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Die
Erfindung betrifft ein Saugventil für einen Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe
eines Common-Rail-Einspritzsystems.
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Diesel-Kraftfahrzeuge,
die ein Common-Rail-Einspritzsystem enthalten, sind bereits bekannt.
Bei diesen Systemen ist der Raildruck einer der Hauptparameter,
die die Kraftstoff-Einspritzmenge beeinflussen. Aus diesem Grund
ist das Vorliegen eines möglichst
stabilen Raildrucks eine wesentliche Voraussetzung für eine genaue
Dosierung der Kraftstoff-Einspritzmenge.
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Bei
einer sogenannten VCV-Closed-Loop-Regelung ist der Raildruck abhängig von
der Zylinderbefüllung
der Kraftstoff-Hochdruckpumpe.
Eine ungleichmäßige Befüllung der
Zylinder in einer Zwei-Zylinder-Pumpe oder einer Drei-Zylinder-Pumpe
führt zu
Druckschwankungen im Rail. Eine derartige ungleichmäßige Befüllung der Zylinder
ist unter anderem auf unterschiedliche Volumenstromcharakteristiken
der Einlassventile der Zylinder zurückzuführen. Die unterschiedlichen
Volumenstromcharakteristiken der Einlassventile werden insbesondere
durch unterschiedliche Öffnungsdrucke
der als Saugventil realisierten Einlassventile der Zylinder verursacht.
Die unterschiedlichen Öffnungsdrucke
sind beispielsweise auf produktionsbedingte unterschiedliche Federvorspannungen
der Einlassventile und/oder auf undefinierte Kontaktlinien zwischen
dem Schließkörper und
dem Ventilsitz der Einlassventile zurückzuführen. Des Weiteren kann sich die
genannte Kontaktlinie eines Einlassventils in den ersten Betriebsstunden
des Einlassventils durch eine Verformung des Ventilsitzes in unerwünschter
Weise verändern.
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Ein
Beispiel für
die Abhängigkeit
der Zylinderbefüllung
vom Öffnungsdruck
des Einlassventils ist in der 1 dargestellt.
Dabei ist längs
der Ordinate die Druckdifferenz dP in bar und längs der Abszisse die Kraftstoff-Einlassmenge
Q in Litern pro Minute dargestellt. Die Kurve K1 beschreibt einen
Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck
einer Druckdifferenz dP von 1,2 bar entspricht, die Kurve K2 einen
Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck
einer Druckdifferenz dP von 1,4 bar entspricht. Es ist ersichtlich,
dass beim Vorliegen einer Druckdifferenz dP von 1,5 bar die Einlassmenge
bei einem Öffnungsdruck
des Einlassventils von 1,2 bar um ΔQ 0,1 l/min größer ist
als die Einlassmenge bei einem Öffnungsdruck
des Einlassventils von 1,4 bar. Des Weiteren ist aus der 1 ersichtlich,
dass die Volumenstromcharakteristik herkömmlicher Einlassventile linear
ist, d. h. die Veränderung
der Einlassmenge verläuft
linear zu einer Veränderung
der Druckdifferenz dP.
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Die 2 zeigt
ein Diagramm, in welchem das Fördervolumen
der Zylinder in Abhängigkeit
von der Zeit dargestellt ist. Dabei ist längs der Ordinate das Fördervolumen
in Litern und längs
der Abszisse die Zeit in Sekunden aufgetragen. Die Kurve K3 mit den
durchgezogenen Linien ist einem Zylinder zugeordnet, dessen Einlassventil
einen Öffnungsdruck von
1,4 bar aufweist, die Kurve K4 mit den gestrichelten Linien ist
einem Zylinder zugeordnet, dessen Einlassventil einen Öffnungsdruck
von 1,2 bar aufweist. Es ist ersichtlich, dass das Fördervolumen
beider Zylinder um ΔQ ≈ 0,02 Liter
pro Einlassvorgang abweicht.
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Die
vorstehend beschriebene ungleiche Befüllung der Zylinder einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe kann
im Extremfall zu einem Ausfall eines Zylinders führen. Dies bedeutet, dass bei
sehr kleinen Einlassmengen eine Zwei- oder Drei-Zylinder-Pumpe wie eine
Ein-Zylinder-Pumpe arbeitet.
