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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen. Speziell betrifft die Erfindung einen Injektor für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Aus der
DE 197 12 590 A1 ist ein elektromagnetisch betätigbares Ventil bekannt. Das bekannte Ventil besitzt eine axial bewegbare Ventilnadel, die wenigstens einen Anker und einen kugelförmigen Ventilschließkörper umfasst. Der Anker bildet einen Schließkörperträger, der mit einem stromabwärtigen Endbereich den Ventilschließkörper aufnimmt. Dabei umgreift der Endbereich den Ventilschließkörper derart, dass wenigstens ein direkt mit einer Längsbohrung des Ankers in Verbindung stehender Kanal an der Oberfläche des Ventilschließkörpers gebildet ist. Solch ein Ventil eignet sich besonders für den Einsatz in Brennstoffeinspritzanlagen von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen.
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Das aus
DE 197 12 590 A1 bekannte Ventil hat den Nachteil, dass ein Teil der Brennstoffmenge über einen Rücklauf in einen Tank zurückgeführt wird, so dass ein Wirkungsgrad verschlechtert ist.
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Bei der Ausgestaltung eines magnetisch oder piezoelektrisch aktivierten Injektors für Dieselanwendungen mit einem Common-Rail ist es denkbar, dass die Betätigung einer Ventilnadel indirekt erfolgt, indem der Druck in einem Steuerraum abgesenkt wird. Die Differenz zwischen Rail- und Steuerraumdruck bewirkt in Verbindung mit dem Größenverhältnis der druckbeaufschlagten Flächen die Bewegung der Nadel. Dieses Prinzip hat den Nachteil, dass die aus dem Steuerraum entweichende Brennstoffmenge in einen Niederdruck-Rücklauf abgeführt wird, so dass es prinzipbedingt zur Realisierung des Nadelhubs zu einem Steuervolumenstrom sowie einem Leckvolumenstrom kommt. Dies erfordert eine erhöhte Förderleistung einer Hochdruckpumpe oder dergleichen. Außerdem folgt aus der indirekten Steuerung der Düsennadel ein verspätetes Ansprechverhalten der Düsennadel, welches auch zusätzlich auf Grund ungewollter Druckschwankungen beeinflusst werden kann. Ein direktes Betätigen der Düsennadel ist bei diesen Konzepten nicht möglich, da die hierzu erforderliche Kraft auf Grund der nicht druckausgeglichenen Düsennadel bei Raildrücken von beispielsweise 200 MPa (2000 Bar) einen zu großen Magnetaktor erfordern würde.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass eine vorteilhafte Ansteuerung ermöglicht ist. Speziell kann eine direkte Steuerung des Ventilschließkörpers und insbesondere einer Düsennadel mit dem Ventilschließkörper erfolgen.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Einspritzventils möglich.
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Vorteilhaft ist es, dass die Wirbelstromaktorik zumindest eine Feldspule aufweist, dass zumindest ein scheiben- und/oder ankerförmiges, elektrisch leitendes Element vorgesehen ist, dass die Feldspule im Bereich einer Stirnseite des elektrisch leitenden Elements angeordnet ist und dass zum Betätigen des Ventilschließkörpers durch Bestromen der Feldspule ein Wirbelstrom in dem elektrisch leitenden Element induziert wird. Über die Wirbelstromaktorik kann hierbei eine direkte Ventilschaltung realisiert werden. Hierbei kann insbesondere ein direkt geschaltetes, rücklauffreies Einspritzventil geschaffen werden. Durch die Wirbelstromaktorik kann außerdem eine kostengünstige Alternative zu den über Piezoaktoren oder Mehrfachmagneten geschalteten Injektoren realisiert werden. Außerdem ermöglicht die Wirbelstromaktorik einen sehr hohen und gegebenenfalls auch extrem hohen Kraftgradienten, so dass der Ventilschließkörper sehr schnell aus einem Drosselbereich gehoben werden kann. Dadurch kann in sehr kurzer und gegebenenfalls extrem kurzer Zeit der hydraulisch benötigte Querschnitt für eine Einspritzung freigegeben werden. Hierdurch kann eine nahezu instantane maximale Einspritzrate im Einspritzverlauf erzielt werden.
