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Auslaß-Rückschlagventil für eine Kfz-Kraft-
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stoffpumpe Einrichtungen, durch welche Ausströmverluste im Kfz-Kraftstoffsystem
zwischen der Kraftstoffpumpe und dem Ansaugrohr des Motors auf ein Minimum reduziert
werden sollen, sind bekannt. Bei einer der bekannten Einrichtungen wird ein Absperrventil
benützt, das den Kraftstofffluß von der Pumpe zum Motor unterbricht, wann immer
in der Leitung vom Tank zum Ventil ein positiver Druck auftritt. Die Anwendung eines
derartigen Absperrventils ist
von Nutzen, wenn die Leckverluste
auf Versagen der Einlaßventile im Vergaser zurückzuführen sind, oder auf Unfälle,
bei denen sich das Fahrzeug überschlägt oder eine Kraftstoffleitung bricht. Wünschenswert
ist ein Kraftstoffsystem, bei welchem sich nach einem Zusammenstoß bei 5O km/h (30
mph) ein Ausströmverlust von nicht mehr als etwa 30g/min (1 oz.p.min.) einstellt.
Ein Ausströmverlust an Kraftstoff entsteht auch, wenn das Fahrzeug stilsteht und
der Kraftstoffbehälter sich in einem wesentlich höheren Niveau befindet als der
Vergaser oder der Motor des Wagens, und das tritt nach einem Überschlag oder Zusammenstoß
häufig ein.
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Der Kraftstoff fließt dann, der Schwerkraft folgend, aus dem Tank
und beschwört weitere Gefahren herauf, falls sich ein Leitungsbruch oder andere
Leckstellen ergeben.
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Ein Beispiel für eine bekannte Vorrichtung ist in der US-PS 3 368
538 beschrieben, derzufolge der Auslaß einer Kfz-Kraftstoffpumpe mit einem federbelasteten
Absperrventil verbunden ist, welches sich unter dem Druck des Kraftstoffs öffnet,
der von der auf eine Seite einer Membran wirkenden Pumpe geliefert wird. Wenn die
Pumpe nicht in Tätigkeit ist, entsteht in der Saugleitung ein positiver Druck, der
die Feder darin unterstützt, das Ventil geschlossen zu halten.
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Die auf Schließen des Ventils wirkende Feder ist so bemessen, daß
sie bei stehender Pumpe das Verschlußteil des Ventils fest gegen den Sitz drückt.
Eine sehr starke Feder ist aber nicht notwendig, da bei stehender Pumpe die Flüssigkeitssäule
auf beide Seiten der Ventilmembran in gleicher Weise wirkt. Das Ventil öffnet sich
daher kocht unter dem Förderdruck der Pumpe.
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Ein besonderes Absperr-Verschlußteil, das unter diesen Voraussetzungen
den Kraftstoffdurchfluß sperrt, ist teuer. Es ist zu vermerken, daß das oben zitierte
Patent auch das Problem des Kraftstoffverlustes behandelt, der bei ruhendem Fahrzeug
durch Kraftstofffluß aus dem Tank zum Vergaser durch die Pumpenventile eintritt,
weil diese nicht
immer dicht schließen, wodurch der Vergaser überläuft.
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Dazu wurde bemerkt, daß es nicht möglich sei, Kraftstoff-Pumpen mit
bei Pumpenstillstand dicht schließenden Ventilen zu versehen, weil der kurze Hub
und die schnelle Hubfolge der bei Motorfahrzeugen üblichen Kraftstoffpumpen nur
leicht in Funktion zu setzende Verschlußteile von geringem Gewicht anzuwenden erlaube,
die von schwachen Federn beaufschlagt sind. In keinem Falle sind die schwachen Federn
der Ventile, die beide in Richtung nach dem Vergaser öffnen, stark genug, dem Druck
einer Flüssigkeitssäule standzuhalten, die auf den Ventilverschlußteilen lastet.
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Die Erfindung ist auf ein Auslaß-Rückschlagventil für eine Kraftstoff-Membranpumpe
an Kraftfahrzeugen gerichtet, welches ausreicht, einen Kraftstoffaustritt aus der
Pumpe bei einem hydrostatischen Druck von 915 mm Kraftstoff (äquivalent zu 635 mm
H20) zu unterbinden. Erreicht wird dies durch eine Feder für das Rückschlagventil,die
zum Versperrthalten des Ventils bei dem genannten hydrostatischen Druck eine ausreichend
erhöhte Kraft bzw. Federsteifigkeit aufweist, jedoch nicht so stark ist, das Ventil
zu hindern, sich unter dem Förderdruck der Pumpe leicht zu öffnen.
