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Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch bestätigbares Proportionalventil zur Steuerung des Durchflusses eines Arbeitsmediums mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Arbeitsmedium kann es sich sowohl um eine Flüssigkeit als auch ein Gas handeln.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 199 43 066 A1 ist ein elektromagnetisch betätigbares, hydraulisches Proportionalventil bekannt, das ein Magnetteil und ein Ventilteil umfasst. Das Magnetteil weist eine elektrisch ansteuerbare Spule, einen in das Innere der Spule hineinragenden, ortfesten Kern und einen von der Spule beaufschlagten, verschiebbar geführten Anker zur Kopplung mit einem axial verstellbaren Schließglied auf. Die Kopplung erfolgt vorzugsweise über einen Stößel. Das axial verstellbare Schließglied ist zumindest abschnittsweise kegelförmig ausgeführt und bildet zusammen mit einem Ventilsitz ein Kegelsitzventil aus. Der Ventilsitz wird durch eine in eine Bohrung des Ventilteils eingesetzte Lochblende gebildet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil anzugeben, das hinsichtlich seiner Dichtigkeit sehr hohen Anforderungen genügt. Ferner soll eine hohe Stellgenauigkeit hinsichtlich der Durchflussmenge erreicht werden.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das elektromagnetisch betätigbare Proportionalventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das zur Steuerung des Durchflusses eines Arbeitsmediums vorgeschlagene elektromagnetisch betätigbare Proportionalventil umfasst einen Ventilkörper mit einer Bohrung, in der zumindest abschnittsweise ein Ventilglied aufgenommen ist, das eine mit einem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtfläche besitzt. Zur Verbindung eines Zulaufs mit einem Ablauf ist das Ventilglied axial verstellbar. Erfindungsgemäß ist das Ventilglied über die Federkraft einer Feder gegen den Ventilsitz axial vorgespannt. Die Federkraft der Feder bewirkt eine Dichtkraft, welche die Dichtigkeit des Proportionalventils erhöht. Die Dichtkraft kann weiter gesteigert werden, wenn an einer der Dichtfläche abgewandten Fläche des Ventilgliedes ein hydraulischer oder pneumatischer Druck anliegt, der eine Schließkraft auf das Ventilglied ausübt. In diesem Fall addieren sich die jeweiligen Kräfte.
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Bevorzugt ist die Feder zur axialen Vorspannung des Ventilgliedes gegen den Ventilsitz in der Bohrung des Ventilkörpers angeordnet, in der auch das Ventilglied zumindest abschnittsweise aufgenommen ist. Ein Ende der Feder kann somit unmittelbar an dem Ventilglied abgestützt sein. Vorzugsweise erfolgt die Abstützung über eine Stirnfläche des Ventilgliedes, die der Dichtfläche abgewandt ist. Des Weiteren bevorzugt ist die Feder über ein Sicherungselement, beispielsweise in Form eines in die Bohrung eingesetzten Rings, an dem das dem Ventilglied abgewandte Ende der Feder abgestützt ist, axial lagefixiert. Vorteilhafterweise ist das Sicherungselement in die Bohrung eingepresst. Denn diese Art der Verbindung mit dem Ventilkörper vereinfacht die Herstellung des Sicherungselements, da beispielsweise die Ausbildung eines Gewindes entfallen kann. Zugleich kann über die Einpresstiefe des Sicherungselements die auf das Ventilglied wirkende axiale Vorspannkraft der Feder eingestellt werden.
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Ferner bevorzugt ist die Feder in einem als Zulauf dienenden Abschnitt der Bohrung des Ventilkörpers angeordnet. An der Stirnfläche des Ventilgliedes, an welcher vorzugsweise die Feder unmittelbar abgestützt ist, liegt somit der Zulaufdruck an. Dieser bewirkt, dass das Ventilglied in Schließrichtung zusätzlich zur Federkraft von einer hydraulischen oder pneumatischen Druckkraft beaufschlagt wird. Dadurch wird die Dichtigkeit im Bereich des Ventilsitzes weiter erhöht.
