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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Es
ist schon ein Brennstoffeinspritzventil aus der
DE 100 46 661 A1 bekannt
mit einem Aktorgehäuse,
das einen piezoelektrischen Aktor aufweist, der mittels einer Vorspanneinrichtung
auf Druck vorgespannt ist. Die Vorspanneinrichtung besteht aus einer
topfförmigen
Umhüllung
des Aktors. Ein Topfboden der Umhüllung ist gewölbt und
derart elastisch ausgeführt,
dass er den Hub des Aktors mit ausführt und über einen hydraulischen Koppler
auf eine Ventilnadel überträgt. Nachteilig
ist, dass die Vorspanneinrichtung tiefgezogen ist, da hierzu nur
vergleichsweise weiche Stähle
geeignet sind, deren Dauerfestigkeit zu gering ist, um die hohe
Vorspannung über die
gesamte Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils aufrechtzuerhalten
bzw. dieser standzuhalten.
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Bei
einem Brennstoffeinspritzventil gemäss der
EP 102 16 62 A1 ist die
Vorspanneinrichtung als Rohrfeder mit knochenförmigen Ausnehmungen ausgebildet.
Die Ausnehmungen erhöhen
die Elastizität der
Rohrfeder. Mikrokerben oder- risse an den Ausnehmungen sind jedoch
potenzielle Bruchstellen, so dass eine ausreichende Dauerfestigkeit
von Rohrfedern nur mit hohem Fertigungsaufwand erreicht wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß auf
einfache Art und Weise eine Verbesserung dahingehend erzielt wird,
dass die Dauerfestigkeit der Vorspanneinrichtung erhöht wird,
indem an einem Radialbereich der Vorspanneinrichtung zumindest ein
separates Federelement zur Vorspannung des Aktors vorgesehen ist.
Die die Vorspanneinrichtung mechanisch schwächenden Ausnehmungen aus dem
Stand der Technik können
entfallen.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, dass das Federelement aus Federstahl hergestellt
ist, da auf diese Weise eine hohe Vorspannung in der Vorspanneinrichtung
erzeugbar ist.
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Gemäss einer
vorteilhaften Ausführung
ist das Federelement scheibenförmig
oder tellerförmig ausgebildet.
Eine scheiben-oder tellerförmige
Feder benötigt
nur wenig Bauraum und ist dafür
geeignet, eine hohe Vorspannkraft zu erzeugen bzw. aufrechtzuerhalten.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, wenn das Federelement von einem Aktorkopf des Aktors
ausgehend radial nach aussen bis an eine den Radialbereich bildende
Schulter der Vorspanneinrichtung verläuft, da das Federelement auf
diese Weise nur wenig Bauraum benötigt.
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Sehr
vorteilhaft ist es, wenn das Federelement radial innen an dem Aktorkopf
und radial aussen an der Schulter der Vorspanneinrichtung gelagert
ist, da auf diese Weise eine sehr einfache Lagerung des Federelementes
erreicht ist.
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Auch
vorteilhaft ist, wenn das Federelement am Aktorkopf kardanisch gelagert
ist, da auf diese Weise keine Querkräfte auf den Aktor ausgeübt werden.
die den empfindlichen Aktor beschädigen könnten.
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Auch
vorteilhaft ist, wenn das Federelement an der Schulter der Vorspanneinrichtung
lose aufliegt und mit radialem Spiel bezüglich einer Ventilachse vorgesehen
ist, da der Aktor auf diese Weise nicht durch die Vorspanneinrichtung
verspannt werden kann.
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Darüber hinaus
vorteilhaft ist, wenn mehrere Federelemente vorgesehen sind, die
in einer Reihenschaltung, Parallelschaltung oder in einer Kombination
aus einer Reihenschaltung und Parallelschaltung angeordnet sind,
da auf diese Weise eine vorbestimmte Vorspannkraft und ein vorbestimmter
Federweg eines aus den Federelementen gebildeten Federpakets einstellbar
ist.
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Desweiteren
vorteilhaft ist, wenn die Schulter der Vorspanneinrichtung zumindest
eine sickenförmige
Erhöhung
aufweist, da auf diese Weise die Biegefestigkeit der Schulter erhöht wird,
so dass eine höhere
Vorspannkraft als beim Stand der Technik auf den Aktor übertragen
werden kann.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, den Axialbereich
der Vorspanneinrichtung als zylindrische Hülse auszubilden.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 im
Schnitt eine Ansicht des erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils
gemäss
einem ersten Ausführungsbeispiel, 2 eine
Teilansicht des Brennstoffeinspritzventils nach 1, 3 eine
Teilansicht des erfindungsgemässen
Brennstoffeinspritzventils gemäss
einem zweiten Ausführungsbeispiel
und 4 eine Teilansicht des erfindungsgemässen Brennstoffeinspritzventils
gemäss
einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
im Schnitt ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil
gemäss
einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Das
Brennstoffeinspritzventil dient beispielsweise dazu, Kraftstoff
in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen und wird
beispielsweise bei der sogenannten Direkteinspritzung verwendet.
