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Die
Erfindung betrifft ein Fluid-Einspritzventil. Derartige Ventile
werden beispielsweise zum direkten Einspritzen von Kraftstoff in
einen Brennraum einer Brennkraftmaschine genutzt.
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Das
hier offenbarte Fluid-Einspritzventil ist sowohl bei direkt einspritzenden,
als auch bei konventionellen, in das Saugrohr einspritzenden Motoren
zu verwenden. Es ist jedoch nicht auf Kraftstoff-Einspritz-Systeme
beschränkt,
wobei unter Kraftstoff in diesem Zusammenhang sowohl Kohlenwasserstoffe
als auch Wasserstoff verstanden sei. Auch in anderen Anwendungen,
bei denen das präzise
gesteuerte und/oder dosierte Einbringen von Fluid in einen Raum,
eine Einsatzregion, oder eine Arbeitskammer gefordert oder wünschenswert
ist, kann das Einspritzventil gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt
werden.
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Anhand
eines Fluid-Einspritzventils für
eine Kraftstoff-Einspritzung in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
wird im Folgenden die Struktur und die Wirkungsweise erläutert.
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Aus
stetig steigenden Anforderungen der Abgasgesetzgebung mit weiter
sinkenden Grenzwerten ergibt sich die Herausforderung, durch eine
Optimierung des Einspritzvorgangs von Kraftstoff in die Brennkammer
die Entstehung von Schadstoffen in der Brennkammer gegenüber herkömmlichen
Brennkraftmaschinen zu reduzieren. Kritisch sind insbesondere CO2-, NOx- und Feinstaub-Emissionen. Durch
die Entwicklung von Einspritzsystemen mit immer höheren Einspritzdrücken und
hochdynamischen Injektoren, sowie durch gekühlte Abgasrückführung und Oxidationskatalysatoren
ist es zwar möglich,
gegenwärtige
Grenzwerte einzuhalten. Allerdings scheint das Potenzial der bisherigen
Maßnahmen
zur Emissionsreduzierung weitgehend ausgeschöpft zu sein.
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Für eine "saubere" Verbrennung von
Kraftstoff in Brennkraftmaschinen aber auch bei anderen Einsatzzwecken
ist es wichtig, das Fluid, also zum Beispiel den Kraftstoff, besonders
präzise
zu dosieren und mit einer exakten Reproduzierbarkeit über eine
Vielzahl von Einspritzzyklen auch variable Mengen abzugeben. Bei
bekannten Einspritzsystemen ist es jedoch nur schwer möglich, die
Genauigkeit der Dosierung mit der, zum Beispiel für eine schnell
laufende Verbrennungsmaschine erforderlichen Dynamik zu steuern.
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Stand der Technik
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Zur
Vermeidung von unerwünschten
Druckschwankungen in den einzelnen Brennkammern der Zylinder einer
Brennkraftmaschine sind sogenannte Speichereinspritzsysteme (englisch: "Common Rail"-Systeme) mehr und
mehr im Einsatz. Derartige Speichereinspritzsysteme haben eine voneinander vollständig entkoppelte
Druckerzeugung und Kraftstoffeinspritzung. Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt
für alle
Einspritzventile eines Verbrennungsmotors kontinuierlich Druck in
der Kraftstoffzufuhrleitung. Damit wird der Kraftstoffdruck unabhängig von der
Einspritzfolge aufgebaut und steht in der Kraftstoffleitung permanent
zur Verfügung.
Trotz dieser Maßnahme
treten Druckschwankungen auf, die sich auf die in den Brennraum
injizierte Menge des Kraftstoffs auswirken. Der ständig anstehende
hohe Druck von mehr als 1350 bar wird in der so genannten Rail (=
Schiene, Leitung) gespeichert und über kurze Einspritzleitungen
den schnell schaltenden Piezo- oder Magnetventilen (Injektoren)
einer Zylinderbank des Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt.
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Insbesondere
bei nach innen öffnenden
Ventilen besteht das folgende Problem: Bei geschlossenem Ventil
wirken aufgrund des hohen Drucks im Ventilgehäuse (2000 bis 2500 bar und
mehr) sehr hohe Schließ-
oder Haltekräfte
auf das auf dem Ventilsitz aufsitzende Ventilglied. Diese Kräfte sind
von einem gesteuerten Aktor beim Öffnen des Ventils zu überwinden.
Daher muss der (zum Beispiel elektromagnetisch oder piezoelektrisch
arbeitende) Aktor entsprechend leistungsstark ausgebildet sein.
Somit bauen herkömmliche
Elektromagnet- oder Piezo-Aktoren relativ groß und benötigen hohe elektrische Leistung.
Darüber
hinaus sind auch die ihn betreibende elektronische Ansteuerung und
die Steuerleitungen entsprechend (elektrisch und mechanisch) zu
dimensionieren.
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Es
gibt Studien (von FIAT) für
ein Fluid-Einspritzventil zur Kraftstoff-Einspritzung mit einem
an das Ventilglied gekoppelten Kolben, der eine Kraft entgegengesetzt
zur Schließkraft
erzeugt. Der Kolben ist dabei so bemessen, dass er das Ventilglied abhängig vom
Druck im Innern des Ventilgehäuses so
entlastet, dass es zu jeder Zeit mit der annähernd gleichen geringen Schließkraft belastet
wird. Der Kolben gibt beim Öffnen
des Ventils eine drucklose Kraftstoff-Rückführung zum Kraftstofftank frei.
