Technisches Gebiet
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An Kraftstoffeinspritzanlagen kommen Verteilereinspritzpumpen zum Einsatz, in welchen
mengensteuernde Magnetventile eingesetzt werden. Die mengensteuernden Magnetventile
der Ventileinspritzpumpe arbeiten mit hochdruckerzeugenden Ventilkörpern zusammen.
Die mengensteuernden Magnetventile und die hochdruckerzeugenden Ventilkörper der
Verteilereinspritzpumpe werden durch Abdichtelemente gegeneinander abgedichtet.
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Stand der Technik
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Zur Abdichtung von Verteilereinspritzpumpen kommen bei heutigen Lösungen
Abdichtringe zwischen mengensteuerndem Magnetventil und hochdruckerzeugendem Ventilkörper
zum Einsatz, die ungehärtet sind. Die Dichtflächen an Ventilkörper und Steuerbuchse, an
welchen der ungehärtete Stahldichtring anliegt, sind hingegen gehärtet. Durch die
Axialkraft, die beim Verschrauben mittels einer Spannschraube aufgebracht wird, erfährt der
ungehärtete Stahldichtring eine plastische Verformung an zwei gegenüberliegenden,
schneidenförmig ausgebildeten Kanten, wodurch die wirksamen Dichtflächen erzeugt
werden. Es ist sicherzustellen, dass die Verformung so groß ist, dass alle auftretenden Maß-,
Form- und Lagetoleranzen der beteiligten Bauteile ausgeglichen werden können und eine
wirksame Abdichtwirkung gewährleistet ist.
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Aufgrund gestiegener Betriebsdrücke und größerer Druckgradienten im Pumpenelement
einer Verteilereinspritzpumpe ist eine höher belastbare Abdichtung ohne zusätzliches
Dichtelement zwischen Verteilerkörper und Magnetventil wünschenswert.
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Die heutige Lösung für hochbeanspruchte, dichtringfreie Abdichtung zwischen
druckbeaufschlagten Komponenten ist derart ausgeführt, dass die Dichtpartner mit ebenen,
gehärteten Dichtflächen versehen sind und mit einer großen Axialkraft gegeneinander verspannt
werden. Dies erfordert entweder hohe Oberflächen- und Toleranzgüter an den Bauteilen,
oder das zu verspannende Element muss zwecks Toleranzausgleich über eine relativ hohe
Elastizität verfügen. Kann der Dichtverband die notwendigen Eigenschaften nicht
vollkommen erbringen, sind z. B. Überbeanspruchung, mangelnde Dichtwirkung und
Fluidaustritt und Erosionsschäden die Folge. In letzter Konsequenz kann die Verteilerpumpe
ausfallen.
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Darstellung der Erfindung
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Nach der erfindungsgemäßen Lösung sind anstelle von Planflächen an den beiden
beteiligten Dichtpartnern unterschiedliche Geometrien ausgebildet, wodurch die Dichtfunktion
unmittelbar durch eine Steuerbuchse und einen Ventilkörper ohne das Erfordernis eines
zusätzlichen Dichtelementes übernommen werden. Dadurch kann eine aufwendige, teure
und langwierige Oberflächenbearbeitung der Dichtpartner entfallen.
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird z. B. an einer Steuerbuchse einer
Verteilereinspritzpumpe, welche einen Verteilerkolben umgibt, eine einer Ansenkung
ähnliche kegelförmig verlaufende Ausdrehung ausgebildet, während die der Steuerbuchse
zuweisende Stirnseite des ein Betätigungsorgan in Form eines Magnetes aufnehmenden
Ventilkörpers der Verteilereinspritzpumpe als Segment einer Kugeloberfläche beschaffen ist.
Die stirnseitige Kontur einer kegelförmig verlaufenden Ausdrehung kann daneben auch am
Ventilkörper zur Aufnahme des Magnetventiles und das Segment der Kugeloberfläche
auch an der Stirnseite der Steuerbuchse ausgebildet sein.
