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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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Vom Markt her bekannt sind Kraftstoffsysteme für Brennkraftmaschinen, bei denen Kraftstoff aus einem Kraftstofftank mittels einer Vorförderpumpe und einer mechanisch angetriebenen Kraftstoffhochdruckpumpe unter hohem Druck in einen Hochdruckspeicher ("Rail") gefördert wird. An oder in einem Pumpengehäuse einer solchen Kraftstoffhochdruckpumpe ist üblicherweise eine Dämpfervorrichtung angeordnet. Eine derartige Dämpfervorrichtung umfasst meist ein Deckelelement und einen zwischen Deckelelement und Pumpengehäuse angeordneten Membrandämpfer, der üblicherweise als gasgefüllte Membrandose ausgeführt ist und über ein Halteelement am Pumpengehäuse abgestützt und in einer vertikalen Richtung zu diesem beabstandet angeordnet ist. Die Dämpfervorrichtung ist dabei fluidisch mit einem Niederdruckbereich verbunden. Die Dämpfervorrichtung dient zum Dämpfen von Druckpulsationen in dem Niederdruckbereich des Kraftstoffsystems, die beispielsweise durch Öffnungs- und Schließvorgänge von Ventilen, bspw. eines Einlassventils, in der Kraftstoffhochdruckpumpe hervorgerufen werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstoffhochdruckpumpe bereitzustellen, deren Betrieb für Fahrzeuginsassen als wenig störend empfunden wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Kraftstoffhochdruckpumpe ist gewährleistet, dass Schwingungen des Deckelelements, die im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe bspw. aufgrund von Schallentwicklung bei Anschlägen eines Stößels, der ein Mengensteuerventil betätigt, auftreten, nur eine geringe Geräuschemission hervorrufen, bzw. dass die von dem Deckelelement abgestrahlten Geräuschemissionen von den Fahrzeuginsassen nicht als störend wahrgenommen werden.
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Bevorzugt ist, wenn eine Versteifung einer Wand des Deckelelements jedenfalls auch dadurch gebildet ist, dass gekrümmte Bereiche der Wand, die wenigstens auch in radialer Richtung verlaufen, ein jeweiliges Krümmungszentrum auf Seiten des Dämpfungsvolumens aufweisen. Anders ausgedrückt: ein solcher Abschnitt der Wand, der insgesamt im Wesentlichen oder zumindest auch in radialer Richtung verläuft, ist vom Dämpfungsvolumen (bzw. – wäre der Abschnitt der Wand eine Linse – vom „Brennpunkt“) aus gesehen konkav gekrümmt. Dabei ist bevorzugt, wenn dieser gekrümmte Verlauf der Wand die Versteifung bildet. Mit einem Krümmungszentrum auf Seiten des Dämpfungsvolumens ist gemeint, dass der Mittelpunkt eines lokalen Krümmungskreises (auch Schmiegekreis oder Schmiegkreis genannt) auf Seiten des Dämpfungsvolumens liegt. Der Krümmungskreis in einem jeweiligen Punkt der Wand ist dabei der Kreis, der den Verlauf der Wand in diesem Punkt am besten annähert, der sich also lokal an den Verlauf der Wand anschmiegt. Eine Tangente des Krümmungskreises in diesem Punkt stimmt mit der Tangente der Wand überein. Dabei kann ein Punkt auf der Wand je nach Schnittebene verschiedene Krümmungskreise aufweisen (die zu betrachtenden Schnittebenen sind jeweils parallel zu einer Kolbenlängsachse angeordnet). Die derartig gekrümmte Wand weist einen selbststabilisierenden Effekt auf, wodurch das Deckelelement bei geringer Materialstärke und damit geringem Gewicht, geringer Baugröße und kompakten Abmessungen eine hohe Steifigkeit und damit Widerstand gegenüber Schwingungen aufweist.
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Es sei an dieser Stelle aber auch darauf hingewiesen, dass die Versteifung auch auf ganz andere Art und Weise hergestellt werden kann, beispielsweise durch das Ausformen von Versteifungsrippen, durch eine entsprechende Auswahl der Materialstärke und/oder eine entsprechende Auswahl der Materialmasse der Wand.
