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Stand
der Technik
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Bei
Verbrennungskraftmaschinen mit Aufladeeinrichtungen, insbesondere
Abgas-Turboladern, besteht
bei schnellen negativen Lastwechseln aus dem Volllast nahen Bereich – beispielsweise
durch Schließen
der nach dem Verdichter angeordneten Drosselklappe – die Gefahr,
dass die Luftströmung am
Verdichterrad der Aufladeeinrichtung abreißt, wobei es zu unzulässigen Geräuschbelästigungen kommt.
Im Extremfall besteht darüber
hinaus die Gefahr, dass durch die sich schließende Drosselklappe der Volumenstrom
sich staut und am Verdichter der Aufladeeinrichtung ein Gegendruck
entsteht, der das sich schnell drehende Verdichterrad stark abbremst. Dies
kann insbesondere bei hohen Ladedrücken zu einer Beschädigung des
Verdichterrades oder des Axiallagers der Aufladeeinrichtung führen.
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Um
ein derartig abruptes Abbremsen des Verdichterrades und eine Entstehung
von Strömungsgeräuschen bei
schnellen negativen Lastwechseln zu verhindern, ist ein Bypass-System am Verdichter
der Aufladeeinrichtung vorgesehen, welches dem Verdichter erlaubt,
den Volumenstrom ohne große
Unstetigkeiten und somit ohne Strömungsabriss abzubauen. Der
Volumenstrom wird hierbei von der Druckseite zur Ansaugseite des
Verdichters abgeleitet, so dass durch die Rückführung eines Luftvolumens vor
den Verdichter eine Überfettung
des Gemisches im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine vermieden
wird. Zur Steuerung des Bypass-Systems sind aus dem Stand der Technik
neben den störanfälligen Kolbenventilen
auch elektrisch gesteuerte Membranventile bekannt, die unabhängig von
den jeweiligen Druckverhältnissen das
Bypass-System freigeben und schließen können.
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So
ist in der
DE 100
20 041 A1 ein Bypassventilkörper für Turbo-Otto-Brennkraftmaschinen
beschrieben, welches eine Verbindung der Druckseite mit der Ansaugseite
einer Aufladeeinrichtung herstellt. Der Bypassventilkörper umfasst
hierbei ein Ventilgehäuse
mit einer darin angeordneten Ventilstange, die über eine vorzugsweise elektromagnetische
Antriebseinheit entgegen der Druckkraft einer sich im Ventilgehäuse abstützenden
Feder in das Ventilgehäuse
hinein verschiebbar ist. Am Ende der Ventilstange sind hierbei ein
Ventilkopf und eine Membran mit einer umlaufenden Dichtlippe vorgesehen,
welche einen ansaugseitigen Strömungskanal gegenüber einem
druckseitigen Strömungskanal
verschließen.
Die Verbindung zwischen der Ventilstange und dem Ventilkopf ist
als kardanisches Kugelgelenk ausgelegt.
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Aufgrund
eines bis in Höhe
von 2 bar auftretenden Überdrucks
weisen der Ventilkopf und die Ventilstange jeweils Druckausgleichsbohrungen
auf, so dass der Raum unterhalb der Membran mit dem Raum vor der
Dichtgeometrie strömungsmäßig verbunden
ist. Durch den Druckausgleich des Ventilkopfes und der Membran ist
zum Öffnen
des Bypassventils nur eine geringe Kraft erforderlich, so dass die
Antriebseinheit als Spulen-Anker-Kombination mit Tauchstufe relativ
kleinbauend ausgelegt werden kann. Da bei einer Betätigung der
Antriebseinheit der Hubweg der Membran bis zu 6 mm beträgt, ist
dieses als Rollmembran mit einem umlaufenden Wulst ausgebildet.
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Da
die Anordnung gemäß des Standes
der Technik beispielsweise an einer als Abgasturbolader ausgebildeten
Aufladeeinrichtung montierbar ist, müssen sowohl die elektrische
Antriebseinheit als auch die bewegten Massen für Beschleunigungen von bis
zu 40g ausgelegt sein. Weiterhin muss die Membran infolge der Montage
des Bypassventilkörpers
an der Aufladeeinrichtung und der damit verbundenen Beanspruchung
durch hohe Temperaturen aus einem hochwertigen Elastomer hergestellt
sein, das Kraftstoffen und anderen Medien im Motorraum sowie Temperaturen
von –40
bis +160°C
widersteht. In Zusammenhang mit einem Hubweg von über 6 mm
bei 1,5 Millionen Lastwechsel über
Lebenszeit und der Veränderung
der elastischen Eigenschaften des Elastomermaterials aufgrund vorzeitiger
ermüdungsbedingter
Alterung versagt das Rollmembran vorzugsweise im Walkbereich.