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Kegelwinkel und Senkungsdurchmesser an der Steuerbuchse und dazu korrespondierender
Kugelradius am Ventilkörper können derart aufeinander abgestimmt werden, dass die
zwischen diesen Dichtpartnern wirksame Dichtfläche unter Berücksichtigung der
Fertigungstoleranzen immer auf einer Kegelmantelfläche, die an einem der Dichtpartner
ausgeführt ist, verläuft. Der Radiusmittelpunkt des Kugeloberflächensegmentes an einem der
Dichtpartner liegt in der Ebene einer Spannschulter und auf der Mittelachse des
Ventilkörpers, was eine Selbstausrichtung der Dichtpartner bei Axialverspannung zueinander
begünstigt. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann die axiale Position des
Ventiles im Gehäuse der Verteilereinspritzpumpe beibehalten werden und bedarf keiner
Modifikation.
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Die Montage der Dichtpartner innerhalb des Gehäuses der Verteilereinspritzpumpe erfolgt
durch Fügen der Magnetventilbaugruppe in den Verteilerkörper, das Einschrauben einer
Spannschraube zur Erzeugung einer die Dichtwirkung erzeugenden Axialkraft.
Steuerbuchse und Ventilkörper sind jeweils an ihren einander zuweisenden Stirnseiten gehärtet
und erfahren bei der Verspannung gegeneinander eine elastische Verformung, so dass eine
Mehrfachmontage möglich ist. Der Hochdruckdichtring gemäß der Lösung aus dem Stande
der Technik kann hingegen, da dieser eine plastische Verformung erfährt, nur einmal
verwendet werden. Bei Demontage der Verteilereinspritzpumpe und anschließender Montage
ist immer ein neuer, noch unverformter Hochdruckdichtring erforderlich.
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Durch die Kombination verschiedener Geometrien an den Dichtpartnern besitzt das
Magnetventil einen Freiheitsgrad, der eine selbsttätige Ausrichtung zur krafteinleitenden
Spannschraubenstirnfläche während des Schraubvorgangs ermöglicht. Dadurch ist die
Flächenpressung an Spannschulter bzw. Spannschraube und an den Dichtflächen der
Dichtpartner gleichmäßig verteilt. Dies ist besonders günstig hinsichtlich der mechanischen
Bauteilbelastung und der erzielbaren Dichtwirkung. Die Kugelkontur eines der
Dichtpartner erzeugt bei Verformung im Verbund mit der kegelförmig verlaufenden Ausdrehung am
anderen Dichtpartner eine ringförmige Anlage mit geringer Ringbreite. Dadurch ergibt sich
aufgrund der hohen Flächenpressung eine geringe Druckunterwanderung und damit eine
hohe Dichtwirkung. Durch die durchmesseraufweitende Keilwirkung des Ventilkörpers in
der Steuerbuchsensenkung wird ein Stauchen der Steuerbuchse durch die aufgebrachte
Axialkraft und die damit verbundene Kolbenspielreduzierung kompensiert. Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zur Abdichtung eines Hochdruckraumes einer
Verteilereinspritzpumpe ermöglicht die Beibehaltung sämtlicher Schnittstellengeometrien
zwischen Magnetventil, Spannschraube und Verteilerkörper.
Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher beschrieben.
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Es zeigt:
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Fig. 1 eine aus dem Stande der Technik bekannte Ausführungsvariante einer
Verteilereinspritzpumpe mit plastisch verformtem Hochdruckdichtring und
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Fig. 2 die erfindungsgemäße Lösung mit an den Stirnseiten der miteinander
zusammenwirkenden Dichtpartnern unterschiedlich ausgebildeten Geometrien.
Ausführungsvarianten
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Fig. 1 ist der Darstellung einer aus dem Stande der Technik bekannten
Verteilereinspritzpumpe entnehmbar, die einen plastisch verformten Hochdruckdichtring enthält.