Das Brennstoffeinspritzventil kann aber auch den Kraftstoff in ein
Saugrohr einer Brennkraftmaschine einspritzen.
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Das
Brennstoffeinspritzventil hat ein beispielsweise zylinderförmiges Ventilgehäuse 1 mit
einem Eingangskanal 2 für
den Kraftstoff. In einem Innenraum 1.1 des Ventilgehäuses 1 ist
ein schematisch dargestellter Aktor 3 zur axialen Verstellung
einer Ventilnadel 4 angeordnet.
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Die
Ventilnadel 4 ist in dem Innenraum 1.1 des Ventilgehäuses 1 axial
beweglich vorgesehen und weist beispielsweise einen dem Aktor 3 zugewandten
Nadelschaft 7 und einen dem Aktor 3 abgewandten
Ventilschließkörper 8 auf.
Der Aktor 3 überträgt seine
Bewegung beispielsweise über einen
sogenannten hydraulischen Koppler 9 auf den Nadelschaft 7 der
Ventilnadel 4, wodurch der mit einem Ventilsitz 10 zusammenwirkende
Ventilschließkörper 8 das
Brennstoffeinspritzventil öffnet
oder schließt. Bei
geschlossenem Brennstoffeinspritzventil liegt der Ventilschließkörper 8 über seinen
gesamten Umfang an dem Ventilsitz 10 mit Linien- oder Flächenberührung dicht
an und bildet einen Dichtsitz 12.
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Der
Aktor 3 ist beispielsweise als ein piezoelektrischer oder
magnetostriktiver Aktor ausgebildet. Der Aktor 3 kann aber
auch ein Aktor mit einer Formgedächtnislegierung
sein. Der Aktor 3 ist beispielsweise in einem Aktorgehäuse 14 angeordnet,
um diesen gegenüber
dem Kraftstoff zu kapseln. Das Aktorgehäuse 14 ist im Innenraum 1.1 des
Ventilgehäuses 1 angeordnet
und beispielsweise zylindrisch ausgeführt. Das Aktorgehäuse 14 weist
einen Aktorraum 14.1 auf, in dem neben dem Aktor 3 beispielsweise auch
der hydraulische Koppler 9 vorgesehen ist. Der Nadelschaft 7 der
Ventilnadel 4 verläuft
teilweise im Aktorgehäuse 14,
beispielsweise von dem hydraulischen Koppler 9 ausgehend,
in Richtung des Ventilsitzes 10 und durchragt das Aktorgehäuse 14 durch eine
Durchgangsöffnung 15 bis
nach außerhalb
des Aktorgehäuses 14.
Die Durchgangsöffnung 15 des Aktorgehäuses 14 ist
mittels einer Dichtung 16, beispielsweise mittels eines
Wellbalgs, der an seinem einen Ende mit dem Aktorgehäuse 14 und
an seinem anderen Ende mit dem Nadelschaft 7 verbunden
ist, gegenüber
dem Kraftstoff abgedichtet, so daß kein Kraftstoff aus dem Ventilgehäuse 1 in
das Aktorgehäuse 14 gelangen
kann.
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Zwischen
dem Aktor 3 und der Ventilnadel 4 ist beispielsweise
der hydraulische Koppler 9 eingespannt. Es ist aber auch
möglich,
dass der hydraulische Koppler 9 auf einer der Ventilnadel 4 abgewandten
Stirnseite des Aktors 3 zwischen dem Ventilgehäuse 1 und
dem Aktor 3 angeordnet ist.
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Ein
piezoelektrischer Aktor 3 besteht aus einer Vielzahl von
piezokeramischen Schichten, die durch Anlegen einer elektrischen
Spannung eine Dehnung in axialer Richtung ausführen. Dabei wird der sogenannte
inverse piezoelektrische Effekt ausgenutzt, bei dem elektrische
Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Die durch das Anlegen der
elektrischen Spannung erzeugte Dehnung der piezokeramischen Schichten
wird beispielsweise über den
hydraulischen Koppler 9 auf die Ventilnadel 4 übertragen,
wobei die Ventilnadel 4 beispielsweise einen Hub von 40
bis 50 Mikrometer ausführt.
