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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Ventil zum Zumessen von Fluid nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, 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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Ein bekanntes Brennstoffeinspritzventil (
DE 101 08 945 A1 ) weist einen hülsenförmigen Düsenkörper auf, der von einem Ventilsitzkörper mit einer von einem Ventilsitz umschlossenen Abspritzöffnung abgeschlossen ist. Im Düsenkörper ist der Abspritzöffnung eine Ventilkammer vorgelagert, die mit einem Brennstoffzulauf in Verbindung steht. In den Düsenkörper taucht eine die Abspritzöffnung steuernde Ventilnadel ein, die einen mit dem Ventilsitz einen Dichtsitz bildenden Schließkopf trägt. Die Ventilnadel ist an dem vom Schließkopf abgekehrten Nadelende von einer Ventilschließfeder beaufschlagt, die den Schließkopf auf den Ventilsitz aufpresst, so dass die Abspritzöffnung verschlossen ist. Das Freigeben der Abspritzöffnung wird durch einen Elektromagneten bewirkt, der die Ventilnadel gegen die Kraft der Ventilschließfeder zu einem den Schließkopf vom Ventilsitz abhebenden Hub antreibt. Bei Bestromung des Elektromagneten entsteht ein Magnetfluss, der über einen Außenpol, einen Innenpol, einen auf der Ventilnadel axial verschiebbar sitzenden Anker und einen zwischen Anker und Innenpol eingeschlossenen Arbeitsluftspalt verläuft und im Arbeitsluftspalt eine Magnetkraft erzeugt, die den Anker zur Hubbewegung in Richtung Innenpol antreibt. Auf der Ventilnadel ist ein Mitnehmer fest angeordnet, der im Innern des hohlzylindrischen Innenpols axial verschieblich geführt ist und einen ersten Ankeranschlag für den Anker aufweist. Auf der vom Mitnehmer abgekehrten Seite des Ankers ist auf der Ventilnadel ein zweiter Ankeranschlag festgelegt, an den der Anker durch eine zwischen Anker und Mitnehmer sich abstützende Vorhubfeder angedrückt ist. Bei Bestromen des Elektromagneten führt der Anker zunächst einen Freiweg oder Vorhub relativ zur Ventilnadel aus, bis er an dem ersten Ankeranschlag am Mitnehmer anschlägt, der Ventilnadel einen Öffnungsimpuls verleiht und über den Mitnehmer die Ventilnadel mitnimmt, wodurch der Schließkopf beginnt, sich vom Ventilsitz abzuheben. Am Ende des vollständigen Ankerhubs schlägt der Anker an der Polfläche des Innenpols an, und die Abspritzöffnung ist vollständig freigegeben, so dass der in der Ventilkammer unter Druck stehende Brennstoff über die Abspritzöffnung in einer dosierten Menge abgespritzt wird. Bei Wegfall der Bestromung des Elektromagneten drückt die Ventilschließfeder über die Ventilnadel den Schließkopf auf den Ventilsitz auf und die Vorhubfeder den Anker gegen den zweiten Ankeranschlag.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Ventil zum Zumessen von Fluid mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch den hydraulischen Dämpfer zwischen Anker und Ankeranschlag der von der Ventilschließfeder beim Schließen des Ventils verursachte Aufschlag des Ankers auf dem Ankeranschlag gedämpft und dadurch nur sehr reduziert über die Ventilnadel auf den die Zumessöffnung umschließenden Ventilsitz übertragen wird. Damit wird die hohe mechanische Belastung, der ansonsten der Ventilsitz beim Schließen des Ventils ausgesetzt ist, deutlich verringert. Durch die einseitig, ausschließlich beim Ventilschließvorgang wirksame Dämpfung, wird zudem der Öffnungsvorgang des Ventils nicht beeinträchtigt.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der hydraulische Dämpfer einen Dämpfertopf, einen in diesen eintauchenden Dämpferkolben, eine Drosselstelle, die eine Verbindung zwischen dem vom Dämpferkolben im Dämpfertopf eingeschlossenen Topfvolumen und dem das Ventilgehäuse füllenden Fluid herstellt, und eine am Dämpfertopf und am Dämpferkolben sich abstützende Dämpferfeder auf. Die Federkraft der Dämpferfeder ist gegen die Federkraft der Vorhub- oder Freiwegfeder gerichtet und deutlich kleiner als diese. Durch diese konstruktiven Gestaltung lässt sich der Dämpfer mit einer zum Ankeranschlag gerichteten Druckphase und ohne Zugphase fertigungstechnisch einfach und kostengünstig realisieren und zugleich das im Ventilgehäuse vorhandene Fluid als hydraulisches Medium einsetzen. Als hydraulische Drosselstelle wird vorteilhaft ein zwischen Dämpferkolben und Dämpfertopf bestehender, enger Radialspalt genutzt.
