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Stand der Technik
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Ein
Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, bei
welchem ein Einspritzventilglied über ein magnetbetriebenes
Steuerventil angesteuert wird, ist aus
EP-A 1 612 403 bekannt. Mit
Hilfe des Steuerventiles ist eine Ablaufdrossel aus einem Steuerraum
in den Kraftstoffrücklauf verschließbar oder freigebbar.
Der Steuerraum wird an einer Seite durch einen Steuerkolben begrenzt,
mit welchem ein Einspritzventilglied angesteuert wird, dass mindestens
eine Einspritzöffnung in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
freigibt oder verschließt. Die Ablaufdrossel ist in einem
Körper aufgenommen, welcher auf der dem Steuerraum abgewandten
Seite mit einem sich verjüngenden Ventilsitz versehen ist.
In diesen Ventilsitz ist ein Schließelement stellbar, das
mit dem Anker des Magnetventils verbunden ist. Hierzu ist am Schließelement
eine Kante ausgebildet, welche gegen einen konisch ausgeformten
Sitz gestellt wird. Das Schließelement bewegt sich auf
einer axialen Stange, welche mit dem Körper, in dem die
Ablaufdrossel ausgebildet ist, einstückig verbunden ist.
Damit das Ventil dicht schließt, ist es notwendig, hochpräzise
Oberflächen herzustellen sowie eine hochgenaue Passung
des Schließelementes vorzusehen, um zu vermeiden, dass
das Schließelement verkantet, wodurch der Sitz nicht vollständig
geschlossen wird und ein Druckverlust sowie eine Leckage entsteht.
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Bei
zum Beispiel an Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail)
eingesetzten Kraftstoffinjektoren können hubgesteuerte
Injektoren eingesetzt werden, die mittels eines Magnetventiles zur Steuerung
des Druckes in einem Steuerraum betrieben werden. Das bevorzugt
nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied wird zum
Beispiel über einen Servosteuerraum gesteuert. Der Druck
im Steuerraum wird über das Magnetventil, das ein kugelförmiges
Schließelement aufweist, gesteuert. Das Magnetventil ist
in der Regel nicht druckausgeglichen und benötigt daher
hohe Federkräfte, hohe Magnetschaltkräfte und
einen aufgrund der Dimensionierung von Feder und Magneten erheblich
vergrößerten Bauraum. Von Nachteil bei Magnetventilen,
die eine Kugel als Schließelement aufweisen, ist der Umstand,
dass starke Einschränkungen hinsichtlich der Abfolge von
Mehrfacheinspritzungen bestehen, so dass in der Regel sehr kurze
aufeinander folgende Einspritzabstände nicht realisiert
werden können.
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Zur
Einbringung von Kraftstoff in direkteinspritzende Verbrennungskraftmaschinen,
insbesondere selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen, werden
zur Zeit vermehrt hubgesteuerte Common-Rail-Einspritzsysteme eingesetzt.
Der Vorteil dieser Systeme ist der Umstand, dass der Einspritzdruck
an Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine angepasst werden
kann. Bekannt sind hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren, die über
ein Magnetventil betätigt werden. Das Einspritzventilglied wird über
einen Servo-Steuerraum gesteuert. Der Druck im Steuerraum des Kraftstoffinjektors
wiederum wird über ein Magnetventil gesteuert. Für
eine verbesserte Injektorabstimmung ist ein Magnetventil notwendig,
welches möglichst kurze Schaltzeiten, demnach hohe Schaltgeschwindigkeiten
aufweist. Der Einsatz eines druckausgeglichen ausgebildeten Ventilkolbens
ermöglicht kleine Federkräfte, kleinere Magnetkräfte,
die durch den Elektromagneten zu erzeugen sind sowie kleinere Ventilhübe
und somit kürzere Schaltzeiten. Durch die kürzeren
Ventilschaltzeiten kann die Einspritzperformance, insbesondere die
Mehrfacheinspritzfähigkeit des Kraftstoffinjektors verbessert
werden.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil, insbesondere ein
Magnetventil bereitzustellen, welches sehr kurze Schaltzeiten realisiert.
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Erfindungsgemäß wird
ein Magnetventil vorgeschlagen, dessen Ankerbaugruppe insbesondere eine
Ankerplatte aufweist, die im Randbereich entdrosselt ist und Ausnehmungen
bzw. Öffnungen aufweist, die eine Beschleunigung der Bewegung
der Ankerplatte der Ankerbaugruppe durch den Kraftstoff ermöglichen.
