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Magnetpol-Aufbau für ein elektromagnetisches Ventil, vorzugs-
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weise Brennstoff-Einspritzventil
Magnetpol-Aufbau
für ein elektromagnetisches Ventil, vorzugsweise Brennstoff-Einspritzventil Die
Erfindung bezieht sich auf einen Magnetpol-Aufbau für ein elektromagnetisches Ventil,
insbesondere für eine in einem elektromagnetischen Brennstoff-Einspritzventil angeordnete
Armatur.
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Bekannt ist ein Magnetpol-Aufbau für die Armatur eines elektromagnetischen
Brennstoffeinspritzventiles, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
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Das bekannte Ventil 11 besitzt ein als Joch dienendes Ventilgehäuse
3, eine in dem Gehäuse 3 aufgenommene Ventilnadel 1, einen am vorderen Ende des
Gehäuses 3 angeordneten Ventilsitz 10, der mit der Ventilnadel 1 eine Brennstoff-Einspritzöffnung
bildet, eine in dem mittleren Teil des Brennstoff-Einspritzventils 11 angeordnete
Armatur 2, die fest mit der Ventilnadel 1 verbunden ist, einen feststehenden, als
Brennstoffrohr ausgebildeten Eisenkern, ein
in dem Gehäuse 3 angeordneten,
eine Erregerspule 8 besitzenden elektromagnetischen Solenoid 7, und eine zwischen
der Armatur 2 und dem feststehenden Eisenkern 4 angeordnete, axial zu dem feststehenden
Eisenkern liegende Druckfeder 9.
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Zwischen der Armatur 2 und dem feststehenden Eisenkern 4 ist ein Abstand
5 angeordnet, und zwischen der Armatur 2 und dem Gehäuse 3 ist ein Abstand 6 angeordnet,
wodurch ein Magnetweg für den Solenoid 7 geschaffen ist.
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Wenn bei dieser bekannten Anordnung die Spule 8 erregt wird, wird
die Armatur 2 entgegen der Kraft der Feder 9 angezogen. Diese Anzugsbewegung zwischen
der Armatur 2 nnd dem Eisenkern 4 erzeugt eine öffnung zwischen der Ventilnadel
1 und dem Ventilsitz 10, so daß flüssiger Brennstoff mit hohem Druck aus dem Brennstoffrohr
eingespritzt wird.
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Die Leitungsfähigkeit des Magnetflusses in dem Magnetweg wird als"Permeanz"
bezeichnet.
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Wenn S, L und,u den Querschnittsbereich des Magnetkreises, die Länge
und die Permeabilität des den Magnetweg bildenden Materials bezeichnen, wird die
Permeanz, das heißt der Leitwert, ausgedrückt als P = /u S/L. Wenn bei Benutzung
einer identischen Spule und Stromstärke ein Magnetfeld gebildet wird, ist die Zahl
des Magnetflusses durch den magnetischen Weg um so grOßer, je größer die Permeanz
P ist. Wenn ein Magnetkreis aus einer Anzahl von Komponenten besteht, bezeichnet
Pl^Pn die Permeanz jeder Komponente, und die
Permeanz P im Durchschnitt
des Magnetkreises läßt sich ausdrücken als
Wenn jedoch in dem Magnetweg ein Abstand gegeben ist, wie bei dem Einspritzventil
11 der Fig. 1, ist die Permeabilität im Bereich des-Abstandes wesentlich kleiner
im Vergleich zu derjenigen in einem Eisenkern oder dergleichen. Es ist also festzustellen,
daß die Permeanz im Durchschnitt des Magnetkreises in weitem Umfange abhängt von
dem Querschnittsbereich und der Länge des Abstandes; das heißt, daß je kleiner der
Querschnittsbereich und je größer die Länge des Abstandes sind, desto kleiner ist
die Permeanz, so daß Schwierigkeiten für den Magnetfluß gegeben sind zum Passieren
des Abstandes.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besitzt das elektromagnetische Einspritzventil
11 zwei Abstände 5 und 6, wobei der erstere zwischen der Armatur 2 und dem feststehenden
Eisenkern 4 und der letztere zwischen der Armatur 2 und dem Gehäuse 3 sich befindet.
