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Die vorliegende Erfindung betrifft
im Allgemeinen Einspritzventile, und im Besonderen Einspritzventile
für interne
Verbrennungsmotoren.
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Einspritzventile weisen typischerweise
eine Ventilnadel auf, die dazu dient, einen Einspritzport zu öffnen oder
zu schließen,
um die Kraftstoffzufuhr zum Motor zu regulieren. In vielen Einspritzventilen
wird die Ventilnadel elektromagnetisch durch einen Spulenaufbau
ausgelöst,
der einen magnetischen Fluss in einer Armatur, die mit der Ventilnadel
verbunden ist, induziert. Die Armatur ist mit einem Ende der Ventilnadel
verbunden, während
das gegenüberliegende Ende
der Nadel so geformt ist, dass es einen Ventilsitz abdichtet, um
den Einspritzport öffnen
beziehungsweise schließen
zu können.
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Ausrichtungsfehler zwischen der Ventilnadel und
dem Ventilsitz sind ein Hauptgrund für inakzeptabel große Leckagen
im Einspritzventil. Um eine akkurate Ausrichtung zu gewährleisten,
werden normalerweise eine obere und eine untere Führung eingebaut,
welche den Nadel-Armatur-Aufbau lotrecht und zentrisch auf der abdichtenden
Fläche
des Ventilsitzes halten. Im Besonderen ist hierfür eine exakt konzentrische
Ausrichtung der geführten
Flächen
der Armatur und der Nadel, eine exakt konzentrische Ausrichtung der
Führungsflächen der
oberen und unteren Führung,
sowie ein ausreichend kleines Spiel der oberen und unteren Führung notwendig.
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Bei Nichterfüllung dieser Anforderungen
an die Konzentrizität
können
viele Probleme auftreten, etwa das Kippen der Nadel gegen ihre Achse,
das Verklemmen der Nadel an den Führungen, das Verbiegen der
Nadel durch die Führungen,
die Abnutzung der Nadel an den Oberflächen der Führungen, und, im schlechtesten
Fall, die Ausbildung eines Spaltes in der umlaufenden Dichtungsnaht
zwischen der Nadelspitze und dem Ventilsitz. Infolge dessen verschlechtern
Ausrichtungsfehler der Nadel die Funktionsweise des Einspritzventils
durch höhere Reibung
zwischen der Nadel und den Führungen, schnellere
Abnutzung sowohl der Nadel als auch der Führungen, und, im schlechtesten
Fall, durch Undichtigkeiten. Im oberen Bereich des Armatur-Nadel Aufbaus rufen
Ausrichtungsfehler der Nadel einen ungleichmäßigen Spalt zwischen den beiden
magnetischen Polflächen
der Armatur hervor. Dies kann eine unregelmäßige Verteilung des magnetischen Flusses,
einen inkonsistenten Hub, und eine schlechte Linearität des Kraftstoff-
Flusses zur Folge haben.
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Es ist anhand dieser Ausführungen
erkennbar, dass die Anordnung der oberen und unteren Führung sowie
des Nadel-Armatur-Aufbaus von höchster
Wichtigkeit ist. Normalerweise stellen die obere und untere Führung kleine
Bauteile dar, die einzeln gefertigt und an anderen Teilen des Einspritzventils
befestigt werden. Die einzelnen Führungen haben üblicherweise
eine aufwendige Form, die eine zentrale Führungsöffnung und mehrere Durchflussöffnungen
aufweist. Dies erfordert zum einen präzises Schleifen sowohl des äußeren als
auch der inneren Durchmesser, und zum anderen sehr kleine Toleranzen,
um eine exakt konzentrischen Ausrichtung der Führungen zu gewährleisten.
Die Führungen
sind jedoch günstiger
gehärtet
und zu klein, um für
die Verarbeitung akkurat eingespannt zu werden. Des Weiteren sind
die Verfahren, diese Führungen
zusammenzusetzen und innerhalb des Ein spritzventils zu befestigen,
sehr kompliziert, was weitere Probleme hervorrufen kann. Vor allem
zieht dieser Umstand wachsende Kosten nach sich.
