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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 Steuerventils 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, das mindestens
eine Einspritzöffnung in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
freigibt oder diese 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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Zum
Einbringen 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 Servosteuerraum 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, entscheidend
verbessert werden. Bei Magnetventilen mit Servosteuerung erzeugen
die Steuermenge des Servokreislaufes und eventuell an den Führungen
auftretende Leckagen recht hohe Temperaturen. Diese Kraftstoffmengen
werden vom hohen Systemdruck entspannt. Dies führt zu einer Temperaturbelastung
des Materials des Kraftstoffinjektors und damit zu Materialproblemen.
Kritisch ist dabei insbesondere die Magnetspule, da durch den Eintrag
der elektrischen Energie die Spulentemperatur gegenüber
derjenigen des Kraftstoffes erhöht wird. Bei Magnetventilen
sind die derzeit verwendeten Kunststoffe für Spulenträger
und Umspritzungen nicht für höhere Temperaturen
geeignet, und der Spulenwiderstand nimmt mit der Temperatur zu,
so dass sich die Spulenauslegung erschwert. Insbesondere bei Injektorbauformen,
bei denen das Magnetventil und der Aktor im Kopf angeordnet sind,
wird dadurch der zulässige Temperaturbereich, dem die Aktoren
ausgesetzt werden können, überschritten. Im Kopfbereich
ist die Wärmeabgabe über das Injektorgehäuse
durch Wärmeleitung relativ gering, eine Wärmeabführung
kann im Kopfbereich des Kraftstoffinjektors allenfalls durch Konvektion
erfolgen.
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Bei
derzeit eingesetzten Magnetventilen zur Steuerung von Kraftstoffinjektoren
für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen
ist die Magnetspule in der Regel von einem Magnetkern umgeben, um eine
genügend hohe Magnetkraft zu erzeugen. Dadurch ist die
Magnetspule jedoch thermisch schlecht angebunden und kann nur wenig
Wärmeenergie abgeben. Durch die eingebrachte elektrische
Ansteuerenergie hingegen entstehen hohe Spulentemperaturen, die über
der Temperatur des Kraftstoffes liegen.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur
Reduzierung der Temperatur der Magnetspule, die in der Regel in
den Magnetkern einer Magnetbaugruppe eingebettet ist, wird vorgeschlagen,
die Rücklaufmenge eines Servoventils zumindest teilweise
direkt an der Magnetspule vorbeizuführen. Dabei nimmt diese
Rücklaufmenge Wärme von der Magnetspule auf, so
dass die Temperatur der Magnetspule sinkt. Um dieses zu erreichen,
wird zwischen dem Magnetkern und der Magnetspule ein dementsprechender
Strömungsquerschnitt geschaffen, der zum Beispiel als Ringquerschnitt
ausgebildet sein kann. Dieser Ringquerschnitt wird durch die Rücklaufmenge
zumindest teilweise direkt durchströmt.
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Im
Gegensatz zu bisher eingesetzten Magnetventilkonzepten ist bei der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Magnetventilbaugruppe
die Magnetspule nicht abgedichtet in eine ringförmige Ausnehmung
des Magnetkerns eingelassen, sondern zwischen dem Außenumfang
der ringförmig konfigurierten Magnetspule und der diese
umschließenden Ausnehmung im Inneren des Magnetkerns wird
ein ringförmig verlaufender Strömungsquerschnitt
belassen. Der ringförmig verlaufende Strömungsquerschnitt
erlaubt eine allseitige Umspülung der ring- oder torusförmig
ausgebildeten Magnetspule. Damit können nicht nur deren
Innen- und Außenumfangsflächen, sondern auch deren
obere und untere Stirnseite vom abgesteuerten Kraftstoff durchströmt
werden. Um diese Umströmung der Magnetspule zu verbessern,
können in der an einem Ankerbolzen geführten Ankerplatte
Bohrungen vorgesehen sein, die ein Zuströmen des abgesteuerten
Kraftstoffes in Richtung des niederdruckseitigen Rücklaufes
begünstigen. In vorteilhafter Weise sind im Magnetkern eine
Sammelleitung bildende Strömungsquerschnitte oberhalb der
Ausnehmung im Magnetkern angeordnet, über welche der abgesteuerte,
durch die Magnetspule erwärmte Kraftstoff in den niederdruckseitigen
Rücklauf abströmt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung ist ein konvektiver Wärmetransport von
der allseitig umströmten Magnetspule an den diese umströmenden
abgesteuerten Kraftstoff, der in den niederdruckseitigen Rücklauf
des Kraftstoffeinspritzsystems abströmt, gegeben.
