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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
WO 2011/068524 A1 ist eine Ventileinrichtung zur Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem bekannt. Bei dieser Ventileinrichtung ist ein Ventilsitzelement vorgesehen, welches auf einer Eingangsseite einen Ventilsitz für das Druckbegrenzungsventil und auf einer Ausgangsseite einen Ventilsitz für das Auslassventil bildet.
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Die aus der
WO 2011/068524 A1 bekannte Ventileinrichtung ist toleranzempfindlich und bedarf einer aufwändigen Herstellung.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine möglichst wirtschaftlich herstellbare Ventileinrichtung anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Ventileinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung umgeben die Strömungswege des Auslassventils und des Druckbegrenzungsventils einander. Auf diese Weise kann eine aus der
WO 2011/068524 A1 bekannte serielle Anordnung von Auslassventil und Druckbegrenzungsventil vermieden werden. Bei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung können jeweils für das Auslassventil und das Druckbegrenzungsventil separat bereitgestellte Ventilsitzelemente vorgesehen sein, sodass sich die Toleranzen der Ventilsitze nicht gegenseitig beeinflussen. Hierdurch vereinfacht sich die Herstellung der Ventileinrichtung.
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Die einander umgebenen Strömungswege haben den weiteren Vorteil, dass eine vergleichsweise kompakte Baueinheit geschaffen werden kann, welche nur wenig Bauraum beansprucht. Darüber hinaus ist eine gegebenenfalls erwünschte bauliche Integration der Ventileinrichtung in ein Gehäuse der Hochdruckpumpe besonders gut realisierbar.
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Darüber hinaus ermöglicht es die einander umgebende Anordnung der Strömungswege zumindest das Auslassventil in räumlicher Nähe zu dem Förderraum anzuordnen, sodass ein Totvolumen reduziert und der Wirkungsgrad der Hochdruckpumpe erhöht wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Strömungsweg und der zweite Strömungsweg zueinander konzentrisch sind. Insbesondere verläuft der erste Strömungsweg entlang einer ersten Strömungsachse; der zweite Strömungsweg ist im Querschnitt ringförmig und umgibt den ersten Strömungsweg.
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Um die Montage der Ventileinrichtung in einem Kraftstoffsystem zu vereinfachen, wird vorgeschlagen, dass das Auslassventil und das Druckbegrenzungsventil miteinander verbunden sind und eine Baugruppe bilden. Dies hat auch den Vorteil, dass die Funktionsfähigkeit dieser Baugruppe, also die Funktionsfähigkeit sowohl des Auslassventils als auch des Druckbegrenzungsventils, unter Verwendung des Eingangs und des Ausgangs der Ventileinrichtung in nur einer Prüfaufspannung überprüfbar ist.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Ventil an oder in einer Ringhülse angeordnet ist, welche mit einem Ventilsitzelement des zweiten Ventils verbunden ist. Dies erlaubt eine besonders kompakte und toleranzunempfindliche Anordnung der Bauteile beider Ventile.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Auslassventil und/oder das Druckbegrenzungsventil eine Ventilfeder aufweist oder aufweisen, welche sich an einem Gehäuse der Ventileinrichtung abstützt oder abstützen. Dies ermöglicht es für den Fall der Verwendung einer Ventilfeder auf ein auch denkbares separates Bauteil oder separate Bauteile zur Abstützung der Ventilfeder verzichten zu können.
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Das Gehäuse der Ventileinrichtung kann separat von einem Gehäuse der Hochdruckpumpe bereitgestellt sein. Bevorzugt ist es jedoch, dass zumindest ein Gehäuseabschnitt der Ventileinrichtung von dem Gehäuse der Hochdruckpumpe bereitgestellt ist.
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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Auslassventil und/oder das Druckbegrenzungsventil einen federelastischen, insbesondere als Metallscheibe ausgebildeten Ventilkörper aufweist oder aufweisen. Dies ermöglicht es, auf eine separate Ventilfeder zu verzichten. Der Ventilkörper hat also sowohl eine Dichtfunktion durch Zusammenwirken mit einem insbesondere ortsfesten Ventilsitz als auch eine Schließfunktion durch Bereitstellung einer Schließkraft durch Rückformung eines in Folge Fluiddrucks verformten federelastischen Ventilkörpers.
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Vorzugsweise sind die Ventilkörper in Massenfertigung als Stanzteil hergestellt.