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Darstellung
der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schubumluftventil bzw.
Bypassventil bereitzustellen, welches bei geschlossener Stellung
des Ventils die Ansaugseite gegenüber der Druckseite zuverlässig abdichtet
und über
die Standzeit des Ventils eine hohe Dichtheit hinsichtlich der durchzuführenden Lastspiele
gewährleistet.
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Gemäß der Erfindung
weist das Schubumluftventil ein Ventilgehäuse auf, in dem eine Schließkomponente
bewegbar aufgenommen ist. Die Schließkomponente ist dabei über eine
vorzugsweise in dem Ventilgehäuse
vorgesehene Antriebseinheit in der Weise verschiebbar, dass über die
Betätigung
der Antriebseinheit die Druckseite mit der Ansaugseite einer Aufladeeinrichtung
verbunden oder getrennt werden kann. Als Ventilschließelement weist
die Schließkomponente
einen Ventilkopf mit einer damit verbundenen Membran auf, wobei
der Ventilkopf als Membranträger
ausgeführt
ist. Die Aufladeeinrichtung kann dabei insbesondere als ein Abgasturbolader,
als ein Druckwellenlader, ein Kompressor oder eine andere Aufladeeinrichtung
beschaffen sein.
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In
der Dichtstellung des Schubumluftventils trennt das Ventilschließelement
die Druckseite und die Ansaugseite strömungsmäßig. Hierbei wird der Ventilkopf
mit einem von der Druckseite der Aufladeeinrichtung her resultierenden
Druck beaufschlagt. Um eine Beeinträchtigung der Bewegung der Schließkomponente
auszuschließen
und die Antriebseinheit relativ kleinbauend auszuführen, enthält die Schließkomponente
eine oder mehrere Druckausgleichsbohrungen, die sich vom Ventilkopf
bis in das Innere des Ventilgehäuses
hinein erstrecken. Hierdurch kann sich in geschlossener Stellung
des Schubumluftventils der aufgebaute Ladedruck im Ventilgehäuse unterhalb
des Ventilkopfes und der Membran ausbreiten, so dass ein Druckausgleich stattfindet.
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Erfindungsgemäß weist
die Membran eine Faltenbalg-Geometrie auf, bei welcher der Hubweg der
Schließkomponente
in der Größe von 6
mm über die
als Gelenke wirkenden Knickstellen der Faltenbalg-Geometrie realisiert
wird. Der sich hierdurch ergebene Vorteil besteht darin, dass bei
der Bewegung der Schließkomponente
sich keine Walkzonen in der Geometrie der Membran bilden, die zu
einem vorzeitigen Versagen und einer Undichtigkeit der Membran führen können.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung weist die Membran an den als Gelenke wirkenden Knickstellen
der Faltenbalg-Geometrie Materialverstärkungen auf. Bei einer geschlossenen Stellung
des Ventils wird hierdurch verhindert, dass sich die Membran aufgrund
des über
die Druckausgleichsbohrungen eingebrachten Innendrucks in Umfangsrichtung
ausdehnt. Die Membranverstärkungen sind
erfindungsgemäß als Materialverdickungen
an den Knickstellen ausgeführt.
Es ist jedoch auch möglich,
dass in den Knickstellen ringförmige
Elemente in die Membran integriert sind.
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Um
die von der Antriebseinheit aufzubringende Kraft zur Betätigung des
Schubumluftventils gering zu halten, entspricht gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung die in Hubrichtung der Schließkomponente projizierte Fläche am Ventilschließelement
im Wesentlichen der von der Druckseite her mit zuströmender Luft
beaufschlagten Fläche
des Ventilschließelementes.
In Dichtstellung des Schubumluftventils wirken auf das Ventilschließelement
dabei sowohl von der Druckseite der Aufladeeinrichtung her als auch
von der mit Innendruck beaufschlagten Seite des Ventilschließelementes
Kräfte
mit im Wesentlichen gleicher Größe auf den
Ventilkopf ein. Ohne die Einwirkung weiterer Kräfte ist der Ventilkopf aufgrund
der im Wesentlichen in gleicher Größe gegeneinander wirkenden
Druckkräfte
im Gleichgewichtszustand.
