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Stand der Technik
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Die Anforderungen an die Abgasqualität von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, haben in den letzten Jahren ständig zugenommen. Vor allem bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, wie beispielsweise Dieselmotoren, stellt die NOx-Emission ein großes Problem dar. Diesem wird mit Hilfe von SCR-Katalysatoren (SCR=Selective Catalytic Reduction) entgegen gewirkt. In einem SCR-Katalysator wird umweltschädliches NOx mit Hilfe von NH3 in N2 und H2O umgewandelt, wobei das NH3, d.h. das Ammoniak, in Form einer wässrigen Harnstofflösung dem Katalysator zugeführt wird. Solche Systeme können zwei Module umfassen, ein Fördermodul und ein Dosiermodul, wobei in diesem Falle das Fördermodul die Förderung des Fluides zum Dosiermodul übernimmt. Das Dosiermodul übernimmt die exakte Dosierung des Fluides und dessen Eindüsen in den SCR-Katalysator. Eine Eigenschaft des eingesetzten Reduktionsmittels, d.h. der wässrigen Harnstofflösung ist, dass diese bei einer Temperatur von ca. –11°C gefriert, was zu einer deutlichen Volumenzunahme des Harnstoffes führt. Diese Volumenausdehnung kann zur Zerstörung der Bauteile führen.
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Aus der
DE 10 2010 029 600 A1 ist ein Abgasnachbehandlungssystem bekannt, bei dem die das Reduktionsmittel führenden Komponenten vor Eisdruck geschützt werden. Dazu werden diese bei Stillstand des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise entleert und mit Luft befüllt. Dank der Kompressibilität des Luftvolumens kann der Eisdruck, der durch das gefrierende und sich ausdehnende Reduktionsmittel bewirkt wird, in der Regel ausgeglichen werden. Mit Hilfe von zwei parallel angeordneten und in entgegengesetzter Richtung wirksamen Rückschlagventilen wird verhindert, dass ein vorhandenes Luftvolumen abwandern und/oder Reduktionsmittel in die entleerten Komponenten zurückfließen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein druckgesteuertes Absperrventil für den Einsatz in einem Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, welches ein druckgesteuertes Wechselventil und ein 2-2-Wegeventil umfasst, wobei das 2-2-Wegeventil durch das druckgesteuerte Wechselventil betätigt wird. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst neben dem Absperrventil eine Förderpumpe, die in einem Fördermodus und in einem Rücksaugmodus betrieben werden kann. Im Fördermodus wirkt ein erstes Druckniveau auf das Wechselventil ein und es wird Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank durch das Absperrventil zu einem Dosiermodul gefördert. Im Rücksaugmodus wirkt ein zweites Druckniveau auf das Wechselventil ein und das Reduktionsmittel wird aus dem Dosiermodul durch das Absperrventil zurück in den Reduktionsmitteltank gesaugt. Das Wechselventil ist sowohl durch das erste, als auch durch das zweite Druckniveau schaltbar.. Dadurch besteht die Möglichkeit, das druckgesteuerte Absperrventil sowohl im Fördermodus als auch im Rücksaugmodus der Förderpumpe zu öffnen. Im Gegensatz zu bisher eingesetzten Lösungen, die die Absperrfunktion über zwei gegenläufige Rückschlagventile realisieren, ist es bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung möglich, durch große Schließkräfte eine sehr hohe Dichtheit zu realisieren, ohne dass dabei hohe Druckverluste im Abgasnachbehandlungssystem infolge der Schließkräfte auftreten. Des Weiteren zeichnet sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung dadurch aus, dass das druckgesteuerte Absperrventil in einer sehr kompakten Baugruppe hergestellt werden kann.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Fördermodul, welches das soeben beschriebene Absperrventil umfasst. Mit dem Absperrventil wird verhindert, dass das gefrierfähige Reduktionsmittel aus dem in der Regel höher liegend angeordneten Fördermodul während des Stillstandes des Systems in ein tiefer gelegenes Dosiermodul gelangen kann. In einer vorteilhaften Ausführungsvariante umfasst das erfindungsgemäß vorgeschlagene Fördermodul des Weiteren eine Förderpumpe und ein 4-2-Wegeventil, mit dessen Hilfe das Fördermodul vom Fördermodus in einen Rücksaugmodus geschaltet werden kann. Ferner umfasst das Fördermodul im Allgemeinen eine Rücklaufdrossel, über welche das Fluid, d.h. das gefrierfähige Reduktionsmittel bei geschlossenem Dosiermodul in den Vorratstank gelangen kann.
