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Stand der Technik
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Zum
Einbringen von Kraftstoff in direkteinspritzende, selbstzündende
Verbrennungskraftmaschinen werden derzeit vermehrt hubgesteuerte Hochdruckspeichereinspritzsysteme
(Common-Rail-Systeme) eingesetzt. Durch das hubgesteuerte Hochdruckspeichereinspritzsystem
lässt sich der Einspritzdruck an Last und Drehzahl der
Verbrennungskraftmaschine anpassen.
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Im
Allgemeinen werden in hubgesteuerten Hochdruckspeichereinspritzsystemen
Kraftstoffinjektoren eingesetzt, die mit 2/2-Steuerventilen betrieben werden.
Durch das 2/2-Steuerventil wird ein Steuerraum mit einem Kraftstoffzulauf,
durch den unter Systemdruck stehender Kraftstoff zugeführt
wird, oder mit einem Kraftstoffrücklauf in den Niederdruckbereich
verbunden. Hierdurch lässt sich der Druck im Steuerraum
auf Systemdruck oder auf Rücklaufdruck einstellen. Der
im Steuerraum herrschende Druck wirkt auf einen Steuerkolben, der
wiederum ein Einspritzventilglied betätigt. Bei hohem Druck
im Steuerraum (Systemdruck) wird das Einspritzventilglied so in
seinen Sitz gestellt und die Einspritzöffnungen sind verschlossen.
Bei niedrigem Druck im Steuerraum (Rücklaufdruck) hebt
sich das Einspritzventilglied aus seinem Sitz und Kraftstoff wird
in den Brennraum eingespritzt.
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Um
die Emissionen der Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren und hohe
spezifische Leistungen zu erzielen, ist es notwendig, den Kraftstoff mit
ständig steigenden Einspritzdrücken in den Brennraum
der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen. Durch den immer höher
werdenden, geforderten Einspritzdruck (Systemdruck) verändern
sich auch die Anforderungen an ein Schaltventil, wie zum Beispiel
ein 2/2-Steuerventil. Bei derzeit eingesetzten Schaltventilen wird
die Verbindung vom Steuerraum in den Kraftstoffrücklauf,
d. h. zum Niederdruckbereich, durch ein kugelförmiges Schließelement verschlossen.
Dieses wird gegen den Druck im Steuerraum über ein Druckstück,
einen Ankerbolzen und eine Feder in seinen Sitz gestellt. Um das
Steuerventil zu öffnen, wird der Ankerbolzen mit Hil fe
eines Magnetkreises gegen die Federkraft angehoben. Da bei steigendem
Einspritzdruck eine größere Federkraft erforderlich
ist, um das Schaltventil zu schließen, muss auch zum Öffnen
des Schaltventils eine größere Magnetkraft aufgebracht
werden. Bei Einspritzdrücken von mehr als 1800 bar ist
dieses aus dem Stand der Technik bekannte Prinzip nur unter schwierigen Bedingungen
aufrechtzuerhalten.
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Aus
EP 1 612 403 A1 ist
ein hydraulisches 2/2-Wege-Ventil bekannt, welches über
einen als Elektromagneten ausgebildeten Aktor und auch über einen
als Piezostelle ausgebildeten Aktor betätigbar ist. Das
2/2-Wege-Schaltventil betätigt ein Schließelement.
Aufgrund der hohen auftretenden hydraulischen Drücke des
als Hydraulikmedium verwendeten Kraftstoffes werden an die Leckagefreiheit
des Hydraulikventiles sehr hohe Anforderungen gestellt. Die bevorzugte
Ausbauform solcher Hydraulikventile sind daher Sitzventile, bei
denen zum Schließen ein Schließelement in einen
feststehenden stationären Sitz gestellt wird. Vorzugsweise
sind diese Sitzventile druckausgeglichen ausgeführt, so
dass der Hydraulikdruck des zu steuernden Kraftstoffes dem Schließvorgang
nicht wesentlich entgegenwirkt. Die druckausgeglichene Ausführung
eines derartigen 2/2-Wege-Ventils reduziert die erforderliche Schließkraft
und verbessert die Dynamik des Ventiles und damit des gesamten Kraftstoffinjektors.
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Dem
als Stand der Technik herangezogenen Schaltventil gemäß 1,
welches als Hülsenventil ausgebildet ist, ist ein innerhalb
eines hülsenförmig ausgebildeten Schließelementes
verlaufender Bolzen zu entnehmen, mit dem die auftretenden hydraulischen
Kräfte auf das Injektorgehäuse abgestützt werden.
