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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine Radialkolbenpumpe und insbesondere auf eine Radialkolbenpumpe,
die sich zur Abgabe von Flüssigkeit
bei hohem Druck und mit einer Volumen-Ausstoßmenge eignet, die unabhängig von
der Umdrehungsgeschwindigkeit der Pumpen-Antriebswelle gesteuert werden
kann.
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Eine Ausführungsform der Erfindung eignet sich
besonders für
die Verwendung als Kraftstoff-Zuleitungspumpe, um unter hohem Druck
stehenden Kraftstoff an einen Druckspeicher oder direkt an eine "Common-Rail"-Anordnung eines "Common-Rail"-Kraftstoffeinspritzsystemsfür einen
Verbrennungsmotor zuzuführen.
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Bekannte Radialkolbenpumpen für Kraftstoffeinspritzsysteme
besitzen eine Reihe von Nachteilen, wenn sie zur Zuführung von
unter hohem Druck stehenden Kraftstoff an einen Druckspeicher oder
direkt an eine "Common-Rail"-Anordnung eines "Common-Rail"-Kraftstoffeinspritzsystems
verwendet werden. Zur Bereitstellung einer Ausstoßmenge,
die bei Volllast-Bedingungen so konstant wie möglich ist, besitzt eine Radialkolbenpumpe
vorzugsweise eine Mehrzahl von langhubigen Pumpkolben, die von einem
gängigen
Exzenter betrieben werden. Beispielsweise gibt eine Radialkolbenpumpe
mit drei in einem Abstand von 120° relativ
zueinander befindlichen und von einem gängigen Exzenter betriebenen
Pumpkolben Kraftstoff in einer kombinierten Gesamtmenge ab, die
bei Vollhub-Betrieb um ungefähr ±7% von
einem gleichbleibenden Wert abweicht. Das zum Antrieb der Kolben
notwendige Antriebsdrehmoment weicht in ähnlicher Weise um relativ wenige
Prozente von einem gleichbleibenden Wert ab. Wenn eine relativ kleinere
Volumen-Abgabegemenge für
die gleiche Umdrehungsgeschwindigkeit der Antriebswelle erforderlich
ist, kann überschüssig gepumpter
Kraftstoff über
ein geeignetes Überströmventil
auslaufen. Dieses Verfahren führt
jedoch zu einer beträchtlichen Energieverschwendung.
Alternativ können
die Einlassöffnungen
zu den Pumpkammern so gesteuert werden, dass sich die Pumpkammern
während
jeden Füllhubs
nur teilweise füllen,
mit dem Ergebnis, dass das gepumpte Volumen dem erforderlichen Ausstoß entspricht.
Bei diesem Verfahren ist der Pumpstart für jeden Kolben relativ zum
Startpunkt im Vollhub-Betrieb jedoch verzögert, und die kombinierte Ausstoßmenge der
Kolben, und damit die Anforderung an das entsprechende Antriebsmoment,
wandelt sich von der relativ gleichmäßigen Charakteristik bei vollem Ausstoß in eine
zunehmend sägezahnähnlichere Form,
wenn sich der gesteuerte Ausstoß verringert. Dass
sowohl die Ausstoß-Fließmenge als
auch die Anforderung an das Antriebselement zunehmend unregelmäßig werden,
ist äußerst unerwünscht.
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Ein weiteres mit bei hohen Drücken arbeitenden
Radialkolbenpumpen verbundenes Problem liegt darin, dass es bei
Verwendung einer einfachen Nocken- und Nockenstößel-Anordnung zum Antrieb der Pumpkolben
zunehmend schwieriger wird, eine ausreichende Schmierung aufrechtzuerhalten,
wenn der Abgabedruck ansteigt. Je höher der Abgabedruck ist, desto
größer ist
die Kraft, die die Nocke ausüben muss,
und desto ausgeprägter
wird die Tendenz sein, dass Schmieröl fallweise aus der Grenzfläche zwischen
der Nocke und ihrem Nockenstößel oder
zwischen der Rolle und dem Gleitschuh der Nockenstößel herausgedrückt wird.
