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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
DE 10 2017 212 498 A1 offenbart eine Kolbenpumpe, die beispielsweise bei Brennkraftmaschinen mit Benzin-Direkteinspritzung zum Einsatz kommen kann. Derartige Kolbenpumpen verfügen über eine Dichtung zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben. Als Dichtung kommt ein gegenüber dem Pumpengehäuse stationärer Dichtring zum Einsatz, der aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist. Der Dichtring ist zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben so angeordnet, dass er von dem aus dem Förderraum wirkenden Druck wenigstens bereichsweise nach radial innen gegen den Pumpenkolben und axial gegen eine Gegenfläche des Pumpengehäuses beaufschlagt wird. Er wird somit quasi durch den vom Förderraum her wirkenden Druck „aktiviert“.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kolbenpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass eine toleranzbedingte Schiefstellung des Pumpenkolbens relativ zu einer gehäuseseitigen Kolbenführung bei bisherigen Kolbenpumpen im Kontaktbereich zwischen Stirnfläche der Dichtung und Gegenfläche des Pumpengehäuses zu einem sichelförmigen Spalt führen kann, durch den ein Leckagestrom entsteht, der einen schnellen Aufbau des Drucks und damit die „Aktivierung“ der Dichtung behindert und somit zu einer Liefergradverschlechterung der Kolbenpumpe führt. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird auch bei einer solchen Schiefstellung das Entstehen des besagten sichelförmigen Spalts verhindert oder zumindest verringert. Stattdessen wird ein umlaufend kleinstmöglicher und in etwa paralleler Ringspalt, wenn überhaupt, sichergestellt. Eine gute Funktion der Kolbenpumpe, also ein schneller Aufbau des Drucks, eine geringe Leckagerate und ein guter Liefergrad, wird auf diese Weise sichergestellt, und dabei können die bisher üblichen Fertigungstoleranzen der Kolbenführung weiter gefasst werden, da die besagte Schiefstellung durch die Erfindung kompensiert wird. Hierdurch werden neue Fertigungstechniken ermöglicht, durch die Kosten eingespart werden können. Auch eine aufwändige Nachbearbeitung von Kontaktflächen (Paarungsschleifen) ist nicht mehr notwendig. Dies alles ist möglich, ohne dass das grundsätzliche Design bisheriger Kolbenpumpen verändert werden müsste.
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Konkret erreicht wird dies durch eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine. Eine solche Kraftstoff-Hochdruckpumpe kommt sowohl bei Diesel- als auch bei Benzin-Brennkraftmaschinen zum Einsatz. Üblicherweise verdichtet sie den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn in eine Kraftstoff-Sammelleitung („Rail“), von wo aus der Kraftstoff mittels Injektoren direkt in zugeordnete Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe umfasst ein Pumpengehäuse und einem Pumpenkolben. Der Pumpenkolben ist im Pumpengehäuse durch eine Kolbenführung geführt. Diese kann beispielsweise als axial voneinander beabstandete Führungsringe ausgestaltet sein, die in einer Ausnehmung im Pumpengehäuse gehalten sind.
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Zwischen dem Pumpenkolben und dem Pumpengehäuse ist ein radialer Spalt vorhanden, der durch eine ringförmige Dichtung abgedichtet wird. Die Dichtung ist also bereichsweise zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben angeordnet. Eine radiale Innenfläche der Dichtung liegt im Betrieb wenigstens bereichsweise an einer radialen Außenfläche des Pumpenkolbens an. Mindestens mit einem Bereich einer Stirnfläche liegt die Dichtung im Betrieb axial an einer Gegenfläche des Pumpengehäuses an. Die Gegenfläche des Pumpengehäuses kann beispielsweise durch eine ringförmige Stirnfläche eines Halterings geschaffen werden, der in einer Ausnehmung im Pumpengehäuse aufgenommen ist, beispielsweise in diese eingepresst und/oder mit dem Pumpengehäuse verschweißt ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Stirnfläche der Dichtung und/oder die Gegenfläche des Pumpengehäuses wenigstens bereichsweise sphärisch gekrümmt ausgebildet sind/ist. Der Mittelpunkt der sphärischen Krümmung liegt dabei vorzugsweise in etwa auf der Längsachse des Pumpenkolbens bzw. der Dichtung. Es wird auf diese Weise eine Art „Kugelgelenk“ geschaffen, welches ein Verkippen der Stirnfläche der Dichtung relativ zum Gehäuse gestattet, ohne dass hierdurch ein wesentlicher Spalt zwischen der Stirnfläche und der Gegenfläche gebildet wird.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass sowohl die Stirnfläche der Dichtung als auch die Gegenfläche des Pumpengehäuses wenigstens bereichsweise sphärisch gekrümmt ausgebildet sind, und dass die Stirnfläche und die Gegenfläche zueinander wenigstens im Wesentlichen komplementär ausgebildet sind. Die eine Fläche wird auf diese Weise zur „Kugel“ des Kugelgelenks, und die andere Fläche zur „Pfanne“ des Kugelgelenks, in der die Kugel aufgenommen ist. Dies sorgt für eine bestmögliche Verhinderung einer Spaltbildung bei einer Schiefstellung der Dichtung.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Stirnfläche der Dichtung konvex und die gehäuseseitige Gegenfläche konkav ausgebildet sind. Eine solche Ausgestaltung hat fertigungstechnische Vorteile. Grundsätzlich denkbar ist aber auch die umgekehrte Ausgestaltung.
