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Die
Erfindung betrifft ein kraftausgeglichenes Steuerventil für
einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Servogesteuerte
Kraftstoffinjektoren für Common-Rail-Systeme mit einer
im Wesentlichen leckagefreien Düsennadelseite haben aufgrund
einer fehlenden Niederdruckstufe eine sehr kurze Verzögerungszeit
zwischen Ansteuerung und Einspritzung. Um bei derartigen Kraftstoffinjektoren
sowohl eine Nullmenge als auch ein plateaufreies Mengenkennfeld
sinnvoll realisieren zu können, ist ein schnell schaltendes
Magnetventil unbedingt erforderlich. Aus diesem Grunde wurden Magnetventile
kraft- bzw. druckausgeglichen ausgeführt, d. h., dass der
zu schaltende Raildruck keine resultierende Druckkraft auf einen
Ventilkolben des Magnetventils ausübt. Der Großteil
des Kraftpotentials des Magnetventils kann somit für die
Dynamik zum Schalten bereitgestellt werden und muss nicht als Schließkraft
für das Steuerventil vorgehalten werden.
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Magnetventile,
die zur Schaltung von Servokreisläufen von Kraftstoffinjektoren
eingesetzt werden, haben üblicherweise eine gewisse Niederdruckabhängigkeit.
Gerade die besagten druckausgeglichenen Magnetventile operieren
auf einem niedrigen statischen Kraftniveau und sind daher besonders empfindlich
gegen äußere Krafteinwirkungen. Die Niederdruckabhängigkeit
ist hauptsächlich durch die ausströmende Steuermenge
beim Öffnen des Magnetventils begründet, die eine
Druckwelle im Niederdruckkreis auslöst. Durch die Druckschwingungen entstehen
vor allem an den Ankerflächen des Magnetventils große
hydraulische Kräfte, die die Schaltcharakteristik stark
beeinflussen. Die Entstehung, Ausbreitung und Stärke der
Druckwellen in einer Zwei-Phasen-Strömung aus Gas und Luft,
wie sie im Ventilraum bzw. Rücklauf vorherrscht, sind nichtdeterministisch
und unterliegen starken Schwankungen. Der hohe Gasanteil im Rücklauf
ist hauptsächlich durch die kavitierende Ablaufdrossel
begründet.
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Ein
Kraftstoffinjektor mit einem kraftausgeglichenen Steuerventil, das
von einem Magnetaktor betätigt wird, welches zur Steuerung
des Drucks in einem hydraulischen Steuerraum dient und dazu einen Ventilkolben
mit einem Flachsitz aufweist, ist aus
EP 1 639 563 A2 bekannt. Bei geöffnetem
Steuerventil wird der über eine Zulaufdrossel mit einem
Hochdruckanschluss in Verbindung stehende hydraulische Steuerraum
mit einem Niederdruckanschluss verbunden, wodurch der Druck im hydraulischen Steuerraum
abfällt. Die an einer Druckschulter der Düsennadel
des Einspritzventilglieds wirkende Öffnungskraft übersteigt
infolgedessen die vom Steuerraum ausgehende Schließkraft.
Die Düsennadel wird von einem Düsennadelsitz abgehoben
und Kraftstoff mit dem Systemdruck des Common-Rails in den Brennraum
einer Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Zur
Verbesserung des dynamischen Verhaltens eines kraftausgeglichenen
Steuerventils wurde bereits in
DE-Patentanmeldung
10 2007 001 554.4 vorgeschlagen, die Absteuermenge aus
dem hydraulischen Steuerraum über eine durch den Ventilkolben geführte
axiale Bohrung und nicht über einen Ankerraum des Magnetaktors
in den Niederdruckanschluss abzuleiten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein kraftausgeglichenen Steuerventil
für einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, das sich durch
eine extrem hohe Robustheit und eine geringere Niederdruckabhängigkeit
auszeichnet.
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Darlegung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass während des Schaltvorgangs des Magnetankers der Kraftstoff
aus der Ankerraum in den Niederdruckanschluss abgesaugt wird, entsteht
im Ankerraum ein niedriges Druckniveau. Aufgrund dessen wird ein
hydraulisches Kleben des Magnetankers am Hubanschlag beim Schließvorgang des
Luftspalts verhindert, weil im gesamten Ankerraum ein Unterdruck
vorherrscht und kein Druckunterschied zwischen Ankeroberseite und
Ankerunterseite auftreten kann, auch dann nicht, wenn durch die Schließbewegung
am Hubanschlag in Folge eines Quetschspaltes ein Unterdruck entsteht.
