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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere einen
Common-Rail-Injektor,
zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bekannt
sind Kraftstoff-Injektoren mit einem piezoelektrischen Aktuator
zum Betätigen
eines Steuerventils, wobei der piezoelektrische Aktuator über einen
hydraulischen Koppler, umfassend einen Kopplerkolben und einen Arbeitskolben,
mit dem Steuerventilelement des Steuerventils gekoppelt ist. Zwischen
dem Kopplerkolben und dem Arbeitskolben ist innerhalb eines Kopplerkörpers ein
Kopplerspalt ausgebildet. Die Wiederbefüllung des Kopplerspaltes erfolgt über Führungsspiele
zwischen den beiden Kolben und dem Kopplerkörper. Die mögliche maximale Einspritzzahl
wird durch den Raildruck, den Rücklaufdruck
sowie die Injektordrehzahl und die Ansteuerdauer bestimmt. Bei einer
schrittweisen Anhebung der Injektordrehzahl und der Konstanthaltung
der restlichen Rahmenbedingungen kann es zu einem Leerlaufen des
Kopplermoduls kommen. Ist die Wiederbefüllmenge an Kraftstoff, die über die Führungsspiele
in den Kopplerspalt gelangt, geringer als die Leckagemenge, die über die
Führungsspalte entweicht,
kommt es zu einem Ausfall des Kraftstoff-Injektors.
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Wird
der piezoelektrische Aktuator bestromt, treten im Kopplerspalt nicht
unerhebliche Drücke, von
in der Praxis bis zu 250 bar oder mehr, auf. Diese führen bei
bekannten hydraulischen Kopplern zu einem Atmen des Kopplerkörpers, also
zu einer Aufbauchung desselben. Hierdurch werden die Führungsspalte
vergrößert und
es strömt
vergleichweise viel Kraftstoff während
der Kompressionsphase (Schaltphase) über die Führungsspalte ab. Dies wiederum
führt zu
einer vergleichsweise langen Wiederbefüllzeit des Kopplerspaltes.
Die Wiederbefüllung erfolgt
bei einem niedrigeren Druckniveau.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff-Injektor
vorzuschlagen, bei dem die Wiederbefüllzeit des dem piezoelektrischen Aktuator
zugeordneten hydraulischen Kopplers minimiert ist.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Kraftstoff-Injektor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten
Merkmalen.
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Die
Erfindung hat erkannt, dass die Zeit (Wiederbefüllzeit), die benötigt wird,
um den Kopplerspalt nach erfolgter Kompression des Kopplerspaltvolumens
wiederzubefüllen,
abhängig
ist von der Leckagemenge, die während
einer Kompressionsphase durch die Führungsspalte zwischen dem Kopplerkörper und
dem in den Kopplerkörper
hineinragenden Kolben abströmt.
Weiter hat die Erfindung erkannt, dass es zur Reduzierung der Leckagemenge vorteilhaft
ist, das Aufbauchen des Kopplerkörpers bei
einer Betätigung
des hydraulischen Kopplers zu minimieren. Dies erreicht die Erfindung
durch eine gezielte Erhöhung
der Formsteifigkeit des Kopplerkörpers
durch das Anbringen mehrerer Steifigkeitsrippen an dessen Außenumfang.
Kern der Erfindung ist es also, die radiale Aufweitung des Kopplerkolbens
und damit die Aufweitung der Führungsspalte durch
das Vorsehen von mehr als einer Steifigkeitsrippe am Kopplerkolben
zu minimieren, um hierdurch die Leckagemenge während der Kompressionsphase
auf ein Minimum zu reduzieren, was wiederum zu einer deutlichen
Reduzierung der Wiederbefüllzeit führt. Darüber hinaus
wird die Robustheit des Systems erhöht und die Gefahr einer Materialermüdung des
Kopplerkörpermaterials
deutlich minimiert. Mit einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Kraftstoff-Injektor
kann die Ausfalldrehzahl erhöht und
dadurch die Performance in allen Betriebszuständen gesteigert werden. Es
ergibt sich ein erweiterter Bereich (Kennfeld), der mit einer erhöhten Einspritzanzahl
angesteuert werden kann. Zusammenfassend kann festgestellt werden,
dass durch die erfinderischen Maßnahmen der technische Wirkungsgrad
des hydraulischen Kopplers optimiert wird. Ein nach dem Konzept
der Erfindung ausgebildeter Kraftstoff-Injektor eignet sich bevor zugt
zum Einsatz in Common-Rail-Systemen, beispielsweise im PKW- also
auch im NKW-Bereich.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
auf der Außenseite
des Kopplerkörpers
vorgesehenen Steifigkeitsrippen als sich in Umfangsrichtung erstreckender
Ringe (Ringwulste) ausgebildet sind. Anders ausgedrückt sind
die Steifigkeitsrippen in der Art radial außen vorstehender Umfangsbunde
ausgeformt.
