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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckregelventil für einen Hochdruckspeicher, sowie einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher mit einem Druckregelventil.
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Stand der Technik
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Bei modernen Diesel- und Benzinmotoren werden heute sogenannte Speicher-Einspritz-Systeme verwendet, bei denen Kraftstoff von einer Hochdruckpumpe in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher gefördert wird und aus diesem Speicher über Injektoren in die Brennräume des Verbrennungsmotors eindosiert wird. Für die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum des Verbrennungsmotors wird der Kraftstoff von der Hochdruckpumpe auf bis zu 300 bar (Benzinmotor) bzw. 2500 bar (Dieselmotor) verdichtet. Die Regelung des Drucks kann dabei über einen Drucksensor und ein Druckregelventil erfolgen, die jeweils am Hochdruck-Speicher montiert sind. Ein solcher Kraftstoff-Hochdruckspeicher ist aus der
DE 10 2008 040 901 bekannt. Dabei sind das Druckregelventil und der Drucksensor am Kraftstoff-Hochdruckspeicher räumlich getrennt angeordnet.
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Bei den bislang bekannten Konzepten für Speicher-Einspritz-Systeme werden zwei gesonderte Komponenten für die Erfassung des Drucks (Drucksensor) und für die Steuerung des Drucks (Druckregelventil) im Hochdruckspeicher verwendet. Bei den aktuell verwendeten Druckregelventilen scheitert eine Integration des Drucksensors in das Druckregelventil daran, dass im Druckregelventil nur extrem wenig Bauraum zur Verfügung steht und dass der Druck an vielen Stellen des Druckregelventils vom Druck im Hochdruckspeicher durch Drosseleffekte deutlich abweicht. Daher kommt in bestehenden Druckregelventilen nur eine Positionierung eines Drucksensors an der Schnittstelle zwischen Druckregelventil und Hochdruckspeicher in Frage, was jedoch aus Gründen des Bauraums ausscheidet. Zusätzlich kommt es durch das Abströmend es Kraftstoffs über den Ventilsitz des Druckregelventils zu einer extremen Erwärmung der Komponenten. Ein dort befindlicher Drucksensor wäre damit großen Temperaturbelastungen ausgesetzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Druckregelventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet demgegenüber den Vorteil, dass das Druckregelventil druckausgeglichen ist, d.h. sich die hydraulischen Kräfte, welche auf das Schließglied einwirken, aufheben. Dadurch ist eine besonders schnelle und genaue Ansteuerung des Schließglieds möglich. Ferner ist eine besonders genaue Messung des Drucks möglich, da die Messung nicht durch hydraulische Kräfte auf das Schließglied gestört wird. Das erfindungsgemäße Druckregelventil umfasst dabei weniger Bauteile als die Summe der Bauteile aus bekannten Systemen mit Druckregelventil und getrenntem Drucksensor, kann kostengünstiger hergestellt werden und lässt sich einfacher montieren.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Druckregelventils möglich.
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Eine erste vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Schließglied als Hohlnadel ausgeführt ist, wobei die Hohlnadel eine direkt oder indirekte fluidische Anbindung zu einem Drucksensor hat. Durch die Ausführung als Hohlnadel wird das Gewicht des Schließgliedes reduziert, wodurch ein schnelleres Öffnen und Schließen des Schließglieds möglich ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Hohlnadel eine fluidische Anbindung zum Drucksensor hat. Dadurch kann ein Druck im Hochdruckspeicher direkt in Wirkkontakt mit dem Drucksensor treten, so dass eine genaue Messung des Drucks möglich ist. Zudem kommt es beim Durchströmen der Hohlnadel nicht zu einer starken Drosselung des Fluiddrucks und einer damit verbundenen Erwärmung des Fluids. Somit ist der Drucksensor keinen fluidbedingten thermischen Einflüssen unterworfen, wodurch eine genaue Messung des Drucks möglich ist.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn ein Röhrchen in das dem Ventilsitz abgewandte Ende des Schließglieds eingesetzt ist, wobei die Hohlnadel gegenüber dem Röhrchen verschiebbar ist und das Röhrchen eine fluidische Verbindung von der Hohlnadel zum Drucksensor aufweist. Durch ein ortsfestes Röhrchen kann der Druck des Fluids auf den Drucksensor übertragen werden, ohne dass das Röhrchen selbst weitere Kräfte auf den Drucksensor ausübt. Dadurch ist eine einfache und genaue Druckmessung möglich. Ganz besonders vorteilhaft ist dabei, wenn das Röhrchen einen Außendurchmesser aufweist, der minimal kleiner als ein Innendurchmesser einer Führung der Hohlnadel ist, so dass das Röhrchen an seinem Außendurchmesser an der Führung der Hohlnadel geführt ist, und bis ein einen Leckagestrom kein Fluid zwischen dem Röhrchen und der Hohlnadel austritt. Dadurch bleibt der Druckverlust entlang des Fluidpfades durch die Hohlnadel und das Röhrchen hin zum Drucksensor möglichst gering.
