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Die
Erfindung betrifft ein Hochdruckventil für eine ventilgesteuerte
Verdrängereinheit gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Als
Verdrängereinheiten (insbesondere Radial- oder Axialkolbenmaschinen)
mit mehreren Zylinder-Kolben-Einheiten sind neben den herkömmlichen
Verstelleinheiten mit einstellbarem Kolbenhub auch ventilgesteuerte
Verdrängereinheiten (Digital-Displacement-Units) bekannt,
bei denen der Druckmittelstrom jeder Zylinder-Kolben-Einheit über zwei
Ventile gesteuert wird. Ein erstes Ventil steuert dabei eine Verbindung
zur Hochdruckseite und ein zweites Ventil eine Verbindung zur Niederdruckseite.
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Die
Druckschrift
WO
2008/029073 A1 offenbart eine derartige ventilgesteuerte
Verdrängereinheit mit einem Hochdruckventil, das zwischen
einem Arbeitsraum und einem Hochruckverteiler angeordnet ist.
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Die
Anforderungen an das Hochdruckventil variieren mit unterschiedlichen
Betriebspunkten der Verdrängereinheit. Bei hohen Drehzahlen
der Verdrängereinheit ergeben sich beispielsweise große Volumenströme
bei gleichzeitiger Forderung nach kleinen Schaltzeiten des Ventils,
bei kleinen Drehzahlen ergeben sich lange Öffnungszeiten
des Ventils bzw. lange Schaltzeiten seiner Magnetspule. Mit höherem
Druck nehmen zudem die mechanischen Belastungen sowie den Anforderungen
an das Dichtsystem des Ventils zu.
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Weiterhin
bedürfen derartige Ventile einer aufwändigen Leistungselektronik,
wobei sich einander widersprechende Anforderungen ergeben. So erfordert
eine Bauraumminimierung der Verdrängereinheit kleine Ventile.
Zur Minimierung ihres Strömungswiderstandes ist ein großer
und somit widerstandsarmer Strömungsquerschnitt nötig.
Dieser bedingt einen größeren Ventilhub, was der
Forderung nach hoher Ventildynamik bei möglichst kleiner
elektrischer Leistungsaufnahme widerspricht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Hochdruckventil
für eine ventilgesteuerte Verdrängereinheit zu
schaffen, das hochdynamisch ist und dabei eine gegenüber
dem Stand der Technik vereinfachte Elektronik benötigt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Hochdruckventil für
eine ventilgesteuerte Verdrängereinheit nach Patentanspruch
1.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße Hochdruckventil für eine
ventilgesteuerte Verdrängereinheit hat einen Ventilkörper,
der einen zwischen einem Hochdruckraum des Ventils und einem Arbeitsraum
der Verdrängereinheit angeordneten Ventilteller und einen zwischen
dem Hochdruckraum und einem Vorsteuerdruckraum des Ventils angeordneten
Führungsabschnitt aufweist. Dabei kann über ein
Vorsteuerventil der Vorsteuerdruckraum entlastet werden. Zwischen dem
Vorsteuerdruckraum und dem Hochdruckraum ist zumindest eine Druckmittelverbindung
vorgesehen. Dadurch kann die Elektronik des Hochdruckventils vereinfacht
und seine notwendige Ansteuerleistung verringert werden, da weniger
Kraft zum Öffnen und Schließen des Hochdruckventils
bzw. seiner Hauptstufe nötig ist. Evtl. kann auf eine Leistungsendstufe
gemäß dem Stand der Technik verzichtet werden.
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Bei
einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Hochdruckventils ist
eine in Öffnungsrichtung des Ventils wirksame Fläche
des Führungsabschnitts größer als eine
in Schließrichtung des Ventils wirksame Fläche
des Ventilsitzes. Dabei begrenzen beide Flächen den Hochdruckraum.
Damit ergibt sich als Resultat der hochdruckseitig am Ventilkörper
angreifenden Kräfte eine Öffnungskraft am Ventilkörper.
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Bei
einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist das Vorsteuerventil
als Sitzventil ausgebildet, über das der Vorsteuerdruckraum
zu einem Tank entlastet werden kann. Das Sitzventil weist eine über eine
Feder mit einer Schließkraft beaufschlagte Ankernadel und
zumindest ein Magnetspule auf, über den die Ankernadel
mit einer Öffnungskraft beaufschlagt werden kann. Damit
ist ein schnell schaltendes Vorsteuerventil gegeben, das stromlos
geschlossen ist.
