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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Kraftstoffinjektoren, welche zur
Versorgung von Brennräumen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen mit
Kraftstoff eingesetzt werden. Zu diesem Zweck werden im Stand der
Technik sowohl druckgesteuerte als auch hubgesteuerte Einspritzsysteme
eingesetzt. Als Kraftstoffeinspritzsysteme kommen neben Pump-Düse-Einheiten,
Pumpe-Leitung-Düse-Einheiten auch Speichereinspritzsysteme
(Common-Rail-Systeme) zum Einsatz, bei welchen Kraftstoff aus einem
Hochdruckspeicher (Rail) eingespritzt wird. Die nachfolgend beschriebene
Erfindung bezieht sich insbesondere auf Common-Rail-Kraftstoffinjektoren,
ist jedoch grundsätzlich auch für andere Arten
von Kraftstoffinjektoren, wie beispielsweise Pumpe-Düse-Kraftstoffinjektoren
einsetzbar.
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Bei
derartigen Kraftstoffinjektoren, insbesondere Common-Rail-Injektoren,
ist ein Injektorkörper vorgesehen, in welchem ein Einspritzventilglied
in einer axialen Richtung, also entlang einer Achse des Kraftstoffinjektors,
beweglich gelagert ist. In einer Schließstellung verschließt
dieses Einspritzventilglied mindestens eine Einspritzöffnung,
wohingegen in einer geöffneten Stellung die Einspritzöffnung
freigegeben wird, so dass druckbeaufschlagter Kraftstoff durch die
Einspritzöffnung in den Brennraum eingespritzt werden kann.
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Zur
Steuerung des Einspritzventilgliedes sind verschiedene Konzepte
bekannt. So ist beispielsweise ein erstes Konzept bekannt, bei welchem oberhalb
des Einspritzventilgliedes ein hydraulischer Steuerraum vorgesehen
ist, welcher druckbeaufschlagt werden kann. Mittels eines Steuerventils,
wie beispielsweise eines Magnetventils oder eines piezogesteuerten
Steuerventils, ist dieser Steuerraum druckentlastbar. Erfolgt eine
derartige Druckentlastung, so kann ein hydraulischer Druck des Kraftstoffs
das Einspritzventilglied in die geöffnete Stellung bewegen,
und der Einspritzvorgang wird ausgelöst. Wird das Steuerventil
wieder geschlossen, so wird der Steuerraum druckbeaufschlagt, und
das Einspritzventilglied schließt. Beispiele derartiger
Injektoren sind in
DE
100 24 703 A1 beschrieben.
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Neben
derartigen „indirekt” über einen Steuerraum
gesteuerten Kraftstoffinjektoren kommen auch Kraftstoffinjektoren
mit direkter Nadelsteuerung zum Einsatz. Kraftstoffinjektoren mit
direkter Nadelsteuerung übertragen eine Hubbewegung eines
Aktors, beispielsweise eines Piezoaktors, auf das Einspritzventilglied.
Dabei kann die Bewegung unmittelbar übertragen werden oder über
hydraulische Übertragungselemente. Da in der Praxis viele
Piezoelemente einen nicht ausreichenden Hub für eine Öffnungsbewegung
des Einspritzventilgliedes aufweisen, werden häufig zusätzlich
hydraulische Übersetzer verwendet, wie beispielsweise Hubübersetzer, welche
den Hub des Aktors in einen vergrößerten Hub des
Einspritzventilglieds übertragen. Weiterhin wird zwischen
inverser Nadelsteuerung und nicht-inverser Nadelsteuerung unterschieden,
je nachdem ob das Einspritzventilglied sich im geschlossenen oder
offenen Zustand befindet, wenn der Aktor bestromt bzw. angesteuert
ist. Die vorliegende Erfindung ist grundsätzlich auf beide
Formen anwendbar.
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Von
entscheidender Bedeutung für die Einspritzqualität
des Kraftstoffinjektors ist das Öffnungsverhalten des Einspritzventilgliedes.
Im geschlossenen Zustand ist das Einspritzventilglied üblicherweise
in einen Ventildichtsitz gepresst, wobei sich die mindestens eine
Einspritzöffnung unterhalb einer durch den Ventildichtsitz
definierten Ventilsitzfläche befindet. Dadurch wird im
geschlossenen Zustand diese Ventilsitzfläche mit einem
Niederdruck beaufschlagt, wohingegen in der Regel die oben auf das Einspritzventilglied
wirkende hydraulische Fläche, also die in Schließrichtung
wirkende hydraulische Fläche, vollständig mit
einem Raildruck beaufschlagt wird. Dies bewirkt jedoch, dass das
Einspritzventilglied nahezu ohne zusätzliche Kraftbeaufschlagung in
seinen Ventilsitz gepresst werden kann, um ein Schließen
zu bewirken, dass jedoch, um das Einspritzventilglied aus seinem
Ventilsitz abzuheben und den Öffnungsvorgang einzuleiten,
eine erhebliche Kraft, nämlich eine Kraft, welche in etwa
dem Produkt aus der Ventilsitzfläche und dem Raildruck entspricht,
erforderlich ist.
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Ein
Aktor, insbesondere ein Piezoaktor bei einer direkten Nadelsteuerung,
muss somit derart ausgelegt sein, dass dieser in Schließrichtung
eine vergleichsweise geringe Kraft aufbringen kann, in Öffnungsrichtung
jedoch eine hohe Kraft. Beispielsweise kann für einen Öffnungsvorgang
eine maximale Öffnungskraft von 1000 N erforderlich sein,
wohingegen die Schließkraft vergleichsweise gering ist.
