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Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine sowie eine Hochdruckpumpe für ein solches Kraftstoffeinspritzsystem, welche eine solche Ventilanordnung aufweist.
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Bei Kraftstoffeinspritzsystemen von Brennkraftmaschinen ist es bekannt, Hochdruckpumpen zu verwenden, die den einzuspritzenden Kraftstoff mit einem hohen Druck beaufschlagen. Der mit einem solchen hohen Druck beaufschlagte Kraftstoff wird dann über Injektoren in Brennräume der Brennkraftmaschine eingespritzt. Der hohe Druck in dem Kraftstoff wirkt sich positiv auf die Emissionswerte der Brennkraftmaschine aus, insbesondere z. B. auf die CO2-Emission. Daher ist es angestrebt, in Brennkraftmaschinen, die Benzin als Kraftstoff verwenden, einen Druck im Bereich von 200 bar–300 bar in dem Kraftstoff zu erzielen, während bei Diesel-Brennkraftmaschinen sogar ein Druckbereich von 2000 bar–3000 bar in dem Kraftstoff angestrebt ist.
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Zum Beaufschlagen des Kraftstoffes mit dem gewünschten Druck weist die Hochdruckpumpe zumeist einen Kolben auf, der das Volumen eines Druckraumes vergrößert und verkleinert und bei der Verkleinerung den Kraftstoff zum Erzielen des gewünschten Druckes in dem Kraftstoff komprimiert. An dem Druckraum sind Ventile angeordnet, einerseits ein Einlassventil, das den Kraftstoff in den Druckraum einlässt, bevor er komprimiert wird, andererseits ein Auslassventil, das den komprimierten Kraftstoff aus dem Druckraum auslässt in eine Leitung, die den Kraftstoff dann beispielsweise über ein Common-Rail zu den Injektoren führt.
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Aufgrund der hohen Drücke, die mit der Hochdruckpumpe zu erzielen sind, sind die Schließelemente der genannten Ventile häufig massiv ausgeführt, beispielsweise als Kugelventil oder als Ventilpilz, um nur zwei mögliche massive Ausführungsformen zu nennen.
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Solche Ventilelemente sind zwar sehr robust gegenüber den herrschenden Drücken in der Hochdruckpumpe, reagieren jedoch relativ langsam auf die auf sie einwirkenden Kräfte.
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Da Hochdruckpumpen häufig im Bereich von mehreren tausend Hüben pro Minute arbeiten, ist es jedoch gewünscht, relativ schnell schaltende Ventile, insbesondere für den Einlass des Kraftstoffes in den Druckraum, zur Verfügung zu stellen, die sich schnell öffnen und schließen können.
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Es ist daher beispielsweise bekannt, statt Kugelventilen oder massiven Pilz-Schließelementen filigrane Ventilblätter zu verwenden, die verformbar sind und durch ihre Verformung das jeweilige Ventil öffnen und schließen können. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in
EP 1 724 467 A1 beschrieben.
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Das in
EP 1 724 467 A1 beschriebene Ventilblatt öffnet und schließt sich aufgrund von Druckdifferenzen im Kraftstoff in einem Druckraum der Hochdruckpumpe. Ist der Druck im Druckraum größer als im zum Druckraum stromaufwärts angeordneten Saugbereich, schließt das Ventilblatt, während es öffnet, wenn der Druck im Saugbereich größer ist als im Druckraum. Um das Ventilblatt gezielt offen zu halten, wird es von einem Ventilschaft auch gegen einen in dem Druckraum höheren Druck als im Saugbereich in die Offenstellung gedrückt, um so die Pumpleistung der Hochdruckpumpe einstellen zu können. Soll die Pumpleistung nicht manuell beeinflusst werden, fährt der Ventilschaft zurück und ist nicht in Kontakt mit dem Ventilblatt, so dass dieses aufgrund des im Druckraum herrschenden Druckes schließen kann.
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Alle bekannten Anordnungen haben den Nachteil, dass ihr Betrieb beim Schalten eine hohe Geräuschentwicklung verursacht.
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DE 10 2011 077 577 B4 beschreibt eine Kraftstoffpumpe für Kraftstoff-Direkteinspritsysteme von Kraftfahrzeugen mit einem Gehäuse und mit einem niederdruckseitigen Einlassventil, das an dem Pumpengehäuse angebracht ist, und das einen beweglichen Verschlusskörper, ein Betätigungselement für den Verschlusskörper, eine Ventilsitzeinrichtung mit mindestens einer Durchgangsöffnung, durch welche das Betätigungselement auf den Verschlusskörper wirken kann, und mit mindestens einer weiteren Durchgangsöffnung, durch die bei geöffnetem Einlassventil Kraftstofffluss von einem Einlasskanal der Kraftstoffpumpe in einen Arbeitsraum der Kraftstoffpumpe ermöglicht wird, aufweist, wobei die Ventilsitzeinrichtung mit dem Gehäuse verschweißt ist, wobei die Schweißverbindung so angeordnet ist, dass sie im Betrieb der Kraftstoffpumpe nicht von Kraftstoff umflossen wird, wobei die Ventilsitzeinrichtung einen Ventilsitzabschnitt, der die Durchgangsöffnungen aufweist, und einen Befestigungsabschnitt, welcher durch eine den Einlasskanal begrenzende Wandung des Gehäuses nach einer Außenseite des Gehäuses geführt ist, aufweist, wobei die Schweißverbindung an der der Außenseite des Gehäuses zugewandten Seite des Befestigungsabschnitts angeordnet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Ventilanordnung sowie eine Hochdruckpumpe vorzuschlagen, die dieses Problem überwinden.
