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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten hat bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren die höchste Priorität. Gerade das Common-Rail-Einspritzsystem hat einen entscheidenden Beitrag zur Reduzierung der Schadstoffe geleistet. Der Vorteil der Common-Rail-Systeme liegt in ihrer Unabhängigkeit des Einspritzdruckes von Drehzahl und Last. Für die Einhaltung zukünftiger Abgasgrenzwerte ist jedoch gerade bei Dieselmotoren eine signifikante Erhöhung des Einspritzdruckes notwendig.
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Neuste Kraftstoff-Injektoren für höchste Einspritzdrücke werden leckagefrei ausgeführt, indem auf eine dauerhafte Niederdruckstufe am Einspritzventilelement verzichtet wird. Durch das Fehlen dieser Niederdruckstufe stehen nur geringe Nadelschließkräfte zur Verfügung. Dies führt zu steilen Kennfeldern und somit zu einer schlechten Kleinstmengenfähigkeit. Dieser Nachteil kann mit sehr schnell schaltenden Steuerventilen (Servoventilen) kompensiert werden.
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Schnell schaltende Steuerventile haben jedoch häufig das Problem, dass aufgrund eines Prellers des Steuerventilelementes Kennfeldwelligkeiten auftreten. Das Steuerventilelementprellen tritt bei einem harten Anschlag (Metall auf Metall) in Verbindung mit einem sehr schnellen Steuerventilelement (Ventilnadel) in Erscheinung. Gerade Schließpreller haben einen besonders negativen Einfluss auf die Funktion des Kraftstoff-Injektors und führen im Allgemeinen zu großen Hub/Hub-Streuungen. Anders als beim oberen Hubanschlag kann am Steuerventilsitz aufgrund seiner Dichtfunktion kein Quetschspalt zur Minimierung des Einschlagimpulses realisiert werden.
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In der
DE 10 2007 060 396 A1 der Anmelderin sind einige mechanische Lösungsansätze zur Minimierung von Schließprellern in Kraftstoff-Injektoren angegeben. U. a. ist es aus der Druckschrift bekannt, die Ankerplatte relativ zur Ventilnadel verstellbar anzuordnen, so dass die Ankerplatte ihre Axialbewegung nach unten weiter fortsetzen kann, nachdem die Ventilnadel bereits auf ihrem Ventilsitz eingeschlagen ist. Die Bewegung der Ankerplatte wird dabei durch einen Quetschspalt abgebremst, der sich ausbildet zwischen der Ankerplatte und einem von der Ventilnadel separaten Ringteil, welches an der Ventilnadel gehalten ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff-Injektor anzugeben, der sich einerseits durch einen einfachen Aufbau und andererseits durch eine minimierte Schließprellerneigung auszeichnet. Bevorzugt soll der Verbund aus Anker und Ventilnadel auf einfachste Weise montierbar sein.
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Diese Aufgabe wird in 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 Schließprellerneigung dadurch zu minimieren, dass dem vorzugsweise als Ankerplatte ausgebildeten Anker auf der vom elektromagnetischen Aktuator abgewandten Seite ein Anschlag bzw. Überhubanschlag zugeordnet ist, der unmittelbar von der Ventilnadel, d. h. dem axial verschließbaren Steuerventilelement gebildet ist. Hierdurch kann sich ein Quetschspalt zur Abbremsung der Ankerbewegung unmittelbar zwischen Anker und Ventilnadel ausbilden, wodurch auf ein im Stand der Technik zum Einsatz kommendes separates Ringelement verzichtet und dadurch der Aufbau des Kraftstoff-Injektors vereinfacht werden kann. Bei einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kraftstoff-Injektor wirkt auf den Steuerventilsitz nur der Impuls der Ventilnadel während der Anker in Richtung Überhubanschlag durchschwingt. Somit wird der Einschlagimpuls und das Kraftmaximum reduziert, was sowohl die Schließprellerneigung als auch den Verschleiß minimiert. Der bei einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kraftstoff-Injektor vorgesehene Überhubanschlag, der unmittelbar von der Ventilnadel gebildet ist, begrenzt das Durchschwingen des Ankers, wodurch kurze Einspritzabstände realisiert werden können. Es wird also sichergestellt, dass der durchschwingende Anker innerhalb kürzester Zeit wieder in seine Ausgangsstellung überführt wird. Dadurch, dass der Überhubanschlag unmittelbar von der Ventilnadel begrenzt ist ergibt sich der Überhubanschlag aus der Dickenerstreckung des vorzugsweise plattenförmigen Ankers und der Ankerführungslänge, die mit Vorteil in ein vorzugsweise vorgesehenes, später noch zu erläuterndes Ankerführungsteil eingeschliffen ist. Diese beiden Maße können aufgrund der Parallelität der Kontaktflächen sehr präzise gemessen, eingeschliffen bzw. gefertigt werden. Der Überhubanschlag kann somit vor Zusammenbau gemessen und gegebenenfalls durch Auswahlgruppen exakt eingestellt werden. Ein aufwändiger Einstellprozess, bei dem der Überhubanschlag im zusammengebauten Zustand ermittelt und korrigiert werden muss, ist aufgrund der bauteilunabhängigen Fertigungsmaße nicht erforderlich.
