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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
DE 103 53 169 A1 zeigt einen Piezo-gesteuerten Common-Rail-Injektor mit einem, mittels eines Piezoaktuators betätigbaren, als 3/2-Wegeventil ausgebildeten Steuerventil. Bei geöffnetem Steuerventil ist eine von einer Stirnseite eines Einspritzventilelementes begrenzte Steuerkammer hydraulisch mit einem Niederdruckbereich des Injektors verbunden, so dass aus der Steuerkammer, die über eine Zulaufdrossel mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt wird, ein Nettoabfluss von Kraftstoff in den Niederdruckbereich resultiert. In der Folge sinkt der Druck in der Steuerkammer, was wiederum einer Öffnungsbewegung des Einspritzventilelementes und damit die Freigabe einer Düsenlochanordnung zur Folge hat. Der Piezoaktuator ist insbesondere zum Ausgleich von temperaturbedingten Längenschwankungen über einen hydraulischen Koppler mit einem kolbenförmigen Steuerventilelement des Steuerventils wirkverbunden. Hierbei liegt der Kopplerkolben mit einer unteren Stirnseite auf einer oberen Stirnseite des Steuerventilelementes auf, wobei das Steuerventilelement in Richtung des Piezoaktuators federkraftbeaufschlagt ist. Hierzu kommt eine durchgehend zylindrisch konturierte Schraubendruckfeder zum Einsatz.
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Neben der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind ähnlich aufgebaute Kraftstoff-Injektoren bekannt geworden, bei denen das Steuerventilelement (Ventilnadel) des Steuerventils in einer Hülse geführt ist. Auch bei diesen Ausführungsvarianten kommt eine zylindrische Schraubendruckfeder zur Federkraftbeaufschlagung des Steuerventilelementes zum Einsatz, wobei sich die Schraubendruckfeder axial auf einer oberen Stirnseite der zylindrischen Dichthülse abstützt. Nachteilig bei derartigen Kraftstoff-Injektoren ist, dass es im Injektorbetrieb durch ein Verkippen der Dicht- bzw. Führungshülse für das Steuerventilelement zu parasitären Leckagemengen kommt, die es zu vermeiden gilt.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Kraftstoff-Injektor so weiterzubilden, dass parasitäre Leckagemengen durch Verkippen der Dicht- bzw. Führungshülse minimiert werden.
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Diese Aufgabe wird mit einem Kraftstoff-Injektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die im Stand der Technik axial durchgehend zylindrische Schraubendruckfeder zur Federkraftbeaufschlagung des Steuerventilelementes des, vorzugsweise als 2/2-Wegeventil ausgebildeten, Steuerventils zu ersetzen durch eine Ventilfeder, die einen Axialabschnitt aufweist, dessen Hüllkontur eine von einer Zylinderform abweichende Form aufweist. Die Ventilfeder zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Durchmesser deren Hüllkontur in einem Axialabschnitt in axialer Richtung betrachtet verringert. Noch anders ausgedrückt nimmt der sich quer zur Axialerstreckung erstreckende Durchmesser der Hüllkontur in axialer Richtung betrachtet ab. Ganz besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsvariante, bei der die Hüllkontur dieses Axialabschnittes, zumindest näherungsweise, kegelstumpfförmig ausformt ist. Ganz besonders bevorzugt ist die Hüllkontur des sich verjüngenden Axialabschnittes dabei konisch konturiert. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Ventilfeder wird die erforderliche Pressung zwischen der Führungshülse (Dichthülse) und einer, vorzugsweise von einer Drosselplatte gebildeten, Auflagefläche für die Führungshülse in allen Betriebszuständen gewährleistet, was zu einer Minimierung der Leckagemenge in Richtung Niederdruckbereich führt. Die erfindungsgemäß einen sich verjüngenden Axialabschnitt aufweisende Ventilfeder kann Desachsierungen und Schiefstellungen der Teile des Steuerventils zueinander ausgleichen. Dies ist vor allem auf die Nachgiebigkeit und Flexibilität der zum Einsatz kommenden Ventilfeder zurückzuführen. Anders ausgedrückt hat die erfindungsgemäß abgewandelte Ventilfeder vor allen Dingen eine Dichtfunktion.