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Diese Aufgabe wird mit einer Ventilanordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Eine Hochdruckpumpe, die eine solche Ventilanordnung aufweist, ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruches.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Ventilanordnung für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine weist wenigstens eine in einer Ventilscheibe angeordnete Ventilöffnung auf, wobei die Ventilöffnung eine erste Ventilscheibenseite und eine der ersten Ventilscheibenseite gegenüberliegende zweite Ventilscheibenseite, die durch die Ventilscheibe voneinander getrennt sind, fluidisch miteinander verbindet. Weiter weist die Ventilanordnung ein verformbares und entlang einer Bewegungsrichtung bewegliches Ventilblatt zum Öffnen und Verschließen der Ventilöffnung auf, das zum Verschließen der Ventilöffnung in Anlage mit einer Ventilscheibenoberfläche auf der ersten Ventilscheibenseite gebracht werden kann. Zusätzlich ist eine Bewegungsaktivierungsanordnung zum Aktivieren der Bewegung des Ventilblattes entlang der Bewegungsrichtung vorgesehen, die einen Ventilschaft aufweist, welcher an dem Ventilblatt fixiert ist.
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Dies hat den Vorteil, dass die Bewegungslänge des Ventilschaftes durch das Ventilblatt, wenn es in Anlage mit der Ventilscheibenoberfläche kommt, begrenzt wird. Damit wird verhindert, dass der Ventilschaft im Betrieb beispielsweise in einem Bereich der Ventilanordnung einschlägt, die die Bewegung des Ventilschaftes aktiviert. Dies führt zu einer verringerten Geräuschentwicklung der Ventilanordnung im Betrieb. Zusätzlich können so auch schützende Beschichtungen bzw. aufwendige Bearbeitungen der Oberflächen von sonst aufeinander einschlagenden Elementen der Ventilanordnung vermieden werden
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Weiter hat diese Anordnung den Vorteil, dass keine zusätzlichen Halterungsmaßnahmen zum Halten des Ventilblattes in Position, wie beispielsweise ein Stopper zum Verhindern des Einsaugens des Ventilblattes in das Zentrum des Druckraumes, oder eine Befestigung des Ventilblattes direkt an der Ventilscheibe mehr nötig ist.
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Besonders vorteilhaft durchgreift der Ventilschaft die Ventilöffnung, um so besonders einfach mit dem Ventilblatt verbunden werden zu können. Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Ventilschaft im Zentralbereich des Ventilblattes fixiert ist, um so eine Krafteinleitung von dem Ventilschaft auf das Ventilblatt vorzugsweise symmetrisch zu ermöglichen.
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Vorzugsweise weist die Ventilscheibe mehrere Öffnungen auf, wobei das Ventilblatt so ausgebildet ist, dass es in der Schließstellung sämtliche Ventilöffnungen gleichzeitig verschließen kann. Das Ventilblatt kann dabei rund oder kantig ausgebildet sein, wobei es vorteilhaft ist, dass das Ventilblatt, wenn es auf der Ventilscheibenoberfläche aufliegt, sämtliche Ventilöffnungen verschließt. Es ist auch möglich, das Ventilblatt mit Ausnehmungen auszugestalten, um es noch stärker verformbar zu machen, wobei dann für die Ventilöffnungen vorzugsweise entsprechende Ventilblattbereiche vorhanden sein sollten, die die Ventilöffnungen dann verschließen können.
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Vorzugsweise ist der Ventilschaft über eine Schraubverbindung an dem Ventilblatt fixiert, wobei ein Schraubelement insbesondere auf einer von der zweiten Ventilscheibenseite weg gerichteten ersten Ventilblattseite auf dem Ventilblatt aufliegt und das Ventilblatt durchgreift. Schraubverbindungen von Elementen können der hohen Belastung, die auf die Verbindung durch die hohe Druckbeaufschlagung im Druckraum wirkt, ausreichend Widerstand entgegensetzen. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn das Schraubelement auf dem Ventilblatt aufliegt, beispielsweise einen Schraubenkopf aufweist, der auf dem Ventilblatt aufliegt, und so das Ventilblatt während seiner Bewegung stützt. Dadurch kann das filigrane Ventilblatt insgesamt ebenfalls vorteilhaft robuster ausgestaltet werden.