Nach erfolgter Öffnung
des Brennstoffeinspritzventils verkürzt sich der Aktor 3 nach
Abschalten der elektrischen Spannung und die Ventilnadel 4 wird
mittels einer Rückstellfeder 18 wieder
in Richtung Ventilsitz 10 zurückbewegt und schließt das Brennstoffeinspritzventil.
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Das
Ventilgehäuse 1,
das Aktorgehäuse 14 mit
dem Aktor 3 und dem hydraulischen Koppler 9 und
die Ventilnadel 4 sind beispielsweise konzentrisch zueinander
bezüglich
einer in Richtung der Ventilnadel 4 verlaufenden Ventilachse 21 angeordnet.
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Da
sich der Aktor 3 und die übrigen Komponenten des Brennstoffeinspritzventils,
beispielsweise das Ventilgehäuse 1,
wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten bei
Temperaturänderung
unterschiedlich stark ausdehnen, muß der hydraulische Koppler 9 die
Differenzen in der unterschiedlichen Längenausdehnung ausgleichen,
um zu gewährleisten,
daß das
Brennstoffeinspritzventil mit der Ventilnadel 4 unabhängig von
der jeweiligen Temperatur des Brennstoffeinspritzventils bei einer Öffnungsbewegung
jeweils den gleichen Hub ausführt
wie der Aktor 3. Es dürfen
keine Hubverluste auftreten, bei denen der Hub des Aktors 3 nicht
vollständig
auf die Ventilnadel 4 übertragen
wird, so daß der
Hub der Ventilnadel 4 kleiner ist als der Hub des Aktors 3.
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Das
Ventilgehäuse 1 und
das Aktorgehäuse 14 sind
beispielsweise auf der der Ventilnadel 4 abgewandten Stirnseite
durch einen Ventildeckel 1.2 verschlossen, in dem beispielsweise
der Eingangskanal 2 vorgesehen ist. Der Aktor 3 liegt
beispielsweise mit seinem einen Ende an einer dem Aktorraum 14.1 zugewandten
Seite des Ventildeckels 1.2 an. An dem anderen Ende des
Aktors 3 ist ein deckelförmiger Aktorkopf 3.1 angeordnet,
der den Hub des Aktors 3 beispielsweise auf den hydraulischen
Koppler 9 oder die Ventilnadel 4 überträgt. Der
Aktor 3 ist mittels einer Vorspanneinrichtung 24 auf
Druck vorgespannt. Auf diese Weise wird der Aktor 3 vor
schädlichen
Zugspannungen geschützt.
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Die
Vorspanneinrichtung 24 weist einen in Richtung der Ventilachse 21 verlaufenden
Axialbereich 25 und einen den Aktor 3 hintergreifenden
Radialbereich 26 auf. Der Axialbereich 25 der
Vorspanneinrichtung 24 ist beispielsweise als zylinderförmige Hülse ausgeführt, die
an ihrem einen Ende an dem Ventildeckel 1.2 befestigt ist,
beispielsweise an einem Absatz 1.3 des Ventildeckels 1.2,
und zur Ventilnadel 4 hin in Richtung der Ventilachse 21 verläuft. Die
Festigkeit des Axialbereichs 25 der Vorspanneinrichtung 24 ist
nicht wie beim Stand der Technik durch Ausnehmungen verringert.
Der Absatz 1.3 des Ventildeckels 1.2 reicht beispielsweise
in den Axialbereich 25 hinein und ist mit dem Axialbereich 25 beispielsweise
verschweisst. An dem der Ventilnadel 4 zugewandten Ende
des Axialbereiches 25 ist der Radialbereich 26 angeordnet,
der von dem Axialbereich 25 ausgehend nach radial innen
zum Aktorkopf 3.1 hin verläuft. Der Radialbereich 26 bildet
auf diese Weise beispielsweise eine ringförmig um den Aktorkopf 3.1 verlaufende
Schulter 28.
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Erfindungsgemäss ist an
dem Radialbereich 26 der Vorspanneinrichtung 24 zumindest
ein separates Federelement 27 zur Vorspannung des Aktors 3 vorgesehen,
beispielsweise zwei oder drei Federelemente 27. Das Federelement 27 ist
aus Federstahl hergestellt und verläuft von dem Aktorkopf 3.1 des Aktors 3 ausgehend
radial nach aussen bis an die Schulter 28 der Vorspanneinrichtung 24.
