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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Baugruppe mit einem ersten Bauelement und einem vom ersten Bauelement umschlossenen zweiten Bauelement und mit einer Dichtung zum Abdichten eines zwischen erstem und zweitem Bauelement vorhandenen Radialspalts gegen Durchtritt von Fluid, wobei der für ein strömendes oder fließendes Medium stehende übergeordnete Begriff Fluid in Übereinstimmung mit der Strömungslehre für Gase und Flüssigkeiten verwendet wird
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Eine bekannte Dichtungsbaugruppe zur Abdichtung eines in einer Durchführung in einem Körper geführten Kraftübertragungselements (
DE 10 2009 047 009 A1 ) dient in einem Einspritzventil in Kraftstoffeinspritzanlagen für Brennkraftmaschinen zum Abdichten von nicht kraftstoffresistenten Bauteilen des Ventils, wie den piezoelektrischen Aktor zur Ventilsteuerung, gegenüber dem in einem Ventilraum des Ventils unter Druck stehenden Kraftstoff. Der Ventilraum ist von einem Ventilkörper begrenzt und weist eine Durchführung für eine Ventilnadel auf, die sich von der dem Ventilraum vorgelagerten Ventilöffnung bis zum Aktor erstreckt. Im Bereich der Durchführung trägt die Ventilnadel einen auf ihr festsitzenden Gleitring, der mit dem Ventilkörper einen engen Radialspalt innerhalb der Durchführung begrenzt. Um einen Durchtritt des Kraftstoffs durch diesen Radialspalt zu unterbinden, ist die den Ventilraum begrenzende Stirnseite des Deckels von einer ringförmigen Membran überdeckt, die mit ihrem inneren Rand am Gleitring und mit ihrem äußeren Rand am Ventilkörper festgelegt ist und mit Ventilkörper und Gleitring eine mit einem Zweitmedium gefüllte Kaverne einschließt. Das Zweitmedium besitzt eine Fließgrenze, die abhängig von dem im Ventilraum herrschenden Kraftstoffdruck gewählt ist. Zur Befüllung der Kaverne mit dem Zweitmedium ist im Ventilkörper eine mit dem Zweitmedium gefüllte Kammer vorhanden, die den Ventilkörper in einen vorderen und einen hinteren Körperteil unterteilt. In dem vorderen Körperteil ist eine Verbindung zu der Kaverne hergestellt und in dem hinteren Körperteil ist mittels des Gleitrings die Gleitführung der Ventilnadel im Ventilkörper realisiert. Der zwischen Gleitring und hinterem Körperteil vorhandene Ringspalt ist zur Vermeidung von Schleppverlusten mittels einer Radialdichtung abgedichtet. Die Radialdichtung besteht aus einem elastischen Dichtring, der in einer Ringnut im hinteren Körperteil einliegt und sich radial an den Gleitring anpresst.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Baugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die axiale Druckbelastung des plastisch verformbaren Dichtungselements über dessen Fließgrenze hinaus das Dichtungselement sich bleibend so stark verformt, dass es sich an die beiden Bauteile anpresst und somit geometrische Abweichungen der Bauelement im Bereich des Ringspalts, z.B. Riefen, Rundheitsfehler, Verschleißstellen, ausgleicht. Bei geeigneter Auslegung des Druckglieds ist die auf das Dichtungselement wirkende Druckkraft und damit der auf das zweite Bauelement wirkende Abdichtdruck über Zeit und Temperatur nahezu konstant. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das zweite Bauelement ein axial verschiebliches Kraftübertragungselement, z. B. eine in eine mit Fluid gefüllte Ventilkammer eine Ventils eintauchende Ventilnadel, ist.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe ist überall dort einsetzbar, wo hydraulische oder pneumatische Abdichtungen gefordert werden. Vorteilhaft findet sie in Vorrichtungen zur Zumessung eines Fluid, also eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, Anwendung, so z.B. in Kraftstoffeinspritzanlagen für Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffverteiler und Einspritzventilen, und da sowohl innerhalb der Einspritzventile als auch in der Verbindung der Einspritzventile mit dem Kraftstoffverteiler.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Baugruppe möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht das Dichtungselement aus weichem Kunststoff, der einen geringen Reibungskoeffizienten zu Stahl aufweist. Vorzugsweise ist der Kunststoff ein PTFE-Compound mit 5% Glas- und 10% Kohlenstoffanteil und mit einem Reibungskoeffizienten zu Stahl von 0,09 bis 0,05. Dadurch erzeugt das Dichtungselement eine nur geringe Reibkraft am zweiten Bauelement, was zu einem geringeren Verschleiß des Dichtungselements insbesondere dann führt, wenn das zweite Bauelement eine Relativbewegung zu dem ersten Bauelement ausführt. Vorzugsweise ist das Dichtungselement als dünne Dichtungsscheibe ausgeführt, so dass das Dichtungselement auch eine geringe Reiblänge aufweist, was die am