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Gehäuse des Druckregelventils von einem Deckel verschließbar ist. Ein Deckel bietet beispielsweise eine relativ einfache Aufnahme für den Drucksensor. Besonders Vorteilhaft ist dabei, wenn der Deckel eine Aussparung zur Aufnahme eines Drucksensors aufweist. Die Aussparung ist dabei so groß, dass sich einerseits die Hülse oder das Röhrchen an der Strebe abstützen kann, andererseits genügend Platz für den Drucksensor vorhanden ist. Dadurch wird eine gute Positionierung und Fixierung des Drucksensors möglich, so dass das Drucksignal sicher auf den Drucksensor übertragen werden kann.
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Eine zusätzliche vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass das Röhrchen von einer Dichtkappe zumindest teilweise ummantelt ist, wobei eine Feder, welche zwischen der Dichtkappe und dem Magnetanker angeordnet ist, die Dichtkappe gegen den Deckel drückt. Durch die Dichtkappe wird sichergestellt, dass zwischen das unter Hochdruck stehende Fluid nicht zwischen Röhrchen und Deckel austritt. Dazu ist beispielsweise eine Beißkante an der Dichtkappe oder am Deckel vorgesehen. Durch die Feder wird die Dichtkappe gegen den Deckel gedrückt, so dass stets eine Kraft in Richtung des Deckels auf die Dichkappe wirkt, was die Dichtwirkung verbessert.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Stirnseite des Schließglieds von einer Kappe ummantelt ist. Durch die Kappe erfolgt eine weitestgehende hydraulische Abdichtung der Hohlnadel, wobei nur eine geringe Leckagemenge zwischen der Kappe und der Hohlnadel austritt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn das dem Ventilsitz abgewandte Ende des Schließglieds in der Kappe geführt ist. Dadurch ist ein kleiner Spalt und eine entsprechend geringe Führungsleckage gewährleistet, ferner wird so ein Verkanten oder Verklemmen der Hohlnadel gegenüber der Kappe verhindert. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen der Stirnseite der Hohlnadel und der Stirnseite der Kappe ein Hohlraum ausgebildet ist, welcher hydraulisch über die Hohlnadel mit Hochdruck beaufschlagt ist. Zum einen kann so auf einfache Weise die Stirnfläche der Hohlnadel mit Hochdruck beaufschlagt werden, was eine Voraussetzung für ein druckausgeglichenes Druckregelventil ist. Zum anderen bietet der Hohlraum eine einfache Möglichkeit, um einen Bewegungsraum für das Schließglied bereitzustellen und ggf. einen Hubanschlag zu realisieren.
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Kappe einen Steg aufweist, wobei sich der Steg unter hydraulischen Druck im Hohlraum verformt, wobei der Steg gegen den Drucksensor drückt. Besonders einfach ist eine solche Lösung zu realisieren, wenn der Deckel eine Aussparung zur Aufnahme eines Drucksensors aufweist. Durch einen elastischen Steg ist ein besonders einfache und kostengünstige Übertragung eines Drucksignals möglich. Zudem ist der Drucksensor durch eine solche Lösung im „trockenen“ Bereich des Ventils und hat keinen Kontakt mit dem Fluid. Somit ist eine zusätzliche Abdichtung des Drucksensors nicht notwendig, bzw. kann ein kostengünstiger Drucksensor verwendet werden.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Kappe einen Dom aufweist, welcher auf dem Steg angeordnet ist, wobei der Dom die Aussparung im Deckel durchdringt und auf den Drucksensor einwirkt. Über den Dom kann eine sichere Kraftübertragung der Druckkraft aus dem Hohlraum der Kappe auf den Drucksensor erreicht werden. Durch den Dom kann der Deckel in einer entsprechend starken Materialstärke ausgeführt werden, wodurch die Haltbarkeit des Deckels verbessert wird.
