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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Einspritzventil für wässrige Lösungen und die Verwendung eines derartigen Einspritzventils in Abgasnachbehandlungssystemen für Personenkraftwagen und Nutzfahrzeuge.
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Stand der Technik
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Ein gängiges Verfahren zur Verminderung von NOx im Abgas eines mit einem Verbrennungsmotor betriebenen Kraftfahrzeugs basiert auf der Einspritzung einer wässrigen Harnstofflösung, bekannt als AdBlue® vor einem SCR-Katalysator. Bei einem SCR-Katalysator handelt es sich um einen solchen, der gemäß des Verfahrens der selektiven katalytischen Reduktion betrieben wird. Das Einspritzventil, welches die Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung vornimmt, ist konstruktiv so ausgelegt, dass es Drücken zwischen 5 bar und 9 bar standhält. Wird das Fahrzeug abgestellt und tritt Frost ein, so kann innerhalb des Ventils zurückgebliebene wässrige Harnstofflösung gefrieren. Dies geschieht bei Temperaturen unterhalb von -11°C. Beim Gefrieren entstehendes Eis dehnt sich aus, so dass es bei mangelnder Ausdehnungsmöglichkeit des Eises zu hohen Feststoffdrücken und gegebenenfalls zu einem Aufplatzen des Ventilgehäuses des Einspritzventiles kommen kann.
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Aus diesem Grund wird derzeit beim Abstellen des Fahrzeugs durch eine geeignete Schaltung einer Pumpe, die wässrige Harnstofflösung teilweise zurückgesaugt.
DE 10 2011 004 093 A1 offenbart eine Einspritzvorrichtung, insbesondere zum Einspritzen eines Fluids in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors mit wenigstens einem Hohlraum, der zur Aufnahme eines Gasvolumens mit einem externen Gasreservoir verbindbar ist. Der Hohlraum ist derart ausgebildet, dass das Gasvolumen durch in der Einspritzvorrichtung vorhandenes Fluid in dem Hohlraum einschließbar ist.
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DE 10 2007 010 185 A1 bezieht sich auf eine eisdruckfeste Eindosiervorrichtung mit elastischer Schicht. Es ist eine Eindosiervorrichtung zum Einbringen von Flüssigkeiten in einen Austrittsraum vorgesehen, wobei die Eindosiervorrichtung einen Austritt mit veränderlichem Durchfluss, einen Zulauf und einen Rückstauvolumen zwischen dem Austritt und dem Zulauf umfasst. Das Rückstauvolumen ist von einer Kompressionsschicht zumindest teilweise umgeben, die aus einem Teflon-Werkstoff ausgebildet ist, wobei die Kompressionsschicht eingerichtet ist, eine Volumenzunahme des Rückstauvolumens aufzunehmen.
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DE 10 2012 223 038 A1 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen und zur Aufnahme von Eisdruck in einem Fluidvolumen. Die Vorrichtung zur Dämpfung von Druckschwankungen und zur Aufnahme von Eisdruck in einem Fluidvolumen umfasst ein Gehäuse und eine Pulsationsdämpfer-Baugruppe. Die Pulsationsdämpfer-Baugruppe weist eine elastisch verformbare Membran auf, die in jedem Zustand zusammen mit dem Gehäuse einen fluidführenden Raum mit in Abhängigkeit von einem im Raum herrschenden Druck variablen Rauminhalt ausbildet und diesen von einem Hohlraum trennt. Die Pulsationsdämpfer-Baugruppe umfasst ein Stützelement zur Stützung der Membran, wobei das Stützelement im Hohlraum angeordnet ist und eine Feder enthält.
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DE 10 2010 039 052 A1 bezieht sich auf eine eisdruckfeste Einspritzvorrichtung. Diese umfasst eine Ventilnadel und eine steife Ventilhülse, welche die Ventilnadel derart umgibt, dass zwischen der Ventilnadel und der Ventilhülse ein Ventilnadelraum ausgebildet ist. Es ist ein Kompensationselement vorgesehen, das wenigstens einen flexiblen Bereich aufweist und das derart im Ventilnadelraum angeordnet ist, dass es den Ventilnadelraum in einen Einspritzraum, der im Betrieb mit Fluid gefüllt ist und einen mit Gas gefüllten Kompensationsraum unterteilt. Der Kompensationsraum ist einerseits von der Ventilhülse und andererseits von dem Kompensationselement begrenzt.