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Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass ein Krümmungsradius der sphärisch gekrümmten Ausbildung der Stirnfläche der Dichtung größer ist als ein Krümmungsradius der sphärisch gekrümmten Ausbildung der Gegenfläche des Pumpengehäuses. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Erstkontakt zwischen Stirnfläche und Gegenfläche zumindest zunächst (bei Beginn des Druckaufbaus) vorwiegend in einem radial äußeren Bereich stattfindet.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Krümmungsradius der sphärisch gekrümmten Ausbildung mindestens ungefähr einer Führungslänge (Abstand beispielsweise zwischen zwei Führungsringen) des Pumpenkolbens im Pumpengehäuse entspricht. Diese Dimensionierung deckt sehr gut eine maximale Schiefstellung ab, ohne dass die Ausgestaltung der Stirnfläche und/oder der Gegenfläche zu komplex wird.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dichtung wenigstens im Wesentlichen aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist. Zwar kompensiert eine solche Kunststoff-Dichtung aufgrund der relativen Weichheit des Materials kleinere Schiefstellungen zwischen Pumpenkolben und Kolbenführung relativ gut. In der Realität können jedoch Schiefstellungen bis zu ungefähr 1,5° vorkommen, die gerade bei einer kleinen Spielpassung zwischen Dichtung und Pumpenkolben durch die Weichheit der Dichtung nicht mehr kompensiert werden kann. Hier sorgt die erfindungsgemäße Maßnahme für besondere Vorteile.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dichtung wenigstens im Wesentlichen aus Metall, insbesondere aus Stahl hergestellt ist. Anders als bei der gerade beschriebenen Dichtung aus Kunststoffmaterial kann eine Dichtung, die im wesentlichen aus Metall hergestellt ist, aufgrund der relativen Steifigkeit des Materials selbst kleinere Schiefstellungen zwischen Pumpenkolben und Kolbenführung nicht oder kaum durch eine Verformung der Dichtung ausgleichen. Hier käme es, ohne die erfindungsgemäße Maßnahme, selbst bei kleinsten Schiefstellungen bereits zur Ausbildung des oben erwähnten sichelförmigen Spalts zwischen Stirnfläche und Gegenfläche. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird es möglich gemacht, die besagte Dichtung aus Metall herzustellen, was unter anderem im Hinblick auf den Verschleiß erhebliche Vorteile hat.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Stirnfläche der Dichtung an einem sich radial nach außen erstreckenden umlaufenden Kragen der Dichtung vorhanden ist, der in einem radial äußeren Bereich dünner ist als in einem radial inneren Bereich. Hierdurch wird erreicht, dass bereits bei einem vergleichsweise geringen Druck in einem Förderraum der Kolbenpumpe bzw. einer vergleichsweise geringen Druckdifferenz über die Dichtung hinweg die Stirnfläche im radial äußeren Bereich des Kragens gegen die Gegenfläche gedrückt und hierdurch der Spalt zwischen Stirnfläche und Gegenfläche geschlossen wird.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Stirnfläche und die Gegenfläche wenigstens bereichsweise feinbearbeitet, insbesondere geschliffen sind. Mittels einer solchen Feinbearbeitung kann erreicht werden, dass zwischen den beiden kooperierenden Flächen ein „hydraulisches Kleben“ stattfindet, wodurch die Abdichtung nochmals verbessert wird.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Pt-Wert der Stirnfläche und der Gegenfläche höchstens ungefähr 1 µm beträgt. Ein solcher Pt-Wert ist ein optimaler Kompromiss zwischen Bearbeitungsaufwand und Effizienz der Abdichtung.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe mit einer ringförmigen Dichtung und einem Pumpenkolben;
- 2 eine schematisierte vergrößerte Darstellung der ringförmigen Dichtung und des Pumpenkolbens von 1; und
- 3 eine Darstellung ähnlich zu 2 der ringförmigen Dichtung und des Pumpenkolbens;
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Eine Kolbenpumpe in Form einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Die Kolbenpumpe 10 gehört zu einem nicht weiter gezeichneten Kraftstoffsystem einer Brennkraftmaschine. Sie fördert den Kraftstoff üblicherweise zu einem Kraftstoffrail, an welches mehrere Injektoren angeschlossen sind, die den Kraftstoff in Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen.
