DE2210213A1 - Elektromagnetisch betaetigbares kraftstoffeinspritzventil fuer brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

10.2.1972 Ks/Kb

Anlage zur

Patent- und

GebrauchsmusterhiIfsanmeldung

ROBERT BOSCH GMBH, 7 Stuttgart 1

Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, dessen in einer Bohrung des Ventilgehäuses geführte Ventilnadel mit dem Anker eines Elektromagneten verbunden ist und bei Erregung des Elekti-omagneten entgegen der Kraft einer Schließfeder und entgegen der Strömungsrichtung des unter Zulaufdruck von einer Druckquelle geförderten Kraftstoffes vom Ventilsitz abhebt und einen dem Ventilsitz benachbarten Druckraum mit mindestens einer Düsenöffnung verbindet.

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Bei derartigen Kraftstoffeinspritzventilen (DT-PS 483 101, DT-OS 1 526 635) mit nach innen öffnender Ventilnadel und von dieser gesteuertem Ventilsitz tritt bei geschlossenem Einspritzventil immer eine durch den Zulaufdruck der Druckquelle erzeugte hydraulische Kraft auf, die das Ventil geschlossen halten will und proportional dem Zulaufdruck und der dem Ventilsitzdurchmesser entsprechenden Fläche ist. Da aufgrund des beschränkten Einbauraumes am Motor die Größe des Elektromagneten und damit auch seine Kraft begrenzt ist, ist man bei diesen Ventilen gezwungen, bei hohen Einspritzdrücken den Ventilsitzdurchmesser sehr klein auszubilden, was aber den Nachteil mit sich bringt, daß die einzuspritzende Kraftstoffmenge nach dem Ventilsitz stark gedrosselt wird, wodurch bereits ein Druckverlust auftritt, bevor der Kraftstoff die Düsenöffnung erreicht. Da der Ventilsitzdurchmesser durch die geforderten Einspritzbedingungen in sehr engen Grenzen festgelegt ist, und die Magnetkraft aus den obengenannten Gründen ebenfalls, ergibt sich zwangsläufig eine starke Begrenzung der Einsatzmöglichkeit solcher Ventile. Aus diesen Gründen können die bekannten direkt wirkenden elektromagnetisch betätigbaren Kraftstoffeinspritzventile, bei denen die Ventilnadel direkt mit dem Anker des Elektromagneten gekoppelt ist, nur in einem begrenzten Druckbereich zur Kraftstoffeinspritzung bei Dieselmotoren eingesetzt werden.

Ein weiterer Nachteil dieser Ventile ist die Abhängigkeit der Offnungs- und Schließzeiten vom Zulaufdruck, denn bei gleichbleibender Schaltzeit des Magneten wird je nach der Höhe des Zulaufdruckes die Öffnungsbewegung der Ventilnadel mehr oder weniger verzögert oder ihre Schließbewegung mehr oder weniger stark beschleunigt, wodurch sich die jeweils eingespritzte Kraftstoffmenge ändert.

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Es ist außerdem bekannt, daß sich bei den eingangs beschriebenen Kraftstoffeinspritzventilen mit nach innen öffnender Ventilnadel die in Öffnungsrichtung an der Ventilnadel angreifende vom Zulaufdruck beaufschlagte Fläche vergrößert, wenn der Elektromagnet erregt ist und die Ventilnadel sich vom Ventilsitz abgehoben hat. Diese hinzukommende Fläche ist im geschlossenen Zustand des Einspritzventils vom Ventilsitz abgedeckt und vom Sitzdurchmesser und der Bauart des Ventils abhängig. Bei Ventilen mit einer sogenannten "Zapfendüse" (DT-OS 1 526 635) kömmt im wesentlichen nur eine wirksame Ringfläche hinzu, die radial nach außen vom Sitzdurchmesser und nach innen vom Zapfendurchmesser der Ventilnadel begrenzt ist. Wenn diese Ringfläche sehr schmal ist', ist die Vergrößerung der Fläche nach dem Öffnen gering und wirkt sich kaum nachteilig aus. Ist sie jedoch im Verhältnis zu der dem Ventilsitzdurchmesser entsprechenden Fläche groß, oder handelt es sich bei dem eingangs beschriebenen Ventil um ein solches mit von der Ventilnadel gesteuerten Lochdüsen (siehe z.B. DT-PS 483 101), so ist diese hinzukommende Fläche relativ groß. Dann tritt der zusätzliche Nachteil auf, dp_tß die beim Schließen des Ventils aufzuwendende Kraft größer ist als die zum Öffnen benötigte. Dieser Nachteil führt zu einem langsamen und verzögerten Schließen der Ventilnadel und begünstigt das sogenannte "Kleben" des Magnetankers, das ist der bekannte durch Restmagnetisinus hervorgerufene Halteeffekt nach dem Abschalten des Elektromagneten.

Der Erfindung lisgt die Aufgabe zugrunde, diese Machteile bei den bekannten elektromagnetisch betätigbaren Kraftstoffeinspritzventilen der eingangs genannten Bauart zu vermeiden und ein Ventil zu entwickeln, das möglichst -<reitgeliend unabhängig vom Zulauf druck ist, so daß es auch für hohe Einspritzdrücke (ca. 200 bis 8üG bar) bei Dieselmotoren singesetzt „erden kann. 3O₉₈

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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Ventilnadel mit einem Ausgleichskolben gekoppelt ist, der gleichachsig mit Ventilnadel und Anker dichtend in einer Führungsbohrung des Ventilgehäuses geführt ist, und dessen erste Stirnseite druckeritlastet und dessen zweite Stirnseite vom Zulaufdruck beaufschlagt und dessen Querschnittsfläche so groß ist, daß bei geschlossenem Einspritzventil die in Öffnungs- und Sch]ießrichtung an der Ventilnadel angreifenden hydraulischen Kräfte gleich oder mindestens annähernd gleich sind.

Durch den Ausgleichskolben läßt sich die eingangs erwähnte hydraulische Kraft, die das Ventil geschlossen halten will, vollständig aufheben und so ein statischer Kraftausgleich erzielen. Geringe Überschußkräfte können erwünscht sein, um das Offnen oder Schließen zu beschleunigen, so daß in diesen Fällen nur ein annähernder Kraftausgleich erzeugt wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist derart, daß die einzige Verbindung zwischen dem Druckraum und einem dem Anker zugewandten und von der zweiten Stirnseite des Ausgleichskolbens begrenzten Zulaufraum ein mit einer Drosselstelle versehener Zuströmkanal ist. Die in den Zuströrnkanal eingesetzte Drosselstelle bewirkt einen Druckabfall, der einer ohne diese Drossel auftretenden bei geöffnetem Ventil zusätzlich in Offnungsrichtung wirkenden hydraulischen Kraft entgegenwirkt. Ein vollständiger oder nahezu vollständiger Ausgleich dieser Zusatzkraft läßt sich dadurch erzielen, daß die Drosselstelle einen Drosselquerschnitt hat, durch den bei geöffnetem Einspritzventil der Druck im Druckraum so verringert wird, daß die im Druckraum auf die Ventilnadel in Öffnungsrichtung wirkende Kraft mindestens annähernd gleich der bei geschlossenem Einspritzventil im gleichen Raum in gleicher Richtung wirkenden Kraft ist, wodurch neben dem statischen auch noch ein dynamischer Kraftausgleich erzielt wird .3 0 9 8 3 8 / 0 0 3 7

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Dabei ist es vorteilhaft, wenn die dem Führungsdurchmesser der Ventilnadel entsprechende Querschnittsfläche mindestens 10 mal so gi^oß ist, wie der Durchströmquerschnitt des Ventilsitzes; denn dadurch beträgt der durch die Drosselstelle zu erzeugende Druckabfall höchstens ein Zehntel des Zulaufdrucks.

Damit keine Querkräfte die Wirkung des Ausgleichskolbens beeinträchtigen, ist eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung derart, daß der Ausgleichskolben in Verlängerung von Ventilnadel und Anker über ein biegeelastisches Verbindungsglied mit der Ventilnadel gekuppelt ist und der Durchmesser des Ausgleichskolbens gleich oder mindestens annähernd gleich dem Durchmesser des Ventilsitzes ist.

Die Abstimmung des Kraftstoffexnsprxtzventils wird dadurch erleichtert, daß der Zuströmkanal im wesentlichen in der Längsachse der Ventilnadel verläuft und dort in einer Erweiterung ein auswechselbares Schraubteil aufnimmt, in dem die Drosselstelle angeordnet ist, und daß die Führungsbohrung für den Ausgleichskolben in einer auswechselbaren Führungsbüchse angeordnet ist, die in einen zu einer Rücklaufleitung führenden Kanal des Ventilgehäuses fest eingesetzt ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ergibt sich dadurch, daß der Ausgleichskolben zwischen Ventilnadel und Anker angeordnet, mit dem Anker verbunden und über ein knickfestes Verbindungsglied kraftschlüssig mit der Ventilnadel gekoppelt ist, und daß die dem Durchmesser des Ausgleichskolbens entsprechende Querschnittsfläche um die den Durchmesser des Ventilsitzes entsprechende Querschnittsfläche kleiner ist als die dem Führungsdurchmesser der Ventilnadel entsprechende Querschnittsfläche, wodurch,zwischen Ausgleichskolben und Ventilnadel in vorteilhafter Weise nur Druckkräfte

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wirksam sind, was die Funktionssicherheit erhöht.

