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Die Erfindung betrifft ein Überströmventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem, insbesondere ein Common-Rail-Einspritzsystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftstoffeinspritzsystem mit einem solchen Ventil zur Druckregelung und/oder Druckbegrenzung.
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Stand der Technik
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Überströmventile der vorstehend genannten Art werden üblicherweise in einem Niederdruckbereich, insbesondere in einem Zulaufbereich einer Kraftstoffhochdruckpumpe eines Kraftstoffeinspritzsystems eingesetzt. Sie dienen der Rückführung einer überschüssigen Kraftstoffmenge in den Niederdruckbereich und ermöglichen auf diese Weise eine Druckregelung und/oder Druckbegrenzung.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2011 089 797 A1 geht beispielhaft ein solches Überströmventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem hervor. Es umfasst ein einen Eingang und einen Ausgang aufweisendes Ventilgehäuse, ein axial im Ventilgehäuse verschiebbar geführtes kolbenförmiges Ventilelement, über dessen axiale Verschiebung der Eingang und der Ausgang verbindbar sind, sowie ein in einem Federraum des Ventilgehäuses aufgenommenes Federelement. Das Federelement ist einerseits am Ventilelement und andererseits an einem Einstellelement, das in das Ventilgehäuse eingesetzt ist, abgestützt. Das Einstellelement dient der Einstellung der Federvorspannung und damit des Öffnungsdrucks des Überströmventils. Um eine Dämpfung der Bewegung des Ventilelements im Falle von Druckpulsationen zu ermöglichen, weist das Einstellelement eine Entlüftungsbohrung mit einer hierin angeordneten Drossel zur Entlüftung des Federraums auf.
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Die Offenlegungsschrift
DE 10 2012 200 894 A1 zeigt eine Kraftstoffhochdruckpumpe eines Einspritzsystems mit einem Überströmventil, welches in das Pumpengehäuse eingesetzt und mit einem Niederdrucksystem des Einspritzsystems verbunden ist.
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Unter stationären Randbedingungen steht das federbelastete Ventilelement eines solchen Überströmventils im Kräftegleichgewicht zwischen der einerseits anliegenden Federkraft und der andererseits anliegenden hydraulischen Druckkraft, die sich aus der hydraulischen Wirkfläche des Ventilelements und einen hierauf wirkenden Differenzdruck ergibt. Der Differenzdruck hat zur Folge, dass im Wege der Leckage der Federraum mit Kraftstoff befüllt wird. Ohne hydraulische Anbindung des Federraums an den Niederdruckbereich über eine Entlüftungs- oder Entlastungsbohrung würde der Federraum über die Zeit so stark befüllt, dass ein Öffnen des Ventils unmöglich wäre. Die Entlüftungs- bzw. Entlastungsbohrung stellt demnach die Funktionsfähigkeit des Ventils sicher. Um eine Mindestdämpfungswirkung zu erzielen, erfolgt der Ablauf über die Entlüftungs- bzw. Entlastungsbohrung in der Regel gedrosselt. Die Dämpfungswirkung verhindert oder begrenzt ein Überschwingen des Ventilelements bei hohen Druckpulsationen und ermöglicht ferner, zumindest in Teilen, die Kompensation eines Verdrängervolumens bei volumetrisch nicht ausgeglichenen Hochdruckpumpen, beispielsweise bei Einstempel-Hochdruckpumpen. Um die Volumenkompensation zu ermöglichen, wird der Kraftstoff im Federraum bei hohen Drehzahlen über einen möglichst großen Drehwinkelbereich der Hochdruckpumpe verdampft. Während der Dampfphase wird der Federraum des Überströmventils jedoch zusätzlich befüllt, so dass die Gefahr einer Überfüllung des Federraums sowie einer damit einhergehenden ”Versteifung” des Ventils besteht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Überströmventil für ein Kraftstoffeinspritzsystem anzugeben, das auch bei hohen Drehzahlen einer angeschlossenen Hochdruckpumpe eine dynamische Volumenkompensation ermöglicht, um auf diese Weise die Pulsationswirkung der Hochdruckpumpe auf den Niederdruckbereich zu verringern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Überströmventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Überströmventil umfasst ein Ventilgehäuse mit einem Eingang und wenigstens einem Ausgang, ein im Ventilgehäuse aufgenommenes, axial verschiebbar geführtes Ventilelement, über dessen axiale Verschiebung entgegen der Federkraft einer Feder der Eingang und der Ausgang verbindbar sind, wobei die Feder in einem Federraum des Ventilgehäuses aufgenommen ist. Der Federraum ist dabei über eine Entlastungsbohrung an einen Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems anschließbar. Erfindungsgemäß sind Mittel zur Vermeidung einer Überfüllung des Federraums vorgesehen, wobei die Mittel eine im Führungsbereich des Ventilelements ausgebildete, mit dem Ausgang verbundene oder verbindbare Ringnut und/oder ein Rückschlagventil umfassen, über welches der Federraum mit dem Niederdruckbereich verbindbar ist.
