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Die Erfindung betrifft eine Dosierventileinrichtung, insbesondere Reduktionsmitteldosiereinrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einem druckgesteuerten Dosierventil, das einen hülsenförmigen Düsenkörper mit einem einen Fluideinlass aufweisenden Arbeitsraum aufweist, wobei dem Arbeitsraum einendig ein Stoßwellengenerator und anderendig eine Ventilnadel zugeordnet ist, wobei die Ventilnadel federbeaufschlagt in einen Ventilsitz des Düsenkörpers gedrängt ist und wobei der Stoßwellengenerator einen in dem Arbeitsraum axial verlagerbaren Druckstempel aufweist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Abgasnachbehandlungssystem für ein Kraftfahrzeug mit der oben genannten Dosierventileinrichtung.
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Stand der Technik
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Dosierventileinrichtungen sowie Abgasnachbehandlungssysteme der Eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ist die Einhaltung von Schadstoffemissionen oberstes Ziel. Insbesondere bei Dieselfahrzeugen ist eine NOx-Reduzierung erforderlich. Häufig wird dazu die sogenannte selektive katalytische Reduktion durchgeführt. Dabei wird eine wässrige Harnstofflösung in das Abgas einer Brennkraftmaschine eingesprüht, um in einem stromabwärts angeordneten Katalysator mit dem Abgas dessen NOx-Bestandteile reduzierend zusammenzuwirken.
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Die Beimengung des Reduziermittels in das Abgas kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Bekannt ist es, dass Reduktionsmittel mit Hilfe von Druckluft einzudüsen, wodurch ein feines Zerstäuben der Flüssigkeit möglich ist. Jedoch bedarf diese Lösung einer umfangreichen Peripherie. Weiterhin ist es bekannt, den Einspritzdruck mittels einer elektrisch angetriebenen Pumpe zu erzeugen, wobei hierbei eine elektrische Aktorik zum Betätigen des Dosierventils notwendig ist, die bedingt, dass das Dosierventil gekühlt wird. Auch ist es bekannt, ein derartiges Dosierventil druckwellengesteuert zu betreiben. Dabei besteht das Dosierventil nur aus mechanischen Bauteilen, wodurch hohe Einspritzdrücke einfach realisiert werden können. Nachteilig dabei ist die geringe Zumessgenauigkeit, da die Einspritzmenge stark von der Druckwellenform abhängt.
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Aus der
DE 10 2008 042 850 A1 ist ein Dosiersystem mit einem sogenannten Stoßwelleninjektor bekannt, der die Flüssigkeit mit einem Druckimpuls eindüst, der mit Hilfe eines Stoßwellengenerators erzeugt wird. Bei dieser gattungsgemäßen Dosierventileinrichtung wird in dem Arbeitsraum, der mit einem Fluideinlass und der Ventilnadel verbunden ist, ein Druckstempel axial verlagert, um einen Druckimpuls zu erzeugen. Dazu wird der Druckstempel in Richtung der Ventilnadel verlagert, wodurch das Fluid in die gleiche Richtung gedrängt und die Ventilnadel ab einem ausreichenden Druck geöffnet wird. Hierdurch können Drücke erreicht werden, die in der Größenordnung eines Diesel-Common-Rail-Einspritzsystems liegen. Nachteilig ist jedoch, dass die Druckwelle schneller abfällt als die Ventilnadeln wieder schließen können. Dadurch kann es während einer Düsenschließphase zu einer Nacheinspritzung kommen, die lediglich durch den eigentlich niedrigen Vorförderdruck begründet ist. Bei dem geringen Druck ist jedoch die Zerstäubung im Gemisch unzureichend, so dass es zu Ablagerungen und Umsatzeinbrüchen kommen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Dosierventileinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Nacheinspritzung