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Die Erfindung betrifft einen Piezoinjektor gemäß Patentanspruch 1.
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Stand der Technik
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Brennkraftmaschinen mit Kraftstoffdirekteinspritzung sind bekannt. Zur Kraftstoffdirekteinspritzung werden Piezoinjektoren verwendet, deren Düsennadel mittels eines Piezoaktors angetrieben wird. Dabei ist eine nahezu spielfreie Kopplung zwischen Piezoaktor und Düsennadel erforderlich, die jedoch aufgrund thermischer Längenänderungen im Piezoinjektor schwer einzuhalten ist. Ein zu geringer Leerhub zwischen Piezoaktor und Düsennadel kann ein nicht vollständiges Schließen der Düsennadel zur Folge haben. Ein zu großer Leerhub zwischen Piezoaktor und Düsennadel führt zu einer Erhöhung der zur Ansteuerung des Piezoinjektors notwendigen Ansteuerenergie. Im Stand der Technik wurde versucht, thermische Längenänderungen durch eine geeignete Materialwahl und Geometrie zu kompensieren. Dies führt allerdings zu hohen Fertigungskosten und schränkt die konstruktive Freiheit bei der Gestaltung des Piezoinjektors stark ein.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Piezoinjektor bereitzustellen, bei dem Längenänderungen des Piezoinjektors von selbst ausgeglichen werden. Diese Aufgabe wird durch einen Piezoinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein erfindungsgemäßer Piezoinjektor umfasst einen Aktorraum, in dem ein Piezoaktor angeordnet ist, eine Steuerkolbenbohrung, in der ein Steuerkolben angeordnet ist, der eine dem Piezoaktor zugewandte erste Stirnseite aufweist, wobei ein durch die erste Stirnseite begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung einen ersten Steuerraum bildet, wobei ein dem ersten Steuerraum gegenüberliegender Abschnitt der Steuerkolbenbohrung einen Federraum bildet, und wobei der Steuerkolben zwischen dem ersten Steuerraum und dem Federraum angeordnet ist, eine Düsennadel mit einer zweiten Stirnseite, wobei die Düsennadel eine Düsennadelhülse führt, wobei die Düsennadelhülse und die zweite Stirnseite einen zweiten Steuerraum begrenzen, eine Verbindungsbohrung zwischen dem ersten Steuerraum und dem zweiten Steuerraum, und einen Leckagestift, der zwischen dem Piezoaktor und der ersten Stirnseite in einer Leckagestiftbohrung angeordnet ist. Vorteilhafterweise besteht bei diesem Piezoinjektor eine hydraulische Kopplung zwischen dem Piezoaktor und der Düsennadel. Diese hydraulische Kopplung bewirkt vorteilhafterweise einen Spielausgleich und eine Hubübersetzung. Vorteilhafterweise können dadurch durch Temperatureffekte, Verschleiß an Kontaktstellen im Antrieb und durch Änderungen des Polarisationszustandes des Piezoaktors bedingte Längenänderungen im Piezoinjektor ausgeglichen werden. Dies ermöglicht es vorteilhafterweise, den Injektor aus einem beliebigen Werkstoff zu fertigen, ohne thermische Ausdehnungseigenschaften des Werkstoffes berücksichtigen zu müssen. Daher kann vorteilhafterweise ein besonders hochdruckfester Werkstoff verwendet werden. Vorteilhafterweise entfallen bei der Montage des Piezoinjektors aufwändige Einstellprozesse für einen Leerhub, was die Fertigungskosten des Piezoinjektors reduziert. Durch den Entfall eines Leerhubs reduziert sich auch eine für die Ansteuerung des Piezoinjektors benötigte Energie. Ein weiterer Vorteil des Piezoinjektors besteht in seiner verbesserten Einspritzmengenstabilität im dynamischen Motorbetrieb. Ebenfalls vorteilhaft ist, dass Druckverluste im Piezoinjektor gegenüber dem Stand der Technik reduziert sind.