zweiten Bauelement wirkende Reibkraft weiter reduziert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Dichtungselement und dem Druckglied eine Druckscheibe angeordnet. Durch diese Druckscheibe wird unabhängig von der individuellen Ausführung des Druckglieds, z.B. als Schraubendruckfeder, Federbügel und dgl., sichergestellt, dass die vom Druckglied erzeugte Druckkraft gleichmäßig auf die Oberfläche des Dichtungselements verteilt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die radiale Breite der Druckscheibe so bemessen, dass zwischen Druckscheibe und zweitem Bauelement einerseits und Druckscheibe und Begrenzungswand der Ausnehmung im ersten Bauelement andererseits jeweils ein Spalt von nur geringer Spaltbreite vorhanden ist. Durch die am Rand der Druckscheibe vorhandenen Spalte wird die axiale Beweglichkeit der Druckscheibe gewährleistet, und durch deren geringe Spaltbreite wird verhindert, dass das Material des sich unter Druckbelastung verformenden, „fließenden“ Dichtungselements nicht durch die Spalte hindurchgepresst wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Ausnehmung einen Eingangsabschnitt mit einem größeren lichten Querschnitt auf und ist in den Eingangsabschnitt ein Montagering eingesetzt, dessen lichter oder innerer Querschnitt kleiner ist als der Querschnitt der Ausnehmung. Dadurch kann eine Vormontage von Dichtungselement und Druckscheibe erfolgen, wobei der Montagering bei weiterer Montage ein Herausfallen dieser Bauteile aus der Ausnehmung verhindert. Das beispielsweise als Druckfeder ausgebildete Druckglied kann bei der weiteren Montage dann außerhalb der Ausnehmung abgestützt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das als Druckfeder oder als Federbügel ausgebildete Druckglied mit in die Ausnehmung eingesetzt und an einem in der Ausnehmung befestigten Widerlager abgestützt. Durch diese konstruktive Ausbildung kann die Baugruppe komplett vormontiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bildet das erste Bauelement einen Ventilkörper, der eine Ventilkammer eines Ventils zum Zumessen des Fluids abschließt, während das zweite Bauelement eine in dem Ventilkörper gleitgeführte Ventilnadel realisiert, die in Verbindung mit einem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor und einer Ventilschließfeder eine der Ventilkammer nachgeordnete Zumessöffnung steuert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die der Ventilkammer zugekehrte Stirnseite des Ventilkörpers mit einer am Ventilkörper und an der Ventilnadel festgelegten Membran abgedeckt und eine von der Membran zum Ventilkörper hin eingeschlossene Kaverne mit einem Zweitmedium hoher Fließgrenze gefüllt. Diese zur Ventilkammer hin der Dichtung vorgelagerte Membrandichtung mit Zweitmedium verhindert zuverlässig Schleppverluste innerhalb der von der Dichtung abgedichteten Gleitführung der Ventilnadel auch unter extremen Betriebsbedingungen. Zugleich ermöglicht die Dichtung mit Dichtungselement und Druckglied den Einsatz eines relativ weichen und flüssigen Zweitmediums in der Membrandichtung, das die Reibungskraft an der Ventilnadel nicht erhöht. Als Zweitmedium kann beispielsweise Fett Asonic Q74–73 eingesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bildet das erste Bauelement ein mit einem Fluidzufluss in Verbindung stehendes Anschlussglied für ein Ventil zum Zumessen von Fluid und das zweite Bauelement einen Einströmstutzen des Ventils, der von einem ein Ventilgehäuse abschließenden Anschlussstück mit Zulaufbohrung axial absteht. Vorzugsweise ist der Einströmstutzen mittels einer Kunststoffumspritzung am Anschlussstück festgelegt und das Widerlager für das als Druckfeder ausgebildete Druckglied von der Kunststoffumspritzung gebildet. Als Widerlager ist eine an der Kunststoffumspritzung ausgeformte Radialschulter herangezogen, und die Druckfeder ist über eine Stützscheibe an der Radialschulter abgestützt. Durch die Stützscheibe wird die Flächenbelastung des Druckglieds auf die Kunststoffumspritzung verringert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ausschnittweise eine Vorrichtung zum Zumessen von Fluid mit einem Fluidverteiler und an dem Fluidverteiler angeschlossenen Ventilen zum Zumessen von Fluid,
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2 einen abströmseitigen Ausschnitt des Längsschnitts des Ventils gemäß Linie II-II in 1,
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3 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts III in 1,
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4 den Ausschnitt IV in 1 eines in diesem Bereich modifizierten Ventils,
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5 einen Schnitt längs der Linie II-II in 1 mit einem einströmseitigen Ausschnitt des Ventils.