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Die vorgeschlagenen Mittel zur Vermeidung einer Überfüllung des Federraums dienen insbesondere der Reduzierung einer in den Federraum gelangenden Leckagemenge und/oder der Reduzierung einer im Federraum vorhandenen bzw. entstehenden Dampfmenge.
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Zur Reduzierung der Leckagemenge ist vorzugsweise eine mit dem Ausgang verbundene oder verbindbare Ringnut im Führungsbereich des Ventilelements vorgesehen. Der Führungsbereich des Ventilelements wird dabei durch einen Führungsabschnitt am axial verschiebbaren Ventilelement und einen Führungsabschnitt am Ventilgehäuse definiert. Der im Führungsbereich zwischen dem Ventilelement und dem Ventilgehäuse bestehende Führungsspalt bildet zugleich einen Leckagepfad aus, über den Kraftstoff in den Federraum gelangt. Durch die Ausbildung der Ringnut im Führungsbereich des Ventilelements, d. h. im Leckagepfad, kann zumindest ein Teil der über den Leckagepfad abströmenden Leckagemenge – bei einer Verbindung der Ringnut mit dem wenigstens einen Ausgang – über den Ausgang abgeführt werden. Die über den Führungsbereich in den Federraum gelangende Leckagemenge wird dadurch wirksam verringert und eine Überfüllung des Federraums vermieden.
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Zur Reduzierung der Dampfmenge kann alternativ oder ergänzend ein Rückschlagventil vorgesehen sein. Dieses ist bevorzugt im Anschlussbereich des Federraums an den Niederdruckbereich angeordnet. Das Rückschlagventil soll auf diese Weise eine Befüllung des Federraums über den Anschlussbereich verringern, der einen weiteren Pfad ausbilden kann, über den Kraftstoff in den Federraum gelangt.
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Mit der Reduzierung der Leckagemenge und/oder Dampfmenge wird einer Überfüllung des Federraums und damit der Gefahr einer ”Versteifung” des Ventils entgegen gewirkt. Selbst bei hohen Drehzahlen einer angeschlossenen Hochdruckpumpe ist das vorgeschlagene Überströmventil demnach in der Lage, das Verdrängervolumen der Hochdruckpumpe soweit zu kompensieren, dass die Belastung des Niederdruckbereichs aufgrund von Druckpulsationen deutlich reduziert wird.
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Bevorzugt ist die im Führungsbereich des Ventilelements ausgebildete Ringnut innenumfangseitig am Ventilgehäuse oder außenumfangseitig am Ventilelement ausgebildet. Sofern die Ringnut außenumfangseitig am Ventilelement ausgebildet ist, ist sie vorzugsweise derart angeordnet, dass sie über eine axiale Verschiebung des Ventilelements mit dem wenigstens einen Ausgang verbindbar ist. Bei einer Verbindung der Ringnut mit dem Ausgang, bewirkt die Ringnut eine Absenkung des Drucks auf Rücklaufdruckniveau über den Umfang des Ventilelements. Dadurch wird das Druckgefälle im Bereich zwischen der Ringnut und dem Federraum und in der Folge die Leckage in Richtung des Federraums minimiert. Denn zumindest ein Teil der Leckagemenge wird über die Ringnut dem Ausgang bzw. den Ausgängen zugeführt.