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Es ist zweckmäßig, dass eine erste Leckage aus dem ersten Steuerraum heraus ermöglicht ist, eine zweite Leckage aus dem Federraum in den ersten Steuerraum hinein ermöglicht ist und eine dritte Leckage aus einem Hochdruckbereich in den zweiten Steuerraum hinein ermöglicht ist. Dabei ist eine Summe aus der zweiten Leckage und der dritten Leckage mindestens so groß wie die erste Leckage. Außerdem ist die Summe aus der zweiten Leckage und der dritten Leckage so gering, dass bei geöffneter Düsennadel ein durch die zweite Leckage und die dritte Leckage bewirkter Druckanstieg in dem zweiten Steuerraum nicht zu einem Schließen der Düsennadel führt. Vorteilhafterweise wird durch die zweite Leckage und die dritte Leckage verhindert, dass die erste Leckage ein unbeabsichtigtes Öffnen der Düsennadel bewirkt. Die zweite und die dritte Leckage verhindern vorteilhafterweise auch ein ungewolltes Öffnen der Düsennadel bei sehr steilen Druckanstiegen im Hochdruckbereich.
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Bevorzugt weist der Piezoinjektor eine Hochdruckbohrung auf, die mit dem Hochdruckbereich verbunden ist. Dabei ist der Hochdruckbereich mit dem Federraum verbunden. Vorteilhafterweise herrscht im Federraum dann stets der hohe Druck der Hochdruckbohrung.
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Es ist zweckmäßig, dass im Federraum eine Steuerkolbenfeder angeordnet ist, die den Steuerkolben mit einer in Richtung des ersten Steuerraums wirkenden Kraft beaufschlagt. Vorteilhafterweise bewirkt die Steuerkolbenfeder eine Rückkehr des Steuerkolbens in seine Ausgangsposition, nachdem ein Einspritzvorgang beendet wurde.
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Ebenfalls zweckmäßig ist, dass der Piezoinjektor eine Düsenfeder aufweist, die die Düsennadel mit einer von dem zweiten Steuerraum weg gerichteten Kraft beaufschlagt. Vorteilhafterweise unterstützt die Düsenfeder dann ein Schließen der Düsennadel, um einen Einspritzvorgang zu beenden.
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In einer Ausführungsform des Piezoinjektors besteht zwischen dem Leckagestift und der Leckagestiftbohrung ein erstes Paarungsspiel, das die erste Leckage ermöglicht. Dabei beträgt das erste Paarungsspiel weniger als 2 µm. Vorteilhafterweise haben Experimente und Modellrechnungen ergeben, dass ein solches erstes Paarungsspiel zu einer ausreichend kleinen ersten Leckage führt.
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In einer Ausführungsform des Piezoinjektors besteht zwischen der Düsennadel und der Düsennadelhülse ein drittes Paarungsspiel, das die dritte Leckage ermöglicht. Dabei beträgt das dritte Paarungsspiel zwischen 5 µm und 8 µm. Vorteilhafterweise hat sich in Modellrechnungen und Experimenten gezeigt, dass ein drittes Paarungsspiel dieser Größenordnung zu einer geeigneten dritten Leckage führt.
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In einer Ausführungsform des Piezoinjektors besteht zwischen dem Steuerkolben und der Steuerkolbenbohrung ein zweites Paarungsspiel, das die zweite Leckage ermöglicht. Dabei beträgt das zweite Paarungsspiel zwischen 5 µm und 8 µm. Vorteilhafterweise haben Modellrechnungen und Experimente gezeigt, dass ein derart bemessenes zweites Paarungsspiel zu einer zweiten Leckage geeigneter Größe führt.
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In einer anderen Ausführungsform des Piezoinjektors weist der Steuerkolben eine zwischen dem ersten Steuerraum und dem Federraum verlaufende Drosselbohrung auf, die die zweite Leckage ermöglicht. Vorteilhafterweise ermöglicht auch eine solche Drosselbohrung eine zweite Leckage geeigneter Größe.
