DE3009751A1

DE3009751A1 - Brennstoffeinspritzvorrichtung fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3009751A1
Application number: DE19803009751
Authority: DE
Inventors: Günter Dipl.-Ing. Kattenbusch; Kurt Koschel; Hellmuth Dipl.-Ing. 8900 Augsburg Krug
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Priority date: 1980-03-14
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1981-09-24
Also published as: BR8101516A; DE3009751C2; DK112081A; JPS56143343A; JPH023035B2; CH652801A5; FR2478206A1; FR2478206B1

Description

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Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen mit Merkmalen entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine derartige Brennstoffeinspritzvorrichtung ist in einer älteren Patentanmeldung der Anmelderin (P 29 22 332.3-13) offenbart. Die Vorteile dieser Brennstoffeinspritzvorrichtung resultieren insbesondere aus .der Verwendung eines Sicherheitsvorschaltventiles, durch das die Brennstoffzuleitung von einem Hochdruckspeicher zu einem Vorlageraum an der Ventilnadel eines Einspritzventiles gesteuert durch ein Servoventil taktweise freigebbar bzw. absperrbar ist. Das Schließelement des Sicherheitsvorschaltventiles schließt in Brennstofflußrichtung und öffnet gegen die Kraft des anstehenden Brennstoffes» Diese Lösung wird somit prinzipiell allen Sicherheitserfordernissen gerecht, da auch im Falle eines Hängenbleibens der Ventilnadel in Öffnungsstellung eine Entleerung des Hochdruckspeichers sowie eine unkontrollierte Einspritzung von Brennstoff in den Brennraum vermieden und eine Zuführung von Brennstoff auch während dieses Funktionsstörungsfalles nur zu den maschinensynchron gesteuerten Einspritzzeiten möglich ist. Diese in der Praxis bereits bei schwerölbetrie-

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benen Großdieselbrennkraftmaschinen angewandte und bewährte Lösung erwies sich im Bereich des Sicherheitsvorschaltventiles von der konstruktiven Ausgestaltung, der Fertigung und der Montage von dessen Einzelteilen sowie vom Umfang der fertigungstechnischen Maßnahmen im Gehäuse des Einspritzventiles insbesondere im Hinblick auf die Einführung derartiger Brennstoffeinspritzvorrichtungen in Serienproduktion als relativ aufwendig. Es stellte sich dem Erfinder ausgehend von diesem Sachverhalt daher die Aufgabe, eine Brennstoffeinspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend umzukonstruieren, daß der bauteilseitige, fertigungsseitige und montageseitige Aufwand insbesondere im Bereich des Sicherheitsvorschaltventiles sowohl von dessen Ausgestaltung per se als auch dessen Anschluß an den hydraulischen Steuer- kreis her gesehen auf ein Mindestmaß reduzierbar und außerdem auch der weitere Aufbau der Einspritzvorrichtung vereinfachbar ist, derart, daß diese auch den kostenseitigen Anforderungen für eine Einführung in Serienproduktion gerecht wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Brennstoffeinspritzvorrichtung nach den Merkmalen des An-Spruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Unteransprüchen herausgestellt.

Die erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzvorrichtung erfüllt seitens der Absperrung und Freigabe der Brennstoffzuleitung vom Hochdruckspeicher zum Vorlageraum an der Ventilnadel des Einspritzventiles die gleiche Sicherheitsfunktion wie jene eingangs abgehandelte ältere Lösung, jedoch mit einem Sicherheitsvorschaltventil, das demgegenüber wesentlich einfacher aufgebaut, einfacher herstellbar und montierbar ist, sowie aufgrund seiner besonderen Konstruktion auch eine Vereinfachung

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der übrigen Teile der Einspritzvorrichtung insbesonde-• re im Bereich des Einspritzventiles ermöglicht. Es ist somit insgesamt gesehen eine erhebliche Kostenreduzierung bei der Herstellung desselben erzielbar, so daß die Anwendung dieser Lösung besonders für Serienproduktion geeignet ist. Die wenigen beweglichen Bauteile der erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzvorrichtung sind außerdem robust auszubilden und insbesondere im Hinblick auf Schwerölbetrieb konstruiert, so daß deren Funktion auch im Einsatz bei schwerölbetriebenen Schiffsdieselmaschinen jederzeit gewährleistet ist.

Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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In der Zeichnung ist eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen gezeigt, bei der Brennstoff aus einem Brennstofftank 1 mittels einer Förderpumpe 2 einem Hochdruckspeicher 3 drucküberwacht zuführbar ist, von dem aus die Brennstoffeinspritzvorrichtungen einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine mit Brennstoff konstanten Druckes versorgbar sind. Eine dieser Brennstoffeinspritzvorrichtungen, die dem Aufbau nach alle gleich ausgebildet sind, ist in der Zeichnung dargestellt. Diese besitzt ein Einspritzventil 4, das aus einem Gehäuse 5, einer Ventilnadel 6 und einem auf diese einwirkenden Steuerkolben 7 besteht. Die Ventilnadel 6 ist innerhalb des Gehäuses 5 in einer Bohrung 8 axial beweglich gelagert und besitzt an ihrem vorderen Ende ein kegelförmig ausgebildetes Schließelement 9, das mit einem entsprechend angepaßten Ventilsitz 10 im Gehäuse 5 zur Absperrung einer Brennstoffzuführung oder Freigabe von Brennstoff zur Einspritzung durch Einspritzdüsen 11 in einen Brennraum zusammenwirkt. Der Steuerkolben 7 besteht aus einem Kolbenteil 12 und einem

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durchmessergrößeren Kolbenteil 13 und ist ebenso wie die Ventilnadel 6 in entsprechend angepaßten Bohrungen des Gehäuses 5 axial beweglich gelagert. Das erste Kolbenteil 12 begrenzt mit seiner äußeren Stirnfläche im Zusammenwirken mit den Wandteilen seiner Aufnahmebohrung 14 einen ersten Druckraum 15/ während das zweite Kolbenteil 13 mit seiner der Ventilnadel 6 zugewandten Stirnfläche im Zusammenwirken mit Wandteilen seiner Aufnahmebohrung 16 einen zweiten Druckraum 17 begrenzt. Der erste Druckraum 15 ist über eine erste Druckleitung 18 an den Hochdruckspeicher 3 angeschlossen und von diesem ständig mit Brennstoff konstanten Druckes versorgt, so daß im Druckraum 15 ständig ein bestimmter in Schließrichtung des Einspritzventiles wirksamer Druck ansteht. Die in Schließrichtung wirksame Fläche am Kolbenteil 12 ist jedoch kleiner als die in Öffnungsrichtung des Einspritzventiles wirksame Fläche am Kolbenteil 13 des Steuerkolbens 7. Von der ersten Druckleitung 18 zweigt innerhalb des Gehäuses 5 eine Brennstoffzuleitung 19 ab, die in einen Vorlageraum 20 an der Ventilnadel 6 einmündet. Die Brennstoffzuleitung 19 und damit die Brennstoffzuführung vom Hochdruckspeicher über die erste Druckleitung 18 zum Vorlageraum 20 an der Ventilnadel 6 ist durch ein Sicherheitsvorschaltventil 21 absperrbar bzw. freigebbar. Das Sicherheitsvorschaltventil 21 ragt mit einem Schließelement 22 in die Brennstoffzuleitung 19, diese in Brennstofflußrichtung absperrend hinein. Das Schließelement 22 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Ventilkegel 23 gebildet, der mit einer entsprechend angepaßten, an der Brennstoffzuleitung 19 angeformten kegeligen Sitzfläche 24 zusammenwirkt und am äußeren Ende einer Verbindungsstange 25 angeordnet ist, die zu einem Druckkolben 26 führt. Die Verbindungsstange 25 durchdringt dabei innerhalb des Gehäuses 5 die erste Druckleitung 18, die

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im Durchdringungsbereich einen erweiterten Raum 27 aufweist, von dem auch die Brennstoffzuleitung 19 mit jenem, den Ventilsitz 24 aufweisenden .Teilstück 28 abzweigt. Der Druckkolben 26 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 ist ebenfalls innerhalb des Gehäuses 5 und dort in einer Aufnahmekammer 29 axial beweglich gelagert.