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Vorteilhaft ist es, dass das elektrisch leitende Element form- oder stoffschlüssig mit einer Düsennadel verbunden ist und dass der Ventilschließkörper mittels der Düsennadel betätigbar ist. Möglich ist es auch, dass das elektrisch leitende Element form- oder stoffschlüssig mit dem Ventilschließkörper verbunden ist. Hierdurch ist eine direkte Kraftübertragung auf den Ventilschließkörper möglich und somit eine dämpfungsfreie Ansteuerung realisierbar. Dies ermöglicht kurze Schaltzeiten.
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In vorteilhafter Weise ist das elektrisch leitende Element zumindest im Wesentlichen aus einem Metall oder mehreren Metallen gebildet. Beispielsweise kann das elektrisch leitende Element aus Kupfer gebildet sein. Das elektrisch leitende Element kann mit der Düsennadel verbunden sein. Die Düsennadel kann hierbei aus einem Edelstahl gebildet sein. Somit können in vorteilhafter Weise günstige Materialeigenschaften kombiniert werden. Die Ausgestaltung des elektrisch leitenden Elements aus Kupfer hat hierbei den Vorteil, dass ein niedriger elektrischer Widerstand des elektrisch leitenden Elements gegeben ist, der zu entsprechend großen Wirbelströmen und somit zu einer großen Betätigungskraft führt.
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Vorteilhaft ist es, dass die Feldspule mit einem Strom bestromt wird, der eine Stromstärke in einer Größenordnung von bis zu 10.000 A aufweist. Ferner ist es vorteilhaft, dass der durch die Induktivität L der Spule und die Kapazität C bedingte Strom eine Eigenfrequenz in einer Größenordnung von 100 kHz hat. Hierdurch können innerhalb kürzester Zeit große Kräfte erzeugt werden, die beispielsweise größer als 10 kN sind. Solche Kräfte reichen aus, um den Ventilschließkörper beziehungsweise die Düsennadel mit dem Ventilschließkörper gegen den anliegenden Druck aus dem Sitz an der Ventilsitzfläche zu beschleunigen.
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In vorteilhafter Weise ist eine Einstellscheibe vorgesehen, die einen minimalen Abstand zwischen der Feldspule und der Stirnseite des elektrisch leitenden Elements vorgibt. Hierdurch kann der Abstand zwischen der Feldspule und der Stirnseite in einer Ruhelage eingestellt werden. Somit kann in vorteilhafter Weise eine Abstimmung der Wirbelstromaktorik und somit des Öffnungsverhaltens des Einspritzventils erfolgen.
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Vorteilhaft ist es auch, dass eine weitere Wirbelstromaktorik vorgesehen ist, die zum Rückstellen des Ventilschließkörpers zumindest mittelbar entgegen der Wirbelstromaktorik auf den Ventilschließkörper einwirkt. Hierdurch kann ein Schließvorgang zum Schließen des Dichtsitzes zwischen dem Ventilschließkörper und der Ventilsitzfläche beeinflusst und insbesondere beschleunigt werden. Hierbei kann zusätzlich oder alternativ auch eine Schließfeder vorgesehen sein, die den Ventilschließkörper zumindest mittelbar gegen die Ventilsitzfläche beaufschlagt. Durch die Schließfeder ist zum einen eine Grundstellung des Ventilschließkörpers, nämlich im geschlossenen Zustand, vorgegeben. Zum anderen wird durch die Schließfeder ein Schließvorgang ermöglicht, der gegebenenfalls durch die weitere Wirbelstromaktorik unterstützt werden kann. In Kombination mit der weiteren Wirbelstromaktorik ist es auch von Vorteil, dass ein Anschlag vorgesehen ist, der einen minimalen Abstand zwischen einer Feldspule der weiteren Wirbelstromaktorik und einer weiteren Stirnseite des elektrisch leitenden Elements vorgibt. Hierdurch ist eine Abstimmung in Bezug auf das Schließverhalten möglich. Zum anderen wird eine Beschädigung der Feldspule der weiteren Wirbelstromaktorik verhindert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Element mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Einspritzventils der Erfindung in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Einspritzventils der Erfindung in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Einspritzventils 1 in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung. Das Einspritzventil 1 kann insbesondere für Kraftfahrzeuganwendungen zum Einsatz kommen. Speziell kann das Einspritzventil 1 für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz besteht hierbei als Brennstoffeinspritzventil für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail, das Dieselbrennstoff unter hohem Druck speichert. Das Einspritzventil 1 eignet sich auch für Abgasnachbehandlungsanlagen von Kraftfahrzeugen. Das erfindungsgemäße Einspritzventil 1 eignet sich auch für andere Anwendungsfälle.