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Diese
Unterschiede zwischen dem Betrag der maximal erforderlichen Öffnungskraft
und dem Betrag der maximal erforderlichen Schließkraft
bedingen jedoch einige konstruktive Nachteile. Da der Aktor beispielsweise
auf die maximal erforderliche Kraft ausgelegt sein muss, sind vergleichsweise hohe
Aktorvolumina erforderlich, was wiederum den Baurraum, welcher für
den Aktor, insbesondere ein Piezoaktor, bereitgestellt werden muss,
beträchtlich erhöht. Weiterhin bedingt die vergleichsweise
hohe maximale Öffnungskraft, dass ein Übersetzungsverhältnis
eines hydraulischen Übersetzers nur sehr begrenzt gewählt
werden kann, da eine Übersetzung mit hohem Hubübersetzungsverhältnis
gleichzeitig eine Verringerung der Kraftübersetzung bedingt. Dies
wiederum bedingt ebenfalls, dass das Aktorvolumen steigt, da aufgrund
des beschränkten Hubübersetzungsverhältnisses
vergleichsweise lange Aktoren mit einem hohen Eigenhub gewählt
werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
wird demgegenüber ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen,
welcher die oben beschriebenen Nachteile zumindest weitgehend vermeidet.
Der Kraftstoffinjektor kann insbesondere eine direkte Nadelsteuerung,
invers oder nicht-invers, aufweisen. Als Aktor wird vorzugsweise
ein Piezoaktor verwendet, da sich die Erfindung besonders vorteilhaft
in eine Reduzierung des Volumens üblicher Piezoaktoren
umsetzen lässt und da Piezoaktoren gleichzeitig ein gutes
Ansprechverhalten und eine saubere Steuerung des Einspritzventilgliedes
bewirken können. Der Kraftstoffinjektor kann insbesondere
einen hydraulischen Hubübersetzer aufweisen, um eine Hubbewegung
des Aktors auf das Einspritzventilglied zu übertragen.
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Der
vorgeschlagene Kraftstoffinjektor bewirkt allgemein, dass das Einspritzventilglied
mit einer geringen Kraft aus dem Sitz gehoben werden kann und dass
das Schließen des Einspritzventilgliedes mit einer erforderlichen
angepassten Kraft erfolgen kann. Durch diese Anpassung kann das
Aktorvolumen deutlich reduziert werden. Der vorgeschlagene Kraftstoffinjektor
umfasst mindestens einen Injektorkörper und ein in diesem
Injektorkörper axial, das heißt in einer Richtung
parallel zu einer Injektorachse bewegbar gelagertes Einspritzventilglied.
Das Einspritzventilglied weist mindestens eine Ventildichtfläche
auf, wobei unter einer Dichtfläche sinngemäß auch
eine Dichtkante zu verstehen sein kann. Der Injektorkörper
seinerseits weist in einem Düsenraum mindestens einen Ventildichtsitz
auf. Von dem Düsenraum zweigt mindestens eine Einspritzöffnung zum
Einspritzen des Kraftstoffs in den Brennraum ab. In einem geschlossenen
Zustand des Kraftstoffinjektors wird die Ventildichtfläche
mit einer Schließkraft in einer Schließrichtung,
welche axial verläuft, in den Ventildichtsitz gepresst
und auf diese Weise ein Hochdruckzulauf von der Einspritzöffnung
getrennt.
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Ein
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die für
das Öffnen des Einspritzventilgliedes, also für
eine Bewegung, mittels der die Ventildichtfläche aus dem
Ventildichtsitz gehoben wird, erforderliche Kraft (Öffnungskraft)
bzw. deren Maximum dadurch zu reduzieren, dass mindestens eine hydraulische
Kraftverminderungsfläche vorgesehen wird. Diese mindestens
eine hydraulische Kraftverminderungsfläche ist erfindungsgemäß derart
eingerichtet, dass die Schließkraft in dem geschlossenen
Zustand vermindert wird bzw. dass eine zur Überwindung
dieser Schließkraft erforderliche maximale Öffnungskraft
vermindert ist.
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Durch
dieses Schaffen einer zusätzlichen hydraulischen Kraftverminderungsfläche
kann die Düsennadel mit einer deutlich geringeren Kraft
geöffnet werden, so dass beispielsweise eine Übersetzung mittels
eines Hubübersetzers deutlich erhöht werden kann.
Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Düsennadelfläche
im Verhältnis zu einer Kopplerfläche deutlich
erhöht werden.
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Das
bisher mit geringer Kraft oder verschwindender Kraft erfolgende
Schließen des Kraftstoffinjektors bzw. die dafür
erforderliche Schließkraft kann nun mit einer Kraft erfolgen.
Da bisher die vom Aktor in den meisten Fällen bereitgestellte
Schließkraft überhaupt nicht genutzt wurde, was
letztendlich eine Vergeudung von Aktoreigenschaften bedeutete, erfolgt
nun eine effizientere Ausnutzung des Aktors. Durch eine kraftangepasste Öffnung
lässt sich zudem das Aktorvolumen, beispielsweise ein Volumen eines
Piezoaktors, deutlich verringern. Dadurch verringern sich die Aktorkosten
und der für den Aktor erforderliche Bauraum lässt
sich reduzieren.
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Insbesondere
lässt sich eine maximale Öffnungskraft, welche
in der Regel dann auftritt, wenn die Ventildichtfläche
aus dem Ventildichtsitz abgehoben wird, im Wesentlichen der maximalen
Schließkraft anpassen. Die maximale Öffnungskraft
und die maximale Schließkraft treten dabei bei unterschiedlichen
Hubstellungen des Einspritzventilgliedes auf. Unter „im
Wesentlichen gleich” kann vorzugsweise ein Verhältnis
von 1:1 zwischen dem Betrag der maximal erforderlichen Öffnungskraft
und dem Betrag der maximalen Schließkraft beinhalten. Es
sind jedoch auch Verhältnisse zwischen dem Betrag der maximalen Öffnungskraft
und dem Betrag der maximalen Schließkraft bzw. umgekehrt
von vorzugsweise mehr als 1:5, insbesondere mehr als 1:3 und besonders
bevorzugt von mehr als 1:2 möglich.