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Der Öffnungsdruck
eines Einlassventils liegt im Bereich zwischen 1,2 bar und 1,7 bar.
Bei einem Öffnungsdruck,
der klei ner ist als 1,2 bar, steigt das Risiko, dass ein Luft/Flüssigkeitsgemisch
durch das Saugventil in den Kompressionsraum gesaugt wird. Durch
die mitgeführte,
kompressible Luft wird keine vollständige Befüllung erreicht und die Druckpulsationen
im Rail steigen.
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Bei
einem Öffnungsdruck,
der größer ist
als ca. 1,7 bar, steigen die Verluste beim Startvorgang des Motors.
Diese äußern sich
derart, dass durch ein verspätetes Öffnen der
Saugventile die Befüllung
des Kompressionsraums der Hochdruckpumpe eingeschränkt wird,
wodurch sich die Startzeit wegen verringerter Mengen bzw. Druckverfügbarkeit
verlängert.
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Im
Rahmen der Produktion derartiger Einlassventile erfolgt eine Vermessung
derselben und eine Einteilung derselben in verschiedene Klassen. In
der Praxis treten mit aktuellem Design Produktionsausfälle in der
Größenordnung
von bis zu 50% auf.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Einlassventil für einen
Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe eines Common-Rail-Einspritzsystems anzugeben,
bei welchem die oben beschriebenen Nachteile verringert sind.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Saugventil gelöst, welches eine Einlassöffnung und
einen Schließkörper aufweist,
wobei der Schließkörper in
einer ersten Endposition die Einlassöffnung verschließt und in Abhängigkeit
einer Druckdifferenz relativ zur Einlassöffnung bewegbar ist und wobei
das Saugventil eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik aufweist.
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Diese
nichtlineare Volumenstromcharakteristik kann in einfach zu realisierender
Weise durch eine entsprechende Gestaltung der Kontur des Schließkörpers des
Saugventils erreicht werden. Vorzugsweise weist der Schließkörper auf
seiner der Einlassöffnung
zugewandten Seite eine Abschrägung
und/oder eine Abstufung auf. Dadurch kann in vorteilhafter Weise
erreicht werden, dass die Öffnungsfläche des
Einlassventils in einem nichtlinearen Zusammenhang mit der Druckdifferenz
steht.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei der Einlassöffnung
um einen hohlzylindrischen Einlasskanal und bei dem Schließkörper um
einen in den Einlasskanal ragenden zylinderförmigen Fortsatz. Dies hat den
Vorteil, dass eine jeweils gewünschte
nichtlineare Volumenstromcharakteristik des Einlassventils besonders
genau einstellbar ist.
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Diese
Genauigkeit kann – wie
es im Anspruch 8 angegeben ist – dadurch
weiter erhöht
werden, dass der Schließkörper einen
zylindrischen Kragen aufweist, dessen Durchmesser größer ist
als der Durchmesser des zylindrischen Fortsatzes, wobei die Übergangsstellen
zwischen dem zylindrischen Fortsatz und dem Kragen rechtwinklig
ausgebildet sind.
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Weitere
vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren
nachfolgender beispielhafter Erläuterung
anhand der weitere Figuren. Dabei zeigt
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3 eine
Skizze zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Zylinderbefüllung von
der Steilheit der Volumenstromkennlinie,
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4 eine
Skizze zur Veranschaulichung einer linearen und einer nichtlinearen
Volumenstromcharakteristik eines Saugventils,
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5 eine
Skizze eines Saugventils mit einer linearen Volumenstromcharakteristik,
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6 eine
Skizze eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Saugventils mit einer nichtlinearen Volumenstromcharakteristik,
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7a und 7b vergrößerte Ausschnitte
des Saugventils gemäß 6 in
unterschiedlichen Öffnungsstellungen
des Schließkörpers und
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8 eine
Skizze eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Saugventils mit einer nichtlinearen Volumenstromcharakteristik.