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In
vorteilhafter Weise kann die Magnetspule innerhalb eines Ringraumes
des Magnetkerns von einem Spulenträger umschlossen sein,
der seinerseits von der abgesteuerten Menge oder von Leckagemenge
umströmt ist. Des Weiteren kann in einer vorteilhaften
Ausführungsvariante des der Erfindung zugrunde liegenden
Gedankens in der Ausnehmung des Magnetkerns, in dem die Magnetspule
gegebenenfalls mit Spulenträger angeordnet ist, ein Abstandhalter
angeordnet werden, so dass eine allseitige Umströmung der
Magnetspule bzw. des Spulenträgers an den Stirnseiten und
den Innenumfangs- bzw. Außenumfangsflächen gewährleistet
ist. Der Abstandhalter bewirkt in vorteilhafter Weise, dass im Magnetkern
in Richtung des Rücklaufes zum Niederdruckbereich angeordnete Öffnungen
durch die Magnetspule nicht verschlossen werden, sondern ein erster
ringförmig ausgebildeter Strömungspfad und ein zweiter
ringförmig ausgebildeter Strömungspfad oberhalb
einer Stirnseite der Magnetspule zusammengeführt und über
im Magnetkern ausgebildete, mit Absteuerkanälen in einem
Deckel fluchtende Öffnungen in den niederdruckseitigen
Rücklauf abgesteuert werden können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung eingehender beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor, dessen Schaltventil als Magnetventil ausgebildet
ist, welches eine Magnetgruppe umfasst, die eine vom abgesteuerten
Kraftstoff umspülte Magnetspule umfasst.
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Ausführungsformen
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Wie
der Darstellung gemäß der Zeichnung entnommen
werden kann, ist ein Kraftstoffinjektor 10 über
eine Hochdruckleitung 12 mit unter Systemdruck stehendem
Kraftstoff beaufschlagt. Die Hochdruckleitung 12 ihrerseits
wird über einen Hochdruckspeicherkörper (Common-Rail)
mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt. Der Hochdruckspeicherkörper
(Common-Rail) ist seinerseits über eine Hochdruckpumpe
oder ein anderes Hochdruckförderaggregat beaufschlagt,
so dass der in diesem bevorratete Kraftstoff unter einem Systemdruck
von 2000 bar und mehr steht. Auf diesem Druckniveau, d. h. dem Systemdruckniveau,
wird einem Injektorkörper 14 des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der
Zeichnung Kraftstoff zugeführt. Der über die Hochdruckzuleitung 12 in
den Injektorkörper 14 geförderte Kraftstoff
wird in einem Speichervolumen 16 bevorratet.
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Unterhalb
des Injektorkörpers 14 des Kraftstoffinjektors 10 befindet
sich ein Düsenkörper 18. Im oberen Bereich
des Kraftstoffinjektors 10 umfasst dieser ein Aktorgehäuse 20,
in dem ein Schaltventil aufgenommen ist. Bei dem Schaltventil handelt
es sich bevorzugt um ein Magnetventil 22. Des Weiteren umfasst
der Injektorkörper 14 des Kraftstoffinjektors 10 ein
Ventilstück 24. Innerhalb des Ventilstücks 24 ist
ein Steuerraum 28 ausgebildet. Der Steuerraum 28 innerhalb
des Ventilstücks 24 umfasst eine Zulaufdrossel 30 sowie
mindestens eine in einem Ablaufkanal 34 ausgebildete Ablaufdrossel 32. Über
die Zulaufdrossel 30 ist gewährleistet, dass der
im Ventilstück 24 ausgebildete Steuerraum 28 stets
mit unter Systemdruck stehendem Kraftstoff beaufschlagt ist. Bei
Betätigung des Schaltventils, insbesondere des Magnetventils 22,
wird aus dem Steuerraum 28 eine Steuermenge in Richtung
eines niederdruckseitigen Rücklaufes 84 abgesteuert.
