DE102009046088A1 - Mengensteuerventil, insbesondere in einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, zur Zumessung eines fluiden Mediums - Google Patents

Mengensteuerventil, insbesondere in einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe, zur Zumessung eines fluiden Mediums Download PDF

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Abstract

Es wird ein Mengensteuerventil beschrieben, insbesondere in einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe (3), zur Zumessung eines fluiden Mediums, mit einem Ventilelement, welches einen Ventilkörper (38), eine den Ventilkörper (38) wenigstens zeitweise in Öffnungsrichtung beaufschlagende und zwischen einem Schließstellungsbereich und einem Öffnungsstellungsbereich bewegbare Ventilnadel (30) und einen mittels eines Elektromagneten (15) bewegbaren Anker (20) umfasst, dessen Bewegung mindestens in Schließrichtung von einem Anschlag (26) begrenzt ist, wobei die Ventilnadel (30) einen Mitnehmer (32) umfasst, welcher in Schließrichtung mit dem Anker (20) zusammenwirkt, und wobei der Anschlag (26) so positioniert ist, dass der Anker (20) ihn erreicht, bevor die Ventilnadel (30) den Schließstellungsbereich erreicht, und wobei die Ventilnadel (30) gegenüber dem Anker (20) einen Freiweg (55) aufweist, der mindestens so groß ist, dass sich die Ventilnadel (30), wenn der Anker (20) den Anschlag (26) erreicht, weiter in den Schließstellungsbereich bewegen kann.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Mengensteuerventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Vom Markt her bekannt sind Kraftstoffsysteme für Brennkraftmaschinen, bei denen die einer Hochdruckpumpe zugeführte Kraftstoffmenge durch ein Mengensteuerventil beeinflusst wird. Solche Mengensteuerventile werden häufig durch einen Elektromagneten betätigt und weisen beispielsweise einen starr gekoppelten Verbund eines Magnetankers und einer Ventilnadel auf. Dabei entspricht der Arbeitshub des Magnetankers dem der Ventilnadel.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Mengensteuerventil nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
  • Das erfindungsgemäße Mengensteuerventil hat den Vorteil, dass der Ankerhub reduziert werden kann, wobei die Beanspruchung des Ankers, der Ventilnadel und der Anschläge vermindert wird. Zugleich können die bewegten Massen verkleinert werden, so dass auch der Elektromagnet schwächer dimensioniert sein kann. Dadurch wird das Mengensteuerventil in der Herstellung auch verbilligt. Außerdem ist aufgrund des reduzierten Ankerhubs auch die Endgeschwindigkeit des Ankers, die dieser beim Auftreffen auf den Anschlag hat, reduziert, so dass das Geräusch ebenfalls reduziert sind.
  • Erfindungsgemäß sind der Anker und die Ventilnadel als getrennte Elemente realisiert, das heißt, sie bilden keinen starren Verbund. Statt dessen sind sie in axialer Richtung gegeneinander verschiebbar, wobei Anker und Ventilnadel durch Federn beaufschlagt werden und mindestens in einer Richtung (der Anzugsrichtung des Ankers) durch einen Mitnehmer miteinander koppelbar sind.
  • Das Mengensteuerventil weist einen Anker auf, der zwischen einem Ruhesitz und einem Ankeranschlag axial verschiebbar ist. In einem unbestromten Ausgangszustand wird der Anker von einer Ankerfeder gegen den Ruhesitz gedrückt. In einer axialen Bohrung des Ankers ist eine Ventilnadel verschiebbar angeordnet, welche über einen mit ihr fest verbundenen Teller (”Mitnehmer”) von einer Ventilfeder gegen den Anker gedrückt wird. Daraus ergibt sich ein Öffnungsstellungsbereich, wobei die Ventilnadel auf einen Ventilkörper einwirken kann, um diesen wenigstens zeitweise von einem Ventilsitz abzuheben.