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In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Ventilnadel hülsenförmig ausgebildet ist und der Quetschspalt zwischen Anker und Ventilnadel von einer, vorzugsweise oberen, Ringfläche der hülsenförmigen Ventilnadel begrenzt ist. Die Ausbildung der vorzugsweise eine Stufenbohrung aufweisenden Ventilnadel als Hülse ermöglicht es auf vergleichsweise einfache Weise, dass das Steuerventil im geschlossenen Zustand in axialer Richtung druckausgeglichen ist, mit dem Ziel, kleiner dimensionierte und leistungsschwächere elektromagnetische Aktuatoren einsetzen zu können.
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Ganz besonders bevorzugt ist eine Ausführungsvariante des Kraftstoff-Injektors, bei der der zwischen Anker und Ventilhülse ausbildbare Quetschspalt zur Dämpfung des Einschlagimpulses des Ankers mittels einer Leckagemenge, vorzugsweise aus einem später noch zu erläuternden hydraulischen Koppler geprüft ist, da der Quetschspalt seine Dämpfungsfunktion nur dann erfüllen kann, wenn er mit Kraftstoff gefüllt ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass zur Wirkverbindung des Ankers und der Ventilnadel ein hydraulischer Koppler vorgesehen ist, der bewirkt, dass die Ventilnadel bei Bestromung des elektromagnetischen Aktuators zusammen mit dem vorzugsweise plattenförmigen Anker in axialer Richtung hin zum elektromagnetischen Aktuator verstellt wird. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn ein Kopplervolumen des hydraulischen Kopplers derart angeordnet ist, dass die aus diesem austretende Leckage (Kraftstoffleckage) diejenige Leckage ist, die den Quetschspalt spült, also dafür sorgt, dass die Dämpfungsfunktion des Quetschspaltes aufrecht erhalten bleibt. Besonders zweckmäßig ist, dass das Kopplervolumen zur Gewährleistung der Kopplerfunktion von einer Hochdruckleckage aus einer von der hülsenförmigen Ventilnadel begrenzenden Ventilkammer geprüft wird.
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Besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Realisierung eines sehr einfachen Aufbaus ist eine Ausführungsvariante, bei der das Kopplervolumen des hydraulischen Kopplers axial abgedichtet ist von einem Führungsspalt, wobei dieser Führungsspalt bevorzugt radial zwischen der als Hülse ausgebildeten Ventilnadel und einem axial in die Ventilnadel ragenden Bolzen angeordnet ist, wobei der Bolzen bevorzugt die Funktion hat eine Ventilkammer des Steuerventils in axialer Richtung nach oben abzudichten. Hierzu stützt sich der Bolzen beispielsweise an einem Injektordeckel oder der Magnetbaugruppe ab. Besonders zweckmäßig ist es, wenn das Kopplervolumen, insbesondere in axialer Richtung nach unten abgedichtet wird von einem Führungsspalt, der zwischen einem Ankerführungsteil und der als Hülse ausgebildeten Ventilnadel ausgebildet ist. Ganz besonders bevorzugt ist also zusätzlich zu dem Anker und der Ventilnadel ein weiteres Bauteil, nämlich ein Ankerführungsteil vorgesehen, welches noch weiter bevorzugt in eine Stufenbohrung der Ventilnadel eingesteckt ist und zum einen die Funktion hat den Anker zu führen und andererseits ein bewegtes Bauteil des hydraulischen Kopplers bildet, welches die Ventilnadel bei Bestromung des elektromagnetischen Aktuators ansaugt, d. h. mitnimmt. Mit Vorteil ist das Ankerführungsteil relativ verstellbar zu der Ventilnadel, um die Ventilnadel bei einer Aufwärtsbewegung ansaugen und dadurch mit nach oben bewegen zu können.