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Bei dem solchermaßen konzipierten Dämpfer kann alternativ der Dämpfertopf mit der Ventilnadel fest verbunden sein oder auf der Ventilnadel lose sitzen.
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Im ersten Fall ist der Dämpferkolben von einer auf der Ventilnadel lose sitzenden Dämpferscheibe gebildet, die auf der Ventilnadel oder im Dämpfertopf axial verschieblich geführt ist. Die Dämpferfeder ist außen auf dem Dämpfertopf angeordnet und stützt sich an einem am Dämpfertopf radial abstehenden Ringflansch und einen an der Dämpferscheibe ausgebildeten Scheibenflansch ab, der über den Öffnungsrand des Dämpfertopfs radial übersteht. Vorteilhaft ist der im Dämpfertopf angeordnete Ankeranschlag einstückiger Bestandteil des Dämpfertopfs.
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Im zweiten Fall ist der Dämpferkolben einstückiger Bestandteil des Ankers und der Dämpfertopf mit seinem Topfboden auf der Ventilnadel und im Bereich seiner Topföffnung auf dem Dämpferkolben verschieblich geführt. Der Topfboden ist dabei zwischen dem Ankeranschlag und einem auf der Ventilnadel festgelegten Topfanschlag angeordnet. Die Dämpferfeder ist im Dämpfertopf angeordnet und stützt sich an Dämpferkolben und Topfboden ab. Vorteilhaft ist der Dämpferkolben von einem am Anker axial abstehenden, im Durchmesser kleineren, zentralen Vorsatzstück gebildet, das an seinem freien Ende mit einem radial abstehenden Führungsbund für den Dämpfertopf versehen ist.
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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 einen Schnitt eines Ventils zum Zumessen von Fluid,
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2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II in 1,
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3 eine gleiche Darstellung wie in 2 einer Variante des Ventils.
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Das in 1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Ventil zum Zumessen von Fluid wird bevorzugt als Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einer Kraftstoffeinspritzanlage von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Es kann jedoch auch in Gasmotoren oder in Heizungsanlagen zum dosierten Zumessen von fluidem Brennstoff oder als Dosierventil zum Einspritzen eines fluiden Reduktionsmittels in den Abgastrakt einer Brennkraftmaschine zwecks Reduzierung von Stickoxiden Verwendung finden.
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Das Ventil weist eine mit einem Fluidzulauf 11 in Verbindung stehende Zumessöffnung 12 sowie eine die Zumessöffnung 12 mittels eines Schließkopfs 131 steuernde Ventilnadel 13 auf, die zum Schließen der Zumessöffnung 12 von einer Ventilschließfeder 14 beaufschlagt ist und zum Freigeben der Zumessöffnung 12 von einem Elektromagneten 15 gegen die Schließkraft der Ventilschließfeder 14 betätigt wird. Der Schließkopf 131 ist in einem Ventilsitzkörper 16 geführt, der die Zumessöffnung 12 und einen die Zumessöffnung 12 umschließenden, mit dem Schließkopf 131 der Ventilnadel 13 einen Dichtsitz bildenden Ventilsitz 17 aufweist. Der Ventilsitzkörper 16 schließt ein zumessseitiges Ende eines hülsenförmigen Ventilgehäuses 18 fluiddicht ab, während in das zulaufseitige andere Ende des Ventilgehäuses 18 ein den Fluidzulauf 11 enthaltender Anschlussstutzen 19 eingesetzt ist.