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Zur
Realisierung der hydraulischen Kraftverminderungsfläche
lassen sich insbesondere zwei Ausführungsvarianten einsetzen,
welche auch kombinierbar sind und welche beide eine Verminderung der
maximalen Öffnungskraft bewirken. Die erste Variante besteht
darin, das Einspritzventilglied mit mindestens einer in Schließrichtung
wirkenden hydraulischen Niederdruckfläche auszustatten,
welche im Betrieb des Kraftstoffinjektors mit einem Niederdruck beaufschlagt
wird. Diese Niederdruckfläche wirkt dann als Kraftverminderungsfläche
oder als ein Teil der Kraftverminderungsfläche. Die zweite
Variante besteht darin, im Bereich der Ventildichtfläche
eine der Schließrichtung entgegengesetzt wirkende Hochdruckfläche
zu schaffen, wobei die Hochdruckfläche im geschlossenen
Zustand des Kraftstoffin jektors mit einen Hochdruck beaufschlagbar
ist bzw. beaufschlagt wird und somit die maximal erforderliche Öffnungskraft
verringert.
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Bei
dem ersten beschriebenen Konzept kann beispielsweise das Einspritzventilglied
mindestens eine hydraulische Nut aufweisen. Beispielsweise kann
diese hydraulische Nut eine umfangsseitig umlaufende Nut umfassen.
Diese Nut kann von rundem oder eckigem Querschnitt sein. Die hydraulische
Nut weist dabei mindestens eine in Schließrichtung wirkende
erste hydraulische Fläche und mindestens eine entgegengesetzt
der Schließrichtung wirkende zweite hydraulische Fläche
auf. Dabei ist der Kraftstoffinjektor baulich derart eingerichtet,
dass die erste hydraulische Fläche mit dem Niederdruck
bzw. einem Niederdruck beaufschlagbar ist, wobei gleichzeitig die
zweite hydraulische Fläche mit dem Hochdruck beaufschlagbar
ist. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, dass allgemein
unter „Hochdruck” im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ein oder mehrere hohe Drücke verstanden werden, welche
weit oberhalb des im Brennraum herrschenden Drucks bzw. oberhalb
eines Normaldrucks liegen. Beispielsweise kann dieser Hochdruck
einen Realdruck eines Common-Rail-Systems umfassen, beispielsweise
einen Hochdruck von mindestens 1000 bar. Bautechnisch können
auch mehrere Hochdrücke vorgesehen sein, beispielsweise
wenn Druckübersetzer oder andere den Hochdruck beeinflussende
Elemente, wie beispielsweise Druckverstärker, vorgesehen
sind. Vorzugsweise liegt der Hochdruck oberhalb von 500 bar. Analog
können mich mehrere Niederdrücke vorgesehen sein.
Beispielsweise kann der Niederdruck einen Druck in einer Umgebung
des Kraftstoffinjektors umfassen, beispielsweise einen Druck in
einem Motorraum, einen Druck in einem drucklosen Kraftstofftank,
einen Druck in einem Brennraum oder ähnliches. Vorzugsweise
liegt dieser Druck unterhalb von 10 bar.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung, bei welcher
in der hydraulischen Nut zwei hydraulischen Flächen vorgesehen
sind, welche unterschiedlich druckbeauschlagt sind, wobei die erste hydraulische
Fläche die Niederdruckfläche bzw. einen Bestandteil
dieser Niederdruckfläche bildet, lässt sich bautechnisch
insbesondere durch ein Trennelement realisieren, welches in die
Nut hineinragen kann und welches von dem Einspritzventilglied getrennt ist.
Beispielsweise kann dieses Trennelement fest mit einem Injektorkörper
verbunden sein. Die hydraulische Nut kann in diesem Fall insbesondere
einen Ringraum bilden, insbesondere einen den Kraftstoffinjektor
umfangsseitig vollständig umschließenden Ringraum,
welcher durch das Trennelement in mindestens einen mit dem Niederdruck
beaufschlagbaren Niederdruckteilraum mit der ersten hydraulischen Fläche
und in mindestens einen mit dem Hochdruck beaufschlagten Hochdruckteilraum
mit der zweiten hydraulischen Fläche unterteilt werden.
Die Niederdruckfläche umfasst in diesem Fall die erste
hydraulische Fläche.
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Während
bei einer einfachen Nut, welche nur mit einem Hochdruck bzw. nur
mit einem Niederdruck beaufschlagt werden kann, sich die hydraulischen Flächen
in Schließrichtung und in Öffnungsrichtung gegenseitig
aufheben und es welche somit insgesamt die Öffnungs- und
Schließkraft nicht oder nur unwesentlich beeinflussen,
bewirkt diese Unterteilung der Nut bzw. des Ringraumes in die Teilräume, dass
insgesamt die hydraulische Kraft entgegen der Schließrichtung,
also in Öffnungsrichtung, die hydraulische Kraft in Schließrichtung übersteigt.
Der Kraft-Hub-Verlauf wird somit zugunsten einer verringerten maximalen Öffnungskraft
und zu ungunsten der maximalen erforderlichen Schließkraft
verschoben. Die vom Aktor bereitstellbaren Kräfte in Öffnungs-
und Schließrichtung lassen sich somit in beide Richtungen
effizienter nutzen, und die maximalen Kräfte und somit
das Aktorvolumen lassen sich effizient vermindern.
