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Anordnung zur Steuerung eines Injektors
mit einer Registerdüse
sowie Injektor
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Die Erfindung geht entsprechend dem
Oberbegriff der nebengeordnete Ansprüche 1 und 10 von einer Anordnung
zur Steuerung eines Injektors eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine
beziehungsweise von einem Injektor aus, der mit einer Registerdüse ausgebildet
ist. Die Registerdüse
weist in einem Düsengehäuse eine äußere Düsennadel
mit einer zentralen Längsbohrung
(Hohlnadel) auf, in der eine innere Düsennadel axial beweglich angeordnet ist.
Die äußere Düsennadel
ist mittels einer ersten Druckstufe steuerbar. Am unteren Ende des
Düsengehäuses ist
ein erster Ventilsitz mit einer ersten Spritzlochreihe angeordnet
ist, deren Spritzlöcher von
einer Dichtfläche
der äußeren Düsennadel
geöffnet
oder verschlossen werden. Darunter befindet sich ein zweiter Ventilsitz
mit einer zweiten Spritzlochreihe, deren Spritzlöcher von der inneren Düsennadel
steuerbar sind.
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Eine ähnliche Kraftstoff-Einspritzdüse (Injektor)
für Brennkraftmaschinen
ist beispielsweise aus der
DE
4023223 A1 bekannt. Hier wird vorgeschlagen, dass die beiden
Düsennadeln
unabhängig
von einander steuerbar sind. Die beiden Spritzlochreihen werden
durch eine fest eingebaute Trennhülse von einander getrennt und
können
sich nicht gegenseitig beeinflussen. Für eine Voreinspritzung liefert
zuerst eine zweite Einspritzpumpe den notwendigen Kraftstoffdruck
für die
innere Düsennadel,
die dann die untere Spritzlochreihe öffnet. Danach liefert für eine Haupteinspritzung
eine erste Einspritzpumpe den notwendigen Kraftstoffdruck an die äußere Düsennadel,
die daraufhin die obere Spritzlochreihe freigibt. Diese Druckschrift
beschreibt im wesentlichen die Herstellung der Einspritzdüse mit zwei
getrennt steuerbaren Düsennadeln.
Die Herstellung und Bearbeitung einer solchen Kraftstoff-Einspritzdüse erscheint sehr
aufwändig,
da insbesondere die Trennhülse
eingebaut und besonders abgedichtet werden muss, damit sich die
beiden Spritzlochreihen nicht gegenseitig beeinflussen können. Erschwerend
kommt hinzu, dass zur Ansteuerung der beiden Düsennadeln zwei Druckpumpen
benötigt
werden, um die beiden Düsennadeln
unabhängig
von einander steuern zu können.
Wie der Druckschrift weiter zu entnehmen ist, werden die beiden
Düsennadeln
lediglich für
eine Vor- und eine Haupteinspritzung verwendet. Wie die verschiedenen
Betriebszustände
der Brennkraftmaschine, beispielsweise bei Teillast oder bei Volllast gesteuert
werden, ist nicht erkennbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Anordnung zur Steuerung eines Injektors mit einer Registerdüse beziehungsweise
einen entsprechenden Injektor zu schaffen, bei dem die innere Düsennadel
in Abhängigkeit
von der Position der äußeren Düsennadel
steuerbar ist. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten
Ansprüche
1 und 10 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung
zur Steuerung eines Injektors mit einer Registerdüse beziehungsweise
bei dem Injektor für
die Kraftstoffeinspritzung mit den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten
Ansprüche
1 und 10 ergibt sich gegenüber
dem bekannten Stand der Technik der Vorteil, dass die Konstruktion
des Injektors relativ einfach ist und kostengünstig ausgeführt werden
kann, da keine Trennhülse
oder dergleichen für
eine getrennte Ansteuerung der beiden Düsennadeln benötigt wird.
