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Stand der Technik
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Bei
druckausgeglichenen Schaltventilen wird das unter Druck stehende
Medium im geschlossenen Zustand üblicherweise in einer
ringförmigen Druckkammer eingeschlossen. Diese Kammer ist
auf der einen Seite durch eine Führung und auf der anderen Seite
durch einen Dichtsitz begrenzt, wobei Führung und Dichtsitz
exakt denselben Durchmesser d aufweisen. Dadurch entsteht keine
in Öffnungs- oder in Schließrichtung wirkende
Kraft auf das Ventilelement, welches entweder als ein innenliegend
geführtes, nadelförmig ausgebildetes Ventilelement
oder ein außenliegend geführtes, hülsenförmiges
Ventilelement ausgebildet ist.
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Mit
fortschreitendem Betrieb des Schaltventils kommt es zu einem Angleich
zwischen der Dichtfläche des Ventilstücks und
des entweder nadelförmig oder hülsenförmig
ausgebildeten Ventilelementes. Da der Angleich vom ursprünglichen
Durchmesser d ausgehend, nur zu einer Seite hin erfolgt, ist eine
Veränderung des wirksamen Sitzdurchmessers und damit die
Erzeugung einer in Öffnungsrichtung wirkenden Kraft auf
das Ventilelement die Folge. Der Druckausgleich des Schaltventiles
ist gestört und sein dynamisches Verhalten ändert
sich bis hin zur statischen Undichtheit.
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Aus
DE 100 31 265 A1 ist
ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, welches einen Ventilkörper
aufweist, in dem eine Bohrung ausgebildet ist. Die Bohrung wird
an ihrem brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz begrenzt, von
dem mindestens eine Einspritzöffnung abgeht, die in Einbaulage
des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum der Brennkraftmaschine
mündet. In der Bohrung ist eine kolbenförmige
Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet, die an ihrem
brennraumseitigen, d. h. dem dem Ventilsitz zugewandten Ende eine
Ventildichtfläche aufweist, mit der die Ventilnadel mit
dem Ventilsitz zusammenwirkt. Hierbei wird in Schließrichtung
der Ventilnadel, dies bedeutet, wenn die Ventilnadel mit ihrer Ventildichtfläche
auf dem Ventilsitz aufliegt, die mindestens eine Einspritzöffnung
am brennraumseitigen Ende verschlossen. Bei vom Ventilsitz abgehobener Ventilna del
fließt Kraftstoff zwischen der Ventildichtfläche
und dem Ventilsitz hindurch den Einspritzöffnungen zu und
wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Die
Längsbewegung der Ventilnadel in der Bohrung erfolgt durch
das Verhältnis zweier Kräfte, zum einen durch
eine hydraulische Kraft, die durch den Druck im Druckraum, der zwischen
der Wand der Bohrung mit der Ventilnadel ausgebildet ist und mit Kraftstoff
befüllt ist, entsteht, so dass eine hydraulische Kraft
auf die Ventilnadel ausgeübt wird; zum anderen wirkt eine
Schließkraft auf die Ventilnadel, die auf das brennraumabgewandte
Ende der Ventilnadel mittels einer geeigneten Vorrichtung ausgeübt
wird.
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DE 43 10 984 A1 bezieht
sich auf ein elektromagnetisch betätigbares hydraulisches
Schaltventil. Dieses umfasst eine Magnetspule, einen Magnetanker
sowie ein hülsenförmiges Innenteil, das auf einem
bezüglich der Magnetspule ortsfest angeordneten, zentralen
Führungsstift verschiebbar gelagert ist. Das Schaltventil
umfasst ein hülsenförmiges Außenteil,
das an einer Stirnseite mit einem Polstück einen axialen
Luftspalt bildet und eine Rückstellfeder aufweist, die
den Magnetanker im Sinne einer Vergrößerung des
Luftspaltes belastet. Für eine einfache und kostengünstige
Herstellung stützt sich die Rückstellfeder an
einem Außenbund des Innenteiles ab. Außerdem hintergreift
das Außenteil mit einem Innenbund das Innenteil auf der
der Rückstellfeder gegenüberliegenden Seite. Durch
eine solche Anordnung kann jeweils eine formschlüssige
Mitnahme des einen Teils durch das andere Teil erfolgen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
folgend, wird ein druckausgeglichenes Schaltventil vorgeschlagen,
welches die Nachteile des Standes der Technik beseitigt und insbesondere
eine sich im Laufe der Betriebszeit eines druckausgeglichen ausgebildeten
Schaltventiles einstellende Undichtheit aufgrund Verschleiß und
Druckunterwanderung vermeidet. Des Weiteren wird durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene,
druckausgeglichen ausgebildete Schaltventil eine hohe Rücklaufmenge, aufgrund
hoher Führungsleckage, die den hydraulischen Wirkungsgrad
des druckausgeglichenen Schaltventiles herabsetzt, unterbunden.
