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Druckventil für eine Kraftstoff-Einspritzpumpe
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Die Erfindung betrifft ein Druckventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Solche Druckventile werden vor allem bei Einspritzpumpen für Dieselmotoren verwendet.
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Technische Verbesserungen bei Einspritzsystemen für Dieselmotoren,
insbesondere Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, erfolgten bislang hauptsächlich
mit dem Ziel, höhere Einspritzdrücke und höhere Einspritzraten zu ermöglichen. Dagegen
hat man sich wenig mit der Verbesserung der Einspritzmengen-Kennlinien bei niedrigen
Motordrehzahlen beschäftigt. Die Einspritzmengen-Kennlinien einer handelsüblichen
Einspritzpumpe im Bereich niedriger Drehzahlen weichen deshalb stark von einem idealen
Verlauf ab, so daßunerwünschte Effekte bei der Einspritzung auftreten, z.B. eine
unregelmäßige Einspritzung. Dies verursacht dann einen unregelmäßigen Lauf des zugeordneten
Dieselmotors, sowie ein Pendeln bzw. Sägen und gegebenenfalls auch ein Klopfen des
Motors.
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Bei einer Einspritzpumpe wird Kraftstoff über eine Druckleitung zu
einem Einspritzventil gefördert, und zur durch einen Pumpenkolben, und mit gesteuerter
Menge und Geschwindigkeit. An einer Stelle zwischen Pumpenkolben und der Druckleitung
wird ein Druckventil vorgesehen, um ein Rückwärtsströmen des Kraftstoffs in der
Druckleitung zu verhindern und den Restdruck in der Druckleitung zu steuern.
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in solches Druckventil ist im allgemeinen entsprechend den Merkmalen
a) bis c) des Anspruchs 1 ausgebildet. Das Schließglied-Führungsteil ist gewöhnlich
einstückig aus-
gebildet mit einem Entlastungskragen, der auch als
Tauchkölbchen bezeichnet wird, und dieses Tauchkölbchen ist in der Führungs-Ausnehmung
des Druckventils verschiebbar angeordnet. Der Entlastungshub dieses Tauchkölbchens
bestimmt die Kraftstoff-Entlastungsmenge in der Druckleitung.
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Theoretisch sollte die Einspritzmenge derjenigen Menge entsprechen,
die sich durch Subtraktion dieser Entlastungsmenge von der vom Pumpenkolben gepumpten
Fördermenge ergibt. Eine ideale Einspritzmengen-Kennlinie würde so aussehen, daß
die dynamische Kraftstoffeinspritzmenge - bei konstanter Stellung der Regelstange
der Pumpe - mit zunehmender Drehzahl der Pumpe sanft und etwa monoton ansteigt.
In der Praxis wird jedoch der Entlastungshub des Tauchkölbchens stark durch den
Restdruck in der Druckleitung beeinflußt, und das macht es schwierig, eine gewünschte
Einspritzmenge zu erhalten.
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Wenn z.B. die Entlastungsmenge zu klein ist, kann bei hoher Drehzahl
und hoher Belastung des Motors eine Sekundäreinspritzung erfolgen; hierbei wird
die Düsennadel der Einspritzdüse durch Druckwellen in der Druckleitung erneut geöffnet,
nachdem sie sich am Ende des Einspritzvorganges geschlossen hatte. Auch bewirkt
eine zu kleine Entlastungsmenge ein unscharfes Abschneiden der Einspritzung.
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Eine zu große Entlastungsmenge dagegen bewirkt einen negativen Druck
in der Druckleitung, besonders bei niedrigen Drehzahlen, und ein Niederdruck-Einspritzverhalten
des Motors. Dies bewirkt eine Kavitationsbildung in der Druckleitung und damit eine
unregelmäßige Einspritzung, bei der sich die Einspritzmenge bei jedem Förderhub
des Pumpenkolbens ändert.
