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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, insbesondere eine Kraftstoff-Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffsystem einer 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 Hochdruckdichtung zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben. Als Hochdruckdichtung kommt ein gegenüber dem Pumpengehäuse stationärer Dichtring zum Einsatz, der aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist. In axialer Richtung des Pumpenkolbens gesehen wird die Hochdruckdichtung von einer Vorspanneinrichtung gegen eine dem Pumpengehäuse zugeordnete Gegenfläche beaufschlagt.
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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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Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe hat den Vorteil, dass insbesondere beim anfänglichen Betrieb der Kolbenpumpe die Leckage zwischen Hochdruckdichtung und Pumpengehäuse reduziert wird, wodurch das „Startverhalten“ der Kolbenpumpe verbessert wird. Mit anderen Worten: beim Start der Kolbenpumpe wird schneller ein hoher Druck in einem Förderraum der Kolbenpumpe aufgebaut als ohne die erfindungsgemäße Maßnahme.
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Konkret wird eine Kolbenpumpe vorgeschlagen, insbesondere eine Hochdruck-Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffsystem einer 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 einen Pumpenkolben, der in einer Aufnahmeöffnung eines Pumpengehäuses aufgenommen ist. Das Pumpengehäuse begrenzt zusammen mit dem Pumpenkolben und eventuell noch weiteren Komponenten einen Förderraum, in dem der Kraftstoff verdichtet werden kann. Angetrieben wird der Pumpenkolben typischerweise durch einen Nocken.
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Der Kolben wird typischerweise in einer gestuften Ausführung ausgeführt, wobei dieser einen Abschnitt mit einem größeren Führungsdurchmesser (mit den Funktionen: (a) Realisierung Abdichtung gegenüber einem Hochdruckbereich und (b) Führung Kolben) sowie einen Abschnitt mit einem kleineren Schaftdurchmesser (mit der Funktion: Realisierung Abdichtung gegen Antriebsbereich) besitzt. Über diese Durchmesserabstufung realisiert der Pumpenkolben zusätzlich während seines Hubs eine Pumpfunktion, mit der er Fluid von jenem Raum, in welchem die Durchmesserstufe angeordnet ist, in einen Niederdruckbereich zurückfördert.
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Radial außerhalb von dem und ringförmig um den Pumpenkolben herum ist eine mit dem Pumpenkolben wenigstens zeitweise zusammenwirkende Hochdruckdichtung angeordnet. Diese ist typischerweise ring- bzw. hülsenförmig ausgebildet. Sie dichtet unter anderem einen radialen Spalt zwischen dem Pumpenkolben und der Aufnahmeöffnung im Pumpengehäuse ab, wobei „radial“ hier und nachfolgend als eine Richtung verstanden wird, die wenigstens in etwa orthogonal zur Längsachse der oben erwähnten Aufnahmeöffnung im Pumpengehäuse bzw. orthogonal zur Längsachse des Pumpenkolbens ist. Die Hochdruckdichtung ist also bereichsweise zwischen dem Pumpengehäuse und dem Pumpenkolben und im Wesentlichen koaxial zum Pumpenkolben angeordnet.
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Eine radiale Innenfläche der Hochdruckdichtung liegt im normalen Betrieb der Kolbenpumpe wenigstens bereichsweise an einer radialen Außenfläche des Pumpenkolbens an. Mindestens mit einem Bereich einer Stirnfläche eines axialen Endbereichs liegt die Hochdruckdichtung im Normalbetrieb der Kolbenpumpe axial an einer dem Pumpengehäuse zugeordneten Gegenfläche an, die auf der vom Förderraum abgewandten Seite der Hochdruckdichtung angeordnet ist. Der hier angesprochene axiale Endbereich der Hochdruckdichtung ist also jener Bereich, der in Richtung der Längsachse des Pumpenkolbens gesehen vom Förderraum entfernt angeordnet ist. Die Gegenfläche kann beispielsweise durch eine ringförmige Stirnfläche eines Halteelements geschaffen werden, das in der Aufnahmeöffnung im Pumpengehäuse aufgenommen ist, beispielsweise in diese eingepresst und/oder mit dem Pumpengehäuse verschweißt ist. Die Hochdruckdichtung wird somit durch dieses Halteelement in der Aufnahmeöffnung axial in einer Richtung vom Förderraum weg festgelegt.
