskörper und dem Ventilelement und Relativbewegungen in radialer Richtung zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz verursachen können, und dass diese Relativbewegungen in radialer Richtung zu Reibverschleiß an den Kontaktstellen zwischen dem Beaufschlagungskörper, dem Ventilelement und dem Ventilsitz führen.
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Da eine Abnutzung an diesen Stellen die Kraft vermindert, die benötigt wird, um das Druckbegrenzungsventil zu öffnen, führt der beschriebene Verschleißmechanismus letztlich dazu, dass das Druckbegrenzungsventil bei einem geringeren als dem ursprünglich vorgesehenen Druck öffnet. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe kann dann Kraftstoff nicht mehr mit dem ursprünglich vorgesehenen Druck verdichten.
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Überdies beschädigt die Abnutzung auch die Dichtoberfläche zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz. Hierdurch ist die Dichtigkeit des Ventils im geschlossen Zustand verschlechtert, also die Fähigkeit einen hohen Druck im Hochdruckbereich zu halten, eingeschränkt.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme, dass der Beaufschlagungskörper durch ein im Ventilgehäuse fest montiertes Führungselement geführt ist, wird hingegen erreicht, dass hydraulische Schwingungen in dem mit dem Förderraum fluidisch verbundenen stromabwärtigen Bereich des Druckbegrenzungsventils kaum noch Relativbewegungen in radialer Richtung zwischen dem Beaufschlagungskörper und dem Ventilelement verursachen können. Infolgedessen treten auch kaum noch Relativbewegungen in radialer Richtung zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz auf. In der Konsequenz tritt auch ein mit diesen radialen Relativbewegungen verbundener Verschleiß kaum noch auf und die Kraft, die erforderlich ist um das Druckbegrenzungsventil zu öffnen, bleibt weitgehend konstant. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe ist somit in der Lage, den ursprünglich vorgesehenen Druck während ihrer gesamten Lebensdauer unvermindert zu generieren.
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Auch die Dichtigkeit des Ventils im geschlossenen Zustand bleibt während der gesamten Lebensdauer der Kraftstoff-Hochdruckpumpe unvermindert hoch.
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Bei dem Ventilgehäuse kann es sich um ein separates Gehäuse handeln, das in einem Pumpengehäuse der Kraftstoff-Hochdruckpumpe montierbar ist. Das Ventilgehäuse kann aber auch durch das Pumpengehäuse der Kraftstoff-Hochdruckpumpe realisiert sein, in das in diesem Fall weitere erfindungsgemäße Bauteile des Druckbegrenzungsventils unmittelbar montiert sein können.
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Das Ventilelement liegt in dem geschlossenen Zustand des Druckbegrenzungsventils an einem Ventilsitz an. Beim Öffnen des Druckbegrenzungsventils hebt das Ventilelement von dem Ventilsitz in einer Öffnungsrichtung ab. Durch diese Öffnungsrichtung ist eine axiale Richtung und infolgedessen auch eine radiale Richtung sowie eine tangentiale Richtung gegeben, auf die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung ohne nochmalige Erläuterung Bezug genommen wird.
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Erfindungsgemäß ist der Beaufschlagungskörper durch das Führungselement geführt. Das Führungselement lässt also insbesondere eine Verschiebung des Beaufschlagungselements in axialer Richtung zu; eine Verschiebung des Beaufschlagungselements in radialer Richtung oder eine Drehung oder Verkippung des Beaufschlagungselements um Achsen, die nicht in die axiale Richtung weisen, werden durch das Führungselement aber insbesondere unterbunden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Führungselement einen ersten Abschnitt aufweist, in dem das Ventilelement geführt ist. Der erste Abschnitt des Führungselements lässt also insbesondere eine Verschiebung des Ventilelements in axialer Richtung zu; eine Verschiebung des Ventilelements in radialer Richtung wird hingegen unterbunden. Bei nicht kugelförmigen Ventilelementen kann durch den ersten Abschnitt auch eine Verkippung des Ventilelements insbesondere unterbunden werden.
