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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Aus
der
EP 0 477 400 A1 ist
eine Anordnung für
einen in Hubrichtung wirkenden, adaptiven mechanischen Toleranzausgleich
für einen
Wegtransformator eines piezoelektrischen Aktors für ein Brennstoffeinspritzventil
bekannt. Dabei wird der Hub des Aktors über eine Hydraulikkammer übertragen. Die
Hydraulikkammer weist ein definiertes Leck mit einer definierten
Leckrate auf. Der Hub des Aktors wird über einen Geberkolben in die
Hydraulikkammer eingeleitet und über
einen Nehmerkolben auf ein anzutreibendes Element übertragen.
Dieses Element ist beispielsweise eine Ventilnadel eines Brennstoffeinspritzventils.
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Im
Geberzylinder ist ein Nehmerkolben geführt, der den Geberzylinder
ebenfalls abschließt
und hierdurch die Hydraulikkammer bildet. In der Hydraulikkammer
ist eine Feder angeordnet, die den Geberzylinder und den Nehmerkolben
auseinanderdrückt. Wenn
der Aktor auf den Geberzylinder einen Hubbewegung überträgt, wird
diese Hubbewegung durch den Druck eines Hydraulikfluids in der Hydraulikkammer
auf den Nehmerkolben übertragen,
da das Hydraulikfluid in der Hydraulikkammer sich nicht zusammenpressen
läßt und nur
ein geringer Anteil des Hydraulikfluids durch den Ringspalt während des
kurzen Zeitraumes eines Hubes entweichen kann. In der Ruhephase,
wenn der Aktor keine Druckkraft auf den Geberzylinder ausübt, wird
durch die Feder der Nehmerkolben aus dem Zylinder herausgedrückt und durch
den entstehenden Unterdruck dringt über den Ringspalt das Hydraulikfluid
in den Hydraulikraum ein und füllt
diesen wieder auf. Dadurch stellt sich der hydraulische Koppler
automatisch auf Längenausdehnungen
und druckbedingte Dehnungen eines Brennstoffeinspritzventils ein.
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Nachteilig
an diesem bekannten Stand der Technik ist, daß die Hydraulikkammer nur langsam befüllt werden
kann. Insbesondere beim Kaltstart mit geringem Druck treten lange
Einspritzzeiten auf, so daß mehr
Hydraulikflüssigkeit über den
Ringspalt entweicht und anschließend in kürzerer Zeit bei geringem Druck
wieder aufgefüllt
werden muß.
Geschieht dies nicht, verliert das Brennstoffeinspritzventil je
Einspritzung an Hub, bis es vollständig seine Funktion verliert.
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Nachteilig
ist weiterhin, daß das
Hydraulikfluid verdampfen kann, wenn in der Hydraulikkammer kein
ausreichend hoher Druck herrscht. Ein Gas ist jedoch kompressibel
und baut erst nach einer starken Volumenverringerung einen entsprechend
hohen Druck auf.
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Diese
Gefahr besteht insbesondere nach dem Abstellen einer heißen Brennkraftmaschine
bei einem Brennstoffeinspritzventil für Benzin, wenn das Benzin gleichzeitig
als Hydraulikfluid dient. Ein Brennstoffeinspritzsystem verliert
nun seinen Druck. Es kommt besonders leicht zum Verdampfen des Benzins.
Beim erneuten Startversuch der Brennkraftmaschine kann dies dazu
führen,
daß die
Hubbewegung des Aktors nicht auf die Nadel übertragen wird, da der nachströmende kühle Kraftstoff
nicht schnell genug in die Hydraulikkammer gelangt.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß der
hydraulische Koppler zumindest teilweise mit einem Gas gefüllt ist,
welches unter Druck steht. Dadurch kann eine komplizierte Vorspanneinrichtung des
Kopplers mittels einer Feder entfallen. Weiterhin ist die Konstruktion
in einfacher Weise frei von Leckageverlusten zu halten, da das unter
Druck stehende Gasvolumen die Leckage vermindert.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterentwicklungen des im Hauptanspruch angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
der einfachsten Ausführungsform
kann das Gas eine gemeinsame Grenzfläche mit dem Kopplermedium haben,
so daß der
Kopplerraum bis zu einer definierten Füllhöhe mit Kopplermedium und das
Restvolumen mit Gas gefüllt
ist.
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Bei
stark geneigter Einbaulage des Brennstoffeinspritzventils kann das
Kopplermedium auch durch geeignete bauliche Maßnahmen vom Gasvolumen getrennt
sein.
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Es
ist z. B. vorteilhaft, einen einfach geformten, mittels eines Dichtrings
dichtenden Verschlußkörper in
dem Kopplerraum anzuordnen, durch welchen Kopplermedium und Gas
voneinander getrennt sind und eine Belüftung des Kopplerspalts vermieden werden
kann.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht
die Anordnung eines Metallbalgs im Kopplerraum vor.