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Die Kolbenpumpe 10 umfasst ein nicht dargestelltes Einlassventil und ein ebenfalls nicht dargestelltes Auslassventil sowie ein Pumpengehäuse 12. In diesem ist ein Pumpenkolben 14 hin- und her bewegbar aufgenommen. Der Pumpenkolben 14 wird durch einen nicht dargestellten Antrieb in Bewegung versetzt. Bei dem Antrieb kann es sich beispielsweise um eine Nockenwelle oder eine Exzenterwelle der Brennkraftmaschine handeln.
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Der Pumpenkolben 14 ist vorliegend beispielhaft als Stufenkolben ausgebildet mit einem Abschnitt 16 mit kleinerem Durchmesser und einem Abschnitt 18 mit größerem Durchmesser. Der Abschnitt 18 des Pumpenkolbens 14 mit größerem Durchmesser begrenzt zusammen mit dem Pumpengehäuse 12 einen nur symbolisch dargestellten und in 1 oben angeordneten Förderraum 20. Das Pumpengehäuse 12 kann als ein insgesamt rotationssymmetrisches Teil ausgebildet sein. Der Pumpenkolben 14 ist im Pumpengehäuse 14 in einer dort vorhandenen Aufnahmeöffnung 22 aufgenommen, die als eine gestufte Bohrung 24 ausgebildet ist mit vorliegend dargestellten Abschnitten 24', 24" und 24''', die jeweils unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
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Zwischen dem Abschnitt 18 des Pumpenkolbens 14 und einer inneren Umfangswand der Bohrung 24 ist im Bereich des Abschnitts 24" eine ringförmige Dichtung 26 angeordnet. Diese dichtet unmittelbar zwischen dem Pumpenkolben 14 und dem Pumpengehäuse 12, und dichtet somit den sich in 1 oberhalb von der ringförmigen Dichtung 26 befindlichen Förderraum 20 („Hochdruckbereich“) gegenüber dem in 1 unterhalb von der ringförmigen Dichtung 26 angeordneten Bereich („Niederdruckbereich“) ab. Auf die genaue Ausgestaltung und Funktion der ringförmigen Dichtung 26 wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen werden.
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Zwischen dem Abschnitt 18 des Pumpenkolbens 14 und der inneren Umfangswand der Bohrung 24 ist in deren Abschnitt 24' ein von der ringförmigen Dichtung 26 separates ringförmiges Führungselement 28 angeordnet. Das Führungselement 28 befindet sich funktional zwischen der ringförmigen Dichtung 26 und dem Förderraum 20. Es dient zur Führung des Pumpenkolbens 14. Zwischen dem Führungselement 28 und der ringförmigen Dichtung 26 kann ein nicht gezeichnetes Vorspannelement, beispielsweise eine Feder, angeordnet sein, welche die ringförmige Dichtung 26 in 2 nach unten gegen ein funktional zum Pumpengehäuse 12 zu zählendes ringförmiges Halteelement 30 beaufschlagt, welches im Abschnitt 24''' der Bohrung 24 bzw. der Aufnahmeöffnung 22 angeordnet ist. Die ringförmige Dichtung 26 liegt am Halteelement 30 derart an, dass dort eine statische Dichtstelle gebildet wird, welche die Dichtung 26 gegenüber dem Halteelement 30 und somit gegenüber dem Pumpengehäuse 12 abdichtet. Hierauf wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen werden.