Durch die Ausnehmungen, die in vorteilhafter Weise als gerade Schlitze
in unterschiedlichen Längen entlang des Umfangs alternierend
ausgebildet sein können, oder auch als Bohrungen in der Ankerplatte
ausgeführt sind, können die Dämpfungskräfte,
d. h. die bei der Bewegung auftretenden Strömungskräfte,
die auf die Ankerplatte bewegen und diese verlangsamen, reduziert
werden. Dadurch sind schnelle Schaltbewegungen der Ankerplatte der
Ankerbaugruppe möglich.
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Bei
den bisher in der Regel eine flächige Ankerplatte ohne
Durchbrechungen aufweisenden Ankerbaugruppen treten Wirbelströme
auf, die die Geschwindigkeit des Magnetkraftaufbaus und des Magnetkraftabbaus
begrenzen. Den Wirbelstromverlusten kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung ebenfalls entgegengewirkt werden, indem im Randbereich
der Ankerplatte, insbesondere gerade verlaufende Schlitze angebracht
werden, die in alternierender Abfolge in kürzerer oder
längerer Länge ausgeführt sind. Durch
diese Lösung wird die relativ große Fläche
der Ankerplatte, die im Kraftstoff bewegt werden muss, besonders
gut entdrosselt, ohne weiteren Magnetkraftverlust durch eine Reduktion der
Fläche am Innenpol des Elektromagneten zu verursachen.
Eine gerade Schlitzung der Ankerplatte reduziert die Dämpfung
von deren Bewegung im Kraftstofffluid bereits beträchtlich
und trägt ferner zur Verminderung der Wirbelströme
bei. Ferner lässt sich eine gerade Schlitzung überaus
kostengünstig fertigen.
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Alternativ
zu den bevorzugt in alternierender Abfolge entlang des Umfangs der
Ankerplatte ausgebildeten geraden langen Schlitzen, wäre
auch eine Kombination aus kurzen Schlitzen und zusätzlichen Öffnungen,
zum Beispiel Bohrungen in den Teilflächen der Ankerplatte
vorteilhaft. Besonders vorteilhaft ist eine Ankergeometrie mit geraden
Schlitzen, die bei einem schnell schaltenden, insbesondere druckausgeglichen
ausgebildeten Ventil eingesetzt wird, da durch diese Maßnahme
die Ventilgeschwindigkeit, d. h. die Schaltgeschwindigkeit des Ankers zwischen
Ventilsitz und oberem Anschlag weiter erhöht wird. Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Ankergeometrie
kann jedoch auch bei nicht druckausgeglichen ausgebildeten Schaltventilen
für andere Einsatzzwecke angewendet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 einen
Längsschnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor mit Magnetventil,
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2 eine
Draufsicht auf eine erste Ausführungsvariante einer Ankerplatte
und
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3 eine
Draufsicht auf eine zweite Ausführungsmöglichkeit
der Ankerplatte des Magnetventiles.
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Ausführungsformen
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht ein Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäß ausgeführten
Kraftstoffinjektor hervor.
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Ein
Kraftstoffinjektor 10 wird über einen Druckspeicher 12,
in dem ein Systemdruck herrscht, mit Kraftstoff beaufschlagt. Die
Beaufschlagung des Druckspeichers 12 (Common-Rail) kann
durch ein Hochdruckförderaggregat, wie zum Beispiel eine Hochdruckpumpe
eines Hochdruckspeichereinspritzsystems erfolgen, die in der Darstellung
gemäß 1 nicht dargestellt ist. Eine
vom Druckspeicher 12 zum Kraftstoffinjektor 10 verlaufende
Hochdruckleitung 14 mündet in einen Injektorkörper 16,
in dem sich ein Speichervolumen 18 befindet. Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst
neben dem Injektorkörper 16 einen Düsenkörper 20 sowie
ein Aktorgehäuse 22. Im Aktorgehäuse 22 ist
ein schnell schaltendes Schaltventil 24 untergebracht,
welches in der Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 gemäß 1 als Magnetventil
ausgebildet ist. Das als Magnetventil ausgebildete Schaltventil 24 umfasst
einen Magnetkern 26, in den eine Magnetspule 28 eingebettet
ist. Des Weiteren befindet sich im Magnetkern 26 eine Durchgangsbohrung,
in welcher, eingebettet in eine Hülse 52, eine
Schließfeder 54 eingelassen ist, die ein Ventilglied 44 des
Schaltventiles 24 in Schließrichtung beaufschlagt.