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Bei
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Hochdruckventils
ist in dem Vorsteuerdruckraum eine Feder angeordnet, die am Führungsabschnitt
anliegt und den Ventilkörper mit einer Schließkraft
beaufschlagt. Durch die Feder ist die durch den im Vorsteuerdruckraum
herrschenden Druck erzeugte Schließkraft am Ventilkörper
erhöht.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Hochdruckventils ist eine erste Druckmittelverbindung zwischen dem
Vorsteuerdruckraum und dem Hochdruckraum ein Ringspalt, der zwischen
dem Führungsabschnitt und einem Ventilgehäuse
gebildet ist. Damit ist mit einem gegenüber dem Ventilgehäuse
verringerten Durchmesser des Führungsabschnitts auf fertigungstechnisch einfache
Weise eine Druckmittelverbindung geschaffen, die mit zeitlicher
Verzögerung den Hochdruck im Vorsteuerdruckraum und somit
in Schließrichtung des Hochdruckventils wirksam werden
lässt.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel ist die erste Druckmittelverbindung
eine Durchgangsbohrung, die den Führungsabschnitt durchdringt.
Damit ist auf fertigungstechnisch einfache Weise eine Druckmittelverbindung
geschaffen, die mit zeitlicher Verzögerung den Hochdruck
im Vorsteuerdruckraum und somit in Schließrichtung des
Hochdruckventils wirksam werden lässt.
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Bei
einer Weiterbildung ist eine zweite Druckmittelverbindung ein Kanal,
der durch ein Ventilgehäuse verläuft, und der
einen zwischen dem Vorsteuerdruckraum und einem Ventilssitz des
Vorsteuerventils angeordneten Zylinderraum mit dem Hochdruckraum
verbindet. Dabei ist es von Vorteil, wenn an der Ankernadel des
Vorsteuerventils ein Verschlusskolben befestigt ist, der im Zylinderraum
verschiebbar angeordnet ist, und der von einer Durchgangsbohrung
durchsetzt ist, wobei eine Mündung des Kanals vom Verschlusskolben überdeckt
und verschlossen werden kann, wenn die Ankernadel das Vorsteuerventil öffnet.
Dem gegenüber besteht eine Druckmittelverbindung zwischen
dem Hochdruckraum und dem Vorsteuerdruckraum über den Kanal und über
den Zylinderraum und über die Durchgangsbohrung, wenn die
Ankernadel das Vorsteuerventil schließt. Damit ist eine
zusätzliche Druckmittelverbindung geschaffen, die auf-
und zugesteuert werden kann, wodurch die Dynamik des erfindungsgemäßen
Hochdruckventils beim Schließen des Ventilkörpers
weiter erhöht ist.
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Dabei
ist es weiterhin aus fertigungstechnischer Sicht von Vorteil, wenn
der Ventilteller und der Führungsabschnitt des Ventilkörpers über
einen zylindrischen Verbindungsabschnitt verbunden sind, wobei der
Ventilkörper einstückig gefertigt ist.
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Ebenfalls
aus Gründen einer vereinfachten Fertigung können
der Ventilsitz, der Ventilkörper, der Vorsteuerdruckraum,
die Magnetspule, die beiden Federn die Ankernadel (ggf. mit dem
Verschlusskolben und ggf. der Zylinderraum) im Wesentlichen rotationssymmetrisch
um eine gemeinsame Ventilachse ausgebildet sein.
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Im
Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele
der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Hochdruckventils für eine ventilgesteuerte Verdrängereinheit
in einer schematischen Darstellung;
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Hochdruckventils für eine ventilgesteuerte Verdrängereinheit
in einer schematischen Darstellung;
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Hochdruckventils für eine ventilgesteuerte Verdrängereinheit
in einer schematischen Darstellung; und
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4 das
dritte Ausführungsbeispiel gemäß 3 in
geöffnetem Zustand.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Hochdruckventils für eine ventilgesteuerte Verdrängereinheit
(Digital Displacement Unit) in Radialkolbenbauweise in einer schematischen
Darstellung. Das Hochdruckventil hat ein Ventilgehäuse 1,
das an einem (nur teilweise gezeigten) Verdrängerraum 2 der
nicht weiter gezeigten Radialkolbenmaschine angeschlossen ist. Die
gezeigte Anordnung ist an der Radialkolbenmaschine mehrfach vorgesehen,
wobei die Anzahl der Anordnungen derjenigen der Verdrängerräume 2 der
Radialkolbenmaschine (z. B. acht) entspricht.