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Eine Verteilereinspritzpumpe 1 gemäß der Darstellung in Fig. 1 umfasst eine
Verteilerkörperbaugruppe 2. An der Außenumfangsfläche der Verteilerkörperbaugruppe 2 kann in
eine ringförmige Nut ein O-Ring 3 eingelassen sein. In der Verteilerkörperbaugruppe 2 ist
in eine Bohrung ein buchsenförmiger Körper 4, der als Steuerbuchse beschaffen sein kann,
eingelassen. Der buchsenförmige Körper 4 in Gestalt einer Steuerbuchse umschließt einen
Verteilerkolben 10 an dessen der Verteilerbaugruppe 2 abgewandten Ende ein Federteller 8
befestigt ist. Zwischen der Innenseite des Federtellers 8 und einer Stützfläche 9 an einer
Seitenwand der Verteilerbaugruppe 2 ist ein hier als Spiralfeder ausgebildetes
Vorspannelement 7 angeordnet. Mittels des Vorspannelementes 7 wird über den Federteller 8 eine
Vorspannkraft auf den Verteilerkolben 10 ausgeübt, dessen dem Federteller 8 abgewandte
Stirnseite einen Hochdruckraum 11 begrenzt.
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Der buchsenförmige Körper 4 umfasst eine erste Stirnseite 5, welcher einer
Ventilkörperbaugruppe 13 zuweist, während die zweite Stirnseite 6 des buchsenförmigen Körpers 4
dem Federteller 8 zuweist. In der in Fig. 1 dargestellten aus dem Stande der Technik
bekannten Ausgestaltung einer Verteilereinspritzpumpe ist innerhalb eines Ringraumes 19
ein verformter Hochdruckdichtring 12 aufgenommen. Die Verformung des
Hochdruckdichtringes 12 erfolgt durch eine axiale Verspannung des buchsenförmigen Körpers 4 mit
der Ventilkörperbaugruppe 13, die durch eine Spannschraube 16 aufgebracht wird. Die
Spannschraube 16 liegt an einer Spannschulter des Ventilkörpers 13 an und stellt die
Stirnfläche 15 der Ventilkörperbaugruppe 13 gegen die erste Stirnseite 5 des buchsenförmigen
Körpers 4 an. Der zwischen den Stirnseiten 15 des Ventilkörpers 13 und der ersten
Stirnseite 5 des buchsenförmigen Körpers 4 aufgenommene Hochdruckdichtring 12 wird durch
die Axialkraft gequetscht und plastisch verformt. Bei der Axialkraftbeaufschlagung des aus
Stahl gefertigten Hochdruckdichtringes 12 wird eine derart große Verformung des
Hochdruckdichtringes 12 herbeigeführt, dass alle auftretenden Maß-, Form- und Lagetoleranzen
an den Bauteilen 4 bzw. 13 ausgeglichen werden. Da das Material des
Hochdruckdichtringes 12 jedoch über seine Fließgrenze hinausgehend mechanisch beansprucht wurde und
bleibend verformt ist, ist die Wiederverwendung eines einmal gequetschten, d. h. plastisch
verformten Hochdruckdichtringes 12 nach Demontage und anschließender Montage der
Verteilerpumpe 1 nicht mehr möglich, d. h. es ist erforderlich, einen noch unverformten
Hochdruckdichtring 12 zur Abdichtung des buchsenförmigen Körpers 4 und des
Ventilkörpers 13 zu verwenden.
