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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung einen Injektor
für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 101 64 123
A1 ist ein Brennstoffeinspritzventil zur direkten Einspritzung
von Dieselbrennstoff in eine Brennkraftmaschine bekannt. Das bekannte
Brennstoffeinspritzventil weist ein aus mehreren Gehäuseteilen
bestehendes Ventilgehäuse auf, wobei ein Brennstoffeinlassstutzen
vorgesehen ist. Dabei ist innerhalb des Ventilgehäuses
ein Kanal zur Durchleitung von Brennstoff ausgebildet, der in einen
Druckraum mündet, welcher in Abspritzrichtung gesehen unterhalb
eines hydraulischen Kopplers des Brennstoffeinspritzventils, innerhalb
des Ventilgehäuses vorgesehen ist. Von diesem Kanal zweigt
auf Höhe der Hubübersetzungseinrichtung eine Zulaufdrossel
ab, über die Brennstoff aus dem Kanal in einen Steuerraum
des hydraulischen Kopplers geleitet wird.
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Das
aus der
DE 101 64
123 A1 bekannte Brennstoffeinspritzventil hat den Nachteil,
dass eine Leistungsfähigkeit in Bezug auf den Einsatz bei
sehr hohen Drücken begrenzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine hohe Leistungsfähigkeit,
insbesondere ein hoher Wirkungsgrad, auch bei hohen Drücken
ermöglicht ist. Speziell besteht der Vorteil, dass ein
zumindest weitgehend druckausgeglichenes Schaltkonzept realisiert
werden kann.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Vorteilhaft
ist es, dass der Ventilschließkörper als kugelförmiger
Ventilschließkörper ausgestaltet ist und/oder
dass die Ventilsitzfläche als kegelmantelförmige
Ventilsitzfläche ausgebildet ist. Speziell durch die Sitzkombination
eines kugelförmigen Ventilschließkörpers
mit einer kegelmantelförmigen Ventilsitzfläche
kann ein robustes Verhalten gegenüber Verschleiß durch
Partikel oder dergleichen erzielt werden. Dies ist speziell bei
einer druckausgeglichenen Ausgestaltung von Vorteil, da diese verschleißempfindlich
ist.
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Vorteilhaft
ist es, dass ein Ventilbolzen vorgesehen ist, der an einem ersten
Ende des Ventilbolzens den Ventilschließkörper
aufnimmt, dass der Ventilbolzen an einem zweiten Ende des Ventilbolzens
zumindest mittelbar an einem Ventilkäfig abgestützt
ist und dass die Ventilhülse in dem Ventilkäfig geführt
ist. Hierdurch ist eine vorteilhafte Zentrierung der einzelnen Teile
zueinander möglich, wobei der mit der Drosselplatte verbundene
oder einstückig mit der Drosselplatte ausgestaltete Führungsansatz
eine zuverlässige Positionierung in einem Gehäuse
des Brennstoffeinspritzventils gewährleistet.
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Vorteilhaft
ist es dabei auch, dass der Ventilkäfig zumindest eine
Verbindungsbohrung aufweist, über die ein von dem Betätigungselement
veränderbares Kopplervolumen mit dem Ventilsteuerraum des Kopplers
verbunden ist. Hierdurch ist eine kompakte Ausgestaltung möglich.
Das Betätigungselement kann je nach Anwendungsfall gewählt
sein. Insbesondere kann das Betätigungsfeld als piezoelektrischer
Aktor oder als elektromagnetisches Betätigungselement ausgestaltet
sein.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Ventilhülse eine Führungsbohrung
aufweist, in die der Führungsansatz zumindest teilweise
eingefügt ist, und dass ein Führungsdurchmesser
der Führungsbohrung zumindest näherungsweise gleich
einem Sitzdurchmesser des Dichtsitzes ist, der zwischen dem Ventilschließkörper
und der Ventilsitzfläche der Ventilhülse gebildet
ist. Hierdurch wirkt auf die Ventilhülse keine oder nur
eine vernachlässigbare öffnende hydraulische Kraft.
Dadurch ist eine druckausgeglichene Ausgestaltung möglich.
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In
vorteilhafter Weise umfasst der Koppler eine Ventilfeder, die die
Ventilhülse in Richtung auf den Ventilsteuerraum beaufschlagt.