Vielmehr werden die beiden Düsennadeln
in gegenseitiger Abhängigkeit
so gesteuert, dass sie die Spritzlöcher unter Berücksichtigung
von momentan vorliegenden Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
freigeben. So kann beispielsweise im Teillastbetrieb nur die obere
Spritzlochreihe, die zum Beispiel kleinere Spritzlöcher aufweist,
bevorzugt geöffnet
werden, während
die untere Spritzlochreihe mit ihren größeren Spritzlöchern geschlossen
bleibt. Für den
Volllastbetrieb werden dann die Spritzlöcher der unteren Spritzlochreihe
hinzugeschaltet. Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen,
dass die Steuerung der beiden Spritz lochreihen mit einem einfachen
Steuerventil durchgeführt
werden kann. Insbesondere können
die Spritzlöcher
der unteren Spritzlochreihe nur in Abhängigkeit von der Position der äußeren Düsennadel
geöffnet
werden. Dadurch ist sichergestellt, dass beispielsweise bei geringem
Kraftstoffbedarf der einzuspritzende Kraftstoff besser und genauer
dosiert werden kann. Auf diese Weise können bei jedem Betriebszustand
optimale Abgasbedingungen, ein geringer Verbrauch und geringe Geräuschemissionen
erzielt werden und dennoch steht die maximale Motorleistung zur
Verfügung.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den
nebengeordneten Ansprüche
1 und 10 angegebenen Anordnung beziehungsweise des Injektors gegeben.
Als besonders vorteilhaft wird dabei angesehen, dass die innere
Düsennadel
nur dann von ihrem Ventilsitz abgehoben werden kann, wenn die äußere Düsennadel
bereits von ihrem Ventilsitz abgehoben hat. Das wird auf einfache
Weise dadurch erreicht, dass die äußere Düsennadel durch ihr Anheben
von ihrem Ventilsitz einen Kraftstoffkanal freigibt, durch den die
innere Ventilnadel über
eine entsprechende weitere Druckstufe in Richtung Öffnen gedrückt werden
kann. Solange der Kraftstoffkanal geschlossen ist, ist die weitere
Druckstufe wirkungslos, so dass die innere Düsenadel die Spritzlöcher der
unteren Spritzlochreihe weiterhin verschlossen hält.
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Eine konstruktiv einfache Lösung wird
auch darin gesehen, dass die weitere Druckfläche unterhalb des ersten Ventilsitzes
an der inneren Düsennadel
angeordnet ist. Dadurch wird eine einfache Steuerungsmöglichkeit
für die
innere Düsennadel
geschaffen, da der Kraftstoffzufluss zur weiteren Druckfläche nur
möglich
ist, wenn die äußere Düsennadel abgehoben
hat und dabei einen entsprechend ausgebildeten Zuflusskanal zur
weiteren Druckfläche freigibt.
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Vorteilhaft erscheint auch die Lösung, am Kopfende
der inneren Düsennadel
eine Druckfeder anzuordnen, die die innere Düsennadel im nicht angesteuerten
Zustand gegen den zweiten Ventilsitz presst und somit die zweite
Spritzlochreihe in Abhängigkeit
von dem Umgebungsdruck geschlossen hält. Dadurch ist sichergestellt,
dass aus den Spritzlöchern
der unteren, zweiten Spritzlochreihe kein Kraftstoff austreten kann,
der unter Umständen
zu einer unerwünschten
Störung
bei der Kraftstoffverbrennung führen
könnte.
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Zur Steuerung der inneren Düsennadel
erscheint besonders vorteilhaft, mit dem Steuerventil einfach den
Druck im Steuerdruckraum zu reduzieren. Der überschüssige Kraftstoff wird dann über das Steuerventil
in den Kraftstofftank zurückgeleitet. Durch
den Druckabfall in dem Steuerdruckraum reicht die Hubkraft des Kraftstoffs
an der weiteren Druckfläche
aus, um die innere Düsennadel
gegen die Federkraft der Druckfeder nach oben zu bewegen, so dass
dabei die Spritzlöcher
der zweiten Spritzlochreihe freigegeben werden.
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Vorteilhaft erscheint des weiteren,
als Steuerventil ein 2/2-Wegeventil
zu verwenden, da nur zwei Wege benötigt werden. Als besonders
vorteilhaft wird auch angesehen, dass mit nur einem 2/2 Wegeventil
alle mit diesem Ventil in Verbindung stehenden Injektoren individuell
gesteuert werden können.