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Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das Ventilelement auch bei offenem Ventil nicht verloren gehen kann, also nicht in eine Position und/oder Orientierung gelangen kann, aus der es allein durch die Beaufschlagung mit dem Beaufschlagungskörper nicht wieder in die Schließposition zurück gelangen kann. Insofern diese Funktion nicht durch einen Ventilkörper realisiert werden braucht, an dem auch der Ventilsitz ausgebildet ist, kann dieser Ventilkörper einfacher ausgeführt werden. Er kann insbesondere auf der dem Ventilelement und dem Führungselement zugewandten Seite eine plane Stirnfläche aufweisen. Es resultieren strömungstechnische Vorteile.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Führungselement einen zweiten Abschnitt aufweist, in dem der Beaufschlagungskörper geführt ist. Eine Weiterbildung hierzu sieht vor, dass zwischen dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt ein Übergangsbereich angeordnet ist, durch den die Bewegung des Ventilelements in Öffnungsrichtung begrenzt wird. Es kann im Übergangsbereich beispielsweise eine Stufe oder eine gerade oder konische Schulter vorgesehen sein, an der das Ventilelement bei maximaler Öffnung des Druckbegrenzungsventils zur Anlage kommt.
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Auf diese Weise wird insbesondere ein definierter Öffnungszustand des Druckbegrenzungsventils hergestellt. Unerwünschte Schwingungen des Ventilelements im geöffneten Zustand des Druckbegrenzungsventils, die zu den oben bereits diskutierten Verschleißphänomenen an dem Ventilelement und/oder an dem Beaufschlagungselement führen könnten, können so insbesondere ausgeschlossen werden.
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Der zweite Abschnitt des Führungselements kann insbesondere durch einen zylindrischen Durchgangskanal des Führungselements gegeben sein. Insbesondere die Zusammenwirkung mit einem zylindrischen Schaft an dem Beaufschlagungskörper, über den der Beaufschlagungskörper in dem zylindrischen Durchgangskanal geführt werden kann, ist besonders vorteilhaft. Der Schaft und der zylindrische Durchgangskanal können beispielsweise jeweils eine axiale Erstreckung aufweisen, die größer ist als die jeweilige radiale Erstreckung, beispielsweise der jeweilige Durchmesser. Die Führung bewirkt dann die erfindungsgemäßen Vorteile in besonders hohem Maß.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Führungselement radial abragende Stege aufweist, über die das Führungselement im Ventilgehäuse montiert ist. Diese Stege können sich in axialer Richtung über das gesamte Führungselement erstrecken. Es können beispielsweise vier, fünf oder mehr Stege vorgesehen sein, die in Umfangsrichtung unter gleichen Winkeln, beispielsweise 90°, 72° oder weniger zueinander angeordnet sind. Die Stege ermöglichen eine einfache und doch sichere Montage des Führungselements im Ventilgehäuse. Überdies können tangential zwischen den Stegen, also radial zwischen dem Führungselement und dem Ventilgehäuse, Überströmkanäle ausgebildet sein, durch die ein Überströmen des Führungselements mit Kraftstoff möglich ist.
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Besonders vorteilhaft ist diese Vorsehung von Überströmkanälen auch in Zusammenwirkung mit der Gestaltung, dass der Beaufschlagungskörper auf der vom Ventilelement abgewandten Seite und/oder auf der vom Ventilelement abgewandten Seite des zylindrischen Schafts einen tellerförmigen Spoiler aufweist. Letzterer liegt den Überströmkanälen des Führungselements insbesondere unmittelbar gegenüber und ist insbesondere aus den Überströmkanälen direkt mit Kraftstoff anströmbar. Ein Öffnen des Druckbegrenzungsventils ist auf diese Weise beschleunigt, ein Schließen hingegen verzögert. Die Funktion des Druckbegrenzungsventils, im Fehlerfall einen ausreichenden Druckabbau zu ermöglichen, ist auf diese Weise besonders wirkungsvoll verbessert.