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Für einige Anwendungsfälle kann es vorteilhaft sein, wenn die Kappe aus einem elastischen Material, insbesondere einem Polymer, hergestellt ist, welches sich bei gleichem Druck deutlich stärker zusammendrücken lässt als das Schließglied. Dadurch kann eine sichere Abdichtung an dem dem Ventilsitz abgewandten Ende des Schließglieds erreicht werden, wobei das Schließglied gegenüber dem Ventilsitz beweglich bleibt.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckregelventils mit einem integrierten Drucksensor.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckregelventils mit einem integrierten Drucksensor.
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3 zeigt ein Variation des in 2 beschriebenen Druckregelventils mit integriertem Drucksensor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein Hochdruckspeicher 1 mit einem erfindungsgemäßen Druckregelventil 10 offenbart. Der Hochdruckspeicher weist ein Gehäuse 2 auf, welches einen Fluidraum 3 umgibt. An dem Gehäuse 2 ist an einer Stirnseite 7 eine Öffnung 6 ausgebildet, in die ein erfindungsgemäßes Druckregelventil 10 eingeschraubt werden kann. Das Gehäuse 2 weist ferner eine Öffnung 4 auf, an welche eine Rücklaufleitung 99 angeschlossen ist. In der Öffnung 6 ist ein Gewinde 9 ausgebildet, in welches ein korrespondierendes Gewinde 19 an dem Druckregelventil eingeschraubt werden kann.
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Das Druckregelventil 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in welches ein Ventilsitz 20 eingesetzt ist. Der Ventilsitz 20 weist dabei eine Beißkante auf, mit der der Ventilsitz gegen das Gehäuse 2 des Hochdruckspeichers 1 gedrückt wird und somit eine fluidische Abdichtung erreicht wird. Dem Ventilsitz 20 ist in Strömungsrichtung eines Fluids durch das Druckregelventil 10 ein Sieb 25 vorgeschaltet, welches Partikel und sonstige Verschmutzungen im Fluid von dem Ventilsitz, insbesondere von einer Sitzkante 26 im Ventilsitz 20, fernhalten soll. Der Ventilsitz 20 steht in Wirkverbindung mit einem Schließglied 30, welches an der Sitzkante 26 am Ventilsitz 20 aufliegt und eine hydraulische Verbindung vom Fluidraum 3 des Hochdruckspeichers 1 zur Rücklaufleitung 99 unterbindet. Das Schließglied 30 ist als Hohlnadel 31 ausgebildet. In einen von Ventilsitz 20 abgewandten Endbereich 39 des Schließgliedes 30 ist in die Hohlnadel 31 ein Röhrchen 54 eingesetzt. Dabei ist die Hohlnadel 31 beweglich, während das Röhrchen ortsfest angeordnet ist. An dem Ventilsitz 20 ist eine Führung 21 für das Schließglied 30 ausgebildet. Dadurch wird ein Verkippen des Schließglieds 30 vermieden und eine sichere Abdichtung an der Sitzkante 26 erreicht. Am Gehäuse 12 des Druckregelventils 10 ist ein Gewinde 19 ausgebildet, welches in das Gewinde 9 der Öffnung 6 des Hochdruckspeichers 1 eingeschraubt werden kann. Ferner ist an dem Gehäuse 12 ein Öffnung 15 ausgebildet, über welche ein Fluid, welches in geöffnetem Zustand des Druckregelventils 10 durch den Ventilsitz 20 strömt, über die Öffnung 4 im Gehäuse 2 in die Rücklaufleitung strömen kann. Am Außendurchmesser 72 des Röhrchens 54 ist eine Mentalfläche ausgebildet, welche zusammen mit einem Innendurchmesser der Hohlnadel 31 als Führung 71 wirkt. Dabei ist der Spalt zwischen dem Röhrchen 54 und der Hohlnadel 31 im Bereich der Führung nur so klein, dass bis auf einen Führungsleckage kein Fluid nach außen dringt und der Druck weitestgehend aufrecht erhalten bleibt. Über eine Variation der Führungslänge und des Führungsdurchmessers kann diese Führungsleckage eingestellt werden. Dabei führen längere Führungslängen und kleinere Durchmesser zu einer geringeren Führungsleckage.
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Eine dem Ventilsitz abgewandte Seite des Gehäuses 12 des Druckregelventils 10 ist durch einen Deckel 17 verschlossen. Dabei weist der Deckel 17 eine Öffnung auf, durch welche in Verlängerung des Röhrchens das Fluid aus dem Fluidraum 3 auf einen Drucksensor 40 wirken kann. Dabei sind die Innendurchmesser der Hohlnadel 31, des Röhrchens 54 und der Öffnung so ausgeführt, dass entlang dieses Strömungspfades keine signifikante Drosselung auftritt. Somit entspricht der Druck am Drucksensor 40 in etwa dem Druck im Fluidraum 3 des Hochdruckspeichers 1.