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Die Anlage der radialen Innenfläche der Hochdruckdichtung am Pumpenkolben und der axialen Stirnfläche der Hochdruckdichtung an der Gegenfläche kann bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe ebenso wie bei entsprechenden Hochdruckdichtungen aus dem Stand der Technik im Normalbetrieb der Kolbenpumpe insbesondere durch einen vom Förderraum her wirkenden vergleichsweise hohen Hydraulikdruck bewirkt werden, der an einer radialen Außenfläche der Hochdruckdichtung und an einer in axialer Richtung vom Förderraum weg wirkenden Fläche der Hochdruckdichtung angreift. Die gewünschte maximale Dichtwirkung der Hochdruckdichtung ergibt sich somit erst nach Aufnahme des Betriebs der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe. Die Hochdruckdichtung wird somit durch die Aufnahme des Betriebs der Kolbenpumpe „aktiviert“.
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Wie gerade erwähnt, wird die Hochdruckdichtung erst durch die Aufnahme des Betriebs der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe aktiviert, unter anderem indem der steigende Druck eine zunehmende hydraulische Kraft auf eine vom Förderraum weg wirkenden Fläche der Hochdruckdichtung ausübt, wodurch ein anfänglich zwischen der Hochdruckdichtung und der Gegenfläche vorhandener Spalt zunehmend verkleinert wird und immer weniger Leckagefluid durch den Spalt abströmen kann. Um nun bereits in den ersten Momenten der Aufnahme des Betriebs der Kolbenpumpe die Menge an Leckagefluid durch den besagten Spalt zu reduzieren, weist die Hochdruckdichtung an einem zu der Gegenfläche benachbarten Endbereich mindestens eine insgesamt nach radial außen abragende und in Umfangsrichtung umlaufende Dichtlippe auf. Diese wirkt mit der Gegenfläche und/oder einer Innenfläche der Aufnahmeöffnung zusammen und sorgt so für eine zumindest gewisse Abdichtung des ansonsten vorhandenen Leckagepfads auch ohne oder bei nur geringer Aktivierung der Hochdruckdichtung.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird auch der Tatsache entgegengewirkt, dass es durch geometrische Formtoleranzen (Ebenheit der Gegenfläche und/oder Ebenheit an der Hochdruckdichtung), einen Verzug an der Hochdruckdichtung oder eine schiefe Gegenfläche zu Leckagestellen kommen kann. Eine nichtplane Fläche an der Hochdruckdichtung oder an der Gegenfläche lässt nämlich den jeweiligen Dichtungspartner nicht vollflächig aufliegen, wodurch kleine Leckagepfade entstehen können, über welche das Fluid in Form von Leckage abfließen kann. Legt man die Gleichung für eine Spaltdurchströmung zugrunde, dann ist der Leckagestrom an der axialen Abdichtung zwischen Hochdruckdichtung und Gegenfläche im Wesentlichen durch die Spalthöhe und die Spaltlänge beeinflussbar. Durch die Dichtlippe wird insbesondere die Spaltlänge dichtend beeinflusst.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dichtlippe aus dem gleichen Material wie der Endbereich der Hochdruckdichtung ist. Dies ist fertigungstechnisch sehr einfach.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dichtlippe aus einem anderen Material als der Endbereich der Hochdruckdichtung hergestellt ist. Hierdurch wird eine spezifische Anpassung der Dichtfunktion der Dichtlippe an die Gegebenheiten der Kolbenpumpe ermöglicht, und somit eine bestmögliche Abdichtung gewährleistet, ohne die Führungs- und Dichtfunktion zwischen Hochdruckdichtung und Pumpenkolben zu beeinträchtigen.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Material der Dichtlippe elastischer ist als das Material des Endbereichs der Hochdruckdichtung. Diese Kombination ist besonders günstig für eine einerseits gute Abdichtung durch die Dichtlippe (statische Abdichtung) und andererseits eine verschleißresistentere Materialpaarung zwischen Hochdruckdichtung und Pumpenkolben (dynamische Abdichtung).