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Zusätzlich oder alternativ ist es auch denkbar, dass der Ventilschaft über eine Schweißverbindung an dem Ventilblatt fixiert ist. Auch Schweißverbindungen bieten eine hohe Stabilität und können daher vorteilhaft zur Dauerfestigkeit der Verbindung beitragen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn eine solche Schweißverbindung so angeordnet ist, dass sie das Ventilblatt gegen eine von dem Druckraum her auf das Ventilblatt wirkende Kraft vorspannen kann, d. h. einen Druck in Richtung auf den Druckraum auf das Ventilblatt ausüben kann. Dadurch wird die Offenstellung des Ventilblattes während des Förderhubes der Hochdruckpumpe zusätzlich unterstützt.
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Zusätzlich oder alternativ ist an dem Ventilblatt ein hülsenförmiges Aufnahmeelement angeordnet, das in Eingriff mit dem Ventilschaft ist. Dadurch kann ein vorteilhafter Formschluss zwischen Ventilblatt und Ventilschaft bereitgestellt werden, der ebenfalls zu einer Dauerfestigkeit der Verbindung beitragen kann.
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Beispielsweise kann dabei das Aufnahmeelement zum Bilden des Formschlusses mit dem Ventilschaft vercrimpt sein. Die dabei gebildete Umbördelstelle sorgt dabei für eine besonders vorteilhafte Dichtigkeit der Verbindung.
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Es ist jedoch auch möglich, einen Sprengring vorzusehen, der in Eingriff mit dem Ventilschaft ist.
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Weiter alternativ kann das Aufnahmeelement auch durch ein Klipselement gebildet sein, dass das Ventilblatt hintergreift und so eine sichere Verbindung zwischen Ventilblatt und Ventilschaft gewährleistet.
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Es ist auch möglich, das Aufnahmeelement durch eine Ventilblattöffnung zu bilden, die in dem Ventilblatt angeordnet ist, und die Öffnungswände aufweist, welche in Eingriff mit dem Ventilschaft sind. Diese Ausführungsform ist besonders einfach herzustellen.
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Alternativ kann das Ventilblatt aber auch integral mit einem zu der ersten Ventilscheibe gerichteten Ende des Ventilschaftes ausgebildet sein, was den Vorteil hat, dass so potentielle Bruchstellen einer Verbindung vermieden werden können.
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Alternativ kann das Ventilblatt aber auch einen Eingreifschaft aufweisen, der durch die Ventilöffnung hindurch in eine Ausnehmung des Ventilschaftes eingreift und so über einen Formschluss mit dem Ende des Ventilschaftes eine robuste Verbindung herstellen kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieser Eingreifschaft auch das Ventilblatt durchgreift und zusätzlich vorteilhaft über Schweißverbindungen an dem Ventilblatt befestigt ist. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn nicht nur lediglich eine Schweißverbindung an dem Ventilblatt vorgesehen ist, sondern wenn an zwei Ventilblattoberflächen jeweils eine Schweißverbindung das Ventilblatt mit dem Eingreifschaft verbindet. Dieses gewährleistet eine besonders zuverlässige und feste Verbindung von Eingreifschaft, Ventilblatt und somit auch Ventilschaft.
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Vorzugsweise ist das Ventilblatt als Federelement ausgebildet, dessen Federkraft gegen eine von einer ersten Ventilblattseite auf das Ventilblatt wirkende Kraft gerichtet ist. Beispielsweise kann das Ventilblatt dabei als Tellerfeder oder als Blattfeder ausgebildet sein. Es ist auch möglich, das Ventilblatt als Sprungfeder bzw. Kegelfeder auszubilden, die Schließelemente aufweist, welche die wenigstens eine Ventilöffnung verschließen können.
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Vorteilhaft ist dabei die Federkraft des Ventilblattes größer als eine vorbestimmte Kraft, die der maximalen hydraulischen Kraft auf der ersten Ventilblattseite im Betrieb der Ventilanordnung entspricht. Das bedeutet, wenn die Hochdruckpumpe Kraftstoff pumpt, setzt das Ventilblatt einer durch den mit Druck beaufschlagten Kraftstoff erzeugten Kraft genügend Widerstand entgegen, um in der Offenstellung zu verbleiben. Die vorbestimmte Kraft kann dabei einer Kraft entsprechen, die von dem Kraftstoff ausgeübt wird, wenn er maximal von dem Pumpenkolben komprimiert ist. Dadurch kann vorteilhaft bei einem Bruch des Ventilschaftes verhindert werden, dass das Ventilblatt die Ventilöffnung verschließt, wodurch die Hochdruckpumpe nicht mehr in Vollförderung gehen könnte. Besonders vorteilhaft ist in dieser Ausführungsform, wenn der Ventilschaft dazu vorgesehen ist, das Ventilblatt in die Schließposition zu bewegen, das bedeutet wenn die Ventilanordnung ohne Aktivierung des Ventilblattes geöffnet ist.