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Das Röhrchen 54 stützt sich an dem Deckel 17 ab. Dabei ist das Röhrchen 54 zumindest teilweise von einer Dichtkappe 52 ummantelt. Die Dichtkappe 52 wird von einer Feder 51, welche zwischen der Dichtkappe 52 und einem Magnetanker 42 zur Betätigung des Schließgliedes 30 angeordnet ist, gegen den Deckel 17 gedrückt. Somit wird an der Kontaktfläche zwischen Dichtkappe 52 und Deckel 17 eine Abdichtung, beispielsweise mittels einer Beißkante, erreicht. Zwischen der Dichtkappe 52 und der Stirnseite 38 des Schließgliedes ist zumindest bei geschlossenem Druckregelventil 10 ein Ringspalt vorhanden, der eine Beaufschlagung der Stirnseite 38 des Schließgliedes 30 mit Hochdruck ermöglicht. Dabei sind die fluidbeaufschlagten Wirkflächen an der umlaufenden Sitzkante 26 und an der Stirnseite 38 weitestgehend gleich groß, so dass das Schließglied 30 druckausgeglichen ist. Unter weitestgehend gleich groß versteht man in diesem Zusammenhang eine Druckdifferenz von maximal… (Hinweis notwendig, um den Begriff „weitestgehend gleich groß“ zu definieren).
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An einem dem Hochdruckspeicher abgewandten Ende des Druckregelventils 10 ist ein Kontaktierungselement 50 angeordnet, an dem eine Öffnung 53 ausgebildet ist, in der ein elektrischer Kontaktstift 56 angeordnet ist. Über den elektrischen Kontaktstift 56 können sowohl der Drucksensor 40 als auch ein Magnetaktor 45 zur Betätigung des Schließglieds 30 elektrisch kontaktiert werden.
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Zum Öffnen und Schließen des Schließglieds 30 ist am Schließglied 30 der Magnetanker 42 angeordnet, welcher über den Magnetaktor 45 angezogen werden kann. Ferner ist zwischen dem Magnetanker 42 und dem Ventilsitz 20 eine Feder 33 angeordnet, welche den mit dem Schließglied 30 verbundenen Magnetanker 42 entgegen der Kraft des Magnetaktors 45 wieder in die Ausgangslage zurückstellt. Zwischen dem Magnetaktor 45 und dem Magnetanker 42 ist ein Dichtelement 44, beispielsweise ein O-Ring angeordnet, um einen Austritt des Fluids zu vermeiden.
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Im Ausgangszustand ist das Druckregelventil 10 über den elektrischen Kontaktstift 53 bestromt, wobei eine Magnetkraft durch den Magnetaktor 45 erzeugt wird. Durch die Magnetkraft wird das Schließglied 30 mit der Sitzkante 26 gegen den Ventilsitz 20 gedrückt, so dass eine fluidische Verbindung über den Ventilsitz und die Öffnungen 15 im Druckregelventil 10 und 4 im Hochdruckspeicher mit der Rücklaufleitung 99 unterbrochen ist. Ist das Druckregelventil 10 wie beschrieben als druckausgeglichenes Ventil ausgeführt, muss nur die Federkraft der Feder 33 überwunden werden, um das Schließglied 30 aus dem Ventilsitz 20 abzuheben. Somit sind nur geringe Magnetkräfte durch den Magnetaktor 45 notwendig, was den Energieverbrauch des Druckregelventils 10 senkt. Wird die Bestromung des Magnetaktors 45 unterbrochen, so drückt die Feder 33 den Magnetanker 42 in Richtung weg vom Ventilsitz 20 und öffnet somit das Druckregelventil, wodurch die beschriebene fluidische Verbindung geöffnet es und ein Druckabbau im Hochdruckspeicher ermöglicht wird.