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Das
andere Konzept zur Verminderung der Öffnungskraft, welches,
wie oben beschrieben, auch gut mit dem ersten Konzept vereinbar
ist und auf dem gleichen Prinzip der Schaffung einer Kraftverminderungsfläche
beruht, sieht die Schaffung einer entgegen der Schließrichtung
wirkenden Hochdruckfläche im Bereich der Ventildichtfläche
vor. Diese Hochdruckfläche soll im geschlossenen Zustand
des Kraftstoffinjektors mit einem Hochdruck beaufschlagbar sein.
Unter „im Bereich der Ventildichtfläche angeordnet” soll
dabei zu verstehen sein, dass die Hochdruckfläche im Düsenbereich
zumindest teilweise innerhalb des Ventilsitzbereiches angeordnet
ist. Sind beispielsweise der Bereich bzw. die Linie, innerhalb deren
die Ventildichtfläche im geschlossenen Zustand des Kraftstoffinjektors
in den Ventildichtsitz gepresst wird, geschlossen, beispielsweise
kreisförmig, ausgestaltet, so wird als Ventilsitzfläche
der gesamte innere Bereich dieses geschlossenen Bereiches bezeichnet.
Dieser Ventilsitzbereich kann beispielsweise eine Kreisfläche
sein. Üblicherweise wird bei Kraftstoffinjektoren diese
Ventilsitzfläche im geschlossenen Zustand des Kraftstoffinjektors
mit Niederdruck beaufschlagt. Beispielsweise kann sich unterhalb
dieser Ventilsitzfläche ein Sackloch befinden, von welchem
die mindestens eine Einspritzöffnung abzweigt (Sacklochdüse).
Alternativ oder zusätzlich kann die mindestens eine Einspritzöffnung
jedoch auch im Bereich der Ventildichtfläche abzweigen (Sitzlochdüse).
In jedem Fall wird jedoch ein Teil der Ventilsitzfläche, über
das Sackloch und/oder über die Einspritzöffnung
direkt, mit Niederdruck beaufschlagt. Da diesem Niederdruck auf
der gegenüberliegenden Seite des Einspritzventilgliedes
ein Hochdruck gegenübersteht, erhöht diese mit
Niederdruck beaufschlagte Fläche im Bereich der Ventildichtfläche,
also innerhalb der Ventilsitzfläche, die Öffnungskraft
des Kraftstoffinjektors.
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Das
zweite erfindungsgemäße Konzept besteht also darin,
diese mit Niederdruck beaufschlagte Fläche im Bereich der
Ventildichtfläche durch Schaffung der zusätzlichen
Hochdruckfläche zu vermindern. Dies kann insbesondere dadurch
erfolgen, dass der hydraulische Durchmesser der Hochdruckfläche
im Wesentlichen gleich dem Sitzdurchmesser des Einspritzventilgliedes
in dem Düsenraum ist. In diesem Fall überdeckt
die Hochdruckfläche im Wesentlichen die Ventilsitzfläche,
so dass die mit Niederdruck beaufschlagte Fläche im Bereich
der Ventildichtfläche vollständig verschwindet.
Unter „im Wesentlichen” sind dabei auch leichte
Abweichungen von einer vollständigen Übereinstimmung
zu verstehen, beispielsweise Abweichungen um einen Faktor von nicht
mehr als 1,5, vorzugsweise um nicht mehr als 1,1 hinsichtlich der
Durchmesser der Hochdruckfläche und des Sitzdurchmessers.
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Zum
Erreichen, dass die mit Niederdruck beaufschlagte Fläche
im Bereich der Ventildichtfläche stark vermindert wird
oder vollständig verschwindet, können das Einspritzventilglied
und/oder der Ventildichtsitz derart ausgestaltet sein, dass der
Düsenraum, also der Raum innerhalb des Injektorkörpers, aus
welchem die mindestens eine Einspritzöffnung abzweigt,
je nach Stellung des Einspritzventilgliedes entweder durchgängig
oder geteilt wird. So kann der Düsenraum im geschlossenen
Zustand durch den Ventildichtsitz und die Ventildichtfläche
in mindestens einen Hochdruckbereich und mindestens einen Niederdruckbereich
unterteilt werden, wobei der Hochdruckbereich mit dem Hochdruckzulauf
verbunden ist und wobei der Niederdruckbereich die Einspritzöffnung
umfasst. Die oben beschriebene Hochdruckfläche ist dabei
in dem Hochdruckbereich angeordnet, wohingegen der Niederdruckbereich
im Wesentlichen keine in axialer Richtung wirkende hydraulische Fläche
des Einspritzventilgliedes umfasst. In anderen Worten ist bei dieser
Ausführungsform der Erfindung die Einspritzöffnung
derart verlegt, dass keine oder nur eine unwesentliche (wobei die
oben beschriebenen tolerierbaren Verhältnisse sinngemäß gelten)
hydraulische Fläche des Einspritzventilgliedes mit einem
Niederdruck beaufschlagt wird.
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Beispielsweise
kann der Niederdruckraum zumindest teilweise als ein das Einspritzventilglied umgebender
Düsenringraum ausgestaltet sein. Beispielsweise kann dieser
Düsenringraum das Einspritzventilglied vollständig
umgeben, wohingegen die Ventilsitzfläche ganz oder teilweise
als Hochdruckfläche ausgestaltet ist. Die Hochdruckfläche bzw.
Ventilsitzfläche ist in diesem Ausführungsbeispiel
also konzentrisch von dem Düsenringraum umgeben, ohne dass
eine zusätzliche Niederdruckfläche geschaffen
ist. Auf diese Weise lässt sich insbesondere das Einspritzventilglied
nahezu kraftlos öffnen. Die Übersetzung zwischen
der Düsennadelfläche und der Kolbenkopplerfläche
lässt sich auf diese Weise deutlich erhöhen. Wiederum
lässt sich hierdurch das Aktorvolumen, beispielsweise das
Piezoaktorvolumen, deutlich verringern, und die Aktorkosten lassen
sich senken.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
Gesamtdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors;
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2 verschiedene
Kraft-Hub-Verläufe mit verschiedenen maximalen Öffnungskräften;
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3 eine
Detaildarstellung eines Düsenmoduls des Ausführungsbeispiels
gemäß 1;
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4 eine
Detaildarstellung eines Düsenmoduls eines zweiten Ausführungsbeispiels;
und
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5 eine
Detaildarstellung des Düsenraums des Ausführungsbeispiels
gemäß 4.
