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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Brennkraftmaschine mit
Kraftstoff-Direkteinspritzung, mit einem Gehäuse, mit einem in dem Gehäuse vorhandenen
Ausnehmung, mit mindestens einem in der Ausnehmung angeordneten
Ventilelement, weiches mit einem Ventilsitz zusammenarbeitet und
dem eine Kraftstoff-Austrittsöffnung
zugeordnet ist, wobei das mindestens eine Ventilelement von mindestens
einer Vorspanneinrichtung zum Ventilsitz hin beaufschlagt wird.
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Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist
aus der
DE 40 23 223
A1 bekannt. Diese zeigt einen Injektor mit zwei koaxialen
Ventilnadeln. Die Ventilnadeln werden jeweils von einer Schraubendruckfeder
gegen einen Ventilsitz gedrückt.
Von diesen werden sie gegen die Beaufschlagungskraft der Schraubendruckfedern
weggedrückt,
wenn der Druck des Kraftstoffes im Bereich des Ventilsitzes erhöht wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie möglichst kompakt
und einfach baut.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Vorspanneinrichtung
einen in das Ventilelement einstückig
integrierten Federabschnitt umfasst.
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Vorteile der
Erfindung
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Erfindungsgemäß werden in einem einzigen Bauteil,
nämlich
dem Ventilelement, mehrere Funktionen miteinander kombiniert: Zum
Einen hat das Ventilelement die Aufgabe, den Kraftstofffluss aus der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung durch ein Öffnen und ein Verschließen eines
Fluidwegs zu steuern. Zum anderen wird wird ihm nun zusätzlich noch
die Aufgabe übertragen,
für jene
Vorspannung zu sorgen, welche im Ruhezustand erforderlich ist, um
die Fluidverbindung zu unterbrechen, um also die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
geschlossen zu halten.
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Dies wird ermöglicht durch die Integration
eines elastischen Federabschnitts in das ansonsten eine hohe Steifigkeit
aufweisende Ventilelement (bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
handelt es sich also um eine druckgesteuerte Vorrichtung, bei der
zum Öffnen
ein Abschnitt des Ventilelements durch eine hydraulische Kraft gegen die
Beaufschlagungskraft durch den Federabschnitt vom Ventilsitz abgehoben
wird). Hierdurch baut die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung vergleichsweise
kompakt, da eine separate Vorspanneinrichtung nicht mehr erforderlich
ist, und auch der Zusammenbau wird vereinfacht, da weniger Einzelteile
handzuhaben sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung wird
vorgeschlagen, dass die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung mindestens
zwei in der Ausnehmung zueinander koaxial angeordnete Ventilelemente
aufweist, welche von mindestens einer Vorspanneinrichtung gegen
den jeweiligen Ventilsitz beaufschlagt werden, wobei die Vorspanneinrichtung
mindestens eines Ventilelements einen in das Ventilelement. einstöckig integrierten
Federabschnitt umfasst. Bei einer derartigen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
mit mehreren Ventilelementen macht sich die erfindungsgemäß mögliche kompakte
Bauweise besonders bemerkbar.
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Vorgeschlagen wird auch, dass der
Federabschnitt an einen Dichtabschnitt des Ventilelements angeschweißt ist.
Eine derartige Schweißverbindung kann
die auftretenden Kräfte
sehr gut aufnehmen. Durch die unmittelbare. Verbindung des Federabschnitts
mit dem Dichtabschnitt des Ventilelements kann darüber hinaus
das Ventilelement sehr kurz und damit sehr kompakt bauen.
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Trotz kompakter Bauweise kann eine
sehr gute Dichtwirkung und somit ein präzises Schalten des Ventilelements
erreicht werden, wenn der Federabschnitt mit mindestens einem Führungsabschnitt einstückig verbunden
ist. Durch diesen Führungsabschnitt
wird trotz der Weichheit und Elastizität des Federabschnitts insgesamt
eine präzise
Positionierung des Ventilelements ermöglicht.
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Eine besorders bevorzugte Variante
der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
besteht darin, dass der Federabschnitt eine Rohrfeder umfasst. Mit
einer solchen Rohrfeder können
zum Einen die zu einer sicheren Abdichtung erforderlichen hohen
Kräfte
aufgebracht werden, und zum Anderen baut eine derartige Rohrfeder
sehr kompakt und bietet darüber
hinaus noch eine gewisse laterale Steifigkeit.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass
die Wand der Rohrfeder mehrere versetzt zueinander angeordnete Durchbrüche aufweist.
Durch die Lage, Form und Anzahl dieser Durchbrüche kann die Steifigkeit der
Rohrfeder exakt auf die speziellen Erfordernisse der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
ausgerichtet werden.