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Dazu
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ein druckausgeglichen
ausgebildetes Schaltventil so auszubilden, dass zum Beispiel ein
an einer Ventilführung geführtes, hülsenförmig
ausgebildetes Ventilelement beim Schließen, d. h. dem Einfahren
an den Ventilsitz, nicht mehr in einen radial nach außen
abfallenden Sitz fährt, sondern in einen Kegelsitz einfährt,
dessen Neigung von außen ausgehend radial nach innen abfallend
verläuft. Dadurch entstehen radial nach innen wirkende
Kräfte, die einem Aufweiten des Ventilelementes bei geschlossenem
Sitz bei Anliegen des Innendruckes, d. h. des Systemdruckes psys entgegenwirken und somit verhindern,
dass an einem Schiebersitz, sei er im Neuzustand, sei er bereits
in Gebrauch, eine Druckunterwanderung auftritt. Eine Druckunterwanderung
der miteinander zusammenwirkenden, d. h. einander kontaktierenden
Flächen am Sitz bewirkt die Ausbildung einer in Öffnungsrichtung
wirkenden Druckstufe, welche der auf das Ventilelement ausgeübten
in Schließkraft wirkenden Kraft entgegengesetzt ist und
somit das Undichtwerden eines druckausgeglichen ausgebildeten Schaltventiles
begünstigt. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung der Aufweitung der Führung zwischen dem
Ventilstück, das innenliegend oder außenliegend
angeordnet ist, und dem mit diesem zusammenwirkenden Ventilelement,
sei es innenliegend oder außenliegend geführt, entgegengewirkt
werden, wodurch die Rücklaufmenge klein bleibt.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
macht sich insbesondere den Umstand zunutze, dass beim Abgleiten
eines Schiebersitzes auf einem Körpersitz in Richtung kleinerer
Dichtdurchmesser erstens ein deutlich kleinerer Schlupf, d. h. eine deutlich
kleinere Relativbewegung zwischen Ventilführung beziehungsweise
Ventilstück und Ventilelement im Sitzbereich auftritt und
des Weiteren, d. h. zweitens, aufgrund dieses Umstandes weniger
mechanischer Verschleiß durch eine Reduzierung der Relativbewegungen
auftritt. Bei dem dargestellten Schaltventil erzeugt der Druckaufbau
und möglicherweise nachfolgende Druckschwingungen bei geschlossenem
Schaltventil weniger Schlupf, da der Ventilsitz als ein nach innen
abfallender Sitz ausgeführt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 ein
Magnetventil zur Betätigung eines Kraftstoffinjektors mit
einem außenliegend angeordneten hülsenförmig
ausgebildeten Ventilelement und
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2 die
schematische Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung im Sitzbereich eines druckausgeglichenen Schaltventils.
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Ausführungsformen
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Der
Darstellung gemäß 1 ist ein
Schnitt durch ein als Magnetventil ausgebildetes Betätigungsorgan
für einen Kraftstoffinjektor zu entnehmen.
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In
der Darstellung gemäß 1 ist ein
Kraftstoffinjektor 10 im Schnitt dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst
ein Magnetventil 12, welches einen Magnetkern 14 umfasst,
der eine Magnetspule 16 umschließt. Der Magnetkern 14 weist
darüber hinaus eine Durchgangsöffnung auf, in
der eine Schließfeder 18 angeordnet ist. Die Schließfeder 18 beaufschlagt ein
in der in 1 dargestellten Ausführungsform hülsenförmig
ausgebildetes außenliegend angeordnetes Ventilelement 26.
