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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In Kraftstoffsystemen einer Brennkraftmaschine werden Kraftstoffhochdruckpumpen eingesetzt, um Kraftstoff von einem in einem Niederdruckbereich herrschenden Vordruck auf einen Einspritzdruck, der für eine Kraftstoffeinspritzung erforderlich ist, zu verdichten. Derartige Kraftstoffhochdruckpumpen weisen üblicherweise mindestens einen Kolben auf, der mittels eines Antriebs, der beispielsweise durch eine Nocke oder eine Exzenterscheibe gebildet ist, axial bewegt werden kann. Durch die axiale Bewegung des Kolbens wird in einem Saughub Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich über ein Mengensteuerventil, das eine Ventileinrichtung darstellt und teilweise als Einlassventil bezeichnet wird, in einen Förderraum angesaugt. In einem Förderhub wird der Kraftstoff im Kolbenraum verdichtet und über ein Auslassventil einem üblicherweise als Rail ausgebildeten Hochdruckbereich zugeführt. Wird das Mengensteuerventil bei Beginn des Förderhubs nicht geschlossen oder während des Förderhubs geöffnet, so kann hierdurch die Menge an Kraftstoff, die über das Auslassventil dem Hochdruckbereich zugeführt wird, gesteuert werden.
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Derartige Kraftstoffhochdruckpumpen umfassen üblicherweise eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung, die zur Beeinflussung der Stellung eines Ventilelements des Mengensteuerventils dient. Typischerweise ist das Ventilelement, bspw. über einen Stößel, mittels der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zwangsweise öffenbar bzw. aufhaltbar. Typische Einlassventile bzw. Mengensteuerventile umfassen einen Ventiltopf, das bereits erwähnte Ventilelement sowie einen Ventilsitz. Das Ventilelement ist dabei typischerweise mittels einer an dem Ventiltopf und dem Ventilelement anliegenden Feder in eine geschlossene Stellung gespannt. In der geschlossenen Stellung liegt es an dem Ventilsitz an und trennt eine Förderraumseite von einer Ansaugseite. Ventiltopf und Ventilsitz sind typischerweise derart angeordnet, dass sie ein Gehäuse der Kraftstoffhochdruckpumpe kontaktieren und mittels einer Verstemmung in diesem befestigt sind. Moderne Motorenbauweisen und Betriebsarten erfordern immer höhere Drücke. Die Anforderungen an die Verankerung des Einlassventils steigen hierdurch.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen, die einfach herstellbar ist, den Anforderungen an hohe Förderdrücke gerecht wird und robust und zuverlässig arbeitet bzw. ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Unteransprüchen.
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine. Die Kraftstoffhochdruckpumpe weist ein Pumpengehäuse auf. In dem Pumpengehäuse ist ein Förderraum angeordnet. Typischerweise ist der den Förderraum begrenzende Zylinder durch eine Bohrung im Pumpengehäuse realisiert, es ist jedoch auch die Verwendung einer Zylinderbuchse denkbar. Die Kraftstoffhochdruckpumpe umfasst weiter einen Einlassbereich mit einem Anschluss zur Verbindung mit dem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems in dem die Kraftstoffhochdruckpumpe eingesetzt wird. Typischerweise ist der Anschluss als separat ausgebildeter und an das Gehäuse angefügter Stutzen ausgebildet, was fertigungstechnische Vorteile bieten kann. Der Stutzen kann bspw. als Tiefziehteil ausgebildet sein. Es ist jedoch ebenso denkbar, dass der Anschluss durch das Material des Pumpengehäuses gebildet ist. Die Kraftstoffhochdruckpumpe umfasst weiter eine Ventileinrichtung, die in einem geöffneten Zustand den Einlassbereich fluidisch mit dem Förderraum verbindet und im geschlossenen Zustand voneinander trennt. Die Ventileinrichtung wird auch als Einlassventil bzw. Mengensteuerventil bezeichnet. Die Ventileinrichtung umfasst einen Ventiltopf, ein Ventilelement sowie einen Ventilsitz und insbesondere eine Feder. Der Ventiltopf ist förderraumseitig bzw. hochdruckseitig angeordnet und der Ventilsitz niederdruckseitig. Zwischen dem Ventiltopf und dem Ventilsitz ist das Ventilelement angeordnet. Das Ventilelement ist in die eben erwähnte geschlossene Stellung gespannt. Hierzu ist es üblicherweise mit der eben genannten Feder, die insbesondere am Ventilelement und am Ventiltopf anliegt, in der Ventileinrichtung verspannt. In der geschlossenen Stellung liegt es dichtend an dem Ventilsitz an. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass der Ventilsitz über eine Schraubverbindung gegenüber dem Pumpengehäuse befestigt ist.