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Ein vergleichsweise geringer Federweg
des Federabschnitts ist dann erforderlich, wenn er sich am Gehäuse abstützt. In
diesem Fall ergibt sich nämlich
zumindest im Hinblick auf die Vorspannkraft keine Wechselwirkung
mit einem gegebenenfalls weiteren vorhandenen Ventilelement. Andererseits
kann die Kompaktheit der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
nochmals erhöht
werden, wenn sich der Federabschnitt an dem anderen Ventilelement
abstützt.
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Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung im Detail erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoff-Systems einer Brennkraftmaschine mit mehreren
Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen;
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2 einen
teilweisen, vereinfachten Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
von 1;
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3 eine
Detaildarstellung III eines Bereichs der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
von 2; und
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4 eine
Detaildarstellung ähnlich 3 eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen von 1.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 trägt ein Kraftstoffsystem
insgesamt das Bezugszeichen 10. Es ist Teil einer Brennkraftmaschine,
welche in 1 nicht im
Detail dargestellt ist.
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Zu dem Kraftstoffsystem 10 gehört ein Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 14 Kraftstoff
in eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 16 fördert. Diese
führt zu
einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18. Bei der Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 handelt
es sich um eine Kolbenpumpe, welche von einer Nockenwelle (nicht
dargestellt) der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 verdichtet
den Kraftstoff auf einen sehr hohen Druck und fördert ihn zu einer Kraftstoff-Sammelleitung 20.
Diese wird auch als "Rail" bezeichnet. In ihr
ist der Kraftstoff unter sehr hohem Druck gespeichert.
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An die Kraftstoff-Sammelleitung 20 sind mehrere
Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 22 angeschlossen.
Hierzu verfügen
diese jeweils über
einen Hochdruckanschluss 24. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 22 spritzen
den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 26 der Brennkraftmaschine
ein. Zu Steuerung einer Einspritzung ist für jede Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 ein
Steuerventil 28 vorgesehen, auf dessen Funktion weiter
unten noch stärker
im Detail eingegangen werden wird. Zwar ist das Steuerventil 28 in 1 separat von der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 dargestellt,
dies hat jedoch nur darstellerische Gründe. Üblicherweise ist das Steuerventil 28 in
die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 integriert. Bei
dem verwendeten Kraftstoff kann es sich im Übrigen um Benzin- als auch
um Diesel-Kraftstoff handeln.
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Der Betrieb der Brennkraftmaschine,
des Kraftstoffsystems 10, und insbesondere der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 22 wird
von einem Steuer- und Regelgerät 30 gesteuert
bzw. geregelt. Hierzu ist dieses über Leitungen (ohne Bezugszeichen) mit
den Steuerventilen 28 der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 22 verbunden.
Ferner erhält
das Steuer- und Regelgerät 30 Signale
von einem Drucksensor 32, mit dem der Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 erfasst
wird. Ausgangsseitig ist das Steuer- und Regelgerät 30 mit
einem Drucksteuerventil 34 verbunden, mit dem der Druck
in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 eingestellt werden kann.
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Der Aufbau einer der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 22 wird
nun unter Bezugnahme auf die 2 und 3 im Detail erläutert.
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Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 umfasst
ein Gehäuse 36.
In diesem ist eine längliche und
in Längsrichtung
des Gehäuses 36 verlaufende Ausnehmung 38 vorhanden.
In der Ausnehmung 38 sind zwei koaxial zueinander angeordnete
Ventilelemente 40 und 42 sichtbar.
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Das eine Ventilelement 40 ist
als länglicher zylindrischer Ventilkörper ausgeführt. Es
umfasst einen Führungsabschnitt 44,
der gleitend aber fluiddicht an der Innenwand der Ausnehmung 38 des
Gehäuses 36 anliegt.
Zwischen dem oberen Ende (2)
des Führungsabschnitts 44 und
einem Verschlussteil 45 des Gehäuses 36 ist eine Schraubendruckfeder 47 verspannt.
An den Führungsabschnitt 44 ist
ein Übergangsabschnitt 46 angeformt,
welcher etwas kleineren Durchmesser als der Führungsabschnitt 44 hat.
In 2 unterhalb des Übergangabschnitts 46 umfasst
das Ventilelement 40 einen Halteabschnitt 48,
auf dessen besondere Funktion weiter unten noch im Detail eingegangen
werden wird. Zwischen Halteabschnitt 48 und Übergangsabschnitt 46 ist
ein Absatz 50 vorhanden.
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Das in 2 untere
Ende des Ventilelements 40 wird durch einen Dichtabschnitt 52 gebildet, der
konisch spitz zuläuft.
Der Dichtabschnitt 52 umfasst zwei Bereiche mit unterschiedlichem
Konizitätswinkel,
wodurch eine Dichtkante 54 gebildet wird. Radial außerhalb
von der Dichtkante 54 ist eine Druckfläche 55 vorhanden.