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Eine plastische Verformung, d. h. eine radiale Aufweitung des Hochdruckdichtringes 12,
verläuft im wesentlichen in den den Hochdruckdichtring 12 umgebenden Ringraum 19. An
der Umfangsfläche der mittels der Spannschraube 16 verspannten Ventilkörperbaugruppe
13 sind ein erster Dichtring 17 und ein zweiter Dichtring 18 in axialem Abstand
voneinander aufgenommen. In die Ventilkörperbaugruppe 13 ist ein Elektromagnet 14 eingelassen,
dessen Magnetspulen in der Darstellung gemäß Fig. 1 angedeutet sind. Die
Schraubverbindung zwischen der Verteilerkörperbaugruppe 2 und der in diese zur axialen
Vorspannung der Ventilkörperbaugruppe 13 eingeschraubten Spannmutter 16 ist mit
Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. Axial zur Symmetrieachse des im wesentlichen
rotationssymmetrisch ausgebildeten Ventilkörpers der Ventilkörperbaugruppe 13 ist ein mittels des
Elektromagneten 14 betätigbares Steuerteil 21 angeordnet. Das Steuerteil 21, welches mit dem
Anker des Elektromagneten 14 verbunden ist, führt bei Erregung der Magnetspulen des
Elektromagneten 14 eine Hubbewegung entsprechend des Steuerteiles 22 innerhalb der
Ventilkörperbaugruppe 13 aus.
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Der Darstellung gemäß Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Lösung mit an Dichtpartnern
ausgebildeten unterschiedlichen Geometrien zur Abdichtung einer Verteilereinspritzpumpe
zu entnehmen.
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Im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 1 enthält der Verbund von
Verteilerköperbaugruppe 2 und Ventilkörperbaugruppe 13 gemäß der Darstellung in Fig. 2 keinen
Hochdruckdichtring, der zwischen der ersten Stirnseite 5 des buchsenförmigen Köpers 4
und der Stirnseite 48 der Ventilkörperbaugruppe 13 bei dessen Axialkraftbeaufschlagung
durch die Spannschraube 16 plastisch verformt wird. Die Dichtfunktion zur Abdichtung
des Hochdruckraumes 11 zwischen Verteilerkolben 10 und der Ventilkörperbaugruppe 13
erfolgt durch diese Bauelemente selbst, deren Stirnseiten 5 bzw. 48 in unterschiedlichen
Geometrien ausgebildet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung ist an der ersten
Stirnseite 5 des buchsenförmigen Körpers 4 eine kegelige Ausdrehung 35 vorgesehen.
Diese fertigungstechnisch einfach herzustellende Ausdrehung 35 umfasst in einem
Kegelwinkel 37 verlaufende Kegelmantelflächen 36. Der Kegelwinkel 37 liegt im Winkelbereich
zwischen 60° und ≤ 180°; besonders bevorzugt beträgt der Kegelwinkel 37 135°.
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Demgegenüber ist die Stirnfläche 48 des den zweiten Dichtpartner darstellenden
Ventilkörpers der Ventilkörperbaugruppe 13 als ein Kugeloberflächensegment 32 ausgebildet.
Der Kugelradius 31 des Kugeloberflächensegmentes 32 ist mit Bezugszeichen 31
gekennzeichnet. Der Mittelpunkt 34 des Kugelradius 31 liegt auf der Achse der
Ventilkörperbaugruppe 13 und in der Ebene 30, welche durch die Spannschulter 49 der
Ventilkörperbaugruppe 13 verläuft. An der Spannschulter 49, die beispielsweise als Absatz am Umfang der
Ventilkörperbaugruppe 13 ausgebildet sein kann, liegt die Spannschraube 16 an, mit
welchem die Ventilkörperbaugruppe 13 gegen den buchsenförmigen Körper 4, z. B. eine
Steuerbuchse, axial verspannt wird.
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Nach Montage des Elektromagneten 14 wird die Ventilkörperbaugruppe 13 in die zu ihrem -
Außendurchmesser korrespondierende Bohrung der Verteilerbaugruppe 2 eingeschoben.