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Aufgrund dieses Zusammenhangs besteht der
Bedarf nach einem Einspritzventil, das untere und/oder obere Führungen
aufweist, die die gesamte Funktionsweise dadurch verbessern, dass
sie eine exakt konzentrische Anordnung der Führungsflächen, des Ventilaufbaus, und
des Ventilsitzes gewährleisten,
während
ihre Herstellung und ihr Zusammenbau einfach und kostengünstig ist.
Dies ist Aufgabe der Erfindung.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein
Einspritzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die anliegenden Zeichnungen, die
lediglich eine Ausführungsvariante
verdeutlichen zeigen mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung,
und zusammen mit der Beschreibung dienen sie dazu, die Prinzipien
der Erfindung zu erklären.
Es zeigen:
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1:
einen Querschnitt eines Einspritzventils, das gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung konstruiert wurde;
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2:
eine vergrößerte, teilweise
aufgeschnittene Ansicht der Armatur und der oberen Führung des
Einspritzventils, das in 1 dargestellt und
an der Stelle, die hier vergrößert wurde,
mit einem Kreis und der Ziffer 2 versehen ist;
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3:
eine vergrößerte, teilweise
aufgeschnittene Ansicht, die der aus 2 ähnelt, allerdings
handelt es sich hier um eine alternative Ausführungsform des Einspritzventils,
das gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung konstruiert wurde;
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4:
eine vergrößerte, teilweise
aufgeschnittene Ansicht der Nadelspitze des Einspritzventils, das
in 1 dargestellt und
an der Stelle, die hier vergrößert wurde,
mit einem Kreis und der Ziffer 4 versehen ist;
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Obwohl die Erfindung in Verbindung
mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wird, soll sie nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt werden.
Im Gegenteil es ist beabsichtigt, alle Alternativen, Änderungen
und Entsprechungen mit einzubeziehen, die durch den Geltungsbereich, wie
er in den anliegenden Ansprüchen
definiert wird, erfasst werden.
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1 zeigt
ein Einspritzventil 10, das gemäß den Grundzügen der
vorliegenden Erfindung konstruiert wurde. Das Einspritzventil 10 besteht
allgemein aus einem Ventilaufbau 12, der zur Regulierung des
Kraftstoffflusses in einen Motor in einer geöffneten und einer geschlossenen
Position betrieben werden kann. Ein oberes Ende des Ventilaufbaus 12 ist mit
einem Gehäuse 14 verbunden,
welches wiederum an seinem oberen Ende mit einem Außengehäuse 16 verbunden
ist. Von dem Gehäuse 14 und
dem Außengehäuse 16 wird
ein Einlassrohr 20 eingefasst, das einen Filter 22 zur
Einleitung eines Kraftstoffflusses an seinem oberen Ende hat. Ein
Ausrichtungsrohr 24 ist innerhalb des Einleitungsrohres 20 angeordnet
und bildet eine innere Kammer 26, durch die Kraftstoff
vom Filter 22 fließen
kann. Ein unteres Ende des Ausrichtungsrohres 24 grenzt
an eine Feder 28, die den Ventilzusammenbau 12 in
seine geschlossene Position drückt.
Das Gehäuse 14 beherbergt
ferner einen Spulenaufbau 30, der aus Leitungen für einen
elektrischen Anschluss besteht, die durch das Gehäuse 14 und
das Außengehäuse 16 verlaufen.
Wie es Stand der Technik ist, wird der Spulenaufbau 30 angeregt,
um den Ventilaufbau 12 zwischen seiner offenen und seiner
geschlossenen Position zu bewegen. Eine nicht-magnetische Schale oder
Hülse 32 ist
zwischen dem Spulenaufbau 30 und dem Einleitungsrohr 20 angeordnet.