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Bevorzugt ist, wenn das Deckelelement Teil einer Dämpfervorrichtung ist, die einen Membrandämpfer, der zwischen Deckelelement und Pumpengehäuse angeordnet ist, vorzugsweise ein Halteelement, über das der Membrandämpfer am Pumpengehäuse abgestützt und in einer vertikalen Richtung zum Pumpengehäuse beabstandet angeordnet ist, und vorzugsweise ein Federelement, über das der Membrandämpfer am Deckelelement abgestützt und in der vertikalen Richtung zu diesem beabstandet angeordnet ist, umfasst. Durch die Ausbildung des Deckelelements als Teil der eben beschriebenen Dämpfervorrichtung können Druckschwankungen im Betrieb der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe in vorteilhafter Weise gedämpft werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn das Deckelelement einen ersten Abschnitt, der insgesamt axial verläuft, und einen zweiten Abschnitt, der in radialer Richtung verläuft, aufweist. Hierdurch wird auf einfache Art und Weise das Dämpfungsvolumen geschaffen. Dabei wird das Schwingungsverhalten des Deckelelements im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe in vorteilhafter Weise beeinflusst, so dass besonders geringe Geräuschemissionen bei hoher Dämpfungskapazität im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe auftreten. Mit "in radialer Richtung verlaufend" ist in Bezug auf den zweiten Abschnitt gemeint, dass dieser in seinem Verlauf eine Komponente aufweist, die in radiale Richtung zeigt, der zweite Abschnitt also nicht vollständig in radialer Richtung verlaufen muss. Von diesem Merkmal umfasst ist also auch ein zweiter Abschnitt, der schräg in radialer und axialer Richtung verläuft.
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Von Vorteil ist dabei, wenn der axial verlaufende erste Abschnitt des Deckelelements an seinem dem zweiten Abschnitt abgewandten Ende einen radial innenliegenden abgeschrägten Bereich zum Anfügen an das Pumpengehäuse aufweist. Hierdurch kann das Deckelelement in vorteilhafter Weise an das Pumpengehäuse angefügt werden und beispielsweise mittels eines Kondensator-Entladungs-Einpress-Schweißvorgangs an dem Pumpengehäuse befestigt werden. Dabei ist es bevorzugt, wenn der radial innenliegend abgeschrägte Bereich des Deckelelements einen Teil des Pumpengehäuses in radialer Richtung umschließt. Hierdurch kann das Deckelelement in einfacher Weise am Pumpengehäuse befestigt werden. Bevorzugt ist auch, wenn der zweite Abschnitt – also jener Abschnitt der Wand, der insgesamt oder wenigstens auch in radialer Richtung verläuft und der vom Dämpfungsvolumen (bzw. – wäre der Abschnitt der Wand eine Linse – vom Brennpunkt) aus gesehen insgesamt konkav ist – einen Übergangsbereich, der einen Querschnitt mit einem ersten inneren Krümmungsradius zwischen 2 mm bis 10 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm bis 9 mm, vorzugsweise zwischen 6 mm bis 8 mm, insbesondere zwischen 6,5 mm bis 7,5 mm, insbesondere von 7 mm, aufweist und einen Hauptbereich, der einen Querschnitt mit einem zweiten inneren Krümmungsradius zwischen 40 mm bis 54 mm, vorzugsweise zwischen 42 mm bis 52 mm, vorzugsweise zwischen 44 mm bis 50 mm, insbesondere zwischen 46 mm bis 48 mm, insbesondere von 47 mm aufweist, umfasst, wobei der zweite Abschnitt vorzugsweise aus dem Übergangsbereich und dem Hauptbereich besteht. Hierdurch wird auf besonders einfache und leicht herstellbare Art und Weise erreicht, dass Schwingungsmoden oder Resonanzfrequenzen des Deckels derart liegen, dass im Betrieb der Pumpe ein vorteilhaftes Spektrum an Geräuschemissionen bzw. Geräuschabstrahlung auftritt, welche vom Nutzer eines Fahrzeugs, in dem die Kraftstoffhochdruckpumpe verbaut ist, nicht bzw. als nicht unangenehm wahrgenommen wird.
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Von Vorteil ist auch, wenn der insgesamt axial verlaufende erste Abschnitt des Deckelelements eine axiale Erstreckung von wenigstens 5 mm, vorzugsweise von wenigstens 6 mm, vorzugsweise von wenigstens 7 mm, insbesondere von wenigstens 8 mm und/oder von höchstens 12 mm, vorzugsweise von höchstens 11 mm, vorzugsweise von höchstens 10 mm, insbesondere von höchstens 9 mm, aufweist. Ein solches Deckelelement bietet ausreichend Platz, um weitere Teile der Dämpfervorrichtung zwischen Deckelelement und Pumpengehäuse aufzunehmen, beispielsweise den oben genannten Membrandämpfer. Dennoch ist die Bauhöhe insgesamt vergleichsweise gering, und das Resonanzverhalten ist so, dass unerwünschte Geräuschemissionen wirksam unterdrückt werden.