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Vorzugsweise ist das Ventilblatt zumindest abschnittsweise an der Ventilscheibe fixiert. Dadurch kann sich beispielsweise ein als Federelement ausgebildetes Ventilblatt besonders einfach an der Ventilscheibe abstützen. Die Fixierung des Ventilblattes an der Ventilscheibe kann beispielsweise durch Schweißen und/oder Anvulkanisieren und/oder Kleben oder ähnliche Verbindungsverfahren, die den hohen Drücken in dem Bereich des Ventilblatt standhalten können, realisiert werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weist die Bewegungsaktivierungsanordnung einen Magnetaktor mit einem feststehenden Polstück und einem mit dem Ventilschaft verbundenen Anker als Stellelement auf. Der Ventilschaft ist dabei mit dem Anker verbunden, insbesondere integral mit dem Anker ausgebildet. Der Magnetaktor verstellt bei Bestromung den Anker und den daran befestigten Ventilschaft entlang der Bewegungsrichtung des Ventilblattes, wodurch auch gleichzeitig das Ventilblatt von der Offenstellung in die Schließstellung und umgekehrt verfahren wird. Die Anordnung kann dabei so ausgebildet sein, dass das Ventilblatt bei Bestromung geschlossen wird, aber auch so, dass es bei Bestromung geöffnet wird. Die Bewegungsaktivierungsanordnung ist so ausgebildet, dass in sämtlichen Betriebspositionen der Ventilanordnung der Anker und das Polstück beabstandet zueinander angeordnet sind, was den Vorteil hat, dass es bei einem Durchschalten der Ventilanordnung nicht mehr zu einem Kontakt von Anker und Polstück kommt und dadurch die Geräuschemission der Ventilanordnung deutlich verringert werden kann.
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Vorzugsweise ist dabei ein Federelement vorgesehen, das den Anker und das Polstück auf Abstand zueinander hält. Das Federelement ist besonders vorteilhaft durch das Ventilblatt gebildet. In besonders bevorzugter Ausgestaltung, nämlich in einer Ausgestaltung der Ventilanordnung als stromlos geöffnet, hält das Ventilblatt durch seine Federkraft den Anker in der Ruheposition in einem maximalen Abstand zu dem Polstück.
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Eine Hochdruckpumpe für ein Kraftstoffeinspritzsystem einer Brennkraftmaschine weist einen Druckraum zum Beaufschlagen eines Kraftstoffes mit Hochdruck und ein Einlassventil zum Einlassen des Kraftstoffes in den Druckraum auf, wobei das Einlassventil durch eine Ventilanordnung wie oben beschrieben gebildet ist. Dabei ist der Druckraum auf der ersten Ventilscheibenseite ausgebildet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine mit einer Hochdruckpumpe und daran angeordneten Ventilanordnungen;
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2 einen Längsschnitt der Hochdruckpumpe und der daran angeordneten Ventilanordnungen aus 1;
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3 eine erste schematische Darstellung im Längsschnitt der Hochdruckpumpe aus 2 mit einer vollständig geöffneten Ventilanordnung;
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4 eine zweite schematische Darstellung im Längsschnitt der Hochdruckpumpe aus 2 mit einer vollständig geöffneten Ventilanordnung;
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5 eine dritte schematische Darstellung im Längsschnitt der Hochdruckpumpe aus 2 mit vollständig geschlossener Ventilanordnung;
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6 eine erste detaillierte Längsschnittdarstellung der Ventilanordnung aus den 3–5;
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7 eine zweite detaillierte Längsschnittdarstellung der Ventilanordnung aus den 3–5;
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8 eine schematische Darstellung einer ersten Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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9 eine schematische Darstellung einer zweiten Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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10 eine schematische Darstellung einer dritten Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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11 eine schematische Darstellung einer vierten Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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12 eine schematische Darstellung einer fünften Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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13 eine schematische Darstellung einer sechsten Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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14 eine schematische Darstellung einer siebten Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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15 eine schematische Darstellung einer achten Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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16 eine schematische Darstellung einer neunten Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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17 eine schematische Darstellung einer zehnten Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung;
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18 eine schematische Darstellung einer elften Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung; und
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19 eine schematische Darstellung einer zwölften Verbindungsmöglichkeit eines Ventilblattes der Ventilanordnung aus den 6 und 7 mit einem Ventilschaft der Ventilanordnung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftstoffeinspritzsystems 10 einer Brennkraftmaschine, das einen Kraftstoff 12 aus einem Tank 14 über eine Vorförderpumpe 16, eine Hochdruckpumpe 18 und einen Kraftstoffhochdruckspeicher 20 zu Injektoren 22 fördert, die den Kraftstoff 12 dann in Brennräume der Brennkraftmaschine einspritzen.
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Der Kraftstoff 12 wird über eine Ventilanordnung 24 in die Hochdruckpumpe 18 eingebracht und über ein weiteres Ventil 26 druckbeaufschlagt aus der Hochdruckpumpe 18 herausgelassen.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch die Hochdruckpumpe 18 mit der Ventilanordnung 24 als Einlassventil 28 und dem Ventil 26 als Auslassventil 30, die an einem Druckraum 32 der Hochdruckpumpe 18 angeordnet sind. Im Betrieb der Hochdruckpumpe 18 verändert ein Kolben 34, der eine translatorische Bewegung ausführt, das Volumen des Druckraumes 32 periodisch. Der Kolben 34 wird dabei von einer Nockenwelle 36 angetrieben, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel über einen Stößel 38 in wirkenden Kontakt mit dem Kolben 34 ist.
