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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffinjektoren für Kraftstoffeinspritzsysteme, insbesondere Common-Rail-Einspritzsysteme, bekannt, die über einen Magnetaktor direkt steuerbar sind. Der Magnetaktor wirkt dabei in der Regel mit einem hubbeweglichen Anker zusammen, der über eine mechanische oder hydraulische Kopplungseinrichtung mit einer hubbeweglichen Düsennadel koppelbar ist, über deren Hubbewegung wenigstens eine Einspritzöffnung freigebbar oder verschließbar ist. Die Kopplungseinrichtung ist dabei häufig derart ausgelegt, dass über die Kopplung zugleich eine Kraftverstärkung bewirkt wird, um die zum Öffnen der Düsennadel erforderliche Öffnungskraft bereitzustellen.
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Ein Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art geht beispielhaft aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 002 758 A1 hervor.
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Da sich derartige Kraftstoffinjektoren oftmals als instabil beim Schließen erweisen, wobei die Instabilitäten insbesondere durch hydraulische und/oder magnetische Klebeeffekte hervorgerufen werden, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel anzugeben, bei dem Instabilitäten beim Schließen nicht oder zumindest in deutlich verringerten Maße auftreten.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich aufgenommen und in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor einen Magnetaktor mit einer Magnetspule zur direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Die Magnetspule wirkt dabei mit einer Ankeranordnung zusammen, die eine in einem Hochdruckraum angeordnete Ankerplatte und einen fest mit der Ankerplatte verbundenen Ankerbolzen zur Kopplung mit der Düsennadel umfasst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Ankeranordnung zum Schalten wenigstens eines eine Schließdrossel umgehenden Strömungskanals einen Schaltkörper umfasst, der über den Ankerbozen gegenüber der Ankerplatte hubbeweglich geführt ist, wobei der Schaltkörper mit einem Dichtsitz in der Weise zusammenwirkt, dass eine Bestromung der Magnetspule ein Anheben des Schaltkörpers vom Dichtsitz und damit die Freigabe des Strömungskanals und ein Beenden der Bestromung eine Rückstellung des Schaltkörpers in den Dichtsitz und damit das Verschließen des Strömungskanals bewirken. Die Hubbewegung des Schaltkörpers ist demzufolge über den Magnetaktor steuerbar, wobei vorzugsweise die Bewegungsrichtung des Schaltkörpers gleich der Bewegungsrichtung der Ankerplatte bzw. der Düsennadel bei einer Betätigung des Magnetaktors ist. Das heißt, dass der Strömungskanal während des Öffnungshubes der Düsennadel freigegeben ist, so dass der einzuspritzende Kraftstoff ungedrosselt in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung strömen kann, und während des Schließhubes der Düsennadel verschlossen ist, um einen Druckabfall in der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers zu bewirken, da über die Schließdrossel weniger Kraftstoff nachströmt als über die wenigstens eine Einspritzöffnung abfließt. Der Druckabfall hat wiederum eine auf die Düsennadel in Schließrichtung wirkende hydraulische Druckkraft zur Folge, durch welche das Schließen der Düsennadel beschleunigt wird. Instabilitäten beim Schließen können auf diese Weise deutlich verringert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schaltkörper in Richtung des Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Die Feder dient der Rückstellung des Schaltkörpers in den Dichtsitz, wenn die Bestromung der Magnetspule beendet wird. Die Feder, die vorzugsweise einerseits am Schaltkörper und andererseits an der Ankerplatte abgestützt ist, gewährleistet, dass der Strömungskanal bei unbestromter Magnetspule verschlossenen ist.
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Weiterhin bevorzugt ist bei unbestromter Magnetspule zwischen dem Schaltkörper und der Ankerplatte ein axialer Abstand ausgebildet, der kleiner als ein Arbeitsluftspalt zwischen der Ankerplatte und einem Hubanschlag der Ankerplatte ist und einen Freihub des Schaltkörpers gegenüber der Ankerplatte definiert. Der kleinere Luftspalt zwischen dem Schaltkörper und der Ankerplatte bewirkt, dass mit Beginn der Bestromung der Magnetspule zunächst nur der Schaltkörper – entgegen der Federkraft der den Schaltkörper belastenden Feder – in Richtung der Magnetspule gezogen wird, während die Ankerplatte in ihrer Ruhestellung verharrt. Hat der Schaltkörper den axialen Abstand überwunden bzw. den Freihub gegenüber der Ankerplatte durchlaufen, schlägt er an der Ankerplatte an, woraufhin der Schaltkörper gemeinsam mit der Ankerplatte die Bewegung in Richtung der Magnetspule fortsetzt. Der Hub der Ankerplatte erfolgt somit verzögert, so dass die Düsennadel erst öffnet, wenn der Strömungskanal vollständig freigegeben ist, um eine ungedrosselte Kraftstoffströmung in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung zu ermöglichen.