Eine Passung zwischen dem hülsenförmigen Schließelement
und dem Bolzen ist sehr eng toleriert, da sie im geschlossenen Zustand
des Hydraulikventiles, bei dem das Schließelement in den
Ventilsitz gestellt ist, den Kraftstoffdruck gegenüber
dem drucklosen Kraftstoffrücklauf abdichten muss.
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Bei
einer Serienfertigung verursachen hohe Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit
der betroffenen Bauteile insbesondere hinsichtlich der Toleranzen
der Führungen einen erheblichen Fertigungsaufwand. Im in 1 dargestellten
Beispiel wird ein Flachsitz als Dichtfläche verwendet.
Dies reduziert zwar die Anforderungen an die radiale Lagegenauigkeit
des Schließelementes, denn das Schließelement
kann ohne Funktionsnachteile innerhalb eines Toleranzfeldes auf
der Dichtfläche horizontal verschobene Lagen einnehmen,
andererseits wird bei Dichtaufgaben mit sehr hohen hydraulischen
Drücken die Verwendung von konischen Dichtflächen bevorzugt.
Hier können höhere Flächenpressungen und
damit geringere Leckagen erreicht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, bei einem zum Beispiel als Hülsenventil
ausgeführten hydraulischen Schaltventil, an dem ein Kegelsitz
ausgebildet ist, eine zentrische Ausrichtung eines Schließelementes
zum als Kegelsitz ausgebildeten Ventilsitz zu schaffen. Bei einem
als Kegelsitz ausgebildeten Ventilsitz und einem schwimmend gelagerten
Ankerbolzen einer Ankerbaugruppe wird eine Zentrierung über
die Relativbewegung eines Führungsbolzens an einer oberen
Anlagefläche erreicht. Dabei werden die in radiale Richtung
wirkenden Kräfte im Ventilsitz verwendet, um den Führungsbolzen
relativ zum Ventilsitz auszurichten. Die sichere Funktion ist abhängig
von den Abmessungen der Ventilgruppe, d. h. der Länge des
Ankerbolzens beziehungsweise des Führungsbolzens, sowie
des Sitzwinkels, welcher am als Kegelsitz ausgebildeten Ventilsitz
ausgeführt ist. Je flacher der Kegelwinkel am Kegelsitz
ausgebildet ist, desto geringer sind die in radialer Richtung wirkenden
Kräfte.
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
folgend, wird das Schließelement über einen nach
unten verlängert ausgebildeten Führungsbolzen
zentriert. Der Führungsbolzen zentriert sich über eine
stirnseitig ausgebildete Kugelfläche im Ventilstück.
In das Ventilstück ist eine Kegelfläche eingearbeitet,
die zusammen mit der Sitzfläche des Ventilstücks
gefertigt wird. Der Führungsbolzen wird über eine
Axialkraft, die größer ist als die von unten auf diesen
wirkende hydraulische Kraft, in die Kegelfläche gedrückt
und zentriert sich dort. Ist der Führungsbolzen rechtwinklig
zum Ventilstück und zum feststehenden Sitz ausgerichtet,
ist eine ideale Orientierung des Schließelementes gegeben.
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Um
eine einfache und kostengünstig herstellbare Konstruktion
zu gewährleisten, wird ein eventuell verbleibender Winkelfehler
zwischen dem Führungsstift und dem Ventilstück
kardanisch ausgeglichen, wobei der feststehende Sitz idealerweise
als Kugelfläche ausgeführt ist. Der Mittelpunkt
dieser Kugelfläche stellt gleichzeitig den Drehpunkt des
Führungsstiftes dar, falls dieser verkippt wird. Der Hauptvorteil
dieser Konstruktion ist darin zu erblicken, dass ein Ventilstück,
in welchem der Steuerraum zur Betätigung des Einspritzventilgliedes
ausgebildet ist, und Anker sowie Führungsbolzen einer über
ein Magnetventil betätigten Ventilgruppe nicht zueinander
gepaart werden müssen. Die korrekte Ausrichtung erfolgt
bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung
selbsttätig. Die für die Zentrierung relevanten Flächen,
d. h. die dem Sitz zuweisende Stirnseite des Führungsbolzens
und die Kegelfläche im Ventilstück, können
sehr einfach gefertigt werden. Da der Führungsbolzen spielfrei
in die Kegelfläche gedrückt wird, tritt aufgrund
der Zentrierung kein zusätzliches Spiel hinzu. Über
die Kompensation eventueller Winkelfehler über die Kardanik,
die Kugelfläche, die sphärisch verlaufende Anlagefläche
des feststehenden Sitzes, deren Mittelpunkt gleichzeitig den Drehpunkt
des Führungsstiftes bildet, wenn dieser verkippt wird,
können Winkelfehler ausgeglichen werden, so dass eine sichere
präzise Anlage des Schließelementes, welches hülsenförmig
ausgebildet ist, erreicht werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
Ausführungsform eines Schaltventiles für einen
Kraftstoffinjektor gemäß des Standes der Technik
und
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2 die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausbildung des
Schaltventils für den Kraftstoffinjektor.