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Wie bereits erläutert, ist es besonders bevorzugt, wenn der Anker, das Ankerführungsteil und die Ventilnadel durch Ineinanderstecken montierbar und axial verstellbar angeordnet sind. Bevorzugt wird auf zusätzliche Befestigungsmittel verzichtet. Dadurch, dass die Teile ausschließlich durch Zusammenstecken aneinander fixiert werden, ist eine leichte Montierbarkeit gegeben und eine Demontage ist jederzeit möglich.
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Zur Bewegung der Ventilnadel von dem elektromagnetischen Aktuator weg hin zu seinem, vorzugsweise an einer Drosselplatte ausgebildeten Steuerventilsitz ist bevorzugt eine Schließfeder vorgesehen, die sich noch weiter bevorzugt axial an dem Ankerführungsteil abstützt. Besonders zweckmäßig ist es nun, zusätzlich zu der Schließfeder eine in die entgegengesetzte Richtung wirkende Schließfeder vorzusehen, die sich axial, vorzugsweise von unten, an dem Anker abstützt. Im Moment des Ankerdurchschwingens wird die Ventilnadel dabei ausschließlich von der Schließfeder zurückgedrückt, während die Schließkraft sich aus der Differenz von Schließfeder und Positionierfeder ergibt. Hierdurch wirkt während des Zurückprellens eine größere Federkraft als vor dem Ventileinschlag, wodurch das Schließprellen zusätzlich vermindert wird.
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In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Anker aus einem Material ausgebildet ist, das unterschiedlich ist von dem die Ventilnadel bildenden Material. Es ist aufgrund der mehrteiligen Ausbildung also möglich, den Anker aus einem speziellen, den magnetischen Fluss optimierenden, d. h. verstärkenden Magnetwerkstoff, beispielsweise einem, insbesondere einen hohen ohmschen Widerstand aufweisenden Sinterwerkstoff herzustellen. Insgesamt kann durch eine Wahl unterschiedlicher Materialien das Gesamtgewicht reduziert und die Magnetkraft gesteigert werden.
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Besonders zweckmäßig erscheint es, zusätzlich zu dem Schließpreller minimierenden Quetschspalt einen weiteren (bevorzugt oberen) Quetschspalt zur Minimierung von Öffnungsprellern zu realisieren. Dabei kann dieser Quetschspalt beispielsweise zwischen Anker und Magnetbaugruppe realisiert werden, insbesondere zwischen Anker und einem inneren Joch der Magnetbaugruppe.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt in der einzigen 1 ausschnittsweise einen Kraftstoff-Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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In 1 ist ausschnittesweise ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine gezeigt. Bei dem Kraftstoff-Injektor 1 handelt es sich um einen sogenannten leckagefreien Injektor, d. h. einen Injektor ohne dauerhafte Niederdruckstufe am Einspritzventilelement – eine Leckage am Servoventil ist bei der gezeigten Ausführungsvariante unvermeidlich.