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Darstellung der Erfindung
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Es wird ein Einspritzventil vorgeschlagen für wässrige Lösungen, insbesondere für einen Betriebs-/Hilfsstoff in einem Fahrzeug mit einem Aktor, der einen Anker mit einer Ankerhülse aus einem Ventilsitz bewegt, wobei in einem Ringraum, der von dem Betriebs-/Hilfsstoff durchströmt ist, zwischen der Ankerhülse und einer Gehäusehülse ein Kompensationselement aufgenommen ist. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung des Einsatzes eines hülsenförmig ausgebildeten Kompensationselementes, ermöglicht einen minimal invasiven Eingriff in ein serienmäßig in großer Stückzahl produziertes Einspritzventil für die wässrige Harnstofflösung im Betrieb eines Abgasbehandlungssystems. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend, ist lediglich ein Teil, nämlich das Kompensationselement, neu zu produzieren und maximal ein Teil zu modifizieren, nämlich die Gehäusehülse des Einspritzventiles, in welches das im Wesentlichen in Hülsenform ausgebildete Kompensationselement eingelassen und fixiert ist.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weiter folgend, ist das im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildete Kompensationselement in Hyperboloid-Form ausgeführt.
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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Kompensationselement kann bei gefrierendem Betriebs-/Hilfsstoff und einem Eisdruck in der Größenordnung von 50 bar Spannungen in Umfangsrichtung und in Längsrichtung ausgesetzt sein. In vorteilhafter Weise kann das in Hülsenform ausgebildete Kompensationselement aufgrund dieser Belastungsfälle mit einer ersten Welligkeit in Längsrichtung wie auch mit einer zweiten Welligkeit in Umfangsrichtung versehen.
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Dies bedeutet, dass bei der Welligkeit in Längsrichtung eine Anzahl von Längsrippen im Umfang des in geringer Wandstärke ausgebildeten Kompensationselementes angeordnet sind. Bei der Welligkeit in Umfangsrichtung können einzelne Ringe in Berg- und Talform im Mantel des in Hyperboloid-Form, vorzugsweise hülsenförmig ausgebildeten Kompensationselementes ausgebildet sein. Die jeweils in axiale Richtung gesehen ineinander übergehenden Berge und Täler, d.h. Vertiefungen und Erhebungen in der Mantelfläche des Kompensationselementes, können in vorteilhafter Weise dazu dienen, das im Wesentlichen in Hülsenform ausgebildete Kompensationselement in die Gehäusehülse, besser gesagt in den Ringraum zwischen der Innenseite der Gehäusehülse und der Außenumfangsfläche der am Anker ausgeführten Ankerhülse anzuordnen und dort zu fixieren.
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Das im Wesentlichen in Hülsenform ausgebildete Kompensationselement weist eine Wandstärke auf, die erheblich kleiner ist als die Wandstärke der Gehäusehülse und die im Bereich einer Metallfolienstärke zwischen 20 µm und 100 µm liegen kann. Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung weiter folgend, kann das im Wesentlichen in Hülsenform ausgebildete Kompensationselement aus einer Formgedächtnislegierung gefertigt sein, die nach dem Übergang von der festen in die flüssige Phase des wässrigen Betriebs-/Hilfsstoffes erneut ihre für eine Eisbildung ausreichenden Retentionsraum ihren Ausgangszustand annimmt.
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Bei fortschreitender Eisbildung im Inneren des in Hülsenform ausgebildeten Kompensationselementes werden die Welligkeiten, seien sie in Umfangsrichtung, seien sie in Längsrichtung verlaufend, in einen metastabilen Zustand überführt. Im Falle des Einsatzes einer Formgedächtnislegierung kann gewährleistet sein, dass nach Einsetzen der Eisschmelze, also des Phasenübergangs, vom festen in den flüssigen Aggregatzustand und einer damit einhergehenden Verkleinerung des Volumens erneut die Ausgangsform des Kompensationselementes angenommen wird, so dass ein hinreichend großer Retentionsraum für eine sich später einstellende Eisbildung erhalten bleibt.
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Zur Erreichung des metastabilen Zustands kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung die Gehäusehülse des Einspritzelementes mit entsprechenden Aussparungen versehen sein, an welche das in Hülsenform ausgebildete Kompensationselement anschlägt und daran gehindert wird, ein zweite stabile Form anzunehmen.
