DE20106155U1 - Common-Rail-Einspritzeinrichtung mit piezoelektrischem Aktuator - Google Patents
Common-Rail-Einspritzeinrichtung mit piezoelektrischem AktuatorInfo
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Description
Bezeichnung: Conunon-Rail-Einspritzeinrichtung mit piezoelektrischem Aktuator
Beschreibung
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Kraftstoffeinspritzeinrichtungen an Kolbenbrennkraftmaschinen, sogenannten Common-Rail-Injektoren, sind heute wegen der besseren Dynamik und der besseren Reproduzierbarkeit der Einspritzraten mit piezo-elektrischen Aktuatoren versehen, deren piezo-elektrische Elemente durch eine als Spannfeder wirkende Aktuatorfeder zusammengehalten werden. Ein derartiger piezoelektrischer Aktuator wirkt über einen hydraulischen Wegübersetzer auf ein in die Kraftstoffeinspritzeinrichtung integriertes Schaltventil ein, durch das über eine entsprechende Beeinflussung der Druckbeaufschlagung die Düsennadel jeweils in ihre Offenstellung bzw. Schließstellung verschoben wird. Eine derartige Common-Rail-Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist beispielsweise aus WO99/18346 bekannt.
0 Bei modernen Kolbenbrennkraftmaschinen werden an die Kraftstoffeinspritzeinrichtung bei hoher Einspritzhäufigkeit gestiegene Anforderungen an die Zeitgenauigkeit der Einspritzung gestellt, um beispielsweise während eines Einspritztaktes durch wenigstens zweifaches Öffnen und Schließen eine Strahlausformung zu bewirken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, entsprechend den gestellten Anforderungen eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung der vorstehend bezeichneten und mit den Merkmalen des 0 Oberbegriffs der Anspruchs 1 ausgebildeten Art deutlich zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Eine derart ausgebildete Kraftstoffeinspritzeinrichtung hat den Vorteil, daß das als 3/2 Wege-Ventil ausgebildete Schaltventil statisch druckausgeglichen ist und in seiner konstruktiven Gestaltung so ausgebil-
det ist, daß Doppelpassungen weitgehend vermieden werden. Durch die Ausgestaltung des Schaltventils als druckausgeglichenes Ventil läßt sich die für seine Betätigung notwendige Aktuatorkraft minimieren, so daß diese vom bestehenden Rail-Druck unabhängig ist. Damit lassen sich sehr kleine Piezo-Stacks einsetzen und das Stackvolumen gegenüber nicht druckausgeglichenen Ventilgestaltungen auf etwa ein Drittel vermindern. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Transmitterraum des hydraulischen Wegübersetzers von dem mit dem piezoelektrischen Aktuator verbundenen Verdrängerkolben einerseits und dem Arbeitskolben des Schaltventils andererseits unmittelbar begrenzt wird. Dadurch, daß keinerlei Rohrleitungen zwischen diesen beiden Teilen vorhanden sind, ist eine optimale Kraft- und Wegübertragung möglich. Unerwünschte Druckwellen im Transmitterraum, wie sie bei einer zwischen den beiden Kolben angeordneten, als Helmholtz-Resonator wirkenden Leitung auftreten würden, werden vermieden.
Durch die spezielle Abstimmung der Durchmesser der einzelnen 0 Bauelemente des Schaltventils läßt sich praktisch ein vollständiger Druckausgleich erzielen. Hierzu ist es erforderlich, dass die durch den Außendurchmesser DK des Arbeitskolbens definierte Fläche ADK gleich ist der durch den Außendurchmesser SH des Schieberkörpers definierte Fläche ASH mi-5 nus der durch den Außendurchmesser (D) des Innenkolbens definierten Fläche AD.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der piezo-elektrische Aktuator mit seiner Aktuatorfeder in einer Flüssigkeitskammer angeordnet ist, die einerseits über einen Durchtrittsspalt am Verdrängerkolben mit dem Transmitterraum und andererseits mit dem Leckageabfluß in Verbindung steht. Über ein Druckregelventil kann in der Flüssigkeitskammer ein vorgegebener Kraftstoffdruck eingestellt werden, so daß die Befüllung des Transmitterraums in einfacher Weise und ohne zusätzliche Bauteile über den Führungsspalt am Verdrängerkolben erfolgt. Durch eine entspre-
chende Bemessung des Führungsspaltes für den Verdrängerkolben läßt sich eine sichere Befüllung des Transmitterraumes gewährleisten.