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Der Ventilaufbau 12 besteht
im Allgemeinen aus einem Zylinderkörper 50, der einen
Nadelaufbau 60 beherbergt. Das obere Ende des Ventilkörpers 50 ist
mit dem Gehäuse 14 und
der nicht-magnetischen Hülse 32 verbunden,
vorzugsweise durch eine geeignete Schweißverbindung. Ein unterer Abschnitt
des Ventilkörpers 50 weist
einen Dichtungsring 52 an seiner Außenseite auf. An einem unteren
Ende des Ventilkörpers 50 befindet
sich ein Anschlussstutzen 54, der einen Ventilsitz 56 und
einen Ventilport 57 bildet (siehe 4). Eine Messscheibe 58 ist
am Anschlussstutzen 54 unterhalb des Ventilsitzes 56 und dem
Ventilport 57 befestigt und weist mehrere Entladungslöcher auf,
mittels derer der Kraftstofffluss in den Motor reguliert wird.
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Der Nadelaufbau 60 besteht
im Allgemeinen aus einem Nadelkörper 62 und
einer Armatur 66. Die Armatur 66 weist einen vertieften
Abschnitt 67 auf, der so bemessen ist, dass er das untere
Ende der Feder 28 aufnehmen kann. Der vertiefte Abschnitt 67 steht
in Fließverbindung
mit der inneren Kammer 26. Die Armatur 66 weist
im Allgemeinen einen ersten Satz Flutungslöcher 68 und einen
zweiten Satz Flutungslöcher 69 auf.
Der erste Satz Flutungslöcher 68 steht
in Verbindung mit dem vertieften Abschnitt 67, während sich
der zweite Satz Flutungslöcher 69 durch
die Armatur 66 hindurch von der oberen Oberfläche derselben
bis zu einer unteren Oberfläche
erstreckt. Der zweite Satz Flutungslöcher 69 dient der Belüftung, um
zu verhindern, dass die Armatur 66 durch einen hydraulischen
Haftungseffekt im oberen Teil des Einlassrohres 20 festgehalten
wird. Des Weiteren reduziert der zweite Satz Flutungslöcher 69 das Gewicht
der Armatur 66. Ein oberes Ende des Nadelkörpers 62 ist
mit der Armatur 66 verbunden, vorzugsweise durch Laserschweißen oder
eine Sickung. Ein unteres Ende des Nadelkörpers 62 bildet eine Nadelspitze 64,
die mit dem Ventilsitz 56 zusammen eine Dichtung bildet.
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Der Nadelkörper 50 bildet einen
inneren Hohlraum 70, der einen kleineren unteren Hohlraumabschnitt 72 und
einen größeren oberen
Hohlraumabschnitt 74 aufweist. Der innere Hohlraum 70 nimmt
den Nadelaufbau 60 auf. Präziser ausgedrückt nimmt
der obere Hohlraumabschnitt 74 die Armatur 66 auf,
während
der untere Hohlraumabschnitt 72 den Nadelkörper 62 und
seine Verbindungsstelle mit der Armatur 66 aufnimmt. Der
Außendurchmesser des
Nadelkörpers 62 ist
kleiner als der Innendurchmesser des unteren Hohlraumabschnitts 72,
wodurch ein ringförmiger
Flutungsdurchgang 76 zwischen den beiden Bauteilen gebildet
wird.
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Während
des Betriebes gelangt Kraftstoff durch den Filter 22 über die
innere Kammer 26 zum vertieften Abschnitt 67 der
Armatur 66. Der Kraftstoff strömt sodann durch eine erste
Passage, die durch ersten Satz Flutungslöcher 68 gebildet wird,
und dann in den ringförmigen
Flutungsdurchgang 67, der sich zwischen dem Nadelkörper 62 und
dem Ventilkörper 50 befindet.
Der Kraftstoff strömt
weiter hinunter zum Anschlussstutzen 54, wo sein Durchfluss durch
die relative Position der Nadelspitze 64 zum Ventilsitz 56 reguliert
wird. Die Position des Nadelkörpers
und seiner Nadelspitze 64 wird durch den Spulenaufbau 30 geregelt.
Der Spulenaufbau 30, der einen Hubmagneten bildet, erzeugt
einen magnetischen Fluss, der sich so auf die Armatur 66 auswirkt, dass
sie den Nadelaufbau 60 entgegen der Feder 28 in
die geöffnete
Position bewegt. Wenn der Spulenaufbau 30 nicht mehr mit
Energie versorgt wird, drückt
die Federkraft der Feder 28 die Armatur 66 wieder
zurück,
wodurch der Ventilaufbau 12 geschlossen wird.