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Das Absperrventil des Fördermoduls umfasst ein druckgesteuertes Wechselventil und ein 2-2-Wegeventil, wobei das 2-2-Wegeventil durch das druckgesteuerte Wechselventil betätigt wird. Ist die Förderpumpe des Fördermoduls im Fördermodus, wirkt ein erstes Druckniveau auf das Wechselventil ein und es wird Reduktionsmittel aus einem Reduktionsmitteltank durch das Absperrventil zu einem Dosiermodul gefördert. Im Rücksaugmodus wirkt ein zweites Druckniveau auf das Wechselventil ein und das Reduktionsmittel wird aus dem Dosiersystem durch das Absperrventil zurück in den Reduktionsmitteltank gesaugt. Das Wechselventil ist sowohl durch das erste, als auch durch das zweite Druckniveau schaltbar. Dadurch wird ermöglicht, das Absperrventil sowohl im Fördermodus als auch im Rücksaugmodus zu öffnen. Im Gegensatz zu bisherigen Lösungen, bei denen die Absperrfunktion über zwei gegenläufig orientierte Rückschlagventile realisiert wird, erlaubt es die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, eine Absperrfunktion mit hoher Schließkraft und damit hoher Dichtheit bereitzustellen, ohne hohe Druckverluste infolge der Schließkräfte im System zu erzeugen. Zudem ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, d.h. der Einsatz eines druckgesteuert ausgebildeten Absperrventiles in einer kompakten Baugruppe realisierbar, so dass die Anforderungen bezüglich des Einbauraumes im Rahmen liegen.
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Um zwischen Fördermodus und Rücksaugmodus umzuschalten, ist in dem erfindungsgemäßen Fördermodul des Weiteren ein beispielsweise als 4-2-Wegeventil ausgeführtes Schaltventil angeordnet. Im Fördermodus fördert das Fördermodul Fluid z.B. das Reduktionsmittel von einem Vorratstank zu einem Dosiermodul, durch welches das Reduktionsmittel in den Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird, während im Rücksaugmodus der Förderpumpe, Fluid aus dem Dosiermodul zurück in den Vorratstank gefördert wird. Das Fördermodul umfasst eine Rücklaufdrossel, über welche das Fluid, d.h. das gefrierfähige Reduktionsmittel, bei geschlossenem Dosiermodul in den Vorratstank zurückgefördert wird. Das erfindungsgemäß vorgesehene Absperrventil verhindert, dass Fluid aus dem in Regel geodätisch gesehen höher liegend angeordneten Fördermodul während des Stillstands des Fördermoduls in das Dosiermodul gelangen kann.
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In vorteilhafter Weise umfasst die als Absperrventil ausgebildete Absperreinrichtung ein druckgesteuertes Wechselventil, welches ein 2-2-Wegeventil betätigt.
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Im Fördermodus wird das Reduktionsmittel von der Förderpumpe zum Dosiermodul gefördert. Infolge der Drosselwirkung des Dosiermoduls entsteht ein Druck, welcher über das Schaltventil zu einem ersten Anschluss des Absperrventils gelangt. Über das Wechselventil, an dem dieser Druck, d.h. ein erster Steuerdruck ansteht, gelangt dieser zum 2-2-Wegeventil, wobei ein zweiter Anschluss des Absperrventils verschlossen ist. Durch den am 2-2-Wegeventil anliegenden Steuerdruck wird dieses geöffnet, so dass das Reduktionsmittel über den nunmehr miteinander in Verbindung stehenden ersten Anschluss und den zweiten Anschluss zum Dosiermodul strömt.
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Dem gegenüber wird im Rücksaugmodus das Fluid, d.h. das Reduktionsmittel aus dem Dosiermodul über das Fördermodul zurück zum Vorratstank gefördert. Dazu ist ein Umschalten des Schaltventils, d.h. eines dem Förderaggregat zugeordneten 4-2-Wegeventils erforderlich. Um einen zum Umschalten des Absperrventils ausreichenden Druck zu erzeugen, befindet sich zwischen dem Schaltventil und dem Vorratstank eine Drossel.