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Von
Vorteil ist auch die Anordnung eines Einstellstücks zwischen dem Fuß des piezoelektrischen Aktors
und dem Zweimediumskoppler sowie eine Ausgleichsfeder abströmseitig
des Kopplers. Dadurch kann der Aktorhub direkt auf den Koppler übertragen
werden, diverse Ventile wie Rückschlag- und Schaltventile
können
entfallen, und die Baulänge
des Kopplers kann signifikant reduziert werden.
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Vorteilhafterweise
ist der Koppler mittels einer Wellrohrdichtung nach außen abgedichtet,
welche zusammen mit dem Kopplerraum das Volumen bildet, welches
vom Kopplermedium und vom Gas in Anspruch genommen wird.
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Der
Gas- und Flüssigkeitsaustausch
zwischen dem Kopplerraum und dem durch die Wellrohrdichtung definierten
Wellrohrraum ist in einfacher Weise durch Querbohrungen im Nehmerkolben
möglich.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1A einen schematischen Schnitt
durch ein Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand der Technik in
einer Gesamtansicht,
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1B einen schematischen Ausschnitt
aus dem in 1A dargestellten
Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand
der Technik im Bereich 1B in 1A,
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2A ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
im Ausschnitt IB in 1A,
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2B ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im
Ausschnitt IB in 1A,
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2C ein drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
im Ausschnitt IB in 1A,
und
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2D ein viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils im
Ausschnitt IB in 1A.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung beispielhaft beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind
dabei in allen Figuren mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen.
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Bevor
die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher beschrieben
wird, wird zum besseren Verständnis
ein Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand der Technik in
seinen wesentlichen Bauteilen kurz erläutert. Das in 1A dargestellte Brennstoffeinspritzventil 1 ist
in der Form eines Brennstoffeinspritzventils 1 für Brennstoffeinspritzanlagen
von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
ausgeführt.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum
direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten
Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt ein Gehäuse 2, in welchem
ein mit einer Aktorumspritzung 3 versehener piezoelektrischer
oder magnetostriktiver Aktor 4 angeordnet ist. Dem Aktor 4 kann mittels
einer elektrischen Leitung 5, an welcher ein aus dem Gehäuse 2 ragender
elektrischer Anschluß 6 ausgebildet
sein kann, eine elektrische Spannung zugeführt werden. Der Aktor 4 stützt sich
zuströmseitig
an einem Geberkolben 9 eines hydraulischen Kopplers 7 und
abströmseitig
an einem Aktorkopf 8 ab. Der hydraulische Koppler 7 umfaßt weiterhin
einen Nehmerkolben 10, eine Druckfeder 11, welche den
hydraulischen Koppler 7 mit einer Vorspannung beaufschlagt,
und einen Kopplerraum 12, welcher mit einem Fremdmedium
gefüllt
ist. Der Kopplerraum 12 ist mittels einer Wellrohrdichtung 13 gegenüber dem das
Brennstoffeinspritzventil 1 durchströmenden Brennstoff abgedichtet.
Der Brennstoff wird dabei über
einen Zuleitungsstutzen 14 zentral zugeführt.
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Eine
detaillierte Beschreibung des Kopplers 7 sowie seiner Funktion
ist der Beschreibung zu 1B zu
entnehmen.
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Abströmseitig
des Aktorkopfes 8 ist ein Betätigungselement 15 angeordnet,
welches auf eine Ventilnadel 16 einwirkt. Die Ventilnadel 16 weist
an ihrem abströmseitigen
Ende einen Ventilschließkörper 17 auf.
Dieser wirkt mit einer Ventilsitzfläche 18, welche an
einem Düsenkörper 19 ausgebildet
ist, zu einem Dichtsitz zusammen. Eine Rückstellfeder 20 beaufschlagt
die Ventilnadel 16 so, daß das Brennstoffeinspritzventil 1 in
unbestromten Zustand des Aktors 4 in geschlossenem Zustand
verbleibt. Weiterhin sorgt sie nach der Einspritzphase für die Rückstellung
der Ventilnadel 16.
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Der
Düsenkörper 19 ist
mittels einer Schweißnaht 21 in
einem Innengehäuse 22 fixiert, welches
den Aktor 4 gegen den Brennstoff abdichtet. Der Brennstoff
strömt
vom Zulauf 14 zwischen dem Gehäuse 2 und dem Innengehäuse 22 zum
Dichtsitz.
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In 1B ist der Koppler 7 des
Brennstoffeinspritzventils 1 gemäß dem Stand der Technik im Bereich
IB in 1A dargestellt.