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Radialkolbenpumpen gemäß dem Oberbegriff
des beigefügten
unabhängigen
Anspruchs sind im US- Dokument 5,032,065 offenbart, das Stand der Technik
ist. Jede dieser bekannten Kolbenpumpen arbeitet so, dass die Fließmenge der
gepumpten Flüssigkeit
für eine
gegebene Drehgeschwindigkeit der Antriebswellen unterschiedlich
ist, indem aus bestimmten Pumpkammern gepumpte Flüssigkeit
abgeleitet wird (d.h. überläuft).
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine Radialkolbenpumpe gemäß dem beigefügten unabhängigen Anspruch
1 bereit. Weitere neuartige und vorteilhafte Merkmale sind aus den
beigefügten
abhängigen
Ansprüchen
2 bis 10 erkennbar.
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Bei selektivem Abschalten einer oder
mehrerer Pumpkammern unter bestimmten Betriebsbedingungen arbeiten
die restlichen Pumpkammern über einen
relativ großen
Teil ihres Hubs weiter, verglichen mit dem Teil ihres Hubs, mit
dem sie arbeiten würden, wenn
alle Pumpkammern zur jeweiligen Menge des ausgestoßenen Volumens
beitrügen.
Dies führt
zu einer Verringerung der Schwankungsbreite des zum Antrieb der
Pumpe erforderlichen Drehmoments. Abschalten einer oder mehrerer
Pumpkammern wird bevorzugt dadurch erreicht, dass der Flüssigkeitsfluß in die
Pumpkammer in der Zeit verhindert wird, während der normalerweise der
Beschickungshub des zugeordneten Kolbens stattfindet. Dadurch bleiben die
Pumpkolben der abgeschalteten Pumpkammern in der Stellung stehen,
die dem Ende ihres Pumphubs entspricht, wenn ihre zugeordnete Pumpkammer
abgeschaltet ist. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Pumpe mit sechs identischen Pumpkammern ausgestattet,
die umfänglich
im Abstand von 60° angeordnet
sind und durch einen gängigen
Exzenter angetrieben werden. Unter Volllast-Bedingungen wird jede
Pumpkammer bei jedem Hub des ihr zugeordneten Kolbens voll beladen.
Wenn sich das erforderliche Abgabevolumen ausgehend von den Volllast-Bedingungen
zunehmend verringert, wird der Einlass zu drei Pumpkammern, die
einen Abstand von 120° zueinander
haben, fortschreitend verkleinert, während die restlichen drei Pumpkammern
mit vollem Volumen weiter arbeiten. Bei Erreichen von Halblast-Bedingungen
ist die Abgabe an die drei gesteuerten Pumpkammern auf Null abgesunken
und die gesamte Abgabe erfolgt durch die restlichen drei Pumpkammern.
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Bei einer solchen Anordnung kann
innerhalb des Ventilkegels weiterhin ein Auslassventil zur Pumpkammer
vorhanden sein, und die Abdichtung der Pumpkammer zur äußeren Umgebung
der Pumpe hin wird durch den Konus zwischen dem Ventilkegel und
dem konusförmigen
Bereich des Durchlasses zusammen mit einer Unterlegscheibe herbeigeführt, die
zwischen der Verschlussschraube und dem Ventilkegel zusammengepresst
ist. Diese Anordnung stellt eine besonders einfache und wirksame
Abdichtung der Pumpkammer bereit und erleichtert einen einfachen
Zugriff zum Ventilelement für
Wartungszwecke. Die Anordnung stellt auch eine Auslassventil-Anordnung bereit,
die ein sehr kleines Totvolumen in der Pumpkammer ergibt.
