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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor mit einer direkt
gesteuerten Ventilnadel nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
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Ein
derartiger Kraftstoffinjektor ist beispielsweise durch die
DE 10 2005 004 738
A1 bekannt geworden. Bei diesem bekannten Kraftstoffinjektor
ist zwischen dem Piezo-Aktor und der Düsennadel ein hydraulischer
Koppler vorgesehen, und die Nadelbewegung folgt direkt der Aktorbewegung.
Der Piezo-Aktor ist in einem Aktoraufnahmeraum angeordnet, der an
einen Hochdruckspeicher des Kraftstoffs angeschlossen ist. In
DE 10 2005 004 738
A1 ist über die Abdichtung des Piezo-Aktors gegenüber
dem Kraftstoff nichts ausgesagt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Piezo-Aktoren, welche sich im Injektorgehäuse
befinden, vor Feuchtigkeit (Diesel, H2O,
RME, sonstigen elektrisch leitenden Substanzen), Partikeln und Schwebstoffen sowie
den hohen Drücken, Druck- und Temperaturschwankungen zu
schützen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
einer Wärmeausdehnung des Elastomers wird das Ausgleichselement
das als Hülse, Ringkolben oder Kolben ausgeführt
sein kann, axial in Richtung Aktorkopf geschoben, bis das Elastomer seine
maximale Volumenausdehnung erreicht hat. Bei Abkühlung
zieht sich das Elastomer zusammen und verringert dabei sein Volumen,
und das Ausgleichselement wird nun über den anliegenden
Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer
nachgeführt. Das Ausgleichelement stellt so den nötigen
Hub- und Temperaturausgleich am Aktormodul (–40 bis +160°C)
sicher. Dabei ist die Permeation von Feuchtigkeit (Diesel, H2O, RME, sonstigen elektrisch leitenden Substanzen) über
geeignete Hochdruckdichtelemente, Beschichtungen oder Beschichtungsgeometrien
auf ein Minimum zu reduzieren. Die Auslegung mit einer Trennung
von Temperaturausgleich und Funktionsbewegung ermöglicht
einen erheblichen Gewinn an Bauraum und ermöglicht so eine
robustere konstruktive Auslegung. Die Bauteile können mit
zusätzlichen geometrischen Anpassungen z. B. die Radialkräfte
erhöhen und so eine Unterstützung der Dichtkraft
erreichen.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung
sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen
entnehmbar.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind
in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Die in den Figuren gezeigten
Merkmale sind rein schematisch und nicht maßstäblich
zu verstehen. Es zeigt:
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1 eine
erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors in einem Längsschnitt;
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2 eine
vergrößerte Ansicht eines in 1 gezeigten,
nach außen abgedichteten Aktormoduls mit einem Differentialkolben;
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3a und 3b zwei
Abdichtungsmodifikationen des in 2 gezeigten
Aktormoduls;
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4 eine
zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors mit einem nach außen abgedichteten
Aktormodul und mit einem Ringkolben in einer Darstellung analog
zu 2;
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5a und 5b zwei
Abdichtungsmodifikationen des in 4 gezeigten
Aktormoduls;
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6 eine
dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors mit einem nach außen abgedichteten
Aktormodul und mit einem integrierten Ausgleichkolben in einer Darstellung
analog zu 2; und
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7a und 7b zwei
Abdichtungsmodifikationen des in 6 gezeigten
Aktormoduls.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Der
in 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 weist
ein Injektorgehäuse 2 mit einem Düsenkörper 3 auf,
der mit seinem unteren Ende in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
ragt. Zwischen Injektorgehäuse 2 und Düsenkörper 3 ist
eine Zwischenplatte 4 mit einer Führungsbohrung 5 angeordnet,
in der eine Ventil- oder Düsennadel 6 axial verschiebbar
geführt ist. Zwischen der Spitze der Düsennadel 6 und
dem Düsenkörper 3 ist ein Dichtsitz 7 gebildet,
dem im Düsenkörper 3 ausgebildete und
in den Brennraum hineinragende Einspritzöffnungen 8 nachgeordnet
sind. Im Düsenkörper 3 ist dem Dichtsitz 7 vorgelagert
ein Hochdruckraum 9 ausgebildet. Das Injektorgehäuse 2 weist
in einem oberen Bereich einen Aktoraufnahmeraum 10 auf,
an den ein Kraftstoffzulauf 11 angeschlossen ist. Der Kraftstoffzulauf 11 ist
an ein Hochdrucksystem, beispielsweise an ein Common- Rail-System
einer Dieseleinspritzvorrichtung, angeschlossen. Durch die Zwischenplatte 4 führt eine
Verbindungsbohrung 12, so dass der über den Kraftstoffzulauf 11 in
den Aktoraufnahmeraum 10 eingeleite Kraftstoff unter Hochdruck
in den der Düsennadel 6 zugeordneten Hochdruckraum 9 geleitet wird.
