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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Beispielsweise
ist aus der
DE 199
50 760 A1 ein Brennstoffeinspritzventil mit einem piezoelektrischen
Aktor bekannt, welcher in Wirkverbindung mit einer Ventilnadel steht.
Die Ventilnadel weist an ihrem abspritzseitigen Ende einen Ventilschließkörper auf,
der mit einer Ventilsitzfläche
zu einem Dichtsitz zusammenwirkt. Zwei im wesentlichen wellrohrförmige, axial
flexible und radial steife flexible Abschnitte dienen zur Abdichtung
innerhalb des Brennstoffeinspritzventils, um insbesondere ein Mischen
von Brennstoff mit dem Hydraulikmedium zu verhindern, welches zum
Betrieb einer integrierten Hubübersetzungs-
und Ausgleichsvorrichtung dient, und zur Abdichtung von Brennstoff
gegenüber
dem Aktor. Die flexiblen Abschnitte werden aus der Ruhelage, welche
der unbelasteten Länge
entspricht, in nur eine Richtung entweder nur gedehnt oder nur gestaucht und
sind ohne Vorspannung im Brennstoffeinspritzventil angeordnet.
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Nachteilig
bei dem aus der obengenannten Druckschrift bekannten Brennstoffeinspritzventil
ist insbesondere, daß die
Dauerhaltbarkeit und Zuverlässigkeit
der flexiblen Abschnitte bei nicht vorhandener Vorspannung ungenügend ist,
da die flexiblen Abschnitte durch die Streckung bzw. Stauchung in nur
einer Richtung erhöhten
maximalen Spannungsbelastungen standhalten müssen, die verstärkt im Bereich
der Außenfläche der
flexiblen Abschnitte auftreten. Dies kann beispielsweise zu Rissen
und Lecken führen,
außerdem
wird die Ventildynamik dadurch ungünstig beeinflußt.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, daß die
maximal im Betrieb auftretenden Spannungen innerhalb des flexiblen
Abschnitts deutlich reduziert sind und damit die Zuverlässigkeit
des Brennstoffeinspritzventils sowie die Dauerhaltbarkeit erhöht sind. Außerdem sind
die maximal auf den Betätigungsstrang
wirkenden Kräfte
reduziert, womit die Ventildynamik verbessert ist.
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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
einer ersten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
ist die Vorspannlänge
bzw. die Vorspannung so gewählt,
daß bei
einem beispielsweise in Ruhelage mit einer Stauchung eingebauten
flexiblen Abschnitt dieser im Betrieb eine Streckung erfährt, so
daß die
unbelastete Länge durchlaufen
wird. Ein mit einer in Ruhelage mit einer Streckung eingebauter
flexibler Abschnitt soll analog dazu eine Stauchung erfahren. Die
Spannungsbelastungen lassen sich dadurch noch weiter reduzieren.
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Idealerweise
gleicht der Betrag, um den der flexible Abschnitt gestaucht wird,
in etwa dem Betrag, um den der flexible Abschnitt gestreckt wird.
Die Spannungsbelastungen werden dadurch weiter minimiert.
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Vorteilhafterweise
ist der flexible Abschnitt wellrohr- bzw. wellbalgförmig ausgebildet
und aus Stahl bestehend. Die Flexibilität und radiale Steifigkeit wird
dadurch verbessert, wobei der flexible Abschnitt kostengünstig hergestellt
werden kann.
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Wird
der flexible Abschnitt mit einem Ende axial bewegungsfest an der
Ventilnadel fixiert, insbesondere über einen Flansch, und/oder
das jeweils andere Ende an einem Verbindungskörper, welche gegenüber der
Ventilnadel axial beweglich ist, so kann das Brennstoffeinspritzventil
besonders einfach aufgebaut werden.
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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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1 eine schematische axiale
Schnittdarstellung durch ein Brennstoffeinspritzventil gemäß dem Stand
der Technik,
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2 eine ausschnittsweise
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils
und
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3 eine ausschnittsweise
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung beispielhaft beschrieben. Übereinstimmende Bauteile sind
dabei in den Figuren mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen. Bevor jedoch anhand der 2 und 3 bevorzugte
Ausführungsbeispiele
die Erfindung näher
erläutert
werden, wird anhand von 1 ein
Brennstoffeinspritzventil 1 gemäß dem Stand der Technik in
seinen wesentlichen Bauteilen zum besseren Verständnis der Erfindung kurz erläutert.