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Eine Hochdruckpumpe 2 fördert 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 2000 bar gespeichert. An den Hochdruckspeicher 4 ist der Kraftstoff-Injektor 1 neben anderen, nicht gezeigten Kraftstoff-Injektoren über eine Versorgungsleitung angeschlossen. Die Versorgungsleitung 5 mündet in einen Druckraum 6, in dem ein einteiliges, nur ausschnittsweise dargestelltes Einspritzventilelement 7 axial verstellbar geführt ist. Bei einem Einspritzvorgang strömt der Kraftstoff aus dem Druckraum 6 in axialer Richtung an dem Einspritzventilelement 7 vorbei zu Düsenbohrungen einer nicht gezeigten Düsenlochanordnung in den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff-Injektor 1 ist über einen Injektorrücklaufanschluss 8 an eine Rücklaufleitung 9 angeschlossen. Über diese Rücklaufleitung 9 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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Von einer in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite des Einspritzventilelementes 7 wird eine Steuerkammer 10 (Servokammer) begrenzt, die über eine in einem unteren, hülsenförmigen Abschnitt 11 einer Drosselplatte 12 eingebrachte Zulaufdrossel 13 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff aus dem Druckraum 6 versorgt wird. Der hülsenförmige Abschnitt 11 begrenzt die Steuerkammer 10 radial außen, welche über eine Ablaufdrossel 14, die ebenfalls in die Drosselplatte 12 eingebracht ist, mit einer Ventilkammer 15 eines Steuerventils 16 (Servoventil) verbunden ist. Die Ventilkammer 15 wird radial außen begrenzt von einer hülsenförmigen Ventilnadel 17 (Steuerventilelement), welche mit einer Stufenbohrung 18 ausgestattet ist. Die Ventilnadel 17 ist mit einem als Ankerplatte ausgebildeten Anker 19 über einen später noch zu erläuternden hydraulischen Koppler 20 wirkverbunden, so dass die Ventilnadel bei Bestromung eines elektromagnetischen Aktuators 21 vom Steuerventilsitz 22 abgehoben und in Richtung Aktuator 21 verstellt wird, wodurch wiederum die Ventilkammer 15 hydraulisch mit einem Niederdruckbereich 23 des Kraftstoff-Injektors 1 verbunden wird. Bei geöffnetem Steuerventil strömt der aus der Ventilkammer 22 abströmende Kraftstoff über Radialbohrungen 27 im Ringfortsatz 25 in eine zum Niederdruckbereich 23 gehörende Ankerkammer 28. Die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 13 und der Ablaufdrossel 14 sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass bei geöffnetem Steuerventil 16 ein Nettoabfluss von Kraftstoff aus der Steuerkammer 10 resultiert, wodurch der Druck in der Steuerkammer 10 rapide absinkt, was wiederum dazu führt, dass das Einspritzventilelement 7 von seinem nicht gezeigten Einspritzventilelementsitz abhebt und in der Folge Kraftstoff aus dem Druckraum 6 in den Brennraum strömen kann.
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Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des elektromagnetischen Aktuators 21 unterbrochen, wodurch die Ventilnadel 17 von einer Schließfeder 24 axial nach unten auf den Steuerventilsitz 22 gepresst wird.
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Aus 1 ist zu erkennen, dass die, eine untere Beißkante aufweisende Ventilnadel 17 in einem unteren Abschnitt am Außenumfang in einem Ringfortsatz 25 der Drosselplatte 12 geführt ist.
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Weiter ist aus 1 zu entnehmen, dass in die Ventilnadel 17 ein Bolzen 26 in axialer Richtung von oben nach unten hineinragt und die Ventilkammer 15 in axialer Richtung nach oben abdichtet. Da auf die Ventilnadel 17 im geschlossenen Zustand keine axialen Kräfte wirken, wird das Steuerventil 16 als in axialer Richtung druckausgeglichenes Ventil bezeichnet.
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Wie sich aus 1 ergibt, ist der plattenförmige Anker 19 als von der Ventilnadel 17 separates Bauteil ausgebildet. Der Anker 19 ist nicht ortsfest zu der Ventilnadel 17 angeordnet, sondern relativ zur Ventilnadel 17 verstellbar angeordnet. Hierzu ist der plattenförmige Anker 19 nicht an der Ventilnadel 17 sondern mit seinem Innenumfang am Außenumfang eines hülsenförmigen Ankerführungsteils 29 geführt, welches in die Stufenbohrung 18, genauer in den oberen, d. h. größeren Durchmesserbereich der Stufenbohrung 18 der Ventilnadel 17 axial eingesteckt ist. Mit einer Firstplatte 30 überragt das Ankerführungsteil 29 eine zentrische Ankerbohrung in radialer Richtung, so dass der Anker 19 das Ankerführungsteil 29 und damit, wie später noch erläutert werden wird, über den hydraulischen Koppler 20 die Ventilnadel 17 bei seiner Bewegung nach oben mitnimmt.