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Der Ventilsitz weist insbesondere ein radial außenliegendes Gewinde auf, das in Eingriff mit einem radial einwärts gerichteten Gewinde im Pumpengehäuse steht. Der Ventilsitz ist ins Pumpengehäuse eingeschraubt. Insbesondere ist das ventilsitzseitige Gewinde an einem Abschnitt des Ventilsitzes angeordnet, der den radial am weitesten außenliegenden Teil des Ventilsitzes bildet. Die entsprechende Ausbildung des Ventilsitzes ist mit hohen Befestigungskräften bzw. einem sicheren Sitz des Ventilsitzes ist im Pumpengehäuse verbunden.
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Der Ventilsitz weist eine axial auf Seiten des Förderraums angeordnete Dichtfläche auf. Die Dichtfläche liegt insbesondere dichtend an dem Pumpengehäuse an, mit anderen Worten, sie steht, jedenfalls in einem Bereich, in direktem Kontakt mit dem Pumpengehäuse, wobei dieser Kontakt derart ist, dass er einen Durchfluss bzw. eine Leckage von Kraftstoff verhindert. Die Dichtfläche ist gegen die Gegenfläche im Pumpengehäuse verspannt. Diese Dichtfläche weist insbesondere eine Beißkante auf. Die Abdichtung und Verspannung wird insbesondere über die Beißkante erreicht. Die Beißkante weist insbesondere eine Höhe zwischen 0,05mm und 0,5mm auf. Beim Einschrauben des Ventilsitzes in das Pumpengehäuse kommt die Dichtfläche bzw. die darauf befindliche Beißkante in Kontakt mit einer entsprechenden Gegenfläche des Pumpengehäuses und bei weiterem Einschrauben gräbt die Beißkante sich in das Material des Pumpengehäuses ein bzw. verformt sich am Material des Pumpengehäuses und die Dichtfläche bzw. deren Beißkante steht in dichtenden Kontakt mit der Gegenfläche des Pumpengehäuses. Die übrige Dichtfläche kann im eingeschraubten Zustand geringfügig zur Gegenfläche beabstandet sein, so dass die Beißkannte im eingegrabenen Zustand eine definierte Dichtkante bildet.
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Die Dichtfläche und die Gegenfläche am Pumpengehäuse liegen insbesondere in einer orthogonal zu einer Bewegungsachse des Ventilelements ausgerichteten Ebene. Insbesondere fällt die Bewegungsachse des Ventilelements mit der axialen Richtung zusammen. Das Gewinde am Ventilsitz erstreckt sich insbesondere in der axialen Richtung. Die Dichtfläche erstreckt sich damit insbesondere orthogonal zum Gewinde am Ventilsitz. Der Ventilsitz lässt sich damit in vorteilhafter Weise in das Pumpengehäuse einschrauben, so dass die Dichtfläche flächig an der entsprechenden Gegenfläche im Pumpengehäuse anliegen kann und bei geringer Materialbeanspruchung eine möglichst hohe Flächenpressung und damit zuverlässige Abdichtung erreichen kann.
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Der Ventilsitz weist insbesondere eine axial auf Seiten des Förderraums angeordnete Spannfläche zur Verspannung des Ventiltopfes auf, die an dem Ventiltopf anliegt. Insbesondere weist diese Spannfläche eine Beißkante auf, insbesondere wobei die Beißkante eine Höhe zwischen 0,05mm und 0,5mm aufweist. Durch das Einschrauben des Ventilsitzes kann hierdurch eine Befestigung des Ventiltopfes im Pumpengehäuse auf einfache Art und Weise realisiert werden. Die Spannfläche bzw. deren Beißkannte dienen der Fixierung des Ventiltopfes. Der Kontakt mit dem Topf muss nicht, kann aber, dichtend sein.