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Gegenstand
der Erfindung ist ein Saugventil für einen Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe
eines Common-Rail-Einspritzsystems. Ein Saugventil gemäß der Erfindung
weist eine Einlassöffnung
auf, durch welche aus einem Tank mittels einer Vorförderpumpe
in einen Kraftstoff-Ringkanal geförderter Kraftstoff in den Ventilkörper gelangt.
Von dort aus wird der Kraftstoff über eine Auslassöffnung des Saugventils
in einen zugehörigen
Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe transportiert. Danach erfolgt ein
Schließen
des Einlassventils, ein Verdichten des im Zylinder befindlichen
Kraftstoffs mittels eines im Zylinder bewegten Kolbens und eine
Ausgabe des verdichteten Kraftstoffs über eine Railleitung in das Rail.
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Ein
Saugventil gemäß der Erfindung
weist des Weiteren einen mit einer Feder verbundenen Schließkörper auf,
welcher in einer ersten Endposition bei entspannter Feder die Einlassöffnung des Saugventils
verschließt.
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Des
Weiteren ist der Schließkörper in
Abhängigkeit
von der Druckdifferenz, die zwischen dem im Kraftstoff-Ringkanal
bestehenden Druck und der Summe des Druckes im Zylinder und dem
durch die Schließkraft
der Feder verursachten Druck besteht, relativ zur Einlassöffnung bewegbar,
um das Saugventil zu öffnen
bzw. zu schließen.
Wird der Druck des Kraftstoffs im Kraftstoff-Ringkanal größer als
die Summe aus dem Druck im Zylinder und dem durch die Schließkraft der
Feder verursachten Druck, dann wird das Einlassventil geöffnet. Ist
der Druck des Kraftstoffs im Kraftstoff-Ringkanal kleiner als die Summe
aus dem Druck im Zylinder und dem durch die Schließ kraft der
Feder verursachten Druck, dann ist das Einlassventil geschlossen.
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Ein
Saugventil gemäß der Erfindung
weist eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik auf, wie es nachfolgend
erläutert
wird.
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Unterschiedliche
Befüllungen
der Zylinder einer Kraftstoffhochdruckpumpe hängen in hohem Maße von der
Steilheit der Volumenstromcharakteristik der als Saugventile realisierten
Einlassventile der Zylinder ab. Beim Vorliegen eines übereinstimmenden
Druckes bekommt man bei steileren Volumenstromcharakteristiken deutliche
kleinere Abweichungen der Einlassmengen.
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Dies
ist in der 3 veranschaulicht. In dieser
ist längs
der Ordinate die Druckdifferenz dP in bar und längs der Abszisse die Einlassmenge
Q in Litern pro Minute aufgetragen. Die Kurve K1 beschreibt einen
Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck einer
Druckdifferenz dP von 1,2 bar entspricht, die Kurve K2 einen Einlassvorgang,
bei welchem der Öffnungsdruck
einer Druckdifferenz dP von 1,4 bar entspricht. Die Kurve K3 beschreibt
einen Einlassvorgang, bei welchem der Öffnungsdruck ebenfalls einer Druckdifferenz
von 1,2 bar entspricht, die Kurve K4 einen Einlassvorgang, bei welchem
der Öffnungsdruck
einer Druckdifferenz dP von 1,4 bar entspricht. Die Kurven K1 und
K2 weisen eine größere Steilheit auf
als die Kurven K3 und K4.
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Aus
einem Vergleich der Kurven ist ersichtlich, dass beispielsweise
beim Vorliegen einer Druckdifferenz dP = 1,58 bar die Einlassmengenabweichung ΔQ1 bei einem
steileren Verlauf der Volumenstromcharakteristik, wie er durch die
Kurven K1 und K2 beschrieben wird, wesentlich kleiner ist als die Einlassmengenabweichung ΔQ2 bei einem
flacheren Verlauf der Volumenstromcharakteristik, wie er durch die
Kurven K3 und K4 beschrieben wird: ΔQ1 < ΔQ2.
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Eine
steile Volumenstromcharakteristik, die beispielsweise unter Verwendung
einer Feder mit größerer Steifigkeit
realisiert werden kann, verursacht jedoch größere Druckverluste und ist
für eine Kraftstoff-Vollförderung
nicht akzeptabel.