Der Abstand 5 kann nicht kleiner gemacht werden als es zur öffnung des Ventiles
11 zwecks Einspritzung des Brennstoffes erforderlich ist; der Abstand 6 muß groß
genug sein, damit die Armatur 2 und das Gehäuse 3 nicht in Kontakt miteinander treten
können und die Bewegung der Ventilnadel 1 verringern. Während außerdem in dem Abstand
5 die Armatur 2 und der feste Kern 4 einander anziehen zur Bewegung der Ventilnadel
1, wird in dem Abstand 6 die wechselseitige Anziehungskraft der Armatur 2 und des
Gehäuses 3 radial erzeugt,
das heißt senkrecht zur Richtung der
Bewegung der Ventilnadel 1. Hierbei ist festzustellen, daß der Abstand 6 lediglich
die Permeabilität des Magnetflusses reduziert und nicht zur effektiven Bewegung
der Ventilnadel 1 beiträgt.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Magnetpol-Aufbau
in einem elektromagnetischen Brennstoff-Einspritzventil zu schaffen, bei dem auch
der Abstand zwischen der Armatur und dem Ventilgehäuse wirksam ist zur Bewegung
der Ventilnadel, so daß der Magnetfluß wirkungsvoll ausgenutzt werden kann, bei
dem die elektromagnetische Antriebskraft im Vergleich zum Energieverbrauch erhöht
wird, bei dem sich ein kompaktes, leichtes Brennstoff-Einspritzventil hohen Ansprechvermögens
und hoher Leistung ergibt, das sich durch hohe Zuverlässigkeit und hohe Lebensdauer
auszeichnet, ohne daß die magnetischen Charakteristiken nachteilig beeinflußt werden.
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Erfindungsgemäß ist bei einem elektromagnetischen Brennstoff-Einspritzventil,
das eine mit einer Armatur ausgestattete, der intermittierenden Einspritzung des
Brennstoffes durch intermittierende Erregung einer Erregerspule eines elektromagnetischen
Solenoids dienende hin- und herbewegbare Ventilnadel besitzt, bei der die Armatur
unter der Wirkung einer entgegengesetzt der Anzugsrichtung arbeitende Feder hin-
;nd herbewegbar ist, ein Magnetpol-Aufbau vorgesehen,
bei dem zwei
zwischen den magnetischen Wegen des Solenoids in den festen Teilen und in den beweglichen
Teilen ausgeprägte Abstände ausgebildet sind, die in Anzugsrichtung der Armatur
liegen.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung ist ein zusätzlicher
Abstandshalter vorgesehen, dessen Material sich von demjenigen des magnetischen
Weges in den feststehenden Teilen unterscheidet. Das Abstandsglied oder der Anschlag
ist derart angeordnet, daß die Ventilnadel an ihn in Anlage treten kann während
des Anzuges der Armatur.
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Die beiliegenden Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungsformen
der Erfindung, und es bedeutet: Fig. 1 Ansicht im Schnitt eines bekannten Magnetpol-Aufbaues
bei einem Brennstoff-Einspritzventil; Fig. 2 Darstellung gemäß Fig. 1 mit einem
Magnetpol-Aufbau nach der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; Fig. 3A und
3B schematische Darstellungen der wesentlichen Teile des bekannten und des erfindungsgemäßen
Magnetpol-Aufbaues;
Fig. 4 und 5 Diagramme der Leistungscharakteristiken
der bekannten und der erfindungsgemäßen Aus führungs form; Fig. 6 Darstellung der
wesentlichen Teile einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung; Fig. 7 Darstellung
gemäß Fig. 6 einer dritten Ausführungsforin; Fig. 8 Darstellung gemäß Fig. 6 einer
vierten Ausführungsform; Fig. 9 Darstellung gemäß Fig. 6 einer fünften Ausführungsform;
Fig. 10 Darstellung gemäß Fig. 6 einer sechsten Ausführungsform.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen eine erste Ausführungsform der Erfindung.
