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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einem in einem Haltekörper angeordneten und ein Steuerventil beherrschenden Aktormodul, wobei das Steuerventil einen eine mit einem Steuerventilsitz zusammenwirkende Dichtfläche aufweisenden und in einem Steuerventilraum von einer Hülse geführten Steuerventilbolzen aufweist, wobei die Hülse eine Hülseninnenstirnfläche und eine Hülsenaußenstirnfläche aufweist, und wobei die Hülsenaußenstirnfläche auf einer Platte, insbesondere einer Drosselplatte, abgestützt ist.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2008 001 330 A1 bekannt. Dieser Kraftstoffinjektor ist so ausgelegt, dass ein schnelles und zuverlässiges Steurern der Einspritzung mittels eines Steuerventils ermöglicht wird und damit eine qualitativ bessere Einspritzung und eine längere Lebensdauer des Kraftstoffinjektors erzielt wird. Hierzu ist das Steuerventil, das sich in einem Steuerventilraum befindet, so ausgebildet, dass der Druck im Steuerventilraum am Steuerventilbolzen nicht an der vollständigen Fläche angreift, welche der Dichtsitz des Steuerventils umschließt, und somit nur eine reduzierte hydraulische Kraft in Richtung der Längsbewegung des Steuerventils ausgeübt wird. Bei geeigneter Dimensionierung des Steuerventils kann die hydraulische Kraft sogar auf null reduziert werden. Durch diese Ausgestaltung ist die Öffnungskraft, die zum Öffnen des Steuerventilbolzens aus einer Schließstellung bezüglich eines Leckölraumes benötigt wird, erheblich reduziert. Dies ermöglicht es, mittels eines relativ schwachen Aktormoduls den Steuerventilbolzen rasch im Steuerventilraum zu bewegen und sehr schnelle Schaltvorgänge durchzuführen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Kraftstoffinjektor bereitzustellen, dessen auf eine einen Steuerventilbolzen umgebende Hülse einwirkenden Querkräften verringert sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Hülse eine Außenkontur mit einem auf der Hülseninnenstirnfläche einen geringeren Außendurchmesser als auf der Hülsenaußenstirnfläche aufweist. Diese Ausgestaltung liegt zunächst einmal die Erkenntnis zu Grunde, dass eine den Steuerventilbolzen auf einer Teillänge umgebende Hülse verbaut wird, um die auf den Steuerventilbolzen einwirkende hydraulische Schließkraft zu reduzieren. Dadurch ist es erst möglich, ein Aktormodul einzusetzen, das mit einem vertretbaren Energiebedarf betrieben werden kann. Dabei ist der Steuerventilbolzen im Bereich der umgebenden Hülse mit einem Durchmesser, der kleiner ist als eine mit einem Steuerventilsitz in einem Ventilkörper zusammenwirkenden Dichtfläche des Steuerventilbolzens, ausgeführt und der Steuerventilbolzen ist mit einem geringen Führungsspiel in der Hülse geführt. Die Hülse sitzt mit der Hülsenaußenstirnfläche auf einer Platte, insbesondere einer Drosselplatte, des Kraftstoffinjektors auf. Das innerhalb der Hülsenaußenstirnfläche der Hülse unter der unteren Stirnfläche des Steuerventilbolzens befindliche Kraftstoffvolumen in einem dort gebildeten Niederdruckraum ist mit einem Leckölraum des Kraftstoffinjektors und damit mit dem Rücklaufanschluss des Kraftstoffinjektors verbunden. Dadurch wird erreicht, dass die hydraulische Schließkraft auf den Steuerventilbolzen gegenüber einer Ausführung ohne eine solche Dichthülse und dem Wert π/4·dF 2·prail sinkt und somit nur noch π/4·(dS 2 – dF 2)·prail beträgt (dF Durchmesser des Steuerventilbolzens im Bereich der umgebenden Hülse; dS Durchmesser der Dichtfläche des Steuerventilbolzens im Bereich des Steuerventilsitzes; prail Druck des Kraftstoffs). Dadurch reduziert sich die zum Öffnen des Steuerventils benötigte Spannung sowie die zugehörige Ladung erheblich und ein solcher Kraftstoffinjektor kann auch zu bis höchsten Drücken von über 2.500bar mit einem normalen Steuergerät betrieben werden. Da in dem Steuerventilraum sowohl bei geschlossenen als auch bei offenen Steuerventil stets ein größerer Druck herrscht als in dem unterhalb der Hülsenaußenstirnfläche der Hülse gebildeten Niederdruckraum, besteht auch immer eine hydraulische Kraft, die zusätzlich zu jener