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Der Elektromagnet 15 weist eine Magnetspule 20 auf, die über einen nicht dargestellten Anschlussstecker am Ventil bestrombar ist. Bei Bestromung der Magnetspule 20 bildet sich im Elektromagneten 15 ein Magnetfluss aus, der über einen Außenpol 21, einen hohlzylindrischen Innenpol 22, einen auf der Ventilnadel 13 axial verschiebbaren Anker 23 und einen von Anker 23 und Innenpol 22 begrenzten Arbeitsluftspalt 24 verläuft. Auf der Ventilnadel 13 ist ein Mitnehmer 25 fest angeordnet, z.B. verschweißt, der in das hohlzylindrische Innere des Innenpols 22 axial verschieblich eintaucht. Der Mitnehmer 25 besitzt eine radiale Anschlagschulter 251 für den Anker 23, die einen gegenüber der axialen Spaltbreite des Arbeitsluftspalts 24 kleineren Freiweg oder Vorhubweg 26 des Ankers 23 relativ zur Ventilnadel 13 begrenzt (2 und 3). Dieser Vorhubweg 26 des Ankers 23 wird durch einen Ankeranschlag 27, der auf der vom Mitnehmer 25 abgekehrten Seite des Ankers 23 auf der Ventilnadel 13 fest angeordnet ist, und einer Freiweg- oder Vorhubfeder 28 festgelegt, die den Anker 13 an den Ankeranschlag 27 andrückt. Die beispielsweise als Schraubendruckfeder ausgeführte Vorhubfeder 28 ist im Innern des hohlzylindrischen Ankers 13 auf der Ventilnadel 13 lose angeordnet und stützt sich einerseits an dem Anker 23 und anderseits an einem an der Ventilnadel 23 angeformten oder festgelegten Bund 29 ab. Der Frei- oder Vorhubweg 26 des Ankers 23 ermöglicht bei Bestromen der Magnetspule 20 des Elektromagneten 15 ein Abheben des Ankers 23 vom Ankeranschlag 27, ohne dass die Ventilnadel 13 mitgeführt wird und der Schließkopf 131 der Ventilnadel 13 vom Ventilsitz 17 abhebt. Der durch die Magnetkraft in Richtung Mitnehmer 25 beschleunigte Anker 23 schlägt an die Anschlagschulter 251 des Mitnehmers 25 an und überträgt dadurch einen mechanischen Impuls auf die Ventilnadel 13, der das Abheben des Schließkopfs 131 vom Ventilssitz 17 fördert, so dass die Öffnungsdynamik des Ventils verbessert ist.
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In den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen des Ventils ist konstruktiv der Innenpol 22 von einem im Ventilgehäuse 18 festgelegten hohlzylindrischen Magnetkern 30 und der Außenpol 21 von einem außen das Ventilgehäuse 18 im Bereich von Magnetkern 30 und Anker 23 umschließenden Magnettopf 31 mit magnetischem Rückschluss 32 gebildet. Die Magnetspule 20 sitzt auf dem Ventilgehäuse 18 und wird von einem durchmessergrößeren Topfabschnitt des Magnettopfs 31 umschlossen, während ein durchmesserkleinerer Topfabschnitt des Magnettopfs 31 auf dem Ventilgehäuse 18 festgelegt, z.B. verschweißt, ist. Da in der konstruktiven Ausführung das Ventilgehäuse 18 aus einem magnetisch leitenden Werkstoff besteht und Magnettopf 31 und Magnetkern 30 am Ventilgehäuse 18 anliegen, ist zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses zwischen Innen- und Außenpol 22, 21 durch eine ringförmige Einschnürung 181 in der Wand des Ventilgehäuses 18 zwischen dem am Magnettopf 31 und dem am Magnetkern 30 jeweils anliegenden Abschnitt des Ventilgehäuses 18 ein magnetischer Engpass mit einem hohen magnetischen Widerstand ausgebildet.
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Die z.B. als Schraubendruckfeder ausgebildete Ventilschließfeder 14 ist im hohlen Innern des Magnetkerns 30 angeordnet und stützt sich einerseits am Mitnehmer 25 und andererseits an einem am Magnetkern 30 festgelegten Justierstück 33 ab. Die Fluidströmung vom Fluidzulauf 11 zur Zumessöffnung 12 erfolgt über mindestens eine in das Innere des hohlzylindrischen Magnetkerns 30 mündende Schrägbohrung 34 und über im Mitnehmer 25 einerseits und im Anker 23 andererseits eingebrachte Axialbohrungen 35 bzw. 36.
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Um eine mechanische Belastung des Ventilsitzes 17 beim Schließvorgang des Ventils abzubauen, ist auf der Ventilnadel 13 ein hydraulischer Dämpfer 35 zwischen Anker 23 und Ankeranschlag 27 angeordnet, der einen dem Aufsetzen des Schließkopfs 131 auf den Ventilsitz 17 folgenden Aufprall des durch die Ventilschließfeder 14 in Richtung Ankeranschlag 27 beschleunigten Ankers 23 auf den Ankeranschlag 27 dämpft. Damit entfällt die vom Anker 23 über Ankeranschlag 27, Ventilnadel 13 und Schließkopf 131 auf Ventilsitz 17 und Ventilsitzkörper 16 ausgeübte Schlagbelastung nahezu vollständig. Der hydraulische Dämpfer 35 ist dabei so konzipiert, dass er einseitig nur in Richtung Ankeranschlag 27 wirkt, also nur eine Druckphase und keine Hubphase aufweist. Dadurch wird das Abheben des Ankers 23 vom Ankeranschlag 27 bei Bestromung des Elektromagneten 15 nicht behindert.