Dieser Kolben und eine ihn umschließende Buchse müssen dabei
sehr präzise
gefertigt werden; außerdem
sind sie einem nennenswerten Verschleiß über die Lebensdauer des Fluid-Einspritzventils
unterworfen. Die hier erforderliche drucklose Rückführung des Kraftstoffs stellt
einen erheblichen Aufwand hinsichtlich Raumbedarf und Fertigung
dar.
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Es
hat sich ferner gezeigt, dass aufgrund der extrem hohen Drücke von
bis zu 2500 bar, die innerhalb eines Gehäuses des Fluid-Einspritzventils
auftreten, Gehäuselängungen
auftreten können.
Das in dem Gehäuse über einen
Aktor linear beweglich geführte
Ventilglied unterliegt allerdings aufgrund der gleichmäßig auf
dieses einwirkenden Drücke
derartigen Längungserscheinungen
nicht. Dadurch kommt es zu dem Problem, dass die Länge des
Ventilglieds nicht mehr mit der Länge der mit diesem zusammenwirkenden
gehäusefesten
Komponenten des Fluid-Einspritzventils zusammenpasst. Insbesondere zeigt
sich dies bei der Wechselwirkung des Ventilglieds mit den antreibenden
Komponenten des Aktors. Beispielsweise kann es aufgrund der Gehäuselängung zu
einer Veränderung
des Abstands eines ventilgebundenen Ankers mit einem gehäusefesten Stator
kommen, so dass sich je nach Längung
des Gehäuses
aufgrund der Veränderung
des Abstands dieser Komponenten auch das Ansprechverhalten des Ventilglieds
in Reaktion auf eine gezielte Ansteuerung des Stators in unerwünschter
Weise verändert. Darunter
kann in erheblichem Maße
die Präzision hinsichtlich
der eingespritzten Kraftstoffmenge leiden.
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Zugrunde liegendes Problem
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fluid-Einspritzventil
der eingangs bezeichneten Art bereitzustellen, mit welchem Problem
eines druckabhängigen
Ansprechverhaltens mit einfachen Mitteln begegnet werden kann.
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Erfindungsgemäße Lösung
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Diese
Aufgabe wird durch ein Fluid-Einspritzventil gelöst mit einem Einlass, der dazu
eingerichtet ist, Fluid aus einer Zuführ-Leitung aufzunehmen, und
mit einer Kammer verbunden ist, einem Fluid-Auslass, der mit der
Kammer verbunden ist und der dazu eingerichtet ist, Fluid aus dem
Fluid-Einspritzventil abzugeben, und einer Ventilanordnung mit einem
Ventilsitz und einem sich entlang einer Längsachse erstreckenden Ventilglied,
wobei das Ventilglied dazu eingerichtet ist, relativ zu dem Ventilsitz Öffnungs-
und Schließbewegungen
auszuführen, einem
Linearaktor, der dazu eingerich tet ist, das Ventilglied relativ
zu dem Ventilsitz zu bewegen, und mit einer ersten Federanordnung,
die auf das Ventilglied eine Federkraft ausübt, wobei das Ventilglied derart längenvariabel
ausgebildet ist, dass seine Länge
in Abhängigkeit
von einem in der Kammer herrschenden Fluiddruck veränderbar
ist.
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Erfindungsgemäß ist also
vorgesehen, das Ventilglied längenvariabel
auszubilden, wobei seine Länge
in Abhängigkeit
von dem in der Kammer innerhalb des Ventilgehäuses herrschenden Fluiddruck veränderbar
ist. Mit anderen Worten passt sich das Ventilglied nach Maßgabe des
in der Kammer herrschenden Fluiddrucks der Längung des Ventilgehäuses an,
so dass die negativen Effekte, die sich hinsichtlich des Ansprechverhaltens
und der Einspritzpräzision
aufgrund der Längenänderung
des Gehäuses,
insbesondere bei hohen Fluiddrücken
im Ventilgehäuse,
ergeben, durch entsprechende Längung des
Ventilglieds kompensiert werden können. Dadurch lässt sich
gewährleisten,
dass sich bei jedem beliebigen Druck innerhalb des Ventilgehäuses – im betriebsrelevanten
Druckbereich – die
Länge des Ventilglieds
an die gegenwärtige
Drucksituation in gleicher Weise anpasst, wie die Länge des
Ventilgehäuses
druckbedingt schwankt. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme eines längenvariablen Ventilglieds
lässt sich
ein Einspritzventil mit guter und druckunabhängiger Einspritzpräzision unter
Verwendung einfacher konstruktiver Mittel bereitstellen.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Ventilglied mit einem
scheibenförmigen
Ankerabschnitt und mit einem von diesem ausgehenden Ventilschaftabschnitt ausgebildet
ist, wobei der Ventilschaftabschnitt mit wenigstens einem Längungsbereich
versehen ist. Der Längungsbereich
ist speziell für
den Längenausgleich
ausgebildet, wie im Folgenden nach im Detail erklärt werden
wird.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass durch die Elastizität des Längungsbereichs auch
das Aufsetzen des Ventilglieds auf den Ventilsitz gedämpft wird.
Dadurch lassen sich die maximal erforderlichen Schließkräfte reduzieren.