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Ein
in 1 in einer axialen
Schnittdarstellung gezeigtes gattungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil 1 gemäß dem Stand
der Technik dient insbesondere zum direkten Einspritzen von Brennstoff in
einen Brennraum einer gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschine.
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Ein
Aktor 2, der vorzugsweise aus scheibenförmigen piezoelektrischen oder
magnetostriktiven Elementen 3 aufgebaut ist, ist in einem
zweiteilig ausgeführten
hohlzylindrischen Aktorgehäuse 4 angeordnet.
Der Aktor 2 stützt
sich am zuströmseitigen Ende,
im Inneren eines ersten oberen, zuströmseitigen Aktorgehäuseteils 4a mit
einer ersten Stirnseite 5 ab und liegt mit einer zweiten
Stirnseite 6 an einem Aktorkopf 7 an. Eine Vorspannfeder 8 liegt
mit einem ersten Ende an dem Aktorkopf 7 an und ist von
einem zweiten Aktorgehäuseteil 4b,
an welchem sich das zweite Ende 10 der Vorspannfeder 8 abstützt, hülsenförmig umgeben.
Die beiden Aktorgehäuseteile 4a und 4b sind
z. B. miteinander verschweißt.
Das zweite Aktorgehäuseteil 4b ist
mit einem Ventilgehäuse 13 fest
verbunden, z. B. verschweißt.
Der Aktorkopf 7 setzt sich in einem Aktorkolben 11,
der von der Vorspannfeder 8 umgeben ist, fort.
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Im
zweiten Aktorgehäuseteil 4b ist
eine Ausnehmung 12 vorgesehen, durch welche der Aktorkolben 11 hindurchragt.
Der Aktorkolben 11 und das zweite Aktorgehäuseteil 4b liegen
an einer gegenüber
einem Ventilinnenraum 41 hermetisch abgeschlossenen Hubeinrichtung 14 an,
welche mit einem Hydraulikmedium gefüllt ist. Ein Gehäuse 15 der
Hubeinrichtung 14 besteht aus einem ortsfesten Abschnitt 42,
der zwischen einem ersten wellbalgförmigen flexiblen Abschnitt 22 und
einem zweiten wellbalgförmigen
zweiten flexiblen Abschnitt 24 angeordnet ist. Der ortsfeste Abschnitt 42 ist
vorzugsweise über
eine Schweißnaht 18 am
Ventilgehäuse 13 fixiert.
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Der
erste flexible Abschnitt 22 umgibt einen ersten Hubkolben 21,
ist abspritzseitig mit dem ortsfesten Abschnitt 42 und
an seinem anderen Ende mit dem ersten Hubkolben 21 verschweißt. Der
zweite flexible Abschnitt 24 umgibt einen zweiten Hubkolben 23 und
ist mit einem Flansch 19 einer Ventilnadel 20 verschweißt. Der
zweite flexible Abschnitt 24 ist ebenfalls mit dem ortsfesten
Abschnitt 42 verschweißt.
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Der
erste Hubkolben 21 ist zweiteilig ausgeführt und
besteht aus einem Zwischenstück 25,
welches am Aktorkolben 11 angeliegt und mit der ersten wellrohrförmigen Dichtung 22 in
Verbindung steht, und einem rohrförmigen Kolben 26,
der in dem ebenfalls rohrförmigen
ortsfesten Abschnitts 42 geführt ist.
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Der
zweite Hubkolben 23 durchgreift eine Ausnehmung 27 im
abspritzseitigen Ende des ortsfesten Abschnitts 42 und
ist in dem Kolben 26 geführt. Der zweite Hubkolben 23 ist
mit dem zu dem Flansch 19 verbreiterten Ende der Ventilnadel 20 verbunden.
An dem Flansch 19 ist der zweite flexible Abschnitt 24 angebracht.
Die Hubkolben 21 und 23 sind gegenläufig beweglich
und werden durch eine Schließfeder 28 innerhalb
des Kolbens 26 auseinander gedrückt, wodurch das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen
bleibt.
