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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung, vorzugsweise ein Mengensteuerventil, für eine Kraftstoffhochdruckpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Kraftstoffhochdruckpumpe mit einer Ventileinrichtung.
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In Kraftstoffsystemen werden Kraftstoffhochdruckpumpen eingesetzt, um Kraftstoff von einem in einem Niederdruckbereich herrschenden Vordruck auf einen Einspritzdruck, der für eine Kraftstoffeinspritzung erforderlich ist, zu verdichten. Derartige Kraftstoffhochdruckpumpen weisen üblicherweise mindestens einen Kolben auf, der mittels eines Antriebs, der beispielsweise durch eine Nocke oder eine Exzenterscheibe gebildet ist, axial bewegt werden kann. Durch die axiale Bewegung des Kolbens wird in einem Saughub Kraftstoff aus dem Niederdruckbereich über ein Mengensteuerventil, das eine Ventileinrichtung darstellt, in einen Förderraum angesaugt. In einem Förderhub wird der Kraftstoff im Kolbenraum verdichtet und über ein Auslassventil einem üblicherweise als Rail ausgebildeten Hochdruckbereich zugeführt. Wird das Mengensteuerventil bei Beginn des Förderhubs nicht geschlossen oder während des Förderhubs geöffnet, so kann hierdurch die Menge an Kraftstoff, die über das Auslassventil dem Hochdruckbereich zugeführt wird, gesteuert werden.
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Derartige Kraftstoffhochdruckpumpen umfassen üblicherweise eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung, die zur Beeinflussung der Stellung eines Ventilelements des Mengensteuerventils dient. Typischerweise ist das Ventilelement, bspw. über einen Stößel, mittels der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung zwangsweise öffenbar bzw. aufhaltbar. Das Mengensteuerventil ist ein bevorzugtes Beispiel der vorliegenden Ventileinrichtung. Mit der Ventileinrichtung kann vorliegend jedoch auch ein anderes Ventil der Kraftstoffhochdruckpumpe als das Mengensteuerventil gemeint sein, wobei das Ventil über die elektromagnetische Betätigungseinrichtung in seiner Stellung beeinflussbar ist. Typischerweise ist diese Ventileinrichtung jedoch das Mengensteuerventil, das häufig auch als Einlassventil bezeichnet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch eine Ventileinrichtung nach Anspruch 1 sowie durch eine Kraftstoffhochdruckpumpe nach Anspruch 9 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Unteransprüchen.
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Durch das Vorsehen eines Ankerelements mit einem Mitnahmeabschnitt, der derart ausgebildet ist, dass die Ventilnadel bei einer magnetischen Aktuierung des Ankerelements über die elektromagnetische Betätigungseinrichtung in Magnetrichtung zwangsgeführt ist, und dass die Ventilnadel in Magnetrichtung von dem Mitnahmeabschnitt abheben kann, so dass die Ventilnadel relativ zum Ankerelement bewegbar ist, kann die Aktuierung der Ventilnadel quasi mehrstufig erfolgen. In einer ersten Stufe wird die Ventilnadel durch das magnetisch aktuierte Ankerelement bewegt. Über den Mitnahmeabschnitt, bzw. die durch den Mitnahmeabschnitt realisierte Zwangsführung, bewegt sich die Ventilnadel mit dem Ankerelement mit. Anschließend, also quasi in einer 2. Stufe, kann die Ventilnadel vom Mitnahmeabschnitt abheben und sich weiter in Magnetrichtung bewegen. In dieser 2. Stufe kann sich bei entsprechender Anordnung von Ventilelement und Ventilnadel im Förderraum der Kraftstoffhochdruckpumpe bereits Druck aufbauen, da das Ventilelement nicht mehr vollständig geöffnet ist. Dieser Druck kann auf die Ventilnadel wirken und sie bewegen. Die Ventilnadel wird auch noch magnetisch durch die elektromagnetische Betätigungseinrichtung bewegt. Bei der eben genannten Bewegung der Ventilnadel hebt diese vom Ankerelement ab und bewegt sich relativ zum Ankerelement. Wird die Ventilnadel verwendet, um das Ventilelement in einer geöffneten Stellung zu halten bzw. um das Ventilelement in eine geöffnete Stellung zu bringen, so kann die Ventilnadel beispielsweise entgegen der Magnetrichtung federvorgespannt ausgebildet sein. Bei einer Aktivierung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung muss diese Federvorspannung überwunden werden. Durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausführung der Ventileinrichtung kann von Anfang der Aktivierung an eine starke magnetische Kraft auf das Ankerelement wirken, da das Ankerelement nahe an einem Polkern der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung angeordnet werden kann. Hierdurch kann die Schaltzeit der Ventileinrichtung reduziert werden bzw. die Dimensionierung der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung kann bei gleichbleibender Schaltzeiten