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Gemäß der Erfindung
wird durch eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik der Einlassventile erreicht,
dass die Einlassmengenabweichungen der Einlassventile einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe
im Vergleich zum Stand der Technik reduziert sind.
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Dies
wird anhand der 4 veranschaulicht, in welcher
längs der
Ordinate die Druckdifferenz dP und längs der Abszisse die Einlassmenge
Q aufgetragen ist. Die Kurve K5 beschreibt eine lineare Volumenstromcharakteristik,
die Kurve K6 eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik. Die Kurve
K6 hat bei Kraftstoff-Einlassmengen, die kleiner sind als QG, einen
wesentlich steileren Verlauf als die Kurve K5 und bei Kraftstoff-Einlassmengen,
die größer sind
als QG sind, einen flacheren Verlauf als die Kurve K5. Dies bewirkt,
dass die Einlassventile der Zylinder einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe
größere Druckdifferenzen
dP benötigen,
um die Einlassmenge Q zu erhöhen,
und führt
bei kleineren Einlassmengen zu kleineren Abweichungen der Befüllung der
verschiedenen Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe.
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Die
Volumenstromcharakteristik eines konventionellen Einlassventils
kann mit der Bernoulli-Gleichung beschrieben werden: Q
= μ·A·sqrt(2·dP/rho),wobei
Q die Kraftstoffmenge, A die Öffnungsfläche des
Einlassventils, dP die Druckdifferenz und rho die Dichte des Mediums
ist. Die Öffnungsfläche A eines konventionellen
Einlassventils ist eine lineare Funktion der Druckdifferenz.
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Um
die erfindungsgemäße nichtlineare
Charakteristik zu erreiche, wird entweder eine nichtlineare Funktion
für die Öffnungsfläche A =
f(dP) durch eine geeignete geometrische Kontur des Schließkörpers oder
durch eine geeignete Innengeometrie des Ventilkörpers realisiert. Dabei wird
die gewünschte Nichtlinearität durch
eine Kombination aus der Bernoulli-Strömung
und der Spalt-Strömung
erreicht. Dies wird nachfolgend anhand der 5–8 näher erläutert.
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Die 5 zeigt
eine Skizze eines Saugventils mit einer linearen Volumenstromcharakteristik. Das
dargestellte Saugventil weist einen Ventilkörper 1 auf, der eine
hohlzylindrische Einlassöffnung 1a und
eine Auslassöffnung 1b enthält. Des
Weiteren weist das gezeigte Saugventil einen Schließkörper 2 auf.
Der Schließkörper 2 ist
mit einer nicht gezeichneten Feder verbunden und verschließt im entspannten Zustand
dieser Feder die Einlassöffnung 1a,
so dass kein Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Ringkanal in das Innere
des Ventilkörpers 1 und
von dort aus über
die Auslassöffnung 1b in
den zugehörigen
Zylinder der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gelangen kann. Der Schließkörper 2 ist
in Richtung zu der Einlassöffnung 1a flach
ausgebildet. Wird der Druck des Kraftstoffs im Kraftstoff-Ringkanal
größer als
die Summe des Drucks des Kraftstoffs im Zylinder und dem durch die Schließkraft der
Feder verursachten Druck, dann wird der Schließkörper 2 in der 5 nach
rechts bewegt, wodurch das Saugventil geöffnet wird. Die Volumenstromcharakteristik
eines derart aufgebauten Saugventils ist linear.
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Die 6 zeigt
eine Skizze eines ersten Ausführungsbeispiels
eines Saugventils mit einer nichtlinearen Volumenstromcharakteristik.
Auch dieses Saugventil weist einen Ventilkörper 1 auf, der eine
hohlzylindrische Einlassöffnung 1a und
eine Auslassöffnung 1b enthält. Des
Weiteren weist auch das in der 6 dargestellte
Saugventil einen Schließkörper 2 auf.