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Besonders bevorzugt wird die Drosselbohrung durch den Leckagestift verschlossen, wenn der Leckagestift am Steuerkolben anliegt. Vorteilhafterweise wird dann die zweite Leckage im geöffneten Zustand der Düsennadel unterbrochen, wodurch die Gefahr eines durch die zweite Leckage bewirkten unerwünschten Schließens der Düsennadel reduziert wird.
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In einer Ausführungsform des Piezoinjektors ist in der Verbindungsbohrung zwischen dem ersten Steuerraum und dem zweiten Steuerraum eine Drossel angeordnet.
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Besonders bevorzugt ist der Piezoaktor ein vollaktiver Piezostapel. Vorteilhafterweise kann der Piezoaktor hermetisch vom Kraftstoff getrennt sein und muss daher keine besondere Kraftstoffbeständigkeit aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine Schnittansicht eines oberen Teils eines Piezoinjektors; und
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2 eine Schnittansicht eines unteren Teils des Piezoinjektors.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In 1 und 2 ist eine Schnittansicht eines Piezoinjektors 100 dargestellt. 1 zeigt einen oberen Teil 101 des Piezoinjektors 100. 2 zeigt einen unteren Teil 102 des Piezoinjektors 100. Der Piezoinjektor 100 kann zum Einspritzen von Kraftstoff in einer Brennkraftmaschine dienen. Der Piezoinjektor 100 kann beispielsweise zum Einspritzen von Dieselkraftstoff in einer Common-Rail-Brennkraftmaschine dienen.
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Der Piezoinjektor 100 weist ein Injektorgehäuse 110 auf. Das Injektorgehäuse 110 kann aus einem weitgehend beliebigen Werkstoff bestehen, da die thermischen Ausdehnungseigenschaften des Injektorgehäuses 110 unerheblich sind. Insbesondere muss das Injektorgehäuse 110 nicht aus Invar bestehen.
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Im Injektorgehäuse 110 ist eine Hochdruckbohrung 120 angeordnet, der über einen Hochdruckanschluss 121 unter hohem Druck stehender Kraftstoff zugeführt werden kann. Die Hochdruckbohrung 120 verläuft in Längsrichtung durch das Injektorgehäuse 110 bis zu einem nachfolgend noch erörterten Hochdruckbereich 178 im unteren Teil 102 des Piezoinjektors 100. Der obere Teil 101 des Piezoinjektors 100 weist ferner einen Leckageanschluss 111 auf.
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Weiter weist das Injektorgehäuse 110 im oberen Teil 101 des Piezoinjektors 100 einen Aktorraum 131 auf, in dem ein Piezoaktor 130 angeordnet ist. Der Piezoaktor 130 ist bevorzugt ein vollaktiver Piezostapel. Der Piezoaktor 130 weist in etwa eine zylindrische Form auf und kann über einen elektrischen Anschluss 132 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, um die Länge des Piezoaktors 130 in Längsrichtung zu ändern.
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Im unteren Teil 102 weist der Piezoinjektor 100 eine Steuerkolbenbohrung 151 auf, in der ein Steuerkolben 150 angeordnet ist. Der Steuerkolben 150 weist eine in Richtung des Piezoaktors 130 weisende erste Stirnseite 152 auf. Ein durch die erste Stirnseite 152 begrenzter Abschnitt der Steuerkolbenbohrung 151 bildet einen ersten Steuerraum 153. An ihrem dem ersten Steuerraum 153 entgegengesetzten Längsende bildet die Steuerkolbenbohrung 151 einen Federraum 154. Der Steuerkolben 150 ist somit zwischen dem ersten Steuerraum 153 und dem Federraum 154 angeordnet.
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Im Federraum 154 befindet sich eine Steuerkolbenfeder 155, die beispielsweise als Spiraldruckfeder ausgebildet sein kann. Ein erstes Längsende der Steuerkolbenfeder 155 stützt sich am Steuerkolben 150 ab. Ein zweites Längsende der Steuerkolbenfeder 155 stützt sich an einer Stirnseite der Steuerkolbenbohrung 151 ab. Die Steuerkolbenfeder 155 beaufschlagt den Steuerkolben 150 mit einer in Richtung des ersten Steuerraums 153 wirkenden Kraft.