der Ventilbolzenfeder die Hülse nach unten gegen die Platte drückt, so dass die Hülsenaußenstirnfläche dort sicher abdichtet. Es hat sich nun insbesondere bei einer Steigerung des Nenndrucks gezeigt, dass bei geöffneten Steuerventil der in den Steuerventilraum einströmende Kraftstoff Druckwellen auslöst, die verstärkt durch Reflexion an der Umfangswand des Ventilraums und durch Kavitation Kraftstöße auf die Hülse ausüben. Diese Kraftstöße wirken hauptsächlich in radialer Richtung; wobei der Winkel des Kraftvektors über den gesamten Umfangswinkelbereich von 360° streuen kann. Sind diese auf die Hülse ausgeübten Kraftstöße stark sowie häufig und weisen sie zudem eine Vorzugswinkellage auf, so wird die Hülse mitsamt dem Steuerventilbolzen bei geöffneten Steuerventil beispielsweise in Richtung des Ablaufkanals mit der Ablaufdrossel deachsiert, was zu einem exzentrischen Einschlag des Steuerventilbolzens mit seiner Dichtfläche in den Steuerventilsitz und ein Abrutschen des Steuerventilbolzens entlang eines Radialstrahls des Sitzkegels zur Folge hat, bevor die Hülse als auch der Steuerventilbolzen letztendlich ihre zentrische Position wieder einnehmen. Durch das exzentrische Einschlagen wird aber im Lauf der Zeit ein asymmetrischer Verschleiß des Ventilsitzes verursacht, der schließlich dazu führen kann, dass der Steuerventilbolzen nach einem exzentrischen Einschlag nicht oder nur sehr langsam in seine zentrale Position bewegt wird. Dadurch wird die Genauigkeit der Einspritzung deutlich reduziert. Unterstützt werden kann die Deachsierung des Steuerventilbolzens durch einen Unterdruckstoß, der beispielsweise durch Reflektion einer Druckwelle an einem offenen Steuerventilsitz entstehen kann. Dieser Unterdruckstoß läuft dann von oben nach unten durch den Steuerventilraum. Dies führt dazu, dass der Druck an der Hülseninnenstirnfläche der Hülse kurzzeitig reduziert ist und die Kraft, mit der die Hülse gegen die Drosselplatte gedrückt wird, kurzfristig zurückgeht. Zusammen mit dem zu diesem Zeitpunkt seitlich auf die Hülse einwirkenden Druckstoß kann die Hülse mit dem Ventilbolzen in diesem kurzen Zeitintervall besonders leicht deachsiert werden. Dadurch, dass erfindungsgemäß die Hülse auf der Hülseninnenstirnfläche einen geringeren Außendurchmesser als auf der Hülsenaußenstirnfläche aufweist, wird die Angriffsfläche zur Erzeugung von Querkräften auf die Hülse gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert. Dadurch werden auch die Querkräfte selbst, die auf die Hülse einwirken, erheblich reduziert. Ebenso wirkt die maximale Entlastung der Hülsenaußenstirnfläche durch eine in axialer Richtung sich ausbreitende Druckwelle erheblich reduziert. Beide Ursachen für eine Deachsierung des Steuerventilbolzens und auch der Hülse werden minimiert und somit ein stabiles Steuerventilverhalten über die Lebensdauer des Kraftstoffinjektors erreicht.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Hülse eine sich konisch verjüngende Außenkontur auf. Dabei kann wiederum in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Steuerventilraum eine an die sich konisch verjüngende Außenkontur der Hülse angepasste Innenkontur aufweisen. Dies ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung, bei der die Auswirkung des Drucks im Steuerventilraum auf ein zwischen der Steuerventilbolzen und der Hülse eingestelltes Führungsspiel bei allen Betriebszuständen gering bleibt. Insbesondere wird die Auswirkung des Drucks aber nicht so stark, dass es zu einem Festklemmen des Steuerventilbolzens in der Hülse kommen kann.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Hülse eine Außenkontur mit einem stufig reduzierten Außendurchmesser auf. Durch diese Ausgestaltung ist eine besonders effektive Reduzierung der auf die Hülse einwirkenden Kraftstöße darstellbar. Dabei beträgt wieder in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Länge des reduzierten Außendurchmessers angenähert 4/5 der Gesamtlänge der Hülse. Die verbleibende Länge der Hülse mit einem Fünftel der Gesamtlänge der Hülse reicht für eine sichere Abdichtung der Hülsenaußenstirnfläche auf der Drosselplatte vollkommen aus.