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Auch in Schließrichtung geht der Hub des Schaltkörpers dem Hub der Ankerplatte bzw. der Düsennadel voraus. Denn während die Ankerplatte bei Beenden der Bestromung der Magnetspule aufgrund magnetischer und/oder hydraulischer Klebeeffekte zunächst am Hubanschlag verharrt, wird der Schaltkörper über die Federkraft der zwischen der Ankerplatte und dem Schaltkörper angeordneten Feder in den Dichtsitz zurückgestellt. Der in den Dichtsitz rückgestellte Schaltkörper verschließt den Strömungskanal, so dass der Zustrom von Kraftstoff über die Schließdrossel gedrosselt wird. Die Drosselung bewirkt einen Druckabfall in der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers und eine auf die Düsennadel in Schließrichtung wirkende hydraulische Druckkraft, welche die Initiierung des Schließvorgangs unterstützt. Instabilitäten beim Schließen können auf diese Weise wirksam verhindert werden.
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Bevorzugt ist bzw. sind der mit dem Schaltkörper zusammenwirkende Dichtsitz und/oder der schaltbare Strömungskanal in einem Körperbauteil des Kraftstoffinjektors ausgebildet. Bei dem Körperbauteil kann es sich beispielsweise um einen Ventilkörper handeln, in dem der die Ankerplatte und den Schaltkörper aufnehmende Hochdruckraum ausgebildet ist. Alternativ kann bzw. können der mit dem Schaltkörper zusammenwirkende Dichtsitz und/oder der schaltbare Strömungskanal im Ankerbolzen ausgebildet sein. Zur Ausbildung des Dichtsitzes und/oder des Strömungskanals besitzt vorzugsweise der Ankerbolzen einen Bundbereich, über den der Ankerbolzen in einem Körperbauteil des Kraftstoffinjektors hubbeweglich geführt ist.
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Das den Dichtsitz ausbildende Bauteil muss nicht zwingend auch den Strömungskanal ausbilden, so dass beispielsweise der Dichtsitz in einem Körperbauteil und der Strömungskanal im Ankerbolzen ausgebildet sein können.
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Weiterhin bevorzugt ist der Dichtsitz ringförmig ausgebildet und der Strömungskanal ist innerhalb des Dichtsitzes angeordnet. Der ringförmige Dichtsitz kann beispielsweise als Flachsitz ausgestaltet sein, der mit einer ringförmigen Dichtfläche am Schaltkörper zusammenwirkt. Der Strömungskanal ist vorzugsweise – zumindest abschnittsweise – als Bohrung, Nut und/oder Anschliff ausgebildet. Beispielsweise kann außenumfangseitig im Bundbereich des Ankerbolzens wenigstens ein Anschliff zur Ausbildung eines Strömungskanals angeordnet sein. Ein solcher Strömungskanal ist vergleichsweise einfach herzustellen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Schließdrossel in einem Strömungskanal angeordnet ist, der den Hochdruckraum mit einem weiteren Hochdruckraum und/oder der Hochdruckbohrung verbindet. Das heißt, dass die Schließdrossel stromabwärts des die Ankerplatte und den Schaltkörper aufnehmenden Hochdruckraums angeordnet ist. Auf diese Weise ist ein sich stromabwärts der Schließdrossel einstellender Druckabfall in einem Hochdruckraum bzw. in der Hochdruckbohrung gewährleistet, der eine in Schließrichtung auf die Düsennadel wirkende hydraulische Druckkraft bewirkt.