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Um der Notwendigkeit der konzentrischen Ausrichtung
gerecht zu werden, gleichzeitig jedoch den Aufbau und seine Herstellung
zu vereinfachen sowie die hierbei auftretenden Kosten zu reduzieren, weist
der Aufbau 10 eine obere Führung 80 und eine untere
Führung 90 auf,
die integraler Bestandteil des Ventilkörpers 50 sind. Die
untere Führung 90 beispielsweise
wird als ein Teil des Ventilkörpers 50 hergestellt,
wie am besten in den 4 und 1 zu sehen ist. Im Wesentlichen
wird die untere Führung
von einem Flansch
92 gebildet, der sich in radialer Richtung
von der Innenseite des Ventilkörpers 50 aus nach
innen fortsetzt, also vom unteren Hohlraumabschnitt 72 nach
innen absteht. Eine ringförmige
Führungsfläche 94 des
Flansches 92 dient als Führungsfläche, die die Außenseite
des Nadelkörpers 62 berührt. Der
Flansch 92 hat mehrere Flutungslöcher 98, die eine
dritte Passage bilden, durch die Kraftstoff zum Ventilsitz 56 gelangt.
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Wie man am besten 2 entnehmen kann, besteht die obere Führung 80 einfach
aus einer Innenseite 84 des oberen Hohlraumabschnittes 74,
der ein Teil des inneren Hohlraums 70 ist. Bei dieser Konstellation
kann ein radialer Luftspalt nötig
sein, um den magnetischen Haftungseffekt zwischen der Armatur 66 und
dem Nadelkörper 50 zu
verringern. Die Außenseite
der Armatur 66 kann beispielsweise mit Chrom beschichtet
werden, um einen solchen radialen Luftspalt herzustellen. In dieser
Ausführungsform wird
ein Zwischenraum von vorzugsweise ungefähr 100 Mikrometer zwischen
der nichtmagnetischen Hülse 32 und
der Außenseite
der Armatur 66 ausgespart. Um die obere Führung 80 und
die untere Führung 90 exakt
konzentrisch herzustellen, ist es angebracht, die Flächen der
Innendurchmesser der beiden Führungen
gleichzeitig zu schleifen, was hier namentlich die Führungsfläche 94 der
unteren Führung 90 und
die Innenseite 84 der oberen Führung 80 betrifft.
Alternativ dazu können
die Flächen
der Innendurchmesser nacheinander geschliffen werden, während der
Ventilkörper 50 gehalten
und dieselbe Bezugsfläche
des Außendurchmessers
des Ventilkörpers 50 in
einem Bohrfutter eingespannt wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt 3. Diese Ausführungsform
ist in jeder Hinsicht der vorigen Ausführungsform ähnlich, mit Ausnahme der oberen
Führung 80.
Im Besonderen wird hier die obere Führung 180 durch die
Innenseite der nicht-magnetischen Hülse 32 gebildet. Wie
in der vorigen Ausführungsform
wird der obere Hohlraumabschnitt 74 gemeinsam mit der unteren
Führung 90 und
ihrer Führungsfläche 94 ge schliffen,
um eine exakt konzentrische Anordnung der beiden Bauteile zu gewährleisten.
Dementsprechend wird die nicht-magnetische Hülse 32 dadurch konzentrisch zum
oberen Hohlraumabschnitt 74 des Ventilkörpers 50 angeordnet,
dass ein abstehender Führungsbolzen
oder ein Dorn verwendet wird, der den Innendurchmesser der nicht-magnetischen
Hülse 32 am Innendurchmesser
des oberen Hohlraumabschnitts 74 ausrichtet. Daher sind
auch bei der Verwendung der nicht-magnetischen Hülse 32 als obere Führung 180 die
obere Führung 180 und
die untere Führung 90 konzentrisch
zueinander ausgerichtet. Es wird ein Zwischenraum von vorzugsweise
ungefähr
100 Mikrometer zwischen dem oberen Hohlraumabschnitt 74 und
der Armatur 66 ausgespart, um Haftungseffekte zu vermeiden.