Zum anderen wird verhindert, dass ein durch die Absteuermenge aus
dem Steuerraum bedingter Druckanstieg nur einseitig am Magnetanker
vorliegt und so eine parasitäre Kraft auf den Magnetanker
wirkt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen
der Unteransprüche möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist es, über die hydraulische Verbindung eine
Saugwirkung im Ankerraum zu erzeugen. Dazu ist im Abströmkanal
eine Strömungsverengung ausgebildet, in welche die hydraulische
Verbindung mündet. Die Absaugung aus dem Ankerraum wird
dabei vorteilhafterweise mittels eines Wirkdruckverfahrens realisiert.
Dazu weist die Strömungsverengung die Funktion einer Venturi-Düse
auf, so dass aufgrund der durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit
in der Strömungsverengung resultierenden Druckerniedrigung
ein Wirkdruck entsteht, durch den über die hydraulischen
Verbindung Kraftstoff aus dem Ankerraum heraus in den Abströmkanal
abgesaugt wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform des Steuerventil ist der Abströmkanal
von einer in der Ventilhülse ausgebildeten Durchgangsbohrung
realisiert, wobei die Strömungsverengung als Durchmesserverengung
der Durchgangsbohrung ausgebildet ist. Dazu ist es auch möglich,
in die Durchgangsbohrung einen Einsatz einzusetzen, in welchem die
Durchmesserverengung ausgebildet ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des Steuerventil ist der Abströmkanal
von einem Ringspalt gebildet, der einen in die Durchgangsbohrung eingesetzten
Druckstift umgibt. Die Strömungsverengung wird hierbei
durch einen vom Druckstift gebildeten, verengten Ringspalt ausgebildet.
Der Druckstift begrenzt dabei mit einer steuerraumseitigen Stirnfläche
die hochdruckseitige Ventilkammer. Der Ringraum ist über
eine durch die Wandung der Ventilhülse geführten
Querbohrung mit der niederdruckseitigen Ventilkammer hydraulisch
verbunden.
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Zweckmäßigerweise
ist die Ventilhülse am Außenumfang in einer an
einem Gehäuseteil ausgebildeten Führung axial
beweglich geführt, wobei die Führung den Ankerraum
begrenzt. Außerdem ist es zweckmäßig,
wenn zwischen Magnetanker und einer Magnetbaugruppe des Stellelements
eine Anschlagscheibe zur Ausbildung eines Restluftspalts angeordnet
ist. Dadurch, dass die Ventilhülse eine Verlängerung
aufweist, mit der die Ventilhülse in eine benachbarte Federkammer
hineinragt, bildet sich zwischen Federkammer und Verlängerung
eine hydraulische Drossel aus, die permanent über den gesamten
Hub der Ventilhülse wirkt.
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Ausführungsbeispiele
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Die
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
steuerventilseitigen Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel und
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2 einen
steuerventilseitigen Ausschnitt eines Kraftstoffinjektors gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel.
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Der
als Ausschnitt in den 1 und 2 dargestellte
Kraftstoffinjektor weist ein Injektorgehäuse 11 mit
mehrerer Gehäuseteile 11.1 bis 11.4,
eine Düsennadel 12, ein Steuerventil 13 und
ein Magnetaktor 14 als Stellelement auf. Die Düsennadel 12 gehört
zu einem an sich bekannten Einspritzventilglied, über das
Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt
wird. Der Kraftstoff wird dabei über einen nicht dargestellten
Kraftstoff-Hochdruckspeicher (Common-Rail) einer Dieseleinspritzeinrichtung
bereitgestellt.
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Im
Gehäuseteil 11.1 ist die Düsennadel 12 geführt
und ein hydraulischer Steuerraum 15 ausgebildet, wobei
die Düsennadel 12 mit einer Druckfläche 16 dem
Steuerraum 15 ausgesetzt ist. In den Steuerraum 15 führt
eine Zulaufbohrung 17 mit einer Zulaufdrossel, wobei die
Zulaufbohrung 17 an einen nicht dargestellten Hochdruckanschluss
des Kraftstoff-Hochdruckspeichers angeschlossen ist.