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Von Vorteil ist auch, wenn der insgesamt im Wesentlichen radial verlaufende zweite Abschnitt der Wand des Deckelelements in axialer Richtung gesehen eine Erstreckung von wenigstens 7 mm, vorzugsweise von wenigstens 8 mm, vorzugsweise von wenigstens 9 mm, insbesondere von wenigstens 9,5 mm und/oder von höchstens 13 mm, vorzugsweise von höchstens 12 mm, vorzugsweise von höchstens 11 mm, insbesondere von höchstens 10,5 mm, aufweist. Je höher die axiale Erstreckung des zweiten Abschnitts desto stärker gekrümmt kann der zweite Abschnitt ausgeführt werden, was zu einer besonders wirksamen Unterdrückung von Geräuschemissionen führt, sich jedoch negativ auf die benötigte Bauhöhe der Kraftstoffhochdruckpumpe auswirkt. Die eben genannten Bereiche stellen eine vorteilhafte Kompromisslösung zwischen Geräuschunterdrückung und platzsparender Bauhöhe der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe dar.
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Vorteilhaft ist auch, wenn eine Wandstärke des Deckelelements in einem radial inneren Bereich mindestens 1,5 mm, vorzugsweise mindestens 1,6 mm, vorzugsweise mindestens 1,65 mm beträgt, wobei der innere Bereich um eine Mittelachse des Deckelelements angeordnet ist und in radialer Richtung einen Durchmesser von mindestens 41 mm, vorzugsweise 41,7 mm, vorzugsweise 43 mm, insbesondere 45 mm, aufweist. Die genannte Mindestdeckelstärke im radial inneren Bereich führt zu einem ausreichenden Maß an Unterdrückung von Schwingungen des Deckelelements, die Geräusche im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe verursachen. Die angegebenen Werte für die Wandstärke erlauben eine kostengünstige Herstellung des Deckels bei geringer Einbaugröße und vertretbarem Gewicht der Kraftstoffhochdruckpumpe bei jedoch gleichzeitig ausreichender Unterdrückung von Geräuschemissionen.
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Vorteilhaft ist auch, wenn das Deckelelement eine axiale Erstreckung von wenigstens 15 mm, vorzugsweise von wenigstens 16 mm, vorzugsweise von wenigstens 17 mm, insbesondere von wenigstens 18 mm, und/oder eine axiale Erstreckung von höchstens 22 mm, vorzugsweise von höchstens 21 mm, vorzugsweise von höchstens 20 mm, insbesondere von höchstens 19 mm, aufweist. Die beschriebenen unteren Grenzen stellen vorteilhafte Werte dar, die es ermöglichen, beispielsweise den Membrandämpfer, das Halteelement und/oder das Federelement, wie oben beschrieben, zwischen Deckelelement und Pumpengehäuse anzuordnen, wobei die angegebenen Höchstwerte eine vorteilhafte geringe Bauhöhe der Kraftstoffhochdruckpumpe gewährleisten.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die anhand der Zeichnung erläutert werden, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlicher Kombination für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird. Es zeigen:
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1 eine vereinfachte schematisierte Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine;
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2 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe;
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3 eine einzelne vergrößerte Darstellung eines Deckelelements der Kraftstoffhochdruckpumpe aus 2 im Detail; und
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4 ein Diagramm, in dem die Resonanzfrequenz des Deckelelements aus 2 und 3 im Detail und Vergleich mit der Resonanzfrequenz einer herkömmlichen Kraftstoffhochdruckpumpe dargestellt ist.
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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 im Betreib des Kraftstoffsystems 10 Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16 und einer Niederdruckleitung 18 über einen Einlass 20 einer als Kolbenpumpe ausgeführten Kraftstoffhochdruckpumpe 22 zugeführt. Im Einlass 20 ist ein Einlassventil 24 angeordnet, über welches ein Kolbenraum 26 mit einem Niederdruckbereich 28, der die Vorförderpumpe 16, die Saugleitung 14, und den Kraftstofftank 12 umfasst, fluidisch verbindbar ist. Druckpulsationen in dem Niederdruckbereich 28 können mittels einer Druckdämpfervorrichtung 29 gedämpft werden. Auf diese wird weiter unten noch stärker im Detail eingegangen werden. Das Einlassventil 24 kann über eine Betätigungseinrichtung 30 zwangsweise geöffnet werden. Die Betätigungseinrichtung 30 und damit das Einlassventil 24 sind über eine Steuereinheit 32 ansteuerbar.