Gleiches gilt auch für
das Öffnen
des Ventils. Durch die Elastizität des
Längungsbereichs
wird dieser zunächst
gestreckt, weil das Ventilglied mit seinen ventilsitzfernen Abschnitten
schon beginnt, sich zu bewegen, während der untere Bereich (Ventilkörper) des
Ventilglieds noch durch den im Ventilgehäuse herrschenden hohen Innendruck
an den Ventilsitz gepresst bleibt. Der Ventilsitz bleibt zunächst also
druckbedingt noch verschlossen. Das Ventilglied nimmt quasi mit
seinen sich bereits bewegenden Abschnitten „kinetische Energie" auf oder anders
ausgedrückt,
es nimmt „Anlauf
oder „Schwung", während sein
unterer Bereich (Ventilkörper)
noch durch den im Ventilge hause herrschenden Innendruck an den Ventilsitz
gepresst bleibt. Schließlich
wird aber der den Ventilsitz verschließende Ventilkörper vom
Ventilsitz abgehoben. Durch die Anlaufphase, in der sich der Längungsbereich
geringfügig
streckt, erfolgt das Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz mit „Schwung". Insgesamt lassen
sich durch diesen Efffekt die Betätigungskräfte reduzieren.
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Hinsichtlich
des Längungsbereichs
gibt es erfindungsgemäß verschiedene
Ausführungsvarianten.
Gemäß einer
Ausführungsvariante
kann vorgesehen sein, dass der Ventilschaftabschnitt zumindest im
Längungsbereich
mit einem gegenüber
der Kammer abgedichteten Hohlraum ausgebildet ist. Die Abdichtung
gegenüber
der Kammer ist erforderlich, damit kein Druckausgleich zwischen
der Kammer und dem Hohlraum stattfindet, der eine Längung verhindern
würde.
Vielmehr wirkt der Hohlraum im Längungsbereich
wie eine Art "Ballon", der in Abhängigkeit
von dem innerhalb der Kammer herrschenden Druck mehr oder weniger
stark zusammengedrückt wird.
In Abhängigkeit
von dem auf den Längungsbereich
wirkenden Außendruck
in der Kammer wird also der Hohlraum mehr oder weniger stark komprimiert und
es kommt zu einer der Komprimierung entsprechenden mehr oder weniger
stark ausgebildeten Längung
des Längungsbereichs.
Bei hohen Drücken erfolgt
demnach eine stärkere
Komprimierung des Hohlraums und eine entsprechend große Längung, wohingegen
bei niedrigeren Drücken
die Längung kleiner
ausfällt.
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Gemäß einer
Ausführungsvariante
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Längungsbereich bauchig ausgebildet
ist. Vorzugsweise kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass
der Längungsbereich
an seiner Außenkontur
stetig ausgebildet ist. Hierdurch können durch Unstetigkeiten in
der Außenkontur
hervorgerufene Spannungsspitzen im Längungsbereich vermieden werden.
Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass der Längungsbereich
an seiner Außenkontur
mit wenigstens einer Knickstelle ausgebildet ist. Die Knickstellen
sind dabei so ausgebildet, dass Spannungsspitzen weitgehend vermieden
werden und diese als "Soll-Verformungsbereiche" druckabhängig wirken. So
lässt sich
beispielsweise mit einem rautenförmigen
oder im Querschnitt sechseckförmigen
Längungsbereich
ein gewünschtes
Deformationsverhalten in Abhängigkeit
von dem herrschenden Fluiddruck innerhalb der Kammer erreichen.
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Neben
der erfindungsgemäßen Maßnahme, durch
geeignete Wahl der Geometrie eines einzelnen bauchigen Längungsbereichs
ein bestimmtes Längungsverhalten
in Abhängigkeit
der auftretenden Drücke
zu erreichen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass der
Längungsbereich
in einem achsenhaltenden Schnitt betrach tet eine Mehrzahl von bauchigen
Hohlräumen
aufweist. Auf diese Art und Weise können insbesondere länger ausgebildete Ventilglieder
bei entsprechend lang ausgebildeten Ventilgehäusen und dem entsprechend auftretenden großen druckbedingten
Längungen
des Ventilgehäuses
dazu ausgebildet werden, entsprechend große Längenänderungen zu vollziehen.
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Hinsichtlich
der Herstellung des Ventilglieds ist Folgendes anzumerken. Grundsätzlich kann
das gesamte Ventilglied als Hohlkörper ausgebildet sein, beispielsweise
im Bereich des Ventilschafts rohrförmig. Alternativ ist es aber
auch möglich,
das Ventilglied lediglich im Längungsbereich
hohl auszubilden, beispielsweise derart, dass es aufgebohrt wird
oder dass es als Rohrstück
mit Ausbauchung hergestellt und in den Ventilschaft „eingesetzt" wird. Wird lediglich
der Ventilschaft lokal im Längungsbereich
mit einem Hohlraum versehen, so ist es erforderlich, später den
Ventilschaft wieder mit dem Rest den Ventilglieds zu verbinden.
In diesem Zusammenhang kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das
Ventilglied an oder nahe seines Längungsbereichs wenigstens eine
Verbindungsstelle, insbesondere eine Schweißnaht, aufweist. Wird der Längungsbereich von
einem Rohrstück
gebildet, so wird er jeweils endseitig mit entsprechenden Schaftabschnitten über jeweils
eine Verbindungsstelle verbunden. Wichtig ist, dass die Verbindungsstelle – auch bei
den extrem hohen in der Ventilkammer auftretenden Drücken – fluiddicht
ausgebildet ist, um den vorstehend bereits angesprochenen Druckausgleich
zwischen Kammer und Hohlraum innerhalb des Ventilglieds zu vermeiden.