Die in zwei Ringnuten der Ventilkörperbaugruppe 13 jeweils aufgenommenen ersten und
zweiten Dichtringe 17 bzw. 18 liegen an der Begrenzungsfläche der Bohrung in der
Verteilerbaugruppe 2 an. Nach Einschieben des vormontierten Ventilkörperbaugruppe 13 wird
die Spannschraube 16 in ein Innengewinde der Verteilerbaugruppe 2 eingeschraubt und
angezogen. Beim Anziehen der Spannschraube 16 legt sich diese an die Spannschulter 49
am Außenumfang der Ventilkörperbaugruppe 13 an und stellt die Ventilkörperbaugruppe
13 an die erste Stirnseite 5 des buchsenförmigen Köpers 4 an, an welchem eine
kegelförmige Ausdrehung 35 vorgesehen ist. Die in Gestalt eines Kugeloberflächensegmentes 32
beschaffene Stirnseite 48 der die axiale Vorspannkraft übertragenden
Ventilkörperbaugruppe 13 erzeugt bei Verformung im Verbund mit der kegeligen Ausdrehung 35 an der
ersten Stirnseite 5 des buchsenförmigen Körpers 4 eine ringförmige Anlage mit geringer
Ringbreite 39. Die ringförmige Anlage stellt eine Dichtfläche 38 im Kontaktbereich
zwischen buchsenförmigem Körper 4 und der Stirnseite 48 der Ventilkörperbaugruppe 13 dar.
Aufgrund der hohen Flächenpressung ergibt sich eine geringe Druckunterwanderung und
damit eine hohe Abdichtwirkung in Bezug auf den Hochdruckraum 11, der von den
Dichtpartnern 4 bzw. 13 durch Kontakt abgedichtet ist, ohne eines separaten Dichtelementes,
wie z. B. den aus dem Stand der Technik bekannten (vergl. Darstellung gemäß Fig. 1)
Hochdruckdichtring 12.
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Die Kombination verschiedener Geometrien an den einander kontaktierenden Stirnseiten 5
bzw. 48 vom buchsenförmigen Körper 4 und der Ventilkörperbaugruppe 13 erlaubt eine
selbsttätige Ausrichtung zur krafteinleitenden Stirnfläche der Spannschraube 16 während
des Schraubvorgangs. Dadurch ist die Flächenpressung an einer Spannschulter 49 der
Ventilkörperbaugruppe 13, der Spannschraube 16 und im Bereich der Dichtfläche 38
zwischen der ersten Stirnseite 5 des buchsenförmigen Körpers 4 und dem
Kugeloberflächensegment 32 an der Stirnseite gleichmäßig verteilt. Die gleichmäßige Verteilung der
Flächenpressung ist besonders günstig hinsichtlich der erzielbaren Dichtwirkung und
hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung der Bauteile 4 bzw. 13. Der buchsenförmige
Körper 4 und die Ventilkörperbaugruppe 13 werden im Bereich der Stirnseiten 5, 48
gehärtet, wobei die Dichtflächen im Dichtbereich 38 bei Einleitung der axialen Vorspannkraft
mittels der Spannschraube elastisch verformt werden, so dass eine Mehrfachmontage
möglich ist.
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Ein weiterer vorteilhafter Effekt beim Einsatz mit unterschiedlichen Geometrien
beschaffenen Dichtpartner 4 bzw. 13 liegt darin, dass die durchmesseraufweitende Keilwirkung
der in die kegelförmige Ausdrehung 35 angestellten Ventilkörperbaugruppe 13 in den
buchsenförmigen Körper 4 der Stauchung des buchsenförmigen Körpers 4 entgegenwirkt und
einer unzulässigen Kolbenspielreduzierung in Bezug auf den vom buchsenförmigen Körper
4 umschlossen Verteilerkolben 10 entgegenwirkt.
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In einer anderen Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung kann
die kegelförmige Ausdrehung 35 anstatt am buchsenförmigen Körper 4 auch an der
Stirnseite 48 der über die Spannschraube 16 vorgespannten Ventilkörperbaugruppe 13
eingelassen sein. Dementsprechend kann die erste Stirnseite 5 des buchsenförmigen Körpers 4
(Steuerbuchse) anstelle einer kegeligen Ausdrehung 35 mit einem
Kugeloberflächensegment 32 versehen sein.