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Im
Ventilgehäuse 1 befindet sich ein Hochdruckraum 4,
der über Hochdruckanschlüsse 6a, 6b an
eine (nicht gezeigte) Hochdruckleitung der Radialkolbenmaschine
angeschlossen ist.
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Die
Druckmittelverbindung zwischen dem Hochdruckraum 4 und
dem Verdrängerraum 2 ist in der in 1 gezeigten
Grundstellung durch einen an einem Ventilsitz 8 dichtend
anliegenden Ventilteller 10 verschlossen. Dabei bilden
der Ventilteller 10, ein zylindrischer Verbindungsabschnitt 14 und
ein Führungsabschnitt 16 einen einstückigen
Ventilkörper 17 des erfindungsgemäßen
Hochdruckventils. Der zylindrische Verbindungsabschnitt ist 14 gegenüber
dem Ventilteller 10 und gegenüber dem Führungsabschnitt 16 radial
zurückgestuft.
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Der
Führungsabschnitt 16 ist in einem Vorsteuerzylinder
bzw. Vorsteuerdruckraum 18 aufgenommen und geführt.
Dabei ist ein Ringspalt 20 zwischen dem Außenumfang
des Führungsabschnitts 16 und dem Innenumfang
des Vorsteuerdruckraums 18 vorgesehen.
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Durch
den Ringspalt 20 liegt im geschlossenen Zustand des erfindungsgemäßen
Ventils gemäß 1 Hochdruck
an einer rückseitigen Fläche 36 des Führungsabschnitts 16 an,
wodurch eine Schließkraft erzeugt ist.
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Im
Vorsteuerdruckraum 18 ist eine Feder 22 angeordnet,
die sich (in 1) nach oben am Ventilgehäuse 1 abstützt
und den Führungsabschnitt 16 mit einer Kraft beaufschlagt,
die ebenfalls in Schließrichtung wirkt.
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Weiterhin
hat das Ventilgehäuse 1 einen Tankanschluss T
und einen damit in Verbindung stehenden Tankdruckraum 24.
Zwischen dem Tankdruckraum 24 und dem Vorsteuerdruckraum 18 ist ein
Vorsteuerventilsitz 26 angeordnet, der von einer Ankernadel 28 verschließbar
ist.
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1 zeigt
das Vorsteuerventil 29 in geschlossenem Zustand, bei dem
die Ankernadel 28 durch eine Feder 30 gegen den
Vorsteuer-Ventilsitz 26 gedrückt wird. Dabei stützt
sich die Feder 30 (in 1) nach
oben gegen das Ventilgehäuse 1 ab und beaufschlagt
einen radial erweiterten Ankerbund 31 der Ankernadel 28 mit
einer Schließkraft.
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Die
Ankernadel 28 und die Feder 30 sind von einer
Magnetspule 32 umgriffen, die bei Bestromung die Ankernadel 28 mit
einer (in 1) nach oben gerichteten Öffnungskraft
beaufschlagt.
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Das
Ventilgehäuse 1, der Ventilkörper 17,
die Ankernadel 28, die Magnetspule 32 und die
beiden Federn 22, 30 sind etwa rotationssymmetrisch
zu einer Ventillängsachse 34 aufgebaut.
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Der
mit d gekennzeichnete Durchmesser des Ventilsitzes 8 ist
etwas kleiner als der mit D gekennzeichnete Durchmesser des Führungsabschnitts 16.
Bei konstanter Querschnittsfläche des Verbindungsabschnitts 14 ist
eine in Öffnungsrichtung wirkende Ringfläche 13 des
Führungsabschnitts 16 etwas größer
als eine in Schließrichtung wirkende resultierende Fläche
am Ventilteller 10, die durch die Größe
des Ventilsitzes 8 abzüglich der Querschnittsfläche
des Verbindungsabschnitts 14 definiert ist. Damit ergibt
sich hochdruckraumseitig eine Öffnungskraft am Ventilkörper 17.
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Im
unbestromten Zustand der Magnetspule 32 ist das Vorsteuerventil 29 auf
Grund der Schließkraft durch die Feder 30 geschlossen.