Hinsichtlich der Anordnung der Verbindungsstelle kann erfindungsgemäß vorgesehen
sein, dass die Verbindungsstelle im Bereich des maximalen Durchmessers
des Längungsbereichs
liegt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Verbindungsstelle den
Längungsbereich
endseitig begrenzt.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Ventilglied in seinem
Längungsbereich
mit variabler Wandstärke
ausgeführt
ist. Aus Gründen der
Einfachheit ist es erfindungsgemäß aber ebenso möglich, den
Längungsbereich
mit konstanter Wandstärke
auszuführen.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einem hohl ausgebildeten Ventilglied sieht eine Weiterbildung
der Erfindung vor, dass das Ventilglied in seinem Längungsbereich
mit einer bauchigen Streckhülse
versehen ist, die an dem Ventilschaft dichtend angebracht ist und
mit diesem einen ringförmigen
Hohlraum einschließt.
Um eine Längung
des Ventilschafts im Bereich der bauchigen Streckhülse zu vereinfachen, kann
erfindungsgemäß ferner
vorgesehen sein, dass der Ventilschaft im Bereich der Streckhül se mit
einem reduzierten Durchmesser oder mit reduzierter Wandstärke ausgebildet
ist.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen
sein, dass der Linearaktor eine Elektromagnetanordnung aufweist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Ventilglied für ein Fluid-Einspritzventil
der vorstehend beschriebenen Art, wobei das Ventilglied derart längenvariabel ausgebildet
ist, dass seine Länge
in Abhängigkeit von
einem in der Kammer herrschenden Fluiddruck veränderbar ist.
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Weitere
Vorteile, Ausgestaltungen oder Variationsmöglichkeiten ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung der Figuren in denen die Erfindung
im Detail erläutert
ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1a zeigt
eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch ein Fluid-Einspritzventil in
geschlossener Stellung.
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1b zeigt
eine schematische Darstellung im Längsschnitt durch das Fluid-Einspritzventil gemäß 1a in
geöffneter
Stellung.
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2 zeigt
eine schematische perspektivische Darstellung eines Federelements.
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3 zeigt
ein Ventilglied gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem ersten Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt
ein Ventilglied gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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5 zeigt
ein Ventilglied gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem dritten Ausführungsbeispiel.
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6 zeigt
ein Ventilglied gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem vierten Ausführungsbeispiel.
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7 zeigt
ein Ventilglied gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem fünften
Ausführungsbeispiel.
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8 zeigt
ein Ventilglied gemäß der vorliegenden
Erfindung in einem sechsten Ausführungsbeispiel.
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In
den Fig. vorhandene Proportionen und Dimensionen sind im Verhältnis zu
realen Anordnungen von Fluid-Einspritzventilen nicht unbedingt maßstäblich. Vielmehr
dienen sie der besseren Darstellung der zu veranschaulichenden Sachverhalte.
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Detaillierte Beschreibung
der Figuren
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In 1a ist
ein Fluid-Einspritzventil mit einem zu einer Mittellängsachse
M im wesentlichen rotationssymmetrischen Gehäuse 10 im schematischen
Längsschnitt
in einer geschlossenen Stellung gezeigt, während in 1b ein
solches Fluid-Einspritzventil
in einer geöffneten
Stellung gezeigt ist. Ein solches Fluid-Einspritzventil kann dazu
dienen, Fluid in Form von Kraftstoff in den – nicht weiter veranschaulichten – Brennraum
einer Brennkraftmaschine direkt einzuspritzen. Das Fluid-Einspritzventil 10 hat
(in 1a oben) einen zentralen Fluid-Einlass 12,
durch den Fluid aus einer – nicht
weiter veranschaulichten – Fluid-Verteil-Leitung
zu einer Kammer 14 des Fluid-Einspritzventils 10 strömen kann.
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Die
Kammer 14 des Fluid-Einspritzventils 10 hat eine
im Querschnitt im Wesentlichen kreiszylindrische Gestalt. Im Abstand
zu dem Einlass 12 ist eine Elektromagnet-Anordnung 22 angeordnet.
Die Elektromagnet-Anordnung 22 hat einen im Inneren der Kammer 14 angeordneten,
aus Weicheisen(-platten) geformten Ständer 24 mit im Querschnitt
im Wesentlichen kreisringzylindrischer Gestalt und einen ebenfalls
im Inneren der Kammer 14 angeordneten, im Wesentlichen
kreiszylindrischen scheibenförmigen Anker
als Läufer 26,
der als Teil eines Ventilglieds 46 ausgebildet ist. Dabei
ist der Ständer 24 als
Multipolständer
mit langgestreckten, nebeneinander oder konzentrischen, im Abstand
angeordneten Ständerpolen 24a ausgebildet.
Mehrere Erregerspulen 24b sind in dem Ständer 24 den
jeweiligen Ständerpolen 24a diese
umgebend zugeordnet. Gleichermaßen kann
der scheibenförmige
Anker 26 als Multipolanker ausgebildet sein, dessen Ankerpole
auf die jeweiligen Ständerpole
ausgerichtet sind. Damit kann sich der Anker 26 entlang
der Mittellängsachse
M bewegen. Der Anker/Läufer 26 ist
an seiner anderen (in 1 unteren) Stirnfläche mit
einer Ventilnadel 34 starr verbunden. Die Ventilnadel 34 reicht
durch eine zentrale Öffnung in
dem Ständer 24 und
trägt an
ihrem freien Ende (in 1 unten) einen
Ventilkörper 47,
der längs
der Mittelachse M längsbeweglich
ist. Der Ventilkörper 47 ist
Teil einer Ventilanordnung 47, 48 mit dem Ventilkörper 47 und
einem Ventilsitz 48, um das Fluid in gesteuerter Weise
auszustoßen.