Zweckmäßig ist es auch, wenn dem Schieberkörper an seinem dem Arbeitskolben abgekehrten Ende ein Leckageraum als Dämpfer zugeordnet ist, der über eine Drossel mit dem Leckageabfluß in Verbindung steht. Selbst bei einer hohen Ventildynamik wird ein mechanisches Prellen der sich bewegenden Ventiltei-Ie, hier des hülsenförmigen Schieberkörpers deutlich vermindert, da die Bewegung des Schieberkörpers über den Leckageraum hydraulisch gedämpft wird. Der sich im Leckageraum aufbauende Druck wirkt als dämpfende Gegenkraft auf den Schieberkörper. Das Kraftstoffvolumen im Leckageraum und die Bemessung der Drossel zwischen dem Leckageraum und dem Leckageabfluß ermöglichen eine Anpassung auf eine gewünschte Ventildynamik. Damit ist die kurzzeitige Wiederbefüllung des Durchtrittsraumes zwischen den beiden Ventilteilen gewährleistet.
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 im Längsschnitt eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für ein Common-Rail-Einspritzsystem,
0 Fig. 2 in vergrößertem Maßstab die Gestaltung des Schaltventils im Schnitt,
Fig. 3 perspektivisch ein Rückstellfederelement für den
Ve rdr änge rkolben,
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Fig. 4 eine Abwandlung der Ausführung gem. Fig. 3,
Fig. 5 in einer Aufsicht ein Rückstellfederelement für die Ausführungsform gem. Fig. 4.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Längsschnitt sind die normalerweise innerhalb eines Trägerkörpers 1 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung verlaufenden und für die Erläuterung der Funktion bedeutsamen Leitungen bzw. Kanäle als Linien nach außen herausgezogen, um so die hydraulische Verknüpfung der einzelnen Elemente besser darstellen zu können.
Der Trägerkörper 1 ist mit einem Düsenteil 2 versehen, der hier nur angedeutete Düsenöffnung 3 aufweist. Im Inneren des Düsenteils 2 ist eine Düsennadel 4 längsverschiebbar gelagert, die in bezug auf die Düsenöffnungen 3 mit ihrer Spitze 5 als Ventil wirkt und an ihrem der Spitze 5 abgekehrten Ende mit einem Düsennadelkolben 6 versehen ist. Die Düsennadel 4 ist von einem Ringraum 7 umschlossen, in den eine Kraftstoffzuleitung 8 einmündet, die mit der unter Hochdruck stehenden KraftstoffVersorgung in Verbindung steht.
Dem Düsennadelkolben 6 ist ein Druckausgleichsraum 9 zugeordnet, dessen Funktion nachstehend noch näher erläutert werden wird. Über eine Rückstellfeder 10 wird die Düsennadel 4 in Schließstellung gehalten.
Im Trägerteil 1 ist ferner ein Schaltventil 11 sowie ein piezo-elektrischer Aktuator 12 angeordnet. Der piezo-elektrische Aktuator besteht im wesentlichen aus einem Piezo-Stack 13, der über eine Aktuatorfeder bzw. Spannfeder 14 in Form einer 0 Rohrfeder zusammengepreßt ist und mit seinem rückwärtigen Ende fest im Trägerteil 1 verankert ist. Das freie Ende des piezo-elektrischen Stacks 13 wirkt auf einen Verdrängerkolben 15 ein, der einen mit Flüssigkeit, hier mit Kraftstoff gefüllten Transmitterraum 16 begrenzt.
Das Schaltventil 11 ist mit einem Arbeitskolben 17 versehen, der seinerseits den Transmitterraum 16 begrenzt, so daß, wie
nachstehend noch näher beschrieben werden wird, bei einer Spannungsbeaufschlagung des piezo-elektrischen Aktuators durch den Verdrängerkolben 15 Flüssigkeit aus dem Transmitterraum 16 in Richtung auf den Arbeitskolben 17 vorgeschoben wird. Da der Arbeitskolben 17 einen deutlich geringeren Durchmesser aufweist als der Verdrängerkolben 15, wird dementsprechend die Längenänderung des piezo-elektrischen Aktuators in eine größere Hubweite des Arbeitskolben 17 übersetzt.
Über das Schaltventil 11 wird die Schaltbewegung der Düsennadel 4 gesteuert. Die Verschiebung des Schaltventils 11 erfolgt hydraulisch mittels Arbeitskolben 17 und Verdrängerkolben 15.