Dadurch kann zum Schließen des Dichtsitzes zwischen der
Ventilsitzfläche der Ventilhülse und dem Ventilschließkörper
des Kopplers ein in Schließrichtung wirkender Kraftüberschuss,
der sich aus einer Ventilfederkraft der Ventilfeder und einer hydraulischen
Kraft am Koppler zusammensetzt, durch die Vorgabe der Ventilfederkraft
vorgegeben werden.
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In
vorteilhafter Weise ist der Führungsansatz einstückig
mit der Drosselplatte ausgebildet, wobei durch den Führungsansatz
eine Drosselbohrung führt, die in einen von einer Stirnfläche
der Düsennadel begrenzten Düsensteuerraum mündet.
Hierdurch ist eine kompakte Ausgestaltung des Kopplers und somit
der Schaltanordnung zum Betätigen der Düsennadel
möglich.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass die Ventilhülse einen Anschlag aufweist,
der von der Stirnfläche der Ventilhülse abgewandt
ist, und dass der Anschlag der Ventilhülse mit der Drosselplatte
zum Begrenzen einer durch die Führung der Ventilhülse
an dem Führungsansatz ermöglichten Verschiebbarkeit
der Ventilhülse zusammenwirkt, wobei der Anschlag der Ventilhülse
beispielsweise durch eine Anschlagfläche gebildet ist,
die einer Seite der Drosselplatte zugewandt ist. Die Verschiebbarkeit
der Ventilhülse kann hierbei in der anderen Richtung durch
den Ventilkäfig oder dergleichen begrenzt sein. Hierdurch
ist eine robuste und kompakte Ausgestaltung gewährleistet.
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Der
Ventilbolzen kann an seinem zweiten Ende direkt an dem Ventilkäfig
abgestützt sein. Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass
ein Einstellkörper vorgesehen ist und dass der Ventilbolzen
an seinem zweiten Ende mittels des Einstellkörpers an dem Ventilkäfig
abgestützt ist. Der Einstellkörper kann beispielsweise
durch eine oder mehrere Einstellscheiben gebildet sein. Hierdurch
ist eine präzise Einstellung eines Ventilhubs des Ventilschließkörpers
in Bezug auf die Ventilsitzfläche der Ventilhülse
des Kopplers möglich.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils
der Erfindung in einer auszugsweisen, axialen Schnittdarstellung
und
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2 eine
auszugsweise Darstellung des in 1 dargestellten
Brennstoffeinspritzventils entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 in
einer schematischen, axialen Schnittdarstellung. Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann
insbesondere als Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen
von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen
dienen. Speziell eignet sich das Brennstoffeinspritzventil 1 für
eine Brennstoffeinspritzanlage mit einer Brennstoffverteilerleiste 2,
die Dieselbrennstoff unter hohem Druck speichert und an die mehrere
Brennstoffeinspritzventile anschließbar sind. Das erfindungsgemäße
Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist ein mehrteiliges Gehäuse 3 auf.
In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Gehäuse 3 einen
Haltekörper 4, eine Drosselplatte 5 und
einen Düsenkörper 6, die auf geeignete
Weise miteinander verbunden sind. Durch das Gehäuse 3 ist
ein Hochdruckkanal geführt, der mittels einer Brennstoffleitung 8 mit
der Brennstoffverteilerleiste 2 verbunden ist. Über
den Hochdruckkanal 7 wird im Betrieb unter hohem Druck
stehender Brennstoff zu einem Brennstoffraum 9 im Düsenkörper 6 geführt.
Der Brennstoffraum 9 ist über eine Durchgangsöffnung 10,
die im Düsenkörper 6 ausgebildet ist,
mit einem weiteren Brennstoffraum 11 des Düsenkörpers 6 verbunden.
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In
dem Düsenkörper 6 ist eine Düsennadel 12 angeordnet,
die in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb des Düsenkörpers 6 geführt
ist. Zur Betätigung der Düsennadel 12 dient
eine Betätigungseinrichtung 13, die in diesem
Ausführungsbeispiel einen piezoelektrischen Aktor aufweist.
Die Betätigungseinrichtung 13 kann allerdings
auch als elektromagnetische Betätigungseinrichtung ausgestaltet
sein. Die Betätigungseinrichtung 13 betätigt
die Düsennadel 12 mittels eines Kopplers 14.