Zur Steuerung des Sicherheitsvorschaltventiles 21 und des Einspritzventiles 4 ist als weiteres Teil der Brennstoffeinspritzvorrichtung ein in der Zeichnung nur teilweise dargestellter hydraulischer Steuerkreis mit einem von einem maschinensynchron gesteuerten Geber 30 betätigbaren Servoventil 31 vorgesehen. Letzteres ist zulaufseitig an eine Druckflüssigkeit konstanten Druckes führende Speiseleitung 32 sowie ablaufseitig an eine Rücklaufleitung 33 angeschlossen und besitzt zwei Ausgänge 34 bzw. 35/ welche wechselweise durch interne Umschaltung an die Speiseleitung 32 oder die Rücklaufleitung 33 anschließbar sind. Der elektrische Steuerteil des Servoventiles 31 ist über einen elektrischen Steuerkanal 36 mit dem Geber 3O verbunden, bei dem es sich vorzugsweise um einen Mikroprozessor handelt, der nach einprogrammierten Kriterien in Abhängigkeit von in ihn über Kanäle 37 eingespeisten Betriebsparametern der Brennkraftmaschine arbeitet sowie resultierend hieraus seine Befehle an das Servoventil abgibt. Am Ausgang 34 des Servoventiles ist eine zweite Druckleitung 38 angeschlossen, die innerhalb des Gehäuses 5 verläuft und in den zweiten, in Öffnungsrichtung der Ventilnadel 6 wirkenden Druckraum 17 einmündet. Am zweiten Ausgang 35 des Servoventiles 31 wiederum ist eine Schließdruckleitung 39 angeschlossen, die ebenfalls innerhalb des Gehäuses 5 verlaufend in einen vorderen Steuerdruckraum 40 einmündet, der zur Druckbeaufschlagung des Druckkolbens

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in Schließrichtung des Sicherheitsvorschaltventiles dient und durch eine Stirnfläche 41 am Druckkolben sowie Wandteile der Aufnahmekammer 29 begrenzt ist. Außer dem vorderen Steuerdruckraum 40 ist andernends des Druckkolbens 26 ein hinterer Steuerdruckraum 42 vorhanden, der zur Druckbeaufschlagung des Druckkolbens 26 in Öffnungsrichtung des Sicherheitsvorschaltventiles 21 dient, durch eine Stirnfläche 43 am Druckkolben sowie Wandteile der Aufnahmekammer 29 begrenzt und zur Druckmittelversorgung über eine Steuerdruckleitung 44 an die zweite Druckleitung 38 angeschlossen ist. Die Abzweigstelle 45 der Steuerdruckleitung an der zweiten Druckleitung 38 liegt dabei nahe deren Einmündungsstelle in den zweiten Druckraum 17, wobei die Steuerdruckleitung 44,gerechnet von der Abzweigstelle 45 bis zur Einmündung in den hinteren Steuerdruckraum 42, wesentlich langer ist als jenes Teilstück 46 der zweiten Druckleitung, gerechnet von der Abzweigstelle 4 5 bis zur Einmündung in den zweiten Druckraum 17 am Steuerkolben 7. Durch diese unterschiedlichen Druckubertragungsweglängen, gerechnet von der Abzweigstelle 45, ist eine zeitlich versetzte Betätigung des Druckkolbens 26 und des Steuerkolbens für den Fall realisierbar, in dem die zweite Druckleitung 3 8 servoventilseitig an die Speiseleitung 32 angeschlossen ist, dergestalt, daß zuerst der Steuerkolben 7 des Einspritzventiles 4 über den zweiten Druckraum 17 in Öffnungsrichtung druckbeaufschlagt und somit das Einspritzventil geöffnet wird und erst dann zeitlich versetzt der Druckkolben 26 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 in Öffnungsrichtung zur Freigabe der Brennstoffzuleitung 19 und damit einer Brennstoffeinspritzung betätigt wird. Die Hubbewegung des Druckkolbens 26 in Schließrichtung und damit das minimale Volumen des hinteren Steuerdruckraumes 42 ist durch die Länge der Verbindungsstange

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vorgegeben, während die Hubbewegung des Druckkolbens 26 in Öffnungsrichtung des Sicherheitsvorschaltventiles 21 und damit das minimale Volumen des vorderen Steuerdruckraumes 40 durch die Länge eines andernends der Verbindungsstange 25 am Druckkolben 26 angeordneten Anschlagbolzens 47 vorgegeben ist. Der Druckkolben 26 ist'in vorteilhafter Weise zusammen mit dem Anschlägbolzen 47, der Verbindungsstange 25 und dem Schließelement 22 einstückig ausgebildet. Die in Schließrichtung wirksame Fläche des Sich_erheitsvorschaltventiles 21, die sich aus der Stirnfläche 41 am Druckkolben 26 und einer Anschlagfläche 48 am Anschlagbolzen 47 zusammensetzt, ist dabei größer als jene in Öffnungsrichtung wirksame, an den hinteren Steuerdruckraum 42 angrenzende Fläche am Druckkolben bemessen, mit der Folge, daß das Sicherheitsvorschaltventil 21 bei Druckbeaufschlagung in Schließrichtung nach vorheriger Druckentlastung des Steuerdruckraumes 42 zeitlich vor dem Einspritzventil schließt und dadurch die Brennstoffzuleitung 19 nach ihrer Absperrung durch teilweises Abspritzen von Restbrennstoff in den Brennraum druckentlastbar ist.