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Bisher hatten sowohl die Einlaß- als auch die Auslaßventile übereinstimmende
Federn, deren jede eine Gesamtkraft von rd. 60 p ausubte. Das paßt nicht dazu, die
Rückschlagventile bei 915 mm Kraftstoffsäule (=635 mm H20) verschlossen zu hinten.
Jetzt übt die Feder für das Auslaßventil vorzugsweise eine Gesamtkraft von ungefähr
200 bis 225 p aus (7-8 oz.), gegenüber den 60 p der Einlaßventil-Feder. Es wird
angenommen, daß eine Auslaßventilfeder, die eine wenigstens doppelt so große, aber
weniger als fünfmal so große Kraft wie die Einlaßventilfeder ausübt, zufriedenstellend
funktioniert. Eine Membranfeder drückt die Membran gegen die Rraftstoffkammer beim
Arbeitshub,
und die Kraft dieser Feder, die früher ungefähr 2,3
kp betrug, wurde so erhöht, daß sie zwischen 3 kp und 3,7 kp beträgt, um die verstärkte
Kraft der Auslaßventilfeder auszugleichen.
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Die Feder des Auslaß-Rückschlagventils ist zwischen einer äußeren
Federnauflage und einer elastomeren Scheibe eingespannt und wirkt auf die Ventilscheibe
etwa auf einer Kreisringfläche oberhalb der Ventildurchlässe. Dies hat einen wirksameren
Sitz der elastomeren Ventilscheibe zur Folge, da die von der Feder ausgeübte Schließkraft
unmittelbar oberhalb der Kraftstoffdurchlässe angreift, welche in einer eingezogenen
Ringzone des Ventilsitzes positioniert snd. Bei einer Ausführung der Erfindung ist
zur Übertragung der Druckkraft der Feder auf die elastomere Scheibe eine konische
Scheibe vorgesehen, bei einer anderen Ausführung eine Kegelfeder, um die Ventilscheibe
in ihrem Sitz oberhalb der Kraftstoffdurchlässe zu halten. Mit der Einwirkung der
Federkraft auf die Ventilscheibe ist eine Tendenz gegen öffnen und Schließen der
Ventilscheibe durch Biegen um den kreisförmigen Angriffsbereich der Feder verbunden,
hingegen eine solche für öffnen und Schließen in erster Linie durch Gleiten der
Ventilscheibe um die Spindel. Dies wirkt mehr im Sinne eines Schnappvorganges und
festeren Sitzens und Lösens der Ventile, wie es für einen verbesserten Pumpvorgang
wünschenswert ist.
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Die Erfindung sieht sohin bei einer Kraftstoff-Membranpumpe für Kraftfahrzeuge
ein Auslaß-Rückschlagventil mit einer Anordnung vor, bei welcher die Ventilfeder
eine Gesamtkraft ausübt, die rund zwei- bis fünfmal so groß ist wie die Federkraft,
die auf das Einlaßventil ausgeübt wird.
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Dies entspricht dem Gegendruck gegen einen hydrostatischen Druck von
915 mm Kraftstoff, wobei sich das Ventil nicht öffnet, wogegen es sich unter dem
Förderdruck der Pumpe leicht öffnet, so daß die Förderleistung der Pumpe nicht in
einem bemerkenswerten Ausmaß beschränkt oder vermindert wird.
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In der Zeichnung sind zwei der möglichen Varianten der Erfindung
dargestellt. Es zeigen:Fig. 1 die Kraftstoff--Membranpumpe mit Einlaß- und Auslaß-Rückschlagventil,
im Vertikalschnitt, mit schematisch angedeutetem Tank und Motor, Fig. 2 das Auslaß-Rückschlagventil
im Schnitt, in vergrößertem Maßstab, Fig. 3 den Ventilsitz aus Fig. 2, in Ansicht
von der Schnittlinie 3-3, Fig. 4 eine Variante zu der Ausführung nach Fig. 2, wobei
die Druckfeder eine Kegelfeder ist, und Fig. 5 ein entsprechendes Ventil in bekannter
Ausführung, wobei die Schraubenfeder die Ventilspindel in geringem Abstand umgibt.
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Es soll zunächst auf Fig. 1 eingegangen werden. An einem Kfz-Motor
E ist eine Kraftstoffpumpe P angebaut. Diese enthält das erfindungsgemäße Auslaß-Rückschlagventil.