Das Schaltventil 11 ist über die Verbindungsleitung 8.1 mit der Kraftstoffzuleitung 8 verbunden. Je nach Schaltstellung, was nachstehend noch näher beschrieben werden wird, kann die Verbindungsleitung 8.1 über die Steuerleitung 18 mit dem Druckausgleichsraum 9 verbunden werden oder aber über die Ab-0 Strömleitung 19 mit der Leckageleitung 20 in Verbindung gebracht werden. Das Schaltventil 11 ist nun so ausgebildet, daß bei inaktiviertem piezo-elektrischem Aktuator der Common-Rail-Druck über die Verbindungsleitung 8 und die Steuerleitung 18 am Druckausgleichsraum 9 in gleicher Weise ansteht wie auf der Seite des Druckverteilungsräumes 7, so daß die Düsennadel 4 über ihre Rückstellfeder 10 und einer hydraulischen Schließkraft in Schließstellung gehalten wird. Die hydraulische Schließkraft ergibt sich aus den druckbelasteten Flächen an der Spitze und der Rückseite der Düsennadel.
Wird der piezo-elektrische Aktuator 12 angesteuert und der Verdrängerkolben 17 verschoben, dann wird die Steuerleitung 18 gegenüber der Verbindungsleitung 8.1 geschlossen und zur Absteuerleitung 19 geöffnet, so daß im Druckausgleichsraum 9 5 der Kraftstoffdruck über eine Drossel 47 abgebaut wird und der Common-Rail-Druck über den Druckverteilerraum 7 den Dü-
sennadelkolben 6 gegen die Rückstellfeder 10 verschieben kann und so die Düsenöffnung 3 geöffnet werden.
Wird der piezo-elektrische Aktuator 12 inaktiviert, wird der Arbeitskolben 17 über eine Rückstellfeder 26 zurückschoben, die Verbindung zur Leckageleitung 19 geschlossen und die Verbindung zur Verbindungsleitung 8.1 geöffnet, so daß über die Steuerleitung 18 wieder ein Druckausgleich im Druckausgleichsraum 9 hergestellt werden kann und die Rückstellfeder 10 den Düsennadelkolben 6 mit der Düsennadel 4 in Schließstellung verschieben kann.
Der Aufbau des Schaltventils 11 wird anhand von Fig. 2 näher erläutert. Das Schaltventil 11 besteht im wesentlichen aus dem Arbeitskolben 17, der mit einem hülsenförmigen Schieberkörper 21 fest verbunden ist. Der hülsenförmige Teil des Schieberkörpers 21 umfaßt einen Innenkolben 22, der sich lose auf dem Trägerkörper la abstützt und der mit seinem anderen Ende einen Durchtrittsraum 23 begrenzt.
Der Schieberkörper 21 weist an seinem dem Arbeitskolben 17 zugekehrten Ende auf der Außenseite einen mit dem Trägerkörper 1 als Ventilsitz zusammenwirkenden ersten Ventilteil 24 auf. Auf seiner Innenseite bildet er zusammen mit dem freien 5 Ende des Innenkolbens 21 einen zweiten Ventilteil 25. Über eine Rückstellfeder 26 wird der Schieberkörper mit seinem ersten Ventilteil 24 in Schließstellung gegenüber einem Ringraum 27 gehalten, der über die Leckageleitung 19 mit dem Leckageabfluß 20 in Verbindung steht.
Der Durchtrittsraum 23 steht über einen entsprechenden Ringraum 28 mit der Steuerleitung 18 in Verbindung, wobei der Ventilteil 24 in Schließstellung die Steuerleitung 18 gegenüber der Leckageleitung 19 schließt.
Über einen Ringraum 29 steht das Schaltventil 11 mit der Verbindungsleitung 8.1 zur KraftstoffVersorgung in Verbindung,
wobei die Anordnung so getroffen ist, daß in Schließstellung des ersten Ventilteils 24 der zweite Ventilteil 25 sich in Offenstellung befindet, so daß über den Durchtrittsraum 23 die Steuerleitung 18 mit der Verbindungsleitung 8.1 verbunden ist.
Wird bei einer Aktivierung des piezo-elektrischen Aktuators der Verdrängerkolben 15 in Richtung des Pfeiles 15.1 vorgeschoben, dann wird über die im Transmitterraum 16 enthaltene Flüssigkeit der Arbeitskolben zusammen mit dem hülsenförmigen Schieberkörper 21 in die gleiche Richtung verschoben. Hierbei wird der erste Ventilteil 24 geöffnet und der zweite Ventilteil 25 gleichzeitig geschlossen, so daß über die Steuerleitung 18 der im Druckausgleichsraum 9 anstehende hohe Druck über die Leckageleitung 19 abgebaut werden kann und die Düsennadel 4 die Düsenöffnungen 3 öffnet.