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An den als Zulauf dienenden Abschnitt der Bohrung schließt sich ein Abschnitt der Bohrung an, der zur Ausbildung des Ventilsitzes vorzugsweise radial und/oder schräg in Bezug auf eine Längsachse A verläuft. Ein radialer Verlauf hat die Ausbildung eines Flachsitzes zur Folge, während ein schräger Verlauf des Absatzes zur Ausbildung eines Kegelsitzes führt. Das heißt, dass der Ventilsitz als Flachsitz oder Kegelsitz ausgeführt sein kann. Die mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtfläche des Ventilgliedes kann entsprechend ausgebildet sein, d. h. einen radialen oder schrägen Verlauf in Bezug auf die Längsachse A aufweisen. Darüber hinaus kann die Dichtfläche auch ballig geformt sein. Der zur Ausbildung des Ventilsitzes führende Absatz ist weiterhin bevorzugt derart orientiert, dass er zu einer Verringerung des Innendurchmessers der Bohrung in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums führt. Die mit dem Ventilsitz zusammenwirkende Dichtfläche des Ventilgliedes muss demnach stromaufwärts des Ventilsitzes am Ventilglied ausgebildet sein. Das heißt, dass das Ventilglied einen die Dichtfläche ausbildenden Abschnitt besitzt, welcher im Bereich des Zulaufes zu liegen kommt. Das heißt ferner, dass das Ventil in den als Zulauf dienenden Bereich der Bohrung öffnet. Das Ventilglied wird auf diese Weise von dem im Zulaufbereich herrschenden Zulaufdruck in Schließrichtung beaufschlagt.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in den Ventilsitz und/oder in die Dichtfläche des Ventilgliedes ein elastisch verformbares Dichtelement eingesetzt ist. Das elastisch verformbare Dichtelement vermag Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen auszugleichen, die beispielsweise zu Fluchtungsfehlern im Bereich des Ventilsitzes und damit zu Undichtigkeiten führen könnten. Insofern trägt das Dichtelement zu einer weiteren Verbesserung der Dichtigkeit des Proportionalventils bei. Bevorzugt ist das elastisch verformbare Dichtelement aus einem elastomeren Material, wie beispielsweise Gummi, insbesondere Moosgummi, hergestellt.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Ventilkörper mindestens eine als Ablauf dienende, radial oder schräg verlaufende Bohrung besitzt, die in die das Ventilglied aufnehmende Bohrung mündet, die hierzu als Axialbohrung ausgebildet ist. Vorzugsweise sind mehrere radial oder schräg verlaufende Bohrungen als Ablauf vorgesehen, die in einer Radialebene und/oder in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet sind. Um bei geöffnetem Ventil eine Verbindung des Zulaufs mit dem Ablauf sicherzustellen, ist ferner bevorzugt an einen die Dichtfläche ausbildenden Abschnitt des Ventilgliedes ein Abschnitt angesetzt, der gegenüber dem Innendurchmesser der Axialbohrung einen deutlich verringerten Außendurchmesser besitzt, so dass dieser Abschnitt des Ventilgliedes von dem Arbeitsmedium umströmt werden kann. Hieran kann sich zur Führung des Ventilgliedes innerhalb der Axialbohrung ein Abschnitt mit einem Außendurchmesser anschließen, der im Wesentlichen dem Innendurchmesser der Bohrung entspricht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt das Ventilglied eine im Wesentlichen hülsenförmige Blende oder ist mit einer im Wesentlichen hülsenförmigen Blende verbunden. Die Blende als Bestandteil des Ventilgliedes ist somit ebenfalls axial verstellbar. Die Blende kann demnach zum Freigeben und Verschließen der mindestens einen als Ablauf dienenden, radial oder schräg verlaufenden Bohrung eingesetzt werden. Das heißt, dass in Abhängigkeit von der axialen Lage der Blende die mindestens eine als Ablauf dienende Bohrung entweder verschlossen oder zumindest teilweise freigegeben ist.
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Die mit dem Ventilglied verbundene Blende führt zur Ausbildung eines Schieberventils, so dass das vorgeschlagene Proportionalventil vorzugsweise eine Kombination aus Sitz- und Schieberventil darstellt. Dies hat den Vorteil, dass neben einer hohen Dichtigkeit ferner eine hohe Einstellgenauigkeit des Durchflusses erreicht wird.
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Bevorzugt ist die im Wesentlichen hülsenförmige Blende als Schlitzblende ausgebildet und besitzt mindestens eine in Überdeckung mit dem Ablauf bringbare mantelseitige Durchbrechung. Der Durchfluss ist in diesem Fall über die Größe, die Form und die axiale Lage der Durchbrechung in Bezug auf die wenigstens eine als Ablauf dienende, radial oder schräg verlaufende Bohrung vorgebbar. Der Mündungsbereich der als Ablauf dienenden Bohrung bzw. Bohrungen bildet dabei eine Steuerkante aus.