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Auf der dem Schließglied 30 abgewandten Seite des Deckels 17 ist in dem Kontaktierungselement 50 hinreichend Platz vorhanden, um sowohl den Drucksensor 40 als auch eine nicht dargestellt Auswerteeinheit unterzubringen. Alternativ kann vom Drucksensor auch eine Signalleitung zu einem zentralen Steuergerät geführt werden. Eine weitere alternative Möglichkeit besteht darin, dass eine Membran zwischen dem Röhrchen 54 und dem Drucksensor 40 angeordnet ist, welche den Druck auf den Drucksensor 40 überträgt. Alternativ kann auch in dem Deckel 17 eine Verdünnung vorgesehen sein, die sich unter Druck hinreichend verformt, um ein Drucksignal an den Drucksensor 40 zu übertragen. In allen Ausführungsbeispielen befindet sich der Drucksensor 40 ausreichend weit vom Ventilsitz 20 entfernt, so dass es nicht durch die Drosselung des durch den Ventilsitz abströmenden Fluids und die damit verbundene Erwärmung des Fluids beeinflusst wird.
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In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckregelventils 10 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde auf einer erneute Darstellung des Hochdruckspeichers 1 verzichtet. Des Weiteren wird im Folgenden nur auf die Unterschiede gegenüber der Ausführung gemäß 1 eingegangen.
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Das Schließglied 30 ist dabei an seinem dem Ventilsitz 20 abgewandten Ende 39 durch die Kappe 37 weitestgehend verschlossen. Dabei wird die Kappe 37 durch die Feder 51 gegen den Deckel 17 gedrückt. Die Kappe 37 ist mit ihrem Innendurchmesser dabei an einer Mantelfläche des Schließgliedes 30 geführt, so dass nur ein kleiner Spalt und eine entsprechend geringe Führungsleckage auftritt. Durch die Ausgestaltung der Durchmesser und der Führungsleckage kann wiederum die Leckagemenge beeinflusst werden. Zwischen der Kappe 37 und der Stirnseite 38 der Hohlnadel 31 ist ein Hohlraum 61 ausgebildet, welcher über die Hohlnadel 31 mit dem Fluidraum 3 im Hochdruckspeicher 1 verbindbar ist.
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Die Stirnseite 38 der Hohlnadel 31 weist dabei eine fluidbeaufschlagte Wirkfläche auf, die weitestgehend gleich groß der fluidbeaufschlagten Wirkfläche an der Sitzkante 26 am Ventilsitz 20 ist, so dass das Druckregelventil 10 auch in diesem Ausführungsbeispiel druckausgeglichen ist. Die Kappe 37 umfasst einen Steg 63, welcher sich bei Druckbeaufschlagung des Hohlraums 61 verformt. Der Deckel 17 weist eine Aussparung 18 auf, in welcher ein Drucksensor 40 aufgenommen werden kann. Verformt sich der Steg 63 unter dem Einfluss eines unter Druck stehenden Fluids im Hohlraum 61, so drückt der Steg 63 gegen den Drucksensor 40, wodurch der Druck im Hochdruckspeicher 1 erfasst werden kann. Dabei dient die Kappe 37 als Abdichtung des Fluidbereichs, wobei außerhalb des Stegs 63 liegende Kontaktflächen eine hydraulisch dichte Abdichtung zwischen der Kappe 37 und dem Deckel 17 ermöglichen. Der Drucksensor 40 hat in diesem Ausführungsbeispiel keinen Kontakt mit dem Fluid, wodurch eine zusätzliche Abdichtung oder Isolierung des Drucksensors 40 nicht notwendig ist.
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3 zeigt eine Variation des Ausführungsbeispiels gemäß 2. Die Kappe 37 weist zusätzlich zu dem Steg 63 noch einen Dom 62 auf, welcher durch die Aussparung 18 in dem Deckel 17 nach Außen geführt wird. Dadurch ist ein dickerer Deckel möglich, was die Robustheit des Druckregelventils 10 erhöht. Wird der Hohlraum 61 mit Druck beaufschlag, so verformt sich wiederum der Steg 63 und drückt dabei den Dom 62 gegen den Drucksensor 40.
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Obwohl die Ausführungsbeispiele als sogenannte „stromlos offene“ Druckregelventile 10 dargestellt sind, d.h. Druckregelventile 10, bei denen das Schließglied 30 vom Ventilsitz 20 abhebt, wenn die Bestromung des Magnetaktors 45 unterbrochen wird, so ist die Erfindung nicht auf solche Druckregelventile begrenzt. Durch bekannte Art und Weise können durch ein einfaches Umordnen von Feder und Magnetanker die betreffenden Druckregelventil auch als sogenannte „stromlos geschlossene“ Druckregelventile ausgeführt werden, bei denen das Schließglied durch die Feder in den Ventilsitz gedrückt wird und durch ein Bestromen des Magnetaktors und einen damit verbundenen Anzug des Magnetankers das Schließglied aus dem Ventilsitz gehoben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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