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Der aufgrund der Drosselwirkung der Drossel entstehende Druck gelangt zu einem dritten Anschluss des Absperrventils. Der Druck im Rücksaugmodus beaufschlagt das Wechselventil, welches betätigt wird, so dass eine Leitung zum ersten Anschluss des Absperrventils verschlossen wird. Infolge des am 2-2-Wegeventils anliegenden zweiten Steuerdrucks wird dieses ebenfalls geöffnet, so dass Fluid aus dem Dosiermodul zurück über den zweiten Anschluss und den ersten Anschluss des Absperrventils zum Vorratstank gelangen kann. Über einen vierten Anschluss des Absperrventils kann gegebenenfalls Leckfluid zum Vorratstank zurückgefördert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Fördermoduls mit sämtlichen Komponenten und
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2 eine Detailansicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Absperrventils mit 2-2-Wegeventil, welches durch ein Wechselventil betätigt wird.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Dosiersystem 10 zum Eindosieren eines Betrieb-/Hilfsstoffes wie beispielsweise ein Reduktionsmittel (Harnstoff-Wasserlösung), mit welchem das Reduktionsmittel in den Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingebracht wird. Das Dosiersystem 10 gemäß 1 umfasst eine Förderpumpe 12, die über einen Antrieb 14 angetrieben ist. Über ein Schaltventil 18, welches beispielsweise als 4-2-Wegeventil ausgeführt ist, saugt die Förderpumpe 12 im Fördermodus den Betriebs-/Hilfsstoff aus einem Vorratstank 34 an. In der Ansaugleitung der Förderpumpe 12 befindet sich ein Rückschlagventil vgl. Position 42. Auf der Druckseite der Förderpumpe 12 ist ein Filter 16 angeordnet. Vom Filter 16 aus strömt im Fördermodus der Betriebs-/Hilfsstoff, das Schaltventil 18 passierend über einen ersten Anschluss 24 in ein Absperrventil 22 ein. Je nach herrschendem Druckniveau an einem Wechselventil 38, welches Teil des Absperrventils 22 ist, wird ein ebenfalls im Absperrventil 22 aufgenommenes 2-2-Wegeventil 36 betätigt. Am zweiten Anschluss 26 des Absperrventils 22 ist ein Leitungsanschluss angeschlossen, über welchen der Betriebs-/Hilfsstoff einem Dosiermodul 20 zuströmt und über dieses in den hier nicht näher dargestellten Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine eingebracht.
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Wie des Weiteren aus 1 hervorgeht, umfasst das Absperrventil 22 ferner einen dritten Anschluss 28 sowie einen vierten Anschluss 30. Am dritten Anschluss 28 des Absperrventils 22 ist ein Leitungsabschnitt angeschlossen, welcher unter Zwischenschaltung eines Drosselelementes 40 in den Vorratstank 34, in dem der Betriebs-/Hilfsstoff bevorratet wird, mündet. Am vierten Anschluss 30 des Absperrventils 22 ist ein in 1 gestrichelt angedeuteter Leitungsabschnitt angeschlossen, über welchen gegebenenfalls eine Leckagemenge in den Vorratstank 34 zur Aufnahme des Betriebs-/Hilfsstoffes zurückströmt.
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Durch eine Rücklaufdrossel 32, die stromab des Filters 16 angeordnet wird, kann im Fördermodus der Förderpumpe 12 bei entsprechendem Antrieb durch den Antrieb 14 ein Druckniveau aufrecht erhalten werden, welches einen ersten Steuerdruck darstellt.
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Im Fördermodus wird der Betriebs-/Hilfsstoff von der Förderpumpe 12 zum Dosiermodul 20 gefördert. Das Schaltventil 18 befindet sich in der in 1 dargestellten Position. Infolge der Drosselwirkung der Rücklaufdrossel 32 beziehungsweise der Drosselwirkung, welche vom Dosiermodul 20 ausgeht, entsteht ein Druck, welcher über das Schaltventil 18 zum ersten Anschluss 24 des Absperrventils 22 gelangt. Über das in das Absperrventil 22 integrierte Wechselventil 38 gelangt dieser erste Steuerdruck zum 2-2-Wegeventil 36, wobei durch das Wechselventil 38 ein Leitungsabschnitt zum dritten Anschluss 28 des Absperrventils 22 verschlossen wird. Infolge des am 2-2-Wegeventils 36 anliegenden ersten Steuerdruckes, wird dieses geöffnet, so dass der Betriebs-/Hilfsstoff – im Fördermodus – über den ersten Anschluss 24 und den zweiten Anschluss 26 des Absperrventils 22 dem Dosiermodul 20 zuströmt.