  • Wird davon ausgehend der Anker bestromt, so hebt er vom Ruhesitz ab und bewegt sich auf den Ankeranschlag zu, wobei er die Ventilnadel zwangsweise mittels des Tellers mitführt. Wenn der Anker den Ankeranschlag erreicht, kann die Ventilnadel aufgrund ihrer Massenträgheit und entgegen der sie beaufschlagenden Kraft der Ventilfeder sich weiterbewegen und vorübergehend vom Anker abheben, um sich in einen Schließstellungsbereich zu bewegen. Der Schließstellungsbereich umfasst jenen Bereich, in dem sich die Ventilnadel befindet, wenn der Ventilkörper auf seinem Ventilsitz aufsitzt. Erfindungsgemäß ist der Ankeranschlag so positioniert, dass der Anker ihn erreicht, bevor die Ventilnadel den Schließstellungsbereich erreicht. Dadurch weist die Ventilnadel einen so genannten Freiweg gegenüber dem Anker auf, um den sie sich unabhängig vom Anker weiter in Schließrichtung bewegn kann.
  • Die Ventilnadel weist wenigstens in solchen Bewegungsphasen, wo sie nicht am Anker aufliegt, eine reduzierte Geschwindigkeit auf. Dadurch werden Druckpulsationen im Mengensteuerventil vermindert und die Anregung mechanischer Schwingungen herabgesetzt, woraus sich auch eine reduzierte Geräuschentwicklung ergibt. Zudem erfordert die Erfindung wenig oder keinen zusätzlichen Bauraum und kann vorteilhaft in bestehende Ausführungen von Mengensteuerventilen integriert werden.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Ventilnadel mittels einer Feder, die sich an einem Gehäuseabschnitt abstützt, in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird. Auf diese Weise wirkt eine definierte Kraft auf die Ventilnadel ein, die sie ihrerseits auf den Anker und/oder den Ventilkörper übertragen kann. Dadurch wird das Verhalten des Mengensteuerventils gut reproduzierbar.
  • Eine Ausgestaltung des Mengensteuerventils sieht vor, dass die Federeigenschaften so gewählt sind, dass der Ventilkörper während einer Förderphase auch bei in Öffnungsstellung befindlichem Anker in der geschlossenen Stellung bleibt, solange die Druckdifferenz über den Ventilkörper hinweg nicht unterhalb von einem Grenzwert liegt. Dadurch kann die Ventilnadel erfindungsgemäß zwar auf den Beginn des Schließvorgangs des Ventilkörpers Einfluss nehmen, danach bleibt jedoch das Ventil geschlossen, solange der Grenzwert der Druckdifferenz nicht unterschritten wird. Somit kann eine relativ schwache Ventilfeder und in der Folge auch ein relativ kleiner Elektromagnet verwendet werden.
  • Das Mengensteuerventil baut einfacher, wenn der Anker von einer Feder, die sich an einem Gehäuseabschnitt abstützt, in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird. Die Feder kann geschützt in einer Aussparung des Ankeranschlags untergebracht sein, so dass bei angeschlagenem Anker die Feder nicht gequetscht wird. Von Vorteil ist auch, dass die Öffnung des Ventils stromlos geschieht.
  • Entsprechend dazu wird vorgeschlagen, dass der Anker einen Hub in Schließrichtung ausführt, wenn er bestromt wird. Dann kann der Anker anziehen und die Ventilnadel zwangsweise mitführen, so dass sich vorteilhaft die oben beschriebene Wirkung beim Schließen des Mengensteuerventils ergibt.
  • Das Mengensteuerventil wird verbilligt, wenn der in Schließrichtung wirkende Anschlag des Ankers ein Polkern ist. Damit kann nicht nur ein besonderer Anschlag entfallen, sondern Anker und Polkern treffen auch eng aufeinander, so dass sich ein entsprechend hoher magnetischer Fluss einstellt.