Im Aktoraufnahmeraum 10 ist ein Piezo-Aktor 13 angeordnet,
der einen mit dem Injektorgehäuse 2 fest verbundenen
Aktorfuß 14, einen Aktorkopf 15 und dazwischen
das eigentliche piezoelektrische Element (Piezostapel) 16 umfasst,
wobei der Aktorkopf 15 und der Piezostapel 16 gegenüber
dem Aktorfuß 14 im Durchmesser reduziert sind.
Der Aktorkopf 15 ist ebenfalls in der Führungsbohrung 5 geführt
und definiert darin zusammen mit der Düsennadel 6 einen
Kopplerraum 17, wodurch die Düsennadel 6 mit
dem Piezo-Aktor 13 hydraulisch bewegungsgekoppelt ist.
Weiterhin greift an der Düsennadel 6 eine an der
Zwischenplatte 4 abgestützte Schließfeder 18 an,
die die Düsenadel 6 in Schließrichtung
drückt.
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Im
gezeigten geschlossenen Zustand der Einspritzöffnungen 8 ist
der Dichtsitz 7 durch die Düsennadel 6 geschlossen.
Der über den Kraftstoffzulauf 11 in den Aktoraufnahmeraum 10 gelangte
Kraftstoffdruck liegt im Hochdruckraum 9 und im Kopplerraum 17 gleichermaßen
an. In diesem Zustand ist die im Kopplerraum 17 auf die
Düsennadel 6 wirkende hydraulische Schließkraft
gleich der im Hochdruckraum 9 auf die Düsennadel 6 wirkende
hydraulische Öffnungskraft, so dass die Düsennadel 6 durch
die Schließfeder 18 in ihre geschlossene Lage
gedrückt ist. Wird die Spannung am Piezo-Aktor 13 reduziert bzw.
der Piezo-Aktor 13 stromlos geschaltet, wird die Länge
des Piezo-Aktors 13 in vertikaler Richtung reduziert und
der Aktorkopf 15 bewegt sich nach oben. Dadurch vergrößert
sich das Volumen im Kopplerraum 17, wodurch dort eine Druckreduzierung
stattfindet und die auf die Düsennadel 6 wirkende Schließkraft
der Schließfeder 18 überwunden wird. Die
Düsennadel 6 hebt vom Dichtsitz 7 ab
und gibt die Einspritzöffnungen 8 für
eine Kraftstoffeinspritzung frei. Durch Bestromen des Piezo-Aktors 13 wird wieder
eine Verlängerung des Piezo-Aktors 13 eingeleitet,
die im Kopplerraum 17 einen Druckanstieg erzeugt, der zum
Schließen der Düsennadel 6 führt. Die
auf die Düsennadel 6 wirkende Schließfeder 18 hält
die Düsennadel 6 dann am Dichtsitz 7,
also im geschlossenen Zustand.
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Wie
in 2 vergrößert dargestellt, ist
der Piezostapel 16 von einer Hülse 20 aus
Metall umgeben, die auf dem Piezo-Aktor 13 schwimmend,
d. h. axial verschiebbar, gelagert ist und die den Piezostapel 16 gegenüber
dem Aktoraufnahmeraum 10 abdichtet und somit vor Kraftstoff
und Wassereintritt schützt. In den Aktorfuß 14 ist
eine Fußdichtung (Gleitdichtung) 21 integriert,
auf der die Hülse 20 axial verschiebbar gelagert
ist. Am anderen Ende der Hülse 20 ist innenseitig
ein Ring 22 hochdruckdicht angeschweißt, in den
eine Kopfdichtung (Gleitdichtung) 23 integriert ist, die
auf dem Aktorkopf 15 axial verschiebbar gelagert ist. Der
Ringraum zwischen Hülse 20 und Piezo-Aktor 13 ist
mit einem Elastomer 24 (z. B. Fluorelastomere) ausgefüllt,
das der Wärmeabfuhr vom Piezostapel 16 zur Hülse 20,
zur elektrischen Isolation und als Stützelement gegenüber der
Hülse 20 unter den herrschenden Systemdrücken
von bis zu 2500 bar dient. Als Dichtungen 21, 23 können
metallische sowie elastomere Hochdruckdichtelemente verwendet werden.