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Die voranstehenden und weitere vorteilhafte Merkmale
der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
deutlich, die nur beispielhafte Bedeutung besitzt, wobei auf die
beigefügten
Zeichnungen Bezug genommen wird, worin:
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1 eine
schematische Schnittansicht quer durch eine bevorzugte Ausführungsform
einer Radialkolbenpumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines der Pumpabschnitte der Pumpe aus 1 ist;
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die 3A, 3B und 3C jeweilig das Drehmoment zeigen, das
zum Antrieb einer Pumpe mit drei großen Pumpkolben bei 75% Ausstoß, 50% Ausstoß und 25%
Ausstoß erforderlich
ist; und
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die 4A, 4B und 4C jeweilig das Drehmoment zeigen, das
zum Antrieb einer Pumpe mit sechs kleinen Pumpkolben und einer Steueranordnung
gemäß der vorliegenden
Erfindung bei 75% Ausstoß, 50%
Ausstoß und
25% Ausstoß erforderlich
ist.
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Zunächst wird auf 1 Bezug genommen; in der schematisch
eine Radialkolbenpumpe 1 im seitlichen Querschnitt gezeigt
ist, die Kraftstoff bei hohem Druck an eine Auslassleitung abgibt,
um einen Akkummulator oder eine "Common-Rail"-Anordnung eines "Common-Rail"-Kraftstoffeinspritzsystems eines Verbrennungsmotors
zu vesorgen. Die Pumpe 1 umfasst sechs identische Pumpabschnitte 2.
Ein einzelner Pumpabschnitt 2 ist in größeren Einzelheiten in 2 gezeigt. Die Pumpabschnitte 2 befinden
sich in einem gängigen
Körper 3,
in dem eine einen Exzenter 5 tragende Antriebswelle 4 angebracht
ist. Ein Block 6 ist mit Hilfe von Nadelrollenlagern 7 am
Exzenter 5 angebracht. Der Block 6 weist in Richtung
eines jeden Pumpabschnitts 2 jeweils eine flache Außenfläche 8 auf.
Jeder Pumpabschnitt 2 beinhaltet einen Ventilstößel 9 mit
einem Ventilstößel-Fuß 10,
der in Richtung seiner zugehörigen Block-Außenfläche 8 hin
eine flache Außenfläche 11 aufweist.
Eine Mehrzahl von Nadelrollen 12 ist zwischen jeder Ventilstößel-Fußfläche 11 und
der ihr zugehörigen
Blockfläche 8 angebracht.
Jeder Satz Nadelrollen 12 ist in einem Käfig 13 angeordnet
und befindet sich zwischen Nasen, die an den Kanten der Ventlistößel-Füße 10 angeordnet
sind, und festsitzenden Leitblechen, die an gegenüberliegenden
Enden des Blocks 6 vorhanden sind.
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Die Nadelrollen 12 bewirken
eine Kraftübertragung
senkrecht zu den Flächen 8, 11 vom
Block auf die Stößel 9.
Da sich die Rollen jedoch in Rollkontakt sowohl mit der Block-Außenfläche 8 als
auch mit der Stößelfläche 11 befinden, übertragen
sie zwischen dem Block 6 und den Stößeln 9 keine zu den Stößel-Achsen
transversalen Kräfte.
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Die Nadelrollen können auf Wunsch in Befestigungsrillen
in der Block-Außenfläche oder
in den Stößel-Außenflächen angebracht
werden, anstatt dass sie sich im Käfig zwischen diesen Außenflächen befinden.
Wenn sich die Nadelrollen in Rillen befinden, sind sie jedoch einer
gewissen Gleitreibung untenrworfen, die nicht auftritt, wenn die
Nadelrollen ihre Wirkung zwischen abgeflachten Flächen entfalten,
wie in 1 gezeigt. Demgemäß ist die
Anordnung von 1 bevorzugt.