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In 1 ist
in einer schematischen Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 110 dargestellt. Der
Kraftstoffinjektor 110 weist einen Hochdruckzulauf 112 auf,
welcher beispielsweise mit einem nicht dargestellten Hochdruckspeicher,
beispielsweise einem Rail, verbunden sein kann. Der Hochdruckzulauf 112 dient
zur Beaufschlagung des Kraftstoffinjektors 110 mit Kraftstoff
unter einem Hochdruck, beispielsweise einem Druck von 1000 bis 3000
bar. Weiterhin weist der Kraftstoffinjektor einen Niederdruckrücklauf 114 auf,
welcher beispielsweise mit einem im Wesentlichen drucklosen Kraftstofftank
verbunden sein kann. Über den Niederdruckrücklauf 114 kann beispielsweise
unter Niederdruck stehender Kraftstoff aus Leckagen des Kraftstoffinjektors 110 und/oder
aus einem oder mehreren Niederdruckbereichen in den Kraftstofftank
zurückgeleitet werden.
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Weiterhin
weist der Kraftstoffinjektor 110 in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel einen Aktor 116 auf, bei welchem
es sich in dem dargestellten Beispiel um einen Piezoaktor 118 handelt.
Alternativ sind jedoch auch andere Arten von Aktoren 116 grundsätzlich
einsetzbar. Der Aktor 116, welcher im Wesentlichen parallel
und entlang einer Achse 120 des Kraftstoffinjektors 110 ausgerichtet
ist, kann beispielsweise über elektrische Zuleitungen 122 angesteuert
werden und kann sich in axialer Richtung ausdehnen bzw. zusammenziehen.
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Der
Kraftstoffinjektor 110 ist, wie aus 1 zu erkennen
ist, modular aufgebaut und weist einen Injektorkörper 124 mit
einem Aktormodul 126 und einem Düsenmodul 128 auf.
Düsenmodul 128 und Aktormodul 126 sind
durch eine Überwurfmutter 130 miteinander verbunden.
Wie in der vergrößerten Schnittdarstellung des
Düsenmoduls 128 in 3 zu erkennen
ist, ist in dem Düsenmodul ein Einspritzventilglied 132 in
axialer Richtung, also parallel zur Achse 120, gleitend
gelagert. Im Bereich seiner Führung, welche in 3 mit
der Bezugsziffer 134 bezeichnet ist, weist das Einspritzventilglied 132 einen Durchmesser
D1 auf, welcher in 3 mit der
Bezugsziffer 136 bezeichnet ist.
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An
seinem dem Brennraum zuweisenden Ende, welches in 3 das
rechte Ende ist, weist der Injektorkörper 124 einen
Düsenraum 138 auf, an dessen rechtem Ende ein
Sackloch 140 angeordnet ist. Aus diesem Sackloch zweigen
eine oder mehrere Einspritzöffnungen 142 ab, über
welche der Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt werden kann. Über eine
mit dem Hochdruckzulauf 112 verbundene Zulaufnut 144 ist
der Düsenraum 138 mit unter Hochdruck stehendem
Kraftstoff beaufschlagbar. Die im Wesentlichen axial verlaufende
Zulaufnut 144 endet in einer im Wesentlichen in Umfangsrichtung
verlaufenden Kraftstoffnut 146 im Bereich einer Einschnürung 148 des
Einspritzventilglieds 132.
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An
seinem rechten Ende weist das Einspritzventilglied 132 eine
in diesem Ausführungsbeispiel konisch ausgestaltete Ventildichtfläche 150 auf.
Anstelle eines einzelnen Konus können auch mehrere konische
Ventildichtflächen 150 vorgesehen sein. Als Gegenstück
zu der Ventildichtfläche 150 weist das Injektorgehäuse 124 einen
ebenfalls konischen Ventildichtsitz 152 auf. In dem in 3 dargestellten
geschlossenen Zustand wird das Einspritzventilglied 132 in
einer Schließrichtung 154 nach rechts in den Ventildichtsitz 152 gepresst,
so dass das Sackloch 140 von dem übrigen Düsenraum 138 und
somit von dem Hochdruckzulauf 112 getrennt wird. Die Linie bzw.
der Bereich, innerhalb deren sich die Ventildichtfläche 150 und
der Ventildichtsitz 152 in dem dargestellten geschlossenen
Zustand berühren definiert einen Ventilsitzdurchmesser 156,
welcher in der 3 mit der Bezugsziffer 156 bezeichnet
ist. Der Bereich innerhalb dieser Linie mit dem Durchmesser D2 wird auch als Ventilsitzfläche 158 bezeichnet.
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Das
Einspritzventilglied 132 ist, wie oben ausgeführt,
in dem Injektorkörper 124 axial bewegbar gelagert,
also in der Schließrichtung 154 und einer Öffnungsrichtung 160.