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Der hydraulische Dämpfer 35, der in zwei Ausführungsbeispielen in 2 und 3 vergrößert im Schnitt dargestellt ist, weist einen Dämpfertopf 36, einen Dämpferkolben 37, der in den Dämpfertopf 36 axial verschieblich eintaucht, eine Drosselstelle, die eine Verbindung zwischen dem vom Dämpferkolben 37 im Dämpfertopf 36 eingeschlossenen Topfvolumen und dem das Ventilgehäuse 18 füllenden Fluid herstellt, und eine zwischen Dämpfertopf 36 und Dämpferkolben 37 wirksame Dämpferfeder 38 auf. Die Federkraft der beispielsweise als Schraubendruckfeder ausgebildeten Dämpferfeder 38 ist gegen die Kraft der Vorhubfeder 28 gerichtet und deutlich kleiner als die Federkraft der Vorhubfeder 28. Der Ankeranschlag 27 ist im Topfinnern des Dämpfertopfs 36 angeordnet und zwischen Dämpferkolben 37 und Topfboden 161 fest auf der Ventilnadel 13 positioniert. Die Drosselstelle ist von einem zwischen Dämpferkolben 37 und Dämpfertopf 36 begrenzten, ringförmigen Radialspalt 39 gebildet.
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Bei dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Dämpfertopf 36 fest auf der Ventilnadel 13 angeordnet und der Dämpferkolben 37 von einer auf der Ventilnadel 13 zwischen Ankeranschlag 27 und Anker 23 lose sitzenden Dämpferscheibe 41 gebildet. Die Dämpferscheibe 41 ist alternativ auf der Ventilnadel 13 oder im Dämpfertopf 36 axial verschieblich geführt. Die Dämpferfeder 38 ist außen auf dem Dämpfertopf 36 angeordnet und stützt sich einerseits an einem am Dämpfertopf 36 angeformten Topfflansch 362 und andererseits an einem an der Dämpferscheibe 41 angeformten Scheibenflansch 411 ab, der den Öffnungsrand des Dämpfertopfs 36 übergreift. Der in den Dämpfertopf 36 eintauchende Scheibenabschnitt 412 der Dämpferscheibe 41 begrenzt mit seinem Umfang den Radialspalt 39 zum Dämpfertopf 36. Der Ankeranschlag 27 ist einstückig mit dem Dämpfertopf 36 ausgebildet.
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Die Wirkungsweise des hydraulischen Dämpfers 35 ist wie folgt:
Im Schließzustand des Ventils bei nicht bestromtem Elektromagneten 15 ist der Schließkopf 131 der Ventilnadel 13 durch die Ventilschließfeder 14 auf den Ventilsitz 17 aufgedrückt und die Zumessöffnung 12 geschlossen. Die Vorhubfeder 28 drückt den Anker 23 gegen die Dämpferscheibe 41 und die Dämpferscheibe 41 gegen die Kraft der Dämpferfeder 38 gegen den Ankeranschlag 27. Das Ventilgehäuse 18 ist mit unter Systemdruck stehendem Fluid gefüllt.
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Wird die Magnetspule 20 bestromt, so wird der Anker 23 durch die Magnetkraft gegen die Federkraft der Vorhubfeder 28 in Richtung Innenpol 22 beschleunigt und schlägt bei noch die Zumessöffnung 12 verschließender Ventilnadel 13 an der Anschlagschulter 251 des mit der Ventilnadel 13 fest verbundenen Mitnehmers 25 an. Dabei hebt der Anker 23 von der Dämpferscheibe 41 ab, da die Dämpferscheibe 41 infolge des hydraulischen Widerstands zwischen Dämpferscheibe 41 und Dämpfertopf 36 der Ankerbewegung nicht zu folgen vermag.