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Der
erste flexible Abschnitt 22 umschließt einen ersten Ausgleichsraum 29.
Der zweite flexible Abschnitt 24 umschließt einen
zweiten Ausgleichsraum 30. Die Ausgleichsräume 29 und 30 sind über eine
Bohrung 31a im Zwischenstück 25 und eine Bohrung 31b im
zweiten Hubkolben 23 und über eine zentrale Ausnehmung 32 miteinander
verbunden. Das Hydraulikmedium kann sich somit frei in der Hubeinrichtung 14 ausgleichen.
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Die
flexiblen Abschnitte 22 und 24 sind in axialer
Richtung flexibel, in radialer Richtung jedoch wesentlich steifer.
Die axialen Längenänderungen
der flexiblen Abschnitte 22 und 24 haben durch
ihre Formgebung keinen Einfluß auf
die Druckverhältnisse
innerhalb und außerhalb
der flexiblen Abschnitte 22 und 24.
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Der
erste Hubkolben 21, der zweite Hubkolben 23 und
der ortsfeste Abschnitt 42 des Gehäuses 15 umschließen ein
ringförmiges Übertragungsvolumen 39,
welches mit dem Hydraulikmedium gefühlt ist. Es dient der Impulsübertragung
vom Aktor 2 auf die Ventilnadel 20, der Hubübersetzung
eines kleinen Aktorhubs auf einen größeren Ventilnadelhub und der
Kompensation von temperaturbedingten Ausdehnungsprozessen des Aktors 2 und
der Hubeinrichtung 14. Ein Leckspalt 40 von definierter
Größe, der zwischen
dem Gehäuse 15 und
dem Kolben 26 ausgebildet ist, ermöglicht das Ausströmen von
Hydraulikmedium aus dem Übertragungsvolumen 39 in
die Ausgleichsräume 29 und 30 bei
langsamen, temperaturbedingten Bewegungen der Hubkolben 21 und 23.
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An
der Ventilnadel 20 ist ein Ventilschließkörper 33 ausgebildet,
der mit einer Ventilsitzfläche 34 zu
einem Dichtsitz zusammenwirkt. In einem Ventilsitzkörper 35,
der einteilig mit dem Ventilgehäuse 13 ausgeführt ist,
ist eine Abspritzöffnung 36 ausgebildet.
Der Brennstoff wird über
eine seitlich im Ventilgehäuse 13 ausgebildete
Brennstoffzufuhr 37 zugeleitet und über einen Zwischenraum 38 zwischen
der Ventilnadel 20 und dem Ventilgehäuse 13 zum Dichtsitz
geführt.
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Wird
dem piezoelektrischen Aktor 2 über ein nicht dargestelltes,
elektronisches Steuergerät
und einen Steckkontakt eine elektrische Erregungsspannung zugeführt, dehnen
sich die scheibenförmigen piezoelektrischen
Elemente 3 des Aktor 2 entgegen der Vorspannung
der Vorspannfeder 8 aus und bewegen den Aktorkopf 7 zusammen
mit dem Aktorkolben 11 in Abspritzrichtung. Der Hub wird über das Zwischenstück 25 und
den Kolben 26 auf das Übertragungsvolumen 39 weitergegeben.
Das Hydraulikmedium wird durch den in Abspritzrichtung bewegten Kolben 26 verdrängt und
drückt
den zweiten Hubkolben 23 entgegen der Federspannung der
Schließfeder 28 in
Richtung Aktor 2. Dabei nimmt der zweite Hubkolben 23 die
mit diesem verschweißte
Ventilnadel 20 mit, wodurch der Ventilschließkörper 33 von der
Ventilsitzfläche 34 abhebt
und Brennstoff durch die Abspritzöffnung 36 im Ventilsitzkörper 35 abgespritzt
wird.
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2 zeigt eine ausschnittsweise
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1.
Das hier gezeigte Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen
rohrförmigen
Düsenkörper 44 auf,
der mit dem Ventilgehäuse 13 verbunden
ist. Die Ventilnadel 20 greift in den Düsenkörper 44 ein. An der
Ventilnadel 20 ist der Ventilschließkörper 33 ausgebildet,
der mit der Ventilsitzfläche 34 zu
einem Dichtsitz zusammenwirkt. In dem Ventilsitzkörper 35,
der hier einteilig mit dem Düsenkörper 44 ausgeführt ist,
ist mindestens eine Abspritzöffnung 36 ausgebildet.