Die Dichtkante 54 arbeitet mit einem Ventilsitz 56 in
einem ebenfalls konisch spitz zulaufenden Endbereich der Ausnehmung 38 zusammen.
Radial einwärts
von dem Ventilsitz 56 wird die Wand des Gehäuses 36 von
einem Kraftstoff-Austrittskanal 58 durchdrungen.
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Das zweite Ventilelement 42 ist
erheblich kürzer
als das erste Ventilelement 40. Es erstreckt sich nur in
etwa über
die Länge
des Halteabschnitts 48 des Ventilelements 40.
Das Ventilelement 42 umfasst an seinem in den 2 und 3 oberen Ende einen ringförmigen Führungsabschnitt 60 und
an seinem in den 2 und 3 unteren Ende einen ebenfalls
ringförmigen
kombinierten Führungs-
und Dichtabschnitt 62. Der ringförmige Führungsabschnitt 60 ist
mit dem oberen Rand und der kombinierte Führungs- und Dichtabschnitt 62 mit
dem unteren Rand einer Rohrfeder 64 verschweißt, in deren
Wand Durchbrüche 65 vorhanden
sind. Die entsprechenden Schweißnähte tragen
die Bezugszeichen 66 und 68. Zwar sind die dargestellten
Schweißnähte 66 bzw.
68 einteilig, es ist aber durchaus auch die Ausbildung einer zweiteiligen
Schweißnaht
denkbar.
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Der in den 2 und 3 obere
ringförmige Führungsabschnitt 60 stützt sich
zum Einen am Absatz 50 zwischen dem Übergangsabschnitt 46 und dem
Halteabschnitt 48 ab. Zum Anderen hat er einen Innendurchmesser,
der in etwa dem Außendurchmesser
des Halteabschnitts 48 entspricht. Er wird durch den Halteabschnitt 48 also
zentriert und geführt.
Gleiches gilt auch für
den kombinierten Führungs-
und Dichtabschnitt 62: Auch dessen Innendurchmesser entspricht
in etwa dem Außendurchmesser
das Halteabschnitts 48. Er wird also durch den Halteabschnitt 48 zentriert
und geführt.
Dabei ist die Passung zwischen dem kombinierten Führungs- und
Dichtabschnitt 62 und dem Halteabschnitt 48 so gewählt, dass
der kombinierte Führungs-
und Dichtabschnitt 62 auf dem Halteabschnitt 48 in
Längsrichtung
gleiten kann.
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Der Innendurchmesser der Rohrfeder 64 ist geringfügig größer als
der Außendurchmesser
des Halteabschnitts 48. Der kombinierte Führungs-
und Dichtabschnitt 62 des Ventilelements 42 ist ähnlich wie
der Dichtabschnitt 52 des Ventilelements 40 ausgebildet:
Er verjüngt
sich in den 2 und 3 nach unten hin konisch,
wobei er zwei Bereiche mit unterschiedlicher Konizität aufweist,
zwischen denen eine Dichtkante 70 gebildet wird. Der radial
außerhalb
der Dichtkante 70 gelegene Bereich bildet eine Druckfläche 71.
Die Dichtkante 70 arbeitet ebenfalls mit einem Ventilsitz 72 zusammen,
der an der Innenwand in einem sich konisch verjüngenden Endbereich der Ausnehmung 38 vorhanden
ist. Radial einwärts
vom Ventilsitz 72 wird die Wand des Gehäuses 36 von einem
zweiten Kraftstoff-Austrittskanal 74 durchdrungen.
Dessen Durchmesser ist kleiner als der Durchmesser des Kraftstoff-Austrittskanals 58.
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Zwischen dem Übergangsabschnitt 46 und dem
zweiten Ventilelement 42 einerseits und der Innenwand der
Ausnehmung 38 andererseits ist ein Ringraum 76 vorhanden.
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Dieser ist über einen Kanal 78,
der im Gehäuse 36 verläuft, mit
dem Hochdruckanschluss 24 verbunden.
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Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 arbeitet
folgendermaßen:
Im
Ruhezustand, wenn keine Einspritzung erfolgen soll, ist das Steuerventil 28 geschlossen.
In diesem Fall ist der Ringraum 76 drucklos. Die entsprechenden
Kräfte
an den Druckflächen 55 und 71 reichen nicht
aus, die entgegenwirkenden Kräfte
der Schraubendruckfeder 47 bzw. der Rohrfeder 64 zu überwinden.
Die Dichtkanten 54 und 70 liegen daher an ihren Ventilsitzen 56 und 72 an,
so dass die Fluidverbindung zwischen den Kraftstoff-Austrittskanälen 58 und 74 und
dem Ringraum 76, d.h. also letztlich zum Hochdruckanschluss 24 und
weiter zur Kraftstoff-Sammelleitung 20, unterbrochen ist.
