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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen,
insbesondere ein Magnetventil für Common-Rail-Injektoren
(CRI), gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus
der europäischen Patentanmeldung
EP 1 612 403 A1 sind Einspritzventile
für schnelllaufende, selbstzündende Brennkraftmaschinen
bekannt, die den Kraftstoff direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
einspritzen.
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Bei
Magnetventilen für Common-Rail-Injektoren gemäß dem
Stand der Technik ergibt sich konstruktionsbedingt immer ein Einfluss
des Raildrucks auf den Hub des Schaltventils beziehungsweise des Steuerventils
(Ankerhub). Die Ursache hierfür liegt in elastischen Verformungen,
die den Ankerhub beeinflussen und die direkt oder indirekt dem Raildruck
unterliegen.
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Bei
bestimmten Bauarten von Magnetventilen ist der Einfluss auf den
Ankerhub besonders groß. Dazu zählen solche Magnetventile,
bei denen der obere Hubanschlag am Magneten ausgebildet ist. Durch
den Raildruck tritt die Situation ein, dass der Ventilsitz seine
axiale Position gegenüber dem Haltekörper verändert,
wohingegen die Position des oberen Hubanschlags unverändert
bleibt. Insgesamt bedeutet dies, dass der Ankerhub mit zunehmendem Raildruck
abnimmt.
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Voraussetzung
für die zuverlässige Funktion des Magnetventils
ist, dass der Ankerhub bei allen Raildrücken über
einem Minimalwert liegt, also auch beim größten
Raildruck der Ankerhub noch den Minimalwert erzielt. Im drucklosen
Zustand muss daher ein Ankerhub eingestellt werden, der deutlich
oberhalb des Minimalwerts liegt.
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Ein
großer Ankerhub führt aber dazu, dass der Anker
beziehungsweise das Stellelement bei Betätigung des Elektromagneten über
eine längere Strecke beschleunigt wird und somit eine größere
kinetische Energie aufbaut. (Der gleiche Effekt tritt auch auf,
wenn die Ventilfeder das Stellelement wieder zurück zum
Dichtsitz drückt).
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Beim
Anschlagen des Stellelements am oberen Hubanschlag (beziehungsweise
am Ventilsitz) findet daher ein Stoß statt, der zu einer
erheblichen Belastung des Stellelements und in der Regel auch zu
einem Prellen des Stellelements führt. Da das Prellen aber
negative Auswirkungen auf die Zumessgenauigkeit des Injektors hat,
ist ein großer Ankerhub unerwünscht.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die zuvor genannten Probleme auch bei
Ventilen mit einem piezoelektrischen Aktuator auftreten können.
Daher ergeben sich aus Erkenntnissen, die in diesem Zusammenhang
für ein Magnetventil aufgefunden werden, auch unmittelbar
Möglichkeiten, ein Ventil mit piezoelektrischem Aktuator
zu verbessern.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Kraftstoffeinspritzventil, insbesondere
ein Magnetventil, aufzuzeigen, bei dem sich der Ankerhub auch bei
hohem Raildruck wenig ändert und insbesondere im Wesentlichen
unverändert bleibt.
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Die
Aufgabe ist bei einem Kraftstoffeinspritzventil gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zwischen
dem Aktuator und dem Führungselement ein vorzugsweise starres
Zwischenelement so angeordnet ist, dass eine mechanische Niederhaltekraft,
die auf den Aktuator wirkt, über das Zwischenelement in
das Führungselement eingeleitet wird, beziehungsweise umgekehrt,
wenn das Führungselement unter dem Einfluss des Raildrucks
eine Kraft ausübt, diese Kraft über das Zwischenelement
auf den Aktuator wirkt. Ein Vorteil liegt darin, dass bei der Einstellung
des Ankerhubs keine Verringerung des Ankerhubs bei großen
Raildrücken mehr berücksichtigt werden muss. Das
Kraftstoffeinspritzventil, das auch als Injektor bezeichnet wird, kann
daher im gesamten Druckbereich mit kleinem Ankerhub betrieben werden,
wodurch sich unter anderem Vorteile hinsichtlich des Prellverhaltens
und des Energiebedarfs des Ventils ergeben.