Denn der Kraftstoff kann aus der ersten Auskesselung eines individuellen
Injektors erst dann austreten, wenn der entsprechende piezoelektrische
Aktor das Ventil zur ersten Auskesselung geöffnet hat.
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Besonders günstig ist eine externe Anordnung
des Steuerventils außerhalb
des Injektors. Dadurch kann ein handelsübliches Steuerventil verwendet
werden, das kostengünstig
erhältlich
ist. Auch für den
Reparaturfall erscheint diese Lösung
vorteilhaft, da bei einem Fehler des Steuerventils nicht auch der Injektor
ersetzt werden muss.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Die 1a und 1b zeigen in schematischer Darstellung
einen Anordnung zur Steuerung eines Injektors mit einer Registerdüse,
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2 zeigt
in zwei Darstellungen ausschnittweise einen oberen und einen unteren
Teil der Registerdüse,
wenn beide Düsennadeln
die beiden Spritzlochreihen geschlossen halten,
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3 zeigt
die beiden Ausschnitte von 2,
bei denen jedoch die äußere Düsennadel
von dem ersten Ventilsitz abgehoben hat und
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4 zeigt
die beiden Ausschnitte von 2,
bei denen beide Düsennadeln
von ihren Ventilsitzen abgehoben haben und alle Spritzlöcher geöffnet sind.
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In den 1a und 1b ist in schematischer Darstellung
eine erfindungsgemäße Anordnung
mit einem Injektor 21 mit einer Registerdüse 1 entnehmbar.
Aus Übersichtlichkeitsgründen ist
in 1a im wesentlichen
der Antrieb für
den Injektor 21 mit seinen Steuerelementen dargestellt,
während 1b eine Einspritzdüse 1 zeigt,
die als Registerdüse
ausgebildet ist. Die beiden Teile sind an der gestrichelten Linie
x zusammengesetzt.
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Im Folgenden wird zunächst 1a erläutert. Das Schnittbild von 1a zeigt schematisch ein
Einspritzsystem mit einem Injektor 21, einer Druckpumpe 10,
einem Steuerventil 11 und einem Tank 12, die durch
entsprechende Kraftstoffleitungen 13 miteinander verbunden
sind. Der Injektor 21 weist ein Injektorgehäuse 30 auf,
in das eine zentrale Bohrung 31 eingebracht ist. In der
zentralen Bohrung 31 ist ein erster Steuerkolben 32 angeordnet.
Oberhalb des ersten Steuerkolbens
32 befindet sich ein
erster Steuerraum 33, welcher über eine Zulaufdrossel 34 und
eine Ablaufdrossel 35 verfügt. Oberhalb der Ablaufdrossel 35 ist
eine erste Auskesselung 36 angeordnet, welche im oberen
Bereich über
einen Ventilpilz 37 verschlossen werden kann. Der Ventilpilz 37 läuft durch
eine weitere Auskesselung 40 und ist mittels eines Ventilkolbens 38 mit
einem piezoelektrischen Aktor 39 verbunden. Die weitere
Auskesselung 40 weist eine Leckagebohrung 41 auf,
die mit einer in 1a nicht
dargestellten Kraftstoffleitung mit dem Tank 12 verbunden
ist.
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Des weiteren ist an dem Injektorgehäuse 30 im
rechten Teil von 1a eine
Bohrung 42 vorgesehen, über
die mittels der Zulaufdrossel 34 der erste Steuerraum 33 und
eine unterhalb der gestrichelten Linie befindliche Hochdruckleitung 14 der
Einspritzdüse/Registerdüse 1 mit
unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgt wird.
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Der erste Steuerkolben 32 weist
eine weitere Bohrung 44 auf, die nach außen geführt ist
und über Kraftstoffleitungen 13 mit
dem Steuerventil 11 und der Druckpumpe 10 verbunden
ist. Die Kraftstoffpumpe 10 ist eingangseitig mit dem Tank 12 verbunden. Das
Steuerventil 11, beispielsweise ein 2/2-Wegeventil kann dagegen Kraftstoff von
einem Steuerdruckraum 19, der sich im oberen Teil der äußeren Düsennadel 2 befindet,
in den Tank 12 zurückfließen lassen.