Nachstehend ist die Funktion dieser Brennstoffein-.25 spritzvorrichtung ausgehend von der in der Zeichnung dargestellten Lage ihrer beweglichen Teile beschrieben. In dieser Ausgangslage ist das Einspritzventil 4 und das Sicherheitsvorschaltventxl 21 geschlossen. Das Servoventil befindet sich dabei in einer Schalt-Stellung, in der der vordere Steuerdruckraum 40 über die Schließdruckleitung 39 an die Speiseleitung 32, der hintere Steuerdruckraum 42 des Sicherheitsvorschaltventiles 21 sowie der zweite Druckraum 17 des Einspritzventiles 4 dagegen über die zweite Druckleitung 38 druckentlastet an die Rücklaufleitung 33 angeschlossen sind. Das Einspritzventil 4 wird dabei

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durch den im ersten Druckraum 15 am Steuerkolben 7 anstehenden Brennstoffdruck in Schließlage gehalten.

Wenn nun vom Geber 30 ein Signal für einen Einspritz-Vorgang in das Servoventil 31 eingespeist wird, schaltet dieses intern um, wodurch

a) die Schließdruckleitung 3 9 von der Speiseleitung ab geschaltet und an die Rücklaufleitung 33 angeschlos sen wird, mit der Folge einer Druckentlastung des vorderen Steuerdruckraumes 40 des Sicherheitsvorschaltventiles 21, und

b) die zweite Druckleitung 38 von der Rücklaufleitung 33 abgeschaltet und an die Speiseleitung 32 angeschlossen wird mit der Folge, daß aufgrund der unterschiedlichen Druckübertragungsweglängen zunächst Druck im zweiten Druckraum 17 zur Öffnung des Einspritzventiles 4 und erst dann im hinteren Steuerdruckraum 42 zur öffnung des Sicherheitsvorschaltventiles wirksam wird.

Nach öffnung des Sicherheitsvorschaltventiles 21 ist die Brennstoffzuleitung 19 an die Brennstoffversorgung angeschlossen, so daß der Einspritzvorgang ablaufen kann. Sobald dem Servoventil 31 vom Geber das Ende des Einspritzvorganges signalisiert wird, schaltet dieses wieder in seine Ausgangslage zurück, bei welchem Vorgang die Schließdruckleitung 39 wieder an die Speiseleitung 32 und die zweite Druckleitung 38 wieder an .die Rücklaufleitung 33 angeschlossen werden. Diese wechselweise Umschaltung der beiden Druckleitungen 38 und 39 erfolgt gleichzeitig und ruft an den angeschlossenen Teilen folgende besondere Wirkung hervor.

Es wird zunächst der über die Schließdruckleitung 39 zugeführte Druck im vorderen Steuerdruckraum 40 wirk-

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sam, der größer ist als der im hinteren Steuerdruck— raum 42 anstehende Druck, so daß das Sicherheitsvorschaltventil 21 geschlossen und die Brennstoffzuleitung 19 abgesperrt wird. Letzteres deshalb, weil die Schließdruckleitung 39 wesentlich kürzer als die zweite Druckleitung 38 ist und damit die Druckentlastung des zweiten Druckraumes 17 erst zeitlich versetzt wirkr sam wird. Durch diese zeitlich versetzte Druckentlastung des zweiten Druckraumes 17 ergibt sich ein gegenüber dem Schließen des Sicherheitsvorschaltventtles zeitlich verzögertes Schließen des Einspritzventiles 4, mit dem gewünschten Effekt, daß die bereits abgesperrte Brennstoffzuleitung 19 durch teilweises Abspritzen von Restbrennstoff bis hin zu einem gewissen Restdruck druckentlastbar ist. Es erübrigen sich somit aufgrund dieser besonderen Ausgestaltung der Brennstoffeinspritzvorrichtung weitere Maßnahmen zur Druckentlastung des in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 befindlichen Brennstoffes. Durch das Absenken des , in der abgesperrten Brennstoffzuleitung 19 befindlichen Brennstoffes auf einen bestimmten Restdruck sind außerdem Beschädigungen der Brennstoffzuleitung durch Kavitationseffekte wirksam vermieden.