Ein statischer und dynamischer Kraftausgleich läßt sich in einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes auch dadurch erzielen, daß die Ventilnadel - in Strömungsrichtung gesehen - hinter dem Ventilsitz flüssigkeitsdicht mit einem Führungszapfen in einer Bohrung an der brennraumseitigen Stirnseite des Ventilgehäuses geführt ist,und daß als Verbindungsglied zwischen dem Anker des Elektromagneten und der Ventilnadel der Ausgleichskolben dient, dessen Durchmesser mindestens annähernd gleich dem Durch messer des Führungszapfens und dem Durchmesser des Ventilsitzes ist, wobei vorteilhaft der Führungszapfen die Form einer Lochdüsenspitze und ein Sackloch hat, das zu dem dem Ventilsitz abgewandten Ende der Ventilnadel hin verschlossen ist, zum Brennraum des Motors hin in bekannter Weise die Düsenöffnung enthält und mindestens eine Verbindungsbohrung zu einem vom Ventilsitz steuerbaren Ringkanal in der Mantelfläche des Führungszapfens hat.

Eine andere Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes ergibt sich dadurch, daß die Ventilnadel - in Strömungsrichtung gesehen - vor dem Ventilsitz einen Führungskolben und hinter dem Ventilsitz einen die Düsenöffnung durchdringenden Spritzzapfen hat, und daß als Verbindungsglied zwischen dem Anker des Elektromagneten und der Ventilnadel der Ausgleichskolben dient, dessen Durchmesser mindestens annähernd gleich dem Durchmesser des Ventilsitzes ist, wobei eine bevorzugte Ausgestaltung dieses Ventils darin besteht, daß der Spritzzapfen mit der Düsenöffnung einen engen Ringspalt bildet, der nur für eine Teilmenge der bei Vollastbetrieb einzuspritzenden Kraftstoffmenge ausgelegt ist, und daß der

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Spritzzapfen mindestens eine nach einem Vorhub steuerbare zusätzliche Spritzbohrung für die Vollasteinspritzmenge oder für eine Teillasteinspritztnenge hat, die größer als die durch den Ringspalt einspritzbare Teilmenge ist, so daß für eine einzuspritzende Teilmenge und für die Vollasteinspritzmenge die jeweils günstigsten Einspritzbedingungen vorhanden sind. Auch kann mit dieser Anordnung eine Voreinspritzmenge gesteuert werden.

Sechs Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen elektromagnetisch betätigbaren Kraftstoffeinspritzventile sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfacht gezeichneten Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel in Schließstellung des Einspritzventils,

Fig. 2 einen Schnitt wie Fig. 1, jedoch in Offenstellung des Einspritzventils,

Fig. 3 einen Schnitt durch das zweite Beispiel des Erfindungs gegenstandes,

Fig. 3a einen vergrößert dargestellten Ausschnitt aus Fig. 3 ini Bereich des Ventilsitzes,

Fig. k einen Schnitt durch den erfindungswesentlichen Teil im Bereich der Ventilnadel des dritten Ausführungsbeispiels ,

Fig. 5 einen Schnitt durch den erfindungswesentlichen Teil im Bereich der Ventilnadel und des Ausgleichskolbens des vierten Ausführungsbeispiels,

Fig. 6 einen Schnitt durch den erfindungswesentlichen Teil im Bereich der Ventilnadel und des Ausgleichskolbens des fünften Ausführungsbeispiels und

Fig. 7 einen Schnitt entsprechend Fig. 6, jedoch für das sechste Ausführungsbeispiel.

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Jn einem nur schematisch dargestellten und deshalb einteilig gezeichneten Ventilgehäuse 9 des ersten Ausführungsbeispiels, eines elektromagnetisch betätigbaren Kraftstoffeinspritzventils 10 nach den Fig. 1 und 2, ist in einer Gehäusebohrung 11 eine Ventilnadel 12 mit einem Führungsteil 13 geführt, dessen Führungsdurchmesser mit D bezeichnet ist (siehe Fig. 2). Die Ventilnadel 12 hat einen Ventilkegel l'l, der in geschlossenem Zustand (Fig. 1) des Kraftstoffeinspritzventils 10 auf einem Ventilsitz 15 aufliegt und damit den Kraftstofffluß zu Düsenöffnungen K) unterbindet. Da der mit D_. bezeichnete Durchmesser des Ventilsitzes 15, der gleich dem Durchmesser des dem Ventilsitz zugewandten Endes 17 der Ventilnadel 12 ist, kleiner ist als der Durchmesser D . des Führungsteils 13 der Ventilnadel 12, wird eine Druckschulter l8 gebildet, die im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 10 vom Zulaufdruck p„ des von einer Druckquelle I9 über eine Zulaufleitung 21 zugeführten Kraftstoffes beaufschlagt ist und eine Seite eines dem Ventilsitz I5 benachbarten Druckraums 22 begrenzt.

Die Druckquelle I.9 sowie die zugehörigen Bauteile sind allgemein bekannt und deshalb vereinfacht dargestellt. Diese DruckquelIe I9 kann beispielsweise eine vom Motor angetriebene Zahnradpumpe oder Kolbenpumpe sein, deren Förderdruck durch ein Druckregelventil 23 auf dem gewünschten Zulaufdruck, z.B. ρ = 200 bar oder 4ü0bar, gehalten wird. Um Druckschwankung«"**·) auszugleichen, kann das Druckregelventil 23 mit einem Druckspeicher kombiniert sein, dessen Aufbau ebtnsu wie tier des Druckregelventils 23 bekannt ist und deshalb nicht näher dargestellt ist.

Der über die Zulaufleitung 21 zuströmende Kraftstoff umfließt einen Elektromagnet en 2p, dessen Wicklung 26 dabei, gekühlt

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wird, und gelangt über einen Kanal 27 in einen Zulaufraurn 28. Dieser Zulaufraum 28 ist mit dem Druckraum 22 durch einen Zuströmkanal 29 verbunden, der im wesentlichen in der Längsachse der Ventilnadel 12 verläuft und dort eine Drosselstelle Jl mit einem Drosselquerschnitt F_n hat, die in den Fig. 1 und 2 als Drosselbohrung in der Wand der Ventilnadel 12 dargestellt ist.

Der im Zulaufraum 28 anstehende Zulaufdruck p„ bea\ifschlagt einerseits eine Stirnseite 32 der Ventilnadel 12 und andererseits einen Anker 331 der mindestens, wie gezeichnet, an zwei Seiten gleichzeitig vom Kraftstoff umgeben ist, so daß keine :ί η Öffnungsrichtung des Ventils am Anker 33 angreifende überschüssige hydraulische Kraft wirksam ist. Der Anker 33 ist mit engem Spiel im Elektromagneten 25 geführt, um die Spaltverluste so gering wie möglich zu halten.

Anker 33 und Ventilnadel 12 sind durch ein Verbindungsglied 3^ll gelenkig miteinander gekuppelt, so daß fertigungsbedingte Achsversetzungen von Anker 33 und Ventilnadel 12 ausgeglichen sind. Eine Schließfeder 35 drückt die Ventilnadel 12 mit ihrem Ventilkegel l'l auf den Ventilsitz 15 und hält das Einspritzventil 10 in der in Fig. 1 gezeichneten Schließstellung.

An den Zulaufraum 28 schließt sich parallel zur Zulaufleitung 21 ein Kanal 36 an, an den eine Rücklaufleitung 37 angeschlossen ist, die drucklos bzw. druckentlastet ist und zu einem Tank 38 führt, aus dem die Druckquelle 19 über eine Saugleitung 39 den Kraftstoff ansaugt. Zwischen dem Kanal 36 und der Rücklaufleitung 37 ist ein Ausgleichskolben kl in eine Führungsbohrung ^!ί2 eingesetzt und dichtet den mit dem Zulaufraum 28 verbundenen Kanal 36 gegenüber der Rücklaufleitung 37 ab.

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Der Ausgleichskolben 'ti, dessen Durchmesser mit D_r. bezeichnet

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und mindestens annähernd gleich dem Durchmesser D_C1 des Ventilsitzes 15 ist, hat eine erste Stirnseite k¹), die, wie bereits beschrieben, druckentlastet ist; d.h. sie ist abgesehen von geringen evtl. in der Leitung befindlichen Leckkraftstoffmengen dem Atmosphärendruck ausgesetzt. Eine zweite Stirnseite hk des Ausgleichskolbens ist vorn Zulaufdruck p„ der Druckquelle 19 beaufschlagt und an dieser Seite ist der Ausgleichskolben kl über ein vorzugsweise aus Federstahldraht bestehendes, biegeelastisches Verbindungsglied 45 mit dem Anker 33 bzw. mit dem Verbindungsglied ")k und damit mit der Ventil nadel 12 gekoppelt.