Auch dieser Schließkörper ist mit
einer nicht gezeichneten Feder verbunden und verschließt im entspannten
Zustand dieser Feder die Einlassöffnung 1a,
so dass kein Kraft stoff aus dem Kraftstoff-Ringkanal in das Innere
des Ventilkörpers 1 und
von dort aus über
die Auslassöffnung 1b in
das Innere des zugehörigen
Zylinders der Kraftstoff-Hochdruckpumpe
gelangen kann. Der Schließkörper 2 ist
im Unterschied zu dem in der 5 gezeigten
Schließkörper in
Richtung der Einlassöffnung 1a nicht
flach ausgebildet, sondern weist an seiner der Einlassöffnung 1a zugewandten
Seite eine umlaufende Stufe 2a und eine umlaufende Abschrägung 2b auf.
Aufgrund dieser Stufe und der Abschrägung weist das in der 6 gezeigte
Saugventil eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik auf.
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Dies
wird nachfolgend anhand der 7a und 7b veranschaulicht, wobei diese Figuren
vergrößerte Ausschnitte
des Saugventils gemäß 6 in unterschiedlichen Öffnungsstellungen
des Schließkörpers 2 zeigen.
Dabei ist der Schließkörper 2 in
der 7a in einem teilweise geöffneten
Zustand gezeigt, der einem Hub von 20 μm entspricht, und in der 7b in einem weiter geöffneten Zustand gezeigt, der
einem Hub von 100 μm
entspricht. Es ist ersichtlich, dass bei diesem Ausführungsbeispiel
die Öffnungsfläche des
Ventils einen nichtlinearen Zusammenhang mit dem Druck bzw. der
Druckdifferenz aufweist.
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Die 8 zeigt
eine Skizze eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Saugventils mit einer nichtlinearen Volumenstromcharakteristik.
Auch dieses Saugventil weist einen Ventilkörper 1 auf, der eine
hohlzylindrische Einlassöffnung 1a und
eine Auslassöffnung 1b enthält. Des
Weiteren weist auch das in der 8 dargestellte
Saugventil einen Schließkörper 2 auf,
der mit einer nicht gezeichneten Feder verbunden ist und im entspannten
Zustand dieser Feder die Einlassöffnung 1a verschließt, so dass
kein Kraftstoff aus dem Kraftstoff-Ringkanal in das Innere des zugehörigen Zylinders
der Kraftstoff-Hochdruckpumpe gelangen kann. Der Schließkörper 2 weist
bei diesem Ausführungsbeispiel
auf seiner der Einlassöffnung 1a zugewandten
Seite einen rechtwinkligen Übergang 2c auf,
welcher zwischen einem zylindrischen Kragen 2d des Schließkörpers 2 und
einem in die hohlzylindrische Einlassöffnung 1a hineinragenden
zylinderförmigen
Fortsatz 2e des Schließkörpers 2 vorgesehen
ist. Die Länge des
zylinderförmigen
Fortsatzes 2e des Schließkörpers 2 ist mit dem
Buchstaben L bezeichnet. Der Durchmesser DK des zylindrischen Kragens 2d ist größer als
der Durchmesser DE der hohlzylindrischen Einlassöffnung 1a und auch
größer als
der Durchmesser DF des zylinderförmigen
Fortsatzes des Schließkörpers 2.
Der Durchmesser DF des zylinderförmigen
Fortsatzes ist etwas kleiner als der Durchmesser DE der hohlzylindrischen
Einlassöffnung 1a.
Es gilt DF = DE – δ.
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Dabei
ist DF der Durchmesser des zylindrischen Fortsatzes des Schließkörpers, DE
der Durchmesser der hohlzylindrischen Einlassöffnung und δ die Differenz zwischen den
vorgenannten beiden Durchmessern.
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Auch
aus der 8 ist ersichtlich, dass bei einem Öffnen des
Ventils der Zusammenhang zwischen dem Druck und der Öffnungsfläche des
Ventils nichtlinear ist.
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Alternativ
zu den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
kann eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik auch durch Saugventile
realisiert werden, bei denen der Ventilkörper und der Schließkörper in
ihrem Kontaktbereich jeweils kegelförmig ausgebildet sind, wobei
die Flanken nicht parallel zueinander verlaufen.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform besteht
darin, eine nichtlineare Volumenstromcharakteristik durch ein Saugventil
zu realisieren, bei welchem im Kontaktbereich zwischen dem Ventilkörper und
dem Schließkörper ein
Kugel-/Kegel-Übergang
vorliegt.