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In beiden Fällen ist also eine normale Einspritzmengen-
Kennlinie
nicht gegeben. Bei den Druckventilen bekannter Bauart zeigte sich insbesondere das
Phänomen, daß wenn die Entlastungsmenge auf einen Wert eingestellt wird, der dazu
ausreicht, eine sekundäre Einspritzung bei hohen Motordrehzahlen zu verhindern,
sich leicht bei niedrigen Motordrehzahlen eine unregelmäßige Einspritzung infolge
einer übermäßigen Entlastungsmenge ergeben kann.~ Zur Vermeidung dieses Nachteils
gibt es verschiedene Vorschläge, z.B. die Druckventile nach JA - PS 47-33804 (1972)
JA - Gbm 53-124547 (1978) JA - Gbm 53-150930 (1978).
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Bei den Druckventilen nach diesen Schriften ist der Kragen am Schließglied-Führungsteil
an seiner Umfangsfläche mit einer ebenen Aussparung versehen, deren Schnittfläche
parallel zur Längsachse des Ventils verläuft, oder der Durchmesser dieses Kragens
ist längs seines gesamten Umfangs geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der
Führungsausnehmung. Ferner ist an der Umfangsfläche dieses Kragens eine zusätzliche
Aussparung oder eine Ringnut vorgesehen, deren Schnittfläche schräg zur Längsachse
des Ventils verläuft und dabei in Fläche und/oder Tiefe in Richtung zur Zuströmseite
des Ventils hin zunimmt.
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Die zusätzliche Ausnehmung bzw. die Umfangsnut erstreckt sich von
der der Zuströmseite zugewandten Kante des Kragens aus und endet in seiner Umfangsfläche.
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Beim Betrieb einer mit einem solchen Druckventil ausgerüsteten Einspritzpumpe
entweicht Entlastungs-Kraftstoff teilweise durch Lücken, welche durch die oben angegebenen
Aussparungen oder die Ringnut zwischen der Umfangsfläche des Kragens und der Innenwand
der Führungsausnehmung gebildet sind. Hierdurch erhält man automatisch bei höheren
Drehzahlen
der Pumpe eine größere effektive Entlastungsmenge, und bei niedrigeren Drehzahlen
eine kleinere effektive Entlastungsmenge. Durch diese Druckventile wurde es also
möglich, die Konstanz der Kraftstoffeinspritzmenge von einem Bereich niedriger Motordrehzahlen
bis zu einem Bereich hoher Motordrehzahlen zu erhöhen und dadurch die Einspritzmengen-Kennlinien
bei niedrigen Drehzahlen zu verbessern, ohne daß dies einen wesentlichen Einfluß
auf die Einspritzmengen-Kennlinien im Bereich hoher Drehzahlen hat. Jedoch hat es
sich gezeigt, daß diese bekannten Ventile immer noch nicht optimal sind, und daß
es mit ihnen nicht möglich ist, die vorstehend erwähnten Nachteile ganz zu beseitigen.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, Druckventile der eingangs
genannten Art weiter zu verbessern, insbesondere hinsichtlich der Charakteristik
der Einspritzmengen über der Drehzahl.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch die im Anspruch
1 angegebenen Maßnahmen. Man vermeidet hierdurch einen bei den bekannten Ventilen
vorhandenen unwirksamen Hubanteil, welcher praktisch nicht zu der vorstehend erläuterten
automatischen Anpassung der Entlastungsmenge an die Drehzahl beiträgt. Durch die
Erfindung ergibt sich eine weiter verbesserte Konstanz der Kraftstoffeinspritzmenge
von niedrigen bis zu hohen Drehzahlen, eine wirksamere automatische Anpassung der
Kraftstoff-Entlastungsmenge an die Betriebsdaten des Motors, und insbesondere eine
weitere Verbesserung der Einspritzmengen-Kennlinien bei niedrigen Drehzahlen ohne
wesentlichen Einfluß auf die Einspritzmengen-Kennlinien bei hohen Drehzahlen.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen
der
Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen und in der'Zeichnung dargestellten,