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Die Steuerung der beiden Düsenadeln 2,3, die
zu 1b noch später erläutert werden,
erfolgt mit der Anordnung in 1a und
funktioniert nach folgendem Schema. Ist der Ventilpilz 37 geschlossen,
herrscht in der ersten Steuerkammer 33 oberhalb des ersten
Steuerkolbens 32 ein Hochdruck. Durch die größere Fläche des
ersten Steuerkolbens 32, der mit seinem unteren Ende die äußere Düsennadel 2 nach
unten drückt,
ist die Schließkraft
für die äußere Düsennadel 2 größer als
die Kraft, die an einer ersten Druckstufe 5, 5a (1b) auf die äußere Düsennadel 2 wirkt.
Dadurch bleiben alle Spritzlö cher
der Einspritzdüse 1 geschlossen.
Wird nun der Ventilpilz 37 mittels des piezoelektrischen
Aktors 16 betätigt
und dabei das Ventil zur ersten Auskesselung 36 geöffnet, dann
strömt
Kraftstoff über
die Ablaufdrossel 35 und die Leckagebohrung 41 in
den Kraftstofftank 12 zurück. Durch eine gezielte Drosselabstimmung
der beiden Drosseln 34 und 35 sinkt der Druck
im ersten Steuerraum 33. Die Schließkraft durch den ersten Steuerkolben 32 wird
dadurch reduziert und die äußere Düsennadel 2 öffnet ihre
Spritzlochreihe 6, wie noch zu den 2 bis 4 im
Detail erläutert
wird.
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Ist das Steuerventil 11,
welches vorzugsweise außerhalb
des Injektors 1 angeordnet ist, geöffnet, kann Kraftstoff aus
einem Steuerdruckraum 19 in den Tank 12 abfließen. In
dem Steuerdruckraum 19 der äußeren Düsennadel 2 herrscht
dann der Umgebungsdruck. Somit entsteht keine Kraft, welche die innere
Düsennadel 3 geschlossen
hält. Nach
einer kurzen Zeitspanne baut sich an der weiteren Druckstufe 15,
die durch die Öffnung
der äußeren Düsenadel 2 über einen
Spalt 18 mit Kraftstoff versorgt wurde, die innere Düsennadel 3 von
einem zweiten Ventilsitz 17 ab und öffnet ihrerseits eine zweite
Spritzlochreihe 7 (3).
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Soll die innere Düsennadel 3 geschlossen bleiben,
z.B. im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, dann wird das 2/2
Wegeventil 18 geschlossen, so dass sich in dem Steuerdruckraum 19 oberhalb
des Druckkolbens 20 ein sogenannter Steuerdruck aufbaut.
Durch diesen Steuerdruck wird die innere Düsennadel 3 geschlossen.
Die Druckpumpe 10 ist eine separate Pumpe und ist nicht
mit dem eigentlichen Hochdruckbereich des Einspritzsystems gekoppelt.
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Schließt der Ventilpilz 37 das
Ventil in der ersten Auskesselung 36 mit Hilfe des Ventilkolbens 38 und
dem piezoelektrischen Aktor 39, dann steigt der Druck im
ersten Steuerraum 33 an. Dadurch wächst die Kraft auf den ersten
Steuerkolben 32, so dass die äußere Düsenadel 2 geschlossen
wird.
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War die inneren Düsennadel 3 bei dem
Einspritzvorgang zu diesem Zeitpunkt ebenfalls geöffnet, dann
wird diese nun mittels einer Druckfeder 4 geschlossen.
Die Federkraft reicht aus, da der Druck an der weiteren Druckstufe 15 aufgrund
des Schließens
der äußeren Düsennadel 2 abfällt und
somit keine Öffnungskraft
mehr vorhanden ist.