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Die
vorgeschlagene Verbesserung lässt sich dabei sowohl auf
ein Ventil mit einem elektromagnetischen Aktuator (Magnetventil)
als auch auf ein Ventil mit einem piezoelektrischen Aktuator (Piezoventil) anwenden,
so dass sowohl Magnetventile als auch Piezoventile von der Offenbarung
der Erfindung profitieren. Der Einfachheit halber soll die Erfindung
aber lediglich am Beispiel eines Magnetventils erläutert werden.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass es nun möglich
ist, eine Kraft auf das Führungselement beziehungsweise
den Führungszapfen des Ventils aufzubringen, um damit einer
Verlängerung des Führungselements durch den Raildruck
entgegen zu wirken. Da das Zwischenelement im Wesentlichen starr
ist, das heißt, es sind anders als bei einem nachgiebigen
Element oder bei einer Feder nur sehr geringfügige elastische
oder plastische Verformungen möglich, können auch
große mechanische Kräfte von dem Aktuator beziehungsweise
dem Elektromagneten auf das Führungselement aufgebracht werden.
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Das
Aufbringen der Kraft auf das Führungselement wird insbesondere
dadurch ermöglicht, indem sich Elektromagnet und Führungselement
am gleichen festen Bezugselement, bevorzugt am Haltekörper
des Ventils, abstützen. Wird nun eine Kraft auf den Elektromagneten
ausgeübt, beispielsweise mittels eines Schraubelements,
die den Elektromagneten von dem Bezugselement in Richtung des Führungselements
drückt, so wirkt diese Kraft auch auf das Führungselement.
Da sich das Führungselement gegen das gleiche starre Bezugselement
abstützt, kann das Führungselement nicht ausweichen,
sondern nimmt die Kraft auf. Wiederum umgekehrt, wird auch die Kraft,
die das Führungselement unter der Einwirkung des Raildrucks
ausübt, vom Aktuator aufgenommen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung liegt darin, dass eine präzise
Einstellung des Ankerhubs ermöglicht wird. Indem man den
Aktuator des Magnetventils, also den Elektromagneten, gegen das
Zwischenelement spannt, übt das Zwischenelement bereits
im Zustand ohne Raildruck einen Druck gegen das Führungselement
aus. Dadurch stellt sich beim Führungselement eine -natürlich
geringfügige-elastische Verformung ein, die die Länge
des Führungselements verkürzt. Je nach Größe
der mechanischen Kraft, die der Elektromagnet über das
Zwischenelement auf das Führungselement ausübt,
kann der Ankerhub genau eingestellt werden. Eine komplizierte Einstellung über
genau klassifizierte Einstellscheiben kann dann entfallen oder wird
nur zur groben Voreinstellung eingesetzt.
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Das
Führungselement und das Zwischenelement können
in verschiedenen Ausgestaltungen ausgeführt werden, die
im weiteren Verlauf der Anmeldung noch erläutert werden.
Es sei aber bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das
Zwischenelement auch als Teil des Führungselements beziehungsweise
einstückig mit dem Führungselement ausgebildet
sein kann.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch
gekennzeichnet, dass das Zwischenelement, das auch als Zwischenstück
bezeichnet wird, gegen einen verengten Bereich einer Ausnehmung
in dem Aktuator anliegt. Dies ermöglicht eine vorteilhafte
Ausgestaltung der Elemente des Ventils, da diese einzeln gefertigt
und dann zusammengesteckt werden können. Dadurch, dass
sich das Zwischenstück an dem verengten Bereich der Ausnehmung
abstützt, sind keine weiteren Maßnahmen (wie zum
Beispiel ein Aufschrumpfen) erforderlich, um die Kraftübertragung
zwischen dem Aktuator und dem Zwischenstück sicherzustellen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist
dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Bereich als Durchmesserstufe
ausgeführt ist. Diese Ausgestaltung ist fertigungstechnisch vorteilhaft,
da eine Durchmesserstufe, also ein Bereich, der gegenüber
einem anderen Bereich, einen geänderten Durchmesser aufweist,
einfach zu realisieren ist. Dies gilt insbesondere für
ein Magnetventil, das im Magnetkern bereits eine Zentralbohrung
aufweist, die dann lediglich in einem Abschnitt mit einem größeren
beziehungsweise mit einem kleineren Durchmesser ausgeführt
wird.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist
dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement einen Kopfabschnitt
aufweist, der gegen mindestens eine Stirnfläche des verengten
Bereichs anliegt. Diese Ausgestaltung bietet einerseits den Vorteil,
dass sich das Zwischenelement mit seinem Kopfabschnitt in der Ausnehmung
im Aktuator zentrieren kann. Wenn der Durchmesser des Kopfabschnitts
dem Durchmesser des durchmessergrößeren Abschnitts
der Ausnehmung entspricht, kann die Zentralachse des Zwischenelements
gut festgelegt werden, insbesondere im Hinblick auf den Aktuator.