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Der
als Membranträger
ausgeführte
Ventilkopf umfasst erfindungsgemäß einen
Ventilteller, der von der Membran eingefasst wird. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung weist die Membran im Bereich des Ventiltellers ein
in dessen Richtung geöffnete
Nut, in die ein umlaufender Randbereich des Ventiltellers eingreift.
Die Membran ist auf diese Weise als ein schlauchförmiges Element
herstellbar, die durch Überstülpen über den
Ventilkopf mit diesen verbunden werden kann. Ventilgehäuseseitig
ist die Membran über
einen Stützring
fixiert, der erfindungsgemäß mit dem
Ventilgehäuse
des Schubumluftventils als Klemmverbindung zusammenwirkt. Hierdurch
ergibt sich der Vorteil, dass die Membran ventilgehäuseseitig
zwischen Stützring
und Ventilgehäuse
klemmbar ist. Darüber
hinaus erstreckt sich der Stützring über einen Teilbereich
der Membran in Richtung des Hubweges des Ventils und verhindert
so ein Ausknicken und Walken der Membran bei einer Bewegung der
Schließkomponente.
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Die
Antriebseinheit zur Bewegung der Schließkomponente ist gemäß der Erfindung
ein elektromagnetisches Antriebsystem, dass die Schließkomponente
in Hubrichtung, vorzugsweise in das Ventilgehäuse hinein verschiebt. Gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung ist die Schließkomponente
mit einer entgegen der Hubrichtung der Antriebseinheit wirkenden
Federkraft beaufschlagt, welche die Schließkomponente gegen einen im
Gehäuse
der Aufladeeinrichtung vorgesehen Dichtsitz in eine geschlossene
Stellung anstellt. Die Federkraft ist hierbei erfindungsgemäß derart
den beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auftretenden Beschleunigungen
und Druckverhältnissen angepasst,
dass die Schließkomponente
nur über
die Antriebseinheit verschiebbar ist.
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Bei
einer Verschiebung der Schließkomponente
in das Ventilgehäuse
hinein weist der Ventilkopf erfindungsgemäß einen vorzugsweise in Richtung
des Ventilgehäuses
weisenden Anschlag auf, der den Hubweg der Schließkomponenten
ventilgehäuseseitig
begrenzt.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung anhand von
bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1:
eine schematische Wiedergabe einer an einer Verbrennungskraftmaschine
eingesetzten Aufladeeinrichtung, und
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2:
eine schematische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Schubumluftventils in
geschlossener Stellung.
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Ausführungsbeispiele
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Der
Darstellung in 1 ist in schematischer Weise
eine Aufladeeinrichtung zu entnehmen, die einer Verbrennungskraftmaschine
zugeordnet ist.
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Die
Verbrennungskraftmaschine 1, bei der es sich um eine selbstzündende oder
eine fremdgezündete
Verbrennungskraftmaschine handeln kann, umfasst mindestens einen
Brennraum 2 mit mindestens einem verschließbaren Einlassventil 4 und
mindestens einem verschließbaren
Auslassventil 6. Über das
Einlassventil 4 wird dem Brennraum 2 Frischluft 10 zugeführt, die über eine
Ansaugleitung 8 insbesondere aus der Umgebung des Verbrennungsmotors 1 angesaugt
wird. Zum Ableiten der bei der Verbrennung im Brennraum 2 erzeugten
Abgase 14 über eine
Abgasleitung 12 wird das Auslassventil 6 geöffnet. Innerhalb
der Abgasleitung 12 ist ein Turbinenteil 16 einer
Aufladeeinrichtung 18 angeordnet, welches von den über das
Auslassventil 6 abgeführten
Abgasen 14 angetrieben wird. In der als Abgasturbolader ausgebildeten
Aufladeeinrichtung 18 wird die Drehbewegung der Turbine
des Turbinenteils 16 auf ein innerhalb der Ansaugleitung 8 angeordnetes
Verdichterteil 20 übertragen.
Das Verdichterteil 20 verdichtet hierbei die über die
Ansaugleitung 8 angesaugte Frischluft 10, die über das
sich öffnende
Einlassventil 4 dem Brennraum 2 zugeführt wird.