Auf Grund des Ringspaltes 20 liegt der Hochdruck des Hochdruckraumes 4 auch
im Vorsteuerdruckraum 18 an, so dass die Schließkräfte
durch die rückseitig am Führungsabschnitt 16 angeordnete
Fläche 36 und durch die Feder 22 die
hochdruckraumseitige resultierende Öffnungskraft bei weitem übersteigen.
Daher ist das erfindungsgemäße Hochdruckventil
geschlossen.
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Zur
Verbindung des Arbeitsraumes 2 der (nicht gezeigten) Radialkolbeneinheit
mit dem Hochdruckraum 4 wird die Magnetspule 32 bestromt,
so dass sich die Ankernadel 28 gegen die Kraft der Feder 30 vom
Vorsteuerventilsitz 26 abhebt. Dadurch fällt der Druck
im Vorsteuerdruckraum 18 annähernd auf Tankdruck
ab, so dass die hochdruckraumseitige resultierende Öffnungskraft
die verbleibende Schließkraft der Feder 30 am
Ventilkörper 17 überwiegt. Somit hebt
sich der Ventilteller 10 vom Ventilsitz 8.
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Wird
die Magnetspule 32 wieder stromlos geschaltet, verschließt
die Ankernadel 28 den Vorsteuerventilsitz 26,
so dass sich im Vorsteuerdruckraum 18 wieder Hochdruck
aufbauen kann. Dadurch wird das erfindungsgemäße
Hochdruckventil wieder verschlossen.
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Somit
ist ein radial durchströmtes und schnell schaltendes elektrisch
entsperrbares Hochdruckventil für ventilgesteuerte Verdrängereinheiten (DDU's)
geschaffen, wobei die Hauptstufe und das Vorsteuerventil 29 jeweils
als Sitzventil ausgeführt sind.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Hochdruckventils für eine ventilgesteuerte Verdrängereinheit
in einer schematischen Darstellung.
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Der
wesentliche Unterschied des zweiten Ausführungsbeispiels
gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel ist darin
zu sehen, dass statt dem Ringspalt 20 zwischen dem Ventilgehäuse 1 und
dem Führungsabschnitt 116 eine Durchgangsbohrung 120 vorgesehen
ist, die den Führungsabschnitt 116 durchsetzt.
Dabei verbindet die Durchgangsbohrung 120 den Vorsteuerdruckraum 18 mit
dem Hochdruckraum 4. Damit ist die Führung des
Führungsabschnitts 116 und somit des gesamten
Ventilkörpers verbessert.
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In
beiden Ausführungsbeispielen muss der Öffnungsquerschnitt
des geöffneten Vorsteuerventils 29 größer
sein als der Querschnitt des Ringspaltes 20 bzw. der Durchgangsbohrung 120.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Hochdruckventils in einer schematischen Darstellung. Dieses Ausführungsbeispiel
ist eine Variante bzw. Weiterentwicklung des zweiten Ausführungsbeispiels
gemäß 2.
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Beim
dritten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Tankdruckraum 24 und
dem Vorsteuerdruckraum 18 bzw. dem Vorsteuer-Ventilsitz 26 ein vergrößerter
Abstand vorgesehen, wobei zwischen dem Tankdruckraum 24 und
dem Vorsteuerdruckraum 18 ein Zylinderraum 238 vorgesehen
ist. Der Durchmesser des Zylinderraums 238 entspricht etwa dem
des Vorsteuerventilsitzes 26.
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Im
Ventilgehäuse 201 verläuft ein Kanal 220, der
einerseits in den Hochdruckraum 4 und andererseits in den
Zylinderraum 238 mündet. Die (gegenüber
den vorhergehenden Ausführungsbeispielen modifizierte)
Ankernadel 228 hat an ihrem vom Vorsteuerventilsitz 26 in
den Zylinderraum 238 ragenden Kegelstumpfabschnitt einen
Zwischenabschnitt 239 und einen daran befestigten Verschlusskolben 240.
Dabei entspricht der Durchmesser des Verschlusskolbens 240 etwa
dem Durchmesser des Zylinderraums 238. Die Höhe
des Verschlusskolbens 240 ist größer als
der Öffnungsquerschnitt der Mündung 241 des Kanals 220 in
den Zylinderraum 238.