kleiner gewählt werden. Ebenso tritt durch den geringen Abstand zwischen Ankerelement und Polkern ein geringer Anschlagimpuls auf, was zu geringen Geräuschentwicklungen führt. Durch den 2-stufigen Hub kann auch erreicht werden, dass die Ventilnadel nicht mehr vom Ventilelement abheben muss, um dessen komplette Schließung zu erreichen. Das Ventilelement kann durch in einem Förderraum der Kraftstoffhochdruckpumpe entstehenden Druck hydraulisch schließen. Hierdurch kann zum einen mit großzügigen Toleranzen gefertigt werden und zum anderen können höhere Verschleißzustände toleriert werden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist auch, wenn das Ankerelement zwei Kreisringabschnitte umfasst, vorzugsweise aus zwei Kreisringabschnitten besteht, wobei die beiden Kreisringabschnitte unterschiedliche Innendurchmesser aufweisen und der Mitnahmeabschnitt durch den Übergang zwischen dem 1. Innendurchmesser und dem 2. Innendurchmesser gebildet ist, vorzugsweise wobei beide Kreisringabschnitte gleiche Außendurchmesser aufweisen. Hierdurch lässt sich das Ankerelement in einfacher, kostengünstiger und damit vorteilhafter Weise fertigen. Ein derartiges Ankerelement ist auch robust und lässt sich einfach führen, sodass seine Bewegung in der Ventileinrichtung genau vorgegeben ist.
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Von Vorteil ist auch, wenn die Ventilnadel einen T-förmigen Querschnitt aufweist. Hierdurch kann die Ventilnadel bei einfacher und kostengünstiger Bauart effektiv mit dem Mitnahmeabschnitt des Ankerelements zusammenwirken.
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Bevorzugt ist auch, wenn die die elektromagnetische Betätigungseinrichtung eine Magnetspule und einen Polkern umfasst und die Ventilnadel zum Polkern hin von dem Mitnahmeabschnitt abheben kann. Bei Bestromung der Magnetspule und Magnetisierung des Polkerns kann hierdurch die Ventilnadel, falls sie ferromagnetisches Material umfasst, von dem Polkern gesondert angezogen und von dem Mitnahmeabschnitt abgehoben werden. Hierdurch kann ein hydraulisches Schließen des Mengensteuerventils noch zusätzlich durch magnetische Kraft der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung unterstützt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung weist der Polkern der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung eine Ausnehmung zur Aufnahme der Ventilnadel, wenn diese bei magnetischer Aktuierung des Ankerelements von dem Mitnahmeabschnitt abhebt, auf. Hierdurch können magnetische Kräfte besonders effektiv auf die Ventilnadel übertragen werden, außerdem kann hierdurch eine besonders geringe Beabstandung des Ankerelements zum Polkern gewählt werden, sodass die Kraft auf das Ankerelement beim Aktivieren der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung von Beginn an, quasi instantan, besonders stark ausfällt.
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Bevorzugt ist, wenn die Öffnungsrichtung entgegengesetzt der Magnetrichtung ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Ventilnadel also über die elektromagnetische Betätigungseinrichtung entlang der Magnetrichtung von dem Ventilelement wegbewegbar. Das Ventilelement kann dadurch in eine geschlossene Position vorgespannt ausgebildet sein und kann über die Ventilnadel zwangsweise geöffnet werden. Alternativ dazu kann die Magnetrichtung auch in Richtung der Öffnungsrichtung angeordnet sein. Die Ventilnadel sollte dann, vorzugsweise über eine Feder, entgegen der Öffnungsrichtung gespannt sein. Die Ventilnadel kann dann über das Ankerelement und die elektromagnetische Betätigungseinrichtung zwangsweise entgegen der Federvorspannung auf das Ventilelement zubewegt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist die Ventilnadel in Öffnungsrichtung federvorgespannt. Hierdurch ist die Ventilnadel stets in eine Stellung gedrängt, in der sie das Ventilelement beaufschlagt. Durch eine derartige Konfiguration ist sichergestellt, dass auch bei Ausfall der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung kein schädigender Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe auftritt. Die Ventilnadel ist in dieser Konfiguration bei ausgefallener elektromagnetischer Betätigungseinrichtung gegen das Ventilelement gespannt, sodass dieses bei entsprechend stark gewählter Vorspannung, beispielsweise über eine Feder, entweder unabhängig von der Betriebslage stets öffnet oder bei schwächer gewählter Vorspannung bei Beginn des Saughubs öffnet und bei Beginn des Förderhubs nicht mehr schließt, sodass die Kraftstoffhochdruckpumpe keinen Kraftstoff in den Hochdruckbereich bzw. das Rail fördert. Eine Schädigung des Systems bei ausgefallener elektromagnetischer Betätigungseinrichtung wird damit sicher und zuverlässig vermieden.