Zur Regelung der dem Brennraum 2 zugeführten Menge an Frischluft 10 ist
zwischen dem Verdichterteil 20 und dem Einlassventil 4 eine
Drosselklappe 20 vorgesehen. Um bei einer sich schnell
schließenden
Drosselklappe 22 ein Abreißen der Luftströmung am
Verdichterteil 20 und ein Pumpen der Aufladeeinrichtung 18 gegen
die geschlossenen Drosselklappe 22 zu verhindern, ist ein
Strömungskanal 24.1, 24.2 vorgesehen,
der die überschüssige Luftmenge
aus dem Druckbereich zwischen dem Verdichterteil 20 und
der Drosselklappe 22 in den Ansaugbereich vor dem Verdichterteil 20 zurückführt. Zur
zeitweisen Verbindung der Druckseite mit der Ansaugseite der Aufladeeinrichtung
ist der auch als Bypasskanal bekannte Strömungskanal 24.1, 24.2 in
einen druckseitigen Abschnitt 24.1 und einen ansaugseitigen
Abschnitt 24.2 unterteilt, die durch ein Schubumluftventil 26 getrennt sind.
Zum Verbinden der Abschnitte 24.1, 24.2 des Strömungskanals
ist das Schubumluftventil über
eine Steuereinheit 28 betätigbar.
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Der
schematischen Querschnittansicht der 2 ist ein
erfindungsgemäß vorgeschlagenes Schubumluftventil
in einer geschlossenen Stellung zu entnehmen.
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Das
Ventilgehäuse 30 des
Schubumluftventils 26 ist über einen Befestigungsflansch 32 mit
zumindest einer Befestigungsbuchse 42 an dem Gehäuse 70 der
Aufladeeinrichtung 18 vorzugsweise lösbar befestigt. Das Schubumluftventil 26 kann
in die Aufladeeinrichtung 18 integriert sein, oder über einen
Deckel mit Anschlussflansch außerhalb
der Aufladeeinrichtung 18 angeordnet sein. Wie in 2 gezeigt,
trennt das Schubumluftventil 26 den druckseitigen Abschnitt 24.1 von
dem ansaugseitigen Abschnitt 24.2 des einen Bypass bildenden
Strömungskanals,
wobei der druckseitige Abschnitt 24.1 des Strömungskanals
vom Ventilschließelement 44 strömungsdicht
verschlossen wird.
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In
dem Ventilgehäuse 30 des
Schubumluftventils 26 ist eine bewegbare Schließkomponente 34 aufgenommen.
Die Schließkomponente 34 umfasst dabei
einen Anker 36, der mit einer im Ventilgehäuse 30 ortsfest
angeordneten, den Anker 36 umschließenden und bestrombaren Spule 38 zusammenwirkt. Unterhalb
des Ankers 36 befindet sich eine Tauchstufe 66,
die an einem Stellkern 56 konisch ausgebildet ist. Der
Stellkern 56 bildet hierbei das Gegenstück zum Anker 36.
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Der
den Anker 36, die Spule 38 und den Stellkern 56 umfassende
elektromagnetische Antrieb 40 des Schubumluftventils 26 ist über einen
Steckerkontakt 58 mit einer Steuereinheit – wie beispielsweise
der in 1 gezeigte Steuereinheit 28 – elektrisch verbunden.
Bei einer Ansteuerung der Antriebseinheit 40 wird die Schließkomponente 34 bis
zu 6 mm in das Ventilgehäuse 30 hinein
bewegt, wodurch die Abschnitte 24.1, 24.2 und
somit die Druckseite und Ansaugseite der Aufladeeinrichtung 18 strömungsmäßig miteinander
verbunden werden.
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Am
dem der Aufladeeinrichtung 18 zugewandten Ende der Schließkomponente 34 ist
ein Ventilschließelement 44 vorgesehen,
dass einen Ventilkopf 46 und eine Membran 48 umfasst,
welche die Verbindung der Abschnitte 24.1, 24.2 des
Strömungskanals
trennen.
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Der
Ventilkopf 46 umfasst einen von der Membran 48 eingefassten
Ventilteller 72, der die Membran an ihrem einen Ende trägt. In das
Innere des Ventilgehäuses 30 erstreckt
sich der Ventilkopf 46 mit einem ersten und daran anschließenden zweiten
zylinderförmigen
Abschnitt 74.1, 74.2. Der Ventilkopf 46 kann
hierbei als Kunststoffspritzgussteil ausgebildet sein. In dem ersten
zylinderförmigen
Abschnitt 74.1 kleineren Durchmessers ist der Anker 36 über eine
Schraub-, Rast- oder Steckverbindung lösbar mit dem Ventilkopf 46 verbunden.