Ein weiterer Vorteil ist, dass sich die Ventilfeder am Kopfabschnitt
abstützen kann.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist
dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt Ablaufbohrungen aufweist.
Dies ermöglicht auf einfache Weise die fluidmäßige
Verbindung des Leckölraums mit dem Bereich oberhalb des
Aktuators.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Führungselement
und dem Zwischenelement eine Trennfuge ausgebildet ist, die bezogen auf
eine Richtung vom Führungselement zum Aktuator unterhalb
des Dichtsitzes liegt. Für bestimmte Konstruktionsvarianten
ergeben sich dadurch Vorteile hinsichtlich der Anordnung, der Ausgestaltung und/oder
der Führung von Zwischenelement und/oder Führungselement.
Die Trennfuge befindet sich vorzugsweise auf Höhe der Querbohrung
im Führungszapfen.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist
dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement und das
Zwischenelement an einer jeweiligen Stirnfläche gegeneinander
anliegen, wobei mindestens eine der Stirnflächen mit einer
Ablaufrille oder einem Teil einer Ablaufrille ausgebildet ist. In
diesem Fall bildet die Ablaufrille in der Stirnfläche des
Führungselements und/oder die Ablaufrille in der Stirnfläche
des Zwischenelements die Querbohrung. Durch die Niederhaltekraft,
die vom Aktuator durch das Zwischenelement in das Führungselement eingeleitet
wird, erfolgt auch die Abdichtung der Ablaufrille. Da die Zentralbohrung
im Führungselement bei dieser Ausgestaltung während
der Teilefertigung von beiden Seiten zugänglich ist, besteht
hier die Möglichkeit, eine Ablaufdrossel in dieser Zentralbohrung
anzuordnen und so das Totvolumen zwischen Ablaufdrossel und Dichtsitz
zu reduzieren. Es sei darauf hingewiesen, dass die Trennfuge auch
noch weiter in Richtung der Basis des Führungselements
angeordnet werden kann. In diesem Fall bleibt die Querbohrung erhalten,
ist dann aber ein Teil des Zwischenelements.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Führungselement
und dem Zwischenelement und/oder zwischen dem Zwischenelement und
dem Aktuator ein amagnetisches Ankerhubeinstellelement und/oder
eine amagnetische Restluftspalteinstellscheibe angeordnet ist. Auf
diese Weise lassen sich die gewünschten Einstellungen einfach
vornehmen und magnetische Streuflüsse reduzieren beziehungsweise
vermeiden.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Niederhaltekraft über
ein elastisches Element in den Aktuator eingeleitet wird, wobei
die Elastizität dieses Elements größer
ist als jene der Anordnung aus Führungselement und Zwischenelement
im Bereich zwischen Dichtsitz und Abstützung am Aktuator.
Bei dieser Ausführungsform ist sichergestellt, dass noch
verbleibende axiale Verschiebungen des Dichtsitzes gegenüber
dem Haltekörper durch den Raildruck auch zu einer axialen
Verschiebung des Aktuators gegenüber dem Haltekörper
führen und so kompensiert werden. Das elastische Element
kann dabei auch einstückig mit dem Aktuator oder dem Anlageelement
für den Aktuator im Haltekörper ausgeführt
sein.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist
dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement mittels einer Ventilfeder
in Richtung auf den Dichtsitz mit einer Kraft beaufschlagt ist und sich
die Ventilfeder an einem Kopfabschnitt des Zwischenelements und
am Stellelement abstützt. Bei dieser Ausführung
ergibt sich eine kompakte Bauweise.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist
dadurch gekennzeichnet, dass Zentralachsen des Führungselements,
des Zwischenelements und des Aktuators zueinander fluchten. Dadurch
ergibt sich ein konstruktiv einfacher Aufbau, der eine gute symmetrische
Kraftverteilung bietet.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung
verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben
sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Es
zeigen:
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1 einen
Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzungsventil mit schematisch dargestellten Zufuhrkomponenten;
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2 eine
Vergrößerung von 1 im Bereich
des Steuerventils;
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3 eine
alternative Ausgestaltung eines Steuerventils im Zusammenspiel mit
einem Schraubverband und
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4 ein
Steuerventil mit einer einstückigen Ausführung
von Führungselement und Steuerelement.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In
1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
10 mit
den Kraftstoff zuführenden Komponenten
12 schematisch
im Längsschnitt dargestellt. Die prinzipielle Funktionsweise
eines solchen Kraftstoffeinspritzventils
10 ist dem Fachmann bekannt
und wird daher nicht im Detail erläutert. Genauere Informationen
hierzu finden sich beispielsweise in der eingangs genannten Druckschrift
sowie in der Anmeldung
DE
10 2006 027 485 A1 .