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Von Vorteil ist auch, wenn ein Abstand zwischen Ankerelement und Polkern bei deaktivierter elektromagnetischer Betätigungseinrichtung höchstens 2/3, insbesondere höchstens die Hälfte, insbesondere höchstens 1/3, des Abstands des Ventilelements von einem Ventilsitz bei voll geöffnetem Ventilelement ist. Hierdurch kann eine besonders schnelle Reaktionszeit der Ventileinrichtung erreicht werden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist auch eine Kraftstoffhochdruckpumpe für eine Brennkraftmaschine, die sich dadurch kennzeichnet, dass sie eine Ventileinrichtung nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche umfasst, vorzugsweise wobei die Ventileinrichtung das Mengensteuerventil der Hochdruckpumpe bildet. Die bereits oben beschriebenen Vorteile lassen sich besonders gut bei Verwendung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung als Mengensteuerventil in einer Kraftstoffhochdruckpumpe realisieren. Eine derartige Kraftstoffhochdruckpumpe arbeitet sicher und mit schneller Schaltzeit. Hierdurch kann eine Dosierung des geförderten Kraftstoffs und damit der Druck im Rail sehr präzise eingestellt werden.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das anhand der Zeichnung erläutert wird, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlicher Kombination für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Es zeigen:
- 1 eine vereinfachte schematisierte Darstellung eines Kraftstoffsystems für eine Brennkraftmaschine;
- 2 eine Schnittdarstellung einer Kraftstoffhochdruckpumpe;
- 3 eine Schnittdarstellung einer Ventileinrichtung aus 2 im geschlossenen Zustand; und
- 4 eine Schnittdarstellung einer Ventileinrichtung aus 2 im geöffneten Zustand.
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1 zeigt ein Kraftstoffsystem 10 für eine weiter nicht dargestellte Brennkraftmaschine in einer vereinfachten schematischen Darstellung. Aus einem Kraftstofftank 12 wird Kraftstoff über eine Saugleitung 14, mittels einer Vorförderpumpe 16 und einer Niederdruckleitung 18 über einen Einlass 20 einer Kraftstoffhochdruckpumpe 22 zugeführt. Im Einlass 20 ist eine Ventileinrichtung 24 angeordnet, die ein Mengensteuerventil 25 der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 bildet und über die ein Kolbenraum 26 mit einem Niederdruckbereich 28, der die Vorförderpumpe 16, die Saugleitung 14, und den Kraftstofftank 12 umfasst, verbindbar ist.
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Über eine Steuereinheit 30 ist eine elektromagnetische Betätigungseinrichtung 32 ansteuerbar. Das Mengensteuerventil 25 wiederum ist über die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 32, auf die später noch im Detail eingegangen werden soll, betätigbar bzw. in seiner Stellung beeinflussbar. Die Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist vorliegend als Kolbenpumpe ausgeführt, wobei ein Kolben 34 mittels eines als Nockenscheibe ausgeführten Antriebs 36 entlang einer Kolbenlängsachse 38 auf- und abbewegt werden kann, was durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 40 schematisch dargestellt ist.