Gemäss
einer vorteilhaften Ausführung
ist das Federelement 27 scheibenförmig oder tellerförmig ausgeführt. Das
Federelement 27 ist radial innen an dem Aktorkopf 3.1 und
radial aussen an der Schulter 28 der Vorspanneinrichtung 24 gelagert
und liegt beispielsweise lose am Aktorkopf 3.1 und innerhalb
der Vorspanneinrichtung 24 an der Schulter 28 an.
Das Federelement 27 ist beispielsweise mit radialem Spiel
bezüglich
der Ventilachse 21 an der Schulter 28 angeordnet,
so dass sich der Aktor 3 in der Vorspanneinrichtung 24 nicht
verspannen kann und keine Querkräfte
von der Vorspanneinrichtung 24 auf den Aktor 3 übertragen werden
können.
Das Federelement 27 weist eine Öffnung 29 auf, die
der Aktorkopf 3.1 mit einem Zapfen 30 durchragt.
Der Zapfen 30 reicht beispielsweise bis an den hydraulischen
Koppler 9 heran und ist in einer Vertiefung 33 des
hydraulischen Kopplers 9 gelagert.
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Bei
einem Hub des Aktors 3 verformt sich das Federelement 27 elastisch
um einen dem Hub entsprechenden Federweg. Die Elastizität der Vorspanneinrichtung 24 wird
also nicht wie beim Stand der Technik durch Ausnehmungen im Axialbereich, sondern
im wesentlichen durch das zumindest eine Federelement 27 erreicht.
Auf diese Weise wird die Dauerfestigkeit der Vorspanneinrichtung 24 erhöht bzw.
werden die Fertigungskosten bei gleicher Dauerfestigkeit verringert.
Nach dem Hub des Aktors 3 federt das zumindest eine Federelement 27 wieder zurück in die
Ausgangsposition.
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Der
Aktor 3 ist innerhalb der Vorspanneinrichtung 24 beispielsweise
von einer Aktorhülse 3.2 umgeben,
die beispielsweise aus Kunststoff hergestellt ist. Die Aktorhülse 3.2 ist
zwischen dem Axialbereich 25 und dem Aktor 3 angeordnet
und beispielsweise in axialer Richtung bezüglich der Ventilachse 21 zweigeteilt.
Ein ringförmiger
Zwischenraum 32 zwischen dem Aktor 3 und der Aktorhülse 3.2 ist
zur besseren Wärmeableitung
beispielsweise mit einer Kunststoffmasse gefüllt. Zwischen dem Axialbereich 25 der
Vorspanneinrichtung 24 und der Aktorhülse 3.2 befindet sich
ein ringförmiger
Luftspalt 31, der zur besseren Wärmeableitung klein ausgeführt ist.
Die Aktorhülse 3.2 umgibt
den Aktorkopf 3.1 mit einem Ringkragen 38 und
zentriert ihn auf diese Weise bezüglich der Ventilachse 21.
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Bei
der Montage des Aktors 3 in der Vorspanneinrichtung 24 wird
das zumindest eine Federelement 27 auf den Zapfen 30 des
Aktorkopfes 3.1 aufgesteckt und die Vorspanneinrichtung 24 mit
der der Schulter 28 abgewandten Stirnseite vorauseilend über den
Aktor 3 mit dem Aktorkopf 3.1 gestülpt, bis der
Absatz 1.3 des Ventildeckels 1.2 abschnittsweise in
den Axialbereich 25 hineinragt und die Schulter 28 an
dem Federelement 27 zum Anliegen kommt. Es greift eine
Montageeinrichtung an der Vorspanneinrichtung 24 an und
wirkt mit einer vorbestimmten äusseren
Vorspannkraft auf die Vorspanneinrichtung 24 und den Aktor 3,
so dass sich diese elastisch verkürzen. Unter gleichzeitiger äusserer
Einwirkung der vorbestimmten Vorspannkraft durch die Montageeinrichtung
wird das dem Ventildeckel 1.2 zugewandte Ende des Axialbereichs 25 an
dem Absatz 1.3 des Ventildeckels 1.2 befestigt,
beispielsweise verschweisst. Auf diese Weise ist der Aktor 3 auch
nach dem Ausschalten der äusseren
Vorspannkraft in der Vorspanneinrichtung 24 zwischen dem
Ventildeckel 1.2 und dem Aktorkopf 3.1 auf Druck
vorgespannt.