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Im
Hinblick auf die konkrete Formgebung des Rings gibt es unterschiedliche
Möglichkeiten. Besonders
bevorzugt ist es, wenn die die Steifigkeitsrippen bildenden Ringe
in Umfangsrichtung geschlossen sind. Vorzugsweise weisen die Ringe
dabei über
seine gesamte Umfangserstreckung die gleiche Axialerstreckung als
auch die gleiche Radialerstreckung auf.
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Im
Hinblick auf die Anordnung der Steifigkeitsrippen gibt es unterschiedliche
Möglichkeiten. Überraschenderweise
kann die Formsteifigkeit des Kopplerkörpers besonders gut dadurch
erhöht
werden, dass sämtliche
Steifigkeitsrippen mit Axialabstand zu dem Kopplerspalt angeordnet
sind. Alternativ kann eine der Steifigkeitsrippen in einer gemeinsamen
Radialebene mit dem Kopplerspalt angeordnet sein.
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Bevorzugt
sind die Steifigkeitsrippen als voneinander separate Steifigkeitsrippen
ausgebildet, die Steifigkeitsrippen sind also voneinander beabstandet.
Besonders bevorzugt sind die mehreren Steifigkeitsrippen dabei jeweils
als umfangsgeschlossener Ring ausgebildet, wobei die umfangsgeschlossenen Ringe
weiter bevorzugt in axialer Richtung voneinander beabstandet sind,
so dass sich eine Art Zahn- oder Wellenprofil am Außenumfang
des Kopplerkörpers
ergibt.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform
des Kraftstoff-Injektors, bei der die Steifigkeitsrippen mit Radialabstand
zu einer Rohrfeder angeordnet sind, die den Kopplerkörper radial
außen
umschließt
und deren Aufgabe es ist, den piezoelektrischen Aktuator (Piezoaktor)
axial vorzuspannen.
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Besonders
zweckmäßig ist
eine Ausführungsform
des Kraftstoff-Injektors, bei der die Radialerstreckung der Steifigkeitsrippen,
vorzugsweise sämtlicher
Steifig keitsrippen, begrenzt ist, und zwar auf maximal 25% der Wandstärke des
Kopplerkolbens in einem Bereich radial außerhalb des Kopplerkolbens.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 einen
Common-Rail-Injektor mit einem piezoelektrischen Aktuator und einem
hydraulischen Koppler, und
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des hydraulischen Kopplers des Common-Rail-Injektors gemäß 1.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 zum
Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer
ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges
dargestellt. Eine Hochdruckpumpe 2 fördert Kraftstoff aus einem
Vorratsbehälter 3 in
einen Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 (Rail). In diesem
ist Kraftstoff, insbesondere Diesel, unter hohem Druck, von in diesem
Ausführungsbeispiel über 2000
bar, gespeichert. An den Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 ist
der Kraftstoff-Injektor 1 neben anderen, nicht gezeigten
Kraftstoff-Injektoren 1 über eine Versorgungsleitung 5 angeschlossen.
Die Versorgungsleitung 5 mündet in einen zum Hochdruckbereich
des Kraftstoff-Injektors 1 gehörenden, axialen Versorgungskanal 6,
durch den der Kraftstoff in einen Druckraum 7 strömt. Der
Kraftstoff strömt
bei einem Einspritzvorgang aus dem Druckraum 7 in axialer Richtung
an einem einteiligen Einspritzventilelement 8 (Düsennadel)
vorbei durch Düsenbohrungen
einer Düsenlochanordnung 16 in
den Brennraum der Brennkraftmaschine. Der Kraftstoff-Injektor 1 ist über einen
Injektor-Rücklaufanschluss 9 an
eine Rücklaufleitung 10 angeschlossen. Über die
Rücklaufleitung 10 kann
eine später
noch zu erläuternde
Steuermenge an Kraftstoff von dem Kraftstoff-Injektor 1 zum Vorratsbehälter 3 abfließen und
von dort aus dem Hochdruckkreislauf wieder zugeführt werden.