Bei dem in den 1 und 3 dargestellten
Kraftstoffinjektor 110 handelt es sich um einen direkt
gesteuerten Kraftstoffinjektor 110, bei welchem die Bewegung
des Aktors 116 direkt, das heißt ohne Zwischenschaltung
eines druckentlastbaren Steuerraums, auf das Einspritzventilglied 132 übertragbar
ist. Der Aktor 116 kann beispielsweise einen Hub von maximal
45 μm aufweisen, wohingegen für eine maximale Öffnung
des Einspritzventilgliedes 132 ein Hub von beispielsweise 150 μm
erforderlich ist. Um den Hub des Aktors 116 auf einen entsprechenden
Hub des Einspritzventilgliedes 132 zu übertragen,
weist der Kraftstoffinjektor 110 gemäß 1 daher
einen Hubübersetzer 162 auf. Dieser Hubübersetzer 162 umfasst
einen ersten, mit dem Aktor 116 gekoppelten Kopplerkolben 164 und
eine dem Aktor 116 zuweisende Stirnfläche 166 des
Einspritzventilgliedes 132. Weiterhin umfasst der Hubübersetzer 162 einen
ersten Kopplerraum 168 und einen mit dem ersten Kopplerraum 168 über
eine Drosselbohrung 170 in einer Drosselplatte 172 verbundenen
zweiten Kopplerraum 174. Der erste Kopplerraum 168 wird,
wie in 2 erkennbar ist, durch den ersten Kopplerkolben 164,
eine erste ringförmige Hülse 176 und
die Drosselplatte 172 begrenzt. Die erste Hülse 176 ist über
ein erstes Federelement 178 auf einer Ringschulter 180 des
ersten Kopplerkolbens 164 abgestützt und liegt
an ihrem gegenüberliegenden Ende mit einer Beißkante 182 auf der
Drosselplatte 172 auf.
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Analog
wird der zweite Kopplerraum 174 durch die Stirnfläche 166 des
Einspritzventilglieds 132, die Drosselplatte 172 und
eine zweite Hülse 184 begrenzt. Die zweite Hülse 184,
welche an ihrem der Drosselplatte 172 zuweisenden Ende
wiederum eine Beißkante 186 aufweist, ist über
ein zweites Federelement 188 auf einer Zylinderhülse 190 abgestützt, welche
ihrerseits wiederum auf einer Schulter 192 des Injektorgehäuses 124 abgestützt
ist. Der Hubübersetzer 162 ist somit eingerichtet,
um den Hub des Aktors 116 auf einen Hub des Einspritzventilgliedes 132 zu übertragen,
und zwar sowohl einen Hub in Richtung der Schließrichtung 154 als
auch einen entgegengesetzten Hub in Richtung der Öffnungsrichtung 160.
Das Verhältnis zwischen der dem ersten Kopplerraum 168 zuweisenden
Stirnfläche des ersten Kopplerkolbens 164 und
der Stirnfläche 166 des Einspritzventilglieds 132,
welche dem zweiten Kopplerraum 174 zuweist, bestimmt das
Hubübersetzungsverhältnis zwischen dem Hub des
Einspritzventilglieds 132 und dem Hub des Aktors 116.
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In
dem Einspritzventilglied 132 ist eine ringförmig
umlaufende Nut 194 eingelassen, welche als hydraulische
Nut 196 wirkt. In diesem Bereich der Nut 194 ist
der Durchmesser des Einspritzventilglieds 132 auf einen
Durchmesser D3, welcher in 3 mit
der Bezugsziffer 198 bezeichnet ist, reduziert. Die Nut 194 weist
eine in Schließrichtung 154 wirkende erste hydraulische
Fläche 200 in Form einer Kreisringfläche
auf, sowie eine entgegen der Schließrichtung 154,
also in Öffnungsrichtung 160 wirkende zweite hydraulische
Fläche 202, welche ebenfalls kreisringförmig
ist. Der Raum innerhalb der Nut 194 bildet einen Ringraum 204.
Dabei ist dieser Ringraum 204 durch die Zylinderhülse 190,
welche als Trennelement 206 dient zweigeteilt. Ein Hochdruckteilraum 208 des
Ringraums 204 ist innerhalb eines Hochdruckraums 210 aufgenommen,
in welchem neben der Zylinderhülse 190 auch die zweite Hülse 184 und
das zweite Federelement 188 aufgenommen sind. Dieser Hochdruckraum 210 kann
beispielsweise mit dem Hochdruckzulauf 112 in Verbindung
stehen. Das Trennelement 206, welches gegen die Schulter 192 gepresst
wird, dichtet den Hochdruckteilraum 208 gegenüber
einem Niederdruckteilraum 212 des Ringraums 204 ab.
Das Einspritzventilglied 132 ist derart gleitend in der
Zylinderhülse 190 gelagert, dass Leckagen von
dem Niederdruckteilraum 212 in den Hochdruckraum 210 zumindest
weitgehend vermieden werden. Der Niederdruckteilraum 212 steht über
eine Niederdruckbohrung 214 mit dem Niederdruckrücklauf 114 in
Verbindung, so dass die erste hydraulische Fläche 200 mit
Niederdruck beaufschlagt ist. Als Gegenstück ist die zweite
hydraulische Fläche 202 in dem Hochdruckteilraum 208 mit Hochdruck
beaufschlagt. Auf diese Weise bewirkt das Trennelement 206,
dass die beiden korrespondierenden hydraulischen Flächen 200, 204 der
hydraulischen Nut 196 bezüglich ihrer hydraulischen Wirkung
eine Asymmetrie aufweisen, was in einer Nettokraft in Öffnungsrichtung 160 resultiert.
Hierdurch wird die maximale Öffnungskraft, welche zum Abheben
des Einspritzventilgliedes 132 aus dem Ventildichtsitz 152 erforderlich
ist, reduziert. Die zweite hydraulische Fläche 202 wirkt
also als hydraulische Kraftverminderungsfläche 216.