Der im Steuerraum 28 über die mindestens eine
Zulaufdrossel 30 anstehende, unter Systemdruck stehende
Kraftstoff beaufschlagt eine Stirnfläche eines bevorzugt
nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26.
Dieses insbesondere nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied 26 erstreckt
sich durch das Speichervolumen 16.
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Das
Ventilstück 24 umfasst an seiner oberen Planseite
einen Ventilsitz 36, der als Plansitz, als Kegelsitz oder
als Sitz für ein kugelförmig ausgebildetes Schließelement
ausgebildet sein kann. Das Ventilstück 24 ist über
eine Ventilspannmutter 40 im Injektorkörper 24 befestigt.
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Wie
aus der Zeichnung weiter hervorgeht, liegt an der unteren Stirnseite
des Ventilstückes 24 eine Schließfeder 54 an.
Diese stützt sich auf einem Bund 52 am Umfang
des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26 ab.
Der Ventilkörper 14 ist mit dem Düsenkörper 18 verbunden. Der
Düsenkörper 18 seinerseits ist über
das im Speichervolumen 16 des Injektorkörpers 14 anstehende, unter
Systemdruck stehende Kraftstoffvolumen beaufschlagt. Der unter Systemdruck
stehende Kraftstoff strömt über am Umfang des
bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26 ausgebildete
Anschliffe 56, wobei es sich um einen oder mehrere Anschliffe 56 handeln
kann, einem Ringraum 58 im Düsenkörper 18 zu.
Aus der Zeichnung geht hervor, dass in der dargestellten Position
des Einspritzventilgliedes 26 ein Sitz 60 des
bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26 am brennraumseitigen
Ende des Kraftstoffinjektors 10 verschlossen ist. In der
in der Zeichnung dargestellten Position des bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 26 kann kein Kraftstoff über mindestens
eine Einspritzöffnung 62 in einen Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine, bevorzugt einer selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine, eingespritzt werden.
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Die
Zeichnung zeigt ferner, dass auf der Planseite des Ventilstücks 24 ein
Führungskörper 48 ausgebildet ist. Der
Führungskörper 48 führt ein
hülsenförmig ausgebildetes Ventilglied 38.
Das Ventilglied 38 weist an seiner unteren Stirnseite eine
Beißkante auf, welche mit dem Ventilsitz 36 an
der oberen Stirnseite des Ventilstücks 24 zusammenwirkt.
Die Führung 48 begrenzt einen Ringraum 46,
der über mindestens eine Öffnung mit einem im
Aktorgehäuse 20 ausgeführten hydraulischen
Raum in Verbindung steht. Des Weiteren handelt es sich bei dem in
der Zeichnung dargestellten Schaltventil bzw. dem Magnetventil 22 um
ein druckausgeglichenes Schaltventil, da das hülsenförmig
ausgebildete Ventilglied 38 mit daran ausgebildeter Ankerplatte 90 an
einem Druckstift 50 geführt ist. Aus der Zeichnung
geht hervor, dass der die Druckausgeglichenheit des Schaltventils,
insbesondere des Magnetventils 22, ermöglichende
Druckstift 50 an einer unteren Stirnseite eines Deckels 86, über
den das Aktorgehäuse 20 verschlossen ist, befestigt
ist.
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Die
Zeichnung zeigt des Weiteren, dass das Schaltventil, insbesondere
ausgebildet als Magnetventil 22, eine Magnetgruppe 70 umfasst.