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Das
im Injektorkörper 16 ausgebildete Speichervolumen 18 dient
der Dämpfung hydraulischer Schwingungen zwischen dem Druckspeicher 12 und dem
Kraftstoffinjektor 10. Des Weiteren umfasst der Kraftstoffinjektor 10 ein
Ventilstück 30, welches einen Steuerraum 34 begrenzt.
Der Steuerraum 34 ist über eine Zulaufdrossel 36 mit
dem Speichervolumen 18 verbunden und wird über
die Zulaufdrossel 36 mit unter Systemdruck stehenden, im
Speichervolumen 18 bevorrateten Kraftstoff beaufschlagt.
Eine Druckentlastung des Steuerraumes 34 erfolgt über
einen Ablaufkanal 40, in dem mindestens eine Ablaufdrossel 38 ausgebildet
ist. Der Ablaufkanal 40 mündet unterhalb eines
Ventilsitzes 42, der in der Darstellung gemäß 1 durch
das Ventilglied 44 geschlossen ist. Im einfachsten Fall
ist der Ventilsitz 42 in der Planfläche des Ventilstücks 30 als
Flachsitz ausgeführt.
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Durch
Druckentlastung des Steuerraumes 34 erfolgt die Betätigung
eines bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32.
An diesem befindet sich ein umlaufender Bund, an dem sich eine Schließfeder 66 abstützt.
Die Schließfeder 66, welche das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 32 in seinen Sitz 72 stellt,
stützt sich andererseits an einer unteren Ringfläche
des Ventilstücks 30 ab.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 1 des Weiteren
hervorgeht, ist das bevorzugt nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied 32 auch im Düsenkörper 20 geführt.
Im Bereich der Führung des Einspritzventilgliedes 32 im
Düsenkörper 20 befinden sich an der Mantelfläche
des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 ein
oder mehrere Anschliffe 68. Über diese strömt
unter Systemdruck stehender Kraftstoff aus dem Speichervolumen 18 in
einen Ringraum 70 ein und steht am Sitz 72 an.
Im in 1 dargestellten Zu stand ist das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 32 in seinen Sitz 72 gestellt,
so dass Einspritzöffnungen 74, welche am brennraumseitigen
Ende des Kraftstoffinjektors 10 ausgeführt sind,
verschlossen bleiben.
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Der
Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass bei dem
Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Ausführung in 1 das
Schaltventil 24 eine Ankerbaugruppe betätigt.
Die Ankerbaugruppe umfasst eine Ankerplatte 46, an der
das Ventilglied 44 ausgeführt ist. Das Ventilglied 44 ist
in einer Ankerführung 48 geführt. Die
Ankerführung 48 liegt auf der oberen Planfläche
des Ventilstücks 30 auf. Die Ankerführung 48 und
das Ventilstück 30 werden über eine Ventilspannmutter 50 an
eine Schulter des Injektorkörpers 16 angestellt
und dort fixiert. Die Ventilspannmutter 50 weist einen
Gewindeabschnitt auf, der in der Darstellung gemäß 1 mit
einem korrespondierenden Gewinde an der Innenseite des Aktorgehäuses 22 verschraubt
ist. Das Ventilglied 44, an dessen oberen Ende die Ankerplatte 46 ausgebildet
ist, wird an einem Druckstift 62 geführt, so dass
das Schaltventil 24 druckausgeglichen ist. Dadurch lassen
sich kleinere Federkräfte, die in Schließrichtung
auf den Ventilsitz 42 wirken, realisieren; andererseits
sind kleinere Magnetkräfte zur Betätigung eines
druckausgeglichen ausgeführten Schaltventiles 24 möglich.
Dies wiederum gestattet kleinere Ventilhübe und schnellere
Schaltzeiten, welche die Mehrfacheinspritzfähigkeit des
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektors 10 erheblich
begünstigen. Andererseits besteht jedoch auch die Möglichkeit,
ein konventionelles Schaltventil 24 einzusetzen.