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Das Halteelement 30 kann in das Pumpengehäuse 12 eingepresst sein, oder es kann in der Bohrung 24 verstemmt oder mit dem Pumpengehäuse 12 verschweißt sein. Die Kolbenpumpe 10 weist ein weiteres Führungselement 32 auf, welches ebenfalls ringförmig ist und in einem Träger 34 angeordnet ist. Auch das Führungselement 32 dient zur Führung des Pumpenkolbens 14 relativ zum Pumpengehäuse 12. Der Abstand zwischen den beiden Führungselementen 28 und 32 bildet eine Führungslänge F des Pumpenkolbens 14.
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Nun wird unter Bezugnahme auf die 2 und 3 die genaue Ausgestaltung der ringförmigen Dichtung 26 und des Halteelements 30 erläutert: die ringförmige Dichtung 26 umfasst in den 2 und 3 von oben nach unten gesehen zunächst einen hülsenförmigen und zylindrischen und vergleichsweise langen Abschnitt 36 mit konstanter Wanddicke D1. An diesen schließt sich ein vergleichsweise kurzer Abschnitt 38 mit einer Wanddicke D2 an, die kleiner ist als die Wanddicke D1. Dies wird erreicht durch eine Einschnürung 40 auf der radialen Außenseite der Dichtung 26. An den kurzen Abschnitt 38 schließt sich ein in der Art eines Kragens 42 ausgeformter und nach radial außen weisender Anlageabschnitt an. Der Kragen weist auf seiner in den Figuren unteren und zum Halteelement 30 weisenden axialen Außenseite eine ringförmige umlaufende Stirnfläche 44 auf. Gegenüberliegend von der Stirnfläche 44 weist das Halteelement 30 eine zur Stirnfläche 44 hin weisende ringförmige umlaufende Gegenfläche 46 auf. Aus den Figuren ist ersichtlich, dass der Kragen 42 in einem radial äußeren Bereich eine geringere Dicke D3 aufweist als in einem radial inneren Bereich (Dicke D4).
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Insbesondere aus den 2 und 3 ist ersichtlich, dass in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform sowohl die Stirnfläche 44 als auch die Gegenfläche 46 sphärisch gekrümmt ausgebildet sind. Dabei ist die Stirnfläche 44 konvex und die Gegenfläche 46 konkav ausgebildet, so dass sie wenigstens im wesentlichen komplementär zueinander sind, ähnlich einem Kugelgelenk. Die Stirnfläche 44 bildet dabei die „Kugel“, wohingegen die Gegenfläche 46 die „Pfanne“ bildet. Ebenfalls aus den 2 und 3 erkennt man, dass ein Krümmungsradius R1 der sphärisch gekrümmten Ausbildung der Stirnfläche 44 der Dichtung 26 größer ist als ein Krümmungsradius R2 der sphärisch gekrümmten Ausbildung der Gegenfläche 46 des Halteelements 30 des Pumpengehäuses 12. In der in den 2 und 3 gezeichneten Ruhelage (Förderraum 20 weitgehend drucklos) ist somit ein Spalt 50 zwischen der Stirnfläche 44 und der Gegenfläche 46 in einem radial äußeren Bereich kleiner als in einem radial inneren Bereich.
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Das Krümmungszentrum sowohl der Stirnfläche 44 als auch der Gegenfläche 46 liegt dabei in etwa auf einer Längsachse 48 des Pumpenkolbens 14 bzw. der Dichtung 26 (1). Der Unterschied zwischen den beiden Radien R1 und R2 ist allerdings vergleichsweise gering. Insgesamt entsprechen beide Radien R1 und R2 ganz grob der oben genannten Führungslänge F des Pumpenkolbens 14 im Pumpengehäuse 12.
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In der vorliegend gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist die ringförmige Dichtung 26 wenigstens im Wesentlichen aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Denkbar ist dabei, dass im Bereich des zylindrischen Abschnitts 36 ein dünnes und hülsenförmiges Versteifungsteil (nicht gezeichnet) vorhanden ist. Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform ist die ringförmige Dichtung 26 wenigstens im wesentlichen aus Metall, insbesondere aus Stahl hergestellt.
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Sowohl die Stirnfläche 44 als auch die Gegenfläche 46 können bei einer nicht dargestellten Ausführungsform fein bearbeitet, beispielsweise geschliffen sein, vorzugsweise mit einem Pt-Wert von höchstens ungefähr 1 µm.