Die Magnetgruppe 70 ihrerseits umfasst einen Magnetkern 72,
in dem eine Magnetspule 74 angeordnet ist. Die Magnetspule 74 kann
unter Ausbildung eines ersten Strömungspfades 80 und/oder
eines zweiten Strömungspfades 82 im Magnetkern 72 angeordnet
sein. Die Ausbildung der bevorzugt als Ringkanäle ausgebildeten
Strömungspfade 80 bzw. 82 ermöglicht
es in vorteilhafter Weise, beim Öffnen des Ventilgliedes 38 aus
dem Steuerraum 28 abgesteuertes Kraftstoffvolumen zur Kühlung
der Magnetspule 74 einzusetzen. Dabei ist unerheblich,
ob die Magnetspule 74 ohne einen Spulenträger 76 oder
von einem Spulenträger 76 umschlossen, in eine
dementsprechend konfi gurierte, d. h. mit Übermaß ausgebildete
Ausnehmung des Magnetkerns 72 der Magnetgruppe 70 eingelassen
ist. Die Ausführung eines Übermaßes ermöglicht die
Ausbildung einen Ringquerschnitt aufweisender Strömungspfade,
wie des ersten Strömungspfades 80 und/oder des
zweiten Strömungspfades 82, wie in der Zeichnung
dargestellt. Die Magnetspule 74 bzw. die Kombination aus
Magnetspule 74 und Spulenträger 76 kann
zum Beispiel durch mindestens einen Abstandhalter 78 innerhalb
der Ausnehmung des Magnetkerns 72 befestigt werden. Dadurch
ist sichergestellt, dass der die Magnetspule 74 bzw. deren Spulenträger 76 umströmende,
deren Temperatur senkende abgesteuerte Kraftstoff über Öffnungen 98 im
Magnetkern 72 abströmt. In vorteilhafter Weise befindet
sich am oberen Bereich des Magnetkerns 72 eine Anzahl von Öffnungen 78,
die mit Rücklaufkanälen 76 fluchten.
Die Rücklaufkanäle 76 sind in vorteilhafter
Weise im Deckel 86 ausgebildet, der das Aktorgehäuse 20 des
Kraftstoffinjektors 10 verschließt. Der den Spulenträger 76 bzw.
die Magnetspule 74 unmittelbar umströmende Kraftstoff,
bei dem es sich um aus dem Steuerraum 28 abgesteuerte Menge oder
um Führungsleckage oder dergleichen handelt, wird im Deckel 86 in
einem Sammelraum 94 gesammelt, von dem aus der niederdruckseitige
Rücklauf 84 in den niederdruckseitigen Bereich
des Kraftstoffeinspritzsystems abströmt.
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Aus
der Darstellung der Zeichnung geht hervor, dass die Rücklaufkanäle 76,
die in den Sammelraum 94 des Deckels 86 münden,
in vorteilhafter Weise mit den Öffnungen 98 an
der Oberseite des Magnetkerns 82 fluchten.
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Um
die Kühlung der Magnetspule 74 bzw. der Kombination
aus Magnetspule 74 und des Spulenträgers 76 weiter
zu verbessern, ist in der Zeichnung dargestellt, dass eine Ankerplatte 90 der
Magnetgruppe 70 mindestens eine als Bohrung ausgebildete Öffnung 88 umfasst.
Dies bedeutet eine verbesserte Anströmung der unteren Stirnseite
des Spulenträgers 76 bzw. der Magnetspule 74 unmittelbar,
für den Fall, dass diese ohne Spulenträger 76 ausgebildet
ist. Über die in der Ankerplatte 90 ausgebildete mindestens
eine Öffnung 88 wird die untere Stirnseite der
Magnetspule 74 bzw. des Spulenträgers 76 unmittelbar
von der abgesteuerten Menge abgeströmt und somit gekühlt.
Von der unteren Stirnseite des Spulenträgers 76 bzw.
der Magnetspule 74 strömt die abgesteuerte, den
Spulenträger 76 bzw. die Magnetspule 74 kühlende
Absteuermenge entsprechend des ersten Strömungspfades 80 bzw.
des zweiten Strömungspfades 82 an der Innenumfangsfläche bzw.