Der Brennstoff wird über
die seitlich im Düsenkörper 44 ausgebildete Brennstoffzufuhr 37 zugeleitet
und über
einen Zwischenraum 38 zwischen der Ventilnadel 20 und
dem Düsenkörper 44 zum
Dichtsitz geführt.
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An
der der Abspritzöffnung 36 gegenüberliegenden
Seite des Düsenkörpers 44 ist
ein ringförmiger
Verbindungskörper 46 angeordnet
und beispielsweise durch eine Schweißverbindung mit dem Düsenkörper 44 gefügt. Die
Schließfeder 28 ist
zwischen dem Verbindungskörper 46 und
einem ersten Flansch 48, welcher im Bereich des abspritzseitigen Endes
der Ventilnadel 20 fixiert ist, eingeklemmt, wobei sich
die Schließfeder 28 an
einer am Verbindungskörper 46 ausgebildeten
Schulter 47 abstützt. Die
Schließfeder 28 drückt in diesem
Ausführungsbeispiel
in Ruhelage den Ventilschließkörper 33 gegen
die Ventilsitzfläche 34 und
dichtet somit den Dichtsitz des nach außen öffnenden Brennstoffeinspritzventil 1 ab.
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Abspritzseitig
des ersten Flansches 48 ist ein im Durchmesser kleinerer
zweiter Flansch 49 an der Ventilnadel 20 fixiert.
Innerhalb der spiralförmigen Schließfeder 28 ist
zwischen dem zweiten Flansch 49 und dem Verbindungskörper 46 der
zweite flexible Abschnitt 24 angeordnet, wobei dieser abspritzseitig an
der Innenseite des Verbindungskörpers 46 und abspritzfern
mit dem zweiten Flansch 49 hermetisch dicht verbunden ist.
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Im
Bereich des abspritzfernen Endes, im Inneren des Düsenkörpers 44,
ist ein hülsenförmiger Führungskörper 45 zur
Führung
der Ventilnadel 20 angeordnet. Der Führungskörper 45 dient gleichzeitig
zur Dämpfung
von Druckschwankungen des Brennstoffs, so daß sich diese nicht oder nur
abgeschwächt
in dem im wesentlichen von dem zweiten flexiblen Abschnitt 24 eingeschlossenen
Raum auswirken können.
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Wird
der Aktor 2 erregt, so drückt er die Ventilnadel 20 entgegen
der Vorspannung der Schließfeder 28 in
Abspritzrichtung, worauf der Ventilschließkörper 33 vom der Ventilsitzfläche 34 abhebt
und den Dichtsitz öffnet.
Der zweite Flansch 49 bewegt sich mit der Ventilnadel 20 und
verkürzt
die axiale Ausdehnung des zweiten flexiblen Abschnitts 24,
da sich das am Verbindungskörper 46 angebrachte
Ende des zweiten flexiblen Abschnitts 24 nicht mit der
Ventilnadel 20 in Abspritzrichtung bewegt.
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Der
beispielsweise aus Stahl bestehende zweite flexible Abschnitt 24 weist
eine unbelastete Länge
auf, die auftreten würde,
wenn der zweite flexible Abschnitt 24 nur an einem Ende
befestigt und das andere Ende unbelastet wäre. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die unbelastete Länge
des zweiten flexiblen Abschnitts 24 kleiner als die axiale
Länge,
die sich bei unerregtem Aktor 2, also bei unbetätigtem Brennstoffeinpritzventil 1,
einstellt. Der zweite flexible Abschnitt 24 ist demzufolge
mit einer Vorspannnung, die durch eine Streckung der unbelasteten
Länge des
zweiten flexiblen Abschnitts 24 um eine Vorspannlänge erzeugt
ist, in das nicht betätigte Brennstoffeinspritzventil 1 eingebaut.