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3 bis 5 zeigen schematisch unterschiedliche Betriebszustände des Kolbens 34 und des Einlassventils 28 im Längsschnitt durch die Hochdruckpumpe 18 während des Betriebes der Hochdruckpumpe 18.
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Das Auslassventil 30 ist dabei in der vorliegenden Ausführungsform als einfaches Rückschlagventil 40 ausgebildet, das passiv aufgrund eines in dem Druckraum 32 vorherrschenden Druckes öffnet und bei Abfall unter diesen Druck automatisch wieder schließt.
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Das Einlassventil 28 ist in der vorliegenden Ausführungsform als aktives Magnetventil 42 ausgebildet, das einen Magnetaktor 44 mit einem feststehenden Polstück 46 und einem beweglichen Anker 48 als Stellelement 50 aufweist. An dem Anker 48 ist ein Ventilschaft 52 befestigt, der eine Ventilöffnung 54 in einer Ventilscheibe 55 durchgreift, und an dem ein Ventilblatt 56 befestigt ist, das, wenn es in Richtung auf das Polstück 46 bewegt wird, in Anlage mit einer Ventilscheibenoberfläche 58 auf einer ersten Ventilscheibenseite 60 der Ventilscheibe 55 gebracht werden kann, um so die Ventilöffnung 54 zu verschließen (s. 6 und 7). In der vorliegenden Ausführungsform ist das Einlassventil 28 ein stromlos geöffnetes Einlassventil 28, d. h., wenn das Magnetventil 42 unbestromt ist, sind das Polstück 46 und der Anker 48, bedingt durch eine Feder 62, in einem maximalen Abstand 64 zueinander angeordnet (s. 6 und 7), so dass sich das Ventilblatt 56 in einer Offenstellung befindet. Gleichzeitig befindet sich der Kolben 34 auf dem Weg zu seinem unteren Totpunkt, wie durch den Pfeil P1 angedeutet ist. Durch die Bewegung des Kolbens 34 und die Offenstellung des Ventilblattes 56 strömt, angedeutet durch die Pfeile P2, Kraftstoff 12 in den Druckraum 32 der Hochdruckpumpe 18 ein. Das Auslassventil 30 ist in seiner Schließstellung.
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In 4 ist schematisch im Längsschnitt dargestellt, wie sich der Kolben 34 auf seinen oberen Totpunkt hin zubewegt. Das Ventilblatt 56 verbleibt aufgrund der Federkraft der Druckfeder 62 weiter in der Offenstellung, da der von dem Kolben 34 in den Druckraum 32 aufgebaute Druck noch nicht ausreicht, die Federkraft der Druckfeder 62 zu überwinden und das Ventilblatt 56 zu schließen. Auch das Auslassventil 30 befindet sich noch in seiner Schließstellung. Durch die Offenstellung des Ventilblattes 56 strömt Kraftstoff 12 wieder durch das Einlassventil 28 aus dem Druckraum 32 heraus.
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In 5 befindet sich der Kolben 34 kurz vor seinem oberen Totpunkt, und der Druck, der im Druckraum 32 durch die Bewegung des Kolbens 34 aufgebaut worden ist, ist ausreichend, um das Ventilblatt 56 zu schließen. Gleichzeitig reicht er auch aus, das Auslassventil 30 zu öffnen.
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Durch die Federkraft der Druckfeder 62 wird verhindert, dass die Hochdruckpumpe 18 in Vollförderung arbeitet, d. h. dass sämtlicher Kraftstoff 12, der in den Druckraum 32 eingeströmt ist, durch sofortiges Schließen des Ventilblattes 56 mit Druck beaufschlagt wird und damit alle Elemente, die dem Druckraum 32 stromabwärts nachfolgen, belastet.
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Das Ventilblatt 56 ist so dünn ausgebildet, dass es verformbar ist. Weiter bewegt es sich zum Schließen der Ventilöffnung 54 entlang einer Bewegungsrichtung 57, die entlang der Längsachse des Ventilschaftes 52 ausgerichtet ist.
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6 und 7 zeigen einen Längsschnitt durch die als Einlassventil 28 ausgebildete Ventilanordnung 24 in zwei unterschiedlichen Ausführungsformen.
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6 zeigt dabei eine Anordnung, die die Druckfeder 62 aufweist, während in 7 die Druckfeder 62 weggelassen werden kann, da das Ventilblatt 56 selbst als Federelement 70 ausgebildet ist.