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Der Federraum 154 ist über eine Hochdruckverbindung 157 mit dem Hochdruckbereich 178 verbunden. Somit befindet sich im Federraum 154 im Betrieb des Piezoinjektors 100 stets Kraftstoff mit dem in der Hochdruckbohrung 120 und im Hochdruckbereich 178 herrschenden Druck.
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Zwischen dem Piezoaktor 130 und der Steuerkolbenbohrung 151 ist ein Leckagestift 140 in einer Leckagestiftbohrung 141 angeordnet. Die Länge des Leckagestifts 140 ist dabei so bemessen, dass eine Erhöhung der Länge des Piezoaktors 130 über den Leckagestift 140 auf den Steuerkolben 150 übertragen wird.
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Weiter ist im unteren Teil 102 des Piezoinjektors 100 der Hochdruckbereich 178 angeordnet, in den die Hochdruckbohrung 120 mündet. Im Hochdruckbereich 178 ist eine Düsennadel 170 angeordnet, die eine Düsennadelhülse 171 führt. Ein in Richtung des oberen Teils 101 des Piezoinjektors 100 weisendes Längsende der Düsennadel 170 weist eine zweite Stirnseite 172 auf. Oberhalb der zweiten Stirnseite 172 ist ein zweiter Steuerraum 173 ausgebildet, der durch die zweite Stirnseite 172 und durch die Düsennadelhülse 171 begrenzt wird. Der zweite Steuerraum 173 ist über eine Verbindungsbohrung 160 mit dem ersten Steuerraum 153 verbunden.
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Die Düsennadel 170 weist einen fest mit der Düsennadel 170 verbundenen umlaufenden Kragen 174 auf. Zwischen dem Kragen 174 und der Düsennadelhülse 171 ist eine Düsenfeder 175 angeordnet, die beispielsweise als Spiraldruckfeder ausgebildet sein kann. Ein erstes Längsende der Düsenfeder 175 stützt sich an der Düsennadelhülse 171 ab. Ein zweites Längsende der Düsenfeder 175 stützt sich am Kragen 174 ab. Die Düsenfeder 175 beaufschlagt die Düsennadel 170 mit einer vom zweiten Steuerraum 173 weg gerichteten Kraft.
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Im geschlossenen Zustand des Piezoinjektors 100 liegt die Düsennadel 170 an einer unteren Spitze des unteren Teils 102 des Piezoinjektors 100 an. Der Piezoaktor 130 ist entladen und weist seine minimale Länge auf. Der Piezoinjektor 100 führt keine Kraftstoffeinspritzung durch.
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Wird der Piezoaktor 130 über den elektrischen Anschluss 132 geladen und dadurch die Länge des Piezoaktors 130 erhöht, so übt der Piezoaktor 130 über den Leckagestift 140 eine Kraft auf den Steuerkolben 150 aus, durch die der Steuerkolben 150 in der Steuerkolbenbohrung 151 in Richtung des Federraums 154 bewegt wird. Dadurch erhöht sich das Volumen des ersten Steuerraums 153, wodurch der Druck im ersten Steuerraum 153 und im zweiten Steuerraum 173 abnimmt. Somit übt der reduzierte Druck im zweiten Steuerraum 173 eine nun reduzierte Kraft auf die zweite Stirnseite 172 der Düsennadel 170 aus. Der weiterhin auf das untere Ende der Düsennadel 170 wirkende hohe Druck des Hochdruckbereichs 178 bewirkt in der Folge eine Bewegung der Düsennadel 170 nach oben in Richtung des zweiten Steuerraums 173. Dadurch wird der Piezoinjektor 100 geöffnet, um Kraftstoff einzuspritzen.