Fig. 2 zeigt das Einspritzventil 10 nach Fig. 1 in seiner Offenstellung. Bei stromdurchflossenetn Elektromagneten 25 ist der Anker 33 angezogen und hat über das Verbindungsglied 3'i die Ventilnadel 12 entgegen der Kraft der Schließfeder 35 in ihre den Ventilsitz I5 offenhaltende Stellung gebracht, so daß Kraftstoff von der Zulaufleitung 21 über den Kanal 27, den Zulaufraum 28, den Zuströmkanal 29 mit der Drosselstelle Jl, den Druckraum 22 und den offenen Ventilsitz 15 zu den Düsenöffnungen l6 fließen kann, um von dort in bekannter und nicht näher dargestellter Weise in den Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt zu werden.

Das in Fig. 3 dargestellte und für den Anbau an einen Dieselmotor konstruierte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils 50 hat in einem ersten Gehäuseteil 51 einen in einer abgestuften Bohrung 52 eingesetzten Düsenkörper 53 und ein Federgehäuse 5^. In Achsrichtung des ersten Gehäuseteils 5I schließen sich ein Elektromagnet 55 und ein zweites Gehäuseteil 56 an, die unter der Spannkraft einer Spannmutter 57 unter Zwischenschaltung von bekannten nicht näher bezeichneten Dichtringen und Dichtflächen zu einem druckdichten Verband zusammengeschraubt sind. - 11 -

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Auf das zweite Gehäuseteil 56 sind ein Anschlußteil 58 für die Stromzufuhr zum Elektromagneten 55 und ein ringförmiges Rohranschlußteil 59 mit einem Aiischlußstutzen 6l für eine Kraftstoffzulaufleitung 21' gegen Verdrehen gesichert aufgesetzt und mit einer Ringmut-ter 63 feetgespannt. Die Anschlußteile 59₅6l und die Ringmutter 63 zentrieren sich auf einem rohrförmigen Stutzen G¹I des Gehäuseteils 56, der in Form einer zenfcralon Längsbohrung einen Kanal 65 hat, der druckentlastet und über eine Rücklaufleitung 37' mit dem Tank der nicht näher dargestellten Druckquelle verbunden ist. Diese Rücklaufleitung 37' und die Kraftstoffzulaufleitung 21 sind in gleicher Weise wie die entsprechenden Leitungen 37 und Jl in Fig. 1 mit einer Druckquelle, die der in Fig, I gezeichneten entspricht, verbunden.

In einer Bohrung 66 des Düsenkörpers 53 ist eine Ventilnadel 67 mit einem Führung .«teil 68 f lü." -igkeit sdicht eingesetzt und geführt.-Der zugehörige Führungsdurchmesser ist mit D bezeichnet. Eiriom in Strömungsrichtung des Kraftstoffes vor einer Düsenöffnung 69 angeordneten Ventilsitz Ji im Düsenkörper 53 ist ein Druckraum 72 benachbart, und der Ventilsitz 71» dessen Durchmesser mit D„_Q bezeichnet ist (s. Fig. 3a), ist durch einen Ventilkegel 73 der Ventilnadel 67 verschlossen. An den Ventilkegel 73 schließt sich ein in die Düsenöffnung 69 eintauchender Drcsselsapfen 7^ an. Eine in solcher Art gesteuerte Düsenöffmmg ist allgemein von den sogenannten "Zapfendüse*?." her bekannt und die konstruktive Ausbildung dieser Partie ist aus der in vergrößertem Maßstab gezeichneten Fig. 3« deutlich zv. ersehen, Die Neigung der den Ventilsitz 71 im Besenkörper fcililiiiisn !kegeligen Bohrung ist in bekannter Weise steil-:. _;!# -äis Neigung des Ventilkegels 73 der Düsennadel 67 avi:;vi-i;:rt_: um aiaen gesau definierten Ventilsitz mit der:; D\irüli::s3■:. s^r Γ^^ su erhaltene

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Die Kraftstoffzufuhr zu dem dem Ventilsitz 71 benachbarten Druckraum 72 erfolgt von der Kraftstoffzuleitung 21' her über den Anschlußstutzen 6l, über je eine Bohrung 75 und im Anschlußteil 58 bzw. im zweiten Gehäuseteil 56, durch den Elektromagneten 55 1 einen Federraum 77 des Federgehäuses 5'i und die Ventilnadel 67 hindurch. Die Ventilnadel 67 hat einen Zuströmkanal 78 in Form einer Längsbohrung, die durch > zwei schräge Querbohrungen 79 mit dem Druckraum verbunden ist und in oiner Erweiterung 80 ein auswechselbares Schraubteil 8l aufnimmt, in dem eine Drosselstelle 82 angeordnet ist, die einen mit F bezeichneten Drosselquerschnitt hat.

Ein mit 83 bezeichneter Anker des Elektromagneten 55 ist innerhalb des Magneten mit engem Spiel geführt und über eine Kupplungsscheibe Hk mit radialem Spiel mit einer Zugstange gekoppelt, die den Anker 83 unter Zwischenschaltung eines Gelenks 86 mit der Wntilnadel 67 verbindet. Diese Art der Verbindung der Vuiit ilnadel mit dem Anker 83 erlaubt die vorbeschriebene enge Führung des Ankers 83 im Magneten 55» wodurch eine gi-oßtinögi ichc Magnetkraft auf engstem Raum erzielbar ist, ohne daß Führungs- oder Reibungskräfte die Funktion des Ventils beeinträchtigen.

Das Gelenk 86 besteht aus einem auf die Zugstange 85 aufgeschraubten Stangenkopf i\?, der eine beidseitig tief angesenkte Querbohninsr 88 hat, und aus einem Stift 89, der durch eine Quorbohrung ')1 ir. der Venti 1 nadel 67 und die Querbohrung 88 hindurchgesteckt ist. Da der Stangenkopf 87 gegenüber der Erweiterung 8ü eier Ventilnadel 67 radiales Spiel hat und die Querbohrung 88 im Stangenkopf 87 etwa auf die Hälfte ihrer gesamten Länge angesenkt ist, ergibt sich zwischen der Zugstange 85 und der Vent ilnadel 67 eine gelenkige Verbindung. Abweichungen der Längsachsen von Ventilnadel

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und Anker 83 können deshalb keinen nachteiligen Einfluß auf die Funktion des Einspritzventils ausüben. In Verlängerung von Ventilnadel 67 und Anker 83 ist mit der Zugstange 85 über ein biegeelastisches, aber trotzdem längssteifes Verbindungsglied 92 ein Ausgleichskolben 93 gekoppelt, der in einer Führungsbohrung 9'i einer Führungsbüchse 95 gleitbar eingepaßt ist. Die Führungsbüchse 95 ist ihrerseits in das zweite Gehäuseteil 5° auswechselbar eingesetzt und wird dort von einem Schraubteil 96 gehalten. Das biegeelastische Verbindungsglied 92 besteht in vorteilhafter Weise aus Federstahldraht, um durch Lageabweichungen auftretende Querkräfte zu vermeiden. Die auswechselbare Führungsbüchse 95 und das auswechselbare Schraubteil 8l erleichtern die Anpassung des Einspritzventils an die verschiedenen Motorbedingungen, aufgrund deren die Ventilsitzdurchmesser und Ventilnadelformen in bekannter V/eise individuell angepaßt werden müssen.