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Das
Steuerventil 13 weist eine Ventilhülse 20 mit
einem tellerförmigen Magnetanker 22 und einer Durchgangsbohrung 23 auf.
Die Ventilhülse 20 ist in einer Führungsbohrung 24 im
Gehäuseteil 11.3 hydraulisch dicht geführt
und wird mittels einer Ventilfeder 25 mit einer Ringfläche 26 gegen
eine Dichtfläche 27 gedrückt. Zwischen
Ringfläche 26 und Dichtfläche 27 bildet
sich ein Ventilsitz 30 aus. Die Ringfläche 26 ist
beim Ausführungsbeispiel in 1 an der
Ventilhülse 20 außen eingeschliffen,
so dass der Ventilsitz 30 außen an der Ventilhülse 20 liegt.
Die Dichtfläche 27 ist an einer vom Gehäuseteil 11.2 ausgebildeten Ventilplatte 29 ausgebildete.
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Der
Ventilsitzes 30 trennte eine niederdruckseitige Ventilkammer 31 von
einer hochdruckseitigen Ventilkammer 32. Die Durchgangsbohrung 23 steht mit
der niederdruckseitigen Ventilkammer 31 hydraulisch in
Verbindung und bildet einen Abströmkanal 41, der
in einen Federraum 34 mündet, der wiederum über
eine Rücklaufleitung 35 mit einem nicht dargestellten
Niederdruck-/Rücklaufsystem hydraulisch verbunden ist.
Die hochdruckseitige Ventilkammer 32 ist über
eine Ablaufbohrung 37 mit einer Ablaufdrossel mit dem Steuerraum 15 hydraulisch
verbunden. Am tellerförmigen Magnetanker 22 ist
die Ventilhülse 20 von einem Ankerraum 33 umgeben.
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Im
Gehäuseteil 11.4 ist der Magnetaktor 14 mit
eine Magnetbaugruppe angeordnet, die eine Magnetspule 18 und
einen Magnetkern 19 umfasst, wobei die Magnetbaugruppe
die Magnetkraft für den Magnetanker 22 erzeugt.
An der magnetbaugruppenseitigen Stirnfläche des Magnetankers 22 ist
eine Anschlagscheibe 36 angeordnet, die zwischen der Magnetbaugruppe
und der magnetbaugruppenseitigen Stirnfläche des Magnetankers 22 einen
Restlaufspalt einstellt. Dieser Restluftspalt soll verhindern, dass
der Magnetanker 22 bei Deaktivieren der Magnetbaugruppe
kleben bleibt. Zwischen der magentankerseitigen Stirnfläche
der Magnetbaugruppe und der Anschlagscheibe 36 liegt im
geschlossenen Zustand des Ventilsitzes 30 ein Spalt vor,
der sich mit dem Ankerhub der Ventilhülse 20 verengt
bis er mit dem Anschlagen der Anschlagscheibe 36 an der
Magnetbaugruppe geschlossen ist. Der Spalt bildet somit eine in
Abhängigkeit vom Ankerhub der Ventilhülse 20 verstellbare
hydraulische Drossel 45 aus.
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Beim
Ausführungsbeispiel in 1 ist in
die Durchgangsbohrung 23 der Ventilhülse 20 ein
Einsatz 38 mit einer Durchmesserverengung 39 angeordnet.
Die Durchmesserverengung 39 bildet innerhalb der Durchgangsbohrung 23 einen
Strömungsverengung 40 aus. Von der Durchmesserverengung 39 zweigt
eine hydraulischen Verbindung 42 ab, die an der Außenfläche
der Ventilhülse 20 in den Ankerraum 33 mündet.
Die Durchmesserverengung 39 bildet zusammen mit der hydraulischen
Verbindung 42 eine Venturi-Düse, deren Wirkung
später im Zusammenhang mit der Funktion des Steuerventils 13 beschrieben
wird. Die Strömungsverengung 40 zur Ausbildung
der Venturi-Düse kann beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1 in der Durchgangsbohrung 23 eingearbeitet
sein. Es ist aber auch die in 1 gezeigt
Ausführung möglich, nämlich den Einsatz 38 mit
der Durchmesserverengung 39 als separates Bauteil in die
Durchgangsbohrung 23 einzusetzen.