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Ein elektromagnetisches Brennstoff-Einspritzventil 12 besitzt ein
Ventilgehäuse 13 aus ferromagnetischem Material, das als Joch dient.
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Das Gehäuse 13 besitzt eine Solenoidspule 14 mit den O-Ringdichtungen
15 und 16 und einen feststehenden Eisenkern 17 ebenfalls aus ferromagnetischem Material,
der als Brennstoffrohr dient. Das Gehäuse 13 besitzt an seinem vorderen Ende ein
Ventilnadelgehäuse 20, das mit dem Gehäuse 13 über einen nichtmagnetischen
Abstandshalter
18 und einen O-Ring 19 verbunden ist und eine Ventilnadel 22 aufnimmt. Das Ventilnadelgehäuse
20 besitzt einen Ventilsitz 23 an seinem vorderen Ende. Die Ventilnadel 22 besitzt
eine mit ihr fest verbundene Armatur 21, die einen radial gerichteten Flanschteil
24 aufweist und in dem Ventilnadelgehäuse axial hin- und herbeweglich ist durch
die Kraft einer Druckfeder 26, die zwischen der Armatur 21 und dem feststehenden
Eisenkern 17 angeordnet ist. Zu dem Flanschteil 24 ist ein ringförmiger Wandteil
25 des Gehäuses 13 orientiert, der sich radial nach innen erstreckt.
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In dem Ventil 12 sind Abstände vorgesehen zwischen den magnetischen
Wegen, die bestimmt sind durch die feststehenden Teile, nämlich das Gehäuse 13 und
den Eisenkern 17,und die beweglichen Teile, nämlich der Armatur 21. Diese Abstände
sind mit 27 und 28 bezeichnet, wobei der Abstand 27 definiert ist zwischen der axialen
Oberfläche der Armatur 21 und der Endfläche des feststehenden Eisenkerns 17 und
der Abstand 28 definiert ist zwischen der axialen Umfangs fläche des Flanschteiles
24 der Armatur 21 und dem ringförmigen Wandungsteil 25. Außerdem ist ein Abstand
29 vorgesehen zwischen der Armatur 21 und dem Ventilgehäuse 13, der breit genug
ist, so daß der Magnetfluß durch ihn hindurchpassieren kann.
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Die Arbeitsweise ist folgende.
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Die Fig. 3A und 3B zeigen im Vergleich den Magnetpol-Aufbau des Brennstoffeinspritzventils
11 nach der Erfindung (Fig. 3A) und den nach dem
Stand der Technik
bekannten Aufbau des Ventils 11 (Fig. 3B). Beim Stand der Technik ist lediglich
der Abstand 5 zwischen der Armatur 2 und dem feststehenden Eisenkern 4 wirksam zur
Erzielung der Anzugskraft für die Armatur 2, während erfindungsgemäß zusätzlich
zu dem dem Abstand S entsprechenden Abstand 27 zwischen der Armatur 21 und dem feststehenden
Kern 27 der- Abstand 28 zwischen dem Flanschteil 24 und dem ringförmigen Wandungsteil
25 für die Anziehungskraft der Armatur 21 wirksam ist.
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Hiezu ist festzustellen, daß die Fläche des Abstandes 28 mehrfach
größer ist als diejenige des Abstandes 27, so daß die Gesamtfläche der Abstände
27 und 28 bei der erfindungsgemäßen Ausführung das Mehrfache derjenigen nach dem
Stande der Technik bewegt.
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Die Charakteristiken der Anzugskraft für die Magnetpol-Aufbauten der
Fig. 1 und 2 wurden bestimmt. Die Ergebnisse sind in den Fig.