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Die hier vorgestellte neuartige Baugruppe wird nachfolgend in Verbindung mit ihrem Einsatz in einer Vorrichtung zum Zumessen von Fluid, also zum Zumessen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, beschrieben, als deren Beispiel eine Kraftstoffeinspritzanlage für Brennkraftmaschinen gilt.
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Eine solche Vorrichtung ist ausschnittweise schematisiert in
1 dargestellt. Sie besitzt einen mit einem Fluidzufluss
10 in Verbindung stehenden Fluidverteiler
11, der eine Mehrzahl von Anschlussgliedern
12 zum Anschluss jeweils eines Ventils
13 zum Zumessen des Fluids aufweist. In Kraftstoffeinspritzanlagen ist der Fluidverteiler
11 ein als Rail bezeichneter Kraftstoffverteiler und sind die Anschlussglieder
12 an der Rail ausgebildete Anschlusstassen für je ein das Ventil
13 bildendes Kraftstoffeinspritzventil. Die erfindungsgemäße Baugruppe kommt dabei sowohl in der Verbindung von Kraftstoffverteiler
11 und Ventil
13 als auch innerhalb des Ventils
13 zur Anwendung. Das Ventil
13 ist in konstruktiver Ausführung im Längsschnitt in
2 mit einem abströmseitigen und in
5 mit einem einströmseitigen Ausschnitt dargestellt. Das komplette Ventil
13 ist beispielsweise in der
DE 10 2009 026 532 A1 vollständig im Längsschnitt dargestellt und beschrieben, auf die hier ergänzend Bezug genommen wird.
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Die erfindungsgemäße Baugruppe wird zunächst in Verbindung mit 2 und 3 beschrieben. Sie weist ein erstes Bauelement 14, ein vom ersten Bauelement 14 umschlossenes zweites Bauelement 15 und eine Dichtung 17 auf, die einen zwischen den Bauelementen 14, 15 vorhandenen Radialspalt 16 gegen Durchtritt von die Bauelemente 14, 15 beaufschlagendem Fluid abdichtet. In 2 ist das erste Bauelement 14 ein Ventilkörper 18, der einerseits eine Hülse 19 und andererseits einen Ventilsitzträger 20 abschließt und mit diesen jeweils fluiddicht verbunden ist. Die Hülse 19 ist in einem Ventilgehäuse 21 festgelegt und schließt mit diesem einen Ringkanal 22 zum Zuführen des Fluids zu einer in dem Ventilsitzträger 20 ausgebildeten Ventilkammer 24 ein. Die Ventilkammer 24 ist von der Stirnseite des Ventilkörpers 18 begrenzt und mit einer im Ventilsitzträger 20 ausgebildeten Zumessöffnung 23 versehen und steht über mindestens eine im Ventilsitzträger 20 vorhandene Radialbohrung 201 mit dem Ringkanal 22 in Verbindung.
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Das zweite Bauelement 15 wird von einer Ventilnadel 25 gebildet, die endseitig einen Schließkopf 251 trägt, der mit einem die Zumessöffnung 23 umschließenden Ventilsitz 26 zum Schließen und Freigeben der Zumessöffnung 23 zusammenwirkt. Die Ventilnadel 25 ist durch den Ventilkörper 14 hindurchgeführt, taucht in die Hülse 19 ein und liegt kraftschlüssig an einem in der Hülse 19 festgelegten piezoelektrischen oder magnetostriktiven Aktor 27 an. Eine Ventilschließfeder 28 drückt bei unerregtem Aktor 27 den Schließkopf 251 auf den Ventilsitz 26 auf und das schließkopfferne Ende der Ventilnadel 25 an den Aktor 27 an. Auf der Ventilnadel 25 ist im Bereich des Ventilkörpers 18 noch ein Gleitring 29 aufgesetzt, so dass das zweite Bauelement 15 von der Baueinheit Ventilnadel 25 und Gleitring 29 gebildet wird und der Ringspalt 16 zwischen den Bauelementen 14, 15 von Gleitring 29 und Ventilkörper 18 eingeschlossen ist. Der Gleitring 29 kann auch einstückig mit der Ventilnadel 25 ausgeführt und z. B. von einem im Durchmesser vergrößerten Abschnitt der Ventilnadel 25 gebildet sein.