auf einfache Art und Weise durch mechanische Mittel verhindert wird, so dass die Vorteile einer Stoßwelleninjektion voll ausgenutzt werden können, ohne dass Nacheinspritzungen zu befürchten sind. Die erfindungsgemäße Dosierventileinrichtung zeichnet sich dazu dadurch aus, dass in dem Arbeitsraum zusätzlich zu dem Druckstempel eine Ventilhülse axial verlagerbar angeordnet ist, die federkraftbeaufschlagt in einen weiteren Ventilsitz des Düsenkörpers dem Ventilsitz der Ventilnadel entgegengerichtet gedrängt den Arbeitsraum in eine mit der Ventilnadel verbundene Druckkammer und eine mit dem Fluideinlass verbundene Vorkammer unterteilt, wobei der Druckstempel in der Ventilhülse stets axial verlagerbar und radial dichtend angeordnet ist. Es ist also vorgesehen, dass der Druckstempel in dem Arbeitsraum innerhalb der Ventilhülse axial verlagerbar ist. Radial schließt der Druckstempel dabei dicht mit der Ventilhülse ab. Da diese Verbindung zwischen Ventilhülse und Druckstempel stets bestehen soll ergibt sich, dass der Verlagerweg der Hülse kürzer sein muss als die Längserstreckung des in die Ventilhülse eingreifenden Druckstempels. Solange die Ventilhülse federkraftbeaufschlagt in den weiteren Ventilsitz gedrängt wird, wird dadurch die eine Druckkammer zwischen dem Druckstempel und der Ventilnadel gebildet. Wird der Druckstempel durch den Stoßwellengenerator verlagert, so wird eine Druckwelle in Richtung Ventilnadel erzeugt, wodurch die Ventilnadel sich von ihrem Ventilsitz löst und Fluid ausgedüst wird. Sobald der Druckstempel zurück in seiner Ausgangsposition gezogen wird, ändern sich jedoch die Druckverhältnisse derart, dass die Ventilhülse entgegen der genannten Federkraft verlagert wird, wodurch die Vorkammer mit der Druckkammer verbunden wird und neues Fluid in den Fluideinlass in die Druckkammer gelangen kann. Insbesondere weil der Druckstempel zurückgezogen wird, entsteht ein Unterdruck in der Ventilhülse, der die Ventilhülse in Richtung des Druckstempels zieht und diese entgegen der Federkraft von dem weiteren Ventilsitz löst. Damit ein Unterdruck entstehen kann, muss die Ventilnadel zuvor wieder zurück in ihren Ventilsitz gelangt sein. Dadurch wird gewährleistet, dass die Ventilhülse erst dann von ihrem Ventilsitz gelöst werden kann, wenn die Ventilnadel wieder in ihrem Ventilsitz sitzt. Eine unerwünschte Nacheinspritzung ist daher durch die erfindungsgemäße Ausführungsform der Dosierventileinrichtung nicht möglich. Alternativ ist es auch möglich, die Ventilhülse durch einen weiteren Aktor zu betätigen beziehungsweise zu verlagern.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Arbeitsraum eine den weiteren Ventilsitz bildende Verjüngung aufweist. Der Arbeitsraum ist insbesondere als Stufenbohrung in dem Ventilkörper ausgebildet, wobei die Stufe durch die Verjüngung gebildet ist und auf der Stufe der weitere Ventilsitz vorgesehen ist. Dabei kann der Ventilsitz planar oder auch konisch ausgebildet sein. Vorzugsweise weist die Ventilhülse an ihrem dem weiteren Ventilsitz zugewandten Ende eine entsprechende Konturierung auf. Durch diese einfache Ausbildung wird eine kostengünstige Ausführung der Dosierventileinrichtung, die auch hohen Belastungen dauerhaft standhält, geboten.