In gleicher Weise wie bei dem Ausgleichskolben kl in Fig. ist der mit D„._o bezeichnete Durchmesser des Ausgleichskolbens 93 gleich oder mindestens annähernd gleich dem Durchmesser D„ des Ventilsitzes 7^i um die im geschlossenen Zustand des Einspritzventils 50 die Vcmtilnadel 67 belastenden hydraulischen Kräfte auszugleichen oder mindestens annähernd auszugleichen. Der Ausgleichskolben 93 hat, wie der Ausgleichskolben 4l in Fig. 1, eine erste Stirnseite 97 und eine zweite vom Zulaufdruck p„ dei~ Druckquelle belastete

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Stirnseite 98· Diese zweite Stirnseite 98 hat über einen Kanal 99 im zweiten Gehäuseteil 56 und einen Irmenraum 101 des Elektromagneten 55 Verbindung mit dem Federraum 771 der,wie bereits beschrieben, mit der Kraftstoffzulaufleitung 21' verbunden ist. Der Ausgleichskolben 93 hat in seinen Umfang eingestochene Nuten 93a, die eine Labyrinthdichtung bilden, damit der Anteil des als Leckkraftstoff

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durch die Rücklaufleitung 37' in den Tank zurückfließenden Kraftstoffes gering gehalten wird. Zwischen der Dohrung 75 im zweiten Gehäuseteil 56 und dem Federraum 76 wird der zufließende Kraftstoff um die mit 102 bezeichnete Wicklung des Elektromagneten 55 herumgeführt, wobei ein die Wicklung 102 umgebender Raum I03 durch einen Kanal 104 mit der Bohrung 75 und über einen Kanal 105 mit dem Innenraum 101 des Elektromagneten bzw. mit dem Federraum 76 verbunden ist. Der den Raum IO3 durchströmende Kraftstoff kühlt dabei die Wicklung 102 des Elektromagneten 55·

Der Federraum 771 der Innenraum 101 des Elektromagneten 55 und der Kanal 99 im zweiten Gehäuseteil 56 bilden zusammen einen Zulaufraum IO6, von dem aus sowohl die zweite Stirnseite 98 des AusgMchskolbens 93 als auch eine dem Federraum 76 zugekehrte, abgestufte Stirnfläche 107 der Ventilnadcl 67 mit dem Zulaufdruck p„ der Druckquelle belastbar sind. Bei geschlossenem Ventil herrscht dieser Zulaufdruck p„ selbstverständlich auch in dem Zuströmkanal 78 der Ventilnadfil 67 und im Druckraum 72, da die Drosselstelle 82 nicht wirksam ist, wenn kein Kraftstoff fließt.

Eine Schließfeder 10Ö, die sich einerseits an einer Stufe IO9 im Federraum 76 und andererseits auf einem Absatz 111 der Ventilnadcl 67 abstützt, hält die Ventilnadel 67 in der gezeichneten Schließstellung. Da der· Ausgleichskolben 93» wie später noch ausführlicher dargestellt wird, dafür sorgt, daß in geschlossenem Zustand des Einspritzventils 50 die vom Zulaufdruck ρ herrührenden auf die Ventilnadel 67 einwirkenden Kräfte ausgeglichen sind, ist die Kraft der Schließfeder I08 in vorteilhafter Weise derart auf die Kraft des Elektromagneten 55 abgestimmt, daß eine gewünschte Schließ- und Öffnungsgeschwindigkeit der Ventilnadel 67 erzielt wird. Beim Einspritzventil 50 wird außerdem durch

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die Schließfeder 108 die in Öffnungsrichtung wirkende Kraft einer ,sehr schwachen lediglich den Anker 8j in seiner Einbaulage haltenden und gegen die Kupplungsscheibe 84 andrückenden Feder 112 überwunden.

Das dritte Ausführungsbei ^piel eines mit. 120 bezeichneten Kraftstoffeinspritzventil». das in Fi&, k nur teilweise in seinem unteren dem Brennraum zugewandten Düsenteil dargestellt ist, unterscheidet sich vohi zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 im wesentlichen darin, daß es als sogenannte "Lochdüse¹¹ ausgebildet ist. Eine Ventil nadel 6 7' hat einen Führungsteil 68' und daran anschließend einen mit einem Ventilkegel 73' versehenen schlanken Nadeltoil 121. Der Ventilkegel 73' verschließt in der gezeichneten Stellung einen Ventilsitz 71' in einem Düsenkörper 53'j der in an sich bekannter Weise durch eine Spannmutter 122 mit einem Gehäuseteil 123 des Einspritzventils 120 druckdicht vorspannt ist. Der Düsenkörper 53' hat - in Strömungsrichtung gesehe:) - unterhalb des Ventilsitzes 71' ein Sackloch 12*1, das mit dem nicht näh ei* dargestellten Brennraum des Motors durch in die Wand des Düsenkörpert; 53' eingearbeitete Bus enof f nungen 125 verbunden ist. Ein dem Zuströinkanal ?8 in Tig. 3 entsprechender Zuströmkanal 78' mit Querbohrunger 79' verbindet einen Federraum 77' und. einen dem Ventilsitz 7-' benachbarten Druckraum 72' . Der Zuströinkanal 7'3' ist lediglich im Fülirungsteil 68' der Ventilnadel 67' untergebr^sht, um den Nadelteil 121 nicht zu schwächen. In den Zu^tröniiiiir.al 78' ist ein mit einer Drosselstelle 82' versehenes Schraubteil 81' eingeschraubt. In dem Federraum 77' ist wie beim Einspritzventil 50 in Fig. 3 eine Schließfeder 108^! «nter^tbrPiliw ynd eine Zugstange 85 · verbindet die V entilr.acel f"^! snit einem nicht näher dargestellten Anker eines Elel.tr rmagneten und einem Ausgleichskolben. Die nicht dargestei?'an Teile entsprechen im wesentlichen denen des zweiten Ausfiü?_ 'aiigsbeispiels nach Fig. 3.

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Das in Fig. 5 in seinem unteren, erfindungswesentlichen Teil dargestellte vierte Ausführungsbeispiel des Kraftstoffeinspritzventils I30 hat eine mit einem Führungsteil I3I in einem Düsenkörper I32 geführte Ventilnadel 132, die ähnlich wie die Ventilnadel 67' in Fig. k einen schlanken Nadelteil 133 besitzt. Dieser Nadelteil 133 verschließt in der gezeichneten Stellung mit einem Ventilkegel 13^ einen Ventilsitz 135i dessen Sitzdurchmesser mit D_ bezeichnet ist. Dieser Ventilsitz 135 steuert den Durchtritt des Kraftstoffes von einem diesem Ventilsitz 135 benachbarten Druckraum I36 zu Düsenöffnungen 137· Dieser untere Teil des Kraftstoffeinspritzventils I30 ist in gleicher Weise wie der entsprechende Teil der Einspritzventile 10 und 120 nach den Fig. 1,2 und k als sogenannte "Lochdüse" ausgebildet.

Der wesentliche Unterschied des Einspritzventils I3O nach Fig. 5 gegenüber den vorbeschriebenen Einspritzventilen nach den Fig. 1 bis h besteht darin, daß ein Ausgleichskolben I38 zwischen der Ventilnadel 132 und dem nicht näher dargestellen Anker eines in bekannter Weise ausgebildeten Elektromagneten angeordnet ist. Der Durchmesser dieses Ausgleichskolbens I38 ist mit D bezeichnet, und der

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Ausgleichskolben I38 hat eine erste der Ventilnadel 67' zugewandte Stirnseite ΐΊΐ, die eine Seite eines Raumes l'l2 abschließt, der druckentlastet ist und über einen Kanal I'l3 mit einer nicht näher dargestellten zum Tank führenden Rücklaufleitung verbunden ist. Der Raum 1^2 und der Kanal 143 entsprechen dem druckentlasteten Kanal 65 in Fig. 3· Eine zweite Stirnseite Akk des Ausgle:i chskolbens I38 ist wie ein mit 1^5 bezeichneter Zuströmkanal mit der Druckquelle (nicht dargestellt)des Einspritzventils I30 verbunden, so daß beide unter dem Zulaufdruck p„ des von einer nur zu

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Fig. 1 andeutungsweise dargestellten Druckquelle I9 geförderten Kraftstoffes stehen. Der Zuströmkanal 1^5 ist parallel zu einer den Ausgleichskolben I38 aufnehmenden

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Führungsbohrung 146 und parallel zu dem Raum 1**2 in ein Gehäuseteil 147 eines Pumpengehäuses 1Ί8 eingearbeitet und hat in seinem Verlauf eine in einer Zwischenplatte 149 untergebrachte und als Drosselbohrung ausgebildete Drosselstelle 151. Sein - in Strömungsrichtung gesehen - hinter der Drosselstelle 151 liegender Teil ist mit l45a bezeichnet und mündet in den Druckraum I36. Dort beaufschlagt der Kraftstoff eine Druckschulter I52 an der Ventilnadel 132, die im geschlossenen Zustand des Ventils nach außen von einem mit D^₀ bezeichneten Durchmesser des Führungsteils I3I der Ventilnadel 132 und nach innen von der dein Durchmesser D entsprechenden Quer-Schnittsfläche F„„ des Ventilsitzes 135 begrenzt ist und

is-J

somit in senkrechter Projektion eine Ringfläche darstellt.

Der Zuströmkanal 145 ist an seinem dem Druckraum I36 abgewandten Ende durch einen schrägen Teil 145b mit einem Zulaufraum I53 verbunden. Dieser Zulaufraum 153 wird in.seinem in Fig. 5 dargestellten Teil zur Ventilnadel 132 hin von der zweiten Stirnseite 144 des Ausgleichskolbens I38 begrenzt und wird von einem Teil der Führungsbohrung 146 und dem nicht dargestellten Innenraum des Elektromagneten gebildet. Er steht unter dem Zulaufdruck p„ der Druckquelle.