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Nachfolgend werden der Betrieb und die Funktion der Dichtung 26 erläutert: Wenn der Förderraum 20 drucklos ist, herrscht an allen Stellen auf der Außenseite der Dichtung 26 der gleiche Druck, nämlich Umgebungsdruck, und zwischen einer inneren und in dieser Betriebssituation geraden Mantelfläche 52 der ringförmigen Dichtung 26 und einer äußeren Mantelfläche 54 des Pumpenkolbens 14 ist ein gleichförmiger Spalt 56 mit im wesentlichen konstanter Dicke vorhanden. Die Stirnfläche 44 liegt im radial äußeren Bereich des Kragens 42 an der Gegenfläche 46 an, oder es ist ein geringer Spalt 50 zwischen der Stirnfläche 44 und der Gegenfläche 46 vorhanden, wie in den 2 und 3 gezeichnet.
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Wird die Kolbenpumpe 10 in Betrieb genommen, wird während eines Förderhubs das Fluid im Förderraum 20 auf einen sehr hohen Druck komprimiert. Dieser Druck wirkt im Wesentlichen unvermindert über den Spalt zwischen dem Pumpenkolben 14 und dem Pumpengehäuse 12 in 1 oberhalb vom Führungselement 28 und auf in den Figuren nicht sichtbare Art und Weise über das Führungselement 28 hinweg bis zur ringförmigen Dichtung 26. Auf diese Weise liegt an einer in den 2 und 3 oberen Stirnfläche 58 der Dichtung 26, an einer radial äußeren Mantelfläche 60 des zylindrischen Abschnitts 36 und des kurzen Abschnitts 38 sowie an einer zum Förderraum 20 weisenden Stirnfläche 62 des Kragens 42 und einer radial äußeren Mantelfläche 64 des Kragens 42 im Wesentlichen der im Förderraum 20 herrschende Druck.
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Auch im in den 2 und 3 oben gelegenen Bereich der inneren Mantelfläche 52 der Dichtung 26 herrscht dieser Druck. Im Spalt 56 herrscht aufgrund der viskosen bzw. reibungsbehafteten Strömung durch den Spalt 54 in den 2 und 3 von oben nach unten bzw. vom Hochdruckbereich hin zum Niederdruckbereich jedoch ein Druckgefälle. Im Bereich des kurzen Abschnitts 38 ist der auf die innere Mantelfläche 52 der Dichtung 26 wirkende Druck somit deutlich kleiner als der dort auf die äußere Mantelfläche 60 wirkende Druck. Daher wird die Dichtung 26 insbesondere im Bereich der Einschnürung 40 nach radial innen gedrückt und der Spalt 56 verringert und hierdurch eine Abdichtung geschaffen.
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Entlang der radialen Erstreckung des Kragens 42 ergibt sich ebenfalls ein Druckgefälle Δp im Spalt 50. Dieses sorgt im Zusammenspiel mit der veränderlichen Dicke D3 bzw. D4 des Kragens 42 und den unterschiedlichen Krümmungsradien R1 und R2 dafür, dass die Stirnfläche 44 zuerst in einem radial äußeren Bereich in Kontakt mit der Gegenfläche 46 gelangt und hierdurch eine Abdichtung geschaffen. Sind, wie oben erwähnt, die Stirnfläche 44 und die Gegenfläche 46 fein bearbeitet, beispielsweise geschliffen, ergibt sich zwischen der Stirnfläche 44 und der Gegenfläche 46 ein sogenanntes „hydraulisches Kleben“, wodurch die Abdichtung nochmals verbessert wird.
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Man erkennt ohne weiteres aus den Darstellungen der 1-3, dass dann, wenn es beispielsweise aufgrund des Führungsspiels zwischen einerseits den beiden Führungselementen 28 und 32 und andererseits dem Pumpenkolben 14 zu einer Schiefstellung des Pumpenkolbens 14 kommt, die Dichtung 26 zusammen mit dem Pumpenkolben 14 verkippen kann, wobei sich die Stirnfläche 44 aufgrund der sphärischen Krümmung relativ zur Gegenfläche 46 in etwa parallel verschieben kann, ohne dass sich hierdurch das Maß des Spalts 50 zwischen der Stirnfläche 44 und der Gegenfläche 46 wesentlich verändert. Die Abdichtung der Dichtung 26 in Axialrichtung gegen das Halteelement 30 bzw. das Pumpengehäuse 12 bleibt von einer solchen Schiefstellung des Pumpenkolbens 14 somit weitgehend unbeeinflusst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212498 A1 [0002]