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Der Schließkopf 131 der Ventilnadel 13 wird durch den vom Anker 23 über den Mitnehmer 25 auf die Ventilnadel 13 übertragenen, mechanischen Impuls und durch die Magnetkraft des Elektromagneten 15 aus dem Ventilsitz 17 gezogen und die Ventilnadel 17 mit Schließkopf 131 über den Mitnehmer 25 vom Anker 23 mitgenommen, der schließlich an der Stirnfläche des Innenpols 22 anschlägt. Das Ventil ist geöffnet. Die Dämpferscheibe 41 bewegt sich unter der Federkraft der Dämpfungsfeder 38 gegen den hydraulischen Widerstand zwischen Dämpfertopf 36 und Dämpferscheibe 41 in Richtung Anker 23 und liegt schließlich am Anker 23 an.
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Wird die Bestromung der Magnetspule 20 abgeschaltet, so setzt der Schließvorgang des Ventils ein. Die Ventilschließfeder 14 beschleunigt die Ventilnadel 13 mit Anker 23 und Dämpferscheibe 41 in Richtung Ventilsitz 17. Der Schließkopf 131 der Ventilnadel 13 schlägt auf dem Ventilsitz 17 auf und die Zumessöffnung 12 ist geschlossen. Der Anker 23 schiebt die Dämpferscheibe 41 gegen den hydraulischen Widerstand zwischen Dämpferscheibe 41 und Dämpfertopf 36 in Richtung Ankeranschlag 27 bis die dadurch in ihrer Bewegung stark gedämpfte Dämpferscheibe 41 sich sanft an den Ankeranschlag 27 anlegt.
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In dem in 3 skizzierten Ausführungsbeispiel ist der Dämpferkolben 37 einstückig mit dem Anker 23 ausgebildet. Der Dämpfertopf 36 ist im Bereich seiner Topföffnung auf dem Dämpferkolben 37 und mit seinem Topfboden 361 auf der Ventilnadel 13 axial verschieblich geführt, wobei der Topfboden 362 zwischen Ankeranschlag 27 und einem auf der Ventilnadel 13 befestigten Topfanschlag 42 angeordnet ist. Der mit dem Anker 23 einstückige Dämpferkolben 37 ist im Ausführungsbeispiel von einem am Anker 23 axial abstehenden, zentralen, zylindrischen Vorsatzstück 371 gebildet, dessen Außendurchmesser deutlich kleiner ist als der Durchmesser des Ankers 23. Das Vorsatzstück 371 trägt an seinem freien Ende einen radial abstehenden Führungsbund 43 für den Dämpfertopf 36. Führungsbund 43 und Dämpfertopf 36 begrenzen den als hydraulische Drosselstelle wirkenden Radialspalt 39. Die Dämpferfeder 38 liegt im Dämpfertopf 36 ein und stützt sich einerseits am Topfboden 361 und andererseits am zentralen Vorsatzstück 231 am Anker 23 ab.
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Wird die Magnetspule 20 des Elektromagneten 15 bestromt, so bewegt sich der Anker 23 gegen die Federkraft der Vorhubfeder 26 in Richtung Innenpol 22. Der Anker 23 bewegt sich nach Anschlag an der Anschlagschulter 251 des Mitnehmers 25 unter Mitnahme der Ventilnadel 13 weiter, bis er an den Innenpol 22 anschlägt. Der Dämpfertopf 26 folgt infolge des hydraulischen Widerstands zwischen dem Dämpfertopf 36 und dem Dämpferkolben 37, also dem Vorsatzstück 232 am Anker 23, der Bewegung des Ankers 23. Das Ventil ist voll geöffnet. Die Dämpferfeder 38 schiebt nunmehr den Dämpfertopf 36 gegen den hydraulischen Widerstand zurück auf den Topfanschlag 42, wodurch sich zwischen dem Anker 23 und dem Ankeranschlag 27 wiederum der Frei- oder Vorhubweg 26 einstellt.
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Bei Wegfall der Bestromung des Elektromagneten 15 setzt wiederum der Schließvorgang ein, indem die Ventilschließfeder 14 über dem Mitnehmer 25 die Ventilnadel 13 und Anker 23 in Richtung Ventilsitz verschiebt, bis der Schließkopf 131 auf dem Ventilsitz 17 aufsetzt. Der Aufschlag des Ankers 23 bzw. des mit dem Anker 23 einstückigen Vorsatzstücks 231 auf dem Ankeranschlag 27 wird durch das im Dämpfertopf 36 eingeschlossene Fluidvolumen, das sog. Dämpfungsvolumen, gedämpft, das durch den Radialspalt 39 in das Ventilgehäuse 18 ausgeschoben wird bis der Anker 23 am Ankeranschlag 27 anliegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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