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Eine weitere Verbesserung der Verformungseigenschaften des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kompensationselementes kann bei dessen Fertigung dadurch gewährleistet werden, dass durch Warmauslagerung stabiler Grundformen des im Wesentlichen in Hülsenform, d.h. in Form eines Hyperboloiden geformten Kompensationselementes innere Spannungen abgebaut werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsmöglichkeit des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einspritzventiles kann der Ringraum, der sich zwischen der Gehäusehülse und der Ankerhülse des Ankers erstreckt, mit einem Inertgas beaufschlagt sein, welches unter einem Druck zwischen beispielsweise 40 bar und 10 bar, insbesondere 20 bar gehalten wird.
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf die Verwendung des Einspritzventiles in einem Abgasnachbehandlungssystem für Personenkraftwagen und Nutzkraftfahrzeuge, in welchem ein gefrierfähiger Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere wässrige Harnstofflösung Anwendung findet.
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Vorteile der Erfindung
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Der schlagende Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einspritzventiles ist darin zu erblicken, dass im Wege eines minimal invasiven Eingriffes in ein in Großserie gefertigten Einspritzventiles lediglich ein Teil neu zu produzieren ist, nämlich das im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildete Kompensationselement. Des Weiteren ist lediglich ein Teil eines in Großserie produzierten Einspritzventiles zu modifizieren, nämlich die Gehäusehülse, an welche sich das in Hülsenform ausgebildete Kompensationselement, eventuell mit einer mehreren Öffnungen versehen, zum Druckausgleich mit der Umgebung, anliegt. In vorteilhafter Weise kann der gefrierfähige Betriebs-/Hilfsstoff in einem im Einspritzventil ausgeführten Retentionsraum verbleiben, ein Rücksaugen des Betriebs-/Hilfsstoffes beim Abstellen des Fahrzeugs kann eingespart werden, ebenso wie der damit einhergehende zusätzliche Aufwand.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 den schematischen Aufbau eines Einspritzventiles mit einem in Hülsenform beschaffenen Kompensationselements,
- 2 eine erste Ausführungsvariante eines Kompensationselementes,
- 3 eine weitere Ausführungsvariante des Kompensationselementes,
- 4 den Schnitt durch ein erfindungsgemäß vorgeschlagenes Einspritzventil mit in Hülsenform beschaffenen Kompensationselements, eingelassen in den Ringraum zwischen der Gehäusehülse einerseits und der Ankerhülse andererseits.
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Ausführungsvarianten
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein schematischer Aufbau eines erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einspritzventiles zu entnehmen. Mit dem Einspritzventil 10 gemäß der Darstellung in 1 wird ein Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere eine wässrige Harnstoff-Wasserlösung (AdBlue®) in das Abgasnachbehandlungssystem von Personenkraftwagen oder Nutzkraftfahrzeugen eingespritzt. Im oberen Bereich eines Ventilgehäuses 14 befindet sich ein Anschluss 12, über den der Betriebs-/Hilfsstoff dem Einspritzventil 10 zugeführt wird. Im Ventilgehäuse 14 des Einspritzventiles 10 befindet sich ein Aktor in Gestalt einer Magnetspule 16. Die Magnetspule 16 betätigt einen Anker 18, der durch eine Schließfeder 20 beaufschlagt wird. Unterhalb des Ankers 18 erstreckt sich eine Ankerhülse 22, die mindestens eine Öffnung 24 in ihrer Mantelfläche aufweist, über die der Betriebs-/Hilfsstoff in einen Innenraum eines hülsenförmig ausgeführten Kompensationselementes 28 zuströmt, welches ein Retentionsvolumen bildet.
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Ein Ringraum 30 ist einerseits durch die Mantelfläche der Ankerhülse 22 begrenzt und andererseits durch eine Gehäusehülse 26, die Teil des Ventilgehäuses 14 des Einspritzventiles 10 gemäß der Darstellung in 1 ist.
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Im Ringraum 30 ist das Kompensationselement 28, welches im Wesentlichen in Hülsenform ausgeführt ist, aufgenommen. Am unteren Ende der Gehäusehülse 26 befindet sich ein Ventilsitz 34. Im Ventilsitz 34 ist ein hier kugelförmig ausgebildetes Ventilelement 32 eingelassen. Mit Bezugszeichen 36 ist der Strömungsweg des Betriebs-/Hilfsstoffes bezeichnet, der ausgehend vom Anschluss 12 über den Anker 18, die Ankerhülse 22 und über mindestens eine Öffnung 24 der Innenseite des Kompensationselementes 28 zuströmt. Wird das Einspritzventil 10 elektrisch betätigt, so wird der Anker 18 samt Ankerhülse 22 entgegen der Kraft der Schließfeder 20 angezogen und gibt einen Spalt zwischen dem Ventilelement 32 und dem Ventilsitz 34 frei.