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Das erste Bauelement 14, also der Ventilkörper 18, besitzt eine zentrale, zum zweiten Bauelement 15 konzentrische Ausnehmung 30 mit einer den Grund der Ausnehmung 30 bildenden, das zweite Bauelement 15 umgebenden, ringförmigen Radialschulter 301, die außen, d.h. an dem von dem zweiten Bauelement 15 abgekehrten Schulterrand, von der Begrenzungswand 302 der Ausnehmung (30) begrenzt ist und bis zum Radialspalt 16 vorspringt (3). Die Dichtung 17 weist ein plastisch verformbares, ringförmiges Dichtungselement 31, das mit einer Ringfläche an der Ringschulter 301 der Ausnehmung 30 anliegt, und ein Druckglied 32 auf, das mit axialer Druckkraft F1 auf die andere Ringfläche des Dichtungselements 31 einwirkt. Die Druckkraft F1 des Druckglieds 32 ist so bemessen, dass das Dichtungselement 31 über seine Fließgrenze belastet ist und somit das unter Druck „fließende“ Material des Dichtungselements 31 sich einerseits an das zweite Bauelement 15 und andererseits an die Begrenzungswand 302 der Ausnehmung 30 im ersten Bauelement 14 jeweils radial anpresst und mit einer radialen Abdichtkraft F2 auf das zweite Bauelement 15 wirkt. Der Radialspalt 16 hat eine so geringe Spaltbreite, dass das „fließende“ Material des Dichtungselements 31 nicht durch den Radialspalt 16 gepresst wird. Das Dichtungselement 31 ist aus einem weichen Kunststoff mit einem geringen Reibungskoeffizienten zu Stahl. Als Kunststoff wird vorzugsweise ein PTFE-Compound mit 5% Glas- und 10% Kohlenstoffanteil und einem Reibungskoeffizienten zu Stahl von 0,09 bis 0,5 eingesetzt. Das Dichtungselement 31 ist als Dichtungsscheibe mit einer geringen Dicke ausgebildet, so dass das Dichtungselement 31 eine nur geringe Reiblänge s (3) aufweist. Die Auswahl des Reibungskoeffizienten und die geringe Reiblänge s ergeben eine am zweiten Bauelement 15 wirkende kleine Reibkraft, die zu einem geringen Verschleiß des Dichtungselements 31 führt.
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Zur besseren Verteilung der vom Druckglied 32 auf das Dichtungselement 31 aufgebrachten Druckkraft ist zwischen dem Dichtungselement 31 und dem Druckglied 32 eine Druckscheibe 33 angeordnet. Die radiale Breite der Druckscheibe 33 ist dabei so bemessen, dass zwischen Druckscheibe 33 und zweitem Bauelement 15 einerseits und Begrenzungswand 302 der Ausnehmung 30 im ersten Bauelement 14 andererseits jeweils nur ein Spalt von geringer Spaltbreite vorhanden ist. Die geringe Spaltbreite verhindert, dass Material des unter Druck „fließenden“ Dichtungselements 31 in die Radialspalte eindringen und so die axiale Beweglichkeit der Druckscheibe 33 behindern kann. Das Druckglied 32 ist als Druckfeder 34, hier als Schraubendruckfeder, ausgebildet, die sich einerseits an der Druckscheibe 33 und andererseits an einem Widerlager 35 abstützt. Das Widerlager 35 ist in der Ausnehmung 30 befestigt und ist beispielsweise ein wannenartig mit geringer Wannentiefe geformter Ring, dessen Wannenrand an einem der Bauelemente 14, 15 vorzugsweise am ersten Bauelement 14 angeschweißt ist.