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In Weiterbildung der Erfindung weist der Steuerventilraum eine an den stufig reduzierten Außendurchmesser angepassten stufig ausgebildeten Innendurchmesser auf. Hierbei ist wiederum in weiterer Ausgestaltung der stufig ausgebildete Innendurchmesser mit einer Übergangsschräge zwischen den Innendurchmesserstufen ausgebildet. Dadurch wird die Strömung des in den Steuerraum einströmenden Kraftstoffs nur gering beeinflusst.
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In Weiterbildung der Erfindung beträgt das Maß der Verjüngung bis zu circa 50% des Ausgangsdurchmessers der Hülse. Beispielsweise kann der Ausgangsaußendurchmesser der Hülse von ursprünglich ca. 4,05mm auf 2,0mm verjüngt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Hülsenaußenstirnfläche als Beißkante ausgebildet. Mit einer solchen als Beißkante ausgebildeten Hülsenaußenstirnfläche ist eine besonders effektive Abdichtung der Hülse gegenüber der Drosselplatte möglich, wobei aber bei einer möglichen Deachsierung in diesem Bereich ein erhöhter Verschleiß auftreten kann. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung vermieden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in den Figuren dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Kraftstoffinjektors mit einer sich konisch verjüngenden Außenkontur einer Hülse,
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2 eine Ausschnittsdarstellung gemäß 1 mit einer sich konisch verjüngenden Außenkontur einer Hülse und einer entsprechend angepassten Innenkontur eines Ventilraums,
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3 eine Ausschnittsdarstellung aus 1 mit einem stufig reduzierten Außendurchmesser einer Hülse,
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4 eine Ausschnittsdarstellung aus 1 mit einem stufig reduzierten Außendurchmesser einer Hülse und einer entsprechend angepassten Innenkontur eines Ventilraums und
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5 ein Diagramm mit einer Darstellung eines Verlaufs eines Führungsspiels entlang eines Leckagespaltes zwischen einem Steuerventilbolzen und einer Hülse bei verschiedenen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Hülse im Vergleich zu einer Hülse gemäß einem Stand der Technik.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 1 in Längsschnitt. Der Kraftstoffinjektor 1 ist insbesondere für ein Common-Rail-Einspritzsystem einer selbstzündenden mit Dieselkraftstoff betriebenen Brennkraftmaschine ausgelegt und weist einen Haltekörper 2, einen Ventilkörper 3, eine Drosselplatte 4 und einen Düsenkörper 5 auf, die in dieser Reihenfolge aneinander anliegen. Die Bauteile werden durch eine Spannmutter 6 gegeneinander gepresst, wobei sich die Spannmutter 6 an einer Schulter des Düsenkörpers 5 abstützt und durch ein Gewinde am Haltekörper 2 gehalten ist. Im Düsenkörper 5 ist ein Druckraum 7 ausgebildet, in dem eine kolbenförmig ausgebildete Düsennadel 8 längs verschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 8 weist an ihrem einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zugewandten Ende eine Nadeldichtfläche 9 auf, mit der sie mit einem Düsensitz 10 zusammenwirkt, der am brennraumseitigen Ende des Druckraums 14 ausgebildet ist. Von dem Düsensitz 10 gehen eine oder mehrere Einspritzöffnungen 11 ab, die in der Einbaulage des Kraftstoffinjektors 1 direkt in den Brennraum der Brennkraftmaschine münden. Die Düsennadel 8 wird in einem mittleren Abschnitt in dem Düsenkörper 5 geführt, wobei der Kraftstoff durch mehrere Anschliffe 12 entlang des Führungsabschnitts zu dem Druckraum 7 und den Einspritzöffnungen 11 geleitet wird.
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Die Düsennadel 8 ist an ihrem vom Düsensitz 10 abgewandten Ende in einer Ventilnadelhülse 13 geführt, wobei die Ventilnadelhülse 13 durch eine Schließfeder 14, die die Düsennadel 8 umgibt und sich der Ventilnadelhülse 13 abgewandt an einem Absatz 15 der Düsennadel 8 abstützt, gegen die Drosselplatte 4 gedrückt wird. Durch die Ventilnadelhülse 13, die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Düsennadel 8 und die Drosselplatte 4 wird ein Steuerraum 16 begrenzt, der mit Kraftstoff befüllt ist, so dass durch den Druck im Steuerraum 16 eine hydraulische Kraft auf die vom Düsensitz 10 abgewandte Stirnseite der Düsennadel 8 ausgeübt wird und eine Kraft in Richtung des Düsensitzes 10 auf die Düsennadel 8 ausübt.