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Eine besonders kompakte Anordnung ergibt sich, wenn das erste Ventil einen scheibenförmigen Ventilkörper, insbesondere einen kreisscheibenförmigen Ventilkörper, aufweist und/oder wenn das zweite Ventil einen ringscheibenförmigen Ventilkörper, insbesondere einen kreisringscheibenförmigen Ventilkörper aufweist. Auf diese Weise können die Ventile im Bereich des Ventilsitzes besonders flach ausgebildet sein. Darüber hinaus vereinfacht sich die Herstellung der Ventilkörper, insbesondere wenn diese in Form einer Metallscheibe ausgebildet sind.
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Eine weitere Einsparung von Bauraum ergibt sich, wenn der Ventilkörper des ersten Ventils und der Ventilkörper des zweiten Ventils sich in zueinander parallelen Ebenen erstrecken. Diese Ebenen können zueinander versetzt sein oder diese Ebenen können miteinander fluchten, also in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Auslassventil und/oder das Druckbegrenzungsventil ein Begrenzungselement zur Begrenzung eines Öffnungshubs des Ventilkörpers aufweist oder aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass ein maximaler Öffnungsweg des Ventilkörpers begrenzt werden kann. Hierdurch verkürzt sich der von einer Öffnungsstellung zu einer Schließstellung erforderliche Bewegungs- und/oder Verformungsweg des Ventilkörpers, sodass kurze Ventilschließzeiten erreicht werden. Darüber hinaus können die beim Auftreffen des Ventilkörpers auf den Ventilsitz auftretenden Geschwindigkeiten reduziert werden, sodass ein durch Aufprall des Ventilkörpers auf den Ventilsitz bedingter Verschleiß reduziert und die Lebensdauer des Ventils erhöht wird.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Ventil einen Ventilsitz aufweist, welcher gleichzeitig als Begrenzungselement zur Begrenzung eines Öffnungshubs des Ventilkörpers des zweiten Ventils wirksam ist. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Teilezahl der Ventileinrichtung und somit eine besonders wirtschaftliche Herstellung der Ventileinrichtung.
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Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein vereinfachtes Schema eines Kraftstoffeinspritzsystems mit einer Hochdruckpumpe, einer Ventileinrichtung und einem Hochdruckspeicher;
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2 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform der Ventileinrichtung gemäß 1;
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3 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Ventileinrichtung gemäß 1; und
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4 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Ventileinrichtung gemäß 1.
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1 zeigt ein Kraftstoffsystem 10 einer Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16, über eine Niederdruckleitung 18, und über eine von einem Elektromagneten 20 betätigbares Mengensteuerventil 22 einer Hochdruckpumpe 24 zugeführt. Stromabwärts ist die Hochdruckpumpe 24 über eine Hochdruckleitung 26 an einen Hochdruckspeicher 28 angeschlossen.
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Die Hochdruckpumpe 24 weist einen Förderraum 30 auf, welcher mit einem Eingang 32 einer Ventileinrichtung 34 verbunden ist. Ein Ausgang 36 der Ventileinrichtung 34 ist über die Hochdruckleitung 26 mit dem Hochdruckspeicher 28 verbunden.
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Es versteht sich, dass das Mengensteuerventil 22 und/oder die Ventileinrichtung 34 als Baueinheit mit der Hochdruckpumpe 24 ausgebildet sein kann.
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Beispielsweise kann das Mengensteuerventil 22 ein Einlassventil der Hochdruckpumpe 24 sein. Das Mengensteuerventil 22 kann auch eine andere Betätigungseinrichtung als den Elektromagneten 20 aufweisen, beispielsweise einen Piezoaktor oder einen hydraulischen Aktor.
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Beim Betrieb des Kraftstoffsystems 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Dabei bestimmt das Mengensteuerventil 22 die dem Förderraum 30 der Hochdruckpumpe 24 zugeführte Kraftstoffmenge.
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Die Ventileinrichtung 34 umfasst zwei Ventile deren Anordnung und Aufbau weiter unten unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 erläutert werden. Diese Ventile umfassen ein Auslassventil und ein Druckbegrenzungsventil.
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Die Funktion des Auslassventiles besteht darin, in einer Förderphase der Hochdruckpumpe 24 zu öffnen, um eine Fluidverbindung zwischen dem Förderraum 30 und dem Hochdruckspeicher 28 herzustellen, damit der Hochdruckspeicher 28 mit druckbeaufschlagtem Fluid gefüllt werden kann. In einer Saugphase der Hochdruckpumpe 24 schließt das Auslassventil, um einen unerwünschten Rückfluss von Fluid aus dem Hochdruckspeicher 28 in den Förderraum 30 zu verhindern.
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Das Druckbegrenzungsventil ist im Normalfall geschlossen und verhindert in dieser geschlossenen Stellung einen Rückfluss von Fluid aus dem Hochdruckspeicher 28 in den Förderraum 30. Wird jedoch stromaufwärts der Ventileinrichtung ein Maximaldruck überschritten, öffnet das Druckbegrenzungsventil und ermöglicht einen Druckabau, indem es eine Fluidverbindung zwischen dem Hochdruckspeicher 28 und dem Förderraum 30 herstellt.