Der Ventilsitz 48 verjüngt
sich in Strömungsrichtung
konisch; entsprechend ist der Ventilkörper 47 geformt und
wirkt mit dem Ventilsitz 48 zusammen. Der Ventilkörper 47 wird
durch die Ventilnadel 34 gegenüber dem mit dem Ventilkörper 47 zusammenwirkenden und
stromabwärts
zu dem Fluid-Einlass 12 angeordneten ortsfesten Ventilsitz 48 zwischen
einer Offen-Stellung
und einer Geschlossen-Stellung (in 1 auf
und ab) bewegt. Der Ventilsitz ist dazu in eine Buchse 36 eingearbeitet,
welche die Kammer 14 abschließt.
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Zwischen
dem Ständer 24 und
dem Anker 26 ist ein quer zur Bewegungsrichtung des Ankers 26 orientierter
Arbeitsluftspalt gebildet. Dabei stellt der Unterschied zwischen
der minimalen und der maximalen Erstreckung des Arbeitsluftspalts
in Richtung der Mittellängsachse
M den Hub dar, um den das Ventilglied 46 vom Ventilsitz 48 abheben
kann.
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Der
Ständer 24 ist
von einem Ringspalt 44 umgeben, durch den in der Kammer 14 befindliches Fluid
zu der Ventilanordnung 46, 48 gelangen kann.
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Der
Multipolständer 24 hat
eine Anordnung von mehreren im Querschnitt oder in der Draufsicht zylindrischen,
mehreckigen Polstegen 24a die in einer Fläche angeordnet
sind. Diese im vorliegenden Beispiel rechteckigen Polstege 24a können in
der Draufsicht auch im Wesentlichen quadratisch oder trapezförmig geformt
sein. Sie sind von einer oder mehreren Spulenanordnungen 24b umgeben.
Dabei ist in der vorliegenden Ausführungsform jedem Polsteg 24a eine
eigene Spulenanordnung zugeordnet, die ihn umgibt. Es ist jedoch
auch möglich,
dass eine Spulenanordnung um mehrere Polstege gewunden ist. Es versteht
sich jedoch, dass die Spulenanordnungen sich den Raum zwischen zwei
benachbarten Polstegen teilen können.
Der Multipolständer
kann aus einstückigem
Weicheisen gebildet sein, aus dem die Polstege bzw. die Zwischenräume ausgeformt sind.
In ein derartiges einstückiges
Weicheisen-Formteil können
Ausnehmungen in Form von Schlitzen, in der Draufsicht längsverlaufenden
Rillen, oder Langlöchern
eingearbeitet sein. Es ist aber auch möglich, die Magnetjochanordnung
als Formteil aus gesintertem Eisenpulver herzustellen oder aus einer Vielzahl
von Blechlagen oder aus mehreren Teilstücken zu montieren und zu ggf.
verkleben.
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Der
Anker 26 ist eine kreisrunde weicheisenhaltige Scheibe
mit einer weiter unten im Detail beschriebenen Gestalt. Der Multipolständer 24 und
der Anker 26 überlappen
sich in radialer Richtung bezogen auf die Mittelachse M. Der Multipolständer 24 hat etwa
den gleichen Außendurchmesser
wie der Anker 26, so dass der aus den Spulenanordnungen 24b hervorgerufene
magnetische Fluss praktisch ohne nennenswerte Streu-Verluste in
den Anker 26 eindringen kann. Damit wird ein besonders
effizienter Magnetkreis realisiert, der sehr geringe Ventil-Öffnungs-/Schließ-Zeiten
sowie hohe Haltekräfte
erlaubt.
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Der
Anker 26 kann – unabhängig von
der Gestaltung des Multipolständers 24 bzw.
der Spulenanordnungen 24b – auch eine geschlossene Kreisscheibe
aus Weicheisen sein, sofern die Ausgestaltung des Magnetjoches bzw.
der Magnet-Spulenanordnung sicherstellt, dass die Streuverluste
bzw. Wirbelstromverluste gering genug für den jeweiligen Einsatzzweck
sind. Zur Verringerung des Gewichtes bei optimierter magnetischer
Flussdichte ist der Anker als Multipolanker ausgebildet, dessen
Ankerpole auf die jeweiligen Ständerpole
hin ausgerichtet sind. Dazu sind die Ankerpole durch Schwächungen
bzw. Verdickungen der ansonsten im Wesentlichen der Kontur der Stirnfläche der
Gesamtheit aller Polstege folgenden Ankerplatte gebildet.
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Beim
Bestromen der Erregerspulen 24b wird in den Ständerpolen 24a ein
wirbelstromarmes Magnetfeld induziert, das den Anker 26 mit
der Ventilnadel 34 in Richtung des Ständer 24 zieht. Damit
bewegt sich das Ventilglied 46 mit dem Ventilkörper 47 von
dem Ventilsitz 48 weg in seine Offen-Stellung und von dem
Fluid-Einlass 12 kommendes Fluid kann in gesteuerter Weise
zum Beispiel in den Brennraum einer fremdgezündeten oder einer selbstzündenden
Brennkraftmaschine strömen.