  • Eine weitere Ausgestaltung des Mengensteuerventil sieht vor, dass die Ventilnadel keinen mit dem Anker in Öffnungsrichtung zusammen wirkenden Mitnehmer umfasst. Damit wirkt der Mitnehmer nur in der Schließrichtung, das heißt, nur in der Schließrichtung kann die Ventilnadel vom Anker zwangsgeführt werden. In der Öffnungsrichtung dagegen wird die Ventilnadel durch die Ventilfeder beaufschlagt und von dieser getrieben, soweit es die Stellung des Ankers jeweils zulässt.
  • Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 ein vereinfachtes Schema eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine;
  • 2 ein vereinfachtes Schema eines Mengensteuerventils in einer Schnittdarstellung und in einem ersten Betriebszustand;
  • 3 das Mengensteuerventil nach 2 in einem zweiten Betriebszustand;
  • 4 das Mengensteuerventil nach 2 in einem dritten Betriebszustand; und
  • 5 das Mengensteuerventil nach 2 in einem vierten Betriebszustand.
  • Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
  • 1 zeigt ein Kraftstoffsystem 1 einer Brennkraftmaschine in einer stark vereinfachten Darstellung. Als Kraftstoff kommt sowohl Benzin als auch Diesel in Frage. Eine (nicht näher erläuterte) und als Kolbenpumpe ausgebildete Hochdruckpumpe 3 ist stromaufwärts über eine Saugleitung 4, eine Vorförderpumpe 5 und eine Niederdruckleitung 7 mit einem Kraftstofftank 9 verbunden. Stromabwärts ist an die Hochdruckpumpe 3 über eine Hochdruckleitung 11 ein Hochdruckspeicher 13 (”Common Rail”) angeschlossen. Ein Mengensteuerventil 14 mit einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 15 – im Folgenden als ein Elektromagnet 15 bezeichnet – ist hydraulisch zwischen der Niederdruckleitung 7 und der Hochdruckpumpe 3 angeordnet. Sonstige Elemente, wie beispielsweise Ventile der Hochdruckpumpe 3, sind in der 1 nicht gezeichnet. Es versteht sich, dass das Mengensteuerventil 14 als Baueinheit mit der Hochdruckpumpe 3 ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann durch das Mengensteuerventil 14 ein Einlassventil der Hochdruckpumpe 3 zwangsweise geöffnet werden.
  • Beim Betrieb des Kraftstoffsystems 1 fördert die Vorförderpumpe 5 Kraftstoff vom Kraftstofftank 9 in die Niederdruckleitung 7. Dabei bestimmt das Mengensteuerventil 14 die von der Hochdruckpumpe 3 dem Hochdruckspeicher 13 zugeführte Kraftstoffmenge, indem es ein Einlassventil der Hochdruckpumpe 3 während eines Förderhubs zeitweise zwangsweise offen hält.
  • Die nachfolgenden 2 bis 5 stellen vier zeitlich aufeinander folgende Betriebszustände des Mengensteuerventils 14 dar, welche einem Arbeitszyklus der Hochdruckpumpe 3 in der so genannten Vollförderung entsprechen. Unter Vollförderung wird ein Betrieb des Mengensteuerventils 14 verstanden, in dem dem Hochdruckspeicher 13 eine maximale Kraftstoffmenge zugemessen wird, das Einlassventil der Hochdruckpumpe 3 also weitgehend während der gesamten Förderphase geschlossen ist. Dabei werden die Elemente des Mengensteuerventils 14 elektromagnetisch betätigt und sind aktiv, obwohl sie vorliegend die zugemessene Kraftstoffmenge nicht wesentlich im Sinne einer Steuerung oder Regelung beeinflussen.
  • Die 2 und 3 stellen Betriebszustände während einer Saugphase der Hochdruckpumpe 3 dar, während die 4 und 5 eine anschließende Förderphase charakterisieren. Zeitlich zwischen den 3 und 4 erfolgt ein rascher aber stetiger Übergang von der Saug- in die Förderphase. Nachfolgend werden an Hand der 2 wesentliche Elemente des Mengensteuerventils 14 beschrieben, in den nachfolgenden 3 bis 5 werden diese nur soweit wiederholt, wie es zur Erläuterung der Funktionsweise erforderlich ist.