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Darüber
hinaus ermöglicht die Ankerführung 48 eine
präzise Führung des Ventilgliedes 44,
so dass das exakte Auftreffen des Ventilgliedes 44 im Ventilsitz 42 gewährleistet
ist.
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Der
Druckstift 62 weist im Wesentlichen denselben Durchmesser
wie der Ventilsitz 42 auf, um Druckkräfte am Ventilglied 44 zu
minimieren, so dass dieses druckausgeglichen ist.
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Bei
der Ansteuerung der Magnetspule 28 bewegt sich die Ankerplatte 46 zusammen
mit dem Ventilglied 44 in Öffnungsrichtung nach
oben. Dadurch erfolgt eine Druckentlastung des Steuerraumes 34,
so dass das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 32 in
diesen einfährt und aus seinem Sitz 72 ausfährt.
Aus dem Speichervolumen 18 strömt über
den mindestens einen Anschliff 68 an der Mantelfläche
des Einspritzventilgliedes 32 und den Ringraum 70 unter
Systemdruck stehender Kraftstoff den geöffneten Einspritzöffnungen 74 zu. Der
unter Systemdruck stehende Kraftstoff wird in den Brennraum der
Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
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Zum
Beenden des Einspritzvorganges wird die Bestromung der Magnetspule 28 beendet.
Aufgrund der Wirkung der Schließfeder 54 wird
das Ventilglied 44 in den Ventilsitz 42 ge stellt
und die Druckentlastung des Steuerraumes 34 über
den Ablaufkanal 40 mit Ablaufdrossel 38 unterbunden. Über
die Zulaufdrossel 36 baut sich im Steuerraum 34 Systemdruck
auf, welcher auf die obere Stirnseite des Einspritzventilgliedes 32 wirkt
und dieses in den Sitz 72 stellt, so dass die brennraumseitigen
Einspritzöffnungen 74 verschlossen sind und die
Einspritzung beendet wird.
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Erfindungsgemäß ist
die Ankerplatte 46 der Ankerbaugruppe des Schaltventiles 24 so
ausgestattet, dass diese einen möglichst geringen Strömungswiderstand
bei deren Bewegung im Aktorraum 58 aufweist und eine möglichst
hohe Magnetkraft erzeugt werden kann, was schnelle Schließbewegungen
ermöglicht. Die Ankerplatte 46 ist mit Ausnehmungen
bzw. Öffnungen versehen, welche schnelle Schaltbewegungen
des Schaltventiles 24 ermöglichen und auftretende
Wirbelströme minimieren.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform der Ankerplatte des Schaltventils
gemäß der Darstellung in 1.
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Wie
der Darstellung gemäß 2 entnehmbar
ist, weist eine Planfläche 84 der Ankerplatte 46 Ausnehmungen 76 auf,
die in der Ausführungsform gemäß 2 als
gerade verlaufende Schlitze ausgebildet sind. Die als gerade Schlitze
ausgebildeten Ausnehmungen 76 in der Ankerplatte 84 verlaufen gemäß der
Darstellung in 2 in unterschiedlichen Längen.
Bezugszeichen 78 bezeichnet eine erste Länge der
als gerade Schlitze ausgeführten Ausnehmungen 76,
während eine zweite Länge derselben durch Bezugszeichen 80 bezeichnet
ist. Die erste Länge 78 übersteigt die
zweite Länge 80 um etwa das Doppelte. Wie 2 des
Weiteren zu entnehmen ist, ist zwischen den als gerade Schlitze
ausgeführten Ausnehmungen 76 erster Länge 78 in
Schlitzform eine 90°-Teilung 82 ausgebildet. Dies
gilt analog zur Teilung der als gerade Schlitze ausgeführten
Ausnehmungen 76 zweiter Länge 80, die
ebenfalls in der Planfläche 84 der Ankerplatte 46 in
90°-Teilung ausgebildet sind.
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Durch
die Geometrie der Planfläche 84 der Ankerplatte 46 lassen
sich die Wirbelstromverluste und die Dämpfungskräfte
erheblich reduzieren. In vorteilhafter Weise werden gerade ausgebildete Schlitze – wie
in 2 dargestellt – in der Planfläche 84 der
Ankerplatte 46 ausgeführt. Diese lassen sich kostengünstig
herstellen und erlauben eine starke Reduktion der Dämpfungskraft
bei geringem Verlust an Magnetkraft. Eine besonders gute Abstimmung wird
dabei durch abwechselnde in alternierender Reihenfolge dargestellte
lange und kurze Schlitze erzielt, wie durch die erste Länge 78 sowie
die zweite Länge 80 der schlitzförmig
konfigurierten Ausnehmungen 76 in 2 angedeutet.