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Die oben bereits erläuterten Stege können in Weiterbildung derart ausgebildet sein, dass durch die radial inneren Seiten der Stege die oben bereits erläuterte Führung des Ventilelements erfolgt. Die Stege könen beispielsweise nach radial innen spitz zulaufen.
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Das Führungselement kann beispielsweise aus einem Kunststoff gefertigt sein, beispielsweise als Spritzteil. Die Umsetzung einer komplexen Geometrie ist auf diese Weise in Großserie mit geringen Fertigungskosten möglich.
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Die oben zum Teil bereits erwähnte Ausgestaltung des Beaufschlagungskörpers mit einem zylindrischen Schaft, durch den der Beaufschlagungskörper im Führungselement geführt ist und mit dem der Beaufschlagungskörper das Ventilelement entgegen der Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils in Richtung des Ventilsitzes des Druckbegrenzungsventils drückt, ermöglicht eine verschleißarme Wechselwirkung zwischen dem Beaufschlagungskörper und dem Ventilelement. So kann vorgesehen sein, dass der Beaufschlagungskörper das Ventilelement in lediglich in einem Punkt berührt, beispielsweise mit einem planen Ende an einem kugelförmigen Ventilelement anliegt.
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Unter einer Berührung des Beaufschlagungskörpers mit dem Ventilelement in lediglich einem Punkt wird im Rahmen dieser Anmeldung verstanden, dass der Beaufschlagungskörper das Ventilelement in lediglich einem mathematischen Punkt berühren würde, wenn man von der Oberflächenrauigkeit und der elastischen Verformbarkeit des Beaufschlagungskörpers und des Ventilelements absehen würde. In der Praxis weisen der Beaufschlagungskörper und das Ventilelement allerdings stets eine gewisse Rauigkeit und eine gewisse elastische Verformbarkeit auf, sodass eine tatsächliche Berührung in mehreren Punkten erfolgt oder entlang einer Berührungsfläche erfolgt, die einen von Null verschieden großen Flächeninhalt aufweist. Es kann jedoch auch in der Praxis das realisiert sein, was im Rahmen der Anmeldung unter einer Berührung in lediglich einem Punkt verstanden wird.
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Das Anliegen des Beaufschlagungskörpers an dem Ventilelement in lediglich einem Punkt hat die Wirkung, dass zwischen dem Beaufschlagungskörper und dem Ventilelement praktisch kein Drehmoment übertragen werden kann und es somit auch dann nicht oder nicht wesentlich zu Verschleiß kommt, wenn zwischen dem Beaufschlagungskörper und dem Ventilelement noch verbleibende Relativbewegungen in radialer Richtung oder entsprechende Verkippungen auftreten.
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Die Kraft, mit der der Beaufschlagungskörper das Ventilelement in Richtung des Ventilsitzes drückt, kann durch eine Spiralfeder erzeugt sein, die zwischen dem Ventilgehäuse und dem Beaufschlagungselement, insbesondere zwischen dem Ventilgehäuse und dem oben bereits erwähnten Spoiler des Beaufschlagungselements, verspannt ist.
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In Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Beaufschlagungskörper, bzw. der Spoiler des Beaufschlagungskörpers, einen Zapfen aufweist, mit dem der Beaufschlagungskörper in das Innere der Spiralfeder hineinragt, sodass die Spiralfeder geführt und stabilisiert wird.
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In Weiterbildung kann die mechanische Stabilität des Druckbegrenzungsventils verbessert werden, wenn vorgesehen ist, dass der Ventilsitz an einem im Ventilgehäuse montierten Ventilkörper ausgebildet ist und dass der Ventilkörper eine plane Stirnfläche aufweist und dass das Führungselement eine plane Stirnfläche oder mehrere plane Stirnflächen aufweist, beispielsweise an den Stegen, und dass die plane Stirnfläche des Ventilkörpers an der planen Stirnfläche des Führungselements anliegt oder an den planen Stirnflächen des Führungselements anliegt.