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In den Ringraum 30 zwischen der Innenseite der Gehäusehülse 26 und der Mantelfläche der Ankerhülse 22 unterhalb des Ankers 18, ist das Kompensationselement 28, welches im Wesentlichen in Hülsenform ausgebildet ist, eingelassen. Das Kompensationselement 28 weist die Form eines einteilig ausgebildeten Hyperboloiden auf, vergleiche Bezugszeichen 38.
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Die 2 und 3 zeigen unterschiedliche Ausführungsvarianten des Kompensationselementes.
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Gemäß der perspektivischen Ansicht in 2 ist das Kompensationselement 28 als einschalige Hyperboloid-Form 38 ausgeführt. Seine Mantelfläche ist derart beschaffen, dass diese eine Umfangswelligkeit 42, gesehen in axiale Erstreckung des Kompensationselementes 28, aufweist. Berge und Täler wechseln einander ab, wobei die zwischen Umfangsrichtung erstreckenden Berge der Umfangswelligkeit 42 potentielle Anlagepunkte bilden, mit welchen die Mantelfläche des im Wesentlichen in Hülsenform beschaffenen Kompensationselementes 28 an der Innenseite der dieses umschließenden Gehäusehülse 26 anliegt. Aus der perspektivischen Ansicht gemäß 2 geht hervor, dass das Kompensationselement 28 ein obenliegendes erstes Ende 44 und ein untenliegendes zweites Ende 46 aufweist.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsvariante des im Wesentlichen in Hülsenform ausgebildeten Kompensationselementes 28. Auch das in 3 dargestellte Kompensationselement 28 ist einschalig in Hyperboloid-Form 38 ausgeführt. Im Unterschied zur Darstellung des Kompensationselementes 28 gemäß 2, ist die Mantelfläche bei der in 3 dargestellten Ausführungsvariante des Kompensationselementes 28 mit einer Längswelligkeit 40 versehen. Parallel zur Symmetrieachse des in Hülsenform beschaffenen Kompensationselementes 28 erstrecken sich einzelne Längsrippen, wobei die in 3 dargestellte Ausführungsvariante des Kompensationselementes vier Längsrippen aufweist.
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Die in 2 und 3 in perspektivischer Ansicht dargestellten im Wesentlichen rotationssymmetrisch aufgeführten Kompensationselemente 28 sind Spannungen in Umfangsrichtung und in Längsrichtung ausgesetzt. Um die mechanische Aufnahme dieser bei Eisdruckbeaufschlagung auftretenden Spannungen aufzunehmen, sind die in 2 und 3 dargestellten Welligkeiten, d.h. die Längswelligkeit 40 und die Umfangswelligkeit 42 in der Mantelfläche des im Wesentlichen in Hülsenform ausgebildeten Kompensationselementes 28 ausgeführt.
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Die Wandstärke der in 2 bzw. 3 dargestellten Ausführungsvarianten des im Wesentlichen in Hülsenform ausgeführten Kompensationselementes 28 liegt deutlich unter der Wandstärke der Gehäusehülse 26. Beispielhaft sei erwähnt, dass bei einer Dicke der Gehäusehülse 26 von 0,3 mm die Wandstärke des im Wesentlichen in Hülsenform beschaffenen Kompensationselementes 28 in der Größenordnung einer Folienstärke, beispielsweise zwischen 20 µm und 100 µm, insbesondere bei etwa 50 µm liegt. Durch die geringe Wandstärke ist es möglich, dem bei niedrigen Temperaturen entstehenden Eis aus gefrierenden Betriebs-/Hilfsstoff Retentionsraum zu geben, so dass die Eisdruckbeaufschlagung der mechanischen Komponenten des Einspritzventiles 10 gering gehalten werden kann.
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Bei einem sich einstellenden Phasenübergang des gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes vom flüssigen Aggregatzustand in den eisförmigen, d.h. festen Aggregatzustand, werden die Eindellungen in der Mantelfläche gemäß der Ausführungsvarianten des Kompensationselementes 28 in den 2 und 3 in einen metastabilen Zustand überführt. Wird zusätzlich das im Wesentlichen in Hülsenform ausgebildete Kompensationselement 28 in einer Formgedächtnislegierung gefertigt, so kann gewährleistet werden, dass nach einer Eisschmelze, also nach einer Rückkehr des gefrorenen Betriebs-/Hilfsstoffes aus dem festen Aggregatzustand in den flüssigen Aggregatzustand mit einer damit einhergehenden Verkleinerung des Volumens, das in Hülsenform beschaffene Kompensationselement 28 erneut seine Ausgangsform annehmen wird, damit ein hinreichend großer Retentionsraum für beim nächsten Gefrierzyklus entstehendes Eis gegeben ist.