in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen,
sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Vorderansicht
eines Druckventils nach dem Stand der Technik, Fig. 2 ein Schaubild mit den Kurven
für die Einspritzmenge über der Pumpendrehzahl bei verschiedenen Stellungen der
Regelstange der Pumpe, für eine Pumpe mit einem Druckventil nach Fig. 1, Fig. 3
eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht eines Druckventils üblicher
Bauart, Fig. 4 eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht eines Druckventils
gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 5 ein Schaubild analog
Fig. 2,- welches die Kurven der Einspritzmenge über der Drehzahl für das Druckventil
nach Fig. 4 zeigt, Fig. 6 eine teilweise im Schnitt dargestellte Vorderansicht einer
zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Druckventils, Fig. 7 eine Darstellung
ähnlich Fig. 6 mit einer weizieren Abwandlung eines erfindungsgemäßen Druckventils,
Fig. 8 eine Darstellung analog Fig. 6, mit einer weiteren Abwandlung eines erfindungsgemäßen
Druckventils' und
Fig. 9 eine Darstellung analog Fig. 6, mit noch
einer weiteren Abwandlung eines erfindungsgemäßen Druckventils.
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In den einzelnen Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Teile
mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben.
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Fig. 1 zeigt ein typisches Druckventil 1 nach dem Stand der Technik.
(Solche Ventile zeigen z.B. die Seiten 273 und 278 des "Kraftfahrtechnischen Taschenbuchs
der Firma BOSCH, 16. Auflage, im eingebauten Zustand an einer Reihenpumpe bzw. einer
Verteilereinspritzpumpe).
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Dieses Druckventil 1 hat ein Schließglied 7 mit einem Schließglied-Führungsteil
2, das einstückig mit einem Entlastungskragencder -bwnd 2a ausgebildet ist, der
auch als Tauchkölbchen bezeichnet wird. Dieser Kragen 2a dient dazu, ein scharfes
Abschneiden der Kraftstoffeinspritzung zu erhalten und auch ein Nachtropfen der
Einspritzdüse zu vermeiden. Der Abstand zwischen dem unteren Ende des Entlastungskragens
2a und-der Grenze zwischen einer VentilführungeAusnehmung 4a eines Ventilführungsgliedes
oder Ventilträgers 4 einerseits und einer Ventilsitzfläche 4b an der oberen Kante
der Führungsausnehmung 4a andererseits bildet den tatsächlichen Entlastungshub S,
welcher die Kraftstoff-Entlastungsmenge für die - nicht dargestellte - Druckleitung
bestimmt.
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Fig. 2 zeigt ein Kennlinienfeld für die Einspritzmenge über der Pumpendrehzahl
bei Verwendung des Druckventils nach Fig. 1. Wie das Schaubild zeigt, sind die Einspritzmengen
im unteren Drehzahlbereich im allgemeinen klein, und die Einspritzmengen zeigen
dort im allgemeinen einen scharfen Anstieg mit steigender Pumpendrehzahl, also eine
hohe Steigung; dies steht im mar-
kanten Gegensatz zu dem eingangs
erläuterten Idealzustand.
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Insbesondere im Bereich niedriger bis mittlerer Drehzahlen und kleiner
Einspritzmengen ändert sich die Einspritzmenge nicht exakt analog zur Verstellung
der Regelstange. Dies ist eine Folge von Schwankungen des Restdrucks in der Druckleitung,
und diese Schwankungen bewirken eine Zone mit dicht beieinanderliegenden Kurven
sowie eine Zone mit weit auseinandergezogenen Kurven, wie das Fig. 2 klar zeigt.
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Fig. 3 zeigt ein beispielhaftes Druckventil nach dem Stand der Technik,
welches verbessert wurde,um die erwähnten Nachteile des-Ventils nach Fig. 1 zu vermeiden.