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Ausführungsbeispiele
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In den Figuren zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe gemäß der Erfindung;
- 2 eine vergrößerte Detaildarstellung des Druckbegrenzungsventils der in 1 gezeigten Kraftstoff-Hochdruckpumpe;
- 3 einen Schnitt entlang der Linie A-A in 2;
- 4 einen Schnitt entlang der Linie B-B in 2.
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In 1 trägt eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 weist ein insgesamt im Wesentlichen zylindrisches Pumpengehäuse 12 auf, in oder an dem die wesentlichen Komponenten der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 angeordnet sind. So weist die Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 ein Einlass- und Mengensteuerventil 14, einen in einem Förderraum 16 angeordneten, durch eine nicht gezeigte Antriebswelle in eine Hin- und Herbewegung versetzbaren Förderkolben 18, ein Auslassventil 20 und ein Druckbegrenzungsventil 22 auf.
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In dem Gehäuse 12 ist ein erster, zylindrischer Kanal 24 vorhanden, der sich koaxial zum Förderraum 16 und zum Förderkolben 18 erstreckt und der vom Förderraum 16 zu einem zweiten zylindrischen Kanal 26 führt, der in einem Winkel von 90° zum ersten Kanal 24 angeordnet ist und in dem das Druckbegrenzungsventil 22 aufgenommen ist. Eine Längsachse des Pumpengehäuses 12 trägt in 1 das Bezugszeichen 28, eine Längsachse des zweiten zylindrischen Kanals 26 trägt das Bezugszeichen 29. Sie legt auch die Öffnungsrichtung des Druckbegrenzungsventils 22 fest, die im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch als axiale Richtung bezeichnet wird. In 1 oben ist in dem Pumpengehäuse 12 ein Druckdämpfer 30 angeordnet.
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Im Betrieb saugt der Förderkolben 18 bei einem Saughub einen Kraftstoff, beispielsweise einen Kraftstoff wie Benzin, über das Einlass- und Mengensteuerventil 14 in den Förderraum 16 an. Bei einem Förderhub wird der im Förderraum 16 befindliche Kraftstoff verdichtet und über das Auslassventil 20 beispielsweise in einen Hochdruckbereich 32, beispielsweise zu einer Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“) ausgestoßen, wo der Kraftstoff unter hohem Druck gespeichert ist. Der Hochdruckbereich 32 ist über einen als Auslassstutzen ausgebildeten Auslass 34 mit der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 verbunden. Die Kraftstoffmenge, die bei einem Förderhub ausgestoßen wird, wird dabei durch das elektromagnetisch betätigte Einlass- und Mengensteuerventil 14 eingestellt. Bei einem unzulässigen Überdruck im Hochdruckbereich, zum Beispiel in einem Fehlerfall, öffnet das Druckbegrenzungsventil 22, wodurch Kraftstoff aus dem Hochdruckbereich 32 zurück in den Förderraum 16 strömen kann.
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Das Druckbegrenzungsventil 22 verbindet, wie oben bereits erwähnt, in einem geöffneten Zustand den Hochdruckbereich 32 mit dem Förderraum 16 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10. Dabei öffnet das Druckbegrenzungsventil 22 dann, wenn eine Druckdifferenz zwischen dem auslassseitigen Hochdruckbereich 32 und dem Förderraum 16 der Kraftstoff-Hochdruckpumpe 10 einen Grenzwert überschreitet. Durch das Druckbegrenzungsventil 22 wird also verhindert, dass der Druck in dem auslassseitigen Hochdruckbereich 32 unzulässig hoch ist.
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Die Komponenten des Druckbegrenzungsventils 22 werden nun insbesondere unter Bezugnahme auf die 2, 3 und 4, die verschiedene Schnitte durch das Druckbegrenzungsventil zeigen, stärker im Detail erläutert. Zu dem Druckbegrenzungsventil 22 gehört zunächst ein hülsenartiger Ventilkörper 38, der in den zylindrischen Kanal 26 eingepresst ist. An der in 2 rechten Seite des Ventilkörpers 38 ist ein zum Beispiel kegeliger Ventilsitz 42 ausgebildet, der mit einem Ventilelement 44, das zum Beispiel die Form einer Ventilkugel aufweist, dichtend zusammenwirkt.