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Der
Raildruck, also der Hochdruck, wird im geschlossenen Zustand des
Einspritzventilglieds 132, welcher in 3 dargestellt
ist, über den Ventilsitzdurchmesser D2 (Bezugsziffer 156)
abgedichtet. Dadurch ergibt sich unterhalb des Einspritzventilgliedes 132 bzw.
in 3 rechts des Ventildichtsitzes 152 am
Einspritzventilglied eine Fläche, welche im geschlossenen
Zustand nicht mit Hochdruck beaufschlagt wird. Die dieser Fläche
korrespondierende Kraft muss beim Öffnen des Einspritzventilgliedes überwunden
werden. Durch die Führung 134 und die Zylinderhülse 190 wird
der Niederdruckteilraum 212 gegenüber dem Hochdruck
abgedichtet. Der Niederdruckteilraum 212 bildet somit eine
Druckstufe, welche zu der Tendenz führt, das Einspritzventilglied 132 in Öffnungsrichtung 160 zu
bewegen und den Kraftstoffinjektor 110 so zu öffnen.
Durch Einstellen des Durchmesser D3 (Bezugsziffer 198)
der hydraulischen Nut 196 und somit der hydraulischen Kraftverminderungsfläche 216 im
Verhältnis zur Ventilsitzfläche 158 bzw.
dem Ventilsitzdurchmesser D2 (Bezugsziffer 156)
lässt sich daher die Öffnungs- und Schließkraft
des Kraftstoffinjektors 110 einstellen.
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In 2 sind
verschiedene Kraftverläufe F als Funktion des Hubes x des
Einspritzventilglieds 132 schematisch für verschiedene
Ausführungsformen dargestellt. Dabei wird die Schließkraft,
also die Kraft in Schließrichtung 154, negativ
gerechnet, wohingegen die Öffnungskraft, also die Kraft
in Öffnungsrichtung 160 positiv gerechnet wird.
Der Hub wird als Bewegung in Öffnungsrichtung 160 dargestellt,
wobei der Nullpunkt näherungsweise den in 3 gezeigten
geschlossenen Fall darstellt.
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Dabei
zeigt die unterste Kurve 218 den Kraftverlauf eines herkömmlichen
Kraftstoffinjektors 210, also eines Kraftstoffinjektors
ohne hydraulische Kraftverminderungsfläche 216.
Es lässt sich erkennen, dass näherungsweise beim
Hub x = Null ein Maximum 220 in der Öffnungskraft
in der Kurve 218 auftritt, was durch den oben beschriebenen
Effekt bedingt ist, dass die Ventilsitzfläche 158 bei
herkömmlichen Kraftstoffinjektoren durch einen Niederdruck beaufschlagt
ist. Sobald das Einspritzventilglied 132 aus dem Ventildichtsitz 152 abgehoben
ist, also mit steigendem Hub x, steht diese Fläche jedoch
als hydraulische Fläche zur Verfügung, wird mit
einem Hochdruck über die Zulaufnut 144 beaufschlagt
und reduziert somit die Öffnungskraft. Die Kurve 218 nähert
sich damit dem Wert Null an, also dem Wert, bei welchem die hydraulischen
Kräfte in Schließrichtung 154 und in Öffnungsrichtung 160 sich
gegenseitig aufheben.
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Die
Kurve 222 stellt hingegen den anderen Extremfall dar, in
welchem in der in 3 gezeigten geschlossenen Stellung,
also bei Hub x ungefähr gleich Null, praktisch keine Schließkraft
auf das Einspritzventilglied 132 wirkt, das Maximum 220 also
näherungsweise bei F = 0 liegt. Dies ließe sich
beispielsweise dadurch erreichen, dass der Durchmesser D3 (Bezugsziffer 198 in 3)
auf nahezu Null reduziert würde. Für hohe Hübe
hingegen tritt ein Maximum 224 in der Schließkraft
auf. Dies wiederum bedeutet jedoch, dass der Aktor 116,
um das Einspritzventilglied 132 von der geöffneten
Stellung (in 2 mit der Bezugsziffer 226 bezeichnet)
in die geschlossene Stellung (in 2 mit der
Bezugsziffer 228 bezeichnet, x = 0) zu bringen, anfänglich
eine erhebliche Schließkraft aufbringen muss.
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Die
Kurve 230 hingegen zeigt einen erfindungsgemäßen
Zustand, bei welchem sich der Betrag des Maximums 220 der Öffnungskraft
und der Betrag des Maximums 224 der Schließkraft
näherungsweise die Waage halten, das heißt zumindest annähernd
gleich sind. Wie oben beschrieben, ist ein Verhältnis dieser
maximal 220, 224 von näherungsweise 1:1
wünschenswert. In diesem Fall lässt sich insgesamt
die Aktorkraft näherungsweise auf die Hälfte reduzieren,
was wiederum die Verwendung eines kleiner dimensionierten Aktors 116 und/oder
die Verwendung eines höheren Hubübersetzungsverhältnisses
des Hubübersetzers 162 ermöglicht.
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In 3 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Kraftstoffinjektors 110 dargestellt. Hierbei ist lediglich
ein der 3 entsprechender Ausschnitt
des Düsenmoduls 128 gezeigt. Der übrige
Kraftstoffinjektor 110 kann beispielsweise analog zur Ausgestaltung
gemäß 1 konstruiert sein, so dass
auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Der Kraftstoffinjektor 110 weist
wiederum einen Druckübersetzer 162 auf, mit einem
ersten Kopplerraum 168 und einem zweiten Kopplerraum 174.
Der Hubüber setzer 162 ist prinzipiell aufgebaut wie
im Ausführungsbeispiel gemäß 3,
so dass auch hier auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.
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Im
Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 3 ist
das Einspritzventilglied im Fall des Ausführungsbeispiels
in 4 nahezu entlang seiner vollen Länge,
mit Ausnahme des Hochdruckraums 210, durch eine Führung 134 geführt.
