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Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil insbesondere zum Begrenzen des Fluiddruckes in einem Verteilerrohr eines Common-Rail-Einspritzsystems.
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In modernen Dieselmotoren werden zunehmend sogenannte Common-Rail-Einspritzsysteme eingesetzt, bei denen der für die Einspritzung des Kraftstoffes erforderliche Druck von einer im Allgemeinen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Hochdruckpumpe erzeugt wird. Der unter hohem Druck stehende Kraftstoff wird einem sogenannten Verteilerrohr zugeführt, von dem aus Leitungen zu den einzelnen Einspritzventilen abzweigen. Die Einspritzventile werden im Allgemeinen elektrisch angesteuert, so dass die je Arbeitstakt eines Zylinders in den Brennraum eingespritzte Kraftstoffmenge in vorbestimmter Weise auf verschiedene Einspritzungen mit vorbestimmtem Zeitablauf aufgeteilt werden kann. Das Volumen des Verteilerrohrs ist erheblich größer als die je Arbeitstakt abgespritzten Kraftstoffmengen, so dass der Druck im Verteilerrohr, der gegebenenfalls an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine angepasst werden kann, nur wenig schwankt und dadurch eine genaue Steuerbarkeit der einzelnen Einspritz- bzw. Kraftstoffmengen gegeben ist. Moderne Systeme arbeiten mit einem Fluiddruck innerhalb des Verteilerrohrs von bis zu beispielsweise 4000 bar.
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Um das Common-Rail-Einspritzsystem vor unzulässig hohem Druck zu schützen und zusätzlich den Druck innerhalb des Verteilerrohrs zu stabilisieren, ist ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen, das den maximalen Druck im Verteilerrohr auf einen vorbestimmten Wert begrenzt. Steigt der Druck im Verteilerrohr auf diesen Wert an, öffnet das Druckbegrenzungsventil und überschüssiger Dieselkraftstoff wird über eine Ausströmöffnung abgegeben und strömt in einen Vorratsbehälter zurück, von wo aus er beispielsweise mittels einer Niederdruckpumpe und einer dieser nachgeschalteten Hochdruckpumpe erneut unter Druck gesetzt und dem Verteilerrohr zugeführt wird.
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Aus der
DE 103 12 175 A1 , von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist ein einem Ventilsitz zugewandter Bereich eines Ventilschaftes mit in Umfangsrichtung beabstandeten, axial gerichteten Flachstellen ausgebildet. Ein nicht mit den Flachstellen ausgebildeter Endbereich des Ventilschaftes liegt bei geschlossenem Ventil längs seines gesamten Umfangs an der Innenumfangswand eines zweiten Bohrungsabschnitts an. Bei Öffnung des Ventils bewegt sich der nicht mit Flachstellen ausgebildete Endbereich des Ventilschaftes aus dem zweiten Bohrungsabschnitt heraus, so dass ein zunächst sehr kleiner zwischen dem zweiten Bohrungsabschnitt und dem Ventilschaft bestehender Durchströmquerschnitt auf einen größeren Wert zunimmt, sobald sich die Flachstellen aus dem zweiten Bohrungsabschnitt herausbewegen.
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Ein bezüglich der genannten Merkmale ähnlich wie das vorbeschriebene Druckbegrenzungsventil ausgebildetes Druckbegrenzungsventil ist aus der
DE 101 35 352 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckbegrenzungsventil, insbesondere zum Begrenzen des Fluiddruckes in einem Verteilerrohr eines Common-Rail-Einspritzsystems, zu schaffen, dessen Funktionalität hohen Anforderungen genügt.
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Diese Aufgabe wird mit einem Druckbegrenzungsventil gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
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Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils gerichtet.
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Das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil eignet sich allgemein zur Verwendung in Systemen, bei denen ein Fluiddruck begrenzt werden muss. Besonders gut eignet sich das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil für Common-Rail-Einspritzsysteme.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
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In den Zeichnungen stellen dar:
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1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils und
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2 einen Ausschnitt der 1 und
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3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils
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Gemäß 1 weist ein Verteilerrohr 10 eines an sich bekannten und daher nicht dargestellten Common-Rail-Einspritzsystems einen Innenraum 12 auf, der mit unter hohem stehendem Fluid, beispielsweise Dieselkraftstoff, beaufschlagbar ist und von dem nicht dargestellte Zweigleitungen zu Einspritzventilen ausgehen. Vom Innenraum 12 geht ein im dargestellten Beispiel durch eine Stirnwand des Verteilerrohrs 10 hindurchführendes Durchgangsloch 14 aus, deren Wandung mit einem Innengewinde 16 versehen ist.