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Beide Beißkanten (an der Dichtfläche und an der Spannfläche) wirken im eingeschraubten Zustand in dem sie sich in die entsprechende Gegenfläche eingegraben haben bzw. verformt sind, ähnlich einer mechanischen Feder, die die Verschraubung mit einer Vorspannung beaufschlagen.
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Der Ventilsitz liegt insbesondere mit der Spannfläche um seinen gesamten Umfang herum an dem Ventiltopf an. Hierdurch wird eine gleichmäßige Verteilung der Verspannkräfte um den Umfang des Ventiltopfes bzw. Ventilsitzes erreicht. Dies wirkt sich insbesondere positiv auf das Schließverhalten der Ventileinrichtung aus. Insbesondere erfolgt der Verschleiß des Ventilelements gleichmäßiger und die Lebensdauer der Ventileinrichtung wird verbessert. Eine Leckagewahrscheinlichkeit wird verringert.
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Der Ventiltopf liegt insbesondere um seinen gesamten Umfang herum mit einer axialen Stirnfläche an dem Pumpengehäuse an. Hierdurch wird ebenso eine gleichmäßige Verteilung der Verspannkräfte um den Umfang des Ventiltopfes erreicht. Dies wird sich insbesondere in Kombination mit dem im vorigen Abschnitt genannten vollumfänglichen Anliegen des Ventilsitzes am Ventiltopf positiv auf die Kräfteverteilung in der verspannten Konstruktion der Ventileinrichtung aus.
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Die Dichtfläche des Ventilsitzes ist insbesondere radial außerhalb der Spannfläche angeordnet. Die Dichtfläche des Ventilsitzes ist insbesondere in axialer Richtung weiter in Richtung der Förderraumseite der Ventileinrichtung erstreckt als die Spannfläche. Die Spannfläche kann in axialer Richtung gegenüber der Dichtfläche zum Niederdruckbereich hin versetzt angeordnet sein. Dies ermöglicht eine geringe Baugröße der Ventileinrichtung.
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Die Dichtfläche des Ventilsitzes erstreckt sich radial insbesondere bis an eine Übergangskante und das Gewinde des Ventilsitzes ist in axialer Richtung zur Übergangskante beabstandet. Dies vereinfacht die Fertigung des Gewindes im Pumpengehäuse.
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Eine axiale Stärke des Ventilsitzes, dessen axiale Erstreckung, ist insbesondere im Bereich der Dichtfläche am höchsten, was sich positiv auf die Robustheit des Ventilsitzes auswirkt.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das anhand der Zeichnung erläutert wird, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlicher Kombination für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte schematisierte Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine;
- 2 eine Schnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe; und
- 3 einen Teilbereich von 2.
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1 zeigt ein Kraftstoffsystem 10 für eine weiter nicht dargestellte Brennkraftmaschine in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16 und einer Niederdruckleitung 18 über einen Einlassbereich 20 einer Kraftstoffhochdruckpumpe 22 zugeführt. Im Anschluss an den Einlassbereich 20 ist eine Ventileinrichtung 24 angeordnet, die ein Mengensteuerventil 25 der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 bildet und über die ein Kolbenraum 26 mit einem Niederdruckbereich 28, der die Vorförderpumpe 16, die Saugleitung 14, und den Kraftstofftank 12 umfasst, verbindbar ist.
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Über eine Steuereinheit 30 ist eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 32 ansteuerbar. Das Mengensteuerventil 25 wiederum ist über die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 32, auf die später noch im Detail eingegangen werden soll, betätigbar bzw. in seiner Stellung beeinflussbar. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist vorliegend als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Kolben 34 mittels eines als Nockenscheibe ausgeführten Antriebs 36 entlang einer Kolbenlängsachse 38 auf- und ab bewegt werden kann, was durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 40 schematisch dargestellt ist.