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Nun wird auf 2 Bezug genommen, die einen Pumpabschnitt 2 im
Einzelnen darstellt. Der Pumpabschnitt 2 umfasst einen
vom Körper 3 begrenzten
Zylinder 14 und einen zugehörigen Pumpkolben 15,
der im Zylinder 14 derart verschiebbar angebracht ist,
dass er eine Pumpkammer begrenzt, die sich zwischen dem Kolben 15 und
der axial innen liegenden Fläche 17 eines
das radial außen
liegende Ende des Zylinders 14 verschließenden Ventilkegels 18 befindet.
Jeder Kolben 15 steht mit einem Ventilstößel 9 in
Verbindung, der in einer im Körper 3 vorhandenen
Führungsbohrung 19 verschieblich
angebracht ist. Die Stößel 9 werden
jeweils von einer Stößel-Feder 20 radial
nach innen gespannt. Ein Stößel-Stift 21 wird
von der Stößel-Feder 20 innerhalb eines
jeden Stößels gehalten
und liegt an dem ihm zugehörigen
Kolben 15 an, so dass dann, wenn die Stößel 9 durch den Exzenter 5 radial
nach außen
angetrieben werden, der jeweilige Stößel-Stift 21 den ihm
zugehörigen
Kolben 15 radial nach außen drückt, wodurch das Volumen der
Pumpkammer 16 verringert und Flüssigkeit über ein im Ventilkegel 18 vorhandenes
Rückschlagventil 22 an
eine Auslass-Leitung abgegeben wird.
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Wenn die voranstehend beschriebene
Pumpe bei maximalem Ausstoßvolumen
arbeiten soll, wird jede Pumpkammer 16 bei jeder radial
nach innen gerichteten Bewegung des ihr zugehörigen Kolbens 15 über eine
geeignete Beschickungsleitung (nicht gezeigt) vollständig beladen.
Folglich befindet sich bei Beginn jedes Pumphubs jeweils jeder Kolben in
seiner radial innersten Stellung, und eine Bewegung des Kolbens
während
seines Pumphubs aus dieser Stellung heraus in seine radial äußerste Stellung
gibt das maximal verfügbare
Volumen an die Auslass-Leitung ab. Zur Verringerung des Ausstoßvolumens
der Pumpe (für
eine bestimmte Geschwindigkeit der Antriebswellen-Drehung), verglichen
mit dem maximal verfügbaren,
werden Steuerungsmittel zum Abschalten einiger Pumpkammern und zum Steuern
des während
eines jeden Pumphubs von den restlichen Pumpkammern abgegebenen
Kraftstoffvolumens bereitgestellt. In der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, in der sechs Pumpbereiche vorhanden sind, werden
Steuerungsmittel zum gleichzeitigen Abschalten von drei Pumpbereichen (in
120° relativ
zueinander angeordnet) und zum Steuern des Ausstoßes der
anderen Pumpbereiche bereitgestellt. In einer alternativen Ausführungsform können zusätzlich zu
den Mitteln zum Abschalten eines Satzes von Pumpkammern Mittel zum
Steuern des Ausstoßes
dieser Pumpkammern bereitgestellt werden. Da jedoch ein einfaches
Abschalten einer oder mehrerer Pumpkammern und das Steuern des Pumpvolumens
der restlichen Pumpkammern, verglichen mit dem Steuern des Ausstoßvolumens
aller Pumpkammern und auch dem Abschalten einiger von ihnen, relativ
einfach ist, wird die erstgenannte Ausführungsform bevorzugt.
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Daher werden in der bevorzugten Ausführungsform
Mittel bereitgestellt, die selektiv das Fließen von Füllflüssigkeit zu einem Satz von
drei Pumpkammern (in 120° relativ
zueinander angeordnet) verhindern und die das effektive Pumpvolumen
der restlichen Kammern steuern. Das effektive Pumpvolumen der restlichen
Kammern kann entweder durch Steuern der Flüssigkeitszufuhr zu diesen Kammern jeweils
während
ihrer Beschickungshübe
oder durch Abfließen
von unter hohem Druck stehender Flüssigkeit aus diesen Kammern
während
des Abgabehubs der zugehörigen
Kolben gesteuert werden. Jede Anordnung stellt verglichen mit dem
Stand der Technik bedeutende Verbesserungen bereit.