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Hydraulisch zwischen dem Förderraum 26 und einem Auslass 42 der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist ein in der 1 als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildetes Auslassventil 44 angeordnet, welches zum Auslass 42 hin öffnen kann. Der Auslass 42 ist an eine Hochdruckleitung 46 und über diese an einen Hochdruckspeicher 48 („Rail“) angeschlossen. Weiterhin ist hydraulisch zwischen dem Auslass 42 und dem Förderraum 26 ein ebenfalls als federbelastetes Rückschlagventil ausgebildetes Druckbegrenzungsventil 50 angeordnet, das zum Förderraum 26 hin öffnen kann. Im Betrieb des Kraftstoffsystems 10 fördert die Vorförderpumpe 16 Kraftstoff vom Kraftstofftank 12 in die Niederdruckleitung 18. Das Einlassventil 28 kann in Abhängigkeit von einem jeweiligen Bedarf an Kraftstoff geschlossen und geöffnet werden. Hierdurch wird die zum Hochdruckspeicher 48 geförderte Kraftstoffmenge beeinflusst. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 30 wird dabei, wie bereits ausgeführt, durch die Steuereinheit 32 entsprechend angesteuert und beeinflusst die Stellung des Mengensteuerventils 25.
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Die Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist in 2 in einer Schnittdarstellung teilweise gezeigt. Aus der Darstellung von 2 ist ersichtlich, dass das Druckbegrenzungsventil 50, das Auslassventil 44 und das Einlassventil 24 in einem Pumpengehäuse 52 angeordnet sind. Ebenso im Pumpengehäuse 52 angeordnet sind der Kolbenraum 26 und teilweise der Kolben 34. Ein aus dem Pumpengehäuse 52 herausragendes unteres Ende des Kolbens ist mit einem Kolbenteller 54 verbunden. Über den Kolbenteller 54 liegt der Kolben 34 an dem in 2 nicht gezeigten Antrieb 36 an.
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An einem dem Kolbenteller 54 gegenüberliegenden Ende der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 ist eine in 2 nicht dargestellte Dämpfereinrichtung angeordnet. Die Dämpfereinrichtung, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt ist, dient dazu, Druckschwankungen, die im Betrieb der Kraftstoffhochdruckpumpe 22 auftreten, auszugleichen.
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Nachfolgend wird die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 32 im Detail erläutert. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 32 umfasst eine Magnetspule 56.
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Wird die Magnetspule 56 bestromt, so bildet sich ein Magnetfeld aus, über das eine Ventilnadel 58 in ihrer Position verstellbar ist. Über die Ventilnadel 58 ist ein Ventilelement 60 des Mengensteuerventils 25 zwangsweise öffenbar bzw. offenhaltbar. Über die Magnetspule 56 kann also mittels der Ventilnadel 58 das Mengensteuerventil 25 in seiner Stellung beeinflusst werden (geöffnet werden oder offen gehalten werden).
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In 3 ist ein Teil der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 32 einzeln dargestellt. In 3 ist gut erkennbar, dass das Ventilelement 60 in einem Strömungskanal 62 angeordnet ist. Der Strömungskanal 62 verbindet den Niederdruckbereich 28 mit dem Förderraum 26. Je nach Position des Ventilelements 60 ist der Strömungskanal 62 fluidisch durchgängig oder fluidisch unterbrochen. Mit anderen Worten, je nach Position des Ventilelements 60 sind der Niederdruckbereich 28 und der Förderraum 26 fluidisch miteinander verbunden oder fluidisch voneinander getrennt. Eine Öffnungsrichtung des Ventilelements 60 ist durch einen Pfeil mit dem Bezugszeichen 63 gekennzeichnet. Das Ventilelement 60 ist über eine Feder 64 in eine geschlossene Position vorgespannt.
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Die Ventilnadel 58 ist über eine weitere Feder 66 derart vorgespannt, dass sie gegen das Ventilelement 60 gedrängt wird. Die Ventilnadel 58 weist einen T-förmigen Querschnitt auf und ist in einem Ankerelement 68 gelagert. Ein Kopfabschnitt 70 der Ventilnadel 58 ist dabei derart ausgebildet und angeordnet, dass er mit einem Mitnahmeabschnitt 72, der am Ankerelement 68 ausgebildet ist, zusammenwirken kann. Das Ankerelement 68 umfasst einen ersten Kreisringabschnitt 74 und einen zweiten Kreisringabschnitt 76. der erste Kreisringabschnitt 74 weist einen kleineren Innendurchmesser auf als der zweite Kreisringabschnitt 76. Die Außendurchmesser der beiden Kreisringabschnitte sind jedoch gleich. Der Mitnahmeabschnitt 72 ist durch den Übergang zwischen dem ersten Kreisringabschnitt 74 und dem zweiten Kreisringabschnitt 76 gebildet.