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Hydraulische
Koppler 7 in Brennstoffeinspritzventilen 1 sind
gewöhnlich
einerseits zur Um- oder Übersetzung
des Hubs des Aktors 4 auf die Ventilnadel 15 und/oder
andererseits zum Ausgleich temperaturbedingter Längenänderungen des Aktors 4 und
des Gehäuses 2 konzipiert.
Letzteres wird, wie im Ausführungsbeispiel
gezeigt, mittels eines Zweitmediumkopplers 7 realisiert,
welcher ein nicht mit dem Brennstoff in Berührung kommendes Zweitmedium
enthält.
Das Zweitmedium füllt
dabei den Kopplerraum 12 und einen zwischen Geberkolben 9 und Nehmerkolben 10 ausgebildeten
Kopplerspalt 23, welcher mit dem Kopplerraum 12 über eine Drossel 24 verbunden
ist. Bei Temperaturänderungen
wird der Kopplerspalt 23 über die Drossel 24 mit
Zweitmedium gefüllt
bzw. wird dieses durch die Drossel 24 in den Kopplerraum 23 drainiert.
Der notwendige Befülldruck
wird dabei über
die Druckfeder 11 gesteuert. Diese ist zwischen einem ersten
Verschlußkörper 25 und
einem zweiten Verschlußkörper 26 angeordnet, wobei
ersterer eine Nut 27 mit einem darin angeordneten Dichtring 28 zur
Abdichtung des Kopplerraumes 12 aufweist.
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Die
Befüllung
des Kopplers 7 mit Zweitmedium erfolgt durch eine Bohrung 29,
welche beispielsweise mittels einer eingepreßten Kugel 30 verschlossen
sein kann. Aus der Wellrohrdichtung 13 kann sich das Zweitmedium
durch zumindest eine Querbohrung 31 in den Kopplerraum 12 ausgleichen.
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Nachteilig
an der beschriebenen Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 bzw.
des hydraulischen Zweimediumskopplers 7 ist dabei insbesondere,
daß die
Leckageverluste an dem in der Nut 27 angeordneten Dichtring 28 sehr
hoch sind. Dies setzt die Dauerlauffestigkeit des Brennstoffeinspritzventils 1 stark
herab, da der Koppler 7 bei hohen Leckage-Verlusten schnell
leerläuft.
Die Herstellungskosten für
das Gesamtbauteil Koppler 7 sind aufgrund der komplizierten
Bauweise ebenfalls sehr hoch.
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Abhilfe
wird durch die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß ausgestalteter
Zweitmediums-Koppler 7 geschaffen, welche einfach und kostengünstig herstellbar
und zuverlässig
dauerlauffest sind.
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Dies
wird durch eine teilweise Befüllung
des Kopplerraums 12 mit einem Gas erzielt. Die übrigen Bauteile
des Koppler 7, insbesondere Geberkolben 9, Nehmerkolben 10 und
Wellrohrdichtung 13, können
identisch zu den entsprechenden Bauteilen gemäß dem Stand der Technik ausgeführt sein.
Dadurch beansprucht der Koppler 7 den gleichen Einbauraum, wodurch Änderungen
am Gehäuse 2 oder am
Aktor 4 unnötig
sind.
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2A zeigt dabei in gleicher
Darstellung wie 1B ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Kopplers 7 für
ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Brennstoffeinspritzventil 1.
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Ein
Gasvolumen 32 ist durch den unschraffierten Teil des Kopplerraums 12 dargestellt,
während die
dunkle Schraffur das Zweitmedium darstellt. Der Kopplerraum 12 bzw.
das Gasvolumen 32 ist, wie das Ausführungsbeispiel gemäß dem Stand
der Technik aus 1B,
mittels des zweiten Verschlußkörpers 26 abgeschlossen.
Das Zweitmedium füllt
den Kopplerraum 12 bis zu einer definierten Füllhöhe 33 auf, oberhalb
derer sich das komprimierte Gasvolumen 32 befindet. Es
wird über
die Bohrung 29 im Nehmerkolben 10 wie im Ausführungsbeispiel
gemäß dem Stand
der Technik gefüllt.
Die Bohrung 29 kann wiederum durch eine Kugel 30 oder,
wie in 2A dargestellt,
mittels eines Verschlußkörpers 34,
der beispielsweise mittels einer Schweißnaht 35 in der Bohrung 29 fixiert
sein kann, verschlossen sein.
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Das
Gasvolumen 32 muß dabei
lediglich mit dem Volumen des Zweitmediums bzw. mit der Weite des
Kopplerspalts 23 abgestimmt werden, um in jedem Betriebszustand
des Brennstoffeinspritzventils 1 eine zuverlässige Funktionsweise
des Kopplers 7 sicherzustellen. Zudem darf sich das Gas
nicht unter Druck im Zweitmedium lösen.