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Mit dem Innengewinde 16 ist ein Außengewinde 18 einer Buchse 20 verschraubt, die Teil eines insgesamt mit 22 bezeichneten Druckbegrenzungsventils ist. Die Buchse 20 weist eine axiale Durchgangsbohrung 24 auf. Die Durchgangsbohrung 24 hat einen zum Innenraum 12 des Verteilerrohrs 10 hin offenen Endabschnitt 26, der in einen ersten Bohrungsabschnitt 28a mit kleinem Durchmesser übergeht. Der erste Bohrungsabschnitt 28a geht über eine Stufe 30 in einen zweiten Bohrungsabschnitt 28b mit vergrößertem Durchmesser über, der wiederum in einer Stufe in einen dritten Abschnitt 28c mit nochmals vergrößertem Durchmesser übergeht.
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Die dem Innenraum 12 zugewandte Stirnfläche der Buchse 20 ist mit einer Ringerhebung 32 ausgebildet, die durch entsprechend festes Einschrauben der Buchse 20 in das Verteilerrohr 10 in dichtende Anlage an eine Gegenfläche 33 des Verteilerrohrs 10 pressbar ist.
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Der zweite Bohrungsabschnitt 28b der Durchgangsbohrung 24 weist einen konstanten Durchmesser auf. Ein der Stufe 30 zugewandter Endbereich 34a des zweiten Bohrungsabschnitts geht über eine Ringnut 36 in einen weiteren Bereich 34b über, in dem in der Innenwand des zweiten Abschnitts 28b wenigstens ein Axialkanal 38 ausgebildet ist, der von der Ringnut 36 in den dritten Abschnitt 28c führt.
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In dem zweiten Abschnitt 28b der Durchgangsbohrung 24 ist ein Ventilschaft 40 eines Ventilgliedes 42 geführt, das eine Platte 44 aufweist, von der in entgegengesetzter Richtung der Ventilschaft 40 und ein Zapfen 46 ausgehen.
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Die Platte 44 weist einen Außendurchmesser auf, der vorteilhaft kleiner ist als der Innendurchmesser des dritten Bohrungsabschnitts 28c.
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Der dritte Bohrungsabschnitt 28c der Durchgangsbohrung 24 ist mit einem Innengewinde 48 ausgebildet, in das ein Außengewinde 50 eines an einer Gegenbuchse 52 ausgebildeten Ansatzes 54 eingeschraubt ist.
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Die Gegenbuchse 52 weist eine axiale Durchgangsöffnung 55 auf, die im dargestellten Beispiel im Wesentlichen drei Durchmesserstufen hat. Eine erste, zum Ventilglied 42 hin offene Stufe 56a nimmt eine Feder 58, genauer eine Schraubenfeder, auf, die sich an der Platte 44 und einer Ringscheibe 60 abstützt, die in die erste Stufe eingesetzt ist. Die erste Stufe 56a geht über eine zweite Stufe 56b mit vermindertem Durchmesser in eine dritte Stufe 56c über, die in einer Ausströmöffnung 62 endet.
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Die Gegenbuchse 52 weist in einem mittleren Bereich einen Ringflansch 64 auf, zwischen dem und einer Stirnfläche der Buchse 20 ein Dichtring 66 angeordnet ist.
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Der Zapfen 46 des Ventilgliedes 42 ragt in die Feder 58 ein und dient zu dessen Führung.