Der Ausgleichskolben I38 ist über eine Zugstange 154 in nicht näher dargestellter Weise mit dem Anker des Elektromagneten verbunden und über ein knickfestes Verbindungsglied I55 kraftschlüssig mit der Ventilnadel 132 gekoppelt. Die dem Durchmesser D des Ausgleichskolbens I38 entsprechende Querschnittsfläche F„_o ist um die dem Durchmesser D des Ventilsitzes 135 entsprechende Querschnittsfläche F_c kleiner als die dem F'uhrungs durchmess er D„„ der Ventilnadel I32 entsprechende Querschnittsfläche F , so daß die hydraulischen in Schließstellung auf die Ventilnadel einwirkenden Kräfte sowohl in Öffnungs- wie auch in Schließrichtung gleich sind.

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Das knickfeste Verbindungsglied I55 hat etwa in seiner Mitte einen als Widerlager für eine Schließfeder I56 dienenden Bund 157» der eine kugelig geformte Auflage I58 für einen das eine Ende der Schließfeder I56 aufnehmenden Federteller I59 hat. Der Federteller 159 ist entsprechend der kugeligen Auflage I58 geformt und erlaubt so eine Anpassung der Lage des Federtellers 159 an eine evtl. auftretende Schräglage der Schließfeder I56. Beide Enden des Verbindungsgliedes bestehen aus je einem Kugelkopf lot und 162, und jeder dieser Kugelköpfe I6l,l62 ist in einer entsprechend kugelig geformten Ausnehmung I63 und lGk des Ausgleichskolbens I38 bzw. der Ventilnadel 132 gelagert. Um Kipp- und Seitenkräfte möglichst weitgehend auszuschalten, sind die Mittelpunkte der Kugelköpfe 16I und I62 und der entsprechenden Ausnehmungen I63 und l6'i so angeordnet, daß sie mindestens annähernd in der Mitte der axialen Erstreckungen der jeweiligen Führungen von Ausgleichskolben I38 und Ventilnadel 132 liegen.

Ein in Fig. 6 als fünftes Ausführungsbeispiel dargestelltes Kraftstoffeinspritzventil I70 hat eine mit einem Führungszapfen 171 in einer Bohrung 172 eines Gehäuseteiles 173 geführte Ventilnadel 17^· Die Bohrung I72 durchdringt das Gehäuseteil 173 im Bereich seiner brennraumseitigen Stirnseite 175 und der Führungszapfen I7I ist in diese Bohrung 172 flüssigkeitsdicht eingepaßt. An das Gehäuseteil I73 schließt sich in Achsrichtung ein Führungsteil I76 und ein Gehäuseteil 177 an, das einen Elektromagneten I7Ö aufnimmt, der im wesentlichen aus einem Anker 179 und einer Wicklung I8I besteht. Das Gehäuseteil 173 und das Führungsteil 176 sind mittels einer Spannmutter l82 gegeneinander und mit dem Gehäuseteil 177 zu einem druckdichten Verband bzw. zu einem Ventilgehäuse I83 zusammengeschraubt.

Das Gehäuseteil 177 und die Spannmutter l82 sind nur teilweise dargestellt upd an dem nicht dargestellten

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Teil des Ventilgehäuses I83 sind in bekannter Weise die Anschlüsse für die Kraftstoffzulaufleitung und Kraftstoffrücklaufleitung angebracht.

Als Verbindungsglied zwischen dem Anker 179 und der Ventilnadel 17^ dient ein Ausgleichskolben I8*i, dessen Durchmesser mit D,,· bezeichnet ist und der mit dem Anker 179 fest verbunden und mit der Ventilnadel IJ^ über einen Querstift I85 gekuppelt ist. Der Ausgleichskolben 184 ist flüssigkeitsdicht in eine Führungsbohrung I86 des Führungsteils I76 eingeläppt und dichtet somit einen zwischen der Bohrung 172 und der Führungsbohrung I86 liegenden vom Zulaufdruck p„ beaufschlagten Druckraum I87 gegenüber einem druckentlasteten den Anker 179 des Elektromagneten umgebenden Innenraum I88 des Elektromagneten I7Ö ab. An diesen Innenraum I88 ist in nicht näher dargestellter Weise eine den Leckkraftstoff zu einem Tank zurückführende Rücklaufleitung angeschlossen, und der Druckrauin I87 ist über Kanäle I89 im Gehäuseteil 177 und Kanäle I9I und I92 im Führungsteil I76 mit der hier nicht näher dargestellten Druckquelle verbunden.

Der Führungszapfen 17I₁ dessen Durchmesser mit D„^ bezeichnet ist, hat die Form einer Lochdüsenspitze mit einem Sackloch 19^ und Düsenöffnungen 195. Das Sackloch Iy¹I ist zum Ventilnadelinnern hin mit einem Stopfen I96 verschlossen und hat Verbindungsbohrungen 197 zu einem Ringkanal I98 am Umfang des Führungszapfens I7I· An den Ringkanal I98 schließt sich ein Ventilkegel I99 an, der mit dem zum Druckraum I87 hin weisenden Ende der Bohrung 172 einen Ventilsitz 201 bildet. Ist dieser Ventilsitz scharfkantig ausgebildet, so ist der mit D„, bezeichnete Ventilsitzdurchmesser gleich dem Führungsdurchmesser Dp^. Da der Ventilsitz 201 in der Praxis immer eine radiale Erstreckung aufweist, die allerdings

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nur ein bis zwei Zehntel Millimeter zu betragen braucht, kann gesagt werden, daß der Ventilsitzdurchmesser D , mindestens annähernd gleich dem Durchmesser D , des Führungszapfens 171 ist. Der Durchmesser D , des Ausgleichskolbens ist mindestens annähernd gleich dem Durchmesser D , des Ventilsitzes, und da der Innenraum 188 des Elektromagneten I78 drucklos ist, ist bei dieser Bauart des elektromagnetisch betätigbaren Kraftstoffeinspritzventils I70 ein mindestens nahezu vollständiger Kraftausgleich sowohl bei geschlossenem als auch bei offenem Ventilsitz 201 erreicht.

Das sechste Ausfiihrungsbeispiel, ein Kraftstoffeinspritzventil 210 nach Fig. 7 unterscheidet sich von dem fünften Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 nur durch eine andere Ausbildung der Ventilnadel und des Gehäuses im Bereich des Ventilsitzes.

Das Einspritzventil 210 hat eine Ventilnadel 17^'i die mit einem Führungskolben 211 in einer Bohrung 212 in einem Gehäuseteil 173' geführt ist. Unterhalb dem Führungskolben 211 hat die Ventilnadel I7V einen kurzen Nadelteil 213 mit einem Ventilkegel 199'1 der im gezeichneten Zustand einen Ventilsitz 201' verschließt. An den Ventilkegel 199' schließt sich in Achsrichtung der Ventilnadel I7V ein Spritzzapfen 21*t an, der eine Düsenöffnung 215 durchdringt und mit der Düsenöffnung 215 einen Riiigspalt bildet, der nur für eine Teilmenge C) der bei Vollastbetrieb einzuspritzenden Kraftstoffmenge Q_v ausgelebt i-t. EJer Spritzzapfen 214 hat in seinem Zentrum eine zusätzliche Spritzbohrung 216, die zum Brennraum des Motors hin offen ist und über eine Querbohrung 2"! 7 derart mit den: Ringspalt verbunden ist, daß nach einem Vorhub Hy der Ventilnadel 17^' die gesamte Vollasteinspritzmenge Q_v oder eine Teillasteinspritzmenge Q_Y eingespritzt werden kann, die größer ist als die durch den Ringspalt einspritzbare Teilmenge Q„.

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Da der Ventilsitz 201· durch die Kante zwischen der Düsenöffnung 215 und einer kegeligen Sitzfläche 218 im Gehäuseteil 173' gebildet ist, ist der Ventilsitzdurchmesser D.

S5 ₅ be-

zeichneten Durchmesser des Ausgleichskolbens 184¹.

gleich oder mindestens annähernd gleich dem mit O_vr. be-

K5

Alle übrigen Teile dieses Kraftstoffeinspritzventils 210, z.B. der Anker 179 des Elektromagneten I78, sind gleich den Teilen des Kraftstoffeinspritzventils I70 nach Fig. 6 und deshalb in Fig, 7 weder bezeichnet noch zu dieser Figur beschrieben.

Im folgenden wird nun die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils anhand der Zeichnung beschrieben.