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Aus 1 ergibt sich weiter, dass, wenn die Ventilnadel 17 auf ihrem Steuerventilsitz 22 eingeschlagen ist und sich der Anker 19 weiter nach unten in Richtung Ventilnadel 17 bewegt, sich ein Quetschspalt 31 axial zwischen einer Unterseite des Ankers 19 und einer oberen, stirnseitigen Ringfläche 32 der Ventilnadel 17 ausbildet. Der Quetschspalt 31 „vernichtet” die Bewegungsenergie des Ankers 19 und sorgt für ein „sanftes” Aufschlagen auf der Ringfläche 32, welche einen Anschlag bzw. Überhubanschlag für den Anker 19 bildet.
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Der hydraulische Koppler 20, genauer ein Kopplervolumen des Kopplers 20 wird axial nach oben begrenzt von einer unteren Stirnseite des Ankerführungsteils 29 und in axialer Richtung nach unten von einer Stufe bzw. Ringschulter der Ventilnadel 17. Abgedichtet wird das Kopplervolumen in axialer Richtung nach oben von einem ersten Führungsspalt 33, der in radialer Richtung begrenzt ist von der Ventilnadel 17 sowie dem Außenumfang des Ankerführungsteils 29. In axialer Richtung nach unten wird das Kopplervolumen abgedichtet von einem zweiten Führungsspalt 34, der radial zwischen dem Bolzen 26 und dem Innenumfang der Ventilnadel 17, genauer von dem Bohrungsabschnitt geringeren Durchmessers begrenzt ist. Die Funktion des Kopplers 20 kann nur gewährleistet werden, wenn dieser stets mit Kraftstoff gefüllt ist. Dies wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass die Leckagemenge, die aus der Ventilkammer 15 über den zweiten Führungsspalt 34 abfließt in das Kopplervolumen strömt. Die Leckagemenge fließt dann weiter in den ersten Führungsspalt 33 zum unteren Überhubanschlag, d. h. in den Quetschspalt 31. Das Kopplervolumen wird somit dauerhaft mit Kraftstoff gespült. Das Kopplervolumen des hydraulischen Kopplers 20 ist also derart angeordnet, dass eine aus diesem über den ersten Führungsspalt 33 austretende Leckage unmittelbar in den Quetschspalt 31 ausmündet bzw. strömt und diesen auf diese Weise spült, also dafür Sorge trägt, dass der Quetschspalt 31 mit Kraftstoff gefüllt ist, so dass dieser seine Dämpfungsfunktion ausüben kann. Der erste Führungsspalt 33 und ein dritter Führungsspalt 36 radial zwischen den Innenumfang des Ankerführungsteils 29 und dem Bolzen 26 sind niederdruckdichtende Führungen und zeichnen sich bevorzugt durch ein größeres Spaltmaß aus als der hochdruckdichtende zweite Führungsspalt 34. Der bei der Aufwärtsbewegung des Ankers 19 und damit des Ankerführungsteils 29 resultierende Unterdruck zwischen Ankerführungsteil 29 und Ventilnadel 17 sorgt dafür, dass letztere bei einer Bestromung des elektromagnetischen Aktuators 21 von ihrem Steuerventilsitz 22 abgehoben wird, woraus die Öffnungsbewegung des Steuerventils 16 resultiert.
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Dem Anker 19 ist eine Positionierfeder 35 zugeordnet, die einen größeren Durchmesser aufweist, jedoch eine geringere Federkonstante als die Schließfeder 24. Die Positionierfeder 35 stützt sich einenends an der Unterseite des Ankers 19 und anderenends an einer Oberseite der Drosselplatte 12 ab.
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Zur Minimierung von Prellern an einem oberen Hubanschlag 37 ist ein oberer Quetschspalt 38 realisiert, der sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwischen einer Chromschicht auf dem Anker und einem Innenpol 39 des elektromagnetischen Aktuators, genauer der Magnetgruppe, befindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007060396 A1 [0005]