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In der vorigen Ausführungsform
der oberen Führung 80 ist
es ebenfalls von Vorteil, die nicht-magnetische Hülse 32 durch
die Verwendung des abstehenden Bolzens am Innendurchmesser des oberen Hohlraumabschnitts 74 auszurichten.
Dadurch wird das Einlassrohr 20 durch die nichtmagnetische
Hülse 32 konzentrisch
in der Armatur 66 geführt,
was einen parallelen Luftspalt zwischen den Polflächen des
Einlassrohres 20 und der Armatur 66 sicherstellt.
Die nicht-magnetische Hülse 32 ist
vorzugsweise durch eine Laser-Schweißnaht am oberen Ende des Ventilkörpers 50 befestigt.
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Um eine präzise Ausrichtung des Einspritzventils
zu gewährleisten,
sind zusätzliche
Faktoren von Bedeutung. Zusätzlich
zu der konzentrischen Anordnung der oberen Führung 80 (180)
und der unteren Führung 90 ist
die konzentrische Anordnung des Nadelaufbaus 60, im Besonderen
des Außendurchmessers
der Armatur 66 und des Nadelkörpers 62, notwendig.
Des Weiteren sind die konzentrische Anordnung des Ventilsitzes 56 zu
der oberen Führung 80 (180)
und der unteren Führung 90 sowie
die Abrundung und der Oberflächenabschluss
der Nadelspitze 64 und des Ventilsitzes 56 von
Bedeutung. Dementsprechend werden die Armatur 66 und der Nadel körper 62 gemeinsam
montiert, vorzugsweise durch Laserschweißen oder Sickung. Daraufhin
werden die Nadelspitze 64 sowie die Außendurchmesser des Nadelkörpers und
der Armatur 66 gleichzeitig geschliffen, um eine exakt
konzentrische Ausrichtung der Führungsflächen des
Nadelaufbaus 60 zueinander sowie eine senkrechte Ausrichtung
der Armatur 66 und der Nadelspitze 64 zur Zentralachse
zu erreichen. Wenn die beiden Enden des Nadelaufbaus getrennt hergestellt
werden müssen,
sollte die gleiche Bezugsfläche
des Außendurchmessers
des Nadelkörpers 62 für beide
Schleifvorgänge
verwendet werden.
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Wie bei jedem Schleifvorgang ist
es auch bei dem oben beschriebenen Prozess vermeidbar, dass Toleranzen
und Abweichungen auftreten. Ein gewisses Maß an Ausrichtungsfehler sollte
erwartet und zugelassen werden. Um trotz eines geringen Ausrichtungsfehlers
einen dichten Abschluss am Ventilsitz 56 zu gewährleisten,
ist die Nadelspitze 64 der vorliegenden Erfindung kugelförmig. Präziser ausgedrückt hat
die Nadelspitze 64 die Form einer Halbkugel. Zusätzlich dazu
ist der Ventilsitz 56 konisch ausgeführt, wodurch die Nadelspitze 64 und
der Ventilsitz 56 eine Dichtung entlang einer kreisförmigen Linie
bilden. Im Gegensatz zu einer Dichtung, die von einer konischen
Nadelspitze 64 und einem konischen Ventilsitz 56 gebildet
würde,
bildet eine halbkugelförmige
Nadelspitze 64 und ein konischer Ventilsitz 56 auch
dann noch einen dichten Abschluss entlang einer kreisförmigen Linie,
wenn kleine Ausrichtungsfehler auftreten. Es sei darauf hingewiesen,
dass der Ventilsitz 56 auch halbkugelförmig, also konvex, sein könnte, wenn
die Nadelspitze 64 konisch geschnitten wäre. Bei
dieser Konstellation würde
sich ebenfalls oben beschriebene Dichtung entlang einer kreisförmigen Linie
ausbilden.