Außenumfangsfläche des Spulenträgers 76 bzw.
der Magnetspule 74 entlang. Die Kraftstoffströmungen
kühlen somit den Spulenträger 76 bzw.
die Magnetspule 74 sowohl an deren Innenumfangsfläche
als auch an deren Außenumfangsfläche. Beide Strömungspfade 80 bzw. 82 vereinigen
sich an der oberen Stirnseite des Spulenträgers 76 bzw.
der Magnetspule 74. Durch den mindestens einen Abstandhalter 78 ist
gewährleistet, dass die obere Stirnseite des Spulenträgers 76 bzw.
der Magnetspule 74 die mindestens eine im Magnetkern 72 ausgebildete Öffnung 78 nicht
verschließt, so dass die den ersten Strömungspfad 80 bzw.
den zweiten Strömungspfad 82 passiert habende
Kraftstoffmenge in Richtung der im Deckel 86 ausgebildeten
Rücklaufkanäle 96 abströmt.
Die Öffnungen in der Ankerplatte 90 der Magnetgruppe 70 können
als Bohrungen oder als Schlitze oder dergleichen in beliebiger,
fertigungstechnisch jedoch möglichst einfach herzustellender
Geometrie ausgebildet sein. Der Deckel 86, welcher das
Aktorgehäuse 20 verschließt, umfasst
einen Sammelraum 94, von dem aus der niederdruckseitige
Rücklauf 84 in den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems
verläuft.
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Die
im Magnetkern 72 der Magnetgruppe 70 ausgebildeten,
oberhalb des Spulenträgers 76 bzw. der Magnetspule 74 im
Magnetkern 72 ausgebildeten Öffnungen 98 können
neben einer Abfuhr von abgesteuerter, die Magnetspule 74 bzw.
die Spulenträger-Magnetspulenkombination 74, 76 kühlender Menge
auch zur Durchführung der elektrischen Kontaktierungen
der Magnetspule 74 genutzt werden, für eine entsprechende
Abdichtung, um den Austritt von Kraftstoff zu vermeiden, ist Sorge
zu tragen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante sind im Injektorkörper 14 des
Kraftstoffinjektors 10 Kühlbohrungen 92 eingebracht.
Wie aus der Zeichnung hervorgeht, erstreckt sich die mindestens
eine Kühlbohrung 92 durch den Injektorkörper 14 unterhalb
des Ventilstücks 24 bis an den Düsenkörper 18. In
vorteilhafter Weise ist die mindestens eine Kühlbohrung 92 derart
ausgebildet, dass diese einen ersten Ast aufweist, der sich durch
den Injektorkörper 14 erstreckt, beginnend unterhalb
des Ventilstückes 24 und oberhalb des Düsenkörpers 18,
jedoch noch im Injektorkörper 14 in einen rücklaufenden
Ast übergeht. Der rücklaufende Ast der mindestens
einen Kühlbohrung 92 kann entweder unterhalb des
Ventilstücks 24 enden oder sich – wie
in der Darstellung gemäß 1 dargestellt – auch
noch durch das Ventilstück 24 erstrecken, das
mit der Ventilspannmutter 40 im Injektorkörper 14 fixiert
ist. Wie der Darstellung gemäß 1 zu
entnehmen ist, mündet der rücklaufende Ast der
mindestens einen Kühlbohrung 92 an der Planseite
des Ventilstücks 24 in den Niederdruckraum, in
den Menge aus dem Ringraum 46 oberhalb des Ventilsitzes 36 abgesteuert
wird.
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Durch
die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
kann in vorteilhafter Weise ohne großen Aufwand die Spulentemperatur
der Magnetspule 74 konvektiv gesenkt werden. Je mehr abgesteuerte
Menge bzw. Führungsleckage durch den ersten Strömungspfad 80 und/oder
den zweiten Strömungspfad 82 an der Innenumfangsfläche
bzw. der Außenumfangsfläche des Spulenträgers 76 bzw.
einer Kombination aus Magnetspule 74 und Spulenträger 76 vorbeigeleitet
werden kann, eine desto effektivere Kühlung der Magnetspule 74 kann
erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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