Beim Einspritzventil 10 des ersten Ausführungsbeispiels nach den Fig. 1 und 2 hält die Schließfeder 35 in stromlosem Zustand des Elektromagneten 25 die Ventilnadel 12 in ihrer gezeichneten Schließstellung. Dabei dichtet der Ventilkegel 14 den Ventilsitz I5 ab und verhindert den Durchtritt des im Druckraum 22 unter Zulaufdruck p„ stehenden Kraftstoffes zu den Düsenöffnungen l6. Der Zulaufdruck p„ herrscht im geschlossenen Zustand des Ventils auch im Zulaufraum 28. Auf die Ventilnadel 12 wirken dabei folgende Kräfte: Kraft in Schließrichtung Pa = P„ + p„ . F„., wobei P„ die Kraft der Schließfeder und F_pl die vom Kraftstoffzulaufdruck beaufschlagte dem Durchmesser D des Führungsteils 13 der Ventilnadel 12 entsprechende Querschnittsfläche ist. Zur gleichen Zeit wirkt aber in Offnungsrichtung der Ventilnadel 12 die Kraft Pb = p„ . (F₁,. - F_. + F^.) der Kraft Pa entgegen, so daß die wirksame Schließkraft P. = Pa - Pb = P + ρ . (F - F) ist, wobei F die dem Sitzdurchmesser

Γ ύ ' Ol Λ 1 Ol

D_Ci des Ventilsitzes I5 entsprechende Querschnittsfläche und F^₁ die dem Durchmesser D des Au
sprechende Querschnittsfläche ist.

die dem Durchmesser D des Ausgleichskolbens 41 ent

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Wenn nun, wie eingangs zum ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt, der Durchmesser D„. des Ausgleichskolbens kl gleich dem Durchmesser D₁ des Ventilsitzes I5 ist, heben sich die hydraulischen vom Kraftstoffzulaufdruck p„ herrührenden Kräfte auf und die Schließfeder 35 hält mit ihrer Federkraft Pp, alleine die Ventilnadel 12 in der gezeichneten Schließstellung.

Durch den gleichen Durchmesser von Ausgleichskolben kl und Ventilsitz I5 ist ein vollständiger hydraulischer Kraftausgleich bei geschlossenem Einspritzventil erzielt worden.

Es kann aber auch erwünscht sein, daß z.B. eine geringe Überschußkraft in Schließrichtung die Schließbewegung der Ventilnadel 12 unterstützen soll, um die ansonsten allein von der Federkraft P„ der Schließfeder 35 bestimmte Schließgeschwindigkeit zu erhöhen. In diesem Fall sind die in Öffnungs- und Schließrichtung an der Ventilnadel 12 angreifenden hydraulischen Kräfte nur annähernd gleich; d.h. der Durchmesser D^. des Ausgleichskolbens/und damit seine Querschnittsfläche F . sind geringfügig kleiner als der Durchmesser D_C1 des Ventilsitzes I5 bzw. dessen Querschnittsfläche F

Der Elektromagnet 25 hat im Moment des Einschaltens P. zu überwinden; d.h. die Einzugskraft P.. des Elektromagneten 21 muß in dem Fall, in dem F₅ = F ist, lediglich größer sein als P„. Hieraus ist zu ersehen, daß der Zulaufdruck p_

Γ Li

bei vollständigem Kraftausgleich durch den Ausgleichskolben kl keinen Einfluß auf die zum Öffnen des Ventils benötigte Einzugskraft P_M des Elektromagneten 25 hat.

Das zuvor beschriebene Kräftegleichgewicht wird aber bei Ventilen, wie sie zu den Fig. 1 und 2 (und auch k) beschrieben sind, sofort gestört, wenn die Ventilnadel 12 von

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O η C η

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ihrem Ventilsitz I5 abgehoben hat, denn dann tritt als zusätzliche vom Kraftstoffdruck beaufschlagte Fläche die vorher durch den Ventilsitz abgedeckte Ventilsitzfläche F₅₁ hinzu und übt eine zusätzliche Kraft in Öffnungsrichtung auf die Ventilnadel. 12 aus. Je nach der Größe der hinzukommenden dem Ventilsitz I5 entsprechenden Fläche F an der Ventilnadel 12 und je nach der Schließkraft der Schließfeder 35 und des Zulaufdrucks p„ führt der beschriebene Umstand dazu, daß die Ventilnadel 12 in ihrer Offenstellung hängen bleibt, oder daß zumindest die Schließbewegung der Ventilnadel 12 verzögert wird. Dieses langsame Schließen wird auch noch durch das sogenannte "Kleben" des Ankers 33 im Elektromagneten 25 begünstigt, was seine Ursache in Restmagnetismus des Elektromagneten hat.

Bei dem erfindungsgemaßen Einspritzventil 10 nach denFig. und 2 bewirkt nun d ie in den Zuströmkanal 29 eingesetzte Drosselsteile 31 einen derartigen Druckabfall ^p zwischen dem Zulaufraum 28 und dem Druckraurn 22, daß auch im in Fig. dargestellten, geöffneten Zustand des Ventilsitzes I5 die hydraulischen auf die Ventilnadel 12 einwirkenden Kräfte sowohl in Öffnungs- als auch in Schließrichtung gleich sind. Durch die Drosselstelle 31 und den durch diese Drossel erzeugten Druckabfall Λ P herrscht bei geöffnetem Einspritzventil (Fig.2) im Druckraum 22 ein um A P verringert sr Druck p.,,, = p„. - Λ Ρ· Der Drosseiquerschnitt F der DrosseisteHe 31 ist so bemessen, daß der Druck P_n., im Drucliraum 22 bei geöffnetem Einspritzventil 10 so verringert wird, daß die in diesem Druckraum 22 auf die Ventilnadel 'ϊ2 ir: Oz'imiKgsrielitiiiig wirkende Kraft P _r„ gleich der bei geschlossene!«! Einspritzventil 10 in diesem Druckramn 22 auf die Ytm^ilrtaüei 12 in gleicher Richtung wirkenden Kraft P ^, ist, \Iaruezi saringfügige Überschußkräfte in der einen oder anderen T-lc-htung gewürz«cht,

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dann werden diese Kräfte P und P nur annähernd

offen zu

gleichgemacht.

Soll nun, wie bereits gesagt, P = P sein, so brauchen nur die jeweiligen Druckverhältnisse im Druckraum 22 betrachtet zu werden, denn die Flächen F„_H und F* . und

rl Kl

der Druck p„ im Zulaufraum 28 sind sowohl im geöffneten als auch im geschlossenen Zustand des Einspritzventils gleich,

Deshalb läßt sich in diesem Fall folgende Gleichung aufstellen:

^Poffen = ^Pzu— P₀ ' ^(FF " ^FS ⁺ V ⁼ *Z ' ^(FF " ^FS⁾

in dieser Gleichung ist F_v der Ventilöffnungsquerschnitt des Einspritzventils und im ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist der Querschnitt F_v1 gleich dem Ventilsitzquerschnitt Fc₁, so d ß für das erste Ausführungsbeispiel folgende Gleichung gilt:

^PD1 · ^FF1 ^{= P}Z * ^(Fil - ^FS1^K

Aus dieser Gleichung ist zu entnehmen, daß der durch die Drosse1steile 31 im Druckraum 22 verringerte Druck p_ni im gleichen Verhältnis kleiner wird wie die in diesem Druckraum 22 vom Kraftstoffdruck beaufschlagte Fläche an der Ventilnadel 12 größer wird.

Der Querschnitt F der Drosselstelle 31, der bei einem vorgegebenen Zulaufdruck p_ den geforderten Druckabfall Δ ρ erzeugt, stimmt auc:~: für veränderliche Zulaufdrücke und Kraftstoffmengen, da, vereinfacht ausgedrückt, bei einem kleineren oder größeren Zulaufdruck p„ der erforderliche Druckabfall ^ ρ enti ; echend kleiner oder größer ist. Diese

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Behauptung gilt unter zwei Bedingungen, nämlich, daß die Drosselquerschnitte der Drosselstelle 31 und in den Düsenöffnungen l6 bzw. im Ventilsitz 15 klein sind gegenüber den vorgeschalteten Räumen 28 bzw. 22 und daß der Druck außerhalb des Einspritzventils, d.h. im Brennraum des Motors, klein gegenüber dem Zulaufdruck p„ und dem Druck p„. ist, denn dann

Zr L) X

läßt sich durch einfache Umformung der für beide Druchflußstellen (Drosselquerschnitt F_ni in der Drosselstelle 31 und Durchflußquerschnitt an den Düsenöffnungen 16) geltenden Durchflußgleichung die Beziehung ableiten p„ - p_n1 = K . ρ ,

Zf LJ A Jjjj

wobei K eine Konstante ist, in der die stets gleichbleibenden Durchflußkennzahlen und Querschnitte der Drosselstellen enthalten sind.

Das zweite Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 arbeitet in gleicher Weise wie das erste zu den Fig. 1 und 2 beschriebene Ausführungsbeispiel. Als wichtiger Unterschied ist jedoch zu beachten, daß die Ventilnadel 67 bei geöffnetem Einspritzventil 50 nicht den vollen dem Ventilsitzdurchmesser D_ entsprechenden Ventilquerschnitt freigibt, sondern daß bei dieser mit dem Drosselzapfen 7k versehenen Ventilnadel 67 lediglich ein ringförmiger Ventilquerschnitt F„ freigegeben wird. Dieser Ventilquerschnitt F_v , der im geöffneten Zustand des Einspritzventils 50 von dem durch die Drossel stelle 82 reduzierten Druck p,_W) im Druckraum 72 beaufschlagt ist, ist im Regelfall beträchtlich kleiner als die dem Ventilsitzdurchmesser D₅ entsprechende Querschnittsfläche F_co des Ventilsitzes 7I· Deshalb braucht durch die Drosselstelle 82 auch nur ein sehr geringer Druckabfall A ρ erzeugt zu werden. Ist der Unterschied zwischen dem Durchmesser D„ des Ventilsitzes 71 und dem Durchmesser des Drosselzapf ens 7¹I sehr gering, dann kann vorzugsweise bei geringen Einspritzdrücken auch auf die Drosselung durch die Drosselstelle 82 verzichtet werden.