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In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der sich verjüngende Axialabschnitt ein dem, vorzugsweise piezoelektrischen Aktuator zugewandter, Axialabschnitt der Ventilfeder ist. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem sich verjüngenden Axialabschnitt um einen oberen Endabschnitt der Ventilfeder.
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Ganz besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der die Ventilfeder neben dem ersten, sich verjüngenden Axialabschnitt einen zweiten, vorzugsweise unmittelbar axial an den ersten Axialabschnitt angrenzenden, Axialabschnitt aufweist, mit dem die Ventilfeder die Führungshülse für das Steuerventilelement radial außen umschließt. Bei einer derartigen, besonders bevorzugten Ausführungsvariante wird ein Verkippen der Dichthülse noch weiter minimiert. Anders ausgedrückt hat eine derartig ausgebildete Ventilfeder neben der Dichtfunktion eine Fixierfunktion.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn der zweite Axialabschnitt eine zylindrische Hüllkontur aufweist. Bei einer derartigen Ausführungsvariante kommt der Ventilfeder zusätzlich zu der Dichtfunktion und der Fixierfunktion eine Homogenisierungsfunktion zu, da die Ventilfeder in ihrem zylindrischen Teilababschnitt die Strömungs- und Druckverhältnisse über den Umfang homogenisiert und dadurch zusätzlich einem Verkippen der Führungshülse entgegenwirkt.
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Zum Abstützen der Ventilfeder an der Führungshülse weist die Führungshülse bevorzugt einen Umfangsbund auf, der mit Axialabstand zum oberen, dem Aktuator zugewandten Ende der Führungshülse angeordnet ist. Damit Kraftstoff bei geöffnetem Steuerventilelement am Umfangsbund vorbei in Richtung Injektor-Rücklaufanschluss strömen kann, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Umfangsbund randseitige Aussparungen aufweist, die zusammen mit der Innenumfangswand der die Führungshülse aufnehmenden Ventilkammer (Ventilraum) Axialkanäle bildet. Ganz besonders bevorzugt sind mehrere, insbesondere gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnete, Axialkanäle zur Realisierung einer homogenen Durchströmung vorgesehen.
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Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsvariante des Kraftstoff-Injektors, bei der das Steuerventil im geschlossenen Zustand in axialer Richtung, zumindest näherungsweise, druckausgeglichen ist. Hierzu liegt ein radial innerhalb der Führungshülse unterhalb des Steuerventilelementes gebildeter Raum bevorzugt dauerhaft auf Niederdruck, d. h. ist dauerhaft mit dem Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors verbunden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Ventilraumform der die Führungshülse und das Steuerventilelement aufnehmenden Ventilkammer (Ventilraum) an die Hüllkontur angepasst ist. Ganz besonders bevorzugt weist der Ventilraum hierzu einen innenkegelförmigen Axialabschnitt auf, wobei es noch weiter bevorzugt ist, wenn die Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Hüllkontur-Abschnittes der Ventilfeder und die innere Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Axialabschnittes des Ventilraums einen Winkel α aufspannen.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors, bei der der Aktuator zur Betätigung des Steuerventils als piezoelektrischer Aktuator ausgebildet ist, der noch weiter bevorzugt im Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors angeordnet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese zeigen in:
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1: einen Common-Rail-Injektor mit piezoelektrischem Aktuator, hydraulischem Koppler und als 2/2-Wegeventil ausgebildetem Steuerventil (Servoventil),
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2: eine vergrößerte Darstellung des hydraulischen Kopplers sowie des Steuerventils des Common-Rail-Injektors gemäß 1,
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3: eine vergrößerte Darstellung des Steuerventilelementes gemäß den 1 und 2, und
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4: eine Draufsicht auf die Führungshülse mit Umfangsbund, der randseitig offene Aussparungen zur Bildung von Axialkanälen aufweist.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Eine Hochdruckpumpe 2 befördert Kraftstoff aus einem Vorratsbehälter 3 in einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 (Rail). In diesem ist Kraftstoff, insbesondere Diesel, unter hohem Druck, von in diesem Ausführungsbeispiel über 2000bar, gespeichert. An den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 ist der Kraftstoff-Injektor 1 neben anderen, nicht gezeigten Kraftstoff-Injektoren über eine Versorgungsleitung 5 angeschlossen. Die Versorgungsleitung 5 mündet in einen zum Hochdruckbereich des Kraftstoff-Injektors 1 gehörenden, axialen Versorgungskanal 6, durch den Kraftstoff in einen Druckraum 7 strömt. Bei einem Einspritzvorgang strömt der Kraftstoff aus dem Druckraum 7 in axialer Richtung an einem einteiligen Einspritzventilelement 8 (Düsennadel) vorbei durch Düsenbohrungen einer Düsenlochanordnung 16 in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff-Injektor 1 ist über einen Injektor-Rücklaufanschluss 9 an eine Rücklaufleitung 10 angeschlossen. Über die Rücklaufleitung 10 kann eine später noch zu erläuternde Steuermenge an Kraftstoff von dem Kraftstoff-Injektor 1 zum Vorratsbehälter 3 abfließen und von dort aus dem Hochdruckkreislauf wieder zugeführt werden.