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Die in 2 dargestellte Ventileinrichtung 34 erstreckt sich entlang einer zentralen Längsachse 38 zwischen dem Eingang 32 und dem Ausgang 36. Die Ventileinrichtung 34 weist ein Gehäuse 40 auf, welches bspw. zwei Gehäuseteile 42 und 44 umfasst. Die Gehäuseteile 42 und 44 begrenzen einen Gehäuseraum 46 zur Anordnung eines Auslassventils 48 und eines Druckbegrenzungsventils 50.
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Das Gehäuse 40, insbesondere das Gehäuseteil 42, ist in vorteilhafter Weise einstückig mit dem Gehäuse der Hochdruckpumpe 24 ausgebildet. Bei dem zweiten Gehäuseteil 44 handelt es sich bspw. um einen druckdicht mit dem Gehäuseteil 42 verbindbaren Hochdruckstutzen.
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Der Gehäuseraum 46 weist eine vorzugsweise zylindrische Begrenzung 52 auf. Das Auslassventil 48 und das Druckbegrenzungsventil 50 bilden gemeinsam eine Baugruppe 54.
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Das Auslassventil 48 weist ein vorzugsweise ringförmig ausgebildetes Ventilsitzelement 56 auf, welches insbesondere mittels eines Presssitzes in die Begrenzung 52 des Gehäuseraums 46 eingepresst ist. Das Auslassventil 48 umfasst außerdem einen Ventilkörper 58, welcher ringscheibenförmig ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ventilkörper in einem ringförmigen Verbindungsbereich 60 mit dem Ventilsitzelement 56 verbunden, beispielsweise verschweißt.
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Der Ventilkörper 58 ist insbesondere als Metallscheibe ausgebildet und überdeckt in einer Schließstellung in dem Ventilsitzelement 56 entlang eines Umfangs verteilt angeordnete Strömungskanäle 62.
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Das Ventilsitzelement 56 umgibt eine mit dem Ventilsitzelement 56 verbundene Ringhülse 64. Die Ringhülse 64 erstreckt sich ausgehend von dem Ventilsitzelement 56 in Richtung auf den Ausgang 36 der Ventileinrichtung 34 und weist ein dem Ausgang 36 zugewandtes Ende 66 auf. Das Ende 66 dient zur Anordnung eines Ventilsitzelements 68 des Druckbegrenzungsventils 50. Das Ventilsitzelement 68 ist insbesondere mittels eines Presssitzes mit der Ringhülse 64 verbunden.
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Das Ventilsitzelement 68 wirkt mit einem Ventilkörper 70 (bspw. in Form einer Kugel) zusammen. Der Ventilkörper 70 ist mittels eines Ventilkörperführungselements 72 geführt, welches seinerseits in einer Ventilfeder 74 geführt ist und mittels der Ventilfeder 74 den Ventilkörper 70 mit einer Schließkraft gegen das Ventilsitzelement 68 drückt.
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Die Ventilfeder 74 stützt sich einenends an dem Ventilkörperführungselement 72 und anderenends an einer Abstützfläche 76 des Gehäuses 40 ab.
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Die Vorspannung der Ventilfeder 74 und somit ein Maximaldruck, ab welchem das Druckbegrenzungsventil 50 öffnet, kann durch die Einstellung der Lage des Ventilsitzelements 56 des Auslassventils 48 längs der Achse 38 eingestellt werden.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Druckbegrenzungsventil 50 zentral angeordnet und wird für den Fall, dass ein Maximaldruck überschritten wird, längs eines ersten Strömungswegs 78 durchströmt, welcher im Wesentlichen der Längsachse 38 der Ventileinrichtung 34 entspricht.
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Das Auslassventil 48 wird in einer Förderphase der Hochdruckpumpe 24 längs eines zweiten Strömungswegs 80 durchströmt, welcher bezogen auf den ersten Strömungsweg 78 radial außen angeordnet ist.
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Das Öffnen des Auslassventils 48 geht mit einer Verformung des radial innenliegenden Teils des Ventilkörpers 58 einher, sodass dieser Teil von dem Strömungskanal 62 oder den Strömungskanälen 62 des Ventilsitzelements 56 abgehoben wird. In Folge der Federelastizität des Ventilkörpers 58 kann durch den Ventilkörper 58 selbst eine Schließkraft bereitgestellt werden, welche eine Rückverformung des Ventilkörpers 58 bewirkt, wenn die Hochdruckpumpe 24 eine Saugphase durchläuft, bei welcher sich der Förderraum 30 vergrößert.