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Dieses verbesserte Ventil nach Fig. 2 hat einen Kragen oder Bund 2a,
an dessen Umfang auf der einen Seite eine ebene Aussparung cl parallel zur Ventil-Längsachse-und
auf der gegenüberliegenden Seite eine schräge, ebenfalls flache Aussparung c2 vorgesehen
ist, wie das Fig. 3 klar zeigt. Der gesamte Entlastungshub S wird bestimmt durch
den Abstand zwischen der unteren Endkante 2a" des Kragens 2a und der oberen Endkante
der Führungs-Ausnehmung 4a des Ventilträgers 4. Mit anderen Worten ist das der Hub,
um den der Kragen 2a verschoben wird zwischen einer Stellung, bei der seine untere
Endkante 2a" der unteren Endkante der Ventilsitzfläche 4b gegenüberliegt, und einer
Stellung, bei der das Schließglied 7 auf der Ventilsitzfläche 4b aufsitzt, wie das
Fig. 3 zeigt.
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Wenn während dieses Entla-stungshubes S sich der Kragen 2a von der
oberen Stellung, in der seine obere Kante 2a' der unteren Kante der Ventilsitzfläche
4b gegenüberliegt, zu der dargestellten, unteren Stellung bewegt, welche der untere
Totpunkt des Schließglied-Führungsteiles 2 ist, (also die Schließstellung des Schließglieds
7), wird die obere Kante 2a' des Kragens 2a in flüssigkeitsdichter Anlage gegen
die Innenwand der Führungsausnehmung 4a ge-
halten, wobei fast
kein Kraftstoff auf der Abströmseite des Druckventils durch die Aussparungen cl,
c2 entweichen kann, insbesondere nicht durch die schräge Aussparung c2. Deshalb
stellt der Abstand t S (Fig. 3) zwischen den beiden obengenannten Stellungen einen
unwirksamen Hub aus dem Gesichtspunkt der erläuterten automatischen Anpassung dar.
Wenn das Schließglied-Führungsteil 2 diesen Hub As durchläuft, kann also die erwähnte
automatische Anpassung der wirksamen Entlastungsmenge nicht richtig wirksam werden.
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Die Fig. 4 bis 9 zeigen verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen
Druckventils, welches in der Weise verbessert ist, daß es die erwähnten Nachteile
der Ventile nach den Fig. 1 und 3 vermeidet.
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Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform eines Druckventils nach der
vorliegenden Erfindung. Das Schließglied 7 des Druckventils 1 ist einstückig ausgebildet
mit einem Führungsteil 2, das seinerseits verschiebbar in der Führungsausnehmung
4a eines Ventilführungsgliedes bzw.
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Ventilträgers 4 geführt und dort hin- und herbewegbar ist.
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An der oberen Kante des Ventilträgers 4 ist eine ringförmige Ventilsitzfläche
4b ausgebildet, die wie dargestellt die Form eines Hohlkegelstumpfes hat und sich
in der Durchströmrichtung des Ventils, also hier nach oben, im Durchmesser erweitert,
und auf der im geschlossenen Zustand das Schließglied'7 aufsitzt. Zwischen dem Ventilträger
4 und dem Schließglied 7 befindet sich wie dargestellt ein Kraftstoffdurchlaß, der
bei geöffnetem Schließglied 7 geöffnet ist.
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Das Schließglied-Führungsteil 2 ist mit einem Kragen oder Tauchkölbchen
2a versehen, dessen äußere Umfangsfläche mit einer ebenen Aussparung cl versehen
ist, deren Schnitt-
fläche etwa parallel zur Längsachse X des Ventils
1 verläuft und die eine Tiefe d hat. Ferner ist diese äußere Umfangsfläche mit einer
geneigten, ebenen Aussparung c2 versehen, die an der der Aussparung cl gegenüberliegenden
Seite des Schließglieds 7 liegt. Diese geneigte, flache (planare) Aussparung c2
hat eine Schnittfläche, die schräg zur Längsachse X verläuft und die flächenmäßig
entgegen der Durchströmrichtung im Kraftstoffdurchlaß zunimmt, also in Fig. 4 nach
unten. In Umfangsrichtung erstreckt sie sich längs eines Teiles des Gesamtumfangs
des Kragens 2a.