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dichtlippe an den Endbereich der Hochdruckdichtung angespritzt oder vom Material des Endbereichs der Hochdruckdichtung umspritzt ist. Hierdurch lässt sich besonders leicht ein vom Endbereich der Hochdruckdichtung anderes Material der Dichtlippe realisieren.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Querschnitt mindestens eines Bereichs der Dichtlippe dreieckig, rechteckig oder trapezförmig ist. Diese Querschnitte haben eine besonders gute Dichtwirkung. Grundsätzlich sind aber auch andere, ja geradezu beliebige dichtungsoptimierte Geometrien für die Dichtlippe denkbar, beispielsweise ähnlich zu einem Wellendichtring.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein radial außen von der Dichtlippe angeordneter Bereich der Aufnahmeöffnung eine Ausnehmung aufweist, welche zur Dichtlippe wenigstens bereichsweise komplementär ausgebildet ist und in der die Dichtlippe wenigstens bereichsweise aufgenommen ist. Bei dieser Weiterbildung kann auf eine elastische Vorspanneinrichtung, beispielsweise eine Dichtungsfeder, verzichteten werden, wodurch die Ausführung der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe nochmals wesentlich vereinfacht wird. Durch die wenigstens bereichsweise Aufnahme der Dichtlippe in der Ausnehmung kann nämlich die axiale Bewegung der Hochdruckdichtung begrenzt werden, und bei einem axialen Abheben der Hochdruckdichtung von der Gegenfläche kommt die Dichtlippe in Kontakt mit dem von der Gegenfläche abgewandten Bereich der Ausnehmung, wodurch auf diese Weise dennoch der Leckagepfad abgedichtet bzw. zumindest reduziert wird.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dichtlippe in der Ausnehmung mit radialem Spiel aufgenommen ist. Hierdurch wird eine in radialer Richtung schwimmende Lagerung der Hochdruckdichtung ermöglicht, wodurch einseitige Querkräfte auf die Hochdruckdichtung durch einen nicht exakt koaxialen Pumpenkolben reduziert oder sogar ganz vermieden werden.
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Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Dichtlippe in der Ausnehmung mit axialem Spiel aufgenommen ist. Hierdurch wird auch ein gewisses Verkippen der Hochdruckdichtung ermöglicht, wodurch nochmals einseitige Querkräfte auf die Hochdruckdichtung durch einen nicht exakt koaxialen Pumpenkolben reduziert oder sogar ganz vermieden werden.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen teilweisen Längsschnitt durch eine Kolbenpumpe mit einem Pumpengehäuse und mit einer Hochdruckdichtung;
- 2 eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung eines Bereichs der Hochdruckdichtung und des Pumpengehäuses von 1; und
- 3 einen teilweisen und stärker detaillierten Schnitt ähnlich zu 2 einer alternativen Ausführungsform.
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Nachfolgend tragen funktionsäquivalente Elemente und Bereiche auch in unterschiedlichen Figuren und in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen. Sie werden üblicherweise nur einmal im Detail erläutert.
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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 im Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen.
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Die Kolbenpumpe 10 umfasst ein steuerbares Einlassventil 12 und ein als Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 14, sowie ein Pumpengehäuse 16. In diesem ist eine Aufnahmeöffnung 18 für einen Pumpenkolben 20 vorliegend beispielhaft in Form einer stufenförmigen Sacklochbohrung vorhanden. Der Pumpenkolben 20 kann in der Aufnahmeöffnung 18 parallel zu einer Längsachse 22 der Aufnahmeöffnung 18 bewegt werden. Hierzu dient ein in der Zeichnung nicht dargestellter Antrieb. Bei diesem kann es sich beispielsweise um eine Nockenwelle oder eine Exzenterwelle der Brennkraftmaschine handeln. Die Längsachse 22 ist im Wesentlichen auch die Längsachse des Pumpenkolbens 20.