Das Ventilelement 26 ist an einem Ventilkörper 24 geführt,
der mittels einer Ventilspannmutter 38 im Injektorkörper
des Kraftstoffinjektors 10 montiert ist. Das Magnetventil 12,
d. h. dessen Komponenten Magnetkern 14 und Magnetspule 16 sind
in einer Magnethülse 20 aufgenommen, die über
eine Überwurfmutter mit dem Injektorkörper des
Kraftstoffinjektors 10 verschraubt ist. An der Unterseite
der Magnethülse 20 befindet sich ein in eine Ausnehmung
eingelassener Dichtring 22.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass das außenliegend angeordnete hülsenförmig
ausgebildete Ventilelement 26 eine Ankerplatte aufweist,
die der Unterseite des Magnetkerns 14, in welcher die Magnetspule 16 eingelassen
ist, zuweist. Das hülsenförmig ausgebildete, außenliegend
an dem Ventilkörper 24 in axialer Richtung verschiebbare
Ventilelement 26 begrenzt mit seiner Innenseite einen Hochdruckraum 28,
der als umlaufende Vertiefung im unteren Bereich des Ventilkörpers 24 ausgebildet
ist. Der Hochdruckraum 28 zwischen dem außenliegend
angeordneten, in axialer Richtung bewegbaren Ventilelement 26 und
der Mantelfläche des Ventilkörpers 24 ist
durch einen Systemdruck beaufschlagt. Der Systemdruck ist durch
den Druck gegeben, der in einem Steuerraum 40 des Kraftstoffinjektors 10 herrscht.
Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass der Steuerraum 40 in einem Ventilstück ausgebildet
ist. Auf der oberen Planseite des in den Injektorkörper
des Kraftstoffinjektors 10 eingelassenen Ventilstücks
befindet sich der Fuß des Ventilkörpers 24,
in dem in einer Führungslänge 30 das außenliegende,
in dieser Ausführungsform hülsenförmig
ausgebildete Ventilelement 26 geführt ist. Zwischen
der Unterseite des hülsenförmig ausgebildeten,
außenliegend geführten Ventilelementes 26 und einer
konischen Fläche oberhalb der oberen Planseite des Ventilkörpers 24 ist
ein Ventilsitz 32 ausgebildet, der als nach innen abfallender
Sitz ausgeführt ist.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass der Steuerraum 40, der im Ventilstück ausgebildet
ist, über einen Ablaufkanal, der eine Ablaufdrossel 42 aufweist,
mit einer Längsbohrung 34 im Ventilkörper 24 in
Verbindung steht. Die Längsbohrung 34, die im
unteren Bereich in den Ventilkörper 24 eingebracht
ist, mündet in eine den Ventilkörper 24 durchziehende
Querbohrung 36, die ihrerseits in der Mantelfläche
des Ventilkörpers 24 im Bereich des Hochdruckraumes 28 mündet.
Daher herrscht im Hochdruckraum 28 der Druck, der im Steuerraum 40 herrscht.
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Der
Steuerraum 40 steht über eine Zulaufdrossel 44,
die seitlich in der Wand des Ventilstücks ausgebildet ist,
mit einer Hochdruckquelle in Verbindung. Bei der Hochdruckquelle
handelt es sich zum Beispiel um einen Hochdruckanschluss, an dem
eine hochdruckfeste Leitung angeschlossen ist, über die der
Kraftstoffinjektor 10 mit unter Systemdruck psys stehenden
Kraftstoff beaufschlagt wird. Der Systemdruck wird zum Beispiel
durch eine Hochdruckpumpe innerhalb eines Hochdruckspeicherkörpers
(Common-Rail) eines Hochdruckspeichereinspritzsystems erzeugt, kann
jedoch lediglich über eine Hochdruckpumpe oder ein Pumpe-Düse-System
erzeugt werden.
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Aufgrund
des Umstandes, dass der den Hals des Ventilstücks umgebende
Hohlrauminjektorkörper mit unter Systemdruck stehendem
Kraftstoff befüllt ist, steht im Steuerraum 40 aufgrund
der Verbindung zur Zulaufdrossel 44 stets Systemdruck an.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass über das Magnetventil 12 ein druckausgeglichenes
Schaltventil 48 betätigt wird. Das druckausgeglichen
ausgebildete Schaltventil 48 umfasst im Wesentlichen den
auf der oberen Planseite des Ventilstücks aufliegenden
Ventilkörper 24, an dem entlang der Führungslänge 30 das
hier außenliegend angeordnete hülsenförmig
ausgebildete Ventilelement 26 geführt ist. Zwischen
der Innenseite des außenliegend angeordneten Ventilelementes 26 und der
Mantelfläche des Ventilkörpers 24 ist
der Hochdruckraum 28 ausgebildet, der über die
im Ventilkörper 24 verlaufende Querbohrung 36,
die im Ventilkörper ausgebildete Längsbohrung 34,
sowie den Ablaufkanal mit Ablaufdrossel 42 mit dem Steuerraum 40 hydraulisch
in Verbindung steht. Aufgrund des Umstandes, dass der Sitzdurchmesser
des invers ausgebildeten Ventilsitzes 32, d. h. des nach
innen abfallenden Ventilsitzes 32 und der Führungsdurchmesser,
d. h. der Außendurchmesser des Ventilkörpers 24,
entlang der Führungslänge 30 identisch
ausgeführt sind, handelt es sich bei dem Schaltventil 48, welches über
das Magnetventil 12 betätigt wird, um ein druckausgeglichenes
Schaltventil.