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4 und 5 aufgezeigt, wobei die Windungen und die Stromstärke der Spulen
8 und 14 identisch sind. Die Fig. 4 zeigt die Charakteristiken der Anzugskraft bezogen
auf den Abstandsbereich LG, der bei der Ventilbetätigung zur Verfügung steht. Die
Anzugskraft bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform, die in ausgezogener Linie
dargestellt ist, ist um 20 bis 30 % größer als diejenige bei der bekannten Ausfthrungsform
die in gestrichelten Linien gezeigt ist. Die Fig. 5 zeigt die Charakteristiken der
Anzugskraft der Armaturen 2 und 21 bezogen auf den Erregerstrom der Solenoidspulen
8 und 14.
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Die Charakteristik bei der Ausführungsform nach der Erfindung ist
wesentlich besser als diejenige nach dem Stande der Technik, Der Abstand 28 zwischen
dem Flanschteil 24 und dem Abstandshalter 18 ist etwas breiter als 0,1 mm entsprechend
der axialen Bewegung der Ventilnadel 22, und der Abstand 27 zwischen der Armatur
21 und dem feststehenden Eisenkern ist etwas weniger breit als 0,2 mm, was leicht
größer ist als die mögliche axiale Bewegung der Ventilnadel 22. Das Ventil 12 befindet
sich in geschlossener Position, wenn die Solenoidspule 14 nicht erregt ist.
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Bei intermittierender Erregung der Solenoidspule 14 für einen bestimmten
Zeitraum kommt der Flanschteil 24 der Armatur 21 zur Anlage an dem Abstandshalter
18 zwecks öffnung des Ventiles 20 und kehrt in seine ursprüngliche Stellung zur
Schließung des Ventils zurück.
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Während des Betriebes wird flüssiger Brennstoff aus dem Ventil 12
eingespritzt, dessen Menge der Einschaltzeit der Solenoidspule 14 entspricht. Es
ist festzustellen, daß die Armatur 21, obwohl sie mit dem ferromagnetischen Abstandshalter
18 bei erregter Solenoidspule 14 in Anschlag tritt, nicht mit dem ferromagnetischen
Gehäuse 13 und dem feststehenden Eisenkern 17 in Kontakt tritt. Auf diese Weise
kann die Armatur 21 mit Hilfe der Feder 26 unmittelbar in die Ventil-Schließstellung
zurückkehren, wodurch die Ansprechzeit bei der Ventilöffnung wesentlich vergrößert
wird.
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Außerdem kann, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt ist, der Leistungsverbrauch
der Solenoidspule 14 zur Anziehung der Armatur 21 erheblich reduziert werden. Weiterhin
kann der Zeitraum von der Aufnahme des Offnungssignals des Ventils bis zur tatsächlichen
Ventilöffnung durch Bewegung der Ventilnadel 22 verringert werden ohne Änderung
der äußeren Form und des Leistungsverbrauches des Ventils 20, wobei gleichzeitig
eine Prellbewegung der Ventilnadel 22 bei Ventilöffnung stark verringert ist. Daher
spricht das Brennstoff-Einspritzventil 12 sehr leicht an, und der Bereich der Fließgeschwindigkeit,
der sich linear mit der Öffnungszeit des Ventils wandert, ist relativ breit, so
daß eine genaue Brennstoffzumessung in dem Bereich vom Leerlaufbetrieb bis zur maximalen
Belastung gewährleistet ist.
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Die Fig. 6, die eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform zeigt,
entspricht der ersten Ausführungsform mit der Ausnahme, daß die Endfläche des feststehenden
Eisenkerns 30 mit der Oberfläche des ringförmigen Wandteiles 32 des Ventilgehäuses
31 fluchtet, und daß ein nichtmagnetischer Abstandshalter 34 über der ebenen Oberfläche
der Armatur33 angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform kann die Armatur 33 über
den Abstandshalter 34 mit der Endfläche des ringförmigen Wandteiles 32 des Ventilgehäuses
31 in Kontakt treten.