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Vorteilhafterweise ist der Ankerbolzen der Ankeranordnung über ein hydraulisches Kopplervolumen einer Kopplungseinrichtung mit der Düsennadel koppelbar. Die Düsennadel besitzt dabei vorzugsweise eine das Kopplervolumen in axialer Richtung begrenzende Wirkfläche A1, die größer als eine das Kopplervolumen in axialer Richtung begrenzende Wirkfläche A2 des Ankerbolzens ist. Auf diese Weise kann über die Kopplung bzw. die Kopplungseinrichtung zugleich eine Kraftverstärkung bewirkt werden. Die Kraftverstärkung erlaubt den Einsatz kleinvolumiger Magnetaktoren, so dass die Bauraumanforderungen gesenkt werden.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass ein die Wirkfläche A1 ausbildender Endabschnitt der Düsennadel in einer Dichthülse aufgenommen ist, die zur radialen Begrenzung des hydraulischen Kopplervolumens an einem Kopplerkörper der Kopplungseinrichtung abgestützt ist. Die Dichthülse ermöglicht eine radiale Verschiebung der Düsennadel gegenüber dem Kopplerkörper und somit den Ausgleich eines etwaigen Achsversatzes zwischen Dichtsitz und Führung der Düsennadel. Um nicht nur eine Begrenzung, sondern ferner eine Abdichtung des hydraulischen Kopplervolumens gegenüber einem Hochdruckraum bzw. der Hochdruckbohrung zu bewirken, ist vorzugsweise die Dichthülse in Richtung des Kopplerkörper von der Federkraft der Feder beaufschlagt, deren Federkraft die Düsennadel in Richtung ihres Dichtsitzes beaufschlagt.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Kopplerkörper zur Aufnahme eines die Wirkfläche A2 ausbildenden Endabschnitts des Ankerbolzens eine Bohrung besitzt. Die Bohrung ist vorzugsweise mittig im Kopplerkörper ausgebildet, so dass der Ankerbolzen im Wesentlichen koaxial zur Düsennadel angeordnet ist. Zum Ausgleich eines etwaigen Achsversatzes kann der Endabschnitt des Ankerbolzens in einer am Kopplerkörper abgestützten Dichthülse aufgenommen sein. Zur Lagefixierung des Kopplerkörpers ist dieser bevorzugt in Richtung des Düsenkörpers von der Federkraft einer Feder beaufschlagt.
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Die Abstützung des Kopplerkörpers am Düsenkörper bewirkt eine Trennung der im Düsenkörper ausgebildeten Hochdruckbohrung von den stromaufwärts liegenden Hochdruckräumen. Vorteilhafterweise ist daher im Kopplerkörper wenigstens ein in die Hochdruckbohrung mündender Strömungskanal ausgebildet, so dass eine hydraulische Verbindung der Hochdruckbohrung mit den Hochdruckräumen sichergestellt ist.
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Zur Rückstellung der Ankerplatte und des Ankerbolzens nach Beenden der Bestromung der Magnetspule ist vorzugsweise eine Feder vorgesehen, über deren Federkraft der Ankerbolzen in Richtung der Düsennadelbeaufschlagt ist. Die Feder ist hierzu bevorzugt einerseits am Ankerbolzen und andererseits an einem Körperbauteil des Kraftstoffinjektors abgestützt, wobei es sich insbesondere um das Körperbauteil handeln kann, in welchem ein Abschnitt des Ankerbolzens hubbeweglich geführt aufgenommen ist. Zur Abstützung der Feder am Ankerbolzen kann dieser einen Federteller besitzen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ankeranordnung zumindest abschnittsweise von der Magnetspule umgeben, wobei zwischen der Magnetspule und der Ankeranordnung ein ringförmiger Trennkörper aus einem amagnetischen Material eingesetzt ist. Die Ankeranordnung kann in diesem Fall als Tauchanker ausgebildet werden, der zumindest einen Teilhub innerhalb der ringförmigen Magnetspule ausführt. Dadurch kann der Hub der Ankeranordnung vergrößert werden.