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Wie sich aus 1 ergibt, ist das in diesem Ausführungsbeispiel einteilige Einspritzventilelement 8 innerhalb einer Stufenbohrung eines Düsenkörpers 12 axial verstellbar geführt. Der Düsenkörper 12 ist im Verbund mit einer Drosselplatte 11 und einem Ventilkörper 14 gegen einen Haltekörper 13 mittels einer Düsenspannmutter verspannt.
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Das Einspritzventilelement 8 weist an seiner Spitze 15 eine Schließfläche (Dichtfläche) auf, mit welcher das Einspritzventilelement 8 in eine dichte Anlage an einen innerhalb des Düsenkörpers 12 ausgebildeten Einspritzventilelementsitz bringbar ist. Wenn das Einspritzventilelement 8 an seinem Einspritzventilelementsitz anliegt, d. h. sich in einer Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus der Düsenlochanordnung 16 gesperrt. Ist es dagegen von seinem Einspritzventilelementsitz abgehoben, kann Kraftstoff aus dem Druckraum 7, im Wesentlichen unter Raildruck stehend, an dem Einspritzventilelementsitz vorbei in den Brennraum strömen.
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Von einer in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite des Einspritzventilelementes 8 wird eine Steuerkammer 17 (Servokammer) (vgl. 2) begrenzt, die über eine in 2 angedeutete Zulaufdrossel 18, die in die Drosselplatte 11 eingebracht ist, mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem Versorgungskanal 6 versorgt wird. Gleichzeitig wird der Druckraum 7, aus dem Kraftstoff bei geöffnetem Einspritzventilelement 8 in den Brennraum strömen kann, mit Kraftstoff aus dem Versorgungskanal 6 versorgt. Der Druckraum 7 umschließt dabei eine die Steuerkammer 17 radial außen begrenzende, federkraftbeaufschlagte Hülse 32 radial außen. Die in der Hülse 32 ausgebildete Steuerkammer 17 ist über eine in der Drosselplatte 11 eingebrachte Ablaufdrossel 19 mit einer Ventilkammer 20 verbunden, die mittels eines axial verstellbaren Steuerventilelementes 21 (Ventilbolzen) mit einem Niederdruckbereich 22 und damit mit dem Injektor-Rücklaufanschluss 9 verbindbar ist. Das Steuerventilelement 21 ist Teil eines als 2/2-Wegeventil ausgebildeten Steuerventils 23 (Servoventil). Zu erkennen ist, dass das Steuerventilelement 21 an seinem Außenumfang von einer Führungshülse 29 geführt ist, die sich in axialer Richtung an der Drosselplatte 11 abstützt. Bei in einer ersten (unteren) Schaltstellung befindlichem Steuerventilelement 21, d. h. bei geöffnetem Steuerventil 23 kann Kraftstoff aus der Steuerkammer 17 über die Ablaufdrossel 19 und die Ventilkammer 20 in den Niederdruckbereich 22 zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 strömen. Bei in einer zweiten (oberen) Schaltstellung befindlichem Steuerventilelement 21, d. h. bei geschlossenem Steuerventil 23 ist die Verbindung zwischen Ventilkammer 20 und Niederdruckbereich 22 gesperrt.