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Der Pumpenkolben 20 ist vorliegend beispielhaft als Stufenkolben ausgebildet mit einem Abschnitt 24 mit kleinerem Durchmesser und einem Abschnitt 26 mit größerem Durchmesser. Der Abschnitt 26 des Pumpenkolbens 20 mit größerem Durchmesser begrenzt zusammen mit dem Pumpengehäuse 16 einen Förderraum 28. Dieser ist über nicht weiter bezeichnete Kanäle fluidisch mit dem Einlassventil 12 und dem Auslassventil 14 verbunden. Das Pumpengehäuse 16 kann als ein insgesamt in etwa rotationssymmetrisches bzw. mehreckiges Teil ausgebildet sein. Der Pumpenkolben 20 ist im Pumpengehäuse 16 in der Aufnahmeöffnung 18 aufgenommen.
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Zwischen dem Abschnitt 26 des Pumpenkolbens 20 und einer inneren Umfangswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 ist eine hülsenförmige bzw. ringförmige Hochdruckdichtung 32 angeordnet, die aus einem Kunststoffmaterial (bspw. PTFE o.ä.) hergestellt ist. Diese dichtet, wie weiter unten noch stärker im Detail dargelegt werden wird, unmittelbar zwischen dem Pumpenkolben 20 und dem Pumpengehäuse 16, und dichtet somit den sich in 1 oberhalb von der ringförmigen Hochdruckdichtung 32 befindenden Förderraum 28 („Hochdruckbereich“) gegenüber dem in 1 unterhalb von der ringförmigen Hochdruckdichtung 32 angeordneten Bereich („Niederdruckbereich“) ab. In einer axialen Richtung des Pumpenkolbens 20 gesehen zum Förderraum 28 hin befindet sich ein ringförmiges Führungselement 34. Das Führungselement 34 bildet ein in 1 oberes Gleitlager für den Pumpenkolben 20.
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In 1 unterhalb von der Hochdruckdichtung 34 ist ein ebenfalls hülsenförmiges bzw. ringförmiges Halteelement 36 vorhanden, welches in einem in 1 unteren Bereich der Aufnahmeöffnung 18 angeordnet ist, beispielsweise in die Aufnahmeöffnung 18 eingepresst ist. Das Halteelement 36 ist somit in axialer Richtung des Pumpenkolbens 20 gesehen auf der vom Förderraum 28 abgewandten Seite der Hochdruckdichtung 32 angeordnet. Die Hochdruckdichtung 32 liegt im Normalbetrieb der Kolbenpumpe 10 an einer der Hochdruckdichtung 32 zugewandten Gegenfläche 38 des Halteelements 36 derart an, dass dort eine statische Dichtstelle gebildet wird, welche die Hochdruckdichtung 32 gegenüber dem Halteelement 36 abdichtet. In 1 unterhalb vom Pumpengehäuse 16 ist ein Dichtungshalter 40 an diesem befestigt, der eine Niederdruckdichtung 42 sowie eine in 1 unteres Führungselement 44 für den Pumpenkolben 20 haltert.
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Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, umfasst die Kolbenpumpe 10 ferner eine Vorspanneinrichtung 46, welche einen in den 1 und 2 unteren ersten axialen Endbereich 48 der Hochdruckdichtung 32, der einen sich nach radial außen erstreckenden Ringbund umfasst bzw. durch diesen gebildet wird, in axialer Richtung, also in Richtung der Längsachse 22 gesehen, gegen die dem Pumpengehäuse zugeordnete Gegenfläche 38 des Halteelements 36 beaufschlagt. Grundsätzlich könnte die vorliegende Kolbenpumpe 10 jedoch auch ohne eine solche Vorspanneinrichtung 46 ausgeführt werden. Der axiale Endbereich 48 ist einstückig mit einem hülsenförmigen Körper 50 der Hochdruckdichtung 32 ausgebildet.
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Die Hochdruckdichtung 32 weist an dem zu der Gegenfläche 38 benachbarten axialen Endbereich 48 eine nach radial außen abragende und in Umfangsrichtung umlaufende Dichtlippe 52 auf. Genauer gesagt erstreckt sich die Dichtlippe 52 von einem in den Figuren unteren und zu der Gegenfläche 38 unmittelbar benachbarten Rand einer radial äußeren Mantelfläche 53 des Endbereichs 48. Vorliegend beispielhaft hat die Dichtlippe 52 einen insgesamt dreieckigen Querschnitt. In alternativen nicht gezeigten Ausführungsformen könnte die Dichtlippe auch viereckig oder trapezförmig sein oder eine ganz andere geeignete Querschnittsform aufweisen.