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Das Einspritzventil 1 weist einen Injektorkörper 2 und einen Düsenkörper 3 auf. Der Düsenkörper 3 ist auf geeignete Weise mit dem Injektorkörper 2 verbunden. Innerhalb des Düsenkörpers 3 ist eine Düsennadel 4 angeordnet, die abschnittsweise in einen Innenraum 5 des Injektorkörpers 2 ragt. Hierbei ist ein Brennstoffkanal 6 in Form einer Zulaufbohrung 6 in dem Injektorkörper 2 ausgestaltet, über den unter hohem Druck stehender Brennstoff von einem Common-Rail oder dergleichen in den Innenraum 5 führbar ist. Aus dem Innenraum 5 gelangt der Brennstoff über einen Ringspalt 7, der zwischen dem Düsenkörper 3 und der Düsennadel 4 ausgebildet ist, zu einem abspritzseitigen Ende 8 des Düsenkörpers 3 des Einspritzventils 1. An dem abspritzseitigen Ende 8 ist ein Ventilschließkörper 9 vorgesehen, der mit einer Ventilsitzfläche 10 zu einem Dichtsitz 11 zusammenwirkt. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Ventilschließkörper 9 einstückig mit der Düsennadel 4 ausgestaltet. Die Düsennadel 4 ist entlang einer Längsachse 12 des Einspritzventils 1 in dem Düsenkörper 3 geführt.
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Das Einspritzventil 1 weist eine Wirbelstromaktorik 15 auf. Die Wirbelstromaktorik 15 umfasst eine Feldspule 16, einen Träger 17 für die Feldspule 16, eine Einstellscheibe 18 und ein scheiben- und ankerförmiges Element 19. Das scheibenförmige Element 19 ist hierbei aus einem leitfähigen Werkstoffgebildet. Das scheibenförmige Element 19 kann auch teilweise aus einem leitfähigen Werkstoff und teilweise aus einem nicht leitenden Werkstoff gebildet sein. Das scheibenförmige Element 19 ist hierdurch als elektrisch leitendes Element 19 ausgestaltet.
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Die Düsennadel 4 weist einen Befestigungsabschnitt 20 auf, der durch eine mittige Aussparung 21 des Elements 19 ragt. Die mittige Aussparung 21 kann hierbei als Bohrung ausgestaltet sein. Außerdem weist die Düsennadel 4 an dem Befestigungsabschnitt 20 einen Absatz 22 auf, der eine Abstützung des scheibenförmigen Elements 19 ermöglicht. Das scheibenförmige Element 19 ist dadurch kraft- und/oder formschlüssig mit dem Befestigungsabschnitt 20 der Düsennadel 4 verbunden.
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Die Feldspule 16 kann in den Träger 17 eingebettet oder auf den Träger 17 aufgebracht sein. Die Feldspule 16 ist hierbei über elektrische Leitungen 23, 24 mit einem Steuergerät 25 verbunden. Das Steuergerät 25 kann hierbei eine geeignete Leistungsstufe aufweisen, um einen Strom mit einer Stromstärke in einer Größenordnung von mehr als 1 kA zu erzeugen. Dieser Strom kann als Wechselstrom mit einer Frequenz in einer Größenordnung von 1 kHz erzeugt werden. Somit kann entsprechend einem Steuerablauf eine Bestromung der Feldspule 16 mit einem Wechselstrom großer Stromstärke erfolgen.
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In der 1 ist die Düsennadel 4 in einer Ausgangs- und Ruhestellung dargestellt. Über eine Dicke der Einstellscheibe 18 kann ein Abstand zwischen der Feldspule 16 und einer Stirnseite 26 des elektrisch leitenden Elements 19 eingestellt werden. Die Feldspule 16 ist im Bereich der Stirnseite 26 angeordnet, wobei durch den eingestellten Abstand ein minimaler Abstand vorgegeben ist. Als Anschlag dient in diesem Fall das Anliegen des Ventilschließkörpers 9 an der Ventilsitzfläche 10.
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Die Düsennadel 4 weist außerdem einen Führungsabschnitt 27 auf, an dem einen Schließfeder 28 angeordnet ist. Die Schließfeder 28 ist hierbei an dem Führungsabschnitt 27 geführt. Die Schließfeder 28 ist in dem in der 1 dargestellten Ausgangszustand vorgespannt. Eine Vorspannkraft der Schließfeder 28 kann hierbei über eine Einstellscheibe 29 vorgegeben werden.