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Des Weiteren verringert die vorliegende
Erfindung die Anfälligkeit
des Nadelaufbaus 60 gegen Ausrichtungsfehler dadurch, dass
sie die Position der unteren Führung 90 optimiert.
Präziser
ausgedrückt liegt
der Drehpunkt der halbkugelförmigen
Nadelspitze 64 genau auf der Höhe der unteren Führung.
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Wie man gut der 4 entnehmen kann, bildet der Mittelpunkt
der runden Oberfläche
der Nadelspitze 64 den Drehpunkt, der mit der Bezugsnummer 100 versehen
ist. Der Mittelpunkt 100 fällt vorzugsweise mit dem Zentrum
der Führungsfläche 94 der
unteren Führung überein.
Wie in 4 gezeigt, hat
die Führungsfläche 94 in
axialer Richtung die Höhe
LF, die eine Mitte, markiert durch die Linie 102, hat.
Diese Linie 102 liegt auf einer Achse mit dem Drehpunkt 100.
Daher bildet die halbkugelförmige Oberfläche der
Nadelspitze 64 mit dem Ventilsitz 56 auch dann
noch einen dichten Abschluss. entlang einer kreisförmigen Linie,
wenn der Nadelkörper 62 leicht
gegen seine Achse gekippt wird; der Nadelkörper 62 wird hierbei
durch die untere Führung 90 um den
Drehpunkt 100 gedreht. Auch wenn die Nadelspitze 64 konisch
ist und der Ventilsitz 56 konvex, kann ein Drehpunkt nach
den Vorgaben des runden Bauteils, das heißt des Durchmessers des Ventilsitzes 56 und
des Durchmessers der kreisförmigen Dichtungslinie,
ausfindig gemacht werden. Daraufhin kann dann die untere Führung so
angeordnet werden, dass sie die oben beschriebenen Vorteile bietet.
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Aus dem Vorangegangenen ist ersichtlich, dass
die vorliegende Erfindung eine verbesserte konzentrische Ausrichtung
der oberen Führung 80 (180) und
der unteren Führung 90 dadurch
bietet, dass diese als ein integraler Bestandteil des Ventilkörpers 50 hergestellt
werden. Zudem macht die vorliegende Erfindung zwei kleine, aber
teure Einzelteile, nämlich besagte
obere Führung 80 (180)
und untere Führung 90, überflüssig. Sie
macht auch das Präzisionsschleifen
der Außen-
und Innendurchmesser der oberen Führung 80 (180)
und der unteren Führung 90 mit seinen
kleinen Toleranzen und maschinellen Schwierigkeiten überflüssig. Außerdem werden
die Schwierigkeiten beim Zusammenbau und bei der Befestigung der
oberen Führung 80 (180)
und der unteren Führung
im Einspritzventil beseitigt. Daher bietet die vorliegende Erfindung
ein einfaches und kostengünstiges
Verfahren für
die Herstellung von oberen und unteren Führungen an, die nicht nur die
Verlässlichkeit
der Dichtung des Einspritzventils erhöhen, sondern dadurch seine
gesamte Funktionsweise verbessern.
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Die vorangegangene Beschreibung verschiedener
Ausführungsformen
der Erfindung dient der Illustration und Beschreibung. Sie erhebt
nicht den Anspruch einer erschöpfenden
Darstellung und soll die Erfindung nicht auf diese beschriebenen
Ausführungen
beschränken.
Verschiedene Modifikationen und Variationen sind angesichts der
oben ausgeführten
Erkenntnisse denkbar. Die dargelegten Ausführungsformen wurden ausgewählt und
beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung sowie ihre praktische
Umsetzung bestmöglich
zu illustrieren, was einen Fachmann dazu befähigen soll, die Erfindung nach
verschiedenen Modifikationen und Anpassungen auf spezielle Erfordernisse
in verschiedenen Ausführungsformen
anzuwenden. All diese Modifikationen und Variationen sind im Geltungsbereich
der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen festgelegt
wird, wenn dieser in Übereinstimmung
mit der gesamten Bandbreite der angemessenen, legalen, und gerechten
Interpretation ausgelegt wird.