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Der
Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass der Steuerraum 40 außer
durch das Ventilstück durch eine obere Seite eines hier
nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 46 begrenzt
ist. Bei Druckentlastung des Steuerraumes 40 durch Betätigung des
druckausgeglichen ausgebildeten Schaltventiles 48 erfolgt
eine Druckentlastung des Steuerraumes 40. Dabei strömt
eine Steuermenge über die Ablaufdrossel 42, die
Längsbohrung 34, die Querbohrung 32,
den offenstehenden inversen Sitz 32 in den Niederdruckbereich
des Kraftstoffinjektors 10 ab. Aufgrund der Druckentlastung
des Steuerraumes 40 fährt das nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied in vertikaler Richtung auf und gibt in 1 nicht dargestellte,
am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 liegende
Einspritzöffnungen frei, so dass über diese offenstehenden
Einspritzöffnungen Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
eingespritzt werden kann.
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2 zeigt
in vergrößerter Darstellung den erfindungsgemäß ausgestalteten
Sitzbereich am Sitz des Kraftstoffinjektors gemäß der
Darstellung in 1.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht hervor,
dass der mittels der Ventilspannmutter 28 im Injektorkörper
des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der Darstellung
in 1 befestigte Ventilkörper 24 im Fußbereich
eine erste Planseite 62 sowie eine zweite Planseite 64 aufweist.
An der ersten Planseite 62 des Ventilkörpers 24 befindet
sich der erfindungsgemäß vorgeschlagene Sitz 32,
hier in vergrößerter Darstellung wiedergegeben.
Aus der Darstellung gemäß 2 geht hervor,
dass das entlang der in 2 nur unvollständig
dargestellten Führungslänge 30 geführte,
außenliegend angeordnete Ventilelement 26 an seiner
der ersten Planseite 62 zugewandten Stirnseite 50 eine
durch Bezugszeichen 68 bezeichnete Sitzkante aufweist.
Diese Sitzkante 68 stellt die Spitze eines konisch ausgebildeten
Bereiches an der Stirnseite 50 des außenliegenden
Ventilelementes 26 dar. Der Kegelwinkel des in 2 dargestellten Kegelsitzes 66,
d. h. der Sitzwinkel, ist durch Bezugszeichen 70 dargestellt.
Im Sitzwinkel 70 befindet sich eine komplementär
zur Konizität des Kegelsitzes 66 verlaufende Sitzfläche 72 an
der ersten Planseite 62. Aus der Darstellung gemäß 2 geht
hervor, dass diese im Sitzwinkel 70 in der ersten Planseite 62 des Ventilkörpers 24 ausgebildete
Sitzfläche 72 lediglich von der Sitzkante 68 kontaktiert
wird. Bei geschlossenem Sitz – wie in 2 dargestellt – verschließt
die mit der Sitzfläche 72 zusammenwirkende Sitzkante 68 des
Kegelsitzes 66 an der Stirnseite 50 des außenliegenden
Ventilelementes 26 den Hochdruckraum 28, in den
die im Ventilkörper 24 verlaufende Querbohrung 36 mündet.
Wie aus 2 des Weiteren hervorgeht, steht
diese im unteren Bereich etwa in Höhe der ersten Planseite 62 des
Ventilkörpers 24 verlaufende Querbohrung 36 in
hydraulischer Verbindung mit einer den Fuß des Ventilkörpers 24 durchziehenden
Längsbohrung 34, wie vorstehend in Zusammenhang
mit 1 bereits erläutert.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht des Weiteren
hervor, dass das außenliegend am Ventilkörper 24 geführte,
hülsenförmig ausgebildete Ventilelement 26 einen
Führungsspalt 52 mit der Mantelfläche
des Ventilkörpers 24 begrenzt. Der Innendurchmesser
des außenliegenden Ventilelementes 26 ist durch
Bezugszeichen 54 bezeichnet, der Außendurchmesser
des Ventilkörpers 24 durch Bezugszeichen 56 bezeichnet.
Die Führungslänge 30, entlang der das
außenliegend geführte, hülsenförmig ausgebildete
Ventilelement 26 am Ventilkörper 24 geführt
ist, ist in der Darstellung gemäß 2 nur
unvollständig dargestellt.