Der Kraftstoff fließt von dem im Wagen befindlichen Tank T durch die Leitung L 1
zur Pumpe P und wird von dieser durch die Leitung L2 zum Vergaser C gefördert. Letzterer
ist an daa Ansaugrohr des Motors E angeschlossen und weist auf dem Luftstutzen des
Vergasers einen Luftfilter F auf.
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Wie aus Fig. 1 zu ersehen,ist die Pumpe P eine sogenannte hängende
Pumpe, dh. Ein- und Auslaß sind an der Unterseite angeordnet. Es versteht sich aber,
daß die Erfindung auch auf eine stehende Pumpe anwendbar ist. Die Pumpe P hat ein
Schwinghebelgehäuse 1, das an einem Ende offen ist und einen Flansch 3 zum Anschluß
an den Motor E aufweist. Am Gehäuse 1 ist an der Lagerstelle 7 ein Schwinghebel
5 angelenkt.
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Dieser führt Schwingbewegungen aus, er wird am inneren Hebelarm 5a
von einer Feder 9 gegen einen vom Motor angetriebenen Exzenter 11 gedrückt. Nach
einer halben Exzenter-Umdrehung (ausgehend von der Stellung in Fig. 1) ist der Hebel
5 im Uhrzeigersinn gegen die Kraft der Feder 9 verschwenkt. Bei dem folgenden halben
Umlauf des Exzenters schwenkt der Hebel wieder zurück.
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Von dem Schwinghebelgehäuse 1 erstreckt sch ein hohler, im allgemeinen
konischer Pumpenkopf 13 nach unten. Zwischen dem Gehäuse und dem Pumpenkopf ist
eine Öffnung 15 vorgesehen.
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Unten endet der Pumpenkopf in einem nach außen vorspringenden Flanschansatz
17, der an seiner Unterseite eine Dichtfläche für den äußeren Randbereich einer
nngförmigen Membran 19 bildet, die als verhältnismäßig dünne Scheibe aus biegsamem,
kraftstoff-resistentem Werkstoff, z.B. aus synthetischem Gummi ausgebildet ist.
In unbelastetem Zustand ist die Membran im allgemeinen eben. In ihrem'Randbereich
wird die Membran 19 durch das Pumpengehäuse gegen die Unterseite des Flanschansatzes
17 gedrückt. Das Gehäuse ist zusammenfassend mit 21 bezeichnet. Es besteht aus einem
Stück, ist dünnwandig und aus Metallblech gefertigt Es umschließt die Pumpen- oder
Kraftstoffkammer 26 und weist einen Boden 23 sowie eine sich nach außen erweiternde
Ringwandung 25 mit einem ebenen Flansch 27 und einem Ringrand 29 auf.
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Letzterer drückt auf den Flanschansatz 17 des Pumpenkopfes 13 und
umgreift ihn dabei, um rings am Rande der Membran 19 eine kraftstoffeste Dichtung
zu bewirken.
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An der der Kraftstoffkammer 26 abgewendeten Seite der Membran 19
ist eine Ventilkammer 31 gebildet. An der Membran 19 ist eine Betätigungsspindel
33 vorgesehen, die beiderseits der Membran an dieser mit Scheiben 35 befestigt ist,
sich von ihr nach oben erstreckt und von dem Schwinghebel 5 in einem Schlitz 37
an seinem äußeren Ende aufgenommen ist.
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Oben auf der Angriffsfläche des Hebels liegt die Spindel mit einem
Bund 39 auf. Eine auf Druck beanspruchte Schraubenfeder 41 ist in der Ventilkammer
31 zwischen der oberen Scheibe 35 und einer mit 43 bezeichneten Öldichtung und Spindelführung
eingespannt. Wenn der Schwinghebel 5 durch den Exzenter 11 im Uhrzeigersinn (in
Fig. 1) verschwenkt wird, hebt er die Ventilspindel 33 an, die ihrerseits die Membran
19 nach oben zieht, was einen Saughub ergibt. Beim Rückschwenken des Hebels drückt
die Feder 41 die Membran 19 und damit die Spindel 33 nach unten, was einen Druckhub
ergibt.
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Die Bodenwandung 23 des aus Blech gefertigten Pumpengehäuses 21 weist
zwei zyiindrische, schalenförmig abgeschlossene
Vorsprünge 45
und 47 auf, die sich beiderseits der Gehäusemitte vom Gehäuseboden nach unten erstrecken.
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Vorsprung 45 ist Einlaß und umschließt eine Einlaßkammer 49, Vorsprung
47 ist Auslaß und umschließt eine Auslaßkammer 51.