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Wie
sich aus 1 ergibt, ist das in diesem Ausführungsbeispiel
einteilige Einspritzventilelement 8 innerhalb einer Stufenbohrung 11 eines
Düsenkörpers 12 axial
verstellbar geführt.
Der Düsenkörper 12 ist
im Verbund mit einer Drosselplatte und einem Ventilkörper gegen
einen Haltekörper 13 mittels
einer Düsenspannmutter
verspannt. Die Düsenspannmutter
wird mittels einer Kupferscheibe in Richtung Brennraum abgedichtet,
in den die Düsenkörperspitze
hineinragt.
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Das
Einspritzventilelement 8 weist an seiner Spitze 15 eine
Schließfläche (Dichtfläche) auf,
mit welcher das Einspritzventilelement 8 in eine dichte Anlage
an einen innerhalb des Düsenkörpers 12 ausgebildeten
Einspritzventilelementsitz bringbar ist. Wenn das Einspritzventilelement 8 an
seinem Einspritzventilelementsitz anliegt, d. h. sich in einer Schließstellung
befindet, ist der Kraftstoffaustritt aus einer Düsenlochanordnung 16 gesperrt.
Ist es dagegen von seinem Einspritzventilelementsitz abgehoben,
kann Kraftstoff aus dem Druckraum 7, im Wesentlichen unter
Raildruck stehend, an dem Einspritzventilelementsitz vorbei in den
Brennraum strömen.
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Von
einer in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite des Einspritzventilelementes 8 wird
eine Steuerkammer 17 (Servokammer) begrenzt, die über eine
Zulaufdrossel 18 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
aus dem Versorgungskanal 6 versorgt wird. Gleichzeitig
wird ein Druckraum 14, aus dem Kraftstoff bei geöffnetem
Einspritzventilelement 8 in den Brennraum strömen kann,
mit Kraftstoff aus dem Versorgungskanal 6 versorgt. Der
Druckraum 14 umschließt
dabei eine die Steuerkammer 17 begrenzende, federkraftbeaufschlagte
Hülse 32 radial
außen. Die
in der Hülse 32 ausgebildete
Steuerkammer 17 ist über
eine Ablaufdrossel 19 mit einer Steuerventilkammer 20 verbunden,
die mittels eines axial verstellbaren Steuerventilelementes 21 (Ventilbolzen) mit
einem Niederdruckbereich 22 und damit mit dem Injektor-Rücklaufanschluss 9 verbindbar
ist. Das Steuerventilelement 21 ist Teil eines als 3/2-Wegeventil
ausgebildeten Steuerventils 23 (Servoventil). Bei in einer
ersten (unteren) Schaltstellung befindlichem Steuerventilelement 21 kann
Kraftstoff aus der Steuerkammer 17 über die Ablaufdrossel 19 und
die Steuerventilkammer 20 in den Niederdruckbereich 22 zum
Injektor-Rücklaufanschluss 9 strömen. Gleichzeitig
ist ein aus dem Druckraum 14 ausmündender und in die Steuerventilkammer 20 einmündender
Bypass 45 von dem Steuerventilelement 21 gesperrt.
Bei in einer zweiten (oberen) Schaltstellung befindlichem Steuerventilelement 21 ist
die Verbindung zwischen der Steuerventilkammer 20 und dem Niederdruckbereich 22 gesperrt
und der Bypass 45 ist freigegeben, so dass die Steuerkammer 17 über den
Bypass 45, die Steuerventilkammer 20 und die Ablaufdrossel 19 schnell
auf Hochdruck gebracht wird.
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Zum
Verstellen des kolbenförmigen
Steuerventilelementes 21 ist ein piezoelektrischer Aktuator 24 vorgesehen,
der über
einen hydraulischen Koppler 25 mit dem Steuerventilelement 21 gekoppelt
ist. Bei einer alternativen, nicht gezeigten, Ausführungsform
kann das Steuerventilelement 21 unmittelbar vom hydraulischen
Koppler 25, genauer von einem später noch zu erläuternden
Arbeitskolben 28 (Ventilkolben) des hydraulischen Kopplers 25 gebildet
werden. Zum Öffnen
des Steuerventils 23, also zum Bewegen des Steuerventilelementes 21 in
der Zeichnungsebene nach unten, weg von seinem oberen Steuerventilsitz 26,
wird der piezoelektrische Aktuator 24 bestromt und dehnt
sich aus. Hierdurch wird ein in der Zeichnungsebene oberer Kopplerkolben 27 des
hydraulischen Kopplers 25 in der Zeichnungsebene nach unten
in einen Kopplerkörper 33 (Führungskörper) hineinbewegt,
wodurch wiederum der Arbeitskolben 28 des hydraulischen
Kopplers 25, der über
ein Kopplerspaltvolumen 29 mit dem Kopplerkolben 27 hydraulisch
gekoppelt ist, in der Zeichnungsebene nach unten bewegt wird. Das
Kopplerspaltvolumen 29 wird radial außen unmittelbar von dem Kopplerkörper 33 begrenzt.