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Sofern die Ringnut außenumfangseitig am Ventilelement angeordnet ist, d. h. die axiale Lage der Ringnut abhängig von der axialen Lage des Ventilelements ist, wird ferner vorgeschlagen, dass die Anordnung am Ventilelement derart gewählt ist, dass die Ringnut in Normalstellung des Ventilelements in Verbindung mit dem wenigstens einen Ausgang steht. Der Ausgang ist hierzu vorzugsweise als Radialbohrung ausgeführt. In Normalstellung des Ventilelementes ist somit eine optimale Wirkung der Ringnut sichergestellt.
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Sofern die Ringnut innenumfangseitig am Ventilgehäuse ausgebildet und somit unabhängig von einer axialen Lageveränderung des axial verschiebbaren Ventilelements ist, ist sie vorzugsweise an einem dem Federraum zugewandten Ende des wenigstens einen Ausgangs des Ventilgehäuses angeordnet. Der Ausgang ist wiederum bevorzugt als Radialbohrung ausgeführt. Bei einer entsprechenden Anordnung der Ringnut ist eine ständige Verbindung der Ringnut mit dem wenigstens einen Ausgang gegeben. Auf diese Weise wird eine besonders effektive Reduzierung der Leckagemenge erreicht.
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Das alternativ oder ergänzend zur Vermeidung einer Überfüllung des Federraums vorgesehene Rückschlagventil, über welches der Federraum mit dem Niederdruckbereich verbindbar ist, ist bevorzugt derart ausgebildet, dass es einerseits ein Rückströmen von Kraftstoff in den Federraum verhindert oder zumindest erschwert, andererseits den Abfluss von Kraftstoff aus dem Federraum ermöglicht, um die erforderliche Entlastung des Federraums sicherzustellen. Denn der Anschluss des Federraums an den Niederdruckbereich zur Entlastung des Federraums wird vorliegend über die Entlastungsbohrung realisiert. Bei Anordnung des Rückschlagventils im Bereich des Anschlusses an den Niederdruckbereich muss demzufolge weiterhin die erforderliche Entlastung über die Entlastungsbohrung gewährleistet sein.
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Vorzugsweise ist das Rückschlagventil stromabwärts einer in der Entlastungsbohrung ausgebildeten Drossel angeordnet. Die Drossel bewirkt eine Verzögerung des Kraftstoffabflusses aus dem Federraum, so dass stets eine gewisse Kraftstoffmenge im Federraum vorhanden ist, über welche eine Mindestdämpfungswirkung erzielbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Rückschlagventil als Klappenfeder ausgeführt ist. Bei der Klappenfeder handelt es sich um einen Federring mit wenigstens einer angelenkten Klappe, welche die Entlastungsbohrung in Abhängigkeit von den herrschenden Druckverhältnissen freigibt oder zumindest teilweise versperrt. Ein solcher Federring ist nicht nur einfach und kostengünstig herzustellen, sondern ferner leicht zu montieren. Beispielsweise kann der Federring auf der Höhe der Entlastungsbohrung außenumfangseitig auf das Ventilgehäuse aufgeschoben werden. Um eine axiale Lageveränderung des Federrings zu verhindern, kann außenumfangseitig im Ventilgehäuse auf der Höhe der Entlastungsbohrung eine Ringnut ausgebildet sein, in welche der Federring eingesetzt wird.
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Bei Vorsehen eines vorzugsweise als Klappenfeder ausgeführten Rückschlagventils kann die Entlastungsbohrung größer dimensioniert werden. Durch diese Maßnahme wird die erforderliche Entlastung des Federraums verbessert. Mit einer Durchmesseraufweitung der Entlastungsbohrung geht ferner eine Vergrößerung der Druckfläche der Klappe der Klappenfeder einher, was sich ebenfalls als vorteilhaft darstellt. Ferner kann der Drosselquerschnitt einer in der Entlastungsbohrung ausgebildeten Drossel vergrößert werden.
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Das vorzugsweise als Klappenfeder ausgeführte Rückschlagventil, das weiterhin vorzugsweise stromabwärts einer in der Entlastungsbohrung ausgebildeten Drossel eingesetzt ist, führt zu einem hydraulisch unsymmetrischen Verhalten. In der Folge wird die Fähigkeit des Überströmventils zu einer dynamischen Volumenkompensation bei hohen Frequenzen verbessert und damit einhergehend die Pulsationsbelastung des Niederdruckbereichs auf ein Minimum reduziert.