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Die
Düsennadel 12 wirkt mit einer Ventilsitzfläche 15,
die an dem Düsenkörper 6 ausgebildet
ist, zu einem Dichtsitz zusammen. Bei einer Betätigung der
Düsennadel 12 hebt sich diese aus ihrem Sitz, wodurch
der Dichtsitz geöffnet und Brennstoff aus dem Brennstoffraum 11 über
Düsenöffnungen 16 abgespritzt wird.
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Die
Betätigung der Düsennadel 12 erfolgt hierbei
mittels eines Drucks eines Brennstoffs in einem Düsensteuerraum 17,
der von einer Stirnfläche 18 der Düsennadel 12 begrenzt
und durch eine Steuerraumhülse 19 von dem Brennstoffraum 9 abgetrennt
ist. Hierbei mündet in den Düsensteuerraum 17 eine
Zulaufdrossel 20, die in der Drosselplatte 5 ausgestaltet
ist und von dem Hochdruckkanal 7 abzweigt.
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Der
Koppler 14 weist einen Ventilkäfig 25, eine
Ventilhülse 26 und einen Ventilschließkörper 27 auf.
Die Ventilhülse 26 ist in dem Ventilkäfig 25 angeordnet.
Ferner ist ein in dem Ventilkäfig 25 angeordneter
Ventilbolzen 28 vorgesehen. Der Ventilschließkörper 27 ist über
den Ventilbolzen 28 an dem Ventilkäfig 25 abgestützt.
Hierbei nimmt ein erstes Ende 29 des Ventilbolzens 28 den
Ventilschließkörper 27 auf. An einem
zweiten Ende 30 des Ventilbolzens 28 stützt
sich der Ventilbolzen 28 an dem Ventilkäfig 25 ab.
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Die
Drosselplatte 5 weist einen Führungsansatz 31 auf,
an dem die Ventilhülse 26 entlang einer Achse 32 des
Kopplers 14 geführt ist. Der Ventilbolzen 28 ist
ebenfalls entlang der Achse 32 in der Ventilhülse 26 geführt.
Außerdem besteht eine Führung zwischen dem Ventilkäfig 25 und
der Ventilhülse 26. Hierbei ist durch die Ventilhülse 26,
die über den Führungsansatz 31 an der
Achse 32 ausgerichtet ist, eine Ausrichtung des Ventilkäfigs 25 bezüglich
der Achse 32 gewährleistet.
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In
diesem Ausführungsbeispiel ist der Ventilschließkörper 27 als
kugelförmiger Ventilschließkörper 27 ausgestaltet.
Das erste Ende 29 ist an die Ausgestaltung des Ventilschließkörpers 27 angepasst.
Der Ventilschließkörper 27 wirkt mit
einer an der Ventilhülse ausgestalteten Ventilsitzfläche 33 zu einem
Dichtsitz zusammen. Die Ventilsitzfläche 33 ist kegelmantelförmig
ausgestaltet. Durch die Sitzkombination, die aus dem kugelförmigen
Ventilschließkörper 27 und der kegelmantelförmigen
Ventilsitzfläche 33 gebildet ist, ist eine verschleißunempfindliche Ausgestaltung
des Ventils des Kopplers 14 möglich.
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Der
Koppler 14 weist eine Kopplerhülse 35 auf,
die sich beispielsweise mittels einer Beißkante an einem
plattenförmigen Teil 36 des Ventilkäfigs 25 abstützt.
In der Kopplerhülse 35 ist ein Kolbenabschnitt 37 eines Übergangsstücks 38 geführt,
das an den Aktor der Betätigungseinrichtung 13 angefügt
ist. Der Kolbenabschnitt 37, die Kopplerhülse 35 und
der plattenförmige Teil 36 des Ventilkäfigs 25 begrenzen einen
Kopplerraum 39. Hierbei weist der Kopplerraum 39 ein
veränderbares Kopplervolumen auf, das über eine
Betätigung des Betätigungselements 13 veränderbar
ist. Das Kopplervolumen des Kopplerraums 39 steht über
Verbindungsbohrungen 40, 41, die in dem plattenförmigen
Teil 36 des Ventilkäfigs 25 ausgestaltet
sind, mit einem Ventilsteuerraum 42 innerhalb des Ventilkäfigs 25 in
Verbindung. Die Ventilhülse 26 weist eine Stirnfläche 43 auf.