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Durch das Verhältnis des Durchmessers des Steuerkolbens 150 und damit des Durchmessers des ersten Steuerraums 153 zum Durchmesser der Düsennadel 170 an ihrer zweiten Stirnseite 172 und damit zum Durchmesser des zweiten Steuerraums 173 ist ein Übersetzungsverhältnis zwischen einer Längenänderung des Piezoaktors 130 und einem Hub der Düsennadel 170 festgelegt. Beträgt der Durchmesser des Steuerkolbens 150 beispielsweise 5 mm und beträgt der Durchmesser der Düsennadel 170 an ihrer zweiten Stirnseite 172 beispielsweise 3,5 mm, so ergibt sich ein Übersetzungsverhältnis von etwa 2.
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Nach dem Öffnen der Düsennadel 170 kann der Hub der Düsennadel 170 über eine Variation der Länge des Piezoaktors 130 gesteuert werden. Die Länge des Piezoaktors 130 wiederum kann über eine Variation der dem Piezoaktor 130 über den elektrischen Anschluss 132 zugeführten Energie verändert werden.
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Wird der Piezoaktor 130 anschließend entladen und damit verkürzt, so bewirken der im Federraum 154 herrschende hohe Druck und die durch die Steuerkolbenfeder 155 auf den Steuerkolben 150 ausgeübte Kraft eine Bewegung des Steuerkolbens 150 in Richtung des ersten Steuerraums 153. Dadurch erhöht sich der Druck im ersten Steuerraum 153 und, wegen der zwischen erstem Steuerraum 153 und zweitem Steuerraum 173 bestehenden Verbindungsbohrung 160, auch der Druck im zweiten Steuerraum 173. Dies hat ein Zurückbewegen der Düsennadel 170 an das untere Ende des unteren Teils 102 des Piezoinjektors 100 zur Folge, durch die der Piezoinjektor 100 verschlossen und die Kraftstoffeinspritzung beendet wird.
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Die durch die Steuerkolbenfeder 155 auf den Steuerkolben 150 ausgeübte Federkraft stellt sicher, dass der Steuerkolben 150 im geschlossenen Zustand des Piezoinjektors 100 stets am Leckagestift 140 anliegt und der durch den Piezoaktor 130, den Leckagestift 140 und den Steuerkolben 150 gebildete Antrieb stets spielfrei ist. Dies hat zur Folge, dass wechselnde thermische Randbedingungen, Längenänderungen des Piezoaktors 130 und Verschleißerscheinungen in den Kontaktbereichen keinen merklichen Einfluss auf die durch den Piezoinjektor 100 abgegebenen Einspritzmengen haben.
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Der Leckagestift 140 ist mit einem ersten Paarungsspiel 142 in die Leckagestiftbohrung 141 eingepasst. Wegen des ersten Paarungsspiels 142 findet eine erste Leckage 143 aus dem ersten Steuerraum 143 entlang des Leckagestifts 140 in einen oberhalb des Leckagestifts 140 angeordneten Bereich des Piezoinjektors 100 statt, von wo die erste Leckage 143 über den Leckageanschluss 111 entweichen kann. Wegen des im ersten Steuerraum 153 herrschenden hohen Drucks muss das erste Paarungsspiel 142 klein gewählt werden, um eine kleine erste Leckage 143 zu erhalten. Das erste Paarungsspiel 142 beträgt bevorzugt weniger als 2 µm, besonders bevorzugt ungefähr 1 µm.
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Der Steuerkolben 150 ist mit einem zweiten Paarungsspiel 158 in die Steuerkolbenbohrung 151 eingepasst. Ist der Druck im ersten Steuerraum 153 geringer als der Druck im Federraum 154, so kommt es wegen des zweiten Paarungsspiels 158 zu einer zweiten Leckage 159 vom Federraum 154 entlang des Steuerkolbens 150 in den ersten Steuerraum 153. Der Steuerkolben 150 kann auch eine Drosselbohrung 156 aufweisen, die vom Federraum 154 durch den Steuerkolben 150 zum ersten Steuerraum 153 verläuft. In diesem Fall ist durch die Drosselbohrung 156 eine vierte Leckage 180 vom Federraum 154 in den ersten Steuerraum 153 möglich. Ist die Drosselbohrung 156 nicht vorhanden, so beträgt das zweite Paarungsspiel 158 bevorzugt zwischen 3 µm und 10 µm, besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 8 µm, um eine ausreichende zweite Leckage 159 zu ermöglichen. Ist die Drosselbohrung 156 vorhanden und damit die vierte Leckage 180 ermöglicht, so kann das zweite Paarungsspiel 158 sehr klein gewählt werden und beispielsweise 1 µm betragen.