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1b zeigt
die Registerdüse 1,
bei der in einer zentralen Längsbohrung 8 im
Düsengehäuse 9 die äußere Düsennadel 2 mit
der koaxial angeordneten inneren Düsennadel 3 erkennbar
ist. Im rechten Teil von 1b ist
die Hochdruckleitung 14 erkennbar, über die der unter Druck stehende
Kraftstoff zu den beiden Spritzlochreihen 6, 7 geführt wird.
Des weiteren ist eine erste Druckstufe 5, 5a vorgesehen, die
von der Hochdruckleitung 14 gespeist wird und eine Hubkraft
für die äußere Düsennadel 2 erzeugt. Die
erste Druckstufe 5, 5a ist an einer entsprechenden
Stelle im Düsengehäuse 9 angeordnet
und kann alternativ auch im unteren Düsenbereich liegen. Des weiteren
ist der Steuerdruckraum 19 mit dem Druckkolben 20 erkennbar,
wie zuvor beschrieben wurde. Die Ausschnitte y, z sowie die Funktion
dieser Anordnung werden nachfolgend zu den 2 bis 4 erläutert
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Die 2 bis 4 zeigen ausschnittsweise
jeweils einen oberen Teil (Ausschnitt Y) beziehungsweise einen unteren
Teil (Ausschnitt Z) der Registerdüse 1. Der obere Teil
von 2 zeigt einen Längsschnitt
am Kopfende der Registerdüse 1 mit
dem Düsengehäuse 9,
der äußeren Düsennadel 2 und
der inneren Düsennadel 3,
wie sie zuvor beschrieben wurden. Des weiteren ist am Kopfende der äußeren Düsennadel 2 der
Steuerdruckraum 19 ausgebildet, in dem der Druckkolben 20 der
inneren Düsennadel 3 eingepasst
ist. In dem Steuerdruckraum 19 ist die Druckfeder 4 angeordnet.
Sie wird vorzugsweise an einem Verlängerungszapfen der inneren
Düsennadel 3 geführt und
drückt
mit einer vorgegebenen Federkraft die inneren Düsennadel 3 gegen ihren
zweiten Ventilsitz 17, wie dem unteren Teil von
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2 entnehmbar
ist. Da die Druckpumpe 10 über die Druckleitung 13 ebenfalls
mit dem Steuerdruckraum 19 verbunden ist, drückt im Ruhezustand,
d.h. wenn keine Ansteuerung für
die innere Düsennadel 3 erfolgt,
der Kraftstoffdruck zusätzlich zur
Federkraft die inneren Düsennadel 3 gegen
den zweiten Ventilsitz 17 und hält die zweite Spritzlochreihe 7 geschlossen.
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Unterhalb des Druckkolbens 20 ist
für den Druckkolben 20 ein
Leerhub vorgesehen. Dadurch wird verhindert, dass der Druckkolben 20 die
innere Düsennadel 3 mitreißt, wenn
sich die äußere Düsennadel 2 nach
oben bewegt. Die innere Düsennadel 3 wird
somit nicht direkt durch mechanische Kopplung mit der äußeren Düsenadel 2 sondern
hydraulisch gesteuert.
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Im unteren Teil von 2 sind die beiden Spritzlochreihen 6,7 erkennbar,
die untereinander liegend angeordnet sind. Die äußere Düsennadel 2 liegt im
Ruhezustand mit einer Dichtfläche
auf dem ersten Ventilsitz 16 auf und verschließt dadurch
die weiter unten liegende erste Spritzlochreihe 6. Oberhalb
des Ventilsitzes 16 bildet sich zwischen dem Düsengehäuse 9 und
einer Außenfläche der äußeren Düsennadel 2 ein
Spalt 18 (3),
der mit der Hochdruckleitung 14 verbunden ist, wenn die äußere Düsennadel 2 abgehoben
hat. Solange die äußere Düsennadel 2 auf
dem ersten Ventilsitz 16 aufliegt, sind die Spritzlöcher der
ersten Spritzlochreihe 6 geschlossen. Durch den Kraftstoffdruck,
der in der Hochdruckleitung 14 aufgebaut wird, kann die äußere Düsennadel 2 über die
erste Druckstufe 5, 5a angehoben werden.