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Die Kontaktstelle zwischen Ventilsitz 42 und Ventilelement 44 kann alternativ auch anders als im Beispiel ausgeführt sein, beispielsweise konkav-konvex oder plan-plan mit einer Sitzwinkeldifferenz. Die Kontaktstelle kann insbesondere mit diesen verschleißmindernden Vorzugsformen ausgeführt werden.
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Zu dem Druckbegrenzungsventil 22 gehört ferner eine am Pumpengehäuse 12 abgestützte Spiralfeder 52, die den Beaufschlagungskörper 46 gegen das Ventilelement 44 drückt.
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Der Beaufschlagungskörper 46 ist durch ein im Pumpengehäuse 12 fest montiertes Führungselement 54 geführt. Genauer weist das Beaufschlagungselement 46 auf der dem Ventilelement 44 zugewandten Seite einen länglichen, zylindrischen Schaft 461 auf. Auf der von dem Ventilelement 44 abgewandten Seite des zylindrischen Schafts 462 weist das Beaufschlagungselement einen tellerförmigen Spoiler 462 auf, auf dessen von dem Ventilelement 44 abgewandten Seite wiederum ein Zapfen 463 angeordnet ist.
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Der Beaufschlagungskörper 46 weist also insgesamt eine Pilzform auf, wobei der Stiel des Pilzes durch den Schaft 461 gegeben ist und der Hut des Pilzes durch den Spoiler 462 bzw. durch den Spoiler 462 und den Zapfen 463 gegeben ist.
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Das Führungselement 54 weist einen ersten Abschnitt 541 auf, in dem das Ventilelement 44 geführt ist, und einen zweiten Abschnitt 542 auf, in dem der Beaufschlagungskörper 46 geführt ist, wobei zwischen dem ersten Abschnitt 541 und dem zweiten Abschnitt 542 ein Übergangsbereich 543 angeordnet ist, durch den die Bewegung des Ventilelements 44 in Öffnungsrichtung begrenzt wird.
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Der zweite Abschnitt 542 ist durch einen zylindrischen Durchgangskanal 542' im Führungselement 54 gegeben.
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Das Führungselement 54 weist ferner (im Beispiel fünf) radial abragende Stege 541' auf, die sich axial über das gesamte Führungselement erstrecken. Über die Stege 541' ist das Führungselement 54 im Pumpengehäuse 12 eingepresst.
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Im ersten Abschnitt 541 ist das Ventilelement 44 radial zwischen den Stegen 541' geführt.
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Im zweiten Abschnitt 542, tangential zwischen den Stegen 541', radial zwischen dem Führungselement 54 und dem Pumpengehäuse 12, sind (im Beispiel fünf) Überströmkanäle 544 ausgebildet sind, durch die ein Überströmen des Führungselements 54 mit Kraftstoff in axialer Richtung möglich ist.
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Der Ventilsitz 42 ist an dem im Pumpengehäuse 12 montierten Ventilkörper 38 ausgebildet. Der Ventilkörper 38 weist eine plane Stirnfläche 381 auf. Die Stege 541' des Führungselements 54 weisen plane Stirnflächen 5411 auf, die an der planen Stirnfläche 381 des Ventilkörpers 38 anliegen.
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Das Beaufschlagungselement 46 taucht mit seinem Schaft 461 in den zylindrischen Durchgangskanal 542' des Führungselements 54 ein, wodurch das Beaufschlagungselement 46 durch das Führungselement 54 geführt wird. Der tellerförmige Spoiler 462 des Beaufschlagungselements 46 ist in axialer Richtung unmittelbar vor den Überströmkanälen 544 des Führungselements angeordnet. Der Zapfen 463 des Beaufschlagungselements 46 greift in die vorderen, dem Ventilelement 44 zugewandten Windungsgänge der Spiralfeder 52 ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004013307 A1 [0001]