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Weiterhin bevorzugt umfasst der Magnetaktor einen Innenpolkörper. Der Innenpolkörper bildet vorzugsweise den oberen Hubanschlag für die Ankerplatte aus, so dass der Arbeitsluftspalt s zwischen der Ankerplatte und dem Innenpolkörper des Magnetaktors ausgebildet wird. Der zwischen der Magnetspule und der Ankerplatte eingesetzte ringförmige Trennkörper bewirkt die erforderliche magnetische Trennung des Innenpolkörpers von der Magnetspule. Als Kraftstoffzulauf besitzt der Innenpolkörper vorzugsweise einen in den Hochdruckraum mündenden, zentralen Zulaufkanal, über welchen die Hochdruckräume und die Hochdruckbohrung mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff versorgbar sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in der 1 dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Magnetaktor 7 zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1, die in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 4 hubbeweglich geführt ist. In Richtung eines Dichtsitzes 5 ist die Düsennadel 1 von der Federkraft einer Feder 6 beaufschlagt. Der Magnetaktor 7 weist zur direkten Nadelsteuerung eine ringförmige Magnetspule 8 sowie eine mit der Magnetspule 8 zusammenwirkende Ankeranordnung 9 auf, die eine Ankerplatte 9.1 und einen Ankerbolzen 9.2 umfasst, der mit der Ankerplatte 9.1 fest verbunden ist. Der Ankerbolzen 9.2 durchsetzt ein Körperbauteil 19, indem mehrere Hochdruckräume 12, 14 ausgebildet sind. Der Hochdruckraum 12 dient der Aufnahme der Ankerplatte 9.1 der Ankeranordnung 9 und ist über eine Strömungskanal 13, in welchem eine Schließdrossel 15 ausgebildet ist, mit dem Hochdruckraum 14 verbunden. Zur Umgehung der Schließdrossel 15 ist ein weiterer Strömungskanal 16 vorgesehen, der über eine Bohrung und einen Anschliff 29 in einem der Führung dienenden Bundbereich 20 des Ankerbolzens 9.2 ausgebildet wird. Der Strömungskanal 16 wird von einem ringförmigen Dichtsitz 17 begrenzt, der mit einem Schaltkörper 9.3 der Ankeranordnung 9 zusammenwirkt. Der Schaltkörper 9.3 ist über den Ankerbolzen 9.2 axial verschiebbar geführt, wobei ein axialer Abstand a des Schaltkörpers 9.3 zur Ankerplatte 9.1 einen Freihub des Schaltkörpers zur Freigabe des Strömungskanals 16 ermöglicht, bevor die Ankerplatte 9.1 über die Magnetkraft der Magnetspule 8 nach oben in Richtung eines Hubanschlags 10 gezogen wird, der vorliegend durch einen Innenpolkörper 11 ausgebildet wird. Denn der axiale Abstand a zwischen dem Schaltkörper 9.3 und der Ankerplatte 9.1 ist kleiner als ein Arbeitsluftspalt s, der zwischen der Ankerplatte 9.1 und dem Innenpolkörper 11 ausgebildet wird. Insofern wird zu Beginn der Bestromung der Magnetspule 8 allein der Schaltkörper 9.3 bewegt, bis dieser an der Ankerplatte 9.1 anschlägt. Dadurch ist sichergestellt, dass beim Öffnen der Düsennadel 1 der Strömungskanal 16 freigegeben ist, um einen ungedrosselten Kraftstoffzulauf zu der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 über die Hochdruckräume 12, 14 und die Hochdruckbohrung 2 zu gewährleisten.
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Die Düsennadel 1 öffnet, wenn die Ankerplatte 9.1 und der Ankerbolzen 9.2 über die Magnetkraft des Magnetaktors 7 in Richtung des Hubanschlags 10 gezogen werden. Denn die Düsennadel 1 ist mit dem Ankerbolzen 9.2 über ein hydraulisches Kopplervolumen 21.1 einer Kopplungseinrichtung 21 gekoppelt. Um über die Kopplung zugleich eine Verstärkung der Magnetkraft des Magnetaktors (7) zu bewirken, liegen sich am hydraulischen Kopplervolumen 21.1 hydraulische Wirkflächen A1 und A2 gegenüber, wobei die Wirkfläche A1 der Düsennadel 1 deutlich größer als die Wirkfläche A2 des Ankerbolzens 9.2 gewählt ist. Ein die Wirkfläche A2 aufweisender Endabschnitt des Ankerbolzens 9.2 ist hierzu in einer Bohrung 23 eines Kopplerkörpers 21.2 der Kopplungseinrichtung 21 aufgenommen, der von der Federkraft einer Feder 24 in Richtung des Düsenkörpers 3 beaufschlagt ist. Ein im Kopplerkörper 21.2 ausgebildeter Strömungskanal 25 stellt dabei die hydraulische Verbindung der Hochdruckbohrung 2 mit dem Hochdruckraum 14 sicher. Zur radialen Begrenzung des hydraulischen Kopplervolumens 21.1 ist eine am Kopplerkörper 21.2 abgestützte Dichthülse 22 vorgesehen, in welcher ein die Wirkfläche A1 ausbildender Endabschnitt der Düsennadel 1 aufgenommen ist. Die Dichthülse 22 wird in Richtung des Kopplerkörpers 21.2 von der Federkraft der Feder 6 beaufschlagt.