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Vorteilhafterweise besitzt die mindestens eine in Überdeckung mit dem Ablauf bringbare Durchbrechung der Blende einen sich in axialer Richtung vergrößernden oder verkleinernden Strömungsquerschnitt. Durch diese Maßnahme sind Durchflusskennlinien darstellbar, die beispielsweise nicht linear verlaufen. Die Durchbrechung kann insbesondere als ein sich in axialer Richtung weitender oder verengender Schlitz ausgebildet sein, so dass sich eine Dreiecks- oder Trapezform der Durchbrechung ergibt. Darüber hinaus ist die Form beliebig wählbar, d. h. sie kann auch zumindest teilweise einen bogenförmigen Verlauf aufweisen. Derartige Formen lassen sich besonders präzise mittels Laserschneiden ausbilden. Die mindestens eine Durchbrechung der Blende ist daher bevorzugt mittels Laserschneiden hergestellt worden.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die elektromagnetische Betätigung des Proportionalventils mittelbar über einen Stößel erfolgt. Über den Stößel ist das Ventilglied mit einer Axialkraft beaufschlagbar, die eine axiale Verstellung des Ventilgliedes bewirkt. Vorzugsweise ist diese Axialkraft der Federkraft der Feder entgegen gesetzt. Das heißt, die elektromagnetische Betätigung zum Öffnen des Sitzventils führt. Ist das Ventilglied zur Ausbildung eines Schieberventils zusätzlich mit einer Blende ausgestattet, kann über die axiale Lage der Blende in Bezug auf mindestens eine als Ablauf dienende Bohrung der Durchfluss eingestellt werden.
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Der Stößel ist weiterhin bevorzugt mit einem hubbeweglichen Anker verbunden, der mit einer Spule eines Elektromagneten zusammenwirkt. Der Anker kann beispielsweise als Tauchanker ausgebildet sein und eine zentrale Bohrung zur zumindest abschnittsweisen Aufnahme des Stößels besitzen. Wird die Spule bestromt, bewegen sich Anker und Stößel in Richtung des Ventilsitzes. Der Stößel hebt dabei das Ventilglied aus dem Ventilsitz. Die Steuerung des Durchflusses des Arbeitsmediums wird in Abhängigkeit vom angelegten Strom bewirkt. Dies gilt insbesondere, wenn das Ventilglied eine Blende umfasst, mittels welcher mindestens eine als Ablauf dienende Bohrung steuerbar ist. Denn der angelegte Strom bestimmt die axiale Lage der Blende und damit den Durchfluss. Zugleich kann über die Blende eine sehr hohe Einstellgenauigkeit erreicht werden.
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Wie eingangs bereits erwähnt ist die Feder zur axialen Vorspannung des Ventilgliedes gegen den Ventilsitz bevorzugt an einer Stirnfläche des Ventilglieds abgestützt, wobei es sich weiterhin bevorzugt um eine der Dichtfläche abgewandte Stirnfläche handelt. Zur radialen Lagefixierung der Feder kann die der Abstützung dienende Stirnfläche gestuft ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Stirnfläche eine zentrale Erhebung besitzen, welche in die Feder, die vorteilhafterweise als Schraubendruckfeder ausgeführt ist, eingreift. Eine Verschiebung der Feder in radialer Richtung ist nicht mehr oder nur noch begrenzt möglich. Somit ist sichergestellt, dass die zur axialen Vorspannung des Ventilgliedes eingesetzte Federkraft, die ferner als Dichtkraft dient, möglichst gleichmäßig auf das Ventilglied übertragen wird.
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Die vorstehend genannten Maßnahmen zur Aus- und Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Proportionalventils kommen – jeweils allein oder in Kombination – insbesondere dann zum Tragen, wenn es sich bei dem Proportionalventil um ein stromlos geschlossenes Ventil handelt. Über die axiale Vorspannkraft der Feder ist dann der Öffnungsdruck des Proportionalventils einstellbar.