Bei der Materialwahl sollten gepaarte Elemente am Aktorfuß 14 und am
Aktorkopf 15 in Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizient
so gewählt werden, dass eine enge Tolerierung bei geringer
radialer Dehnung möglich ist. Auf diese Weise ist eine
geeignete Hochdruckabdichtung möglich.
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Die
schwimmende Hülse 20 kann die Volumenänderung
des an ihrer einen Ringstirnfläche 25a anliegenden
Elastomers 24 ausgleichen, indem sie sich entlang der Fußdichtung 21 axial
verschieben lässt. Der Aktorkopf 15 kann entlang
der Kopfdichtung 23 gleiten und setzt an dieser Stelle
seine Funktionsbewegung um. Bei einer Wärmeausdehnung des
am Aktorfuß 14 abgestützten Elastomers 24 wird die
Hülse 20 axial in Richtung Aktorkopf 15 geschoben
und gleitet dabei mit ihren Dichtelementen 21, 23 hochdruckdicht
am Aktorfuß 14 und Aktorkopf 15 entlang,
bis das Elastomer 24 seine maximale Volumenausdehnung erreicht
hat. Bei Abkühlung zieht sich das Elastomer 24 zusammen
und verringert dabei sein Volumen. Die Hülse 20 wird
nun über den an ihrer anderen Ringstirnfläche 25b anliegenden
Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer 24 nachgeführt.
Unterstützend wirkt dabei, dass unter den isostatischen
Druckverhältnissen im Aktoraufnahmeraum 10 die
Hülse 20 aufgrund der Ringstirnfläche 25b im
Kopfbereich mit einer höheren Kraft beaufschlagt ist als
im Fußbereich Die Hülse 20 sorgt so immer
für einen Druckausgleich innerhalb und außerhalb
der Hülse 20, sodass diese bei hohen Drücken
und möglichen Unterdrücken nicht verformt wird.
Aufgrund der zusätzlichen Ringstirnfläche 25 bildet
die Hülse 20 somit einen beweglichen Differentialkolben,
der den nötigen Hub- und Temperaturausgleich am Piezo-Aktor 13 im
Temperaturbereich von –40 bis +160°C sicherstellt.
Dabei ist die Permeation von Feuchtigkeit (Diesel, Wasser, RME)
oder von sonstigen elektrisch leitenden Substanzen über
geeignete Beschichtungen, Beschichtungsgeometrien bzw. geeigneten
Hochdruckdichtelemente 21, 23 am Ring 22 und
am Aktorfuß 14 auf ein Minimum zu reduzieren.
Die Werkstoffpaarungen von Hülse 20, Aktorfuß 14,
Aktorkopf 15 und Ring 22 müssen in Festigkeit
und Wärmeausdehungskoeffizienten so gewählt werden,
dass die Dichtelemente 21, 23 so klein wie möglich
ausgelegt werden können und keine geometrische Überbestimmung
zwischen den beweglichen Dichtstellen stattfindet. Der Ring 22 und
der Aktorfuß 14 können in ihrer Geometrie
und Form entsprechend der gewählten Dichtungsart angepasst und
gestaltet werden. Durch das Anformen einer Ausgleichsgeometrie,
z. B. Balgstrukturen, an der Hülse 20 können
radiale Toleranz-, Verschleiß-, Hub-, und Temperaturausgleiche
unterstützt werden.
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Wie
in 3a gezeigt, kann durch zwei Ringnuten 26,
also durch einen H-förmigen Querschnitt des Rings 22,
eine zusätzliche radiale Anpresskraft der Fuß-
und Kopfdichtungen 21, 23 erreicht werden. Die
Hülse 20 kann durch entsprechende Geometrieauslegung
eine zusätzliche radiale Kraft aufbringen und so eine Unterstützung
der Dichtkraft erreichen. Der Hinterschnitt der Hülse 20 ermöglicht
eine zusätzliche Radialkraft auf die Kopfdichtung 23.