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Diese ebenen Aussparungen cl, c2 definieren Lücken 5, 6 zwischen der
Umfangsfläche des Kragens-2a und der Innenwand der Führungsausnehmung 4. Die geneigte
ebene Aussparung c2 erstreckt sich axial von einer Zone, die wie dargestellt einen
Abstand l,von der oberen Kante 2a' des Kragens 2a hat, entgegen der Durchströmrichtung,
also in Fig. 4 nach unten, im Kraftstoffdurchlaß unter einem Winkel Theta zur Längsachse
X des Ventils. Die Parameter 1 und Theta werden auf entsprechende geeignete Werte
eingestellt, um eine geeignete Einspritzmengen--Kennlinienschar zu erhalten. Die
erläuterte Anordnung der Aussparungen ist ähnlich derjenigen nach Fig. 3.
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Nach der Erfindung sind ferner, wie in Fig.4 dargestellt, das Schließglied
7, die Ventilsitzfläche 4b und der Kragen 2a in ganz bestimmter Weise ausgebildet
und relativ zueinander angeordnet: Wenn das Schließglied 7 auf dem Ventilführungsglied
4 aufsitzt, d.h. wenn die kegelige Sitzfläche 7a des Schließglieds 7 gegen die Ventilsitzfläche
4b anliegt, dann liegt die obere, also stromabwärts gelegene Kante 2a' des Kragens
2a im wesentlichen in der gleichen Ebene bzw. auf derselben Höhe wie die untere
Kante der Ventilsitzfläche 4b bzw.
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die Grenze a zwischen der Ventilsitzfläche 4b und der Führungsausnehmung
4a.
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Zu diesem Zweck hat bei den dargestellten Ausführungsbeispielen -
im Vergleich mit den bekannten Druckventilen -die kegelige Sitzfläche 7a des Schließglieds
7 eine kleinere Erstreckung in Längsrichtung des Ventils, während der Kragen 2a
eine größere Längserstreckung in der Weise hat, daß seine obere Kante 2a' näher
bei der kegeligen Sitzfläche 7a des Schließgliedes 7 liegt.Auch hat die Ventilsitzfläche
4b eine etwas größere Längserstreckung.
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Bei einer derartigen erfindungsgemäßen Anordnung enthält der Entlastungshub
S, der vom Schließglied-Führungsteil 2 ausgeführt wird, nicht den unwirksamen Hubanteil
A s, wie er oben bei Fig, 3 beschrieben wurde. Bei der Anordnung nach Fig. 4 wird
nämlich während des Entlastungshubes das Schließglied-Führungsteil 2 im Gleichklang
mit dem Schließglied 7 verschoben, und zwar von einer Stelle, in der die untere
Kante 2a" des Kragens 2a der Ventilsitzfläche 4b gegenüber liegt, zur unteren Totpunktstellung,
wie sie Fig. 4 zeigt. Wenn sich aber das Schließglied-Führungsteil 2 in der unteren
Totpunktstellung befindet, befindet sich die obere Kante 2a' des Kragens 2a immer
noch oberhalb der unteren Kante der Ventilsitzfläche 4b bzw. der oberen Kante der
Führungsausnehmung 4a. Anders gesagt, wird die obere Kante 2a' des Kragens 2a nie
in flüssigkeitsdichten Gleitkontakt mit der Innenwand der Führungsausnehmung 4a
gebracht. Infolgedessen kann bei einem erfindungsgemäßen Ventil bei Betrieb der
Einspritzpumpe mit niedrigen Drehzahlen Kraftstoff während praktisch des gesamten
Entlastungshubes S durch die Lücken 5, 6 zur abströmseitigen Seite des Kragens 2a,
also in Fig. 4 nach oben, fließen; dadurch werden die Einspritz-
mengen-Kennlinien
im Bereich niederer Drehzahlen weiter verbessert.