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Wenn man den Betrieb der Pumpe bei
vollem Ausstoß betrachtet,
bei dem alle Pumpkammern das maximal verfügbare Volumen abgeben, und
eine Verringerung des Ausstoßvolumens
der Pumpe gewünscht
wird, dürfen
anfangs die drei Kammern, die abgeschaltet werden können, bei
vollem Ausstoßvolumen
weiter pumpen, während
die restlichen drei Kammern so gesteuert werden, dass das Ausstoßvolumen
aus diesen Kammern nach und nach verringert wird. Dadurch kann der
Gesamtausstoß der Pumpe
von 100% auf 50% verringert werden, wobei der Ausstoß der steuerbaren
Pumpkammern von 100% auf 0% sinkt. Wenn der Gesamtausstoß der Pumpe
auf weniger als 50% des Maximalausstoßes der Pumpe verringert werden
soll, werden die Kammern, die abgeschaltet werden können, abgeschaltet und
das Ausstoßvolumen
der Kammern, die gesteuert werden können, wird nach und nach von
100% auf 0% verringert, so dass der Gesamtausstoß der Pumpe von 50% auf 0%
sinkt.
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Zum völligen Verständnis der
vorliegenden Erfindung sollte auf die 3A, 3B und 3C und 4A, 4B und 4C Bezug genommen werden, die die Anforderung
an das Gesamtdrehmoment für
Pumpen mit drei großen
Kolben (3A, 3B und 3C) und mit sechs kleinen Kolben (4A, 4B und 4C)
zeigen, die jeweils bei 75% Ausstoß (3A und 4A),
50% Ausstoß (3B und 4B) und 25% Ausstoß (3C und 4C)
arbeiten. Die Querschnittsfläche
der einzelnen Pumpkolben aus den 3A; 3B und 3C ist doppelt so groß wie die der einzelnen Pumpkolben
aus den 4A, 4B und 4C, und daher besitzen die beiden Pumpen
das gleiche vertügbare
maximale Aisstoß-Gesamtvolumen (unter
Annahme identischer Kolbenhübe
und identischer Drehzahlen).
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Zunächst sollen die 3A und 4A betrachtet werden. Wenn eine Pumpe
mit drei großen
Kolben so betrieben wird, dass zur Bereitstellung eines Gesamtausstoßes gleich
75% des Maximalwerts das Beschicken jeder Pumpkammer gedrosselt
wird, besitzt das erforderliche Drehmoment zum Antrieb der Pumpe
ein ausgeprägtes
Sägezahn-Profil
und schwankt pro Wellendrehung dreimal zwischen 0 und beinahe 40
Nm. Zum Erreichen des gleichen Ausstoßwertes (75%) arbeiten im Falle
der vorliegenden Erfindung drei der Pumpkammern mit ihrem Gesamtvolumen
weiter, während
die restlichen drei mit der Hälfte
ihres verfügbaren
Volumens arbeiten. Dies liefert die erforderlichen Drehmomentwerte,
die in 4A gezeigt sind.
Es wird deutlich, dass das Drehmoment ein weniger ausgeprägtes Sägezahn-Profil besitzt
und dass der erforderliche Drehmomentwert positiv bleibt und zwischen
knapp über
10 Nm bis knapp unter 40 Nm schwankt.
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Nun sollen die 3B und 4B betrachtet werden,
in denen das kombinierte Drehmoment bei einem Gesamtausstoß von 50%
gezeigt ist. Im Falle einer Drei-Kolben-Pumpe wird während des Beschickungshubs
jede Pumpkammer bis zur Hälfte
ihres verfügbaren
Volumens beladen, und das erforderliche gesamte kombinierte Betriebs-Drehmoment ist in 3B gezeigt. Im Falle der
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden drei Pumpkammern weiter auf ihr
maximal verfügbares
Volumen beladen, während
drei Pumpkammern überhaupt
nicht beladen werden. Dies verursacht die Anforderung an das kombinierte
Drehmoment, die in 4B dargestellt ist.