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In der in 3 gezeigten Position der Ventilnadel 58 ist der Kopfabschnitt 70 der Ventilnadel 58 von dem Mitnahmeabschnitt 72 des Ankerelement 68 in Richtung einer Magnetrichtung 78, die entgegengesetzt der Öffnungsrichtung 63 verläuft, abgehoben. Die Ventilnadel 58 befindet sich in 3 in dieser Stellung, weil die Spule 56 bestromt ist und hierdurch ein Polkern 80 magnetisiert ist. Dadurch ist das Ankerelement 68 in Kontakt mit dem Polkern 80 gezogen und der Kopfabschnitt 70 der Ventilnadel 58 und damit die gesamte Ventilnadel 58 ist ebenso maximal in Richtung des Pokerns, also in Richtung der Magnetrichtung 78, gezogen. Durch die Anziehung der Ventilnadel 58 bzw. des Kopfabschnitts 70 der Ventilnadel 58 sind der Kopfabschnitt 70 bzw. die Ventilnadel 58 in einer Ausnehmung 82 in dem Polkern 80 aufgenommen bzw. ragen in die Ausnehmung 82 hinein.
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In 4 ist die Ventileinrichtung 24 in einem Zustand gezeigt, in dem die Spule 56 nicht bestromt ist. Die Feder 66 drängt daher die Ventilnadel 58 in Richtung der Öffnungsrichtung 63, wobei der Kopfabschnitt 70 der Ventilnadel 58 an dem Mitnahmeabschnitt 72 des Ankerelements 68 anliegt. Durch die Feder 66 ist die Ventilnadel 58 derart in Richtung der Öffnungsrichtung 63 verschoben, dass das Ventilelement 60 von einem Ventilsitz 84 abgehoben ist.
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In diesem deaktivierten Zustand der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 32 befindet sich das Ankerelement 68 in einem Abstand 86 zu dem Polkern 80. Das Ventilelement 60 befindet sich in einem Abstand 88 von dem Ventilsitz 84. Der Abstand 86 des Ankerelements 68 zum Polkern 80 beträgt dabei weniger als 1/3 des Abstands 88 des Ventilelements 60 zum Ventilsitz 84.
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In dem in 4 gezeigten Zustand bleibt das Ventilelement 60 so lange vom Ventilsitz 84 beabstandet und damit die Ventileinrichtung 24 geöffnet, bis die Spule 56 bestromt wird. Wenn die Spule 56 bestromt wird, wird der Polkern 80 magnetisiert und das Ankerelement 68 sowie die Ventilnadel 58 werden in Richtung der Magnetrichtung 78 zum Polkern 80 hin gezogen. Zusätzlich wirkt Kraftstoff hydraulisch auf das Ventilelement 60 und drängt dieses und damit auch die Ventilnadel 58 in Richtung der Magnetrichtung 78. Der Mitnahmeabschnitt 72 des Ankerelements 68 liegt am Kopfabschnitt 70 der Ventilnadel 58 derart an, dass die Ventilnadel 58 bei Bewegung des Ankerelements 68 in Richtung der Magnetrichtung 78 zwangsgeführt ist. Diese Zwangsführung ist so lange gegeben, bis das Ankerelement 68 in Kontakt mit dem Polkern 80 kommt. Wenn das Ankerelement 68 am Polkern 80 anliegt, so hebt der Kopfabschnitt 70 der Ventilnadel 58 vom Mitnahmeabschnitt 72 ab und die Ventilnadel 58 mitsamt dem Kopfabschnitt 70 bewegt sich weiter in Magnetrichtung 78 zum Polkern 80 hin. Mit anderen Worten die Ventilnadel 58 bewegt sich dann relativ zum feststehenden Ankerelement 68.
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Schlussendlich hebt sich die Ventilnadel 58 geringfügig vom Ventilelement 60 ab, sodass dieses über die Feder 64 gegen den Ventilsitz 84 gepresst und zuverlässig geschlossen ist.
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Wird die Bestromung der Spule 56 wieder unterbrochen, so bewegen sich das Ankerelement 68 und die Ventilnadel 58 wieder in Öffnungsrichtung 63 und beaufschlagen das Ventilelement 60 derart, dass dieses öffnet bzw. offen gehalten wird.