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Dem gegenüber wird der Betriebs-/Hilfsstoff im Rücksaugmodus der Förderpumpe 12 aus dem Dosiermodul 20 über das Absperrventil 22 zurück zum Vorratstank 34 gefördert. Dazu ist ein Umschalten der Förderpumpe 12 vom Fördermodus auf einen Rücksaugmodus erforderlich. Dies geschieht über eine dementsprechende Betätigung des Schaltventils 18. Um einen zum Umschalten des Absperrventils 22 ausreichenden hohen Druck zu erzeugen, befindet sich in der Leitung zwischen dem Schaltventil 18 und dem Vorratstank 34 eine Drossel 40. Um im vorstehend beschriebenen Fördermodus beim Ansaugen des Betriebs-/Hilfsstoffes aus dem Vorratstank 34 keinen Druckverlust zu erzeugen, verläuft parallel zur Drossel 40 ein Rückschlagventil 42.
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Im Rücksaugmodus entsteht an der Drossel 40 ein Druck, der zum dritten Anschluss 28 des Absperrventils 22 gelangt. Über das Wechselventil 38, dessen Funktionsweise nachstehend noch eingehender erläutert werden wird, gelangt dieser Druck, d.h. der zweite Steuerdruck zum 2-2-Wegeventil 36. In diesem Falle verschließt das Wechselventil 38 die Leitung zum ersten Anschluss 24 des Absperrventils 22. Infolge des am 2-2-Wegeventils 36 anliegenden zweiten Steuerdrucks wird dieses geöffnet, so dass der Betriebs-/Hilfsstoff aus dem Dosiermodul 20 über die miteinander verbundenen ersten und zweiten Anschlüsse 24, 26 im Rücksaugmodus zum Vorratstank 34 zurückgefördert werden kann. Über den vierten Anschluss, vgl. Position 30 in 1, kann gegebenenfalls Leckfluid zum Vorratstank 34 gelangen.
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Der Darstellung gemäß 2 ist eine Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen, insbesondere als Absperrventil gestalteten Absperreinrichtung zu entnehmen.
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Wie 2 zeigt, umfasst das Absperrventil 22 ein Gehäuse 50. Innerhalb des Gehäuses 50 ist ein als Ventilschieber 52 ausgebildetes Ventilglied geführt. Dieses ist durch eine Druckfeder 54 beaufschlagt, welche das als Ventilschieber ausgeführte Ventilglied in seinen Ventilsitz 68 drückt, so dass dieser verschlossen ist. Bei geschlossenem Ventilsitz 68 ist die Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 24 und dem zweiten Anschluss 26 im Gehäuse 50 des Absperrventils 22 unterbrochen. Es kann demnach kein Betriebs-/Hilfsstoff von ersten Anschluss 24 zum zweiten Anschluss 26 gelangen. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass sich das als Ventilschieber ausgebildetes Ventilglied 52 an einem Deckel 62, mit dem das Gehäuse 50 des Absperrventils 22 verschlossen ist, abstützt.
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Liegt am ersten Anschluss 24 gemäß Darstellung in 2 ein Druck an, so wirkt dieser Druck auf eine erste Ringfläche 74, die am Ventilschieber 52 ausgeführt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die die erste Ringfläche 74 erzeugende Durchmesserreduzierung nicht dazu dient, eine Axialkraft infolge des am ersten Anschluss 24 anliegenden Druckes zu erzeugen, sondern lediglich die Aufgabe hat, bei geöffnetem Ventilsitz 68 einen optimalen Öffnungsquerschnitt bereitzustellen. Ein optimaler Öffnungsquerschnitt wäre anstelle der Ausbildung der ersten Ringfläche 74 am Ventilschieber 52 auch mit Hilfe eines im Gehäuse 50 angebrachten umlaufenden Einstiches oder einer umlaufenden Nut realisierbar. Die in 2 dargestellte Lösung stellt insbesondere unter Berücksichtigung des Gehäuses 50 als Kunststoff-Spritzguss-Bauteil eine erheblich kostengünstigere Lösung dar, verglichen mit dem prinzipiell möglichen Herstellen eines umlaufenden Einstiches oder dergleichen.
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Der Darstellung gemäß 2 ist des Weiteren entnehmbar, dass über Bohrungen 66, 72 der am ersten Anschluss anliegende Druck zu einer zweiten Ringfläche 76, die am Ventilschieber 52 ausgeführt ist, übertragen wird. Der am ersten Anschluss 24 anstehende Druck wirkt auf das Wechselventil 38 derart, dass ein kugelförmig ausgebildetes Schließelement 70 in einen ersten Ventilsitz 58 gedrückt wird, so dass ein dritter Anschluss 28 des Absperrventils 22 verschlossen ist. Infolge des auf die beiden Ringflächen 74 und 76 wirkenden Druckes wird eine entgegen der Schließrichtung wirkenden von der Druckfeder 14 erzeugte Federkraft wirkende Kraft erzeugt. Deren Betrag entspricht dem Produkt aus den Ringflächen 74 beziehungsweise 76 und dem anliegenden Druck.