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Möglich ist es auch, dass das scheibenförmige Element 19 auf den Befestigungsabschnitt 20 aufgesetzt ist und durch die Schließfeder 28 in Anlage mit dem Absatz 22 der Düsennadel 4 gehalten wird.
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Die Schließfeder 28 gewährleistet, dass bereits bei der Inbetriebnahme des Einspritzventils 1 der Dichtsitz 11 geschlossen ist. Im unbestromten Zustand der Feldspule 16 bestimmt neben der Schließkraft der Schließfeder 28 hauptsächlich die Druckdifferenz zwischen dem Druck des zugeführten Brennstoffs, das heißt des Drucks des Brennstoffs im Innenraum 5 und im Ringspalt 7, und dem Umgebungsdruck in Verbindung mit dem Düsennadelsitzdurchmesser am Dichtsitz 11 die insgesamt auf die Düsennadel 4 wirkende Schließkraft. Als Umgebungsdruck kann beispielsweise ein Zylinderraumdruck eines Zylinders einer Brennkraftmaschine wirken.
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Die Wirbelstromaktorik 15 ermöglicht eine Betätigung der Düsennadel 4 entlang der Längsachse 12. Bei einer hochfrequenten Bestromung der Feldspule 16 werden in dem elektrisch leitenden Element 19 Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme sind entgegengesetzt zu dem Strom durch die Feldspule 16 orientiert. Durch die gebildeten Magnetfelder, einerseits dem Magnetfeld der Feldspule 16 und andererseits dem durch die Wirbelströme induzierten Magnetfeld, kommt es zu einer abstoßenden Kraft, die entgegen der Schließkraft der Schließfeder 28 in einer Öffnungsrichtung 30 auf das Element 19 und somit die Düsennadel 4 wirkt. Mit Hilfe dieses Wirbelstromprinzips können innerhalb kürzester Zeit große Kräfte auf die Düsennadel 4 übertragen werden. Beispielsweise liegt die Größenordnung der erreichbaren Kraft der Wirbelstromaktorik 15 auf die Düsennadel 4 bei einer Bestromung mit etwa 10.000 A und einer Frequenz von 100 kHz bei bis 10 kN oder mehr. Diese öffnende Kraft reicht aus, um die Düsennadel 4 gegen den anliegenden Raildruck und die Kraft der Schließfeder 28 aus dem Dichtsitz 11 zu beschleunigen. Hierbei wird das Element 19 nach oben abgestoßen. Wenn die Düsennadel 4 den Drosselbereich der Einspritzung verlassen hat, dann kann die Bestromung derart angepasst werden, dass sich die Düsennadel 4 auch weiterhin oberhalb des minimalen Hubs befindet, in der es zu keiner Drosselung der Einspritzmenge kommt. Die Anpassung der Bestromung kann über die Stromstärke und/oder die Frequenz des Stroms durch die Feldspule 16 mittels des Steuergeräts 25 erfolgen.
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Bei geöffnetem Dichtsitz 11 strömt der Brennstoff aus dem Ringspalt 7 über den geöffneten Dichtsitz 11 zu Düsenöffnungen 31, 32, so dass es zum Abspritzen von Brennstoff über die Düsenöffnungen 31, 32 in den Brennraum einer Brennkraftmaschine kommt.
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Zur Beendigung der Einspritzung wird die Bestromung der Feldspule 16 der Wirbelstromaktorik 15 unterbrochen. Die Kraft der Schließfeder 28 beschleunigt die Düsennadel 4 dann wieder in Richtung auf die Ventilsitzfläche 10. Hierdurch kommt es zum Schließen des Dichtsitzes 11 zwischen dem Ventilschließkörper 9 und der Ventilsitzfläche 10. Hierdurch wird die Einspritzung beendet. Die abgespritzte Brennstoffmenge wird über den Brennstoffkanal 6 ersetzt, so dass das Einspritzventil 1 für die nächste Einspritzung vorbereitet ist.