Der Ventilsteuerraum 42 ist in diesem Ausführungsbeispiel
als ringförmiger Ventilsteuerraum 42 ausgestaltet.
Hierbei ist der Ventilsteuerraum 42 durch die Stirnfläche 43 der Ventilhülse 26,
den Ventilkäfig 25 und das zweite Ende 30 des
Ventilbolzens 28 definiert. Das Volumen des Ventilsteuerraums 42 hängt
allerdings von der momentanen Stellung der Ventilhülse 26 innerhalb des
Ventilkäfigs 25 ab.
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Der
Koppler 14 weist eine Ventilfeder 45 auf, die
die Ventilhülse 26 in Richtung auf den Ventilsteuerraum 42 beaufschlagt.
Die Kraft der Ventilfeder 45 ist daher so gerichtet, dass
diese in Richtung einer Verkleinerung des Volumens des Ventilsteuerraums 42 wirkt.
Eine weitere Feder 46 beaufschlagt die Kopplerhülse 35.
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Zum
Einleiten einer Einspritzung von Brennstoff über die Düsenöffnungen 16 in
den Brennraum einer Brennkraftmaschine wird die Betätigungseinrichtung 13,
das heißt der piezoelektrische Aktor 13, über
elektrische Leitungen 47 geladen. Dadurch dehnt sich der
Aktor 13 entlang der Achse 32 aus. Das Kopplervolumen
des Kopplerraums 39 wird dadurch reduziert. Dadurch erhöht
sich der Druck im Kopplerraum 39. Über die Verbindungsbohrungen 40, 41 wird
somit auch eine Druckerhöhung im Ventilsteuerraum 42 erreicht,
wobei sich außerdem in Bezug auf die Reduzierung des Volumens
des Kopplerraums 39 das Volumen des Ventilsteuerraums 42 vergrößert.
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Ein
Führungsdurchmesser d einer Führungsbohrung 48 der
Ventilhülse 26, in der der Führungsansatz 31 geführt
ist, ist zumindest näherungsweise gleich groß wie
ein Sitzdurchmesser des Dichtsitzes zwischen dem Ventilschließkörper 27 und
der Ventilsitzfläche 33 der Ventilhülse 26.
Somit wirkt auf die Ventilhülse 26 diesbezüglich
keine öffnende hydraulische Kraft. Die Ventilanordnung
in Bezug auf die Sitzkombination des kegelförmigen Ventilschließkörpers 27 und
der Ventilsitzfläche 33 der Ventilhülse 26 ist
somit zumindest näherungsweise druckausgeglichen. Die hydraulische
Kraft, die durch den Druck auf die Fläche xd2/4
entsteht, wird über den kugelförmigen Ventilschließkörper 27,
das kalottenförmige erste Ende 29 des Ventilbolzens 28 und
den Ventilbolzen 28 selbst an dem plattenförmigen
Teil 36 des Ventilkäfigs 25 abgestützt.
Hierbei ist der Sitzdurchmesser d des Dichsitzes gleich dem Führungsdurchmesser
d der Führungsbohrung 48.
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Da
eine Ventilfederkraft der Ventilfeder 45, die die Ventilhülse 26 gegen
den kugelförmigen Ventilschließkörper 27 drückt,
kleiner ist als eine hydraulische Kraft, die durch den Druck im
Ventilsteuerraum 42 auf die Stirnfläche 43 der
Ventilhülse 26 erzeugt ist, verfährt
die Ventilhülse 26 aus der in der 1 dargestellten
Stellung in Richtung auf die Drosselplatte 5. Hierbei öffnet
sich der zwischen dem Ventilschließkörper 27 und
der Ventilsitzfläche 33 der Ventilhülse 26 gebildete
Dichtsitz. Die Verschiebung der Ventilhülse 26 ist
durch Anschlagen einer Anschlagfläche 49, die
einen Anschlag an der Ventilhülse 26 bildet, gegen
eine Seite 50 der Drosselplatte 5 begrenzt. Somit
kann die Ventilhülse 26 so weit in Richtung auf
die Drosselplatte 5 verstellt werden, bis die Anschlagfläche 49 an
der Seite 50 der Drosselplatte 5 anliegt.