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Zum Schließen der Düsennadel 1 wird die Bestromung der Magnetspule 8 beendet. Der Schaltkörper 9.3 wird über die Federkraft einer Feder 18, welche einerseits am Schaltkörper 9.3 und andererseits an der Ankerplatte 9.1 abgestützt ist, in den Dichtsitz 17 zurückgestellt. Der Strömungskanal 16 wird durch den Schaltkörper 9.3 verschlossen, so dass Kraftstoff nur noch über die Schließdrossel 15 nachzuströmen vermag. Dies hat einen Druckabfall im Hochdruckraum 14 und in der Hochdruckbohrung 2 zur Folge, so dass die resultierende hydraulische Schließkraft, die auf die Düsennadel 1 wirkt, erhöht wird. Über die Federkraft einer Feder 26, die hierzu einerseits am Körperbauteil 19 und andererseits an einem Federteller 27 des Ankerbolzens 9.2 abgestützt ist, werden die Ankerplatte 9.1 und der Ankerbolzen 9.2 in ihre Ausgangslage zurück gestellt. Aufgrund der hydraulischen Kopplung des Ankerbolzens 9.2 mit der Düsennadel 1 hat die Rückstellung der Ankerplatte 9.1 und des Ankerbolzens 9.2 eine weitere auf die Düsennadel 1 wirkende hydraulische Schließkraft zur Folge. Im Ergebnis wird die Düsennadel 1 in ihren Dichtsitz 5 zurück gestellt.
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Der über den Schaltkörper 9.3 der Ankeranordnung 9 schaltbare Strömungskanal 16 ermöglicht eine Umgehung der Schließdrossel 15 und damit eine lediglich temporäre Drosselung des Kraftstoffzulaufs. Die Drosselung kann in diesem Fall gezielt zur Erhöhung der auf die Düsennadel 1 wirkenden Schließkräfte kurz vor und/oder während des Schließvorgangs eingesetzt werden.
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Der Zulauf von Kraftstoff wird vorliegend über einen Zulaufkanal 30 sichergestellt, der im Innenpolkörper 11 ausgebildet ist. Zur magnetischen Trennung des Innenpolkörpers 11 von der Magnetspule 8 ist zwischen diesen Bauteilen ein ringförmiger Trennkörper 28 aus einem amagnetischen Material angeordnet.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der 2 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der der 1 im Wesentlichen dadurch, dass der Dichtsitz 17 und der Strömungskanal 16 zur Umgehung der Schließdrossel 15 nicht im Ankerbolzen 9.2, sondern im Körperbauteil 19 ausgebildet sind, das auch die Hochdruckräume 12, 14 ausbildet. Ein Bundabschnitt 20 am Ankerbolzen 9.2 ist somit verzichtbar, wodurch die Herstellung des Kraftstoffinjektors vereinfacht wird.
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Die Ausbildung des Dichtsitzes 17 im Körperbauteil 19 hat zur Folge, dass der Schaltkörper 9.3 mit Beendigung der Bestromung der Magnetspule 8 einen größeren Hub ausführen muss, bis er zum Schließen des Strömungskanals 16 in Anlage mit dem Dichtsitz 17 gelangt. Um dabei ein stabiles Schaltverhalten des Schaltkörpers 9.3 sicherzustellen, sollte die Federkraft der Feder 18 geringer als im Ausführungsbeispiel gemäß der 1 gewählt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007002758 A1 [0003]