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Aufgrund
der Ausgestaltung des Sitzes 32 als Kegelsitz 66 fährt
das außenliegend angeordnete, hülsenförmig
ausgebildete Ventilelement 26 beim Schließvorgang
nicht mehr in einen außen abfallenden Sitz, sondern in
den Kegelsitz 66 beziehungsweise einen nach außen
ansteigenden Sitz. Es entstehen radial nach innen wirkende Kräfte,
die einem Aufweiten des geschlossenen druckausgeglichenen Schaltventils 48 unter
Wirkung des Innendruckes psys, der im Hochdruckraum 28 ansteht,
entgegenwirken. Dadurch wird verhindert, dass am Kegelsitz 66, sei
es im neuen, sei es im gebrauchten Zustand, eine in Öffnungsrichtung
wirkende Druckstufe entsteht und das druckausgeglichene Schaltventil 48 somit undicht
werden könnte. Aufgrund der vorgeschlagenen Sitzgeometrie
des Ventilsizes 32 als nach innen abfallender Sitz gemäß der
Darstellung in Figur, wird zu einem Wandern des Ventilsitzes 32 aufgrund
von radialer Einschnürung entgegengewirkt.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 2 überdies
hervorgeht, ist die in die erste Planseite 62 des Ventilkörpers 24 eingebrachte
Sitzfläche 72 in einem Sitzwinkel 70 verlaufend
ausgebildet. Der Kegelwinkel, dem die Sitzkante 68 und
der sich daran in radiale Richtung anschließende Bereich
der Stirnseite 50 des hülsenförmig ausgebildeten
Ventilelementes 26 ausgeführt ist, verläuft
im Gegensatz zum Sitzwinkel 70 der Sitzfläche 74 des
Kegelsitzes 66 in einem etwas steileren, vom Sitzwinkel 70 verschiedenen
Winkel. Der Sitzwinkel 70 liegt in der Größenordnung
von ≤ 30°. Um das Ventilelement 26 so
steif wie möglich auszulegen, sollte der Kegelwinkel an
der Stirnseite 50 des Ventilelementes 26 im Bereich
der Sitzkante 68 des Ventilelementes 26 so klein
wie möglich sein. Um die Sitzfläche 72,
an der eine Druckunterwanderung auftreten kann, zu begrenzen, wird
dort bevorzugt eine Sitzbegrenzung ausgeführt. Dadurch
wird die Fläche, innerhalb der es zu einem Sitzangleich kommen
kann, begrenzt. Die Sitzbegrenzung kann entweder durch einen kleinen
Absatz in der Sitzfläche 72, oder durch das Einbringen
einer Nut oder auch durch die Ausführung einer Winkeldifferenz
erreicht werden. Die Sitzbegrenzung kann innerhalb des Ventilsitzes 32 bzw. 66 sowohl
im Ventilelement 26 als auch im Ventilkörper 24 ausgeführt
sein.
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Aus
der 2 geht zudem hervor, dass die durch die Sitzkante 68 bei
geschlossenem Kegelsitz 66 erzeugte Kraft FRes in
einen Radialkraftanteil Fradial und einen
Schließkraftanteil FSchließ zerfällt.
Die an der im Sitzwinkel 70 ausgebildeten Sitzfläche 72 angreifende
Kraft FRes verläuft normal zur
Sitzfläche 72, so dass ein nach innen wirkender
Radialkraftanteil Fradial erzeugt wird.
Daneben wird der in streng vertikale Richtung verlaufende Schließkraftanteil
FSchließ erzeugt, durch welchen
das Ventilelement 26 mit der Sitzkante 66 an die
Sitzfläche 72 angestellt wird. Die nach innen
in radiale Richtung auf den Druckraum 28 hin gerichtete
Radialkraft Fradial wirkt einer Aufweitung des
Sitzes 66, wie sie sich bei den aus dem Stand der Technik
bekannten Sitzgeometrien im Laufe des Betriebes einstellt, wirkungsvoll
entgegen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ausgestaltung des Sitzes, zum Beispiel als wie in 2 dargestellter Kegelsitz 66 beziehungsweise
als ein nach außen ansteigender Sitz, entstehen die radial
wirkenden Kräfte, hier angedeutet durch den Radialkraftanteil Fradial. Diese wirken der Druckunterwanderung
der Sitzkante 68 entgegen, da im Bereich der Sitzkante 68 beziehungsweise
an einem diesem benachbarten Sitzangleichsbereich 74 innerhalb
der Sitzfläche 72 die maximale Flächenpressung
erzeugt wird, so dass das druckausgeglichene Schaltventil 48 auch
nach längerem Betrieb dicht bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10031265
A1 [0003]
- - DE 4310984 A1 [0005]