Die Führung 134 kann beispielsweise lediglich durch
einen Leckageraum 232 unterbrochen sein. Dieser Leckageraum 232 kann
beispielsweise wiederum über eine Niederdruckbohrung 214 mit
dem Niederdruckrücklauf 114 verbunden sein. Alternativ kann
die Führung 134 auch lediglich abschnittsweise erfolgen,
beispielsweise unterbrochen von mehreren Leckageräumen 232.
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Das
Einspritzventilglied 132 in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 weist die hydraulische Nut 196 nicht
auf. Eine derartige hydraulische Nut 196 kann jedoch zusätzlich
vorgesehen sein. Innerhalb der Führung 134 weist
jedoch vorzugsweise das Einspritzventilglied 132 einen
konstanten Durchmesser D4 auf, welcher in 4 mit
der Bezugsziffer 234 bezeichnet ist.
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Der
Kraftstoffinjektor 110 in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 unterscheidet sich im Wesentlichen
von dem Kraftstoffinjektor 110 gemäß den 1 und 3 in
der Ausgestaltung im Düsenbereich. Dieser Düsenbereich,
das heißt der Bereich, welcher im Einsatz des Kraftstoffinjektors 110 dem Brennraum
der Verbrennungskraftmaschine zuweist, ist in vergrößerter
Darstellung in 5 gezeigt. Hieraus lasst sich
erkennen, dass der Düsenraum 138 bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß den 4 und 5 in
dem in 5 gezeigten geschlossenen Zustand durch das Zusammenwirken
aus Ventildichtsitz 152 und Ventildichtfläche 150 in
einen Hochdruckbereich 236 und einen Niederdruckbereich 238 unterteilt
ist. Während der Hochdruckbereich 236 das Sackloch 140 umfasst,
ist der Niederdruckbereich 238 als Ringraum 240 ausgestaltet,
welcher das Einspritzventilglied 132 ringförmig
derart umgibt, dass das Einspritzventilglied 132 in diesem
Ringraum 240 keine in axialer Richtung, das heißt
parallel zur Öffnungsrichtung 160 bzw. Schließrichtung 150,
wirkende hydraulische Fläche aufweist. Die Ventilsitzfläche 158 hingegen,
mit dem Ventilsitzdurchmesser D2 (Bezugsziffer 156)
ist vollständig dem Hochdruckbereich 236 zuzuordnen
und wird über eine Hochdruckbohrung 242 mit Hochdruck
aus dem Hochdruckzulauf 112 beaufschlagt. Es sei darauf
hingewiesen, dass die Hochdruckbohrung 142 hier beispielsweise als
zentrale Bohrung im Einspritzventilglied 132 ausgestaltet
ist. So wie die Zulaufnut 144 in 3 lediglich
als Beispiel eines Zulaufs zu verstehen ist, ist auch die Hochdruckbohrung 242 lediglich
als Beispiel zu verstehen. Anstelle einer Bohrung bzw. einer Nut
können auch andere Ausgestaltungen verwendet werden, so
dass beispielsweise auch in 5 eine (von
dem Ringraum 240 getrennte) Nut verwendet werden kann und
in 3 eine entspre chende Bohrung. Entsprechend muss
der Ringraum 240 auch nicht als umlaufender Ringraum ausgestaltet
sein, so dass dieser Ringraum 240 beispielsweise im Bereich einer
Nut anstelle der Hochdruckbohrung 242 unterbrochen sein
kann, um die Beaufschlagung des Niederdruckbereichs 238 mit
Niederdruck nicht zu unterbrechen.
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Im
Gegensatz zu üblichen Kraftstoffinjektoren 110 weist
das Ausführungsbeispiel gemäß den 4 und 5 zusätzlich
die Besonderheit auf, dass die Einspritzöffnung 142 (in 5 ist
lediglich eine von möglichen mehreren Einspritzöffnungen 142 dargestellt)
im Bereich der Ventilsitzfläche 158 angeordnet
ist, sondern außerhalb des Einspritzventilglieds 132,
in dem Ringraum 240. In dem in den 4 und 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel wird somit die gesamte Ventilsitzfläche 158 über
die Hochdruckbohrung 242 mit einem Hochdruck beaufschlagt,
so dass die Ventilsitzfläche 158 vollständig oder
zumindest näherungsweise vollständig als Hochdruckfläche 244 wirkt.
Der Durchmesser dieser Hochdruckfläche 244 ist
somit vorzugsweise zumindest im Wesentlichen gleich dem Durchmesser
D2, also dem Ventilsitzdurchmesser 156.
Auf diese Weise wirkt die in Schließrichtung wirkende erste
hydraulische Fläche 200 also als hydraulische
Kraftverminderungsfläche 216, da diese mit einem
Niederdruck beaufschlagt ist. Der Raildruck bzw. der Hochdruck liegt
im gesamten Bereich der Hochdruckfläche 244 an,
da diese Hochdruckfläche 244 mit dem Hochdruckzulauf 112 verbunden
ist. Die Abdichtung zum Niederdruckbereich, insbesondere dem Ringraum 240,
wird bei geschlossenem Einspritzventilglied über den Ventildichtsitz 152 und
die Ventildichtfläche 150 sowie durch die Führung 134 hergestellt.
Das Einspritzventilglied ist im Wesentlichen druckausgeglichen und
damit kraftausgeglichen, wenn der Ventilsitzdurchmesser 156 im
Wesentlichen gleich dem Durchmesser D4 (Bezugsziffer 234)
des Einspritzventilgliedes 132 ist. Beim Öffnen
des Einspritzventilgliedes 132 wird der Ventildichtsitz 152 freigegeben,
und Kraftstoff kann über die mindestens eine Einspritzöffnung 142 in
den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine gelangen. In geöffnetem
Zustand wird die Abdichtung zum Niederdruck über die Führungen 134 sichergestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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