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Die Elemente des Magnetventils 42, nämlich das Polstück 46 und der Anker 48, sowie der Ventilschaft 52 bilden zusammen eine Bewegungsaktivierungsanordnung 72, die das Ventilblatt 56 aktiv bewegen kann. Wird die Ventilanordnung 24 als geöffnetes Ventil ausgeführt, bewegt die Bewegungsaktivierungsanordnung 72 das Ventilblatt 56 bei Bestromung in die Schließposition. Wird die Ventilanordnung 24 jedoch als stromlos geschlossen ausgeführt, bewegt die Bewegungsaktivierungsanordnung 72 das Ventilblatt 56 bei Bestromung in die Offenstellung. Zur Trennung des Druckraumes 32 von einer Saugleitung 74 ist die Ventilscheibe 55 vorgesehen, die die erste Ventilscheibenseite 60 auf der Seite des Druckraumes 32 von einer zweiten Ventilscheibenseite 76 auf der Seite der Saugleitung 74 trennt. Die beiden Ventilscheibenseiten 60, 76 sind durch die Ventilöffnung 54 fluidisch miteinander verbunden. Um diese fluidische Verbindung zu unterbrechen, ist das Ventilblatt 56 vorgesehen, das verformbar ausgebildet ist und sich so an die Ventilscheibenoberfläche auf der ersten Ventilscheibenseite 60 anschmiegen kann, um damit die Ventilöffnung 54 dicht abzuschließen.
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Dadurch, dass der Ventilschaft 52 und das Ventilblatt 56 fest aneinander befestigt sind, kann erreicht werden, dass das Polstück 56 und der Anker 48, der mit dem Ventilschaft 52 verbunden ist, in sämtlichen Betriebspositionen der Ventilanordnung 24 beabstandet zueinander sind. Wenn nämlich der Ventilschaft 52 so kurz ausgebildet ist, dass der daran befestigte Anker 48 beim vollständigen Verschließen der Ventilöffnung 54 durch das Ventilblatt 56 nicht auf das Polstück 46 aufschlägt, wird ein beständiger Abstand 64 zwischen den beiden Elementen Polstück 46 und Anker 48 erreicht. Dadurch kann ein lautes Aufschlaggeräusch im Betrieb der Ventilanordnung 24 verhindert werden.
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In 6 und 7 sind jeweils Ausführungsformen gezeigt, in denen die Ventilanordnung als unbestromt geöffnetes Ventil ausgeführt ist. Dabei hält in 6 die Druckfeder 62 in Ruheposition der Ventilanordnung 24 den Anker 48 auf einem maximalen Abstand 64 zu dem Polstück 46 und somit das Ventilblatt 56 in der Offenstellung.
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In 7 dagegen ist keine Druckfeder 62 vorgesehen, sondern das Ventilblatt 56 selbst ist als Federelement 70 ausgebildet, dessen Federkraft gegen eine von dem Druckraum 32 auf das Ventilblatt 56 wirkende Kraft wirkt und sich somit selbst offen hält. Dadurch kann die Druckfeder 62 zwischen Anker 48 und Polstück 46 entfallen.
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Wäre das Ventilblatt 56 nicht mit dem Ventilschaft 52 verbunden, und das Ventilblatt 56 nicht als Federelement 70 ausgebildet, würde die Entlastung der nachfolgenden Elemente nur solange funktionieren, bis der Ventilschaft 52 eine Fehlfunktion aufweist, beispielsweise indem er bricht. Durch einen Bruch könnte der Ventilschaft 52, da er mit dem Ventilblatt 56 nicht verbunden ist, dieses nicht mehr in der Offenstellung halten und das Ventilblatt 56 würde sich sofort schließen, sobald nur ein geringer Druck in dem Druckraum 32 aufgebaut wird. Dadurch würde die Hochdruckpumpe 18 in Vollförderung gehen. Dies macht es normalerweise notwendig, ein Sicherheitsventil vorzusehen, das die nachfolgenden Elemente bei einer Vollförderung der Hochdruckpumpe 18 entlastet.
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Nun ist aber vorgesehen, den Ventilschaft 52 mit dem Ventilblatt 56 zu verbinden und das Ventilblatt 56 als Federelement 70 auszubilden. Bricht nun der Ventilschaft 52, verbleibt die Ventilanordnung 24 permanent im geöffneten Zustand, so dass es zu keinem Überdruck an den nachfolgenden Elementen nach dem Druckraum 32 kommen kann.
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Denn die Hochdruckpumpe 18 geht nicht mehr in Vollförderung, sondern das Ventilblatt 56 verbleibt permanent in der Offenstellung, so dass mit Druck beaufschlagter Kraftstoff 12 wieder zu der Saugleitung 74 zurückfließen kann und die nach der Hochdruckpumpe 18 folgenden Elemente des Kraftstoffeinspritzsystems 10 nicht belastet.
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Auf ein zusätzliches Sicherheitsventil, das das System bei einer Vollförderung der Hochdruckpumpe 18 entlastet, kann so verzichtet werden.
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Zusätzlich besteht der Vorteil dass, wenn die Ventilanordnung 24 entstromt wird, die Federkraft des Federelementes 70 dafür sorgt, dass der Ventilschaft 52 nicht mehr so schnell auf die Ventilscheibe 55 einschlägt, da die Einschlaggeschwindigkeit und somit sie Energie kleiner ist. Auch das trägt zur Verringerung der Geräuschentwicklung der Ventilanordnung 24 bei.