Der Arbeitskolben 28 drückt
bei dem Kompressionsvorgang auf das Steuerventilelement 21,
welches in der Folge entgegen der Kraft einer Steuerschließfeder 30 (Schaltventilfeder)
von seinem oberen Steuerventilsitz 26 weg bewegt wird und
somit den Kraftstofffluss aus der Steuerkammer 17 hin zum
Injektor-Rücklaufanschluss 9 freigibt
und gleichzeitig den Bypass 45 sperrt. Die Durchflussquerschnitte
der Zulaufdrossel 18 und der Ablaufdrossel 19 sind
dabei derart aufeinander abgestimmt, dass in der unteren Schaltstellung des
Steuerventils 23 ein Nettoabfluss von Kraftstoff aus der
Steuerkammer 17 resultiert. Hierdurch sinkt der Druck in
der Steuerkammer 17 rapide ab, wodurch das Einspritzventilelement 8 von
seinem Einspritzventilelementsitz abhebt, so dass Kraftstoff aus dem
Druckraum 7 durch die Düsenlochanordnung 16 ausströmen kann.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des piezoelektrischen
Aktuators 24 unterbrochen, wodurch sich der Piezokristallstapel des
Aktuators 24 zusammenzieht und der Kopplerkolben 27,
unterstützt
durch die Federkraft einer Rohrfeder 34, in der Zeichnungsebene
nach oben bewegt wird. Der Arbeitskolben 28 drückt, unterstützt durch
die Steuerschließfeder 30,
in der Zeichnungsebene nach unten gegen das Steuerventilelement 21.
Zwischen Arbeitskolben 28 und Steuerventilelement 21 ist
somit ein ständiger
Kontakt gewährleistet. Der
Arbeitskolben 28 und das Steuerventilelement 21 werden
bei nicht bestromtem Ak tuator 24 nach oben in die obere
Schaltstellung bewegt, in der das Steuerventilelement 21 wieder
an seinem oberen Steuerventilsitz 26 anliegt und die hydraulische
Verbindung aus der Steuerkammer 17 zum Injektor-Rücklaufanschluss 9 sperrt.
Der durch die Zulaufdrossel 18 sowie über den Bypass 45 in
die Steuerkammer 17 nachströmende Kraftstoff sorgt für eine schnelle
Druckerhöhung
in der Steuerkammer 17 und damit für eine auf das Einspritzventilelement 8 wirkende
hydraulische Schließkraft.
Die daraus resultierende Schließbewegung
des Einspritzventilelementes 8 wird von einer Schließfeder 31 unterstützt, die
sich mit einem Ende am Einspritzventilelement 8 und mit
dem anderen Ende an einer die Steuerkammer 17 begrenzenden
Hülse 32 abstützt.
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Im
Folgenden wird der Aufbau von möglichen
Ausführungsvarianten
eines hydraulischen Kopplers 25 anhand der 2 und 3 im Detail erläutert. Zu erkennen ist der
unmittelbar mit dem piezoelektrischen Aktuator 24 (in 2 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
dargestellt) zusammenwirkende, in der Zeichnungsebene obere Kopplerkolben 27 und der
in der Zeichnungsebene darunter mit Abstand angeordnete Arbeitskolben 28.
Kopplerkolben 27 und Arbeitskolben 28 ragen von
gegenüberliegenden
Axialseiten in den Kopplerkörper 33 hinein
und begrenzen axial zwischen sich innerhalb des Kopplerkörpers 33 ein
hydraulisches Kopplerspaltvolumen 29 (Kraftstoffvolumen).