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Im Haltekörper 2, dem Ventilkörper 3 und der Drosselplatte 4 ist ein Zulaufkanal 17 ausgebildet, über den verdichteter Kraftstoff unter hohem Druck von einer Kraftstoffhochdruckpumpe entlang der Anschliffe 12 in den Druckraum 7 geleitet wird. Der Zulaufkanal 17 ist weiterhin mit dem Steuerraum 16 über eine in der Drosselplatte 4 angeordnete Zulaufdrossel 18 verbunden. Im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors 1 stellt sich somit stets der gleiche Kraftstoffdruck in dem Zulaufkanal 17 und in dem Steuerraum 16 ein.
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Zur Steuerung des Kraftstoffdrucks in dem Steuerraum 16 ist ein Steuerventil 19 in dem Ventilkörper 3 vorgesehen, wobei das Steuerventil 19 einen Steuerventilraum 20 aufweist, der als Hohlraum im Ventilkörper 3 ausgebildet ist. Der Steuerventilraum 20 ist über eine Ablaufdrossel 21, die in der Drosselplatte 4 ausgebildet ist, mit dem Steuerraum 16 im Düsenkörper 5 verbunden. Weiterhin ist der Steuerventilraum 20 über eine Fülldrossel 22, die in der Figur strichliniert dargestellt und tatsächlich an anderer Stelle in der Drosselplatte 4 angeordnet ist, mit dem Zulaufkanal 17 beziehungsweise dem Zulauf zu dem Druckraum 7 im Bereich der Ventilnadelhülse 13 verbunden. In dem Steuerventilraum 20 ist ein Steuerventilbolzen 23 längsverschiebbar angeordnet, der eine kolbenförmige Gestalt aufweist und an seinem der Drosselplatte 4 abgewandten Ende eine pilzförmige Erweiterung aufweist, die als Dichtfläche 24 ausgebildet ist. Die Dichtfläche 24 wirkt im Ruhezustand des Kraftstoffinjektors 1 mit einem Steuerventilsitz 25 zusammen, der in dem Ventilkörper 3 eingearbeitet ist.
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Der Steuerventilbolzen 23 ist an seinem dem Steuerventilsitz 25 beziehungsweise der Dichtfläche 24 abgewandten Ende in einer Hülse 26 geführt, die sich mit ihrem unteren Ende, dass als Hülsenaußenstirnfläche 27 ausgebildet ist, an der Drosselplatte 4 abstützt. Zwischen dem oberen Ende der Hülse 26, das als Hülseninnenstirnfläche 28 ausgebildet ist, und der die Dichtfläche 24 beinhaltenden pilzförmigen Erweiterung des Steuerventilbolzens 23 ist eine Feder 29 angeordnet. Durch die Kraft der Feder 29 wird einerseits der Steuerventilbolzen 23 mit der Dichtfläche 24 gegen den Steuerventilsitz 25 gepresst und andererseits die Hülse 26 mit der Hülsenaußenstirnfläche 27, die ausweislich der 2 als Beißkante 30 ausgebildet sein kann, gegen die Drosselplatte 4.
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Die Bewegung des Steuerventilbolzens 23 im Steuerventilraum 20 wird über einem Kolben 31 bewirkt, der im Haltekörper 2 angeordnet ist. Der Kolben 31 ist dazu durch ein nicht dargestelltes Aktormodul in Längsrichtung bewegbar. Das Aktormodul ist beispielsweise ein Elektromagnet oder ein Piezoaktor. Der Kolben 31 befindet sich hierbei in einem Leckölraum 32 der stets druckentlastet ist und einen geringen Kraftstoffdruck aufweist. Durch die Hülse 26, den Steuerventilbolzen 23 und die Drosselplatte 4 wird ein Niederdruckraum 33 (siehe auch 2) begrenzt, der sich unterhalb des Steuerventilbolzens 23 befindet und der über einem Leckölablauf 34, der an anderer Stelle als die Fülldrossel 22 angeordnet ist, druckentlastet ist. Der Leckölablauf 34 ist vorzugsweise mit dem Leckölraum 32 verbunden. Bei geöffnetem Steuerventil 19 ist die Dichtfläche 24 des Steuerventilbolzens 23 durch den Kolben 31 aus dem Steuerventilsitz 25 in axialer Richtung ausgelenkt. Dadurch fließt in dem Steuerraum 16 befindlicher Kraftstoff über die Ablaufdrossel 21 und den Steuerventilraum 20 in den Leckölraum 32 ab und der Kraftstoffdruck in dem Steuerraum 16 wird abgesenkt. Weiterhin strömt durch die Fülldrossel 22 Kraftstoff in den Steuerventilraum 20 ein. Durch den somit im Steuerraum 16 abgesenkten Druck wird die Düsennadel 8 in ihre die zumindest eine Einspritzöffnung 11 freigebende Stellung bewegt und es wird aus dem Druckraum Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt. Beendet wird die Einspritzung durch Schließen des Steuerventils 19, den hierdurch bewirkten Druckaufbau in dem Steuerraum und die dadurch bewirkte Schließbewegung der Düsennadel 8.