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Ausführungsformen
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1 zeigt
einen Kraftstoffinjektor gemäß des Standes der
Technik.
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Ein
Kraftstoffinjektor 10 umfasst einen Injektorkörper 12,
in dem ein als Magnetventil 14 ausgebildeter Aktor untergebracht
ist. Das Magnetventil 14 umfasst einen Magnetkern 16,
in den seinerseits eine Magnetspule 18 eingebettet ist.
Die Magnetspule 18 wird über in 1 nicht
dargestellte elektrische Kontaktierungen kontaktiert. Im Magnetkern 16 ist
eine Schließfeder 20 aufgenommen, welche eine
Ankerbaugruppe 22 in Schließrichtung beaufschlagt.
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Die
Ankerbaugruppe 22 ihrerseits umfasst eine Ankerplatte 24 und
einen Ankerbolzen 26, die in der Darstellung gemäß 1 ein
Bauteil darstellen. In der Ankerbaugruppe befindet sich ein Führungsstift 28,
der sich an einer oberen Anlagefläche eines Deckels, in
den der Magnetkern 16 eingelassen ist, abstützt.
Der Ankerbolzen 26 der Ankerbaugruppe 22 ist in
einer Ankerführung 52 aufgenommen, die im Injektorkörper 12 durch
eine Ventilspannmutter 30 fixiert ist. Zwischen die Ventilspannmutter 30 und
ein Ventilstück 32 ist eine klassierte Einstellscheibe 42 eingelegt.
Das Ventilstück 32 umschließt einen Steuerraum 34,
der über eine Zulaufdrossel 36 mit unter Systemdruck
stehendem Kraftstoff beaufschlagt ist. Der Steuerraum 34 zur
Betätigung des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 40 wird über
einen Kanal, in dem eine Ablaufdrossel 38 ausgebildet ist,
druckentlastet.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht hervor,
dass der Ankerbolzen 26 ein Ventilglied darstellt, mit
welchem ein Ventilsitz 50 im Ventilstück 32 geöffnet
oder geschlossen werden kann. Dazu wirkt die Stirnseite des Ankerbolzens 26 mit
einem entsprechend konfigurierten Sitzbereich, der in einer Vertiefung
des Ventilstückes 32 an der Mündungsstelle
des die Ablaufdrossel 38 enthaltenden Kanales ausgebildet
ist.
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Die
Ankerführung 52 umfasst neben dem Führungsstift 28 einen
Bolzen 46. An der Bolzenführung, in welcher der
Bolzen 46 im Ankerbolzen 26 geführt ist,
ist durch Bezugszeichen 54 bezeichnet, während
der Bereich, in dem der Ankerbolzen 26 der Ankerbaugruppe 22 seinerseits
geführt ist, durch Bezugszeichen 52 kenntlich
gemacht ist.
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Abgesteuerte
Menge, welche beim Öffnen des Ventilsitzes 50 aus
dem Steuerraum 34 austritt, strömt über
Abströmbohrungen 56 einem nicht näher dargestellten
Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der
Darstellung in 1 zu.
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2 zeigt
den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ventilsitz
in Schnittdarstellung.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht hervor,
dass ein Schließelement 60 hülsenförmig
aufgenommen ist und eine Bohrung 76 aufweist. Der Führungsstift 28 dient
zusätzlich zur Führung des hülsenförmig
ausgebildeten Schließelementes 60 gemäß der
Darstellung in 2 und ist mit engem Spiel zur Bohrung 76 im
Schließelement 60 paarungsgeschliffen. Nach der
Montage des Schaltventiles ist das in 2 teilweise
dargestellte Ventilstück im Injektorkörper 12 des
Kraftstoffinjektors 10 fest verschraubt. Der Führungsstift 28 stützt
sich auf einer unteren Stirnseite 72 an einer im Ventilstück 32 ausgebildeten Kegelfläche 74 ab. Über
eine in 2 nicht dargestellte Feder,
eine Verschraubung oder über eine hydraulische Kraft ist
der Führungsstift 28 nach unten in die Kegelfläche 74 gedrückt.