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Um die oben beschriebene Funktionsweise der Ventilanordnung 24 auch bei Fehlfunktion des Ventilschaftes 52 zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn dabei die Federkraft des Ventilblattes 56 so ausgelegt ist, dass sie größer ist als die maximale hydraulische Kraft, die durch den druckbeaufschlagten Kraftstoff 12 auf das Ventilblatt 56 einwirkt. Dadurch verbleibt das Ventilblatt 56, wenn es nicht durch die Bewegungsaktivierungsanordnung 72 bewegt wird, permanent in der Offenstellung, so dass es nicht zu einer Vollförderung der Hochdruckpumpe 18 kommen kann. Dadurch kann beispielsweise auch auf ein weiteres Sicherheitsventil verzichtet werden, da selbst bei einem Bruch des Ventilschaftes 52 das Ventilblatt 56 in der Offenstellung verbleibt.
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Das Ventilblatt 56 kann zur Stabilisierung auch vorteilhaft zumindest abschnittsweise an einem Umfangsrand 78 mit der Ventilscheibe 55 verbunden sein.
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8 bis 18 zeigen schematisch unterschiedliche Ausführungsformen, wie die Fixierung des Ventilschafts 52 an dem Ventilblatt 56 realisiert sein kann.
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In allen Ausführungsformen ist der Ventilschaft 52 vorteilhaft so mit dem Ventilblatt 56 verbunden, dass ein zu der ersten Ventilscheibenseite 60 gerichtetes Ende 79 des Ventilschaftes 52 in einem Zentralbereich 81 des Ventilblattes 56 angeordnet ist.
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8 zeigt dabei eine Schraubverbindung 80, bei der ein Schraubelement 82 das Ventilblatt 56 von einer ersten Ventilblattseite 84, die weggerichtet ist von der zweiten Ventilscheibenseite 76, her durchgreift und auf dem Ventilblatt 56 aufliegt. Das Schraubelement 82 ist dann in dem Ventilschaft 52 eingeschraubt.
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9 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Ventilschaft 52 über eine Schweißverbindung 86 mit dem Ventilblatt 56 verbunden ist. Dabei ist eine Schweißnaht 88 der Schweißverbindung 86 so angeordnet, dass sie sich auf einer zweiten Ventilblattseite 90 befindet, die der ersten Ventilblattseite 84 gegenüberliegt, und dass sie einen Druck derart auf das Ventilblatt 56 ausübt, dass die Ventilöffnungen 54, die durch das Ventilblatt 56 verschlossen würden, offen bleiben.
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Dadurch, dass das Ende 79 des Ventilschaftes 52 in dem Zentralbereich 81 des Ventilblatts 56 angeordnet ist und dadurch, dass die Schweißnaht 88 einen Druck auf das Ventilblatt 56 ausübt, wird das Ventilblatt 56 vorgespannt und wirkt als Federelement 70 gegen eine von der ersten Ventilblattseite 84 auf das Ventilblatt 56 wirkende Kraft.
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10 bis 16 zeigen schematisch eine Ausführungsform mit hülsenförmigen Aufnahmeelementen 92, die dazu verwendet werden, den Ventilschaft 52 mit dem Ventilblatt 56 zu verbinden.
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In 10 ist das hülsenförmige Aufnahmeelement 92 dabei durch eine Hülse 94 gebildet, die an der ersten Ventilblattseite 84 befestigt ist. 11 zeigt dabei eine als hülsenförmiges Aufnahmeelement 92 an dem Ventilblatt 56 angeordnete Umbördelstelle 96, an der der Ventilschaft 52 mit dem Aufnahmeelement 92 vercrimpt und somit durch einen Formschluss verbunden ist. Es ist auch möglich, wie in 12 gezeigt, lediglich eine Ventilblattöffnung 98 in dem Ventilblatt 56 im Zentralbereich 81 vorzusehen, wobei der Ventilschaft 52 dann in Eingriff ist mit den Öffnungswänden 100 der Ventilblattöffnung 98. 13 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine Ausstanzumbiegung 102 als hülsenförmiges Aufnahmeelement 92 an dem Ventilblatt 56 ausgebildet ist. In 14 wird als hülsenförmiges Aufnahmeelement 92 ein Sprengring 104 verwendet, der in Eingriff mit dem Ventilschaft 52 ist. 15 zeigt eine Anordnung, bei der ein zusätzliches Klipselement 106 als hülsenförmiges Aufnahmeelement 92 verwendet wird, das in eine Ventilblattöffnung 98 des Ventilblattes 56 im Zentralbereich 81 eingeklipst ist, und in das der Ventilschaft 52 eingesteckt ist. Auch 16 zeigt ein hülsenförmiges Aufnahmeelement 92, das an dem Ventilblatt 56 angeschweißt ist, wobei hier jedoch die Ventilscheibe 55 gewinkelt ausgebildet ist, so dass sich eine Federkraft des verformbaren Ventilblattes 56 automatisch ergibt, ohne dass das Ventilblatt 56 vorgespannt sein muss. 17 und 18 zeigen jeweils Ventilblätter 56, die integral mit dem Ventilschaft 52 ausgebildet sind. In 19 weist das Ventilblatt 56 einen an dem Ventilblatt 56 angeschweißten Eingreifschaft 108 auf, der durch die Ventilöffnung 54 hindurch in eine Ausnehmung 110 des Ventilschaftes 52 eingreift. Es ist vorteilhaft, wenn der Eingreifschaft 108 auch das Ventilblatt 56 durchgreift und sowohl an einer ersten Ventilblattoberfläche 112, als auch an einer zweiten Ventilblattoberfläche 114 an dem Ventilblatt 56 befestigt ist.