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Das
Kraftstoffeinspritzventil 10 weist eine Ventilnadel 14,
einen Steuerraum 16, der mit der Ventilnadel 14 wirkverbunden ist,
einen Ablaufkanal 18, der zur Verbindung des Steuerraums 16 mit
einem Leckölraum 20 ausgebildet ist, und ein Steuerventil 22 auf,
das zum Öffnen und Verschließen des Ablaufkanals 18 ausgebildet
ist.
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Das
Steuerventil 22 weist ein Führungselement 24 auf,
auch Führungszapfen genannt, auf dem ein Stellelement 26,
auch Dichthülse oder Anker genannt, axial verlagerbar gehalten
ist, wobei das Stellelement 26 in Richtung auf einen Dichtsitz 28 mit
einer Kraft beaufschlagt ist. Das Steuerventil 22 weist ferner
einen Aktuator 30 auf, hier ein Elektromagnet, der dafür
ausgebildet ist, das Stellelement 26 von dem Dichtsitz 28 nach
oben -bezogen auf die Figur- abzuheben.
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In 2 ist
eine Vergrößerung von 1 im Bereich
des Steuerventils 22 dargestellt. Dabei ist zunächst
zu erkennen, dass der Aktuator 30 einen Magnetkern 32 mit
einer darin eingesetzten Magnetspule 34 aufweist. Der Aktuator 30 hat
eine Ausnehmung 36, die als Zentralbohrung durch den Magnetkern 32 ausgebildet
ist und einen verengten Bereich 38 aufweist, der hier als
Durchmesserstufe ausgeführt ist. An dem verengten Bereich 38 ist
eine Stirnfläche 40 ausgebildet, gegen die ein
Kopfabschnitt 42 eines Zwischenelements 44 anliegt.
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Im
Kopfabschnitt 42 sind Ablaufbohrungen 46 eingebracht,
die einen fluidmäßigen Durchlass zwischen dem
Leckölraum 20 und dem Bereich oberhalb -bezogen
auf die Figur- des Kopfabschnitts 42 bilden. An dem Kopfabschnitt 42 liegt
eine Ventilfeder 48 mit ihrem einen Ende an, während
sich das andere Ende am Stellelement 26 abstützt.
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Zwischen
dem Aktuator 30 und dem Stellelement 26 befindet
sich eine Restluftspaltsscheibe 50, alternativ oder zusätzlich
auch ein Ankerhubeinstellelement. Der Restluftspalt, der zur Vermeidung
von magnetischem und hydraulischem Kleben des Ankers am oberen Hubanschlags
notwendig ist, kann beispielsweise auch als komplette oder partielle
Beschichtung der Stirnfläche des Magnetkerns 32 und/oder
der Stirnfläche des Stellelements 26 oder als
eine geschliffene Stufe in einer oder beiden der genannten Stirnflächen
realisiert sein.
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Das
Zwischenelement 44 liegt mit einer Stirnfläche 52 an
einer Stirnfläche 54 des Führungselements 24 an.
Zwischen den Stirnflächen 52, 54 bildet
sich eine Trennfuge 56 aus, die bei dieser Ausführungsform
oberhalb -bezogen auf die Figur- des Dichtsitzes 28 liegt.
Der Ablaufkanal 18 endet innerhalb des Führungselements 24 in
einer Querbohrung 58. Die Zentralachsen 60, 62, 64 des
Aktuators 30, des Zwischenelements 44 und des
Führungselements 24 fluchten zueinander.