Eine Kraft 68, eine Axialkraft auf den Führungsstift 28,
ist größer als eine dieser entgegenwirkende hydraulische
Kraft, vergleiche Bezugszeichen 70. Die hydraulische Kraft 70 wird
aufgrund des zu schaltenden Druckes, d. h. des Systemdruckes, der
in einem Hochdruckspeicher (Common-Rail) durch ein nicht dargestelltes
Förderaggregat erzeugt wird, und den Kraftstoffinjektor 10 beaufschlagt,
von unten auf die Stirnseite 72 des Führungsstiftes 28.
Die sich einstellende Differenzkraft stellt eine spielfreie Anlage
des Führungsstiftes 28 in der Kegelfläche 74 im
Ventilstück 32 sicher. Der Führungsstift 28 übernimmt
zusätzlich die Führung des hülsenförmig
ausgebildeten Schließelementes 60 und ist mit engem
Spiel zur Bohrung 76 im hulsenförmig ausgebildeten
Schließelement 60 paarungsgeschliffen.
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2 zeigt,
dass bei geschlossenem Ventil das hülsenförmig
ausgebildete Schließelement 60 über eine
in 2 nicht dargestellte Feder in Schließrichtung
beaufschlagt, in den Ventilsitz 50 gedrückt wird.
Stirnseitig am hülsenförmig ausgebildeten Schließelement 60 ist
ein Sitz angeschliffen, der mit einer im Bereich des Ventilsitzes 50 ausgebildeten
Sitzfläche, die hier als Kugelfläche 62 ausgebildet ist,
zusammenwirkt und in der Schließstellung des hülsenförmig
ausgebildeten Schließelementes 60 den Ventilsitz 50 schließt.
Der Radius, in dem die Kugelfläche 62 verläuft,
ist bezogen auf einen Mittelpunkt 66 im Ventilstück 32.
Aufgrund des Umstandes, dass die Bohrung 76 im hülsenförmig
ausgebildeten Schließelement 60 und der Ventilsitz 50 in
einer Aufspannung geschliffen sind, ergibt sich eine extrem geringe
Fertigungstoleranz. Gleiches gilt für den am feststehenden
Ventilstück 32 ausgebildeten Sitz 50, beziehungsweise
dessen Kugelfläche 62. Auch die Kegelfläche 74,
die im Ventilstück 32 ausgebildet ist, wird ebenfalls
in einer Aufspannung und hoher Präzision gefertigt.
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Für
den Fall, dass der Führungsstift 28 nicht genau
senkrecht zum Ventilstück 32 ausgerichtet ist, verkippt
sich der Führungsbolzen 28 entlang der Kugelfläche 62.
Der Drehpunkt, um den diese Verkippung stattfindet, ist der Mittelpunkt 66,
um welchen die Kugelfläche 62 im Bereich des Ventilsitzes 50 in einem
Kugelradius 64 ausgebildet ist. Mit dem Mittelpunkt 66,
um welches der Kugelradius 64 der Kugelfläche 62 des
Ventilsitzes 50 geschlagen ist, deckt sich der Drehpunkt
des Führungsstiftes 28, wodurch dieser bei einem
eventuell auftretenden Verkippen stets in eine sichere Anlage zum
Ventilsitz 50 gelangt.
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Aufgrund
des Umstandes, dass der Kugelradius 64 der Kugelfläche 62 am
Ventilsitz 50 und der Radius 78, um den der Führungsstift 28 in
Bezug auf den Mittelpunkt 66 verkippt, zusammenfallen,
ergibt sich eine kardanische Kompensation, die Winkelfehler ausgleichen
kann, so dass eine präzise Anlage der Stirnseite des hülsenförmig
ausgebildeten Schließelementes 60 im Ventilsitz 50 stets
gewährleistet ist. Der Vorteil dieser Konstruktionsvariante
ist der Umstand, dass das Ventilstück 32 und die
Ventilgruppe, die Ankerbaugruppe 32 umfassend, nicht zueinander
gepaart werden müssen. Die für die Zentrierung
relevanten Flächen, so die Stirnseite 72 des Führungsstiftes 82 und
die Kegelfläche 74 im Ventilstück 32,
können in einfacher Weise gefertigt werden. Da der Führungsstift 28 spielfrei
in die Kegelfläche 74 gedrückt wird,
kommt aufgrund der so erreichten Zentrierung kein zusätzliches
Spiel additiv hinzu.