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 1 befindet
sich die niederdruckseitige Ventilkammer 31 in der Durchgangsbohrung 23 innerhalb
der Ventilhülse 20. Die hochdruckseitige Ventilkammer 32,
die mit dem Steuerraum 15 über die Ablaufbohrung 37 verbunden
ist, ist als Ringkammer außerhalb der Ventilhülse 20 angeordnet.
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist in
der Durchgangsbohrung 23 der Ventilhülse 20 ein Druckstift 51 mit
einer steuerraumseitigen Stirnfläche 52 und einer
Auflagefläche 53 angeordnet. Die Auflagefläche 53 stützt
sich an einer als Widerlager dienenden Stützfläche 54 am
Gehäuseteil 11.4 ab. Der Druckstift 51 ist
mit einem Zylinderabschnitt 55 in der Durchgangsbohrung 23 hydraulisch
dicht geführt. Anschließend an den Zylinderabschnitt 55 ist
der Druckstift 51 mit einem ersten bolzenförmigen
Abschnitt 56.1 und einem zweiten bolzenförmigen
Abschnitt 56.2 ausgeführt. Zwischen den bolzenförmigen
Abschnitten 56.1 und 56.2 ist eine Kegelformabschnitt 57 angeordnet.
Außerdem ist zwischen den Mantelflächen der bolzenförmigen
Abschnitte 56.1 und 56.2 und der Durchgangsbohrung 23 der
Ventilhülse 20 ein erster Ringspalt 58.1 und ein zweiter
Ringspalt 58.2 ausgebildet. Zwischen den Ringspalten 58.1 und 58.2 befindet
sich der Kegelformabschnitt 57, der eine inverse Form einer
Venturi-Düse bilden, so dass durch den Kegelformabschnitt 57 zwischen
den beiden Ringspalten 58.1 und 58.2 ein verengter
Ringspalt 59 entsteht, der die Strömungsverengung 40 ausbildet.
Im Bereich des verengten Ringspalts 59 mündet
eine durch die Ventilhülse 20 geführte
hydraulische Verbindung 62, die in den Ankerraum 33 führt.
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Zur
Ausbildung des Ventilsitzes 30 ist beim Ausführungsbeispiel
in 2 die dichtende Ringfläche 26 am
Innendurchmesser der Ventilhülse 20 eingeschliffen.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel in 1 ist
die hochdruckseitige Ventilkammer 32 innerhalb der Ventilhülse 20 ausgebildet.
Die hochdruckseitige Ventilkammer 32 wird von der steuerraumseitigen
Stirnfläche 52 des Druckstiftes 51 begrenzt.
Die niederdruckseitige Ventilkammer 31 umgibt von außen
die Ventilhülse 20 im führungsfreien Abschnitt
in der Nähe des Ventilsitzes 30. Durch die Wandung
der Ventilhülse 20 ist weiterhin eine Verbindungsbohrung 63.
geführt, die die niederdruckseitige Ventilkammer 31 mit
dem Ringspalt 58.1 verbindet.
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Das
Ausführungsbeispiel in 2 unterscheidet
sich weiterhin vom Ausführungsbeispiel in 1 dadurch,
dass die Ventilhülse 20 einen verlängerten
Abschnitt 65 aufweist, der in den Federraum 34 mittels
eines Führungsspalts 66 hineinragt. Der Führungsspalt 66 bildet
eine zweite hydraulischen Drossel 67 aus. Die Ablaufbohrung 37 ist
ebenfalls durch die Ventilplatte 19 geführt und
verbindet den Steuerraum 15 mit der innerhalb der Ventilhülse 20 ausgebildeten
hochdruckseitigen Ventilkammer 42. Außerdem ist
beim Ausführungsbeispiel in 2 der Federraum 34 über
einen Verbindungskanal 69 mit der Rücklaufleitung 35 verbunden.
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die
Venturi-Düse als Ringdüse ausgeführt,
wobei der in die Durchgangsbohrung 23 eingesetzte Druckstift 51 entsprechend
geformt ist. Zusätzlich ist die vom Hub des Magnetankers 22 beeinflusste
Drossel 45 durch die permanente Drossel 67 erweitert.
Auf diese Weise kann die Rückbefüllung des Ankerraums 33 verzögert
werden.