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Wie aus 2 ersichtlich, die einen vergrößerten Ausschnitt der 1 zeigt, ist am Ende des Ventilschaftes 40 eine Ventilnadel 68 ausgebildet, deren Durchmesser kleiner ist als der des Ventilschaftes und größer ist als der des ersten Bohrungsabschnitts 28a. Die Ventilnadel 68 endet in einer konischen Fläche, und ist in dichtende Anlage an den Rand des ersten Bohrungsabschnitts 28a drängbar, der vorteilhafterweise abgeschrägt bzw. angefast ist und einen Ventilsitz 41 bildet. Die konische Fläche des Ventilssitzes 41 geht über die vorteilhafterweise ebenfalls als konische Fläche ausgebildete Stufe 30 in den zweiten Bohrungsabschnitt 28b über. Im dargestellten Beispiel ist der Konuswinkel der konischen Endfläche der Ventilnadel 68 größer als der der konischen Fläche des Ventilsitzes 41, jedoch kleiner als der der konischen Stufe 30. Der Konuswinkel des Übergangs von der Ventilnadel 68 zum Ventilschaft 40 ist kleiner als der der Stufe 30. der Durchmesser der Ventilnadel ist kleiner als der Außendurchmesser des Ventilsitzes 41, so dass die Ventilnadel 68 im Bereich des Übergangs zwischen ihrer zylindrischen Außenfläche und der konischen Endfläche am Ventilsitz 41 anliegt.
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Der Zusammenbau der beschriebenen Anordnung ist beispielsweise derart, dass in die Buchse 20 zunächst das Ventilglied 42 eingesetzt wird, dann die Feder 58 auf den Zapfen 46 aufgesetzt wird und anschließend die Gegenbuchse 52 in die Buchse 20 eingeschraubt wird, bis der Ringflansch 64 an der Buchse 20 anliegt und der Dichtring 66 zwischen der Buchse 20 und der Gegenbuchse 52 abdichtet.
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Anschließend wird das so gebildete Druckbegrenzungsventil 22 in das Verteilerrohr 10 eingeschraubt, bis die Ringerhebung 32 in dichtende Anlage an das Verteilerrohr 10 gepresst wird.
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Die Funktion der beschriebenen Anordnung ist Folgende:
Es sei angenommen, die Ventilnadel 68 sei durch die Vorspannkraft der Feder 58 in dichtende Anlage an den Ventilsitz 41 gedrängt. Der Innenraum 12 des Verteilerrohrs 10 ist dann gegenüber dem Außenraum abgedichtet.
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Die Vorspannkraft, mit der das Ventilglied 42 in Anlage an den Rand des ersten Bohrungsabschnitts 28a bzw. den durch ihn gebildeten Ventilsitz 41 gedrängt wird, ist durch die Kraft der Feder 58 einstellbar, wobei die Kraft der Feder durch die Feder selbst und die Position der durch die gemäß 1 linksseitige Stirnfläche der Ringscheibe 60 gebildete Stützfläche gegeben ist. Die Position dieser Stützfläche kann durch die Dicke der Ringscheibe 60 oder auch dadurch verändert werden, dass die Ringscheibe 60 ein Außengewinde aufweist, das in ein Innengewinde der dritten Bohrungsstufe 96a einschraubbar ist.
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Wenn der Druck in dem Innenraum 12 des Verteilerrohrs 10 einen vorbestimmten, durch die Vorspannkraft der Feder 58 bestimmten Druck übersteigt, wird das Ventilglied 42 gemäß 1 nach rechts verschoben, wobei das Druckbegrenzungsventil 22 geöffnet wird. Sobald die Nadel 68 vom Ventilsitz 41 abgehoben hat, wirkt der im Innenraum des Verteilerrohrs herrschende Fluiddruck auf die gesamte Querschnittsfläche des Ventilschaftes 40 und bewegt das Ventilglied 42 gemäß 1 nach rechts. Während des ersten Teils des möglichen Öffnungshubs des Ventilglieds 42 ist die Außenumfangsfläche des Schaftes 40 in vollständiger Gleitberührung mit der Innenfläche des Endbereiches 34a des zweiten Abschnitts 28b der Durchgangsbohrung 24, so dass für das unter hohem Druck stehende Fluid nur ein sehr kleiner Durchlassquerschnitt zur Verfügung steht, der durch für eine Bewegbarkeit des Ventilgliedes 42 erforderliche Führungstoleranzen gegeben ist. Sobald sich das Stirnende des Schaftes 28b in den Bereich der Ringnut 36 bewegt, vergrößert sich der Durchströmquerschnitt, der dem Fluid zur Verfügung steht, sprunghaft, wodurch die am Ventilglied 42 wirksame Öffnungskraft sinkt und das ausströmende Fluid durch die Ausströmöffnung 62 austreten kann, an die beispielsweise eine Rücklaufleitung unter Abdichtung angeschlossen ist.