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Damit
ergibt sich insgesamt ein Aufbau, bei dem sich das starre Zwischenelement 44 an
seiner einen Seite, dem Kopfabschnitt 42, am Aktuator 30, beziehungsweise
hier am Magnetkern 32, und an seiner anderen Seite an der
Stirnfläche 54 des Führungselements 24 abstützt.
Wird nun eine Niederhaltekraft auf den Aktuator 30 aufgebracht,
so überträgt sich diese Kraft auf das Zwischenelement 44 und
auf das Führungselement 24. Wenn der Raildruck
einsetzt, wirkt zunächst die vom Aktuator 30 ausgeübte Kraft
einer Ausdehnung des Führungselements 24 entgegen.
Steigt der Raildruck weiter, vergrößert sich die
Länge des Führungselements und der Dichtsitz 28 des
Steuerventils 22 verschiebt sich nach oben. Aufgrund der
starren Verbindung führen aber gleichzeitig der Aktuator 30 und
damit der obere Hubanschlag eine sehr ähnliche beziehungsweise
nahezu identische Bewegung durch. Damit bleibt der Ankerhub unabhängig
vom Raildruck. Dieses Prinzip lässt sich insbesondere dann
gut nutzen, wenn sich der Aktuator 30, beziehungsweise
der Magnetkern 32, nicht noch an einer anderen Stelle abstützen.
Da das Zwischenelement 44 gewissermaßen den Ankerhub auf
einem festen Wert hält, kann man es auch als Ankerhub-Fixierelement
bezeichnen.
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3 stellt
eine alternative Ausgestaltung eines Steuerventils 22 im
Zusammenspiel mit einem Schraubverband 66 dar. Für
das Steuerventil 22 gelten prinzipiell dieselben Ausführungen
wie zum Steuerventil 22 gemäß der 2.
Es soll daher lediglich kurz auf die Unterschiede eingegangen werden.
Zum einen wurde der Durchmesser des Kopfabschnitts 42 des
Zwischenelements 44 verringert. Zum anderen wurde im Ablaufkanal 18 eine
Ablaufdrossel 68 ausgebildet. Schließlich liegen
die Stirnflächen des Zwischenelements 44 und des
Führungselements 24 derart aneinander, dass die
Trennfuge 56 nun unterhalb -bezogen auf die Figur- des
Dichtsitzes 28 liegt. Die genannten Stirnflächen
bilden hier eine Ablaufrille 70 aus.
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Der
Schraubverband 66 weist eine Magnetspannmutter 72 und
eine Hülse 74 auf. Die Magnetspannmutter 72 weist
ein erstes Gewinde 76 auf, das in ein zweites Gewinde 78 eines
Haltekörpers 80 eingreift. Die Hülse 74 dichtet
den Leckölraum 20 gegenüber dem Haltekörper 80 mit
einem Dichtring 82 ab. An der Oberseite der Hülse 74 sind
umspritzte Flachstecker 84 angeordnet, die der elektrischen Kontaktierung
der Magnetspule 34 dienen.
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In 4 ist
gezeigt, dass das Zwischenelement 44 und das Führungselement 24 auch
einstückig ausgeführt sein können. In
diesem Fall stützt sich das Führungselement 24,
mit dem das Zwischenelement 44 integral ausgebildet ist,
am Haltekörper 80 oder an einer mit dem Haltekörper 80 verbundenen
Basis ab. Die Trennfuge 56 liegt dann also am unteren Ende
des Führungselements 24.
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In
den Figuren sind Einstellelemente für die Ventilfederkraft
nicht näher dargestellt. Vorteilhafterweise kann zwischen
dem Zwischenelement 44 und der Ventilfeder 48 ein
Einstellelement für die Ventilfederkraft vorgesehen sein.
Bei dem Einstellelement kann es sich bei der Ausgestaltung gemäß 2 um einen
Ring beziehungsweise bei der Ausgestaltung gemäß 3 um
eine Sichelscheibe handeln. Bei der letztgenannten Ausgestaltung
ist die Sichelscheibe vorteilhaft, weil die Ventilfeder 48 bei
der Montage von oben über das Zwischenelement 44 geschoben werden
und sich später aber auf der Stirnfläche abstützen
muss. Eine Sichelscheibe kann hier den Durchmessersprung ausgleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1612403
A1 [0002]
- - DE 102006027485 A1 [0032]