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Ein Kolben 34 der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 kann mittels eines vorliegend als Nockenscheibe ausgeführten Antriebs 36 entlang einer Kolbenlängsachse 38 auf- und abbewegt werden, was durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 40 schematisch dargestellt ist. Hydraulisch zwischen dem Kolbenraum 26 und einem Auslassstutzen 42 der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist ein Auslassventil 44 angeordnet, das zu einem Hochdruckspeicher 46 ("Rail") hin öffnen kann. Über ein Druckbegrenzungsventil 48, das bei Überschreiten eines Grenzdrucks im Hochdruckspeicher 46 öffnet, sind der Hochdruckspeicher 46 und der Kolbenraum 26 fluidisch verbindbar.
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Über ein Druckbegrenzungsventil 48, das bei Überschreiten eines Grenzdrucks im Hochdruckspeicher 46 öffnet, sind der Hochdruckspeicher 46 und der Kolbenraum 26 fluidisch verbindbar. Das Druckbegrenzungsventil 48 ist als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildet und kann zum Kolbenraum 26 hin öffnen.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist in 2 in einer Schnittdarstellung gezeigt. In der Darstellung von 2 ist ersichtlich, dass die Betätigungseinrichtung 30 einen federbelasteten Stößel 49 umfasst. Der Stößel 49 ist über eine Magnetspule 50 bewegbar und kann einen ebenfalls federbelasteten Ventilkörper 51 des Einlassventils 24 zwangsweise öffnen.
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In der Darstellung von 2 im oberen Bereich der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist die Druckdämpfervorrichtung 29 angeordnet. Die Druckdämpfervorrichtung 29 umfasst ein topfartiges Deckelelement 54, das mit dem Pumpengehäuse 52 in einem Verbindungsbereich 56 verbunden ist und zwar vorliegend über eine KEEP-Schweißnaht (Kondensator-Entladungs-Einpress-Schweißnaht). Der Verbindungsbereich 56 läuft in einer Umfangsrichtung um das Pumpengehäuse 52 herum.
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Das Pumpengehäuse 52 und das Deckelelement 54 begrenzen einen Innenraum 58 der Druckdämpfervorrichtung 29. In dem Innenraum 58 der Druckdämpfervorrichtung 29 ist ein Membrandämpfer 60 angeordnet. Dieser umfasst eine erste und in den Figuren obere Membran 62 und eine zweite und in den Figuren untere Membran 64, die randseitig miteinander verschweißt sind.
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Die obere Membran 62 und die untere Membran 64 umschließen ein Dämpfungsvolumen 66, das mit Gas gefüllt und kompressibel ist, da die beiden Membranen 62 und 64 jeweils flexible Wände für das Dämpfungsvolumen 66 darstellen.
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Der Membrandämpfer 60 ist randseitig über ein Abstützelement 68 am Pumpengehäuse 52 abgestützt und in einer axialen bzw. in den Figuren vertikalen Richtung entlang der Kolbenlängsachse 38 zu diesem beabstandet angeordnet. Ein Federelement 70 ist dem Abstützelement 68 gegenüberliegend zwischen Membrandämpfer 60 und Deckelelement 54 angeordnet. Über das Federelement 70 ist der Membrandämpfer 60 am Deckelelement 54 abgestützt und in der axialen Richtung 38 zu diesem beabstandet angeordnet. Insgesamt ist der Membrandämpfer 60 über das Abstützelement 68 und das Federelement 70 randseitig zwischen dem Deckelelement 54 und dem Pumpengehäuse 52 verspannt.
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Im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 wird der Kraftstoff im Niederdruckbereich 28 zu Druckpulsationen angeregt. Diese Druckpulsationen können durch Kompression bzw. Dekompression des Membrandämpfers 60 ausgeglichen werden.
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Das Deckelelement 54 wird im Folgenden unter Bezug auf 3 weiter im Detail erläutert. Die in 2 gezeichnete Kolbenlängsachse 38 entspricht in 3 einer Mittelachse 38 des Deckelelements 54. Das Deckelelement 54 weist eine Wand 72 auf. Die Wand 72 des Deckelelements 54 weist einen ersten Abschnitt 74 auf, der in 3 vollständig vertikal verläuft, dessen Verlauf also vollständig in Richtung der Kolbenlängsachse 38 liegt. Die Wand 72 des Deckelelements 54 weist auch einen zweiten Abschnitt 76 auf, der an den ersten Abschnitt 74 anschließt und der insgesamt und im Wesentlichen in einer radialen Richtung 78 verläuft. Damit ist gemeint, dass der zweite Abschnitts 76 nicht nur in einer radialen Richtung (Pfeil 78 in 3) verläuft sondern auch etwas in axialer Richtung. Der zweite Abschnitt 76 ist vom Innenraum 58 weg ausgebaucht, als vom Innenraum 58 (bzw. – wäre der zweite Abschnitt 26 eine Linse – vom Brennpunkt) aus gesehen konkav ausgebildet und somit derart gekrümmt, dass ein Krümmungszentrum der lokalen Krümmung auf Seiten des Innenraumes 58 liegt, wodurch eine Versteifung des Deckelelements 54 bzw. dessen Wand 72 gebildet ist.