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Zur Erreichung des metastabilen Zustandes kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante beim Vorsehen entsprechender Aussparungen in der Gehäusehülse 26 das Kompensationselement 28 mit seinen Erhebungen - vergleiche Position 42 in 2 - an der Innenseite der Gehäusehülse 26 anschlagen, so dass das Kompensationselement 28 daran gehindert wird, eine zweite stabile Form zu erreichen.
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Die Verformbarkeit des im Wesentlichen in Hülsenform gefertigten Kompensationselementes 28 im Hinblick auf die Annahme seines ursprünglichen Ausgangszustandes bei flüssigem Aggregatzustand des gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoffes kann bei der Fertigung des Kompensationselementes 28 durch Warmauslagerung einer stabilen Grundform durch den Abbau innerer Spannungen verbessert werden.
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4 zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Einspritzventil für einen gefrierfähigen Betriebs-/Hilfsstoff.
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Der Darstellung in 4 ist zu entnehmen, dass das Einspritzventil 10 unterhalb des Ankers 18 die Ankerhülse 22 aufweist. Diese ist an ihrer Mantelfläche mit einer Anzahl von Öffnungen 24 versehen. Über die Öffnungen 24 tritt der gefrierfähige Betriebs-/Hilfsstoff aus dem Inneren der Ankerhülse 22 entsprechend seines Strömungsweges 36 der Innenseite des hülsenförmigen, verformbaren Kompensationselementes 28 zu. Dieses befindet sich im Ringraum 30, der durch die Innenseite der Gehäusehülse 26 und die Mantelfläche der Ankerhülse 22 begrenzt ist.
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Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass in diesem Ringraum 30 das in einschaliger Hyperboloid-Form 38 ausgeführte, im Wesentlichen in Hülsenform gestaltete Kompensationselement 28, eingelassen ist. Dieses in der Darstellung gemäß 4 mit der in 2 näher dargestellten Umfangswelligkeit 42 ausgeführt.
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Im Ringraum 30 des Einspritzventiles 10 ist das obenliegende erste Ende 44 des im Wesentlichen in Hülsenform beschaffene Kompensationselementes 28 an einer oberen Einspannstelle 48 befestigt, während das untenliegende zweite Ende 46 des im Wesentlichen in Hülsenform gefertigten Kompensationselementes 28 an einer weiteren, untenliegenden Einspannstelle 50 oberhalb des Ventilsitzes 34 in der Gehäusehülse 26 befestigt ist.
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Aus 4 geht des Weiteren hervor, dass die Ankerhülse 22 das hier kugelförmig ausgebildete Ventilelement 32 beaufschlagt, welches seinerseits den Ventilsitz 34 verschließt. Die Ankerhülse 22 bzw. der Anker 18 sind durch die Schließfeder 20 beaufschlagt. Bei entsprechender Bestromung der Magnetspule 16 werden der Anker 18 samt die an diesem befindliche Ankerhülse 22 in vertikale Richtung aufgefahren, so dass ein Spalt an dem Ventilsitz 34 freigegeben wird und der Betriebs-/Hilfsstoff in ein hier nicht näher dargestelltes Abgasnachbehandlungssystem, welches gemäß der SCR-Katalyse arbeitet, eingespritzt werden kann.
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Der Vorteil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist vor allem darin zu erblicken, dass mittels eines minimal invasiven Eingriffes ein bestehendes, serienmäßig hergestelltes Einspritzventil 10 durch Integration des im Wesentlichen in Hülsenform gefertigten Kompensationselementes 28 verbessert wird. Bei dem in Serie hergestellten Einspritzventil 10 ist maximal ein Teil zu modifizieren, bei dem es sich um die Gehäusehülse 26 handelt, welches eventuell mit Öffnungen zwecks Druckausgleichs mit der Umgebung zu versehen wäre.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011004093 A1 [0003]
- DE 102007010185 A1 [0004]
- DE 102012223038 A1 [0005]
- DE 102010039052 A1 [0006]