Der zweite Abschnitt 74.2 ist als Hohlzylinder ausgeführt und
weist einen größeren Durchmesser
auf. Zum Schließen des
Schubumluftventils stützt
sich an der Stelle der Querschnittsvergrößerung zwischen dem ersten
und zweiten Abschnitt 74.1, 74.2 eine Spiraldruckfeder 50 ab.
Die Spiraldruckfeder 50 umschließt hierbei den Anker 34 und
beaufschlagt den Ventilkopf 46 mit einer aus dem Ventilgehäuse 30 heraus
gerichteten Federdruckkraft. Die Größe der Federdruckkraft ist hierbei
so bemessen, dass bei nicht angesteuerter Antriebseinheit 40 das
Ventilschließelement 44 strömungsdicht
gegen den Ventilsitz 60 am druckseitigen Abschnitt 24.1 des
Strömungskanals
angestellt ist. Das in das Ventilgehäuse 30 sich hinein
erstreckende Ende des zweiten Abschnitts 74.2 begrenzt
hingegen den Hubweg der Schließkomponente 34 bei
einer Verschiebung in das Ventilgehäuse 30.
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Die
eine Faltenbalg-Geometrie aufweisende Membran 48 ist ventilgehäuseseitig
zwischen einen Stützring 52 und
dem Ventilgehäuse 30 festgeklemmt.
Neben der Fixierung stabilisiert der Stützring 52 die Membran 48 in
Richtung des Hubweges der Schließkomponente 34 und
verhindert so ein Ausknicken der Membran 48 beim Verschieben
der Schließkomponente 34 in
das Ventilgehäuse 30.
Der Ventilkopf 46 und der Anker 36 weisen eine
Druckausgleichsbohrung 54 auf, die sich durch die Schließkomponente 34 hindurch
in das Innere des Ventilgehäuses 30 hinein
erstreckt. Hierbei sind die Druckausgleichsbohrungen 54 im
Ventilkopf 46 und Anker 36 konzentrisch angeordnet.
Bei der in 2 gezeigten geschlossenen Stellung
des Schubumluftventils 26 liegen aufgrund der Druckausgleichsbohrung 54 im
Ventilgehäuse 30 unterhalb
des Ventilkopfes 46 die gleichen Druckverhältnisse
wie im druckseitigen Ansaugkanal 24.2 vor. Die dem druckseitigen
Strömungskanal 24.1 zugewandte
druckbeaufschlagte Fläche
des Ventilschließelements 44 entspricht
dabei der in Richtung des Hubweges projizierten mit Bezugszeichen 68 bezeichneten
Fläche
für den
Druckausgleich unterhalb des Ventilkopfes 46. Unabhängig von
den bestehenden Druckverhältnissen
wird auf diese Weise das Ventilschließelement 44 immer
mit der gleichen gegen den Ventilsitz 60 gerichteten Schließkraft beaufschlagt,
sofern die Spule 38 der Antriebseinheit 40 nicht
bestromt wird.
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Zwischen
dem von der Membran 48 umschlossenen Ventilkopf 46 und
dem Stützring 52 weist
die Membran 48 eine Faltenbalg-Geometrie auf, deren Knickstellen 64 bei
einer Hubbewegung der Schließkomponente 34 als
Gelenke wirken. Um ein Ausdehnen der Membran in Umfangsrichtung aufgrund
des in das Ventilgehäuse 30 durch
die Druckausgleichsbohrung 54 eingebrachten Innendrucks
zu verhindern, sind die Knickstellen 64 verstärkt ausgeführt. Vorzugsweise
weisen die Knickstellen 64 hierbei Materialverdickungen
oder ringförmige
Verstärkungselemente
zur Versteifung auf.
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Die
Membran 48 ist als schlauchförmiges Bauteil herstellbar,
wobei zur Einfassung des scheibenförmigen Ventiltellers 72 an
dem den Ventilkopf 46 zugewandten Ende der Membran 48 eine
radial nach innen gerichtete Nut vorgesehen ist, die vorzugsweise
eine geringere Dicke als der Ventilteller 72 aufweist.
Auf diese Weise muss bei der Montage der Membran 48, wie
sie bei der Herstellung oder Reparatur erfolgt, der Ventilteller 72 des
Ventilkopfes 46 lediglich in die dafür vorgesehene Nut der Membran 48 eingedrückt werden.
Der über
den Ventilteller 72 hinaus stehende Rand der Membran 48 stellt
hierbei die Dichtung dar, die am Ventilsitz 60 des druckseitigen Abschnitts 24.1 des
Strömungskanals
anliegt und diesen abdichtet.