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An seinem vom zweiten Abschnitt 76 abgewandten Ende des ersten Abschnitts 74 weist der radiale Abschnitt 74 einen radial abgeschrägten Bereich 80 auf, der zum Anfügen an das Pumpengehäuse 52 dient. Der zweite Abschnitt 76 weist zum ersten Abschnitt 74 hin einen Übergangsbereich 82 mit einem ersten inneren Krümmungsradius 84 auf, der vorliegend 7 mm beträgt. Der zweite Abschnitt 76 weist außerdem einen Hauptbereich 86 auf, der sich nach radial einwärts an den Übergangsbereich 82 anschließt und der einen Querschnitt mit einem zweiten inneren Krümmungsradius 88 aufweist, wobei der zweite innere Krümmungsradius 88 vorliegend 47 mm beträgt.
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Vorliegend besteht der zweite Abschnitt 76 aus dem Übergangsbereich 78 und dem Hauptbereich 86. Ein innerer Bereich des Deckelelements ist in 3 mit dem Bezugszeichen 90 versehen. Im inneren Bereich 90 weist die Wand 72 des Deckelelements 54 eine Wandstärke 92 auf, welche vorliegend 1,65 mm beträgt. Der innere Bereich 90 weist vorliegend einen Durchmesser um die Kolbenlängsachse 38 herum von 41,7mm auf.
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Eine axiale Erstreckung des ersten Abschnitts trägt in 3 das Bezugszeichen 94 und beträgt vorliegend 8,2 mm. Eine vertikale Erstreckung des zweiten Abschnitts 76 trägt in 3 das Bezugszeichen 96 und beträgt vorliegend 9,9 mm. Folglich beträgt eine insgesamte vertikale Erstreckung 98 des Deckelelements 54 vorliegend 18,1 mm. In radialer Richtung verlaufende Abschnitte der Wand 72, vorliegend also der zweite Abschnitt 76, sind bezüglich des Innenraumes 58 konkav ausgebildet.
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Im Betrieb des Einlassventils 24 wird dieses teilweise zwangsweise durch den Stößel 49 geöffnet bzw. am Schließen gehindert. Hierdurch kann die Menge an Kraftstoff, die durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 22 gefördert wird, eingestellt werden. Schlägt der Stößel 49 an den Ventilkörper 51 des Einlassventils 24 an, so verursacht dies ein Geräusch. Dieses pflanzt sich durch das Pumpengehäuse 52 bzw. durch den Kraftstoff bis zum Deckelelement 54 fort, wodurch dieses zum Schwingen angeregt werden kann. Das Deckelelement 54 strahlt dann diese Geräusche ab. Würden die Schwingungsmoden des Deckelelements 54 bspw. im Bereich um 8000Hz liegen, so könnte es zu einer unvorteilhaften Verstärkung der Geräuschemission kommen. Durch die eben beschriebene Geometrie des Deckelelements 54 sind die Schwingungsmoden des Deckelelements 54 nahe dem nicht-hörbaren Bereich bzw. im nicht-hörbaren Bereich, insbesondere im Bereich von 12000Hz–13000hz. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Geräuschemissionen im Betrieb der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 22 aus, da diese entweder hochfrequent oder direkt im nicht-hörbaren Bereich sind.
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In 4 ist die Geräuschemission 100 als Funktion der Anregungsfrequenz 102 dargestellt. Dabei ist das Resonanzverhalten der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 22 mit dem Bezugszeichen 104 bezeichnet und als gestrichelte Linie aufgetragen, und das Resonanzverhalten einer aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist mit dem Bezugszeichen 106 versehen und als durchgezogene Linie aufgetragen. Die Resonanzfrequenzen107 der erfindungsgemäßen Kraftstoffhochdruckpumpe 22 sind gegenüber den Resonanzfrequenzen 108 des Standes der Technik zum nichthörbaren Bereich 110 hin verschoben. Auch die Gesamthöhe an Geräuschemission 100 (Lautstärke) in den Resonanzfrequenzen 107 ist niedriger als bei den Resonanzfrequenzen 108 der aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffhochdruckpumpe 22.