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An den Vorsprüngen sind an ihren Unterseiten ein Einlaßknie 53 und
ein Auslaßknie 55 vorgesehen. Eine Zuleitung L1 führt über das Einlaßknie 53 zu
einer Absperrventilanordnung, die zusammenfassend mit 57 bezeichnet ist. Von dem
zusammenfassend mit 58 bezeichneten Auslaß-Rückschlagventil führt das Auslaßknie
55 zur Pumpenleitung L 2. Hinsichtlich der Zeichnung beachte man, daß das Auslaß-Rückschlagventil
in Fig. 2 in umgekehrter Stellung (im Vergleich zu Fig. 1) gezeichnet ist.
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Die beiden Rückschlagventile 57 und 58 stimmen im Aufbau, abgesehen
von der Feder, im wesentlichen überein.
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Beide weisen einen kreisförmigen Ventilsitz 59 aus Metall auf, dessen
Ringrand 61 für einen Preßsitz in den Innenräumen der Vorsprünge 45 und 47 bemessen
ist. Die Fläche des Ventilsitzes 59 enthält eine kreisringförmige abwärts gepreßte
mittlere Zone 63, die konzentrisch zu innen und außen angrenzenden Ventilsitzflächen
65 und 67 gelegen ist und welche von im Kreis angeordneten, bogenförmigen Kraftstoffdurchlässen
68 durchsetzt ist. In eine Mittelöffnung 69 ist eine aus Blech geformte rohrförmige
Ventilspindel 71 eingepreßt, die an einem Ende 73 verschlossen ist, am anderen Ende
aber, gegenüber dem Ventilsitz 59, einen Kopf 75 aufweist, der sich pilzförmig erweitert
und in Richtung nach dem Sitz 59 erstreckt. Unmittelbar an den rohrförmigen Teil
71 schließt sich en.e innere, im allgemeinen ebene Zone 77 an, die als Federwiderlager
dient. Der äußerste Bereich 79 des pilzförmigen Kopfes ist abgebogen.
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Ein durch eine elastomere Scheibe 8O aus geeignetem kraftstoffestem
synthetischem Gummi gebildeter Ventilkörper weist eine Mittenöffnung 81 auf, die
wenig größer ist als der Durchmesser der rohrförmigen Spindel 71. Der Ventilkörper
80 gleitet längs der Stütze 71 in Richtung von und nach dem Sitz
59,
in unbelastetem Zustand ist er im allgemeinen flach.
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Sein Durchmesser ist etwas größer als der der abwärts gegepreßten
Zone 63. Er steht in flüssigkeitsdichtem Kontakt mit den konzentrischen Ventilsitzflächen
65 und 67 (s.Fig.
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2). Um diesen Kontakt aufrechtzuerhalten, ist eine die Spindel 71
umgebende Schraubenfeder 83 als Druckfeder vorgesehen, die zwischen einer Scheibe
85 und der kreisförmigen ebenen Zone 77 eingespannt ist. Die Scheibe 85 paßt mit
einer Öffnung 87 auf die Spindel 71. Sie hat etwa die Form einer Tellerfeder und
ist von der Bohrung 87 zu der elastomeren Scheibe 80 kegelig geneigt. An der Bohrung
87 ist sie mit einem Wulst 89 versehen, welcher eine Stütze für die Feder 83 bildet.
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Wie aus Fig. 2 zu ersehen, liegt die Randzone der Scheibe 85 auf
der elastomeren Scheibe 80 auf, und zwar genau oberhalb der Kraftstoffdurchlässe
68 und konzentrisch mit deren Anordnung. Diese Randzone überträgt die Kraft der
Feder 83 auf die Ventilscheibe 80 und sichert damit deren flüssigkeitsdichten Sitz
auf den Flächen 65 und 67. Die Gesamtkraft, die die Feder 83 am Auslaßventil 58
über die Scheibe 85 auf die Ventilscheibe 80 ausübt, liegt zwischen 200 und 225
p (7-8 oz.). Im Vergleich dazu übt die ähnliche Feder am Einlaßventil 57 eine Kraft
von nur rund 60 p (2 oz.) aus. Die genannte Kraft von 200 - 225 p ist so bemessen,
daß sie die Ventilscheibe 80 auf den Sitzflächen 65, 67 gegen einen hydrostatischen
Druck von 915 mm Kraftstoff (äquivalent zu 635 mm H20) niederhält. In dieser Schließstellung
wird jeglicher Undichtheitsverlust hintangehalten, bis auf vielleicht 5 cm3 oder
weniger. Es wird angenommen, daß die weder 83 ausreichend wirksam wäre, wenn sie
etwa zwischen 110 p und 280 p ausübte (4-10 oz.). Wünschenswert ist es, daß die
Feder 83 nicht so stark ist, die elastische Scheibe 80 am leichten Öffnen unter
dem Lieferdruck der Membran 19 zu hindern. Aus diesem Grunde sollte die Federkraft
nicht über etwa 280 p (10 oz.)liegen, da sonst die Leistung der Pumpe merklich beeinträchtigt
würde. Die Wirkung der Feder auf der Auslaßseite
ist demnach als
befriedigend anzusehen, wenn ihre Kraft mindestens zweimal und weniger als fünfmal
so groß ist wie die der ähnlichen Feder am Einlaßventil.