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Ein vollständiger statischer und dynamischer Kraftausgleich wird bei dem Einspritzventil 50 dadurch erreicht, daß der Durchmesser D des Ausgleichskolbens 93 gleich dem Durchmesser D des Ventilsitzes "}\ ist, und daß die Drosselstelle 82 so ausgelegt ist,daß sie bei geöffnetem Einspritzventil 50 den Druck p_no im Druckraum 72 so herabsetzt, daß folgende für die Einspritzventile 10,50 und 120 (Fig. 1 bis k) geltende Gleichung erfüllt ist:

Pd · ^(ff - ^Fs ⁺ V = Pz · ^(ff - V·

Wenn beim Kraftstoffeinspritzventil 50 nach Fig. 3 der Durchmesser D^_n des Ausgleichskolbens 93 gleich und nicht nur annähernd gleich dem Durchmesser D des Ventilsitzes 71 ist, gilt für diesen Fall folgende spezielle Gleichung:

^PD2 * ^(FF2 - ^FS2 ^{+ F}V2^{) = P}Z ' ^(FF2 " ^FS2⁾'

Das dritte Ausführungsbeispiel, das Kraftstoffeinspritzventil 120 nach Fig. h, arbeitet in der gleichen Weise wie das erste zu den Fig. 1 und 2 beschriebene Beispiel, Die Ventilnadel 67¹ steuert mit ihrem am Ende des Nadelteils 121 angeordneten Ventilkegel 73' den Ventilsitz 71', der bei geschlossenem Einspritzventil, wie in Fig. 4 gezeichnet, den Durchtritt des im Druckraum 72' anstehenden Kraftstoffes zu den Düsenöffnungen 125 verhindert. Bei geöffnetem Einspritzventil 120 bzw. bei offenem Ventilsitz 7I¹ findet, wie beim Einspritzventil 10 nach Fig. 2, ein durch die Drosselstelle 82¹ gesteuerter Druckabfall im Druckraum 72' statt, der, wie zu Fig. 2 bereits beschrieben, auch im geöffneten Zustand des Einspritzventils 120 einen Ausgleich der hydraulischen auf die Ventilnadel 67' einwirkenden Kräfte bewirkt.

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Das in Fig. 5 mit seinen erfindungswesentlichen Merkmalen dargestellte Kraftstoffeinspitzventil I30 ist in seiner gezeichneten Schließstellung kraftstoffdruckausgeglichen, d.h. die in Öffnungs- und Schließrichtung auf die Ventilnadel 132 einwirkenden vom Zulaufdruck p„ herrührenden hydraulischen Kräfte sind gleich. Dieser Druckausgleich ist dadurch erreicht, daß die dem Durchmesser D des Ausgleichskolbens 138 entsprechende Querschnittsfläche F_v„ gleich der im Druckraum I36 in Offmmgsrichtung an der Ventilnadel 132 angreifenden Querschnittsfläche ist. Dabei gilt: F„, = F„_o - F_co, wobei F die dem Durchmesser D entsprechende Querschnittsfläche des Führungsteils I3I der Ventil nadel 132 und F„_ die dem Durchmesser D„ schnittsfläche des Ventilsitzes 135 ist.

nadel 132 und F„_ die dem Durchmesser D„_ entsprechende Quer-

Soll eine Kraftstoffeinspritzung stattfinden, so zieht der dann eingeschaltete Elektromagnet (hier nicht gezeichnet) über die Zugstange 15^ den Ausgleichskolben 138 an, dem gleichzeitig die über das Verbindungsglied I55 kraftschlüssig gekoppelte vom Kraftstoffdruck an der Schulter 152 belastete Ventilnadel 132 folgt. Dabei hebt sich der Ventilkegel 13^ζί der Ventilnadel 132 vom Ventilsitz 135 ab, und der im Druckraum I36 vor der Einspritzung unter Zulaufdruck p^ stehende Kraftstoff wird über die Düsenöffnungen 137 in den nicht näher dargestellten Brennraum des Motors eingespritzt.

Während der Einspritzung herrscht nun im Druckraum I36 ein um /χ ρ durch die Drosselstelle I5I herabgesetzter Druck ρ , der bewirkt, daß auch im geöffneten Zustand dieses Einspritzventils I30 die hydraulischen an der Ventilnadel angreifenden Kräfte ausgeglichen sind, Dies ist dann dei- Fall, wenn die im Zulaufraum 153 auf den Ausgleichskolben in Schließrichtung der Ventilnadel 132 einwirkende Kraft gleich der im Druckraum I36 in Of£1:^.3*?r.ichtung a^r die Ventilnadel 132 einwirkender. Kraft ist«

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Bei erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventilen, die wie das Einspritzventil I30 (Fig. 5) einen zwischen dem Anker des Elektromagneten und der Ventilnadel 132 angeordneten Ausgleichskolben 138 haben, ist auch- bei geöffnetem Einspritzventil ein vollständiger hydraulischer Kraftausgleich erreichbar, wenn bei der Auslegung der Drosselstelle I5I folgende Gleichung zugrunde gelegt wird:

^pD3 * ^(FF3 - ^FS3 ^{+ F}V3^{] = p}Z · ^FK3'

wobei F_Vo der Ventilöffnungsquerschnitt ist.

Da beim Kraftstoffeinspritzventil I30 nach Fig. 5 der Durchströmquerschnitt F.. wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1,2 und 4 gleich der Querschnittsfläche F_c des Ventilsitzes ist, vereinfacht sich die vorgenannte Gleichung wie folgt:

P₀₃ · ^FF3 = P_Z * ^FK3*

Aus dieser Gleichung läßt sich dann leicht p_ß_ oder ^p = P_z - p_D- errechnen.

Beim Kraftstoffeinspritzventil I70 nach Fig. 6 gelangt der von der nicht näher dargestellten Druckquelle geförderte Kraftstoff über die Kanäle 189,191 und 192 in den Druckraum I87, der sowohl die Ventilnadel 174 als auch den Ausgleichskolben 184 teilweise umgibt. Da erfindungsgemäß der Durchmesser D_K. des AusgMchskolbens 184 gleich dem Führungsdurchmesser Dp· des Führungszapfens I7I und gleich dem Ventilsitzdurchmesser D des Ventilsitzes 201 ist, und der den Anker 179 umgebende Innenraum I88 des Elektromagneten I78 drucklos ist, sind die im gezeichneten, geschlossenen Zustand des Einspritzventils I70 auf die Ventilnadel 174 einwirkenden

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Kräfte sowohl in Öffnungs- als auch in Schließrichtung gleich, wodurch ein statischer Kraftausgleich erzielt ist. Für dieses Einspritzventil l?0 gilt deshalb

\k ^{= D}S4 ^{= 0}FV

Ein nahezu vollständiger Kraftausgleich ist erzielt, wenn diese Durchmesser mindestens annähernd gleich sind.

Bei eingeschaltetem Elektromagnet I78 zieht der Anker 179 über den Ausgleichskolben 184 und den Stift I85 die Ventilnadel I74 an, deren Ventilkegel I99 den Ventilsitz 201 freigibt. Jetzt kann der unter Zulaufdruck p„ im Druckraum I87 anstehende Kraftstoff durch den Ringkanal fund die Verbindungsbohrungen 197 in das Sackloch 19^ gelangen und wird von dort durch die Düsenöffnungen 195 in den Brennraum des Motors eingespritzt.

Das Kraftstoffeinspritzventil 210 nach Fig. 7 arbeitet in gleicher Weise wie das nach Fig. 6, nur gilt hier die Beziehung Dj. = D„ , wodurch der gewünschte Kraftausgleich in geschlossenem Zustand erzielt ist.