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein zwischen Ventilkörper und Düsenhülse verspanntes, die Ventilhülse in den weiteren Ventilsitz drängendes Federelement derart ausgebildet ist, dass ein durch ein Zurückziehen des Druckstempels erzeugter Unterdruck in der Ventilhülse diese von dem weiteren Ventilsitz entgegen der Federkraft des Federelements löst. Das Federelement ist also derart ausgelegt, dass es ab einem bestimmten vorgebbaren Unterdruck in der Ventilhülse beziehungsweise in der Druckkammer ein Lösen der Ventilhülse von dem weiteren Ventilsitz erlaubt. Das Federelement ist dabei bevorzugt als Schraubenfeder ausgebildet, die koaxial zu der Ventilhülse in dem Arbeitsraum angeordnet ist.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen dem Druckstempel und dem Düsenkörper eine Rückstellfeder verspannt angeordnet ist. Die Rückstellfeder drängt den Druckstempel zurück in Richtung eines Aktors des Stoßwellengenerators, der zuvor den Druckstempel in Richtung der Ventilnadel beschleunigt hat. Die Rückstellfeder stellt somit auch die Kraft bereit, die zum Erzeugen des Unterdrucks und zum Verlagern der Ventilhülse notwendig ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Federelement und/oder die Rückstellfeder axial an einem radial in den Arbeitsraum ragenden Vorsprung, insbesondere Sicherungsring, anliegen. Das Federelement und/oder die Rückstellfeder stützen sich somit axial an dem Radialvorsprung in dem Arbeitsraum an der Innenwand des Düsenkörpers ab. Vorteilhafterweise ist dieser Vorsprung durch einen Sicherungsring beziehungsweise Spannring gebildet, der in einer entsprechenden Umfangsnut an der Mantelinnenseite des Düsenkörpers im Arbeitsraum bereichsweise einliegt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorkammer ein Fluidauslass für eine kontinuierliche Durchströmung der Vorkammer zugeordnet ist. Der Vorkammer sind somit sowohl der Fluideinlass als auch der Fluidauslass zugeordnet. Wird durch den Fluideinlass Medium beziehungsweise Reduktionsmittel in die Vorkammer eingetrieben, so kann es die Vorkammer durch den Fluidauslass wieder verlassen, wodurch ein Kreislauf gebildet wird, der stets durchströmt wird. Nur wenn die Ventilhülse von ihrem Ventilsitz gelöst wird, wird der Kreislauf unterbrochen, wobei das Reduktionsmittel in die Druckkammer gelangt kann. Die kontinuierliche Durchströmung beziehungsweise die ständige Zirkulation des Reduktionsmittels sorgt dafür, dass Ausgasungen, die während eines Einspritzvorgangs entstehen können, ausgespült werden.
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Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass der Düsenkörper mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgebildet ist. Insbesondere ist der derart zweigeteilt ausgebildet, dass ein Teil den Arbeitsraum bildet, während der andere Teil den Aktor des Stoßwellengenerators trägt und vorzugsweise auch Fluideinlass und/oder Fluidauslass aufweist. Wobei der andere Teil bevorzugt den Arbeitsraum mit bildet. Die mehrteilige Ausbildung erleichtert die Montage sowie die Fertigung der einzelnen Bestandteile der Dosierventileinrichtung.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der Druckstempel an seiner Oberfläche zumindest bereichsweise ein elektrisch leitfähiges Material aufweist. Besonders bevorzugt ist als elektrisch leitfähiges Material Kupfer vorgesehen, das durch eine Beschichtung vor dem Fluid/der Flüssigkeit geschützt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Fördereinrichtung vorgesehen ist, deren Ausgang mit dem Fluideinlass des Dosierventils und deren Eingang mit einem die zu dosierende Flüssigkeit bereitstellenden Tank verbunden ist. Die Fördereinrichtung dient zur Vorförderung der Flüssigkeit zu dem Dosierventil und gewährleistet die ständige Zirkulation der Flüssigkeit durch den Arbeitsraum beziehungsweise durch die Vorkammer.