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Durch die oben beschriebene Ventilanordnung 24 können die Bauteilkosten in manchen Ausführungsformen gesenkt werden, da die Druckfeder 62 entfällt und beispielsweise auch eine Halterung für das Ventilblatt 56 entfallen kann. Somit sinkt generell schon das Ausfallrisiko der Hochdruckpumpe 18. Zusätzlich können auch die Bearbeitungskosten gesenkt werden, da beispielsweise wegen des permanenten Abstandes 64 von Polstück 46 und Anker 48 die beiden Elemente keine Chrombeschichtung und Schliffe mehr benötigen. Auch die Geräuschentwicklung der Ventilanordnung 24 im Betrieb kann insgesamt deutlich reduziert werden. Da eine geringere Leistungsaufnahme im Betrieb möglich ist, kann auch die Schaltzeit optimiert und auch eine Optimierung der Kalibrierung am Fahrzeug erreicht werden. Insgesamt wird die Robustheit der Ventilanordnung 24 und damit auch der Hochdruckpumpe 18 gesteigert. Es können auch hydraulische Pulsationen im Niederdruckbereich reduziert werden und es kann ein normalerweise vorhandenes Sicherheitsventil entfallen. Es wird auch erzielt, dass die Leistungsaufnahme geringer wird, da die Ventilanordnung 24 nicht mehr voll durchgeschaltet werden muss, da der Hub durch Verwendung des Ventilblattes 56 in der Ausführungsform als Federelement 70 deutlich verkleinert wird. Dadurch kann erzielt werden, dass die Fahrzeugkalibrierung nicht mehr auf den Punkt im Stromverlauf, in dem der Anker 48 auf das Polstück 46 aufschlägt kalibriert werden muss, sondern lediglich auf den Punkt, in dem das Ventilblatt 56 sich vollständig in seiner Geschlossenstellung befindet. Da die Chromschicht an Polstück 46 und Anker 48 wegfallen kann, gibt es hier auch keinen Verschleiß mehr. Zudem kann es auch nicht mehr zu Ausfällen an der Druckfeder 62 bzw. an einem Halteelement kommen, das als Stopper für das zuvor lose Ventilblatt 56 gewirkt hat. Das Sicherheitsventil kann vollständig wegfallen bzw. muss nicht mehr auf Robustheit ausgelegt werden, da es nur für spezielle Fälle wie beispielsweise den sog. „hot soak” der Hochdruckpumpe 18 ausgelegt sein muss. Die Pulsationen im Niederdruckbereich werden maßgeblich verringert, da das Polstück 46 und der Anker 48 nun nicht mehr beim Durchschalten aufeinander schlagen, und damit das dazwischen befindliche Medium nicht mehr auf null verdrängt werden muss.
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Bei der Fertigung ist es möglich, den Ventilschaft 52 vorab in ein vollständiges Ventilanordnungselement zu verbauen, wobei dann das Ventilblatt 56 zusammen mit dem montierten Ventilschaft 52 durch die Ventilscheibe 55 hindurch geschoben wird. Die Anordnung kann dann in das Pumpengehäuse der Hochdruckpumpe 18 als Gesamtelement eingefügt werden.
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Weiter ist es auch möglich, die Ventilscheibe 55 fest als Gehäusebestandteil einzuarbeiten, was robuster ist gegen hohe Druckraumdrücke. Dabei wird dann von der Hochdruckseite, d. h. vom Druckraum 32 aus, das Ventilblatt 56 mit dem daran montierten Ventilschaft 52 eingebracht, und von der anderen Seite, nämlich von der Saugleitung 74 aus, die restlichen Elemente der Ventilanordnung 24.
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Als dritte Möglichkeit kann auch die Ventilscheibe 55 mit einer vormontierten Baugruppe aus Ventilschaft 52 und Ventilblatt 56 in dem Bauraum eingebracht werden, dann ein Stützring eingeschoben werden, und dieses dann mittels Schweißnaht fixiert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Ventilblatt 56 nicht mehr flächig im unbestromten Zustand ist, sondern eine konkave Eigenspannung, d. h. eine Federkraft, besitzt. Diese Eigenspannung ist vorteilhaft so groß, dass das rückströmende Medium in der Druckphase das Ventilblatt 56 nicht zurückdrücken kann. Diese Vorspannung ermöglicht es, in Teilförderung einen Strömungsquerschnitt für rückfließendes Medium frei zu halten.