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In der Ventilkörperbaugruppe 13, in deren dem buchsenförmigen Körper 4 abgewandten
Bereich die Magnetspule des Elektromagneten 14 aufgenommen ist, ist darüber hinaus eine
Steuerteilbohrung 40 vorgesehen, in welcher das Steuerteil 21 hin und her bewegbar ist.
Die Steuerteilbohrung 40 läuft in einen Hohlraum 1 innerhalb der Ventilkörperbaugruppe
13 aus, in welchem ein Federelement 42 aufgenommen ist. Ein Ende des Federelementes
42 liegt an einer Scheibe 43 im Hohlraum 41 an, während das diesem Ende
gegenüberliegende Ende des Federelementes 42 an der Stirnseite des Steuerteiles 21 anliegt. Über eine
vom Hochdruckraum 11, der über die erste Stirnseite 5 des buchsenförmigen Körpers 4
und die an diese angestellte Stirnseite 48 mit Kugeloberflächensegment 32 der
Ventilkörperbaugruppe 13 abgedichtet ist, verläuft eine Hochdruckbohrung 44, über welche der
Hochdruck in einem das Steuerteil 21 umgebenden Steuerraum 47 ansteht. Am Steuerraum
47 ist ein Sitz 45 des Steuerteiles 21 ausgebildet, welches je nach axialer Hubbewegung 22
des Steuerteiles 21 verschlossen bzw. freigegeben wird. Unterhalb des Sitzes 45 des
Steuerteiles 21 im Ventilkörper 13 zweigt eine Austrittsbohrung 46 ab, über welche die
abgesteuerte Fluidmenge in einen Ringraum 19 einströmt, der in der Ventilkörperbaugruppe 2
die Stirnseite 48 der Ventilkörperbaugruppe 13 umgebend ausgebildet ist.
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung, die Stirnseiten axial zueinander zu
verspannender Bauteile 4 bzw. 13 einer Verteilereinspritzpumpe 1 in unterschiedlichen
Geometrien auszubilden, kann ein separates Dichtelement in Gestalt eines
Hochdruckdichtringes 12 entfallen. Andererseits ist durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
gewährleistet, dass die Schnittstellengeometrien zwischen dem Magnetventil 14, der
Spannschraube 16 und der Verteilerkörperbaugruppe 2 im wesentlichen unverändert bleiben und
keinerlei Modifikationen bedürfen.
Bezugszeichenliste
1 Verteilereinspritzpumpe
2 Verteilerkörperbaugruppe
3 O-Ring
4 Steuerbuchse
5 erste Stirnseite Steuerbuchse
6 zweite Stirnseite Steuerbuchse
7 Federelement
8 Federteller
9 Stützfläche
10 Verteilerkolben
11 Hochdruckraum
12 Hochdruckdichtring
13 Ventilkörperbaugruppe
14 Elektromagnet
15 Stirnfläche Ventilkörper
16 Spannschraube
17 erster Dichtring
18 zweiter Dichtring
19 Ringraum
20 Schraubverbindung
21 Steuerteil
22 Axialbewegung des Steuerteiles
30 Spannschulter-Ebene
31 Kugelradius
32 Kugeloberflächensegment
33 Mittelachse Ventilkörper
34 Mittelpunkt Kugelradius
35 kegelförmige Ausdrehung
36 Kegelmantelfläche
37 Kegelwinkel
38 Dichtfläche
39 Ringdurchmesser
40 Steuerteilbohrung
41 Hohlraum
42 Federelement
43 Scheibe
44 Hochdruckbohrung
45 Sitz Steuerteil
46 Austrittsbohrung
47 Steuerraum
48 Stirnseite
49 Spannschulter