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Das Abgasnachbehandlungssystem für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich durch die erfindungsgemäße Dosierventileinrichtung aus. Das Abgasnachbehandlungssystem weist bevorzugt weiterhin wenigstens einen Katalysator auf, der dem Dosierventil im Abgasstrang nachgeschaltet ist, so dass das eingedüste Abgasnachbehandlungsmittel/Reduktionsmittel in dem Katalysator zusammen mit dem Abgas wie gewünscht reagiert.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigt die einzige
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Figur eine Dosierventileinrichtung in einer vereinfachten Darstellung.
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Die Figur zeigt in einer vereinfachten Darstellung eine Dosierventileinrichtung 1 für ein Abgasnachbehandlungssystem eines Kraftfahrzeugs. Die Dosierventileinrichtung 1 weist ein Dosierventil 2 auf, das durch eine Fördermittelpumpe 3 und eine Rücklaufleitung 4 mit einem flüssiges Abgasnachbehandlungsmittel bereitstellenden Tank 5 verbunden ist.
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Das Dosierventil 2 weist einen Düsenkörper 6 auf, der zweiteilig ausgebildet ist. Ein düsenseitiger Teil des Düsenkörpers 6 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist eine Stufenbohrung auf, deren Stufe eine Verjüngung bildet, die als Ventilsitz 7 dient. Insgesamt wird durch die Bohrung eine Arbeitsraum 8 dargestellt. An seinem freien Ende weist der Düsenkörper 6 einen Ventilsitz 9 auf, der mit einer Ventilnadel 10 zusammenwirkt, die von einer Schraubenfeder 24, die als Druckfeder ausgebildet ist, in den Ventilsitz gedrängt wird, und im Wesentlichen in dem Arbeitsraum 8 liegt. Die Ventilnadel 10 ist dabei in dem schmaleren Abschnitt der Stufenbohrung des Arbeitsraumes 8 angeordnet. In dem Abschnitt mit größerem Innendurchmesser ist eine Ventilhülse 11 angeordnet, die in dem Arbeitsraum 8 axial verlagerbar ist. Die Ventilhülse 11 ist ähnlich dem Düsenkörper 6 mit einer Stufenbohrung versehen, die sich durch die gesamte Ventilhülse 11 erstreckt. Hierdurch erhält die Ventilhülse 11 ihre hülsenförmige Gestaltung. Die Stufenbohrung fluchtet dabei mit der Stufenbohrung des Düsenkörpers 6. Die dem verjüngten Bereich des Düsenkörpers 6 zugeordnete Stirnseite der Ventilhülse 11 weist eine konische Ausgestaltung auf, die einerseits die Ventilhülse 11 in der Stufenbohrung zentriert und andererseits mit dem Ventilsitz 7 dichtend zusammenwirkt. Dabei ist der Innendurchmesser des verjüngten Abschnitts der Ventilhülse 11 schmaler ausgebildet als der Innendurchmesser des verjüngten Abschnitts des Dosierkörpers 6.
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An ihrer Mantelaußenseite weist die Ventilhülse 11 eine Ringnut 12 auf, in welcher ein Sicherungsring 13 eingesetzt ist und radial nach außen vorsteht, um einen Axialanschlag für ein Federelement, das vorliegend als Schraubenfeder 14 ausgebildet ist, zu bilden. Die Schraubenfeder 14 stützt sich somit einendig an der Ventilhülse über den Sicherungsring 13 ab. Anderendig ist vorgesehen, dass die Schraubenfeder 14 sich axial an einem Sicherungsring 15 abstützt, der in einer Ringnut in der Mantelinnenseite des erweiterten Abschnitts der Stufenbohrung des Düsenkörpers 6 einliegt, abstützt. Die Schraubenfeder 14 ist dabei in der dargestellten Ausgangsstellung vorgespannt gehalten und drängt somit die Ventilhülse 11 gegen den Ventilsitz 7. Der Ventilsitz 7 ist somit dem Ventilsitz 9 entgegengerichtet. Um die Ventilhülse 11 von dem Ventilsitz 7 zu lösen, muss sie in die entgegengesetzte Richtung verlagert werden, in die die Ventilnadel 10 zum Lösen von dem Ventilsitz 9 bewegt werden muss.