Der Ausführungsvariante gemäß 2 wird
die relativ große Fläche im Außenbereich
der Ankerplatte 46 besonders gut entdrosselt, ohne dass
ein weiterer Magnetkraftverlust durch eine Reduktion der Fläche
am Innenpol auftritt.
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Der
Darstellung gemäß 3 ist eine
weitere Ausführungsform der Gestaltung der Ankerplatte zu
entnehmen. Der Darstellung gemäß 3 ist
eine Planfläche 84 entnehmbar, eine Kombination
aus als gerade Schlitze ausgeführten Ausnehmungen 76 erster
Länge 80 mit jeweils dazwischen liegenden als Bohrungen
beschaffenen Öffnungen 86 aufweist. Auch bei der
Ausführungsform gemäß 3 kann eine
sehr hohe Entdrosselung der großen Fläche im Außenbereich
der Ankerplatte 46 der Ankerbaugruppe erreicht werden,
während ein weiterer Magnetkraftverlust durch eine Reduktion
der Fläche am Innenpol reduziert werden kann.
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Besonders
vorteilhaft ist die Ankergeometrie mit Schlitzen, wie in der Darstellung
gemäß 2 gezeigt, bei einem schnell
schaltenden druckausgeglichenen Schaltventils 24 – wie
in 1 dargestellt – da dadurch die Ventilgeschwindigkeit
zwischen oberem Anschlag und Ventilsitz 42 erhöht
werden kann. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene
Schaltventil 24 mit der schnelle Schaltbewegungen ermöglichenden
Ankerplatte 46, kann selbstredend auch bei nicht druckausgeglichen
ausgeführten Schaltventilen 24 eingesetzt werden.
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Um
die Fertigungskosten gering zu halten, ist die in der Darstellung
gemäß 2 gezeigte Ausführungsform
einer nur Schlitze – jedoch unterschiedlicher Länge 78, 80 – aufweisenden
Planfläche 84 der Ankerplatte 46 vorzuziehen.
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Auch
in der Darstellung gemäß 3 liegt zwischen
den einzelnen als gerade Schlitze ausgeführten Ausnehmungen 76 erster
Länge 78 in der Planfläche 84 der
Ankerplatte 46 eine 90°-Teilung 82 vor.
Selbstverständlich ist es möglich, in der Planfläche 84 die
einzelnen als gerade Schlitze gestalteten Ausnehmungen 76 unterschiedlicher
Längen 78, 80 auch in einer von einer
90°-Teilung 82 abweichenden Teilung vorzusehen,
um eine höhere Entdrosselung im Außenbereich zu
erreichen. Dies hängt von den zu erreichenden Schaltzeiten
bei Mehrfacheinspritzungen, bei denen hohe Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit
des Schaltventiles 24 gestellt werden, ab.
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Der
Grad der Entdrosselung, der durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung, sei es durch als gerade Schlitze ausgebildete Ausnehmungen 76 unterschiedlicher
Längen 78, 80, sei es durch Öffnungen 86 in
der Planfläche 84, erreicht wird, bestimmt die
Schaltgeschwindigkeit des Schaltventiles 24, da die Ankerplatte 46 im
Aktorraum 58 auf der Niederdruckseite des Kraftstoffinjektors 10 gelegen, bewegt
wird. Neben der Ausführung der Ausnehmungen 76 in
der Planfläche 84 der Ankerplatte 46 als rechteckförmige,
gerade Schlitze, kann von dieser Geometrie auch abgewichen werden,
wobei ein Optimum zwischen der Entdrosselung im Außenbereich und
Minimierung des Magnetkraftverlaufes im verbleibenden Innenbereich
der Planfläche 84 der Ankerplatte 46 dem
Innenpol des Magnetkerns gegenüberliegend, anzustreben
ist.
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Eine
möglichst große Reduktion der Planfläche 84 der
Ankerplatte 46 im Außenbereich ermöglicht
geringere Strömungswiderstände bei der Bewegung
der Ankerplatte 46 im niederdruckseitigen Aktorraum 58.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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