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Wenn es auch möglich ist, die Druckfeder am Einlaßventil stärker
auszulegen, so daß sie das Rückschlagventil unter einem Druck von 915 mm Kraftstoff
geschlossen hält, so ist doch anzunehmen, daß das die Leistung der Pumpe herabsetzen
würde, und besonders bei verhältnismäßig hohen Temperaturen wäre das nicht zu wünschen.
Benzin expandiert bei Unterdruck. Wenn auch die Pumpe mit einer verstärkten Einlaßventilfeder
bei Benzin von relativ niedrieger Temperatur zufriedenstellend arbeiten würde, so
beginnt doch bei einer Erwärmung des Kraftstoffs auf etwa 750 C bis 950 C (170 -
2000 F) des Benzin zu verdampfen, und wenn das eintritt, sollte das Einlaßventil
beim Saughub leicht öffnen. Bei so hohen Temperaturen wird verdampfter Kraftstoff
in die Kraftstoffkammer der Pumpe durch Vakuum angesaugt und von dort durch den
Druckhub der Membran 19 unter der Belastung durch die Feder 41 abgezogen. Verdampfter
Kraftstoff mindert die Pumpenleistung, und daher ist schnelles Öffnen des Einlaßventils
wünschenswert, besonders wenn die Umgebungstemperaturen hoch sind. Auch kann dabei
die Unterbrechung des Flüssigkeitsstromes durch Dempfblasenbildung, die bei solchen
Temperaturen manchmal auftritt, gefördert werden.
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Aus diesen Gründen wird nur die Feder am Auslaßventil für eine größere
Federkraft bemessen.
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Durch die Beaufschlagung der elastomeren Scheibe 80 oberhalb der
abwärts gepreßten Zone 63 zwischen den konzentrischen Ventilsitzflächen 65 und 67
biegt sich die Scheibe leicht durch, wie in Fig. 2 gezeigt. Dadurch ergibt sich
ein fester Sitz auf den Kreisringflächen 65 und 67. Der in dem genannten Bereich
ausgeübte Federdruck wirkt zusätzlich gegen ein Öffnen und Schließen der Scheibe
durch Aufbiegen rings um den Andrück-Kreis der Scheibe oder Feder
85.
Die Scheibe 80 wirkt mehr auf- und zuschnappend, sie öffnet und schließt schneller
und sitzt auf den konzentrischen Flächen 65, 67 voller auf, wie es für einen guten
Pumpvorgang wünschenswert ist.
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In Fig. 4 ist eine andere Ausführung des erfindungsgemäßen Ventils
gezeigt. Hier ist die röhrenförmige Spindel 71A von einer kegeligen Druckfeder 90
umgeben, die einerseits, an dem Ende mit dem kleineren Durchmesser, gegen einen
gewölbten Bereich 77A des Spindelkopfes 75A abgestützt ist, andererseits an dem
Ende mit dem größeren Durchmesser, gegen die elastomere Scheibe 80A, die auf den
Sitzflächen 65A und 67A des Ventilsitzes 59A aufliegt.
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Die Kraftstoffdurchlässe 68A sind Shnlich wie in Fig. 2 und 3 angeordnet,
und die Feder 90 wirkt auf die Scheibe 80A oberhalb dieser Durchlässe 68A und der
kreisringförmigen abwärts gepreßten Zone 63A.
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Fig. 5 ist ein Beispiel für eine Vorrichtung in einer vorbekannten
Ausführung. Eine Druckfeder S wirkt auf ein elastomeres Verschlußstück V in unmittelbarer
Umgebung der Spindel und seitlich von den Kraftstoffdurchlässen 0. Das führt unter
gewissen Voraussetzungen zum Verwerfen des Ventilverschlußstückes V. Ferner ist
aus der Figur ohn weiteres zu erkennen, daß sich das Verschlußstück an seinem äußeren
Rand leicht von der Sitzfläche abheben kann.
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Patentansprüche:
L e e r s e i t e