Kraftstoff kann also nicht austreten.
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Wenn die Brennkraftmaschine in einem
niedrigen Lastbereich betrieben wird, soll nur vergleichsweise wenig
Kraftstoff aus der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 in
den ihr zugeordneten Brennraum 26 gelangen. Daher wird über den
Drucksensor 32 und das Drucksteuerventil 34 vom
Steuer- und Regelgerät 30 in
der Kraftstoff-Sammelleitung 20 nur ein bestimmter, jedoch
vergleichsweise niedriger Kraftstoffdruck in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 eingeregelt.
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Wenn eine Einspritzung erfolgen soll,
wird das Steuerventil 28 durch ein entsprechendes Signal vom
Steuer- und Regelgerät 30 geöffnet. Hierdurch steigt
der Druck im Ringraum 76, und in entsprechender Weise erhöht sich
die an der Druckfläche 71 angreifende
hydraulische Kraft. Die Steifigkeit der Rohrfeder 64 ist
dabei so gewählt,
dass bei dem eingeregelten Kraftstoffdruck im Ringraum 76 die
an der Druckfläche 71 angreifende
hydraulische Kraft ausreicht, um die Dichtkante 70 des
zweiten Ventilelements 42 entgegen der Beaufschlagungskraft
durch die Rohrfeder 64 vom Ventilsitz 72 frei
zu bekommen. Gleichzeitig ist die Steifigkeit der Schraubendruckfeder 47 aber
so gewählt,
dass die nun an der Druckfläche 55 angreifende
hydraulische Kraft noch nicht ausreicht, um auch das Ventilelement 40 zu
bewegen.
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Da sich die Dichtkante 70 nun
vom Ventilsitz 72 gelöst
hat, kann Kraftstoff von dem unter Druck stehenden Ringraum 76 über die
radial äußeren Kraftstoff-Austrittskanäle 74 aus
der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 in den ihr zugeordneten
Brennraum 26 gelangen. Wenn die Dichtkante 70 vom
Ventilsitz 72 freikommt, bewegt sich der kombinierte Führungs-
und Dichtabschnitt 62. Er wird bei dieser Bewegung durch
den Halteabschnitt 48 geführt.
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Zur Beendigung der Einspritzung wird
das Steuerventil 28 wieder geschlossen, so dass der Druck
im Ringraum 76 sinkt und der kombinierte Führungs-
und Dichtabschnitt 62 des Ventilelements 42 aufgrund
der nachlassenden Kraft an der Druckfläche 71 von der Rohrfeder 64 wieder
mit seiner Dichtkante 70 gegen den Ventilsitz 72 gepresst
wird.
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Bei höheren Lasten der Brennkraftmaschine soll
eine größere Kraftstoffmenge
in den Brennraum 26 der Brennkraftmaschine eingebracht
werden. Vorteilhaft ist es dabei auch, wenn diese Kraftstoffmenge mit
einem höheren
Druck in den Brennraum 26 gelangt als bei niedriger Last
der Brennkraftmaschine. Daher wird mittels des Drucksensors 32 und
des Drucksteuerventils 34 vom Steuer- und Regelgerät 30 ein
höherer
Druck in der Kraftstoff-Sammelleitung 20 eingeregelt. Wenn
nun das Steuerventil 28 öffnet, wird nicht nur die Dichtkante 70 des
Ventilelements 42 vom Ventilsitz 72 wegbewegt.
Aufgrund des höheren
Drucks reicht die nun an der Druckfläche 55 wirkende Kraft
aus, auch die Dichtkante 54 entgegen der Beaufschlagungskraft
durch die Schraubendruckfeder 47 vom Ventilsitz 56 abzuheben.
Kraftstoff kann nun zusätzlich
auch durch den KraftstoffAustrittskanal 58 in den Brennraum 26 gelangen.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 dargestellt. Dabei tragen
solche Bereich und Elemente, welche äquivalente Funktionen zu Bereichen
und Elementen der in den 2 und
3 gezeigten Vorrichtung aufweisen, die gleichen Bezugszeichen und
sind nicht nochmals im Detail beschrieben.
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Im Unterschied zu der in den 2 und 3 gezeigten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung 22 stützt sich die
Rohrfeder bei der in 4 gezeigten
Vorrichtung 22 nicht am anderen Ventilelement 40,
sondern am Gehäuse 36 ab.
Hierzu ist der ringförmige
Führungsabschnitt 60 des
Ventilelements 42 axial verlängert ausgeführt, und
die Innenwand der Ausnehmung 38 liegt an der Außenwand
der Führungsabschnitts 60 fluiddicht
an. Das Gehäuse 36 ist
zweiteilig mit einem Unterteil 36a und einem Oberteil 36b.
Der Führungsabschnitt 60 stützt sich
am Oberteil 36b ab.