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In
dem Fluid-Einspritzventil 10 ist eine Federanordnung 30 so
angeordnet, dass sie eine zum in der Kammer 14 herrschenden
Fluiddruck sich gleichsinnig ändernde
(Zug-)Federkraft auf das Ventilglied 46 ausübt. Die
Federanordnung 30 ist dabei so angeordnet und ausgestaltet,
dass sie ein durch den Linearaktor initiiertes Abheben des Ventilglieds 46 mit dem
Ventilkörper
vom Ventilsitz 48 unterstützt. Dies verringert die von
dem Linearaktor aufzubringende Kraft zum Öffnen des Fluid-Einspritzventils.
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In 1a hat
die erste Federanordnung 30 einen spannungslosen Ruhezustand.
Eine zweite Federanordnung 58 dient dazu, eine Vorspannung
im Sinne eines Schließens
auf das Ventilglied 46 aufzubringen. Diese zweite Federanordnung 58 ist
eine auf das Ventilglied 46 wirkende Schraubenfeder, die
hier als Schubfeder ausgestaltet ist.
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Dabei
ist die Ankerscheibe 26 mit der Ventilnadel 34 durch
die zur Mittelachse M koaxial angeordnete Federanordnung 58 belastet,
so dass das Ventilglied 46 mit seinem Ventilkörper 47 in
dem Ventilsitz 48 fluiddicht sitzt, also in seine Geschlossen-Stellung gedrängt ist.
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Die
erste Federanordnung 30 ist im Wesentlichen eine Art Tellerfeder-Anordnung
(siehe hierzu auch 2), deren auf das Ventilglied 46 ausgeübte Federkraft
mit dem in der Kammer 14 herrschenden Druck des Fluids
variiert. Die erste Federanordnung 30 ist aus korrosionsbeständigem Federstahl
hergestellt. Sie hat eine im Wesentlichen kegelstumpfförmige Gestalt
und verkürzt
sich bei steigendem Fluiddruck längs
der Bewegungsrichtung des Ventilglieds 46. Dazu ist der
Konus der kegelstumpfförmigen
Federanordnung 30 in Richtung zu dem Ventilsitz 48 hin sich
verjüngend
ausgestaltet.
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Die
kegelstumpfförmige
erste Federanordnung 30 hat einen äußeren Bund oder Rand 30a,
der hier fest mit dem Gehäuse
des Fluid-Einspritzventils verbunden ist. An den inneren Rand der
kegelstumpfförmigen
Federanordnung 30 ist ein im Wesentlichen ebener Ringbund 30b angeformt.
Von diesem reicht ein zweiter Kegelstumpf 30c mit einem
Stützkragen 30d zum
Zentrum (Mittellängsachse
M) hin. Der Stützkragen 30d umgreift
die Ventilnadel 34, die einen Ringbund 52 hat,
an dem der Stützkragen 30d lose
anliegt und die Ventilnadel 34 in ihre Offen-Stellung zieht,
wenn sich der Druck in der Kammer 14 erhöht.
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Der
zweite Kegelstumpf 30c ist längs der Richtung der Mittellängsachse
kürzer
als die erste kegelstumpfförmige
Federanordnung 30 und ist zu dieser entgegengesetzt orientiert.
Diese gesamte Anordnung unterstützt
den Linearaktor dabei, das Ventilglied 46 mit seinem Ventilkörper 47 von
seinem Ventilsitz 48 zu ziehen, wenn sich der Fluiddruck
in der Kammer 14 des Fluid-Einspritzventils 10 erhöht hat (von
p0 in 1a auf p+ in 1b).
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Nach
dem Abheben des Ventilgliedes 46 von dem Ventilsitz 48 verringert
sich die auf das Ventilglied 46 wirkende hydraulische Schließkraft sehr stark,
in etwa linear mit dem Hub des Ventilgliedes 46. In einem
etwa gleichen Maß muss
bei Öffnen
des Ventils die Vorspannkraft des zweiten Kegelstumpfs 30c nachlassen,
damit über
die noch verbleibende hydraulische Schließkraft und die Kraft aus der
Federanordnung 58 bei stromlosem Linearaktor ein schnelles
Schließen
des Ventils zu erreichen ist. Dazu kann die Kraft/Wegfederkennlinie
des zweiten Kegelstumpfs 30c entsprechend ausgelegt sein.
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Die
erste kegelstumpfförmige
Federanordnung hat einen Kegelwinkel k1 von etwa 25° in der Ruhestellung
(1a).; Bei Anliegen des Betriebsdrucks p+ des Fluids
am Einlass 12 ist das Gehäuse/die Kammer 14 in
Durchmesserrichtung auf den Durchmesser Di+ geweitet (Siehe 1b).
Zur Veranschaulichung ist in 1b die
Ruhestellung der Federanordnung gestrichelt eingezeichnet. Der zweite
Kegelstumpf 30c hat einen Kegelwinkel k2 von etwa 45° in der Ruhestellung.
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Aus
einer Druckerhöhung
vom Ruhezustand zum Betriebszustand in der Kammer 14 resultiert auch
Längung
der Kammer 14 (von L0 in 1a auf L+
in 1b). Da die Federanordnung 30–30d an
ihrem äußeren Rand 30a mit
dem Gehäuse/der
Innenwand der Kammer 14 des Fluid-Einspritzventils 10 fest
verbunden ist, wird bei einer Längung
des Gehäuses
der innere Rand 30d der Federanordnung längs dessen
Mittellängsachse
von dem Ventilsitz wegbewegt. Dabei wird die Ventilnadel 34 mitgenommen,
so dass auch durch diesen Längungs-Effekt
auf das Ventilglied 46 eine von dem Ventilsitz weggerichtete
Kraft wirkt, die das Abheben des Ventilgliedes 46 von dem
Ventilsitz unterstützt.