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Hydraulisch zwischen dem Förderraum 26 und einem Auslass 42 der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist ein in der 1 als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 44 angeordnet, welches zum Auslass 42 hin öffnen kann. Der Auslass 42 ist an eine Hochdruckleitung 46 und über diese an einen Hochdruckspeicher 48 („Rail“) angeschlossen. Weiterhin ist hydraulisch zwischen dem Auslass 42 und dem Förderraum 26 ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildetes Druckbegrenzungsventil 50 angeordnet, das zum Förderraum 26 hin öffnen kann. Im Betrieb des Kraftstoffsystems 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Das Einlassventil 28 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden. Hierdurch wird die zum Hochdruckspeicher 48 geförderte Kraftstoffmenge beeinflusst. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 30 wird dabei, wie bereits ausgeführt, durch die Steuereinheit 32 entsprechend angesteuert und beeinflusst die Stellung des Mengensteuerventils 25.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist in 2 in einer Schnittdarstellung teilweise gezeigt. Aus der Darstellung von 2 ist ersichtlich, dass das Druckbegrenzungsventil 50, das Auslassventil 44 und das Einlassventil 24 in einem Pumpengehäuse 52 angeordnet sind. Ebenso im Pumpengehäuse 52 angeordnet sind der Förderraum 26, der auch als Kolbenraum 26 bezeichnet wird, und teilweise der Kolben 34. Ein aus dem Pumpengehäuse 52 herausragendes unteres Ende des Kolbens ist mit einem Kolbenteller 54 verbunden. Über den Kolbenteller 54 liegt der Kolben 34 an dem in 2 nicht gezeigten Antrieb 36 an. Die Ausgestaltung und Anordnung des Auslassventils 44, des Druckbegrenzungsventils 50 sowie die Ausbildung des diese umgebenden Bereichs ist als ein Beispiel zu verstehen und kann auch andersartig ausgestaltet sein. Gleiches gilt für den Kolben 34 bzw. die an dessen unterem Teil angeordnete Dichtung und andere Ausgestaltungen in diesem Bereich.
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An einem dem Kolbenteller 54 gegenüberliegenden Ende der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist eine in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Dämpfereinrichtung angeordnet. Die Dämpfereinrichtung dient dazu, Druckschwankungen, die im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 auftreten, auszugleichen.
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Nachfolgend wird die Ventileinrichtung 24 und die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 32 im Detail erläutert. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 32 umfasst eine Magnetspule 56. Wird die Magnetspule 56 bestromt, so bildet sich ein Magnetfeld aus, über das eine Ventilnadel 58 in ihrer Position verstellbar ist. Über die Ventilnadel 58 ist ein Ventilelement 60 des Mengensteuerventils 25 zwangsweise öffenbar bzw. offenhaltbar. Über die Magnetspule 56 kann also mittels der Ventilnadel 58 das Mengensteuerventil 25 in seiner Stellung beeinflusst werden, geöffnet werden oder offen gehalten werden.
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In 3 ist der Bereich um die Ventileinrichtung 24 im Detail dargestellt.
Die Ventileinrichtung 24 umfasst einen Ventiltopf 66, das Ventilelement 60 sowie einen Ventilsitz 68. Das Ventilelement 60 ist über eine Feder 64 in eine geschlossene Position vorgespannt. In der geschlossenen Stellung liegt es dichtend an dem Ventilsitz 68 an. Der Ventilsitz ist über eine Schraubverbindung 70 gegenüber dem Pumpengehäuse 52 befestigt.
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Das Ventilelement 60 ist in einem Strömungskanal 62 angeordnet. Der Strömungskanal 62 verbindet den Niederdruckbereich 28 mit dem Förderraum 26. Je nach Position des Ventilelements 60 ist der Strömungskanal 62 fluidisch durchgängig oder fluidisch unterbrochen. Mit anderen Worten, je nach Position des Ventilelements 60 sind der Niederdruckbereich 28 und der Förderraum 26 fluidisch miteinander verbunden oder fluidisch voneinander getrennt.
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Eine Bewegungsachse des Ventilelements 60 ist mit dem Bezugszeichen 63 gekennzeichnet. Die Bewegungsachse 63 entspricht einer axialen Richtung A, die orthogonal zu einer radialen Richtung R verläuft.