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Zum axialen Verstellen des kolbenförmigen, genauer pilzförmigen Steuerventilelementes 21 ist ein piezoelektrischer Aktuator 24 vorgesehen, der über einen hydraulischen Koppler 25 mit dem Steuerventilelement 21 wirkverbunden ist.
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Zum Öffnen des Steuerventils 23, also zum Bewegen des Steuerventilelementes 21 in der Zeichnungsebene nach unten, weg von seinem Steuerventilsitz 26, wird der piezoelektrische Aktuator 24 bestromt und dehnt sich aus. Hierdurch wird ein in der Zeichnungsebene oberer Kopplerkolben 27 des hydraulischen Kopplers 25 in der Zeichnungsebene nach unten bewegt, wodurch wiederum der Arbeitskolben 28 des hydraulischen Kopplers 25, der über ein Kopplervolumen mit dem Kopplerkolben 27 hydraulisch gekoppelt ist, in der Zeichnungsebene nach unten bewegt. Der Arbeitskolben 28 drückt auf das Steuerventilelement 21, welches in der Folge entgegen der Kraft einer Ventilfeder 30 von seinem oberen Steuerventilsitz wegbewegt wird und somit den Kraftstofffluss aus der Steuerkammer 17 hin zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 freigibt. Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 18 und der Ablaufdrossel 19 sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass bei geöffnetem Steuerventil 23 ein Nettoabfluss von Kraftstoff aus der Steuerkammer 17 resultiert. Hierdurch sinkt der Druck in der Steuerkammer 17 rapide ab, wodurch das Einspritzventilelement 8 von seinem Einspritzventilsitz abhebt, so dass Kraftstoff aus dem Druckraum 7 durch die Düsenlochanordnung 16 ausströmen kann.
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Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des piezoelektrischen Aktuators 24 unterbrochen, wodurch sich der Piezokristallstapel des Aktuators 24 zusammenzieht und der Kopplerkolben 27, unterstützt durch die Federkraft einer Federhülse 34, nach oben bewegt wird. Das Steuerventilelement 21 bewegt sich in der Folge, unterstützt durch die Ventilfeder 30 (Steuerschließfeder), deren Ausformung später noch anhand von 3 im Detail erläutert werden wird, in der Zeichnungsebene nach oben gegen den Steuerventilsitz 26. Die Ventilfeder 30 garantiert dabei einen ständigen Kontakt zwischen Arbeitskolben 28 und Steuerventilelement 21. Der Arbeitskolben 28 und das Steuerventilelement 21 werden bei nicht bestromtem Aktuator also nach oben in die obere Schaltstellung bewegt, in der das Steuerventilelement 21 wieder an seinem Steuerventilsitz 26 anliegt und die hydraulische Verbindung aus der Steuerkammer 17 zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 sperrt. Der durch die Zulaufdrossel 18 in die Steuerkammer 17 nachströmende Kraftstoff sorgt für eine schnelle Druckerhöhung in der Steuerkammer 17 und damit für eine auf das Einspritzventilelement 8 wirkende hydraulische Schließkraft. Die daraus resultierende Schließbewegung des Einspritzventilelementes 8 wird von einer Schließfeder 31 unterstützt, die sich mit einem Ende am Einspritzventilelement 8 und mit dem anderen Ende an einer die Steuerkammer begrenzenden Hülse 32 abstützt.
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Wie sich aus 2 ergibt, ist das Steuerventil 23 als axial druckausgeglichenes Ventil ausgebildet. Hierzu ist ein Druckausgleichsraum 33, der radial außen von der Führungshülse 29, axial oben von dem Steuerventilelement 21 und axial unten von der Drosselplatte 11 begrenzt wird, dauerhaft über einen Niederdruckkanal 35 mit dem Niederdruckbereich 22 verbunden. Der Führungsdurchmesser der Führungshülse 29 für das Steuerventilelement 21 entspricht, zumindest näherungsweise, dem Durchmesser des oberen Steuerventilsitzes 26, so dass eine axiale Druckausgeglichenheit des Steuerventilelementes 21 resultiert.