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In
die Kegelflächen 30 und 30c können zur Modellierung
des Federverhaltens entlang des Umfangs eine oder mehrere (kreis-)runde,
ovale, oder langgezogene oder mehreckige Ausnehmungen 30e, 30f eingearbeitet
sein (von denen in 2 jeweils nur eine veranschaulicht
ist).
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Um
den vorstehend angesprochenen Längungseffekt
des Gehäuses über das
Ventilglied 46 auszugleichen, ist das Ventilglied 46 in
seinem unteren Bereich, das heißt
an der Ventilnadel 34 (vorstehend auch Ventilschaft genannt)
mit einem bauchigen Längungsbereich 60 versehen,
der im Inneren, wie im Folgenden noch im Detail erläutert werden wird,
hohl ausgebildet ist. Wie man in 1a und 1b durch
Pfeile erkennt, wirkt der in der Kammer 14 herrschende
Druck P auf die Außenfläche des Längungsbereichs 60 und
drückt
diesen druckabhängig
zusammen, so dass sich die Ventilnadel 34 im Längungsbereich 60 gemäß dem Pfeil 62 längt. Der Längungsbereich 60 ist
auf den jeweiligen im Einsatzfall des Einspritzventils auftretenden
Druckbereich innerhalb der Kammer 14 abgestimmt. Seine Geometrie
sowie die Wandstärke
des Längungsbereichs 60 sind
derart gewählt,
dass sich die Länge der
Ventilnadel 34 in Abhängigkeit
von dem in der Kammer 14 herrschenden Druck im Wesentlichen genauso ändert, wie
die Länge
des Gehäuses
(von L0 auf L+) in diesem Druckbereich. Dadurch bleibt die geometrische
Wechselbeziehung und mechanische Wechselwirkung zwischen den gehäusefesten Komponenten,
wie beispielsweise dem Ständer 24, und
den beweglichen Komponenten, insbesondere das Ventilglied 46 mit
seiner Ventilnadel 34, im Wesentlichen gleich, so dass
trotz der druckbedingt auftretenden Gehäuselängung ein zuverlässiges nahezu
ideales Öffnen
und Schließen
des Ventilsitzes 48 mit dem Ventilkörper 47 erreicht werden
kann.
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3 zeigt
eine erste Ausführungsvariante für das erfindungsgemäße Ventilglied 46 mit
einem im Schnitt gezeigten Längungsbereich 60.
Der Längungsbereich 60 weist
einen Hohlraum 64 auf, der gegenüber der Umgebung – auch bei
hohen Drücken – fluiddicht
abgeschlossen ist. An den Längungsbereich 60 schließt sich
der Rest der Ventilnadel 34 an. Im unteren Bereich erkennt
man den kegelförmigen Konusabschnitt 66 des
Ventilkörpers 47,
der mit dem in 3 nicht gezeigten Ventilsitz 48 dichtend
in Wechselwirkung tritt. In 3 erkennt
man insbesondere, dass die Nadel 34 im Längungsbereich 60 zur Herstellung
des Hohlraums 64 zweigeteilt und über eine Schweißnaht 68 verbunden
ist. Die Außenkontur
des Längungsbereichs 60 ist
der in 3 gezeigten Ausführungsform stetig, das heißt sie weist
einen harmonischen im Wesentlichen knickfreien Verlauf auf. Dies
gilt auch für
den Bereich an und um die Schweißnaht 68. Die Ausführungsform
gemäß 3 besitzt
eine relativ starke Bauchung mit einem Außendurchmesser d1.
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In 4 erkennt
man eine zweite Ausführungsform
für die
Ventilnadel, bei der gleiche oder gleichwirkende Komponenten wie
bei 3 dieselben Bezugszeichen tragen, jedoch mit dem
Kleinbuchstaben "a" nachgestellt.
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Der
einzige Unterschied zwischen den Ausführungsformen gemäß 3 und 4 besteht
darin, dass der Längungsbereich 60 bei
der Ausführungsform
gemäß 4 weniger
bauchig ausgeführt ist
und dementsprechend einen kleineren Außendurchmesser d2 aufweist.
Dadurch fällt
das Längungsvermögen des
Ventilglieds 46a gegenüber dem
des Ventilglieds 46 aus 3 geringer
aus.
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Bei
der Ausführungsvariante
gemäß 5 sind
wiederum gleiche oder gleichwirkende Komponenten wie bei den Ausführungsformen
gemäß 3 und 4 mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet, jedoch mit dem Kleinbuchstaben "b" nachgestellt.
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Die
Ausführungsform
gemäß 5 unterscheidet
sich von der Ausführungsform
gemäß 4 lediglich
darin, dass die Schweißnaht 68b nicht
im Bereich der maximalen Ausbauchung des Längungsbereichs 60b angeordnet
ist, sondern nahe dem Teller 26b am oberen Ende des Längungsbereichs 60b. Alternativ
hierzu wäre
es auch möglich,
die Verbindungsstelle über
die Schweißnaht
am unteren Ende des Län gungsbereichs 60b auszubilden.