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Sobald die infolge des am ersten Anschluss 24 anliegenden Druckes entstehende Kraft größer ist, als die durch die Druckfeder 54 erzeugte in Schließrichtung wirkende Kraft, wird der Ventilschieber 52 entgegen der Kraft der Druckfeder 54 bewegt. Dies bedeutet, dass der in der Darstellung gemäß 2 durch den Ventilschieber 52 verschlossene Ventilsitz 68 geöffnet wird, so dass der Betriebs-/Hilfsstoff vom ersten Anschluss 24 zum zweiten Anschluss 26 des Gehäuses 50 des Absperrventils 22 überströmt, so dass im Fördermodus das Dosiermodul 20 mit Betriebs-/Hilfsstoff versorgt werden kann.
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Im Rücksaugmodus vgl. Beschreibung zu 1, muss das Absperrventil 22 ebenfalls geöffnet werden, d.h. die Verbindung zwischen dem ersten Anschluss 24 und dem zweiten Anschluss 26 ist auch im Rücksaugmodus der Förderpumpe 12 erforderlich. Um vom Fördermodus in den Rücksaugmodus umzuschalten, ist eine Betätigung des eine Umkehr der Förderrichtung der Förderpumpe 12 bewirkenden Schaltventils 18, das bevorzugt als 4-2-Wegeventil ausgebildet ist, erforderlich.
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Im Rücksaugmodus wird Betriebs-/Hilfsstoff aus dem Dosiermodul 20 über das Absperrventil 22 beziehungsweise das Fördermodul zurück zum Vorratstank 34 gefördert. Infolge des an der Drossel 40 anstehenden Druckes steht dieser am dritten Anschluss 28 des Gehäuses 50 des Absperrventils 22 an. Aufgrund des anliegenden Druckes, d.h. des zweiten Steuerdruckes, öffnet der erste Ventilsitz 58 des Wechselventils und das Schließelement 70 verschließt den zweiten Ventilsitz 60 zum ersten Anschluss 24. Über die Bohrungen 66 beziehungsweise 72 gelangt der am dritten Anschluss 28 anstehende Druck zur zweiten Ringfläche 76, so dass der Ventilschieber 52 bei Überschreiten der Schließkraft der Druckfeder 54 den Ventilsitz 68 ebenfalls – im Rücksaugmodus – öffnet, so dass ebenfalls eine Verbindung zwischen dem zweiten Anschluss 26 am Gehäuse 50 und dem ersten Anschluss 24 bei geöffnetem Ventilsitz 68 geschaffen wird. Über den vierten Anschluss 30, der im Deckel 62 des Gehäuses 50 ins Absperrventil 22 ausgebildet wird, kann gegebenenfalls Betriebs-/Hilfsstoff, der am Ventilschieber 52 vorbei gedrückt wird, in den Vorratstank 34 (vgl. Darstellung gemäß 1) abströmen.
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Die Druckniveaus, d.h. das Druckniveau im Fördermodus sowie das Druckniveau im Rücksaugmodus unterscheiden sich voneinander. So ist das Druckniveau im Fördermodus erheblich höher als das im Rücksaugmodus. Die Schließkraft der Druckfeder 54 ist so ausgelegt, dass das Druckniveau im Rücksaugmodus ausreichend groß ist, um den Ventilschieber 52 zu öffnen.
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Um ein möglichst kostengünstiges Herstellverfahren zur Fertigung von Ventilschieber 52 und dem Gehäuse 50 des Absperrventils 22 bereitzustellen, kann beispielsweise ein Schließelementträger 56 als separates Bauteil ausgebildet sein. Nach Montage des kugelförmig ausgebildeten Schließelementes 70 in der Bohrung 66 des Wechselventils 38, kann dieses separate Bauteil 56 durch Ultraschall- oder Laserschweißens dicht mit dem Gehäuse 50 des Absperrventils 22 verbunden werden. Um ein Entformen der Querbohrung 72 zu ermöglichen, kann diese in vorteilhafter Weise so ausgeführt werden, dass diese aus dem Gehäuse austretend verläuft. Um die Querbohrung 72 jedoch nach außen abzudichten, kann beispielsweise ein Stopfen 64 mittels Ultraschall- oder Laserschweißverfahren oder anderer geeigneter Fertigungstechnologien in die Querbohrung 72 eingelassen werden, so dass diese nach außen ebenfalls dichtend abgeschlossen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010029600 A1 [0002]