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Diese
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, das verwendet
wird, um einem Brennraum einer Brennkraftmaschine unter Druck stehenden
Kraftstoff zuzuführen.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Kraftstoffeinspritzventil,
das geeignet ist, in einem Common Rail-Kraftstoffsystem zur Kraftstoffversorgung
einer Brennkraftmaschine mit Selbstzündung verwendet zu werden,
wobei das Einspritzventil vom Typ ist, bei dem die Wegstrecke, um welche
die Einspritzventilnadel während
eines Einspritzzyklus bewegt wird, gesteuert wird.
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Die
Verwendung von Kraftstoffeinspritzventilen mit zwei- oder mehrstufigen
Hüben,
die das Variieren der Kraftstoffeinspritzmenge oder des Kraftstoffspritzbilds
in Betrieb zu erlauben, ist bekannt. Dies kann zum Beispiel erreicht
werden, indem eine innere Nadel in einer Bohrung angeordnet wird,
die in einer äußeren Nadel
ausgebildet ist, wobei die innere Nadel so angeordnet ist, dass
sie auf ihrem Sitz bleibt, wenn die äußere Nadel um eine kleine Wegstrecke
bewegt wird, und sich von ihrem Sitz weg bewegt, wenn die äußere Nadel
um eine größere Wegstrecke
bewegt wird. In solch einer Anordnung kann die Kraftstoffeinspritzung
zum Beispiel auf die anfängliche
geringe Bewegung der äußeren Nadel
hin durch einige Auslassöffnungen
und auf die nachfolgende Bewegung der äußeren und der inneren Nadel hin
durch eine größere Zahl
von Öffnungen
erfolgen. Dadurch können
im Betrieb die Einspritzmenge und das Spritzbild variiert werden.
Auch andere Einspritzparameter können
mit Hilfe dieser Technik gesteuert oder variiert werden. Es ist
jedoch anzumerken, dass andere Techniken bekannt sind, mit denen
verschiedenen Einspritzparameter durch Steuerung der Wegstrecke,
um die eine Ventilnadel bewegt wird, geregelt werden können.
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Die
Wegstrecke, über
welche die Ventilnadel hinweg bewegt wird, wird typischerweise gesteuert, indem
der Erregungspegel und damit die axiale Länge eines piezoelektrischen
Stapels gesteuert wird. Solch eine Betätigungstechnik gilt als unerwünscht, da
piezoelektrische Stapel mit Abmessungen, die zur Verwendung in solchen
Anwendungen geeignet sind, relativ teuer und schwer zu steuern sind.
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Als
Stand der Technik der vorliegenden Erfindung werden die folgenden
Dokumente zur Kenntnis gebracht.
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EP
829641-A2 beschreibt ein Kraftstoffeinspritzventil nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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US 5.823.161 beschreibt
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung mit einer Hochdruckkraftstoffpumpe,
die Kraftstoff aus einer Niederdruckkammer über eine Zuleitung in eine
Hochdruckkammer pumpt. Die Hochdruckkammer steht über Hochdruckleitungen mit
einzelnen Einspritzventilen in Verbindung. Das Kraftstoffeinspritzventil
ist vom sich nach außen öffnenden
Typ.
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DE-A1-19620521
beschreibt ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer ersten Steuerkammer,
die auf eine Nadel wirkt, und einem Anschlagselement, das eine Außenfläche aufweist,
die dem Kraftstoffdruck in einer zweiten Steuerkammer ausgesetzt
ist. Das Kraftstoffeinspritzventil ist vom sich nach außen öffnenden
Typ.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Kraftstoffeinspritzventils,
bei dem die Wegstrecke, die von einer Ventilnadel davon zurückgelegt
wird, gesteuert werden kann und bei dem die oben erwähnten Nachteile
abgestellt oder abgemildert sind.
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Der
vorliegenden Erfindung gemäß wird ein Kraftstoffeinspritzventil
bereitgestellt, umfassend eine sich nach innen öffnende Ventilnadel, die innerhalb
einer ersten Bohrung verschiebbar ist und an einem Ventilnadelsitz
zur Anlage gelangen kann, wobei eine mit der Ventilnadel verbundene
Fläche
dem Kraftstoffdruck in einer ersten Steuerkammer ausgesetzt ist.