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Wird
das Schaltventil geschaltet, sei es über einen Magnetsteller,
wie in 1 durch Bezugszeichen 14 angedeutet,
sei es durch einen Piezoaktor, der im Kopfbereich des Kraftstoffinjektors 10 angeordnet
ist, kann das hülsenförmig ausgebildete Schließelement 60 auf
dem Führungsstift 28 auf- und abgleiten und den
Ventilsitz 50 entweder freigeben oder verschließen.
Die Abdichtung des Ventilsitzes 50 ist dadurch gewährleistet,
dass unter Berücksichtigung der in Schließrichtung
wirkenden Axialkraft 68 abzüglich der in Öffnungsrichtung
wirkenden hydraulischen Kraft 70 eine Differenzkraft verbleibt,
die eine spielfreie Anlage im Bereich des Kopfes des Führungsstiftes 28 im
Bereich der Stirnseite 72 in die Kegelfläche 74 des
Ventilstücks 32 gewährleistet.
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Um
ein Abströmen aus dem Steuerraum 34 beim Öffnen
des hülsenförmig ausgebildeten Schließelementes 60 austretender
Menge zu ermöglichen, befinden sich am Kopf des Führungsstiftes 28 ausgehend
von dieser Stirnseite 72 Freisparungen 80, über welche
aus dem Steuerraum 34 abgesteuerte Menge ungehindert zum
Ventilsitz 50 strömen kann. Aus 2 geht
hervor, dass am Umfang des Kopfes des Führungsstiftes 28 in
der in 2 dargestellten Ausführungsform drei
Freisparungen 80, die jeweils in einem Winkel von 120° zueinander
orientiert sind, ausgebildet sind. Anstelle der drei am Kopf des
Führungsstiftes 28 gemäß der
Darstellung in 2 ausgebildeten Freisparungen 80 können
auch zwei oder vier mit entsprechendem Winkelversatz ausgebildete Aussparungen 80 vorliegen.
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Des
Weiteren ist in 2 eine Ausführungsvariante
angedeutet, gemäß der – wie in 2 gestrichelt
angedeutet – eine Sacklochbohrung 82 durch den
Kopf des Führungsstiftes 28 verläuft.
Die Sacklochbohrung 82 steht in Strömungsverbindung
mit einer quer zu dieser verlaufenden Querbohrung 84, die in
der Darstellung gemäß 2 ebenfalls
gestrichelt angedeutet ist. Aus dem Steuerraum 34 abgesteuerte
Menge kann gemäß dieser alternativen Ausführungsform
des Ventilsitzes durch die Sacklochbohrung 82 und die mit
dieser in Verbindung stehende Querbohrung 84 im Bereich
des Ventilsitzes 50 einen Ringraum vor dem Ventilsitz 50 absteuern.
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Sind
sehr kleine Schiefstellungen des Führungsstiftes 28 im
Bereich des Ventilsitzes 50 gemäß der
Darstellung in 2 zu erwarten, kann am feststehenden
Ventilsitz 52, d. h. an der Stirnfläche des Ventilstückes 32,
auch eine Kegelfläche anstelle der in 2 dargestellten
Kugelfläche 62 angeschliffen werden. Dabei ist
der Kegelwinkel so zu wählen, dass im Bereich des Ventilsitzes 50 die
Sitzfläche tangential zur durch den Radius 64 aufgespannten Kugelfläche 62 verläuft.
Gleiches gilt für die im Ventilstück 32 ausgebildete
Kegelfläche 74, bei der anstelle der dargestellten
Kegelfläche 74 eine Kugelfläche ausgebildet
sein müsste. Aufgrund der kleinen zu erwartenden Winkelfehler
im Bereich weniger Grade sind die Unterschiede zwischen der in 2 dargestellten
Kegelfläche 74 und der alternativ dazu im Ventilstück 32 vorsehbaren
Kugelfläche vernachlässigbar.
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Gemäß der
in 2 dargestellten Ausführungsform wird
das hülsenförmig ausgebildete Schließelement 60 über
den nach unten verlängerten Führungsstift 28 zentriert.
Die Zentrierung übernimmt die Kegelfläche 74 des
Ventilstückes 32. Am Ventilstück 32 wird
die in 2 dargestellte Kegelfläche 74 zusammen
mit der Sitzfläche, hier ausgebildet als Kugelfläche 62 am
Ventilstück 32 im Bereich des Ventilsitzes 50 gefertigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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