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Beim
Kraftstoffinjektor gemäß 1 und 2 wird
durch Betätigung des Magnetaktors 14 der Magnetankers 22 mit
der Ventilhülse 20 mit Hilfe der Magnetkraft der
Magnetbaugruppe vom Ventilsitz 30 abgehoben. Dadurch wird
die hochdruckseitige Ventilkammer 32 mit der niederdruckseitigen
Ventilkammer 31 hydraulisch verbunden. Da die niederdruckseitige
Ventilkammer 31 permanent mit der Rücklaufleitung 35 in
Verbindung steht, wird bei geöffnetem Ventilsitz 30 über
die Ablaufbohrung 37 auch der Steuerraumdruck entlastet.
Dadurch entsteht an einer nicht dargestellten Druckschulter eine in Öffnungsrichtung
wirkende Öffnungskraft an der Düsenadel 12,
die größer ist als die im Steuerraum 15 wirkende
Schließkraft. Die Düsennadel 12 wird geöffnet
und dadurch Kraftstoff mit dem vom Kraftstoff-Hochdruckspeicher
bereitgestellten Systemdruck in die Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Auch
im geöffneten Zustand ist die Ventilhülse 20 druckausgeglichen,
weil die niederdruckseitige Ventilkammer 31 über
die Durchgangsbohrung 23 mit dem an den Niederdruck angeschlossenen
Federraum 34 hydraulisch verbunden ist. Somit liegt an der
Unterseite und an der Oberseite der Ventilhülse 20 nahezu
das gleiche Druckniveau vor. Vorteilhafterweise ist der Durchmesser
des Federraums 34 etwas größer als der
Außendurchmesser der Ventilhülse 20,
um den Druckverlust über die Strömungsverengung 40 auszugleichen.
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Durch
die nach dem Venturi-Düsen-Prinzip arbeitende Strömungsverengung 40 wird
der statische Hydraulikdruck in der Durchgangsbohrung 23 stark
reduziert, so dass aufgrund der größeren Strömungsgeschwindigkeit
an der engsten Stelle ein Unterdruck entsteht, der über
die hydraulischen Verbindungen 42, 62 Kraftstoff
aus dem Ankerraum 33 absaugt, wodurch der Ankerraum 33 nahezu
evakuiert wird. Die Absaugung wird dadurch begünstigt,
dass der Magnetanker 22 beim Öffnen an die Magnetbaugruppe
anschlägt, wodurch der Ankerraum 33 vom Federraum 34,
der permanent mit dem Rücklauf 35 verbunden ist,
hydraulisch abgekoppelt wird. Der Ankerraum 33 kann dadurch
nicht aus dem Niederdruck-/Rücklaufsystem rückbefüllt
werden. Durch die Absaugung und die hydraulische Abkopplung des Ankerraums 33 vom
Federraum 34 wird ein Druckunterschied an der oberen und
unteren Stirnfläche des tellerförmigen Magnetankers 22,
der entweder durch die abströmende Steuermenge oder ein
hydraulisches Kleben begründet ist, vermieden.
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Wird
der Magnetaktor 14 deaktiviert, bricht die Magnetkraft
zusammen und die Ventilhülse 20 wird durch die
Ventilfeder 25 wieder in den Ventilsitz 30 gestellt.
Mit zunehmenden Hub der Ventilhülse 20 wird die
Drossel 45 zwischen Magnetanker 22 und Magnetbaugruppe
geöffnet und der Ankerraum 33 wird wieder aus
dem Federraum 34 mit Kraftstoff befüllt.
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Die
Ventilhülse 20 und der Magnetanker 22 können
entweder aus einem Teil gefertigt werden oder der Magnetanker 22 wird
auf die Ventilhülse 20 aufgepresst bzw. aufgenietet.
Der Ankerhub wird über die Magnetbaugruppe, bzw. über
die Anschlagscheibe 36 begrenzt. Der Restluftspalt wird
mit der Anschlagscheibe 36 eingestellt, die aus einen nichtmagnetischen
Material besteht. Es ist aber genauso möglich, auf die
Anschlagscheibe 36 zu verzichten und anstelle dessen die
magnetbaugruppenseitige Stirnfläche des Magnetankers 22 mit
einer Chromschicht zu versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1639563
A2 [0004]
- - DE 102007001554 [0005]