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Der maximale Hub des Ventilgliedes 42 ist durch den Anschlag der Platte 44 an der Stirnfläche der Gegenbuchse 52 gegeben und größer als der axiale Abstand der Ringnut 36 von der Stufe 30.
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Das Ausströmen des Fluids führt zu einer Druckminderung im Verteilerrohr. Die Feder 58 bewegt das Ventilglied 42 gemäß 1 wieder nach links, bis nur noch ein kleiner Ausströmquerschnitt zur Verfügung steht. Dies führt dazu, dass auch bei offenen Druckbegrenzungsventil 22 ein im Wesentlichen durch die Feder 58 vorbestimmter Druck im Innenraum 12 des Verteilerrohrs 10 aufrechterhalten wird. Zusätzlich ist die Rückbewegung des Ventilglieds 42 in seine Schließstellung, dadurch gedämpft, dass das zwischen der Ventilnadel 68 und dem zweiten Bohrungsabschnitt 28b vorhandene Flüssigkeitsvolumen 79 (2) durch den beim Schließen des Ventils enger werdenden Durchströmquerschnitt zum Verteilerrohr 10 strömen muss. Diese Dämpfung ist für die Dauerhaltbarkeit des Druckbegrenzungsventils 22 vorteilhaft.
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3 zeigt eine gegenüber 1 abgeänderte Ausführungsform eines Druckbegrenzungsventils, bei dem die Ausströmöffnung 62 nicht in der Achse A-A der insgesamt um die Achse A-A rotationssymmetrischen Anordnung der 1 angeordnet ist, sondern radial gerichtet an der Außenseite des Verteilerrohrs 10 angeordnet ist.
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In 3 sind nur diejenigen Teile mit Bezugszeichen belegt, die zur Erläuterung der Unterschiede zwischen den Ausführungsformen gemäß 1 und 2 erforderlich sind.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist die Gegenbuchse 52 mit einer Sackbohrung 70 versehen, die die Feder 58 und die Ringscheibe 60 zu deren Abstützung aufnimmt. Zwischen dem freien Endbereich 72 der Durchgangsbohrung 14 des Verteilerrohrs 10 und einer in der Außenseite der Buchse 20 ausgebildeten Stufe 74 ist ein Dichtring 76 angeordnet, der zwischen dem Verteilerrohr 10 und der Buchse 20 abdichtet.
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Von dem dritten Bohrungsabschnitt 28c der Durchgangsbohrung 24 der Buchse 20 geht eine radiale Durchgangsöffnung 78 aus, die durch die Wand der Buchse 20 führt und in einen Ringraum 80 zwischen der Buchse 20 und dem Verteilerrohr 10 führt, der mittels des Dichtrings 76 nach außen abgedichtet ist. Von dem Ringraum 80 führt ein axial verlaufender Kanal 82 durch den Gewindeeingriff zwischen der Buchse 20 und dem Verteilerrohr 10 hindurch in einen weiteren Ringraum 84, von dem aus ein radialer Durchlass 86 durch die Wand des Verteilerrohrs 10 führt und in der Ausströmöffnung 62 endet.
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Zusammenbau und Funktion der Ausführungsform gemäß 3 sind ähnlich der 1.
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Die beispielhaft beschriebenen Druckbegrenzungsventile können vielfältig abgeändert werden. Beispielsweise kann die Ringnut 36 entfallen und kann der wenigstens eine Axialkanal 38 in einem entsprechenden Bereich des Schaftes 40 ausgebildet sein. Es können auch mehrere axial beabstandete Ringnuten vorgesehen sein, wobei der wenigstens eine Axialkanal von der dem Ventilsitz nächsten Ringnut angeht und die anderen Ringnuten durchquert. Es können mehrere Axialkanäle in der Innenwand des zweiten Abschnitts 28b und/oder dem entsprechenden Bereich der Außenflächen des Schaftes 40 ausgebildet sein. Die Vergrößerung des Durchströmquerschnitts für aus dem Verteilerrohr austretendes Fluid muss nicht plötzlich erfolgen, sondern kann allmählich erfolgen, indem beispielsweise der Querschnitt des oder der Axialkanäle 38 gemäß den Figuren von links nach rechts allmählich zunimmt.