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Über
den geöffneten Dichtsitz wird der Brennstoff zwischen dem
Führungsansatz 31 und dem Ventilschließkörper 27 entlastet.
Durch den Führungsansatz 31 führt eine
Drosselbohrung 51, die in den Düsensteuerraum 17 mündet.
Auf Grund des geöffneten Dichtsitzes bricht deshalb der
Druck im Düsensteuerraum 17 zusammen, so dass
sich die Düsennadel 12 auf Grund des an der Düsennadel 12 angreifenden
hohen Drucks des Brennstoffs im Brennstoffraum 9 sowie
im Brennstoffraum 11 aus ihrem Sitz hebt und Brennstoff
aus dem Brennstoffraum 11 abgespritzt wird. Die beim Betätigen
der Düsennadel 12 über die Drosselbohrung 51 in
den Koppler 14 gelangende Steuermenge wird über
Entlastungsbohrungen 52 in der Ventilhülse 26 und
Entlastungsbohrungen 53 in dem Ventilkäfig 25 in
einen Niederdruckraum 54 des Brennstoffeinspritzventils 1 geführt.
Aus dem Niederdruckraum 54 gelangt der Brennstoff über
einen gedrosselten Rücklauf 55 zu einem Tank 56 der
Brennstoffeinspritzanlage.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird der Aktor 13 wieder
geladen, so dass sich das Volumen des Kopplerraums 39 wieder
vergrößert und somit der Druck im Ventilsteuerraum 42 verringert
und das Volumen des Ventilsteuerraums 42 reduziert werden.
Auf Grund des Kraftüberschusses auf die Ventilhülse 26 erfolgt
hierbei eine Rückstellung der Ventilhülse 26 in
die in der 1 dargestellte Ausgangslage,
bei der der zwischen dem Ventilschließkörper 27 und
der Ventilsitzfläche 33 der Ventilhülse 26 gebildete
Dichtsitz wieder geschlossen ist. Die Kraft zum Schließen
setzt sich hierbei zum einen aus der Ventilfederkraft der Ventilfeder 45 und
zum anderen aus der hydraulischen Kraft im Koppler 14,
die auf die Fläche (D2 – B2)x/4 wirkt, zusammengesetzt ist. Hierbei
ist der Durchmesser D des Ventilschließkörpers 27 gleich
dem Innendurchmesser des Ventilkäfigs 25 zur Führung.
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Der
Druckaufbau im Düsensteuerraum 17 erfolgt über
den Zulauf von unter hohem Druck stehenden Brennstoff über
die Zulaufdrossel 20. Dadurch ist eine zuverlässige
Rückstellung der Düsennadel 12 in ihrer
Ausgangsstellung gewährleistet.
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2 zeigt
eine auszugsweise Darstellung eines Brennstoffeinspritzventils 1 in
einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten
Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel
stützt sich der Ventilbolzen 28 im Unterschied zu
dem in der 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel
nicht direkt an dem plattenförmigen Teil 36 des
Ventilkäfigs 25 ab. Die Abstützung des
Ventilbolzens 28 an dem plattenförmigen Teil 36 des
Ventilkäfigs 25 erfolgt mittelbar, wobei zwischen
dem zweiten Ende 30 des Ventilbolzens 28 und dem
plattenförmigen Teil 36 ein Einstellkörper 60 angeordnet ist.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Einstellkörper 60 durch
eine Einstellscheibe 60 gebildet, die teilweise in eine
Vertiefung 61 in dem plattenförmigen Teil 36 eingesetzt
ist. Durch die Auswahl des Einstellkörpers 60 aus
unterschiedlich ausgestalteten Einstellkörpern 60 kann
ein gewünschter Ventilhub beim Betätigen des Kopplers 14 durch
den Aktor 13 vorgegeben werden. Somit ist eine genaue Einstellung
des Ventilhubs möglich. Hierdurch können zum einen Fertigungstoleranzen
ausgeglichen werden. Zum anderen ist eine einfache Anpassung an
unterschiedliche Anwendungsfälle möglich.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10164123
A1 [0002, 0003]