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Gasanteile,
die u. U. bei der Montage in den Kopplerspalt 23 gelangen
können,
werden bei der Ansteuerung des Brennstoffeinspritzventils 1 durch die
Drossel 24 oder durch einen zwischen dem Geberkolben 9 und
dem Nehmerkolben 10 ausgebildeten Führungsspalt 36 in
das Gasvolumen 32 ausgepreßt und der Kopplerspalt 23 dadurch
entlüftet.
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2B zeigt in gleicher Darstellung
wie 1B ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Kopplers 7 für
ein erfindungsgemäß ausgestaltetes
Brennstoffeinspritzventil 1.
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Soll
das Brennstoffeinspritzventil 1 unter erheblicher Schräglage betrieben
werden, kann der Kopplerspalt 23 u. U. nicht mehr zügig genug
entlüftet
werden. Dann bietet es sich an, das Zweitmedium vom Gasvolumen 32 zu
trennen. In 2B ist hierzu der
aus dem Ausführungsbeispiel
gemäß dem Stand der
Technik bekannte erste Verschlußkörper 25 mit dem
in der Nut 27 angeordneten Dichtring 28 im Kopplerraum 12 verschieblich
angeordnet. Das Zweitmedium füllt
den Kopplerraum 12 und einen durch die Wellrohrdichtung 13 definierten
Wellrohrraum 39. Das Gasvolumen 32 ist zwischen
dem ersten Verschlußkörper 25 und
dem zweiten Verschlußkörper 26 ausgebildet
und erfüllt
somit die gleiche Funktion wie in 1B die
Vorspannfeder 11, indem sie den ersten Verschlußkörper 25 mit
einem Druck beaufschlagt.
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Die
Befüllung
des Gasvolumens 32 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über eine
Bohrung 29 in dem zweiten Verschlußkörper 26, welche wiederum mittels
einer Kugel 30 oder eines Verschlußkörpers 34 verschlossen
sein kann.
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2C zeigt in gleicher Darstellung
wie 1B ein drittes Ausführungsbeispiel
eines Kopplers 7 für
ein erfindungsgemäß ausgestaltetes
Brennstoffeinspritzventil 1.
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Ebenfalls
für den
Betrieb bei extremer Schräglage
des Brennstoffeinspritzventils 1 ist die Bauform gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel
geeignet. Hierbei ist ein Metallbalg 37 vorgesehen, welcher
das Gasvolumen 32 vom Zweitmedium trennt. Der Metallbalg 37 ist
vorzugsweise mittels einer Schweißnaht 38 mit dem zweiten
Verschlußkörper 26 verbunden
und erstreckt sich in Abströmrichtung
in den Kopplerraum 12 hinein. Er wird ebenfalls über die
Bohrung 29 im zweiten Verschlußkörper 26 befüllt, wobei
die Bohrung 29 wiederum mittels eines Verschlußkörpers 34 oder
einer Kugel 30 verschlossen sein kann.
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Zum
besseren Ausgleich des Zweitmediums im Kopplerraum 12 um
den Metallbalg 37 herum ist es in diesem Fall sinnvoll,
die zumindest eine Querbohrung 31 in Richtung auf den zweiten
Verschlußkörper 26 zu
versetzen.
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2D zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäß ausgestalteten
Brennstoffeinspritzventils 1 im Verhältnis zu der Position des Aktors 4.
Das vierte Ausführungsbeispiel
ist im wesentlichen wie das in 2A dargestellte
Ausführungsbeispiel
ausgeführt,
weist jedoch statt eines gewölbten
Abschlußkörpers 26 eine
Abschlußplatte 40 auf. In ähnlicher
Weise können
auch die in den 2B und 2C dargestellten Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäß ausgestalteter
Zweimediums-Koppler mit einer Abschlußplatte 40 für die spezielle
Einbausituation versehen sein.
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Zuströmseitig
der Abschlußplatte 40 ist
ein Einstellstück 41 angeordnet,
an dessen dem Zweimediums-Koppler 7 abgewandter Seite sich
der Aktorkopf 8 des piezoelektrischen Aktors 4 abstützt. Abströmseitig
des Zweimediumskopplers 7 ist eine Ausgleichsfeder 42 angeordnet,
welche den Gasdruck des den Kopplerraum 12 zumindest teilweise
ausfüllenden
Gases kompensiert. Die Ausgleichsfeder 42 sorgt für eine kräftefreie
Anordnung des Zweimediumkopplers 7 im Brennstoffeinspritzventil 1.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und
für beliebige Bauformen
von Brennstoffeinspritzventilen 1, insbesondere auch für Brennstoffeinspritzventile 1 für selbstzündende Brennkraftmaschinen,
geeignet. Die Ausführungsbeispiele
sind auch miteinander kombinierbar.