  • 2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht des Mengensteuerventils 14 nur einige der für die Erfindung wichtigen Elemente. Diese weisen eine im Wesentlichen radialsymmetrische Struktur auf. Das Mengensteuerventil 14 ist vorliegend ein Bestandteil der nicht näher erläuterten Hochdruckpumpe 3. Ein axial verschiebbarer Anker 20 wird, solange der Elektromagnet 15 nicht bestromt ist, von einer Ankerfeder 22 gegen einen Ruhesitz 24 gedrückt. Der Ruhesitz 24 ist vorliegend durch eine eingesetzte Anschlagplatte realisiert. In der Zeichnung links ist die Ankerfeder 22 in einer Ausnehmung 25 eines Ankeranschlags 26 eingelassen, welcher vorliegend auch ein Polkern 28 ist. Durch eine axiale Bohrung im Anker 20 ist eine Ventilnadel 30 verschiebbar geführt. Nahe dem (in der Zeichnung linksseitigen) Endabschnitt der Ventilnadel 30 ist ein einen Mitnehmer bildender Teller 32 fest auf der Ventilnadel 30 angeordnet. Eine Ventilfeder 34 stützt sich an einem Gehäuseabschnitt 36 ab und drückt den Teller 32 und damit die Ventilnadel 30 in der Zeichnung nach rechts in Öffnungsrichtung, und in der gezeigten Betriebslage auch gegen den stationären Anker 20. Die Ventilnadel 30 und der Anker 20 gehören insgesamt zu einem Ventilelement (ohne Bezugszeichen), welches wiederum zu einem Einlassventil der Hochdruckpumpe 3 gehört. Die Ventilnadel 30 und der Anker 20 bilden keinen festen Verbund. Im rechten Teil der 2 ist ein einen Ventilkörper darstellendes Ventilplättchen 38 angeordnet, welches ebenfalls Teil des Ventilelements ist. Das Ventilplättchen 38 ist axial verschiebbar zwischen einem gehäuseseitigen Ventilsitz 40 und einem Ventilanschlag 42. In der Zeichnung befindet sich der Ventilsitz 40 links und der Ventilanschlag 42 rechts vom Ventilplättchen 38. Eine Ventilplättchenfeder, welche das Ventilplättchen 38 mit vergleichsweise geringer Kraft gegen den Ventilsitz 40 drückt, ist nicht mit dargestellt.
  • In der Zeichnung befindet sich links vom Ventilsitz 40 ein Ventilbereich 44 und rechts davon ein Förderraum 46 der Hochdruckpumpe 3. Der Ventilbereich 44 und der Förderraum 46 sind mit Fluid, also mit Kraftstoff, gefüllt. Im Betrieb wird während eines Saughubs bei geöffnetem Einlassventil Kraftstoff vom Ventilbereich 44 in den Förderraum 46 befördert. Eine notwendige Voraussetzung dafür ist ein geöffnetes Ventilplättchen 38, das heißt, es muss von seinem Ventilsitz 40 abgehoben sein.
  • Die Stellung des Ventilplättchens 38 wird beeinflusst vom Druckunterschied zwischen dem Ventilbereich 44 und dem Förderraum 46, von der Position und der Bewegungsenergie des Ankers 20 und der Ventilnadel 30, von der Ankerfeder 22, der Ventilfeder 34, der Ventilplättchenfeder (nicht dargestellt) und von fluiden Strömungen im Bereich des Ventilplättchens 38.