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Durch den durch die Fülldrossel 22 und die Ablaufdrossel 21 in den Steuerventilraum 20 einströmenden Kraftstoff sowie durch Kavitation insbesondere im Abströmbereich der Ablaufdrossel 21 werden Druckwellen in dem Steuerventilraum 20 erzeugt, die überlagert von Reflexionen an der den Steuerventilraum 20 umgebenden Wand des Ventilkörpers 3, seitliche beziehungsweise radiale Kraftstößen auf die Hülse 26 ausüben. Dabei wirken die Kraftstöße in Summe normalerweise so auf die Hülse 26 ein, dass diese mitsamt dem Steuerventilbolzen 23 in Richtung zu der Ablaufdrossel 21 verschoben wird.
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Die Hülse 26 weist daher eine Außenkontur 35a mit einem einen Außendurchmesser auf, der sich von der Hülsenaußenstirnfläche 27 zu der Hülseninnenstirnfläche 28 gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 kontinuierlich verjüngt. Diese Verjüngung der Außenkontur 35a bewirkt, dass bei geöffnetem Steuerventil 19 die seitlichen Kraftstöße auf die Hülse 26 deutlich verringert sind, da die Angriffsfläche an der Hülse 26 insbesondere im oberen Bereich kleiner ist.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Innenkontur 36a des Steuerraums 16 beziehungsweise der Innenwand des Ventilkörpers 3 an die sich konisch verjüngende Außenkontur 35a der Hülse 26 angepasst.
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3 zeigt eine Hülse 26 mit einer Außenkontur 35b, die durch einen stufig reduzierten Außendurchmesser der Hülse 26 dargestellt ist. Dabei ist der Außendurchmesser über angenähert 4/5 der Gesamtlänge der Hülse 26 in deren oberen Bereich angrenzend an die Hülseninnenstirnfläche 28 reduziert, wobei die Reduktion des Durchmessers bis zu ca. 50% des ursprünglichen Außendurchmessers, der im unteren Bereich über angenähert 1/5 der Gesamtlänge der Hülse 26 gegeben ist, beträgt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 zeigt eine an die Außenkontur 35b mit dem stufig reduzierten Außendurchmesser der Hülse 26 angepasste Innenkontur 36b des Steuerventilraums 20, wobei zwischen den Innendurchmesserstufen eine Übergangsschräge 37 angeordnet ist.
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5 zeigt ein Diagramm mit dem minimalen Führungsspiel FS zwischen dem Steuerventilbolzen 23 und der Hülse 26 ausgehend von der Hülseninnenstirnfläche 28 (auf der linken Diagrammseite) hin zu der Hülsenaußenstirnfläche 27 (auf der rechten Diagrammseite). Die Linie A zeigt das minimale Führungsspiel, das sich bei einem drucklosen Zustand von beispielsweise circa 1,5µm bis zu einem Führungsspiel von beispielsweise circa 2,5µm an der Hülsenaußenstirnfläche 27 ergibt. Die Linie B zeigt das entsprechende Führungsspiel, dass sich bei einem Druck von 2.500bar in dem Steuerventilraum 20 bei einer konventionellen Hülse 26 ohne Abschrägung oder stufig reduzierten Außendurchmesser ergibt. Die Linie C zeigt das Führungsspiel bei einer konischen Ausbildung der Hülse 26 und die Linie D zeigt das Führungsspiel bei einer stufigen Ausbildung der Hülse 26. Erkennbar ist, dass in keinem Fall das minimale Spiel so gering wird, dass die Gefahr eines Festklemmens des Steuerventilbolzens 23 in der Hülse 26 zu befürchten ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008001330 A1 [0002]