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Bei der Ausführungsform der 1 und 2 ist die Dichtlippe 52 aus einem anderen Material als der Endbereich 48 und der Körper 50 der Hochdruckdichtung 32 hergestellt. Dabei ist das Material der Dichtlippe 52 deutlich elastischer als das Material des Endbereichs 48. Beispielsweise kann die Dichtlippe 52 aus einem gummielastischen Material hergestellt sein, wohingegen der Endbereich 48 und auch der Körper 50 der Hochdruckdichtung 32 aus einem vergleichsweise harten, beispielsweise einem PTFE-Material hergestellt sein können. Dabei ist vorliegend beispielhaft die Dichtlippe 52 an den Endbereich 48 der Hochdruckdichtung 32 angespritzt, beispielsweise im Zweikomponentenspritzguss. Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform könnte die Dichtlippe auch vom Material des Endbereichs der Hochdruckdichtung umspritzt sein.
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Radial außen von der Dichtlippe 52 weist die Aufnahmeöffnung 18 eine in Umfangsrichtung umlaufende Ausnehmung 54 auf, die zur Dichtlippe 52 komplementär ausgebildet ist und in der die Dichtlippe 52 weitgehend vollständig aufgenommen ist. Da vorliegend die Ausnehmung 54 im Bereich eines Absatzes 56 der als Stufenbohrung ausgeführten Aufnahmeöffnung 18 gebildet ist, hat die Ausnehmung 54 vorliegend die Form einer schrägen Fase, und sie wird einerseits (nach oben und nach radial außen) durch das Pumpengehäuse 16 und andererseits (nach unten) durch das Halteelement 36 begrenzt. Der Absatz 56 dient dem Halteelement 36 als Anlagefläche.
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Durch das komplementäre Zusammenwirken von Dichtlippe 52 und Ausnehmung 54 wird die Hochdruckdichtung 32 in axialer Richtung im Wesentlichen festgelegt auch dann, wenn keine Vorspanneinrichtung 46 vorhanden wäre. Ferner wirkt die Dichtlippe 52 dann, wenn sie sich in axialer Richtung in den Figuren nach oben bewegt, mit ihrer Oberseite mit der Gegenfläche der Ausnehmung 54 zusammen, wodurch eine Abdichtung geschaffen wird auch dann, wenn der Endbereich 48 der Hochdruckdichtung 32 von der Gegenfläche 38 abgehoben hat. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn sich der Pumpenkolben 20 unmittelbar zu Beginn des Betriebs der Kolbenpumpe 10 in Richtung Förderraum 28 bewegt, ohne dass die Hochdruckdichtung 32 durch einen bereits vorhandenen hohen Druck mit dem Endbereich 48 gegen die Gegenfläche 38 des Halteelements 36 beaufschlagt werden könnte.
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Man erkennt aus 2, dass die Dichtlippe 52 in der Ausnehmung 54 sowohl mit radialem als auch mit axialem Spiel (ohne Bezugszeichen) aufgenommen ist, also in der dargestellten Lage ein geringer radialer Abstand als auch ein geringer axialer Abstand zwischen der Dichtlippe 52 und der Ausnehmung 54 vorhanden ist. Auch zwischen der radial äußeren Mantelfläche 53 des Endbereichs 48 und der inneren Begrenzungswand 30 der Aufnahmeöffnung 18 ist ein geringes radiales Spiel vorhanden. Auf diese Weise wird die „schwimmende“ Lagerung der Hochdruckdichtung 32 bzw. deren radiale Bewegungsmöglichkeit durch die Dichtlippe 52 nicht beeinträchtigt.
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Bei der Ausführungsform der 3 ist die Dichtlippe 52 aus dem gleichen Material wie der Endbereich 48 der Hochdruckdichtung 32 hergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212498 A1 [0002]