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Die inneren Düsennadel 3 ist nach
unten etwas verlängert
ausgebildet. Ihre Spitze weist ebenfalls eine Dichtfläche auf,
die auf einem zweiten Ventilsitz 17 aufliegt. Dadurch verschließt sie die
zweite Spritzlochreihe 7, die unterhalb der ersten Spritzlochreihe 6 angeordnet
ist. Des weiteren weist die inneren Düsennadel 3 an ihrem
unteren Ende eine weitere Druckstufe 15 auf. Diese Druckstufe 15 ist
jedoch so angeord net, dass sie unterhalb des ersten Ventilsitzes 16 liegt.
Sie bleibt wirkungslos, solange die äußere Düsennadel 2 fest auf
dem ersten Ventilsitz 16 aufliegt. Wird dagegen die äußere Düsennadel 2 von dem
ersten Ventilsitz 16 angehoben, dann bewirkt der Kraftstoffdruck
in der Hochdruckleitung 14 eine axiale Druckkraft an der
weiteren Druckstufe 15, die die innere Düsennadel 3 nach
oben anhebt.
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Solange beide Düsennadeln 2, 3 auf
ihrem Ventilsitz 16, 17 aufliegen, sind alle Spritzlöcher geschlossen.
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Die beiden Teile von 3 zeigen nun den Fall, wenn die äußere Düsennadel 2 durch
die erste Druckstufe 5a angehoben wurde. Durch das Anheben
der äußere Düsennadel 2 entsteht
zwischen dem ersten Ventilsitz 16 und dem Dichtsitz der äußeren Düsennadel 2 vorzugsweise
ein ringförmiger
Spalt 18, durch den der Kraftstoff zur ersten Spritzlochreihe 6 fließen kann.
Er wird nun über
die Spritzlöcher
in den Brennraum der Brennkraftmaschine, einem Diesel- oder Benzinmotor,
eingespritzt. Gleichzeitig baut sich an der weiteren Druckstufe 15 der
inneren Düsennadel 3 eine
Druckkraft auf, die gegen die Federkraft der Druckfeder 4 wirkt.
Sie kann jedoch die innere Düsennadel 3 nicht
nach oben anheben, so lange das Steuerventil 11 noch geschlossen
ist und der Kraftstoffdruck im Steuerdruckraum 19 die Federkraft unterstützt. Die
zweite Spritzlochreihe 7 bleibt somit weiter geschlossen.
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Im oberen Teil von 3 ist erkennbar, dass die äußere Düsennadel 2 sich
etwas nach oben bewegt hat, während
die innere Düsennadel 3 ihre
Position nicht verändert
hat.
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Die beiden Teile von 4 zeigen die Situation, bei der beide
Düsennadeln
von ihren Ventilsitzen 16, 17 abgehoben haben.
Im oberen Teil von 4 ist
erkennbar, dass sich im Vergleich zu 2 beide
Düsennadeln 2, 3 nach
oben bewegt haben. Das wurde dadurch ermöglicht, dass nun das Steuerventil 11 beispielweise über eine
nicht näher
dargestellte Steu erelektronik angesteuert wurde. Das Steuerventil 11 hat
nun die Kraftstoffleitung 13 zwischen dem Steuerdruckraum 19 und
dem Tank 12 geöffnet,
so dass der Steuerdruckraum 19 dadurch den Umgebungsdruck
annimmt. Dadurch kann der an der weiteren Druckstufe 15 wirkende
Kraftstoffdruck die innere Düsennadel 3 gegen
den wirkenden Federdruck der Druckfeder 4 anheben, so dass
zusätzlich
zur ersten Spritzlochreihe 6 auch die Spritzlöcher der
zweiten Spritzlochreihe 7 geöffnet werden.
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Im unteren Teil von 4 ist erkennbar, wie beide Düsennadeln 2, 3 von
den beiden Ventilsitzen 16, 17 abgehoben haben
und dadurch beide Spritzlochreihen 6, 7 zum Einspritzen
von Kraftstoff freigegeben sind.