Auf diese Weise können Verschleiß und Temperaturunterschiede
ausgeglichen werden. Optional kann die radiale Anpresskraft noch
durch Federn 27 erhöht werden, die die Schenkel 28 des H-förmigen
Querschnitts radial auseinanderspreizen. Statt dem gezeigten H-förmigen
Querschnitt kann der Ring 22 lediglich auf seiner dem Aktoraufnahmeraum 10 zugewandten
Stirnseite einen U-förmigen Querschnitt aufweisen. Wie
in 3b gezeigt, kann an der Fußdichtung 21 ein
zusätzlicher radialer Anpressdruck auch durch Reduzierung
der Wandung der Hülse 20 erreicht werden.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Hülse 20 einenends
am Aktorfuß 14 hochdruckdicht angeschweißt
und anderenends mit einem Ringkolben 40 verschlossen, der
mittels Gleitdichtungen 41, 42 in der Hülse 20 und
auf dem Aktorkopf 15 axial verschiebbar gelagert ist. Der
Kopplerraum 17 ist innerhalb einer Kopplerhülse 43 ausgebildet,
in der der Aktorkopf 15 sowie optional auch die Düsennadel 6 verschiebbar
geführt sind. Die beiden Gleitdichtungen 41, 42 sind
am Ringkolben 40 vorgesehen und ermöglichen das
Gleiten und hochdruckdichte Abdichten des Ringkolbens 40 relativ
zur Hülse 20 (Temperaturausgleich) und relativ
zum Aktorkopf 15 (Funktionshubbewegung). Die Werkstoffpaarungen
von Aktorkopf 15, Hülse 20 und Ringkolben 40 sollten
in Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten so gewählt
sein, dass die Gleitdichtungen 41, 42 so klein
wie möglich ausgelegt werden können. Als Dichtungen 41, 42 können
metallische sowie elastomere Hochdruckdichtelemente verwendet werden.
Der Ringkolben 40 kann in Länge und Form entsprechend
der gewählten Dichtungsart gestaltet werden. Der Ringkolben 40 kann
die Volumenänderung des an seiner einen Ringstirnfläche 44a anliegenden Elastomers 24 ausgleichen,
indem er sich mit seiner äußeren Gleitdichtung 41 innerhalb
der Hülse 20 axial verschiebt. Der Aktorkopf 15 kann
entlang der inneren Gleitdichtung 42 gleiten und setzt
an dieser Stelle seine Funktionsbewegung um. Bei einer Wärmeausdehnung
des am Aktorfuß 14 abgestützten Elastomers 24 wird
der Ringkolben 40 zur Volumenvergrößerung
axial in Richtung auf das freie Aktorkopfende geschoben und gleitet
dabei mit seinen Gleitdichtungen 41, 42 hochdruckdicht
innerhalb der Hülse 20 und am Aktorkopf 15 entlang,
bis das Elastomer 24 seine maximale Volumenausdehnung erreicht
hat. Bei Abkühlung zieht sich das Elastomer 24 zusammen
und verringert dabei sein Volumen. Der Ringkolben 40 wird
nun über den an seiner anderen Ringstirnfläche 44b anliegenden
Hochdruck des Kraftstoffs zurückgeschoben und dem Elastomer 24 nachgeführt.
Der Ringkolben 40 sorgt so immer für einen Druckausgleich
gegenüber der Hülse 20, sodass diese
bei hohem Druck nicht verformt wird. Zur Unterstützung
kann der Ringkolben 40 mit einer an der Kopplerhülse 43 abgestützten
Feder 45 in Anlage an das Elastomer 24 vorgespannt
sein.
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Wie
in 5a gezeigt, kann durch zwei Ringnuten 46,
also einen H-förmigen Querschnitt des Ringkolbens 40,
eine zusätzliche radiale Anpresskraft der Gleitdichtung 41, 42 erreicht
werden. Auf diese Weise können Verschleiß und
Temperaturunterschiede sowie eine mögliche Leckage aufgrund Verschleißes
ausgeglichen werden. Optional kann die radiale Anpresskraft noch
durch Federn analog wie in 3a erhöht
werden. Wie in 5b gezeigt, kann an die Hülse 20 ein
Balg 47 angeformt oder angeprägt sein, der – insbesondere
für den Fall einer geometrischen Überbestimmung
in der Toleranzkette (Aktorfuß 14, Hülse 20,
Ringkolben 40, Aktorkopf 15) – einen
radialen Toleranzausgleich am Piezo-Aktor 13 ermöglicht.
Der Balg 46 kann durch seine radial und axial flexiblen
Eigenschaften ein Klemmen bzw. einen erhöhten Verschleiß an
Ringkolben 40, Hülse 20 und Aktorkopf 15 reduzieren.
Neben einer klassischen Blagstruktur sind auch andere Ausgleichsanprägungen
an der Hülse 20 möglich.