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Somit ist ein einfacher und kostengünstiger Aufbau der Wirbelstromaktorik 15 zum Betätigen des Einspritzventils 1 gegeben. Auf Grund der hohen maximalen Kräfte der Wirbelstromaktorik 15 auf das als Anker wirkende Element 19 und somit die Düsennadel 4 ist eine extrem hohe Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 4 und damit ein extrem schnelles Öffnen des Einspritzventils 1 realisierbar. Hierbei ist eine direkte Nadelsteuerung mit Hilfe der Wirbelstromaktorik 15 gegeben. Außerdem ist das Einspritzventil 1 als rücklauffreies Einspritzventil 1 ausgestaltet, da die Rückführung einer Leckage- und Steuermenge entfällt. Außerdem ist die Anzahl der Bohrungen optimiert. Beispielsweise kann eine Bohrung vorgesehen sein, durch die die elektrischen Leitungen 23, 24 zum Bestromen der Feldspule 16 geführt sind. Eine weitere Bohrung in Form einer Hochdruckbohrung kann den Brennstoffkanal 6 ausbilden.
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In vorteilhafter Weise ist das elektrisch leitende Element 19 aus Kupfer gebildet. Kupfer hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit, so dass entsprechend große Wirbelströme und damit eine große abstoßende Kraft erzeugt werden können. Es reicht auch eine zum Beispiel auf Stahl aufgebrachte galvanische Kupferschicht mit einer Dicke von mehr als 900 μm.
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2 zeigt ein Einspritzventil 1 in einer auszugsweisen, schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine weitere Wirbelstromaktorik 35 vorgesehen. Die weitere Wirbelstromaktorik 35 umfasst eine Feldspule 36, einen Träger 37 für die Feldspule 36 und eine Einstellhülse 38. Die Feldspule 36 kann in den Träger 37 eingebettet oder auf andere Weise an dem Träger 37 angebracht sein. Zum Bestromen der Feldspule 36 sind elektrische Leitungen 39, 40 vorgesehen, die mit dem Steuergerät 25 verbunden sind.
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Über die Einstellhülse 38 ist ein Abstand zwischen einer weiteren Stirnseite 41 des scheibenförmigen Elements 19 und der Feldspule 36 einstellbar. Dieser Abstand ist in der in der 2 dargestellten Ausgangs- und Ruhestellung ein maximaler Abstand.
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Durch Bestromen der Feldspule 36 kann insbesondere bei stromloser Feldspule 16 eine Beschleunigung des Schließvorgangs der Düsennadel 4 bei geöffnetem Dichtsitz 11 erreicht werden. Wird beispielsweise der Dichtsitz 11 durch Bestromen der Feldspule 16 der Wirbelstromaktorik 15 entsprechend einem maximalen Hub der Düsennadel 4 maximal geöffnet, dann kann beim Abschalten der Feldspule 16 der Wirbelstromaktorik 15 auch eine Bestromung der Feldspule 36 der weiteren Wirbelstromaktorik 35 erfolgen, um ein sehr schnelles Schließen des Dichtsitzes 11 zu erzielen. Hierbei ist ein Hubanschlag für die Düsennadel 4 vorgegeben. Beim Erreichen dieses Hubanschlags wird ein minimaler Abstand zwischen der weiteren Stirnseite 41 des scheibenförmigen Elements 19 und der Feldspule 36 der weiteren Wirbelstromaktorik 35 erreicht. Dieser minimale Abstand kann durch einen Anschlag vorgegeben werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist solch ein Anschlag schematisch durch einen Zapfen 42 der Einstellscheibe 29 veranschaulicht. Hierdurch ist eine Abstimmung des Einspritzventils 1 möglich.
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Die elektrischen Leitungen 39, 40 können über eine weitere Bohrung in dem Injektorkörper 2 geführt sein oder auch zusammen mit den elektrischen Leitungen 23, 24 durch den Injektorkörper 2 geführt werden.
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Die Bestromung der Feldspule 36 der weiteren Wirbelstromaktorik 35 und die Funktionsweise der weiteren Wirbelstromaktorik 35 ergeben sich in entsprechender Weise wie die Bestromung der Feldspule 16 und die Funktionsweise der Wirbelstromaktorik 15. Hierbei wird die Wirbelstromaktorik 15 zum Öffnen des Einspritzventils 1 und die weitere Wirbelstromaktorik 35 zum Schließen des Einspritzventils 1 eingesetzt.
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Die Wirbelstromaktorik 15 benötigt im Unterschied zu Magnetventilen unter anderem keine ferromagnetischen Leitbleche.
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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 19712590 A1 [0002, 0003]