Wird bei Inaktivierung des piezo-elektrischen Aktuators der Verdrängerkolben 15 in die Gegenrichtung zurückgezogen, dann 0 wird der Arbeitskolben 17 zusammen mit dem hülsenförmigen Schieberkörper über die Rückstellfeder 26 zurückgeschoben, so daß der erste Ventilteil 24 schließt und der zweite Ventilteil 25 öffnet, so daß über die Steuerleitung 18 wieder der volle Rail-Druck am Druckausgleichsraum 9 ansteht.
Das Schaltventil 11 ist dann druckausgeglichen, wenn die dem Durchmesser DK des Arbeitskolbens 17 entsprechende Stirnfläche ADK den gleichen Wert aufweist wie Differenzfläche zwischen der Fläche ASH, die durch den Außendurchmesser SH des hülsenförmigen Schieberkörpers 21 aufgespannt wird und der Fläche AD dem Durchmesser D des Innenkolbens 22 aufgespannt wird, also ADK = ASH - A0.
Die Länge des Schieberkörpers 21, der kolbenartig in einer 5 entsprechenden Ausnehmung im Trägerkörper 1 geführt ist, wird nun so bemessen, daß an seinem freien Ende ein geringer Leckageraum 31 verbleibt, der über eine Abströmleitung 32 mit
dem Leckageabfluß 20 in Verbindung steht. Die Abströmleitung 32 ist mit einer Drossel 33 versehen, so daß bei entsprechender Dimensionierung des Volumens des Leckageraums 31 und der Drosselwirkung der Drossel 33 der Leckageraum als hydraulischer Dämpfer bei einer Verschiebung des Schieberkörpers 21 in Richtung des Pfeiles 15.1 wirkt, so daß ein Prellen auf dem Ventilsitz des Ventilteils 25 stark reduziert wird.
Während es grundsätzlich möglich ist, den Verdrängerkolben 15 fest mit dem piezo-elektrischen Aktuator 12 zu verbinden, ist in Fig. 2 eine Anordnung dargestellt, bei der der Verdrängerkolben 15 mit dem piezo-elektrischen Aktuator 12 nur kraftschlüssig verbunden ist, d. h. als loses Bauteil im Trägerkörper 1 geführt ist und durch ein Federelement 34 kraftschlüssig an den Piezo-Stack 13 angedrückt wird. Das Federelement 34 ist zweckmäßigerweise als flachbauendes Stanzformteil ausgebildet, wie es in Fig. 3 schematisch dargestellt ist.
0 Der piezo-elektrische Aktuator 12 ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich, als "nasser" Aktuator ausgeführt. Dementsprechend steht der den piezo-elektrischen Aktuator 12 umgebende Raum 35 im Trägerkörper 1 über eine Verbindungsleitung 36 mit dem Leckageabfluß 20 in Verbindung. Über ein Druckhalteventil 37 5 ist bei entsprechender Befüllung des Raumes 35 dafür Sorge getragen, daß die Flüssigkeitsfüllung unter einem vorgegebenen Druck von beispielsweise 5 bar gehalten werden kann. Die Befüllung des Raumes 35 erfolgt über eine Leckageleitung 20. Der Raum 35 dient hierbei als Vorratsraum, aus dem der Trans-0 mitterraum 16 befüllt wird. Dies kann beispielsweise in der
Weise geschehen, daß zwischen dem Verdrängerkolben 15 und der zugeordneten Zylinderwandung 15.2 ein ausreichender Spalt vorhanden ist, durch den aus dem Vorratsraum 35 der Transmitterraum 16 gefüllt wird.
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Statt eines Ringspaltes ist es aber auch möglich, wie strichpunktiert^angedeutet, eine Drosselbohrung 15.3 im Verdränger-
kolben 15 vorzusehen. Sowohl der Ringspalt als auch die Drosselbohrung 15.3 müssen so bemessen werden, daß bei einer Aktivierung des piezo-elektrischen Aktuators der Arbeitskolben 17 zuverlässig in die andere Arbeitsstellung des Schaltventils 11 verschoben wird. Da die Schaltzeiten sehr kurz sind, kann bei entsprechender Bemessung der Drosselwirkung kein signifikanter Druckabbau erfolgen.
In Fig. 4 ist bei sonst gleichem Aufbau eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist der Verdrängerkolben 15 dicht im Trägerkörper geführt und weist an seinem Boden eine Öffnung 40 auf, die mit einer sich auf einem Federelement 34.1 abstützenden Ventilplatte 41 verschlossen wird. In einer Fußplatte 42 des piezo-elektrischen Aktuators ist ein Sammelraum 43 vorgesehen, der über Verbindungsleitungen 44 mit dem Vorratsraum in Verbindung steht, so daß bei einer Inaktivierung de piezoelektrischen Aktuators über den Druck im Vorratsraum 35 die Ventilplatte 41 öffnen kann und Kraftstoff in den Transmit-0 terraum 16 einströmen kann.