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Auf der dem Ventilsitz 7 gegenüberliegenden Seite des erweiterten Abschnitts des Arbeitsraums 8 ist ein Stoßwellengenerator 16 in dem ersten Teil des Düsenkörpers angeordnet. Der Stoßwellengenerator 16 ist somit an dem der Ventilnadel 10 gegenüberliegenden Ende des Dosierventils 2 in dem Arbeitsraum 8 vorgesehen. Der Stoßwellengenerator 16 weist eine Aktor 17 sowie einen Druckstempel 18 auf. Der Aktor 17 ist fest in dem Düsenkörper 6 gehalten, während der Druckstempel 18 axial verlagerbar angeordnet ist. Der Druckstempel 18 ist an seiner Oberseite mit einem elektrisch leitfähigen Material ausgestattet, vorteilhafterweise Kupfer, das durch eine Beschichtung vor dem Fluid geschützt wird. Mittels des Aktors lässt sich der Druckstempel 18 in Richtung der Ventilnadel 10 impulsartig verfahren. Hierzu wird beispielsweise ein Magnetimpuls genutzt. Der Druckstempel 18 weist einen T-förmigen Längsschnitt auf. Ein erster Abschnitt (horizontaler Balken der T-Form) mit größerem Durchmesser liegt dabei radial geführt in dem Düsenkörper 6 axial verlagerbar ein, während ein zweiter Abschnitt mit kleinerem Durchmesser (vertikaler Balken der T-Form) in die Stufenbohrung der Ventilhülse 11 hineinragt und in dieser axial verlagerbar ist. Dabei sind die Durchmesserverhältnisse des zweiten Abschnitts des Druckstempels 18 und des erweiterten Bereichs der Stufenbohrung der Ventilhülse 11 derart gewählt, dass der Druckstempel 18 radial dichtend in der Ventilhülse 11 axial verlagerbar ist. Die Längserstreckung des Druckstempels 18 sowie der Ventilhülse 11 sind dabei derart gewählt, dass der Druckstempel 18 zu keiner Zeit aus der Ventilhülse 11 heraus gelangen kann.
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In dem Arbeitsraum 8 ist eine weitere Schraubenfeder angeordnet, die eine Rückstellfeder 19 für den Druckstempel 18 bildet. Die Rückstellfeder 19 ist dabei zwischen dem Sicherungsring 15 und dem ersten Abschnitt des Druckstempels 18 auf Druck vorgespannt gehalten. Wird der Druckstempel 18 von dem Aktor 17 in Richtung der Ventilnadel 10 beschleunigt, sorgt anschließend die Rückstellfeder 19 dafür, dass der Druckstempel 18 wieder in seine Ausgangsposition zurückbewegt wird.
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In dem dargestellten Ausgangszustand wird durch Druckstempel 18 und Ventilhülse 11 der Arbeitsraum 8 des Düsenkörpers 6 in eine Druckkammer 20, die sich von der Ventilnadel 10 bis in die Ventilhülse 11 erstreckt, und eine Vorkammer 21, die zwischen Ventilhülse 11, Druckstempel 18 und Düsenkörper 6 gebildet wird, unterteilt. In der Vorkammer 21 sind die Schraubenfeder 14 und die Rückstellfeder 19 koaxial zur gestrichelt dargestellten Ventilachse angeordnet.
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Ferner sind der Vorkammer 21 ein Fluideinlass 22 und ein Fluidauslass 23 zugeordnet. Der Fluideinlass 22 verbindet den Ausgang der Fördereinrichtung 3 mit der Vorkammer 21, während der Fluidauslass die Rücklaufleitung 4 mit der Vorkammer 21 verbindet. Hierdurch ergibt sich ein Kreislauf, durch welchen das Reduktionsmittel bei Betrieb der Fördereinrichtung 3 ständig zirkuliert. Luft- oder Gasblasen, die in das Dosierventil 2 gelangt sind, können somit wieder entfernt werden, wodurch die Qualität der Einspritzungen stets gewährleistet werden kann.