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Der Ventilsitz 68 weist ein radial außenliegendes Gewinde 72 auf, das in Eingriff mit einem radial einwärts gerichteten Gewinde 74 im Pumpengehäuse 52 steht und mit diesem vorliegend die Schraubverbindung 70 bildet. Das Gewinde 72 erstreckt sich in axialer Richtung A.
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Der Ventilsitz 68 weist eine axial auf Seiten des Förderraums 26 angeordnete Dichtfläche 76 auf. Die Dichtfläche 76 liegt mit einer Beißkante 78 dichtend an dem Pumpengehäuse 52, bzw. an einer Gegenfläche 80 des Pumpengehäuses 52 an. Die Beißkante 78 kann eine Höhe, also im vorliegenden Fall axiale Erstreckung, zwischen 0,05mm und 0,5mm aufweisen. Eine axiale Stärke, also eine axiale Erstreckung, des Ventilsitzes 68 ist im Bereich der Dichtfläche 76 am höchsten. Die Dichtfläche 76 des Ventilsitzes 60 erstreckt sich radial bis an eine Übergangskante 88 und das Gewinde 72 des Ventilsitzes 68 ist in axialer Richtung A zur Übergangskante 88 beabstandet, was die Fertigung des Gegengewindes im Pumpengehäuse vereinfacht. Die Beißkante 78 ist im Bereich, also in der radialer Erstreckung der Dichtfläche 76 angeordnet, sie kann an der Dichtfläche 76, also auf Seiten des Ventilsitzes ausgebildet sein, was fertigungstechnisch vorteilhaft sein kann, oder sie kann an der Gegenfläche 80 des Pumpengehäuses 52 ausgebildet sein und sich beim Einschrauben in das Material der Dichtfläche 76 eingraben.
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Die Dichtfläche 76 und die Gegenfläche 80 am Pumpengehäuse 52 liegen in einer orthogonal zu der Bewegungsachse 63 des Ventilelements 60 ausgerichteten Ebene.
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Der Ventilsitz 68 weist radial einwärts liegend von der Dichtfläche 76 eine axial auf Seiten des Förderraums 26 angeordnete Spannfläche 82 zur Verspannung des Ventiltopfs 66 auf, die an dem Ventiltopf 66 anliegt. Diese Spannfläche 82 weist eine Beißkante 84 auf. Die Beißkante 84 weist eine Höhe zwischen 0,05mm und 0,5mm auf. Der Ventilsitz 68 liegt mit der Spannfläche 82 um seinen gesamten Umfang herum an dem Ventiltopf 66 an. Der Ventiltopf 66 liegt um seinen gesamten Umfang herum mit einer axialen Stirnfläche 86 an dem Pumpengehäuse 52 an. Die Kräfte, mit denen der Ventiltopf 66 zwischen Pumpengehäuse 52 und Ventilsitz 68 verspannt ist, sind entsprechend gleichmäßig um den Umfang verteilt. Die Beißkante 84 kann an der Spannfläche 82 oder an der entsprechenden Gegenfläche am Ventiltopf 66 ausgebildet sein.
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Der Ventilsitz der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist im Pumpengehäuse 52 verschraubt und nicht verstemmt. Die Abdichtung gegenüber dem Gehäuse erfolgt an der Dichtfläche 76 bzw. an der dortigen Beißkante 78. Die Klemmkraft mit der die Ventileinrichtung 24 im Pumpengehäuse befestigt ist wird über die Spannfläche 82 bzw. die dortige Beißkante 84 auf den Ventiltopf 66 aufgebracht, welcher förderraumseitig am Pumpengehäuse anliegt bzw. an diesem abgestützt ist.
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Der Ventilsitz 68 kann in axialer Richtung A gegenüber bekannten Bauformen größer und robuster gebaut sein, da er keine Ausnehmung für eine Verstemmung benötigt. Ein Längenbedarf bei Bauformen, die auf einer Verstemmung basieren entfällt damit und kann für zusätzliche Gewindelänge oder Bauraumreduzierung verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist insbesondere eine Kraftstoffhochdruckpumpe 22 zur Förderung von Benzin und wird insbesondere in einem Kraftstoffsystem eines Otto-Motors eingesetzt.