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Vorteilhaft ist es, wenn zur Begrenzung des Öffnungswegs des Ventilkörpers 58 ein Begrenzungselement 82 vorgesehen ist. Das Begrenzungselement 82 ist bei einer bevorzugten Ausführungsform ringförmig und insbesondere mit der Ringhülse 64 verbunden, insbesondere verpresst.
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Das Ventilsitzelement 56 und/oder der Ventilkörper 58 sind vorzugsweise in Form von Stanzteilen bereitgestellt.
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Eine in 3 dargestellte Ausführungsform einer Ventileinrichtung 34 weist einen zu dem vorstehend unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Aufbau der Ventileinrichtung 34 vergleichbaren Aufbau auf. Daher wird auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen. Nachfolgend werden die Unterschiede zwischen der Ventileinrichtung 34 gemäß 3 und der Ventileinrichtung 34 gemäß 2 erläutert.
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Bei der Ventileinrichtung 34 gemäß 3 ist das Ventilsitzelement 68 des Druckbegrenzungsventils 50 in Form eines Tiefzieh-/Stanzteils bereitgestellt. Das Ventilsitzelement 68 weist einen Ringabschnitt 84 auf, welcher auf die Ringhülse 64 aufgestülpt ist. Das Ventilsitzelement 68 weist ferner mindestens eine Durchgangsöffnung 86 zur Durchströmung längs eines zentralen ersten Strömungswegs 78 auf.
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In einer Schließstellung des Druckbegrenzungsventils 50 ist die mindestens eine Durchgangsöffnung 86 mittels eines Ventilkörpers 70 verschlossen, welcher in Form einer Scheibe, insbesondere in Form einer Kreisscheibe und weiter bevorzugt in Form einer Metallscheibe vorgesehen ist. Der Ventilkörper 70 ist entlang eines radial außenliegenden Ringabschnitts mit dem Ventilsitzelement 68 verbunden.
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Entlang des ersten Strömungswegs 78 gesehen ist ein Verformungsweg des Ventilkörpers 70 mittels eines Begrenzungselements 88 begrenzt. Das Begrenzungselement 88 ist vorzugsweise in Form eines Tiefzieh-/Stanzteils bereitgestellt und weiter bevorzugt direkt mit dem Ventilsitzelement 68 verbunden. Das Begrenzungselement 88 weist in der Zeichnung nicht dargestellte Durchgangsöffnungen zum Durchtritt von Fluid längs des ersten Strömungswegs 78 auf.
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Der Ringabschnitt 84 des Ventilsitzelements 68 dient nicht nur zur Befestigung des Ventilsitzelements 68 an der Ringhülse 64, sondern wirkt mit seiner dem Ventilkörper 58 des Auslassventils 48 zugewandten Stirnfläche gleichzeitig als Begrenzungselement zur Begrenzung eines Öffnungswegs des Ventilkörpers 58.
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Die Ventilkörper 58 und 70 erstrecken sich in zueinander parallelen Ebenen 90 und 92, welche räumlich zueinander benachbart sind, vorzugsweise einen maximalen Abstand von 50 mm, insbesondere von 30 mm haben.
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Bei den vorstehend unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das Druckbegrenzungsventil 50 als erstes Ventil zentral angeordnet und das Auslassventil 48 als zweites Ventil bezogen auf das Druckbegrenzungsventil 50 radial außen angeordnet.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 ein Ausführungsbeispiel einer Ventileinrichtung 34 beschrieben, bei welcher das Auslassventil 48 als erstes Ventil zentral angeordnet ist. Hierbei weist das Auslassventil 48 einen Aufbau auf, welcher zu dem Aufbau des vorstehend unter Bezugnahme auf 3 beschriebenen Druckbegrenzungsventils 50 identisch ist. Jedoch wird das Auslassventil 48 entlang des ersten Strömungswegs 78 zwischen Eingang 32 und Ausgang 36 durchströmt, sodass längs der Achse 38 zunächst das Ventilsitzelement 56, dann der Ventilkörper 58 und schließlich das Begrenzungselement 82 vorgesehen sind.
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Das Druckbegrenzungsventil 50 gemäß 4, welches entlang eines zweiten Strömungswegs 80 bei Überschreitung eines Maximaldrucks in einer Richtung vom Ausgang 36 hin zum Eingang 32 durchströmbar ist, ist an dem dem Ausgang 36 zugewandten Ende der Ringhülse 64 angeordnet. Der Ventilkörper 70 des Druckbegrenzungsventils 50 ist auf der dem Eingang 32 zugewandten Seite des Ventilsitzelements 68 vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011068524 A1 [0002, 0003, 0006]