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Um einen Einspritzvorgang durchzuführen, wird der Aktor 17 aktiviert, so dass der Druckstempel 18 in Richtung der Ventilnadel 10 in die Druckkammer 20 hinein beschleunigt wird. Das in der Druckkammer 20 befindliche Fluid wird dadurch unter einen hohen Druck gesetzt, so dass die Ventilnadel 10 sich gegen die Kraft des Federelements 11 von ihrem Ventilsitz 9 löst und das Fluid aus der Druckkammer 20 ausgedüst beziehungsweise ausgespritzt wird. Ein Nadelteller der Ventilnadel 10, der mit dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt, gibt dabei eine Ringfläche frei. Aufgrund des vorteilhaften großen Umfangs reichen wenige Mikrometer Verlagerweg aus, um die notwendige geometrische Fläche für den Einspritzvorgang freizugeben. Die Düse erzeugt dabei vorliegend einen Schirmstrahl beziehungsweise ein Hohlkegelspray, das sich durch eine gute Sprayverteilung auszeichnet.
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Während des Einspritzvorgangs verbleibt die Ventilhülse 11 in ihren Ventilsitz 7 gedrängt, so dass Druckkammer 20 und Vorkammer 21 weiter voneinander getrennt bleiben. Ist Flüssigkeit ausgedüst worden, so nimmt der Druck in der Druckkammer 20 schnell ab und die Rückstellfeder 19 drängt den Druckstempel 18 zurück in seine Ausgangsstellung, also von der Ventilnadel 10 weg, wodurch das Volumen der Druckkammer 20 vergrößert wird. Durch den wegfallenden Druck wird die Ventilnadel 10 mittels des Federelements 11 zurück in ihren Ventilsitz gedrängt, so dass das Dosierventil 2 wieder geschlossen ist. Wird nun der Druckstempel 18 mittels der Rückstellfeder 19 zurück in seine Ausgangslage gedrängt, wird ein Unterdruck in der Druckkammer 20 erzeugt, der dazu führt, dass die Ventilhülse 11 in Richtung des Aktors 17 beziehungsweise von der Ventilnadel 10 weg verlagert und aus ihrem Ventilsitz 7 gelöst wird, so dass die Vorkammer 21 und die Druckkammer 20 fluidtechnisch miteinander verbunden werden. Nun kann das von der Fördereinrichtung 3 in die Vorkammer 21 eingebrachte Fluid in die Druckkammer 20 gelangen, wobei ein Druckausgleich zwischen Vorkammer 21 und Druckkammer 20 stattfindet. Sobald der Druckausgleich vollzogen wurde, drängt die Schraubenfeder 14 die Ventilhülse 11 wieder zurück in den Ventilsitz 7, und Vorkammer 21 und Druckkammer 20 werden wieder voneinander getrennt. Nun kann ein weiterer Einspritzvorgang erfolgen.
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Die Dosierventileinrichtung 1 hat den Vorteil, dass mittels der Ventilhülse 11, die insofern als hydraulischer Koppler zwischen Druckkammer 20 und Vorkammer 21 wirkt, eine unerwünschte Nacheinspritzung sicher vermieden wird. Solange die Ventilnadel 10 nicht wieder zurück in ihren Ventilsitz 9 gelangt ist, kann die Ventilhülse 11 nicht von ihrem Ventilsitz 7 gelöst werden, so dass bevor die Ventilnadel 10 ihren Ventilsitz 9 gelangt ist, auch kein Fluid aus der Vorkammer 21 in die Druckkammer 20 gelangen und zu einem Nacheinspritzen führen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008042850 A1 [0005]