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Claims

Patentansprüche:

Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen/ bei der Brennstoff konstanten Druckes von einem Hochdruckspeicher über eine erste Druckleitung einem ersten, in Schließrichtung wirksamen Druckraum eines auf die Ventilnadel eines Einspritzventiles einwirkenden Steuerkolbens sowie über eine von der ersten Druckleitung abzweigende Brennstoffzuleitung einem Vorlageraum an der Ventilnadel zuführbar ist, bei der außerdem ein hydraulischer Steuerkreis mit einem von einem maschinensynchron gesteuerten Geber betätigbaren Servoventil vorgesehen ist, an das zulaufseitig eine Druckflüssigkeit konstanten Druckes führende Speiseleitung, ablaufseitig eine Rücklaufleitung sowie ausgangsseitig eine zu einem zweiten, in Öffnungsrichtung des Einspritzventiles wirkenden Druckraum am Steuerkolben führende Druckleitung angeschlossen ist, welches Servoventil außerdem ein Sicherheitsvorschaltventil steuert, das mit einem Schließelement in die Brennstoffzuleitung, diese in Brennstofflußrichtung absperrend, hineinragt und einen Druckkolben aufweist, der einen vorderen Steuerdruckraum und einen hinteren Steuerdruckraum begrenzt, welch letzterer über eine Steuerdruckleitung an die zweite Druckleitung angeschlossen ist, derart, daß der Druckkolben und der Steuerkolben zeitlich versetzt ansprechen und diese gesteuert duifch das Servoventil zur Betätigung in Öffnungsrichtung an die Speiseleitung, zwecks Rückführung in die Schließlage dagegen an die Rücklaufleitung anschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß auch der vordere Steuerdruckraum (40) des Sicherheitsvorschaltventiles (21) über eine Schließdruckleitung (39) mit einem Ausgang (35)

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des Servoventiles (31) verbunden ist, und gesteuert durch letzteres während der Zeit, in der die zweite Druckleitung (38) zur Öffnung des Sicherheitsvorschaltventiles (21) und des Einspritzventiles (4) an die Speiseleitung (32) angekoppelt ist, an die Rücklaufleitung (33) angeschlossen und druckentlastet, zur Schließung des Sicherheitsvorschal tv entiles (21) dagegen an die Speiseleitung (32) anschließbar ist.
2. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schließdruckleitung (39) wesentlich kürzer als die zum zweiten Druckraum (17) am Steuerkolben (7) führende zweite Druckleitung (38) ist, ferner die in Schließrichtung wirksame, an den vorderen Steuerdruckraum (40) des Sicherheitsvorschaltventiles (21) angrenzende Fläche (41 , 48) größer als jene in Öffnungsrichtung wirksame, den hinteren Steuerdruckraum (42) begrenzende Fläche (43) am Druckkolben (26) bemessen ist, derart, daß das Sicherheitsvorschaltventil (21) bei Druckbeaufschlagung in Schließrichtung zeitlich vor dem Einspritzventil (4) schließbar und die Brennstoffzuleitung (19) nach deren Absperrung durch teilweises Abspritzen von Restbrennstoff in den Brennraum druckentlastbar is,t.
3. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließelement

(22) des Sicherheitsvorschaltventiles (21) durch einen Ventilkegel (23) gebildet ist, der mit ei-, ner entsprechend angepaßten, an der Brennstoffzuleitung (19) angeformten kegeligen Sitzfläche (24) zusammenwirkt.

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4. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (26) des Sicher'heitsvorschaltventiles (21) im Gehäuse (5) des Einspritzventiles (4) und dort in einer Aufnahmekairaner (29) axial verschieblich angeordnet ist, durch deren Wände zusammen mit entsprechenden Flächen (41, 43, 48) am Druckkolben (26) der vordere und hintere Steuerdruckraum (40, 42) begrenzt ist. .
5. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließelement (22) des Sicherheitsvorschaltventiles (21) an der Stirnseite einer Verbindungsstange (25) zum Druckkolben (26) angeordnet ist, durch deren Länge die* Hubbewegung • des letzteren in Schließrichtung und damit das minimale Volumen des hinteren Steuerdruckraumes (42) begrenzt ist, während die Hubbewegung des Druckkolbens (26) in Öffnungsrichtung des Sicherheitsvorschaltventiles (21) und damit das minimale Volumen des vorderen Steuerdruckraumes (40) durch die Länge eines andernends der Verbindungsstange (25) am Druckkolben (26) angeordneten Anschlagbolzens (47) vorgegeben ist.
6. Brennstoffeinspritzvorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (26) des Sicherheitsvorschaltventiles (21) zusammen mit dem Anschlagbolzen (47), der Verbindungsstange (25) und dem Schließelement (22) einstückig ausgebildet ist.

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