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Die Düsennadel 170 ist mit einem dritten Paarungsspiel 176 in die Düsennadelhülse 171 eingepasst. Ist der Druck im zweiten Steuerraum 173 geringer als der Druck im Hochdruckbereich 178, so kann es entlang der Düsenfeder 175 durch das dritte Paarungsspiel 176 zu einer dritten Leckage 177 aus dem Hochdruckbereich 178 in den zweiten Steuerraum 173 kommen. Das dritte Paarungsspiel 176 beträgt bevorzugt zwischen 3 µm und 10 µm, besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 8 µm. Ist die Drosselbohrung 156 vorhanden, so kann auf die dritte Leckage 177 verzichtet werden und das dritte Paarungsspiel 176 ebenfalls sehr gering ausgebildet werden, beispielsweise in der Größe von etwa 1 µm.
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Im geschlossenen Zustand des Piezoinjektors 100 kommt es durch die erste Leckage 143 entlang des Leckagestifts 140 zu einem Abfluss von Kraftstoff aus dem ersten Steuerraum 153. Damit dieser Kraftstoffabfluss aus dem ersten Steuerraum 153 nicht zu einem Druckabfall im ersten Steuerraum 153 führt, der ein unbeabsichtigtes Öffnen der Düsennadel 170 zur Folge hätte, muss der durch die erste Leckage 143 bewirkte Kraftstoffverlust durch die zweite Leckage 159, die dritte Leckage 177 und/oder die vierte Leckage 180 ausgeglichen werden. Ist die Drosselbohrung 156 nicht vorhanden und findet damit die vierte Leckage 180 nicht statt, so muss die Summe aus der zweiten Leckage 159 und der dritten Leckage 177 mindestens so groß wie die erste Leckage 143 sein. Ist die Drosselbohrung 156 vorhanden, so muss die die Summe aus der zweiten Leckage 159, der dritten Leckage 177 und der vierten Leckage 180 mindestens so groß wie die erste Leckage 143 sein.
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Im geöffneten Zustand der Düsenfeder 175 und damit des Piezoinjektors 100 kommt es durch die zweite Leckage 159, die dritte Leckage 177 und/oder die vierte Leckage 180 zu einem Zufluss von Kraftstoff in den ersten Steuerraum 153 und den zweiten Steuerraum 173. Der Zufluss von Kraftstoff bewirkt eine Druckerhöhung im ersten Steuerraum 153 und im zweiten Steuerraum 173. Die Druckzunahme muss jedoch so klein sein, dass es nicht zu einem unbeabsichtigten vorzeitigen Schließen der Düsennadel 170 und damit des Piezoinjektors 100 kommt.
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Besonders bevorzugt sind die Drosselbohrung 156 und der Leckagestift 130 so ausgebildet, dass der Leckagestift 140 die Drosselbohrung 156 verschließt, wenn die Düsennadel 170 geöffnet ist. Dadurch wird bei geöffneter Düsennadel 170 die vierte Leckage 180 unterbunden, so dass ein vorzeitiges unerwünschtes Schließen der Düsennadel 170 ausgeschlossen ist.
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In der Verbindungsbohrung 160 zwischen dem ersten Steuerraum 153 und dem zweiten Steuerraum 173 kann eine Drossel angeordnet sein.
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Die zweite Leckage 159 und die dritte Leckage 177 sind auch notwendig, um ein ungewolltes Öffnen der Düsennadel 170 bei sehr steilen Druckanstiegen im Hochdruckbereich 178 zu verhindern.