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Andererseits ermöglichen bei einem Betrieb der Einspritzpumpe mit
hohen Drehzahlen die Lücken 5, 6 praktisch kein Durchströmen von Kraftstoff wegen
dessen Strömungswiderstand. Das gewährleistet eine geeignete Entlastungsmenge und
verhindert eine sekundäre Einspritzung. Die Einspritzmengen-Kennlinien bei hohen
Drehzahlen werden also durch die Erfindung nicht verschlechtert.
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Wie bereits erwähnt, wird die Länge des Kragens 2a etwas größer gewählt
als bei den Figuren 1 und 3. Dies verbessert die Genauigkeit der Bildung der Aussparungen
cl und c2 hinsichtlich Größe und Form und ermöglicht infolgedessen eine besserel-
Feineinstellung der Einspritzmengen-Kennlinien.
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Fig. 5 zeigt als Beispiel die Einspritzmengen-Kennlinien, wie man
sie mit einer Einspritzpumpe unter Verwendung des Druckventils nach der Erfindung
erzielen kann.
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Im Vergleich mit Fig. 2 kommt dieser Verlauf wesentlich näher an das
angestrebte Ideal heran.
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Die Fig. 6 bis 9 zeigen Abwandlungen des erfindungsgemäßen Druckventils.
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Bei Fig. 6 ist der Kragen 2a mit mehreren geneigten, ebenen (planaren)
Aussparungen c2 versehen, die der Aussparung c2 nach Fig. 4 ähnlich sind, aber am
Umfang in geeigneten Abständen angeordnet sind. Außerdem ist - wie bei Fig. 4 -
eine parallele ebene Aussparung cl der Tiefe d vorgesehen.
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Bei Fig. 7 ist der Kragen 2a ähnlich wie bei Fig. 4 mit einer parallelen,
ebenen Aussparung cl versehen.
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Ferner ist er versehen mit einer Ring- oder Umfangsnut c3, deren Schnittfläche
wie dargestellt schräg, unter einem Winkel Theta, zur Längsachse X verläuft und
die einen Kegelstumpf bildet, dessen gedachte Spitze entgegen der Durchströmrichtung
zeigt. Axial erstreckt sich diese Nut c3 von der - gedachten - zuströmseitigen Kante
des Kragens 2a zu dessen Umfangsfläche und endet dort an einer Stelle, die einen
Abstand 1 von der abströmseitigen Kante des Kragens 2a hat.
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Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 8 und 9 hat der Kragen 2a
einen Durchmesser, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der Führungsausnehmung
4a, und zwar längs seines vollen Umfanges, und definiert einen Ringspalt bzw. eine
Lücke 8 mit einer Breite d', die wie dargestellt der Abstand zwischen dem Außenumfang
des Kragens 2a und der Innenwand der Führungsausnehmung 4a ist. Bei Fig. 8 ist der
Kragen 2a mit mehreren geneigten ebenen Aussparungen c2 versehen, die denen nach
Fig. 6 ähnlich sind, und bei Fig. 9 ist der Kragen 2a mit einer Ring- oder Umfangsnut
c3 versehen, die derjenigen nach Fig. 7 ähnlich ist.
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Mit Ausnahme der vorstehend erwähnten Besonderheiten sind die Anordnungen
nach den Fig. 6 bis 9 im wesentlichen identisch mit derjenigen nach Fig. 4, und
man erhält deshalb gleichwertige Ergebnisse wie mit der Anordnung nach Fig. 4.
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Naturgemäß sind auch andere Abwandlungen und Modifikationen für den
Fachmann ohne weiteres möglich, ohne deshalb den Rahmen der vorliegenden Erfindung
zu verlassen.
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