Das Federelement 34.1 erfüllt hierbei eine Doppelfunktion und weist dementsprechend, wie aus Fig. 5 ersichtlich, drei kurze Federarme 45 auf, die den Verdrängerkolben 15 stützen und drei lange Federarme 46, die die Ventilplatte 41 abstützen.
Claims (11)
1. Kraftstoffeinspritzvorrichtung an einer Kolbenbrennkraftmaschine mit einem Trägerkörper, der eine Einspritzdüse aufweist, deren Düsenöffnung über eine Düsennadel durch den unter Druck stehenden Kraftstoff öffenbar und durch die Kraft einer Rückstellfeder verschließbar ist, wobei die Düsennadel einen Düsennadelkolben aufweist, dem ein Druckausgleichsraum zugeordnet ist, und mit einem piezo-elektrischen Aktuator mit Aktuatorfeder, dem ein in einen Transmitterraum eintauchender Verdrängerkolben zugeordnet ist, der über Verdrängung von Flüssigkeit aus dem Transmitterraum als hydraulischer Wegübersetzer auf einen Arbeitskolben einwirkt, wobei über den Arbeitskolben ein Schaltventil in die jeweilige Schaltstellung der Düsennadel (offen oder geschlossen) schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltventil (11) einen mit dem Arbeitskolben (17) verbundenen hülsenförmigen Schieberkörper (21) aufweist, der einen Innenkolben (22) umschließt, durch den im Schieberkörper (21) ein Durchtrittsraum (23) begrenzt wird, wobei der Schieberkörper (21) an seinem dem Arbeitskolben (17) zugekehrten Ende zum einen auf der Außenseite einen mit dem Trägerkörper als Ventilsitz zusammenwirkenden ersten Ventilteil (24) aufweist und zum anderen auf seiner Innenseite einen mit dem Ende des Innenkolbens (22) als Ventilsitz zusammenwirkenden zweiten Ventilteil (25) aufweist, wobei der Durchtrittsraum (23) zum einen einenends mit dem unter Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagbar ist und anderenends in Schließstellung des ersten Ventilteils (24) und Offenstellung des zweiten Ventilteils (25) mit dem Druckausgleichsraum (9) verbunden ist, und zum anderen in Schließstellung des zweiten Ventilteils (25) und Offenstellung des ersten Ventilteils (24) der Druckausgleichsraum (9) am Düsennadelkolben (6) mit einem ersten Leckageabfluß (19) verbunden ist.
2. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkolben (22) sich auf dem Trägerkörper (1) abstützt und im Bereich des zweiten Ventilteils (25) mit einer auf den Schieberkörper (21) einwirkenden Rückstellfeder (26) versehen ist.
3. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schieberkörper (21) an seinem dem Arbeitskolben (17) abgekehrten Ende ein Leckageraum als Dämpfer zugeordnet ist, der über eine Drossel mit einem zweiten Leckageabfluß (20) in Verbindung steht.
4. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Außendurchmesser (DK) des Arbeitskolbens (17) definierte Fläche ADK gleich ist der durch den Außendurchmesser (SH) des Schieberkörpers (21) definierten Fläche ASH minus der durch den Außendurchmesser (D) des Innenkolbens (22) definierten Fläche AD.
5. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transmitterraum (16) unmittelbar einerseits vom Verdrängerkolben (15) und andererseits vom Arbeitskolben (17) begrenzt ist.
6. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der piezo-elektrische Aktuator (12) in einer Flüssigkeitskammer (35) angeordnet ist, die einerseits über einen Durchtrittsspalt am Verdrängerkolben (15) mit dem Transmitterraum (16) und andererseits über ein Druckregelventil (37) mit dem Leckageabfluß (20a) in Verbindung steht.
7. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängerkolben (15) am piezo-elektrischen Aktuator (12) über ein in der Flüssigkeitskammer (35) angeordnetes Federelement (34) kraftschlüssig gehalten ist.
8. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (34) als Biegefederelement ausgebildet ist.
9. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Biegefederelement (34) durch ein flachbauendes Stanzformteil gebildet wird.
10. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (15) eine den Vorratsraum (35) mit dem Transmitterraum (16) verbindenden Drosselbohrung (15.3) aufweist.
11. Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (15) an seinem Boden eine Öffnung (40) aufweist, die durch eine über ein Federelement (34.1) abgestützte Ventilplatte (41) gegen den Druck aus dem Vorratsraum (35) öffenbar ist.
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2001
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