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Die vorstehend genannten Vorteile eines erfindungsgemäßen Überströmventils kommen insbesondere bei Einsatz des Ventils in einem Kraftstoffeinspritzsystem zum Tragen. Daher wird ferner ein Kraftstoffeinspritzsystem zur Einspritzung von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Überströmventil zur Druckregelung und/oder Druckbegrenzung vorgeschlagen. Bei dem Kraftstoffeinspritzsystem handelt es sich vorzugsweise um ein Common-Rail-Einspritzsystem, umfassend eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Kraftstoff auf Hochdruck. Das Überströmventil ist in diesem Fall bevorzugt in eine Gehäusebohrung der Hochdruckpumpe eingesetzt, insbesondere eingeschraubt oder eingepresst, so dass am Ventilelement des Ventils Zulaufdruck anliegt. Alternativ kann das Überströmventil als separates Bauteil nahe der Hochdruckpumpe angeordnet sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Überströmventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
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2 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Überströmventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
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3 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Überströmventil gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
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4 einen vergrößerten Ausschnitt der 3 im Bereich der Entlastungsbohrung und
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5 eine perspektivische Darstellung einer Klappenfeder.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die 1 bis 3 stellen bevorzugte Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Überströmventils dar. Jedes dieser Überströmventile umfasst ein zylinderförmiges Ventilgehäuse 1, in das ein axial verschiebbares, kolbenförmiges Ventilelement 4 derart aufgenommen ist, das es über einen Führungsbereich des Ventilgehäuses 1 axial geführt ist. Das Ventilgehäuse 1 bildet jeweils stirnseitig einen Eingang 2 aus, der mit einem Zulaufbereich einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe verbindbar ist. Ferner weist das Ventilgehäuse 1 als Ausgänge 3 dienende Radialbohrungen mit kreisrundem oder einem beliebig anderen Querschnitt auf, über welche eine überschüssige Kraftstoffmenge aus dem Zulaufbereich einem Niederdruckbereich 8 zuführbar ist, wenn aufgrund einer axialen Verschiebung des Ventilelements 4 (ausgehend von der in den 1 bis 3 dargestellten Normalstellung des Ventilelements 4) eine Verbindung des Eingangs 2 mit den Ausgängen 3 hergestellt ist. Die axiale Verschiebung des Ventilelements 4 wird über einen Druckanstieg im Zulaufbereich bewirkt, so dass das Ventilelement 4 von einer hydraulischen Druckkraft beaufschlagt wird, die größer als die Federkraft einer am Ventilelement 4 abgestützten Feder 5 ist, welche das Ventilelement 4 in Richtung des Eingangs 2 beaufschlagt.
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Die Feder 5 ist in einem Federraum 6 aufgenommen, der über wenigstens eine Entlastungsbohrung 7 an den Niederdruckbereich 8 angeschlossen ist. Aufgrund eines Druckgefälles zwischen Zulaufdruck und dem Druck im Niederdruckbereich 8 wird der Federraum 6 im Wege der Leckage am Ventilelement 4 vorbei mit Kraftstoff befüllt. Die Entlastungsbohrung 7 stellt sicher, dass der im Wege der Leckage in den Federraum 6 gelangende Kraftstoff zurück in den Niederdruckbereich 8 geführt wird und das Überströmventil zur Regelung und/oder Begrenzung des Zulaufdrucks weiterhin öffnen kann. Um ferner über den im Federraum 6 vorhandenen Kraftstoff eine Dämpfungswirkung zu erzielen, welche ein Überschwingen des Ventilelements 4 bei plötzlich auftretenden Druckspitzen verhindern soll, erfolgt die Rückführung des Kraftstoffs in den Niederdruckbereich 8 gedrosselt. In der Entlastungsbohrung 7 ist hierzu eine Drossel 12 ausgebildet. Die Drossel 12 vermag jedoch nicht zu verhindern, dass unter dynamischen, d. h. nicht-stationären Randbedingungen, während Unterdruck im Federraum 6 herrscht, Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich 8 zurück in den Federraum 6 gelangt. In diesem Fall wird der Federraum 6 einerseits mit Kraftstoff über die Entlastungsbohrung 7 und andererseits im Wege der Leckage am Ventilelement 4 vorbei mit Kraftstoff befüllt, so dass die Gefahr einer Überfüllung des Federraums 6 besteht. Die in den 1 bis 3 dargestellten erfindungsgemäßen Überströmventile weisen daher jeweils Mittel 9 zur Vermeidung einer Überfüllung des Federraums 6 mit Kraftstoff auf.