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Der Aufbau des Steuerventils 23 ergibt sich aus den 3 und 4 im Detail. Zu erkennen ist, dass die Führungshülse 29 einen im unteren Drittel befindlichen Umfangsbund 36 aufweist, an dem sich die Ventilfeder 30 in axialer Richtung abstützt. Die Ventilfeder 30 umfasst einen ersten, oberen Axialabschnitt 37 mit der Höhenerstreckung h1. Dieser erste, obere Axialabschnitt 37 (oberer Endabschnitt) zeichnet sich durch eine kegelstumpfförmige, gedachte äußere Hüllkontur 40 auf (gestrichelte Darstellung). Wie sich aus 3 ergibt, verjüngt sich der quer zur Axialerstreckung der Ventilfeder 30 orientierte Durchmesser der äußeren Hüllkontur 40 sowie der Durchmesser der inneren, nicht dargestellten Hüllkontur mit abnehmendem Abstand zum in 3 nicht gezeigten, piezoelektrischen Aktuator.
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In 3 ist das Steuerventil 23 in einer Schnittansicht gezeigt. Zu erkennen ist, dass sich Mittelpunkte 38 des die Ventilfeder 30 bildenden Federdrahtes 39 (Durchmesser D0 = 0,55 mm) auf der Mantelfläche eines Kegelstumpfes befinden, wobei die Mantelfläche dieses Kegelstumpfes konzentrisch zur Mantelfläche der äußeren Hüllkontur 40 angeordnet ist. Der oberste, minimale Durchmesser des die Mittelpunkte 38 aufnehmenden Kegelstumpfes beträgt D5 = 1,74 mm.
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Zu erkennen ist, dass sich die Ventilfeder 30 mit dem oberen Ende des kegelstumpfförmigen ersten Axialabschnittes 37 an der Unterseite einer Ringschulter 41 des Steuerventilelementes 21 abstützt.
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Der die Höhe h1 = 2 mm aufweisende erste Axialabschnitt 37 geht in seinem unteren Ende über an einen unmittelbar axial benachbarten zweiten Axialabschnitt 42, der eine zylindrische, äußere Hüllkontur sowie eine zylindrische, innere Hüllkontur (beide nicht eingezeichnet) aufweist. Der zweite Axialabschnitt 42 reicht in der Zeichnungsebene oben bis etwa zum oberen Ende der Führungshülse 36. Mit dem zweiten, zylindrischen Axialabschnitt 42 umschließt die Ventilfeder 30 die Führungshülse 29 radial außen und stabilisiert diese damit zusätzlich. Die Mittelpunkte 45 des Federdrahtes 39 liegen in dem zweiten Axialabschnitt 42 auf einer Zylindermantelfläche mit dem Durchmesser D4 = 3,75 mm. Der zweite Axialabschnitt 42 stützt sich axial auf der Oberseite des Umfangsbundes 36 ab, der mit Axialabstand zum unteren Ende der Führungshülse 36 angeordnet ist. In der Zeichnung ist zu erkennen, dass die Höhe h1 des ersten Axialabschnittes geringer ist als die Höhe h2 = 2,25 mm des zweiten Axialabschnittes 42 und dass die Umfangsschulter 36 eine noch wesentlich geringere Höhenerstreckung h3 = 0,3 mm aufweist. Ein unterer, zylindrischer Abschnitt 44 der Ventikammer 20 weist einen Durchmesser D1 = 4,2 mm auf.
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Wie sich weiterhin aus 3 ergibt, spannen die die Mittelpunkte 38 des Federdrahtes 39 aufnehmende, gedachte Mantelfläche und der Innenumfang eines oberen, kegelstumpfförmigen Abschnittes 43 der Ventilkammer 20 einen Winkel auf, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 20° beträgt. Dieser Winkel α ist identisch mit einem nicht eingezeichneten Winkel α zwischen der Mantelfläche der äußeren Hüllkontur 40 und dem Innenumfang der Ventilkammer 20.
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Wie sich aus 4 ergibt, weist eine äußere zylindrische Hüllkontur des Umfangsbundes 36 den Durchmesser D2 = 4,1 mm auf. Zur Bildung von Axialkanälen 46, durch die Kraftstoff bei geöffnetem Steuerventil 23 in den Niederdruckbereich 22 strömen kann, sind am Außenumfang des Umfangsbundes 36 gleichmäßig in Umfangsrichtung beabstandete, außen offene Aussparungen 47 gebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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