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Bei
der in 6 gezeigten Ausführungsform ist die Hülse 20 am
Aktorfuß 14 und am Aktorkopf 15 hochdruckdicht
verschweißt und dazwischen als Balg 47 ausgebildet.
Ein Kolben 60 ist in einer Führungsbohrung 61 des
Aktorkopfs 15 mittels einer Gleitdichtung oder -beschichtung 62 axial
verschiebbar und hochdruckdicht geführt und begrenzt in
der Führungsbohrung 61 zwei Kolbenräume 63a, 63b. Der
in 6 obere Kolbenraum 63a ist über
Elastomer-Zulaufbohrungen 64 mit dem vom Elastomer 24 ausgefüllten
Ringraum und der untere Kolbenraum 63b über Hochdruckzulaufbohrungen 65 mit
dem Aktoraufnahmeraum 10 verbunden. Zur Abstimmung des
Kolbens 60 können optional Federn 66 eingesetzt
werden, um eventuell vorhandene Kraftunterschiede zwischen Elastomer 24 und
Kraftstoff sowie Reibungskräfte auszugleichen. Die Führungsbohrung 61 ist
eine im Aktorkopf 15 ausgebildete Sackbohrung, die mit
einem Verschlusselement 67 geschlossen ist. Die Hülse 20 nimmt über
ihre Balgstruktur oder eine andere wegausgleichende Geometrie die
Hubbewegung aus der Aktorfunktion in axialer Richtung auf. Der Kolben 60 gleicht
lediglich die Wärmedehnung des Elastomers 24 und
der anderen Bauteile aus und verhindert so eine radiale Dehnung
bzw. mögliche Überbeanspruchung der Hülse 20.
Gleichzeitig werden Druckschwankungen im Aktoraufnahmeraum 10 durch
den Kolben 60 so kompensiert, dass die Hülse 20 jederzeit
druckausgeglichen ist und sich nicht unzulässig verformt.
Bei einer Wärmeausdehnung des am Aktorfuß 14 abgestützten
Elastomers 24 wird der Kolben 60 durch das an
seiner einen Kolbenfläche 68a anliegende Elastomer 24 so
weit in Richtung auf das freie Aktorkopfende geschoben, bis das
Elastomer 24 seine maximale Volumenausdehnung erreicht
hat. Das Elastomer 24 ist idealerweise ohne Steifigkeits-,
Druck- und Strömungsverluste mit dem Kolben 60 verbunden,
wobei die entsprechende Abstimmung über Anzahl, Bohrungsdurchmesser
und Form der Zulaufbohrungen 64 erfolgt. Bei Abkühlung
zieht sich das Elastomer 24 zusammen und verringert dabei
sein Volumen. Der Kolben 60 wird nun über den
im unteren Kolbenraum 63b herrschenden und an seiner anderen
Kolbenfläche 68b angreifenden Hochdruck des Kraftstoffs
zurückgeschoben und dem Elastomer 24 nachgeführt. Der
Kolben 60 sorgt so immer für einen Druckausgleich
innerhalb und außerhalb der Hülse 20,
sodass diese bei hohen Drücken und möglichen Unterdrücken
nicht verformt wird. Die Werkstoffpaarungen von Hülse 20,
Kolben 60, Aktorfuß 14 und Aktorkopf 15 sollten
in Festigkeit und Wärmeausdehnungskoeffizienten so gewählt
sein, dass die Gleitdichtung 62 am Kolben 60 so
klein wie möglich ausgelegt werden kann. Als Gleitdichtung 62 können
metallische sowie elastomere Hochdruckdichtelemente verwendet werden.
Der Kolben 60 kann in seiner Geometrie und Form entsprechend
der gewählten Dichtungsart angepasst und gestaltet werden.
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Wie
in 7a gezeigt, kann jeweils durch zwei Ringnuten 69,
also durch einen doppel-H-förmigen Querschnitt des Kolbens 60 eine
zusätzliche radiale Anpresskraft der Gleitdichtung 62 erreicht
werden. Auf diese Weise können Verschleiß und
Temperaturunterschiede sowie eine mögliche Leckage aufgrund
Verschleißes ausgeglichen werden. Optional kann die radiale
Anpresskraft noch durch Federn 70 analog wie in 3a erhöht
werden. Wie in 7b gezeigt, kann auch jeweils
durch eine Ringnut 69, also durch einen H-förmigen
Querschnitt des Kolbens 60, eine zusätzliche radiale
Anpresskraft der Gleitdichtung 62 erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005004738
A1 [0002, 0002]