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Der
Betrag der durch den zweiten flexiblen Abschnitt 24 aufgebrachten
Vorspannkraft ist sehr viel kleiner als die durch die Schließfeder 28 aufgebracht
Vorspannkraft, wobei die Kraftrichtungen in diesem Ausführungsbeispiel
einander entgegen gerichtet sind. Die Vorspannlänge ist so gewählt, daß bei Betätigung des
Brennstoffeinspritzventils 1, beispielsweise bei Vollhubbetrieb
oder Teilhubbetrieb, die unbelastete Länge des zweiten flexiblen Abschnitts 24 erreicht
und unterschritten wird, so das der zweite flexible Abschnitt 24,
im Vergleich zur unbelasteten Länge,
bei geöffnetem
Dichtsitz gestaucht wird. Idealerweise ist die Vorspannlänge so gewählt, daß der Betrag
der Länge,
um den der zweite flexible Abschnitt 24 gestreckt ist,
dem Betrag gleicht, um den der zweite flexible Abschnitt 24 bei
Betätigung des
Brennstoffeinspritzventils 1 gestaucht wird.
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3 zeigt eine ausschnittsweise
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1, ähnlich dem
ersten Ausführungsbeispiel von 2. Das abspritzseitige Ende
des Düsenkörpers 44,
das Ventilgehäuse
und das Aktorgehäuse 4 sind
nicht dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
von 2 ist der Verbindungskörper 46 hülsenförmig ausgebildet
und umschließt radial
den zweiten wellbalgförmigen
flexiblen Abschnitt 24. Der zweite flexible Abschnitt 24 ist
mit seinem abspritzseitigen Ende über den im Vergleich zu 2 abspritzseitiger, in etwa
auf Höhe
des abspritzseitigen Endes des Verbindungskörpers 46, angeordneten
zweiten Flansch 49 an der Ventilnadel 20 fixiert,
wobei der Führungskörper 45 fehlt
und die Führung
durch den im Düsenkörper 44 gleitenden
zweiten Flansch 49 übernommen
ist. Das abspritzferne Ende des zweiten flexiblen Abschnitts 24 ist über eine
Hülse 50 im
Bereich des abspritzfernen Endes des Verbindungskörpers 46 zu
diesem axial bewegungsfest fixiert, beispielsweise stoffschlüssig durch eine
Schweißung.
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Der
beispielsweise aus Stahl bestehende zweite flexible Abschnitt 24 weist
eine unbelastete Länge
auf, die auftreten würde,
wenn der zweite flexible Abschnitt 24 nur an einem Ende
befestigt und das andere Ende unbelastet wäre. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die unbelastete Länge
des zweiten flexiblen Abschnitts 24 größer als die axiale Länge, die
sich bei unerregtem Aktor 2, also bei unbetätigtem Brennstoffeinpritzventil 1,
einstellt.
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Der
zweite flexible Abschnitt 24 ist demzufolge mit einer Vorspannnung,
die durch eine Stauchung der unbelasteten Länge des zweiten flexiblen Abschnitts 24 um
eine Vorspannlänge
erzeugt ist, in das nicht betätigte
Brennstoffeinspritzventil 1 eingebaut. Der Betrag der durch
den zweiten flexiblen Abschnitt 24 aufgebrachten Vorspannkraft
ist sehr viel kleiner als die durch die Schließfeder 28 aufgebracht Vorspannkraft,
wobei die Kraftrichtungen in diesem Ausführungsbeispiel den gleichen
Richtungssinn aufweisen.
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Die
Vorspannlänge
ist so gewählt,
daß bei Betätigung des
Brennstoffeinspritzventils 1, beispielsweise bei Vollhubbetrieb
oder Teilhubbetrieb, die unbelastete Länge des zweiten flexiblen Abschnitts 24 erreicht
und überschritten
wird, so das der zweite flexible Abschnitt 24, im Vergleich
zur unbelasteten Länge,
bei geöffnetem
Dichtsitz gestreckt wird. Idealerweise ist die Vorspannlänge so gewählt, daß der Betrag
der Länge,
um den der zweite flexible Abschnitt 24 gestaucht ist,
dem Betrag gleicht, um den der zweite flexible Abschnitt 24 bei
Betätigung des
Brennstoffeinspritzventils 1 gestreckt wird.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und
kann z. B. auch für
nach innen öffnende
Brennstoffeinspritzventile verwendet werden. Die Merkmale der Ausführungsbeispiele
sind in beliebiger Weise miteinander kombinierbar.