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Bei den beiden ersten Ausführungsformen wurden nichtmagnetische Abstandshalter
18 und 34 vorgesehen in dem Kontaktbereich zwischen den festen
und
den beweglichen Teilen des magnetischen Weges. Die Abstandshalter 18 und 34 können
fortgelassen werden, wenn wenigstens einer von ihnen ersetzt wird durch einen Permanentmagneten,
und wenn ein momentaner umgekehrter Erregungsstrom während der Einschaltzeit des
Erregerstromes fließt.
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Die Fig. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung und ähnelt
den Ausführungsformen der Fig 2 und 6 bezüglich der verschiedenen Teile, jedoch
ist das Material der Armatur 35, der Ventilnadel 37 und des Abstandshalters 39 modifiziert,
und es wird ein zusätzlicher Flanschteil 38 und ein Joch 20 verwendet. Die Armatur
35 mit ihrem Flanschteil 36 -ist oberflächengehärtet, beispielsweise durch eine
Nitrid-Behandlung. Die rückwärtige Oberfläche des Flanschteiles 36 der Armatur 35
ist aufgenommen an einem Flanschteil 38, der mit der Ventilnadel 37 einen Teil bildet,
die aus einem Material höherer Härte besteht. Der Abstandshalter 39 besteht aus
einem nichtmagnetischen Material, dessen Härte erhöht sein kann, beispielsweise
aus einem alterungsgehärteten Berylliumkupfer.
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Ein Hilfsjoch 20 ist an dem ringförmigen Wandteil 41 des Ventilgehäuses
40 befestigt, wobei das Joch 20 aus einem ferromagnetischen Material besteht, das
an seiner Oberfläche beispielsweise durch Nitrid-Behandlung gehärtet ist.
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Die Fig. 8 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die funktionell
ähnlich ist der Ausführungsform gemäß Fig. 4, bei der jedoch ein zusätzlicher Anschlag
vorgesehen ist.
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Die Abstände tragen die Bezugszeichen 47,50,58, und eine weitere Beschreibung
ist für gleiche Teile fortgelassen, trotzdem andere Bezugszeichen vorgesehen sind.
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Die Ventilnadel 43 besitzt einen verstärkenden Flanschteil 56, der
an der rückseitigen Oberfläche des Flanschteiles 48 der Armatur befestigt ist; das
äußere Ende des Flanschteiles 56 umgreift den Flanschteil 48 der Armatur 44 und
steht leicht gegenüber dieser vor. Zusätzlich besitzt der ringförmige Wandteil 49
des Ventilgehäuses 45 einen Anschlag 57,der fest in diesem aufgenommen ist, wobei
seine Oberfläche zur Endfläche des Flanschteiles 56 der Ventilnadel 53 orientiert
ist und mit der Oberfläche des ringförmigen Wandteiles 49 fluchtet. Der Anschlag
57 besteht aus einem nichtmagnetischen oder einem ferromagnetischen Material, das
eine vergleichbare niedrige Permeabilität besitzt, und dessen Härte erhöht ist.
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Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist folgende.
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Wenn die Solenoidspule 52 nicht erregt ist, wird die Ventilnadel aurch
die Kraft der Feder 53 gehalten und sitzt auf dem Ventilsitz des Nadelgehäuses 54auf.
Das elektromagnetische Brennstoff-Einspritzventil 55 befindet sich in geschlossener
Stellung und unterbricht die Brennstoff-Einspritzung. In dieser geschlossenen Ventilstellung
besitzt das Spiel 58 zwischen dem Anschlag 57 und dem Flanschteil 56 der
Ventilnadel
43 eine Breite von etwas mehr als 0,1 mm entsprechend dem der Größe der Bewegung
der Ventilnadel 43, und die Abstände 50 und 47 einerseits zwischen dem Flanschteil
der Armatur 44 und der Ringfläche des Wandungsteiles 49 des Gehäuses 45 und andererseits
zwischen der Armatur 44 und dem festen Eisenkern 46 besitzen eine Breite wenig unterhalb
0,2 mm, die leicht größer ist als der Betrag der axialen Bewegung der Ventilnadel
43.