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Bei dem in 4 ausschnittweise dargestellten modifizierten Ventil 13 ist die Dichtung 17 der Baugruppe insoweit modifiziert, als die Ausnehmung 30 einen Eingangsabschnitt 303 mit einem vergrößerten Querschnitt bzw. Durchmesser und das Druckglied 32 mehrere Federbügel 36 aufweist, die in den Eingangsabschnitt 303 so eingesetzt sind, dass sie mit dem einen Federende auf die Druckscheibe 33 aufdrücken und mit dem anderen Federende am ersten Bauelement 14 befestigt, z.B. verschweißt, sind. Zudem ist die Stirnseite des die Ventilkammer 24 abschließenden, das erste Bauelement 14 bildenden Ventilkörpers 18 mit einer ringförmigen Membran 36 aus Stahl überzogen, die mit ihrem inneren Rand an der Ventilnadel 25, genauer gesagt am Gleitring 29, also am zweiten Bauelement 15, und mit ihrem äußeren Rand am Ventilkörper 18, also am ersten Bauelement 14, festgelegt ist und mit dem Ventilkörper 18 eine Kaverne 37 einschließt. Die Kaverne 37 ist mit einem relativ weichen bzw. flüssigen Zweitmedium, beispielsweise mit Fett Asonic Q74–73 gefüllt. Diese der Dichtung 17 zur Ventilkammer 24 hin vorgesetzte Membrandichtung mit Zweitmedium verhindert, dass auch unter extremen Betriebsbedingungen evtl. Fluidreste an der Ventilnadel 25 als sog. Schleppverluste durch den Radialspalt 16 hindurch in die Hülse 19 gelangen und dort zu einer Schädigung des Aktors 27 führen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, in dem in 2 und 3 dargestellten Ventil 13 zusätzlich zu der dort beschriebenen Dichtung 17 die der ventilkammerseitigen Stirnseite des Ventilkörpers 18 vorgesetzte Membrandichtung mit Zweitmedium vorzusehen. Der Vorteil einer solchen Ausführung wäre ein geringeres Volumen des Zweitmediums in der Kaverne 38 und damit eine kleinere Belastung der Membran 37 infolge Wärmeausdehnung. Im Übrigen stimmt das in 4 ausschnittweise dargestellte Ventil 13 mit dem zu 2 und 3 beschriebenen Ventil 13 überein, so dass gleiche Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Bei der ausschnittweisen Schnittdarstellung der Vorrichtung zum Zumessen von Fluid gemäß 5 kommt die erfindungsgemäße Baugruppe in der Verbindung von Fluidverteiler 11 und Ventil 13 zum Fluidzumessen zum Einsatz. Das erste Bauelement 14 bildet das Anschlussglied 12 des Fluidverteilers 11, und das zweite Bauelement 15 ist durch einen Einströmstutzen 40 des Ventils 13 realisiert. Der Einströmstutzen 40 ist mittels einer Kunststoffumspritzung 41, in der auch ein elektrischer Steckanschluss 46 für den Aktor 17 integriert ist, an einem das Ventilgehäuse 21 abschließenden Anschlussstück 42 festgelegt, z. B. einstückig angeformt, und steht von diesem axial ab. Das Anschlussstück 42 besitzt eine Zulaufbohrung 43, die den Einströmstutzen 40 mit dem zur Ventilkammer 24 führenden Ringkanal 22 verbindet. Die Dichtung 17 ist wie zu 2 und 3 beschrieben ausgeführt, mit dem Unterschied, dass das Widerlager 35 für die als Druckglied 32 fungierende Druckfeder 34 von der Kunststoffumspritzung 41 gebildet ist. Hierzu ist an der Kunststoffumspritzung 41 eine Ringschulter 411 ausgeformt, an der sich die Druckfeder 34 über eine Stützscheibe 44 abstützt. Die Stützscheibe 44 vermeidet eine zu hohe Flächenpressung der Druckfeder 34 an der Kunststoffumspritzung 41.
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Wie bei der in 4 dargestellten Baugruppe ist auch hier die Ausnehmung 30 im ersten Bauelement 14 mit einem einen vergrößerten Querschnitt bzw. Durchmesser aufweisenden Eingangabschnitt 303 versehen. In den Eingangsabschnitt 303 ist eine Montagering 45 eingepresst. Der lichte Querschnitt bzw. lichte oder innere Durchmesser des Montagerings 45 ist kleiner als der Querschnitt bzw. Durchmesser der Ausnehmung 30, so dass bei Fügen von Anschlussglied 12 und Ventil 13 die bereits in Vormontage in die Ausnehmung 30 eingesetzten Dichtungsteile Druckglied 32 und Druckscheibe 33 nicht aus der Ausnehmung 30 herausfallen können. Bei der weiteren Montage wird die Druckfeder 34 auf den Einströmstutzen 40 aufgesetzt und die Druckkraft des Druckglieds 32 beim Aufspannen des Anschlussglieds 22 auf das Ventil 13, das z. B. in eine Zylinderkopfbohrung eines Verbrennungszylinders einer Brennkraftmaschine eingesetzt ist, hergestellt. Diese Druckkraft wird durch ortsfestes Festlegen des Fluidverteilers 11, z. B. des Kraftstoffverteilers auf dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine, aufrechterhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009047009 A1 [0002]
- DE 102009026532 A1 [0021]