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Bei der Ausführungsform gemäß der 1 umfassen die Mittel 9 zur Vermeidung einer Überfüllung des Federraums 6 eine in das Ventilgehäuse 1 des Überströmventils integrierte Ringnut 10. Die Ringnut 10 ist innenumfangseitig im Mündungsbereich der als Ausgänge 3 dienenden Radialbohrungen angeordnet, so dass sie in Verbindung mit den Ausgängen 3 steht und die Ausgänge 3 in Richtung des Federraums 6 erweitert. Über die Ringnut 10 wird zumindest ein Teil der Leckagemenge den Ausgängen 3 zugeführt. Dadurch sinken der Druck innerhalb der Ringnut 10 und damit das Druckgefälle, so dass die Leckage in den Federraum 6 verringert wird.
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Bei der Ausführungsform gemäß der 2 umfassen die Mittel 9 zur Vermeidung einer Überfüllung des Federraums 6 eine Ringnut 10', die im Unterschied zur Ausführungsform der 1 nicht in den Ventilkörper 1, sondern in das Ventilelement 4 integriert ist. Die Anordnung der Ringnut 10' erfolgt außenumfangseitig am Ventilelement 4, wobei die axiale Lage der Ringnut 10' derart gewählt ist, dass sie in Normalstellung des Ventilelements 4 (wie in der 2 dargestellt) mit den Ausgängen 3 verbunden ist. Die Wirkungsweise der Ringnut 10' entspricht somit weitgehend der Wirkungsweise der Ringnut 10 der Ausführungsform der 1, so dass hierauf verwiesen wird. Die Ringnuten 10 und 10' reduzieren die in den Federraum 6 gelangende Leckagemenge und verhindern auf diese Weise eine Überfüllung des Federraums 6.
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Bei der Ausführungsform gemäß der 3 wird eine Überfüllung des Federraums 6 durch ein als Klappenventil ausgeführtes Rückschlagventil 11 vermieden, das verhindert, dass Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich 8 zurück in den Federraum 6 gelangt. Die Klappenfeder weist hierzu wenigstens eine Klappe 13 auf, die derart angelenkt ist, dass sie in Entlastungsrichtung die Entlastungsbohrung 7 bei Druckbeaufschlagung freigibt, in entgegengesetzter Richtung die Entlastungsbohrung 7 jedoch versperrt (S. 5). Die Anzahl der Klappen 13 ist entsprechend der Anzahl der Entlastungsbohrungen 7 zu wählen.
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In der 4 ist eine Entlastungsbohrung 7 der Ausführungsform der 3 vergrößert dargestellt. Die als Entlastungsbohrung 7 dienende Radialbohrung ist als Stufenbohrung ausgeführt, wobei der Bereich mit reduziertem Durchmesser als Drossel 12 dient. Die Entlastungsbohrung 7 mündet in eine Ringnut 14, die außenumfangseitig im Ventilkörper 1 zur Aufnahme der Klappenfeder ausgebildet ist. Die Ausgestaltung der Klappenfeder ist der 5 zu entnehmen.
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Die in den 1 bis 5 dargestellten Mittel 9 zur Vermeidung einer Überfüllung des Federraums 6 können einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Insbesondere kann das in den 3 bis 5 dargestellte Rückschlagventil 11 nicht nur in Kombination mit einer in das Ventilglied 4 integrierten Ringnut 10' (wie in der 3 dargestellt), sondern ferner in Kombination mit einer in das Ventilgehäuse 1 integrierten Ringnut 10 eingesetzt werden.