  • Das Mengensteuerventil 14 befindet sich in der 2 in einer Ausgangsstellung während der Saugphase der Hochdruckpumpe 3. Während dieser herrscht im Ventilbereich 44 ein höherer Druck als im Förderraum 46. Dabei wird das Ventilplättchen 38 infolge der vorliegenden Druck- und Strömungsverhältnisse auch ohne die Mitwirkung der Ventilnadel 30 gegen den Ventilanschlag 42 gedrückt. Das Mengensteuerventil 14 ist also offen. Eine Strecke 48 bezeichnet einen möglichen Ankerhub, und eine Strecke 50 bezeichnet einen möglichen Hub des Ventilplättchens 38. Man erkennt, dass der mögliche Ankerhub 48 kleiner ist als der mögliche Hub des Ventilplättchens 38.
  • 3 zeigt das Mengensteuerventil 14 in einem auf die 2 folgenden Zustand während der Saugphase. Der Elektromagnet 15 wurde zwischenzeitlich bestromt, so dass der Anker 20 in Richtung auf den Ankeranschlag 26 beschleunigt wurde. Dabei wurden der als Mitnehmer fungierende Teller 32 und damit die Ventilnadel 30 zwangsweise mitgeführt. Dargestellt ist genau der Zeitpunkt, zu dem der Anker 20 auf den Ankeranschlag 26 prallt. Dabei liegt der Teller 32 der Ventilnadel 30 noch auf dem Anker 20 auf. Man erkennt, dass die Ventilnadel 30 noch um einen Überstand 52 über den Ventilsitz 40 übersteht.
  • In den 2 und 3 befindet sich die Ventilnadel 30 in einem Öffnungsstellungsbereich.
  • 4 zeigt das Mengensteuerventil 14 in einem zeitlich auf die 3 unmittelbar folgenden Zustand. Die 4 charakterisiert zugleich einen frühen Abschnitt der Förderphase. Durch den raschen Druckaufbau im Förderraum 46 haben sich die Druckverhältnisse umgekehrt, so dass das Ventilplättchen 38 inzwischen am Ventilsitz 40 anliegt. Das Einlassventil ist nun also geschlossen. Der Anker 20 bleibt am Ankeranschlag 26 angeschlagen, jedoch hat der Teller 32 der Ventilnadel 30 aufgrund von deren Massenträgheit vorübergehend um einen Freiweg 55 vom Anker 20 abgehoben, das heißt, die Ventilnadel 30 schwingt (in der Zeichnung nach links) über. Ein Spalt 54 zwischen dem rechten. Ende der Ventilnadel 30 und dem Ventilplättchen 38 verdeutlicht dies ebenfalls. Ein solcher Spalt 54 ist aber keineswegs erforderlich. Der Freiweg 55 muss allerdings mindestens so groß sein wie der Überstand 52 der Ventilnadel in 3.
  • 5 zeigt das Mengensteuerventil 14 in einem zeitlich auf 4 folgenden Zustand während der Förderphase. Der Elektromagnet 15 ist nicht mehr bestromt und der Anker 20 ist mittels der Ankerfeder 22 auf seinen Ruhesitz 24 zurückgekehrt. Die Ventilnadel 30 liegt an ihrem in der Zeichnung rechten Ende am Ventilplättchen 38 an. Der Druck im Förderraum 46 ist noch groß genug, um das Ventilplättchen 38 auch gegen die Kraft der Ventilfeder 34 weiterhin auf den Ventilsitz 40 zu pressen und damit das Einlassventil bzw. Mengensteuerventil 14 geschlossen zu halten. Die Pfeile 56 veranschaulichen den auf das Ventilplättchen 38 wirkenden hohen Druck im Förderraum.
  • In den 4 und 5 befindet sich die Ventilnadel 30 in einem Schließstellungsbereich. Mit der auf die Förderphase folgenden Saugphase wiederholt sich der in den 2 bis 5 beschriebene Zyklus und setzt sich mit der 2 fort.