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Der
Kraftstoff gelangt über
den Eingangskanal 2 und eine Strömungsverbindung im Ventilgehäuse 1 zum
Ventilschließkörper 8 stromauf
des Dichtsitzes 12. Die Strömungsverbindung ist beispielsweise durch
einen ersten Ringspalt 19 zwischen dem Ventilgehäuse 1 und
dem Aktorgehäuse 14 und
durch einen zweiten Ringspalt 20 zwischen dem Ventilgehäuse 1 und
der Ventilnadel 4 gebildet. Beim Öffnen des Brennstoffeinspritzventils
hebt der Ventilschließkörper 8 von
dem Ventilsitz 10 ab, wodurch ein Ausgang 34 des
Brennstoffeinspritzventils beispielsweise zu dem Brennraum der Brennkraftmaschine
geöffnet wird,
so daß Kraftstoff über einen
zwischen dem Ventilschließkörper 8 und
dem Ventilsitz 10 gebildeten Ausgangsspalt in den Brennraum
ausströmt.
Je größer der
Hub der Ventilnadel 4 in Öffnungsrichtung ist, desto
größer ist
der Ausgangsspalt und desto mehr Kraftstoff wird pro Zeiteinheit
in den Brennraum eingespritzt.
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2 zeigt
eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
gemäss
dem ersten Ausführungsbeispiel
nach 1.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzventil nach 2 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das
Federelement 27 ist am Aktorkopf 3.1 beispielsweise
kardanisch gelagert, indem der Aktorkopf 3.1 und das Federelement 27 derart
ausgeführt sind,
dass im Bereich des Aktorkopfes 3.1 ein Kugel-Kegelsitz oder Kugel-Kugelsitz
gebildet ist. Beispielsweise hat der Aktorkopf 3.1 einen
Kegelabsatz 35 und das Federelement 27 eine zum
Kegelabsatz 35 hin konvex ausgeführte Wölbung 36, die an dem Kegelabsatz 35 anliegt
und mit diesem zusammenwirkt. Auf diese Weise kann der Aktor 3 nicht
durch die Vorspanneinrichtung 24 verspannt werden.
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Zur
Erhöhung
der Biegefestigkeit ist an der Schulter 28 der Vorspanneinrichtung 24 beispielsweise
eine ringförmig
umlaufende, sickenförmige
Erhöhung 39 vorgesehen,
die beispielsweise dem Aktor 3 zugewandt ist. Durch die
sickenförmige
Erhöhung 39 wird
die Biegesteifigkeit der Schulter 28 erhöht, so dass
diese weniger leicht durch die auf den Aktor 3 wirkende
Vorspannkraft relativ zum Axialbereich 25 verbogen wird,
was zu einer ungewünschten
Abnahme der Vorspannkraft führen
würde.
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3 zeigt
eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
gemäss
einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzventil nach 3 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 und 2 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das
zweite Ausführungsbeispiel
nach 3 unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel
nach 1 und 2 darin, dass nicht nur ein Federelement 27 vorgesehen
ist, sondern zumindest zwei Federelemente 27 übereinanderliegend
angeordnet sind und ein Federpaket bilden. Die zumindest zwei Federelemente 27 sind
in einer Parallelschaltung angeordnet, so dass eine höhere Vorspannkraft erzielbar
ist als bei dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 und 2.
Die Federelemente 27 können
aber auch in einer Reihenschaltung oder auch in einer Kombination
von Reihenschaltung und Parallelschaltung vorgesehen sein. Abhängig von
der geometrischen Ausbildung, der Anzahl und der Verschaltung der
Federelemente 27 lässt
sich eine vorbestimmte Vorspannkraft und ein vorbestimmter Federweg
des Federelementes oder der Federelemente 27 einstellen.
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4 zeigt
eine Teilansicht des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
gemäss
einem dritten Ausführungsbeispiel.
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Bei
dem Brennstoffeinspritzventil nach 4 sind die
gegenüber
dem Brennstoffeinspritzventil nach 1 bis 3 gleichbleibenden
oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das
dritte Ausführungsbeispiel
nach 4 unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel
nach 3 darin, dass die Federelemente 27 nicht
parallel, sondern in Reihe geschaltet sind. Auf diese Weise wird
der sogenannte Federweg des Federpaktes vergrössert. Beispielsweise sind
drei Federelemente 27 in Reihenschaltung angeordnet, wobei
die beiden äusseren
Federelemente 27 beispielsweise scheibenförmig und
eben ausgebildet sind und das mittlere Federelement 27 beispielsweise
von einem radial äusseren
Randbereich des einen äusseren
Federelementes 27 ausgehend zu dem radial inneren Randbereich
nahe der Öffnung 29 des
anderen äusseren
Federelementes 27 verläuft.
Das mittlere Federelement 27 kann dabei beispielsweise
wenigstens eine Wölbung 36 aufweisen
oder nicht eben, sondern als konisch verlaufende Scheibe ausgebildet
sein.