Entscheidend ist lediglich, durch geschickte Wahl der Lage der Schweißnaht eine
möglichst
einfache Herstellung des Hohlraums 64b zu ermöglichen.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ventilglieds 46c,
wobei wiederum dieselben Bezugszeichen für gleichartige oder gleichwirkende
Komponenten verwendet werden, wie vorangehend, jedoch mit dem Kleinbuchstaben "c" nachgestellt.
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Die
Ausführungsform
gemäß 6 unterscheidet
sich von der Ausführungsform
gemäß 4 im
Wesentlichen in der Geometrie des Längungsbereichs 60c.
Diese ist nicht harmonisch mit stetigen Profilverlauf ausgebildet,
sondern vielmehr sechseckförmig
mit Knickstellen, die unter Druckeinwirkung als „Solldeformationsbereiche" (Gelenke) wirken.
Der Hohlraum 64c ist entsprechend im Längsschnitt sechseckförmig ausgebildet.
Die Schweißnaht 68c ist
wiederum im Bereich der maximalen Ausbauchung angeordnet.
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7 zeigt
eine weitere Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Ventilglied 46d,
wobei wiederum dieselben Bezugszeichen für gleichartige oder gleichwirkende
Komponenten verwendet werden, wie vorangehend, jedoch mit dem Kleinbuchstaben "d" nachgestellt.
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Dieses
weist eine weitgehend hohl ausgebildete Ventilnadel 34d auf
mit einem entsprechend lang ausgebildeten Hohlraum 64d.
Die Ventilnadel 34d weist zwei Ausbauchungen 72d und 74d auf,
die etwa denselben Außendurchmesser
d4 besitzen. Durch die Ausbildung der Ventilnadel 34d mit
zwei Ausbauchungen 72d und 74d lässt sich
das druckabhängige
Längungsvermögen des
Ventilglieds 46d weiter steigern.
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Je
nach Bedarf kann bei den Ausführungsformen
der Erfindung die Wandstärke
w zur Beeinflussung des Längungsvermögens variiert
werden. So lässt
eine kleinere Wandstärke
stärkere
Deformationen und damit eine stärkere
Längung
zu. Wichtig ist jedoch, die Wandstärke in Abstimmung auf die auftretenden
Betriebsdrücke
so zu wählen,
dass es nicht zu einem Kollabieren des Hohlraums 64d kommen
kann. In 7 erkennt man auch, dass die
Ventilnadel 34d mit ihrem oberen Ende an den Teller 46d über die
Schweißnaht 68d angebracht
ist.
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In 8 ist
eine weitere Ausführungsform
für ein
erfindungsgemäßes Ventilglied 46e dargestellt, wobei
wiederum gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit den selben
Bezugszeichen bezeichnet werden, wie vorangehend, jedoch mit dem Kleinbuchstaben "e" nachgestellt.
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In 8 ist
die Ventilnadel 34 als massives Bauteil ausgeführt, das
heißt
ohne bauchigen Bereich. Statt dessen ist eine Streckhülse 46e auf
diese aufgebracht und an Schweißnähten 68e und 78e fluiddicht
mit der Ventilnadel 34e verschweißt. Die Streckhülse 76e ist
wiederum bauchig ausgeführt und
schließt
so fluiddicht einen ringförmigen
Hohlraum 64e mit der Ventilnadel 34e ein. Der
Außendurchmesser
der Streckhülse 76e ist
mit d4 bezeichnet. Im Bereich 80e ist die Ventilnadel 34e mit
einer Verjüngung
versehen.
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Wirkt
auf die Streckhülse 76e ein
hoher Außendruck,
so wird, ähnlich
wie bei den vorangehenden Ausführungsformen,
diese unter Verkleinerung des Hohlraums 64e komprimiert,
wodurch die Ventilnadel 34e im Längungsbereich 60e gestreckt
wird. Die Verjüngung
im Bereich 80e lässt
eine entsprechende Längung
leichter zu. Diese Lösung
bietet den Vorteil, dass die Ventilnadel selbst nicht hohl ausgebildet
sein muss, sondern der für
eine Längungs-effekt
erforderliche Hohlraum 64e mit Hilfe einer fluiddichten
Verschweißung über die
Streckhülse 76e errecht
werden kann.
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Zusammenfassend
zeigen die vorstehenden Ausführungsformen
gemäß 3 bis 8 verschiedene
Lösungen
für längenvariable
Ventilglieder, die zur Kompensation einer druckbedingten Ventilgehäuselängung je
nach Bedarf einsetzbar sind.
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Es
versteht sich, dass vorstehende Ausführungsformen auch weiter abgewandelt
werden können,
insbesondere hinsichtlich der Geometrie des Längungsbereichs, der Anzahl
der bauchigen Bereiche. Ferner versteht sich, dass die vorstehend
im Hinblick auf die Ausführungsbeispiele
gemäß 3 bis 7 gezeigten
Variationsmöglichkeiten
zur geometrischen Gestaltung der bauchigen Bereiche ebenso im Hinblick
auf die Gestaltung der Streckhülse 76e anwendbar
sind. Auch kann die Reduzierung des Durchmessers der Ventilnadel 34e im
Bereich der Streckhülse
stärker
ausgebildet sein, als in 8 gezeigt.
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Die
in der obigen Beschreibung der Erfindung erläuterten Varianten und deren
einzelne Aspekte sind selbstverständlich untereinander kombinierbar,
auch wenn derartige Kombinationen nicht im Einzelnen vorstehend
explizit erläutert
sind.