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Wenn die Solenoidspule bei geschlossener Ventilstellung erregt wird,
kann die Armatur 44 angezogen werden durch einen relativ kleinen Anteil des Erregerstromes
als Ergebnis der Anziehungskraft, die in beiden Abständen 47 und 50 entwickelt wird.
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Hierbei ist die Feststellung wesentlich, daß die Armatur 44 nicht
an dem ringförmigen Wandteil 49 und dem feststehenden Eisenkern 46 anliegt, und
daß nur der Flanschteil 46 des Nadelteils 43 an dem Anschlag 57 anliegt.
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Auf diese Weise wird, wenn die Armatur 44 angezogen wird, kein Stoß
erteilt auf einen der magnetischen Wegglieder, nämlich der Armatur 44, des Ventilgehäuses
45 und des feststehenden Eisenkernes 46. Eine solche Stoßbelastung wird absorbiert
durch den Flanschteil 56,der Ventilnadel 43 und den Anschlag 57, die materiell stark
genug sind, wodurch die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Ventils 55 sichergestellt
ist.
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Außerdem ist die Armatur 44 nicht einem Restmagnetismus während der
Ausschaltzeit der Solenoidspule 52 ausgesetzt, und sie kann unverzüglich in die
geschlossene Ventilstellung zurückkehren durch die Federkraft 53, weil die Ventilnadel
43 und der Anschlag 57 aus einem nichtmagnetischen Material mit einer extrem niedrigen
Permeabilität, wie beispielsweise rostfreier Stahl, bestehen, und auch die Armatur
44 tritt am Ende ihres Anzughubes nicht unmittelbar in Kontakt mit den magnetischen
Weggliedern in dem Bereich der festen Teile einschließlich des Ventilgehäuses 45
und des festen Eisenkernes 46.
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Auf diese Weise ist das elektromagnetische Brennstoff-Einspritzventil
55 in hohem Grade empfindlich bei seiner Schließung, und die Brennstoffzumessung
kann mit hochgradiger Genauigkeit erfolgen während des Leer auf betriebes bis zur
maximalen Belastung.
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Die Fig. 9 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, die im
wesentlichen der vierten Ausführungsform sowohl in ihrem Aufbau als auch in ihrer
Funktion ähnlich ist mit der Ausnahme, daß ein Teil des Wandteiles 49 und des Anschlages
57 der vierten Ausführungsform ersetzt sind durch einen Anschlag 59, der aus einer
ferromagnetischen Anschlagbasis 60 und einem Anschlagteil 61 aus nichtmagnetischem
Material oder aus ferromagnetischem Material geringer Permeabilität besteht. Der
Anschlagteil 61 ist in einer Ausnehmung 62 der Anschlagbasis 60 aufgenommen, und
die zu der Ventilnadel 63 orientierte
Oberfläche und die Armatur
64 fluchten mit der Anschlagbasis 60 zur Erleichterung der Herstellung und der Montage
der einzelnen Teile.
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Die Fig. 10 zeigt eine sechste Ausführungsforin der Erfindung, die
der vierten -Ausführungsform sowohl hinsichtlich des Aufbaues als auch der Funktion
ähnlich ist mit der Ausnahme, daß die Oberfläche der Ventilnadel 65 mit derjenigen
der Armatur 66 fluchtet, wie aus Fig. 10 ersichtlich ist, und es wird ein abgestufter
Teil gebildet zwischen dem Wandteil 69 und dem Anschlag 67, der dem Anschlag 57
der vierten Ausführungsform äquivalent ist, wodurch die Ventilnadel 65 an dem Anschlag
67 am Ende ihres Anzughubes in Anlage treten kann.
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Die beispielsweisen Ausführungsformen stellen keine Beschränkung der
Erfindung dar, sondern es können an sich beliebige Abänderungen vorgesehen sein
unter der Voraussetzung, daß sie im Rahmen des der Erfindung zuzusprechenden allgemeinen
Erfindungsgedankens liegen.