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Bevorzugt vereint das erfindungsgemäße Proportionalventil die Funktionen eines Sitzventils und eines Schieberventils, so dass in stromlosem Zustand über die das Sitzventil ausbildenden Bauteile eine Abdichtung mit minimaler Leckage erreichbar ist und in voll bestromtem Zustand über die das Schieberventil ausbildenden Bauteile eine genaue Zumessung des Arbeitsmediums realisierbar ist, die einen vergleichsweise geringen Einsatz von Magnetkraft erfordert. Weiterhin bevorzugt werden dabei zwei Dichtprinzipien kombiniert. In stromlosem Zustand erfolgt die Abdichtung über das Sitzventil, das vorzugsweise durch einen kegelförmigen Ventilsitz und eine kegelförmige Dichtfläche am Ventilglied gebildet wird. Das Sitzventil ist in diesem Fall nicht druckausgeglichen. In voll bestromtem Zustand wird eine Abdichtung über das Schieberventil bewirkt, das vorzugsweise durch die mit dem Ventilglied verbundene hülsenförmige Blende in Verbindung mit deren Führung im Ventilkörper gebildet wird. Das Schieberventil ist druckausgeglichen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
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2 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform und
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3 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportionalventil gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 schematisch dargestellte Proportionalventil, von dem nur der Ventilteil dargestellt ist, umfasst einen Ventilkörper 1 mit einer zentralen Bohrung 2, in welcher ein axial verstellbares Ventilglied 3 aufgenommen ist. Das axial verstellbare Ventilglied 3 weist einen kolbenförmigen sowie einen tellerförmigen Abschnitt auf, wobei letzterer der Ausbildung einer Dichtfläche 5 dient. Die Dichtfläche 5 ist vorliegend kegelförmig ausgeführt und wirkt mit einem ebenfalls kegelförmigen Ventilsitz 4 zusammen, der innerhalb der Bohrung 2 des Ventilkörpers 1 ausgebildet ist. Die Bohrung 2 ist hierzu als Stufenbohrung ausgeführt, wobei die Stufe einen schräg in Bezug auf eine Längsachse A verlaufenden Absatz ausbildet, der als Ventilsitz 4 dient.
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Der Ventilsitz 4 ist einem als Zulauf 6 dienenden Bereich der Bohrung 2 zugewandt, in dem eine Feder 8 zur axialen Vorspannung des Ventilglieds 3 gegen den Ventilsitz 4 angeordnet ist. Die Feder 8 ist hierzu einerseits an einer der Dichtfläche 5 abgewandten Stirnfläche 15 des Ventilglieds 3 und andererseits an einem ringförmigen Sicherungselement 9 abgestützt, das in die Bohrung 2 eingepresst ist. Zur radialen Lagefixierung der Feder 8 ist die Stirnfläche 15 gestuft ausgeführt. Da der die Feder 8 aufnehmende Abschnitt der Bohrung 2 als Zulauf 6 dient, wird das Ventilglied 3 in Richtung des Ventilsitzes 4 nicht nur von der Federkraft der Feder 8 beaufschlagt, sondern ferner über eine hydraulische oder pneumatische Druckkraft, die sich aus dem am Ventilglied 3 anliegenden hydraulischen bzw. pneumatischen Druck ergibt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Dichtigkeit des Proportionalventils aus.
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Neben dem Ventilteil umfasst das Proportionalventil ferner ein Magnetteil, das vorliegend jedoch nicht näher dargestellt ist. Im Magnetteil ist ein Elektromagnet zur Einwirkung auf einen hubbeweglichen Anker aufgenommen, der wiederum mit einem Stößel 14 zur Betätigung des Ventilgliedes 3 verbunden ist. Der Stößel 14 ist hierzu mit dem Ventilglied 3 mechanisch gekoppelt bzw. koppelbar.
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Wird der Elektromagnet bestromt, bewegen sich der Anker und der Stößel 14 in Richtung des Ventilsitzes 4, wobei der Stößel 14 das Ventilglied 3 aus dem Ventilsitz 4 drückt. Das vorliegend als reines Sitzventil ausgebildete Proportionalventil öffnet, so dass eine Verbindung des Zulaufs 6 mit einem Ablauf 7 hergestellt ist, der mehrere radial verlaufende Bohrungen 11 umfasst, die in die Bohrung 2 münden. Da der kolbenförmige Abschnitt des Ventilgliedes 3 im Bereich der Bohrungen 11 einen verringerten Außendurchmesser besitzt, kann das Arbeitsmedium vom Zulauf 6 über den Ventilsitz 4 zum Ablauf 7 strömen. Über den sich hieran anschließenden kolbenförmigen Abschnitt ist das Ventilglied 3 in der Bohrung 2 geführt.