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Die
Länge des Zwischenabschnitts 239 der Ankernadel 228 ist
so gewählt, dass im geschlossenen Zustand des Vorsteuerventils 229 der
Kanal 220 in den Bereich zwischen Vorsteuerventilsitz 26 und Verschlusskolben 240 mündet,
während bei geöffnetem Vorsteuerventil 229 bzw.
vom Ventilsitz 26 abgehobener Ankernadel 228 der
Verschlusskolben 240 die Mündung 241 verschließt.
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Der
Verschlusskolben 240 ist von einer schräg angeordneten
Durchgangsbohrung 242 durchsetzt, über die in
geschlossenem Zustand des Vorsteuerventils 229 auf Grund
der geöffneten Mündung 241 eine zusätzliche
Druckmittelverbindung vom Hochdruckraum 4 zum Vorsteuerdruckraum 18 gegeben
ist. Diese verläuft über den Kanal 220,
die Mündung 241, den Zylinderraum 238 und
die Durchgangsbohrung 242.
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4 zeigt
das dritte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Hochdruckventils gemäß 3 in geöffneter
Stellung. Dazu ist die Magnetspule 32 bestromt, wodurch
die Ankernadel 228 vom Vorsteuerventilsitz 26 abgehoben
ist, so dass der Vorsteuerdruckraum 18 über die
Durchgangsbohrung 242 und den Tankdruckraum 24 zum
Tankanschluss T druckentlastet ist. Dabei ist der Verschlusskolben 240 vor
der Mündung 241 angeordnet, damit der Druck im
Hochdruckraum 204 nicht über den Kanal 220 abgebaut
wird.
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Auf
Grund des entlasteten Vorsteuerdruckraums 18 und auf Grund
des mit Bezug zur 1 erläuterten Größenverhältnisses
zwischen dem Führungsabschnitt 116 und dem Ventilsitz 8 öffnet
die Hauptstufe des Hochdruckventils, und der (nur teilweise gezeigte)
Arbeitsraum 2 der Radialkolbenmaschine wird mit Hochdruck
beaufschlagt.
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Wenn
die Bestromung der Magnetspule 32 beendet wird, und die
Ankernadel 228 sich (in 4) nach
unten bewegt, öffnet sich der Kanal 220 wieder, so
dass der Druck im Vorsteuerdruckraum 18 schnell wieder
aufgebaut wird, und sich das Hochdruckventil entsprechend schnell
wieder schließt.
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Abweichend
von dem in den 3 und 4 gezeigten
dritten Ausführungsbeispiel kann der dort gezeigte verschließbare
Kanal 220 auch bei dem ersten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Hochdruckventils (gemäß 1)
vorgesehen sein.
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Offenbart
ist ein vorgesteuertes Hochdruckventil für eine ventilgesteuerte
Verdrängereinheit mit einem Ventilkörper, der
einen zwischen einem Hochdruckraum des Ventils und einem Arbeitsraum
der Verdrängereinheit angeordneten Ventilteller und einen
zwischen dem Hochdruckraum und einem Vorsteuerdruckraum des Ventils
angeordneten Führungsabschnitt hat. Dabei ist über
ein Vorsteuerventil der Vorsteuerdruckraum entlastbar, und zwischen dem
Vorsteuerdruckraum und dem Hochdruckraum ist zumindest eine Druckmittelverbindung
vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1;
201
- Ventilgehäuse
- 2
- Arbeitsraum
- 4;
204
- Hochdruckraum
- 6a,
6b
- Hochdruckanschluss
- 8
- Ventilsitz
- 10
- Ventilteller
- 12
- Ringfläche
- 13;
113
- Ringfläche
- 14
- Verbindungsabschnitt
- 16;
116
- Führungsabschnitt
- 17;
117; 217
- Ventilkörper
- 18
- Vorsteuerdruckraum
- 20
- Ringspalt
- 22
- Feder
- 24
- Tankdruckraum
- 26
- Vorsteuerventilsitz
- 28;
228
- Ankernadel
- 29;
229
- Vorsteuerventil
- 30
- Feder
- 31
- Ankerbund
- 32
- Magnetspule
- 34;
234
- Ventillängsachse
- 36
- Fläche
- 120
- Durchgangsbohrung
- 220
- Kanal
- 238
- Zylinderraum
- 239
- Zwischenabschnitt
- 240
- Verschlusskolben
- 241
- Mündung
- 242
- Durchgangsbohrung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2008/029073
A1 [0003]