Zu erkennen ist, dass der Durchmesser des Arbeitskolbens 28 geringer
bemessen ist als der Durchmesser des Kopplerkolbens 27,
um hierdurch eine Kraft-Weg-Übersetzung
zu realisieren.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines hydraulischen Kopplers 25. Dieser umfasst einen Kopplerkörper 33,
in den von in der Zeichnungsebene oben der Kopplerkolben 27 und
von der Zeichnungsebene unten der Arbeitskolben 28 hineinragt. Zwischen
Kopplerkolben 27 und Arbeitskolben 28 ist das
Kopplerspaltvolumen 29 begrenzt, welches radial außen von
einem konischen Abschnitt des Kopplerkörpers 33 begrenzt
ist.
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Radial
außerhalb
des Kopplerkörpers 33 mit Radialabstand
zu diesem ist eine Rohrfeder 34 angeordnet, die sich mit
ihrem in der Zeichnungsebene axialen unteren Ende 35 an
einem Umfangsbund 36 des Kopplerkörpers 33 abstützt und
mit einem in der Zeichnungsebene oberen Ende 37 an einer
Platte 38. Die Platte 38 weist eine zentrale Durchgangsöffnung 39 auf
und wird von dem Kopplerkolben 27 durchsetzt. Der Kopplerkolben 27 stützt sich
mit einer Ringschulter 40 randseitig an der Durchgangsöffnung 39 auf
der Oberseite der Platte 38 ab. Die Platte 38 wird
von der Rohrfeder 34 in der Zeichnungsebene nach oben federkraftbeaufschlagt,
so dass die Platte 38 bestrebt ist, den Kopplerkolben 27 nach oben
in Richtung nicht dargestelltem Aktuator zu drücken und diesen axial vorzuspannen.
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Aus 2 ist
weiter zu entnehmen, dass der Kopplerkörper 33 in einem unteren
Abschnitt eine stirnseitig offene Aussparung 41 aufweist,
in der eine als Schraubendruckfeder ausgebildete Feder 42 angeordnet
ist, die sich mit ihrem axial unteren Ende an einer Ringschulter 43 einer
auf den Arbeitskolben 28 aufgepressten Hülse 44 abstützt und
bestrebt ist, den Arbeitskolben 28 in der Zeichnungsebene
nach unten zu drücken.
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Bei
einer Bestromung des nicht dargestellten piezoelektrischen Aktuators
bildet sich ein hoher Druck innerhalb des Kopplerspaltvolumens 29 auf, wodurch
im Kopplerspaltvolumen 29 befindlicher Kraftstoff bestrebt
ist, in beide Axialrichtungen durch Führungsspalte 46, 47 zwischen
den Kolben 27, 28 und dem Kopplerkörper 33 auszuströmen. Gleichzeitig
ist grundsätzlich
der Kopplerkörper 33 während einer
derartigen Kompressionsphase bestrebt, sich radial aufzuweiten,
also zu atmen, wodurch sich eine Vergrößerung der Führungsspalte 46, 47 und
damit des Leckagevolumenstroms aus dem Kopplerspaltvolumen 29 heraus
ergibt. Um diese Effekte zu minimieren, ist der Kopplerkörper 33 mit
drei axial beabstandeten Steifigkeitsrippen 48 an seiner
Außenseite (Mantelfläche) versehen.
Sämtliche
Steifigkeitsrippen 48 sind identisch ausgebildet und gleichmäßig in axialer
Richtung beabstandet. Jede Steifigkeitsrippe 48 ist als
umfangsgeschlossener Ring ausgebildet, wobei die Radialerstreckung
jeder Steifigkeitsrippe 48, gemessen von der Mantelfläche 49 bis
zu einem radial äußersten
Bereich, weniger als ein Fünftel
der Dickenerstreckung bzw. der Wandstärke des Kopplerkörpers 33 in
einem Bereich radial benachbart zum Kopplerkolben 27 entspricht.
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Wie
sich aus 2 weiter ergibt, sind auch die
Außenseiten
der Steifigkeitsrippen 48 radial beabstandet zur Rohrfeder 34,
um hierdurch Reibverschleiß zu
verhindern.
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Wie
sich weiter aus 2 ergibt, befindet sich eine
der Steifigkeitsrippen 48, nämlich die zweite von unten,
in einer Radialebene mit dem Kopplerspaltvolumen 29. Die
Steifigkeitsrippen 48 erhöhen die Formsteifigkeit des
Kopplerkörpers 33 und
minimieren hierdurch Aufbauchungseffekte in der Kompressionsphase.