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In der 2 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Proportionalventils dargestellt. Dieses unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass das Ventilglied 3 mit einer im Wesentlichen hülsenförmigen Blende 12 verbunden ist, welche umfangseitig ausgebildete Durchbrechungen 13 besitzt, die in Überdeckung mit den als Ablauf 7 dienenden Bohrungen 11 bringbar sind. Die in die Bohrung 2 mündenden Bohrungen 11 bilden dabei Steuerkanten 16 aus, die den freien Strömungsquerschnitt der Durchbrechungen 13 und demzufolge den Durchfluss bestimmen.
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Das Proportionalventil der 2 ist im Unterschied zu dem der 1 nicht als reines Sitzventil ausgebildet. Es stellt vielmehr eine Kombination aus Schieber- und Sitzventil dar. Dies hat den Vorteil, dass hohe Anforderungen sowohl an die Dichtigkeit als auch an die Stellgenauigkeit erfüllt werden.
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Bei dem Beispiel der 2 wird die Führung des Ventilgliedes 3 in der Bohrung 2 über die Blende 12 bewirkt. Die Blende 12 dient ferner der mechanischen Kopplung mit dem Stößel 14.
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Die Form der Durchbrechungen 13 ist bei der Ausführung gemäß der 2 derart gewählt, dass in Abhängigkeit von der axialen Lage der Blende 12 der Durchfluss variierbar ist und zwar in der Weise, dass eine nicht linear verlaufende Durchflusskennlinie darstellbar ist. Hierzu weisen die Durchbrechungen 13 jeweils eine dreieckige Grundform auf, die in einen schmalen Schlitz übergeht. Die Form der Durchbrechungen 13 kann jedoch grundsätzlich beliebig gewählt werden.
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In der 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Proportionalventils dargestellt. In Weiterbildung der Ausführungsform der 2 ist in den Ventilsitz 4 ein elastisch verformbares Dichtelement 10 eingesetzt, das somit den eigentlichen Ventilsitz 4 ausbildet. Das Dichtelement 10 optimiert den Dichtsitz des Ventilgliedes 3, so dass die Dichtigkeit nochmals verbessert wird.
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Das in der 3 dargestellte Dichtelement 10 kann auch mit der Ausführungsform der 1 kombiniert werden.
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In der 3 ist darüber hinaus die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums mittels der Pfeile 17 dargestellt. Der Pfeil 18 kennzeichnet die Magnetkraft des nicht näher dargestellten Elektromagneten. Die gleichen Kräfte wirken auch bei den in den 1 und 2 dargestellten Proportionalventilen, so dass insoweit die Darstellung der 3 übertragbar ist.
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Proportionalventile der vorstehend beschriebenen Art zur Steuerung des Durchflusses flüssiger oder gasförmiger Medien sind vielseitig einsetzbar, beispielsweise im Bereich der Fahrzeugtechnik zur Mengenreglung von Kraftstoff in einem Kraftstoffeinspritzsystem. Ein hierin eingesetztes Proportionalventil, auch „Zumesseinheit“ genannt, ist in der Regel einem Einlassventil einer Kraftstoffhochdruckpumpe vorgeschaltet, um letztere mit ausreichend Kraftstoff zu versorgen. Bei Nullförderung ist es jedoch wünschenswert, dass kein Kraftstoff in den Arbeitsraum der Kraftstoffhochdruckpumpe gelangt. Da eine Leckage jedoch grundsätzlich nicht vermeidbar ist, kann eine „echte“ Nullförderung nicht garantiert werden.
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Hier schafft das erfindungsgemäße Proportionalventil Abhilfe, da es sehr hohe Anforderungen an die Dichtheit erfüllt und somit eine „echte“ Nullförderung ermöglicht. Dies hat zur Folge, dass ein ggf. ferner vorgesehenes Druckbegrenzungsventil des Kraftstoffeinspritzsystems entfallen kann. Handelt es sich um eine sauggedrosselte Kraftstoffhochdruckpumpe kann alternativ oder ergänzend auf einen Rücklaufanschluss zur Rückführung einer Leckagemenge verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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