Es sollte klar sein, dass 4B eine
entschieden bessere Drehmoment-Charakteristik als 3B aufweist.
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Schließlich werden die 3C und 4C betrachtet, in denen die Anforderungen
an das kombinierte Drehmoment für
eine bei 25% Gesamtausstoß arbeitende
Pumpe gezeigt ist. Im Falle einer Drei-Kolben-Pumpe wird ein sehr
ausgeprägtes
Sägezahn-Profil mit im Wesentlichen
keiner Anforderung an ein Drehmoment während eines bedeutenden Teils
jeder Wellendrehung benötigt,
und das erforderliche maximale Drehmoment überschreitet immer noch 30
Nm. Beachtenswert ist auch der rasche Anstieg von Null auf das maximale
Drehmoment. Im Gegensatz dazu ist bei der Anordnung der vorliegenden
Erfindung, in der zur Abgabe von 25% Ausstoß drei der Pumpkammern abgeschaltet
sind und die restlichen drei Pumpkammern mit 50% Volumen arbeiten,
das erforderliche Antriebsmoment so wie in 4C gezeigt. Beim Vergleich der 3C und 4C soll beachtet werden, dass der Anteil
jeder Umdrehung, bei dem kein Drehmoment benötigt wird, im Falle der vorliegenden
Erfindung viel kleiner ist und das erforderliche maximale Gesamtdrehmoment
bei der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung etwas weniger als 20 Nm beträgt, verglichen
mit etwas mehr als 30 Nm beim bekannten Stand der Technik.
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Unter nochmaliger Bezugnahme auf 2 wird eine Pumpkammer 16 durch
eine besonders wünschenswerte
Abdichtungsanordnung verschlossen, die auch ein besonders wünschenswertes
Gehäuse
für das
Rückschlagventil 22 in
einer Weise bereitstellt, die ein Minimum an Totvolumen innerhalb der
Pumpkammer verursacht.
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Jede Pumpkammer 16 wird
durch einen Ventilkegel 18 verschlossen, der mit Hilfe
einer Verschlussschraube 24, die über ein Schraubgewinde in eine
im Körper 3 vorhandene
Bohrung mit Gewinde 25 eingreift; in für Flüssigkeit undurchlässigen Eingriff mit
einem Gegenkonus 23 gebracht wird. Eine axiale Bohrung 26 erstreckt
sich von der Endfläche 17 des Ventilkegels 18 zu
einem Sitz 27 des Rückschlagventils 22.
Das Ventilelement des Rückschlagventils
besteht aus einer Kugel 28, die sich in einem Durchlass 29 befindet,
der sich vom Sitz 27 bis zum radial außen liegenden Ende des Ventilkegels 18 erstreckt.
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Die Kugel 28 wird von einer
Feder, die gegen eine auf der Verschlussschraube 24 vorhandene Schulter
drückt,
gegen den ihr zugehörigen
Sitz 27 gespannt. Eine geeignete Unterlegscheibe, beispielsweise
eine Eisen-Unterlegscheibe 30, befindet sich zur Bereitstellung
einer für
Flüssigkeit
undurchlässigen
Dichtung zwischen der Verschlussschraube 24 und dem Ventilkegel 18.
Dementsprechend wird mit Hilfe der konischen Passung des Kegels 18 und der
axialen Pressung der Unterlegscheibe 30 eine Abdichtung
des radial außen
liegenden Endes der Pumpkammer 16 herbeigeführt. Sowohl
die Passung des Kegels als auch die axiale Pressung der Unterlegscheibe
bewirken zuverlässige
für Flüssigkeit
undurchlässige
Dichtungen. Durch Anordnen des Rückschlagventils 30 im
Ventilkegel 18 wird außerdem
für ein
Minimum an Totvolumen flussaufwärts
des Rückschlagventils 22 gesorgt.