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Die Platte 44 des Ventilgliedes 42 kann vom Umfang her mit Aussparungen versehen sein, die den Durchströmquerschnitt des Fluids vergrößern. Des Weiteren können die Platte 44 und der ihr zugewandte Endbereich der Gegenbuchse 52 derart gestaltet sein, dass die Bewegung der Platte in Anlage an die Gegenbuchse mittels des Fluids gedämpft wird, so dass nicht nur die Bewegung des Ventilglieds in Schließstellung, sondern auch die Bewegung des Ventilgliedes in Anlage an den seiner Öffnungsbewegung begrenzenden Anschlag gedämpft wird.
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Der Ventilschaft 40 muss nicht zwingend in der Ventilnadel 68 enden, sondern kann in einer konischen Stirnfläche enden, die ausreichend spitz ist bzw. einen ausreichend kleinen Konuswinkel hat, um gegen den Ventilsitz 41 zu dichten. Die konische Stirnfläche der Ventilnadel kann im Übergang zur Außenfläche der Ventilnadel angefast oder abgerundet sein. Der Durchmesser der Ventilnadel 68 kann größer sein als der Außendurchmesser des Ventilsitzes 41, so dass die Stirnfläche der Ventilnadel am Übergang des ersten Bohrungsabschnitts 28a in den Ventilsitz 41 anliegt Der Ventilsitz 41 kann in diesem Fall ohne wesentliche Konusfläche direkt durch den Übergang von dem ersten Bohrungsabschnitt 28a in die Stufe 30 gebildet sein, die senkrecht zur Längsachse der Anordnung verlaufen kann. Die Stirnfläche der Ventilnadel 68 kann ballig ausgebildet sein und in einem mittleren Bereich an der Fläche des Ventilsitzes anliegen. Die Stufe 30 muss nicht konisch ausgebildet sein, sondern kann in einem rechten Winkel zur Längsachse der Anordnung verlaufen. Ebenso kann der Übergang von der Nadel 68 zum Ventilschaft 40 rechtwinklig zur Längsachse verlaufen.
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Des Weiteren kann zwischen dem Ventilschaft 40 und dem ersten Bohrungsabschnitt 28a ein gesondertes Ventilglied, beispielsweise eine Kugel angeordnet sein, die von der Stirnfläche des Ventilschaftes 40 in Anlage an den Ventilsitz gedrängt ist.
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In einer abgeänderten Ausführungsform kann die Buchse 20 einteilig mit dem Verteilerrohr 10 ausgebildet sein, so dass die notwendigen Durchgangsöffnungen und Kanäle unmittelbar im Verteilerrohr ausgebildet werden und die Gegenbuchse 52 in das Verteilerrohr 10 eingeschraubt wird oder sonst wie am Verteilerrohr 10 befestigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verteilerrohr
- 12
- Innenraum
- 14
- Durchgangsloch
- 16
- Innengewinde
- 18
- Außengewinde
- 20
- Buchse
- 22
- Druckbegrenzungsventil
- 24
- Durchgangsbohrung
- 26
- Endabschnitt
- 28a
- erster Bohrungsabschnitt
- 28b
- zweiter Bohrungsabschnitt
- 28c
- dritter Bohrungsabschnitt
- 30
- Stufe
- 32
- Ringerhebung
- 33
- Gegenfläche
- 34a
- Endbereich
- 34b
- weiterer Bereich
- 36
- Ringnut
- 38
- Axialkanal
- 40
- Ventilschaft
- 41
- Ventilsitz
- 42
- Ventilglied
- 44
- Platte
- 46
- Zapfen
- 48
- Innengewinde
- 50
- Außengewinde
- 52
- Gegenbuchse
- 54
- Ansatz
- 55
- Durchgangsöffnung
- 56a
- erste Stufe
- 56b
- zweite Stufe
- 56c
- dritte Stufe
- 58
- Feder
- 60
- Ringscheibe
- 62
- Ausströmöffnung
- 64
- Ringflansch
- 66
- Dichtring
- 68
- Ventilnadel
- 70
- Sackbohrung
- 72
- Endbereich
- 74
- Stufe
- 76
- Dichtring
- 78
- radiale Durchgangsöffnung
- 79
- Flüssigkeitsvolumen
- 80
- Ringraum
- 82
- Kanal
- 84
- Ringraum
- 86
- Durchlass