Bei geöffnetem Einspritzventil 210 greift an der Ventilnadel I74¹ eine zusätzliche Kraft in Öffnungsrichtung an, die proportional dem Kraftstoffdruck und der Ringfläche ist, die nach außen vom Ventilsitzdurchmesser D„ und nach innen vom Durchmesser des Spritzzapfens 114 begrenzt ist. Bei relativ geringem Einspritzdruck und schmalem Ringquerschnitt ist diese zusätzliche Kraft zu vernachlässigen, bei sehr hohen Einspritzdrücken und größerem Ringspalt kann diese Kraft durch eine Drosselung zwischen je einem ober- und unterhalb des Führungskolbens 201 befindlichen Raum erzielt werden (nicht dargestellt) und zwar in ähnlicher Weise wie bei den Einspritzventilen nach den Fig. 1 bis k. /f

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Claims (1)

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   Ansprüche

   1. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen, dessen in einer Bohrung des Ventilgehäuses geführte Ventilnadel mit dem Anker eines Elektromagneten verbunden ist und bei Erregung des Elektromagneten entgegen der Kraft einer Schließfeder und entgegen der Strömungsrichtung des unter Zulaufdruck von einer Druckquelle geförderten Kraftstoffes vom Ventilsitz abhebt und einen dem Ventilsitz benachbarten Druckraum mit mindestens einer Düsenöffnung verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (12,67,67·,132,174,174«) mit einem Ausgleichskolben (41,93,138,104,184·) gekoppelt ist, der gleichachsig mit Ventilnadel und Anker (33,83,179) dichtend in einer Führungsbohrung (42,94,146,186) des Ventilgehäuses geführt ist und dessen erste Stirnseite (43,97,141) druckentlastet, dessen zweite Stirnseite (44,98,144) vom Zulaufdruck (p„) beaufschlagt und dessen Querschnittsfläche (F_K) so groß ist, daß bei geschlossenem Einspritzventil die in Öffnungs- und Schließrichtung an der Ventilnadel (12,67,67',132,174,174') angreifenden hydraulischen Kräfte gleich oder mindestens annähernd gleich sind.

   2. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige Verbindung zwischen dem Druckraum (22,72,72',I36) und einem

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   dem Anker (33>83) zugewandten und von der zweiten Stirnseite (44,98,144) des Ausgleichskolbens (41,93,138) begrenzten Zulaufraum (28,106,153) ein mit einer Drosselstelle (31, 82,82',151) versehener Zuströmkanal (29,78,78',145) ist (Fig. 1 bis 5).

   3. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (31»82,82¹,151) einen Drosselquerschnitt (F.,) hat, durch den bei geöffnetem Einspritzventil (10,50,120,130) der Druck (p_ß) im Druckraum (22,72,72*,I36) so verringert wird, daß die im Druckraum (22,72,72',I36) auf die Ventilnadel (12,67,67',I32) in Öffnungsrichtung wirkende Kraft (P _ ) mindestens annähernd gleich der bei geschlossenem Einspritzventil im gleichen Raum in gleicher Richtung wirkenden Kraft (P ) ist (Fig. 1 bis 5).

   4. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß die dem Führungsdurchmesser (D . ) der Ventilnadel (12, 67,67',132) entsprechende Querschnittsfläche (F_P1 ) mindestens zehn Mal so groß ist wie der Durchströmquerschnitt (F_v1 ) des Ventilsitzes <15.71i71^rt135) (Fig. 1 bis 5).

   5· Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

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   daß der Ausgleichskolben (4l,93) in Verlängerung von Ventilnadel (12,67,67·) und Anker (33,03) über ein biegeelastisches Verbindungsglied (45,92) mit der Ventilnadel (12,67,67*) gekoppelt ist und der Durchmesser (D₁., ) des Ausgleichskolbens (4l,93) gleich oder mindestens annähernd gleich dem Durchmesser (D_Q. ) des Ventilsitzes (15,71,7I¹)

   Ol , ti

   ist (Fig. 1 bis 4).

   6. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil

   nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das biegeelastische Verbindungsglied (45,92) aus Federstahldraht besteht (Fig.l bis 4)

   7. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil

   nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuströmkanal (78,78') int wesentlichen in der Längsachse der Ventilnadel (67,67') verläuft und dort in einer Erweiterung (80,8ο¹) ein auswechselbares Schraubteil (8l,8l·) aufnimmt, in dem die Drosselstelle (82,82') angeordnet ist (Fig. 3 und 4).

   8. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbohrung (94) für den Ausgleichskolben (93) in einer auswechselbaren Führungsbüchse (95) angeordnet ist, die in einen zu einer Rücklaufleitung (37') führenden Kanal (65) des Ventilgehäuses (56) fest eingesetzt ist ³⁾· 309838/0037 " " "

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   9· Elek t roinagnetiscli betätigbares Krn f tstof f einspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgleichskolben (I38) zwischen Ventilnadel (132) und Anker angeordnet, mit dem Anker verbunden und über ein knickfestes Verbindungsglied (I55) kraftschlüssig mit der Ventilnadel (132) gekoppelt ist, und daß die dem Durchmesser (D ) des Ausgleichskolbens (I38) entsprechende Querschnittsfläche (F ) um die dem Durchmesser (D„„) des Ventilsitzes K3 ^S3

   (135) entsprechende Querschnittsfläche (F^ ) kleiner ist als die dem Führungsdurchmesser (D ) der Ventilnadel (132) entsprechende Querschnittsfläche (F ) (Fig. 5)·

   10. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 9) dadurch gekennzeichnet, daß das knickfeste Verbindungsglied (155) einen als Widerlager für die Schließfeder (I56) dienenden Bund (157) hat (Fig. 5).

   11. El eletromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Bund (157) eine kugelig geformte Auflage (I58) für einen das eine Ende der Schließfeder (156) aufnehmenden Federteller (159) hat (Pig. 5).

   12. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das biegesteife Verbindungsglied (155) ^a*i seinen beiden

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   Enden je einen Kugelkopf (l6l und l62) hat, von denen jeder

   in einer entsprechend kugelig geformten Ausnehmung (I63

   und 164) von Ausgleichskolben (I38) und Ventilnadel (132)

   gelagert ist (Fig. 5).

   13. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Kugelmittelpunkte der Kugelköpfe (l6l,l62) und Ausnehmungen (l63,l64) mindestens annähernd in der Mitte der axialen Erstreckungen der Führungen des Ausgleichskolbens (I38) und der Ventilnadel (132) liegen (Fig. 5).

   14. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Ventilnadel (67) und Anker (83) eine Zugstange (85) ist, die mindestens gegenüber dem

   (83)

   Anker/, der seinerseits im Elektromagneten (55) radial geführt ist, radiales Spiel hat (Fig. 3)·

   (5". Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoff einspritzventil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugstange (85) mit der Ventilnadel (67) über ein Gelenk (86) verbunden ist, das aus einem die Ventilnadel (67) und die Zugstange (85) quer zur Ventilnadelachse durchsetzenden Stift (89) und einer beidseitig angesenkten Querbohrung (88) in der Zugstange (85) besteht (Fig. 3).

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   16. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadel (17^) - in Strömungsrichtung gesehen - hinter dem Ventilsitz (201) flüssigkeitsdicht mit einem Führungszapfen (17I) in einer Bohrung (172) an der brennraumseitigen Stirnseite (175)

   und

   des Ventilgehäuses (183,173) geführt ist, /daß als Verbindungsglied zwischen dem Anker (179) des Elektromagneten (I78) und der Ventilnadel (17^) der Ausgleichskolben ( l84) dient, dessen Durchmesser (D,,. ) mindestens annähernd gleich dem Durchmesser (D ,) des Führungszapfens (I71) und dem Durchmesser (D₅.) des Ventilsitzes (201) ist (Fig. 6).

   17. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungszapfen (171)die Form einer Lochdüsenspitze und ein Sackloch (19*0 hat, das zu dem dem Ventilsitz (201) abgewandten Ende derVentilnadel (17^0 hin verschlossen ist, zum Brennraum des Motors hin in bekannter Weise die Düsenöffnungen (195) enthält und mindestens eine Verbindungsbohrung (197) zu einem vom Ventilsitz (201) steuerbaren Ringkanal (I98) in der Mantelfläche des Führungszapfens (I7I) hat (Fig. 6).

   18. Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilnadol (I73¹) - in Strömungsrichtung gesehen - vor demVentilsitz (201')

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   einen Führungskolben (211) und hinter dem Ventilsitz (201¹) einen die Düsenöffnung (215) durchdringenden Spritzzapfen (21(0 hat, und daß als Verbindungsglied zwischen dem Anker (179) des Elektromagneten (17Ö) und der Ventilnadel (l7^^f) der Ausgleichskolben (184¹) dient, dessen Durchmesser (D_Kr) mindestens

   \ ■ annähernd gleich dem Durchmesser (D ) des Ventilsitzes (201¹)

   ist (Fig. 7).

   19· Elektromagnetisch betätigbares Kraftstoffeinspritzventil nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzzapfen (2l'O mit der Düsenöffnung (215) einen engen Ringspalt bildet, der nur für eine Teilmenge (Q_T) der bei Vollastbetrieb einzuspritzenden Kraftstoffmenge (Q_v) ausgelegt ist, und daß der Spritzzapfen (214) mindestens eine nach einem Vorhub (Hy) steuerbare zusätzliche Spritzbohrung (216) für die Vollasteinspritzmenge (Qy) oder für eine Teillasteinspritzmenge (Q_x) hat, die größer als die durch den Ringspalt einspritzbare Teilmenge <Q_T) ist (Fig. 7). fif

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