  • Aus einem Vergleich der 3 und 4 hinsichtlich des Überstands 52 und des Spaltes 54 ist zu erkennen, dass vorliegend der durch die Strecke 48 (siehe 2) markierte maximale Ankerhub unterstützt wird durch das Überschwingen der Ventilnadel 30. Das bedeutet, das der Ankerhub um ein entsprechendes Maß geringer ist als bei einem (hier nicht dargestellten) festen Verbund aus Anker 20 und Ventilnadel 30. Damit wird unter anderem die Beanspruchung des Ankers 20, der Ventilnadel 30, des Ankeranschlags 26 und des Ruhesitzes 24 vermindert. Die akustische Anregung des Mengensteuerventils 14 sowie Druckpulsationen des Fluids können geringer sein. Gegebenenfalls kann auch der Elektromagnet 15 schwächer ausgelegt sein. Dennoch wird durch den Freiweg 55 ein für ein Schließen des Einlassventils ausreichender Gesamthub der Ventilnadel 30 bereitgestellt.
  • Die in den 2 bis 5 dargestellte Ausführungsform des Mengensteuerventils 14 weist einen nur in der Schließrichtung wirkenden Mitnehmer bzw. Teller 22 auf, das heißt, nur in der Schließrichtung kann die Ventilnadel 30 vom Anker 20 zwangsgeführt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102007034038 A1 [0003]
    • DE 102007028960 A1 [0003]
    • DE 102005022661 A1 [0003]
    • DE 102004061798 A1 [0003]
    • DE 2004016554 A1 [0003]
    • DE 10327411 A1 [0003]
    • DE 19834121 A1 [0003]
    • EP 1701031 A1 [0003]
    • EP 1471248 A1 [0003]
    • EP 1296061 A2 [0003]

Claims (7)

  1. Mengensteuerventil (14), insbesondere in einer Kraftstoff-Hochdruckpumpe (3), zur Zumessung eines fluiden Mediums, mit einem Ventilelement, welches einen Ventilkörper (38), eine den Ventilkörper (38) wenigstens zeitweise in Öffnungsrichtung beaufschlagende und zwischen einem Schließstellungsbereich und einem Öffnungsstellungsbereich bewegbare Ventilnadel (30) und einen mittels eines Elektromagneten (15) bewegbaren Anker (20) umfasst, dessen Bewegung mindestens in Schließrichtung von einem Anschlag (26) begrenzt ist, wobei die Ventilnadel (30) einen Mitnehmer (32) umfasst, welcher in Schließrichtung mit dem Anker (20) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag (26) so positioniert ist, dass der Anker (20) ihn erreicht, bevor die Ventilnadel (30) den Schließstellungsbereich erreicht, und dass die Ventilnadel (30) gegenüber dem Anker (20) einen Freiweg (55) aufweist, der mindestens so groß ist, dass sich die Ventilnadel (30), wenn der Anker (20) den Anschlag (26) erreicht, weiter in den Schließstellungsbereich bewegen kann.
  2. Mengensteuerventil (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (30) mittels einer Feder, die sich an einem Gehäuseabschnitt abstützt, in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird.
  3. Mengensteuerventil (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeigenschaften so gewählt sind, dass der Ventilkörper (38) während einer Förderphase auch bei in Öffnungsstellung befindlichem Anker (20) in der geschlossenen Stellung bleibt, solange die Druckdifferenz über den Ventilkörper (38) hinweg nicht unterhalb von einem Grenzwert liegt.
  4. Mengensteuerventil (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (20) von einer Feder, die sich an einem Gehäuseabschnitt abstützt, in Öffnungsrichtung beaufschlagt wird.
  5. Mengensteuerventil (14) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (20) einen Hub in Schließrichtung ausführt, wenn er bestromt wird.
  6. Mengensteuerventil (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schließrichtung wirkende Anschlag (26) des Ankers (20) ein Polkern (28) ist.
  7. Mengensteuerventil (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilnadel (30) keinen mit dem Anker (20) in Öffnungsrichtung zusammen wirkenden Mitnehmer (32) umfasst.
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