Die erste Steuerkammer kann mit einer Hochdruckkraftstoffquelle
verbunden werden, wodurch der Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer eine
Schließkraft
auf die Ventilnadel ausübt,
wobei die Bewegung der Ventilnadel vom Ventilnadelsitz weg zum Zwecke
des Öffnens
eines ersten Satzes von Auslässen
durch ein bewegliches Anschlagselement auf eine erste Anhebestufe
begrenzt wird, wobei das Anschlagselement eine Außenfläche besitzt, die
dem Kraftstoffdruck in einer zweiten Steuerkammer ausgesetzt ist.
Auch die zweite Steuerkammer kann mit einer Hochdruckkraftstoffquelle
verbunden werden, wodurch der Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer
eine Vorspannkraft auf das bewegliche Anschlagselement zur Ventilnadel
hin ausübt. Das
Kraftstoffeinspritzventil umfasst ferner eine Steuerventilanordnung
zum Steuern der Kraftstoffdrucks in der ersten und zweiten Steuerkammer,
um die Bewegung der Ventilnadel (10) bzw. des beweglichen Anschlagselements
zu steuern, wodurch es der Ventilnadel (10) möglich ist,
sich in eine zweite Anhebestufe jenseits der ersten Anhebestufe
zu bewegen, um einen zweiten Satz Auslässe zu öffnen.
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Durch
geeignete Regelung der Kraftstoffdrücke, die an die erste und die
zweite Steuerkammer angelegt werden, kann die Ventilnadel entweder
in einer geschlossenen Stellung, in einer Zwischenstellung oder
in einer voll angehobenen Stellung gehalten werden. Je nach Art
der Ventilnadel und einer möglicherweise
vorhandenen zusätzlichen
Nadel, Hülse
oder eines solchen Anpassungselements, das/die mit der Ventilnadel
verbunden ist bzw. sind, kann solch eine Steuerung der Ventilnadelstellung benutzt
werden, um die Kraftstoffeinspritzmenge, das Spritzbild oder andere
Einspritzparameter zu regeln.
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Bevorzugt
kann die Ventilanordnung erste und zweite Sitzflächen umfassen, wobei mindestens eine
der Sitzflächen
durch ein Sitzelement gebildet wird, das in einer weiteren Kammer
angeordnet ist. Die weitere Kammer kann mindestens teilweise durch
eine Bohrung gebildet werden, innerhalb welcher das Ventilelement
verschiebbar ist. Die zweite Sitzfläche kann durch einen Bereich
der Bohrung gebildet werden.
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Die
Ventilanordnung umfasst in günstiger Weise
eine gemeinsame Betätigungseinrichtung,
die angeordnet ist, um den Betrieb eines ersten Ventils, das der
ersten Steuerkammer zugeordnet ist, und eines zweiten Ventils, das
der zweiten Steuerkammer zugeordnet ist, zu steuern. Die Betätigungseinrichtung
kann zum Beispiel ein elektromagnetisches Stellglied oder einen
piezoelektrischen Stapel umfassen. Es ist jedoch anzumerken, dass
das erste und das zweite Ventil durch jeweilige Stellglieder gesteuert
werden können.
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Die
Steuerventilanordnung kann so angeordnet sein, dass der Kraftstoffdruck
in der ersten und der zweiten Steuerkammer gesteuert werden kann, indem
die Bewegungsgeschwindigkeit des Ventilelements von der ersten Sitzfläche weg
variiert wird.
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Bevorzugt
kann die Steuerventilanordnung so angeordnet sein, dass im Betrieb
die Bewegung des Ventilelements mit einer relativ hohen Geschwindigkeit
bewirkt, dass sich die Ventilnadel sich vom Ventilnadelsitz in eine
erste Kraftstoffeinspritzstellung bewegt, um die Kraftstoffabgabe
durch eine erste Auslassöffnung
zu ermöglichen.
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Bevorzugt
kann die Steuerventilanordnung so angeordnet sein, dass die Bewegung
des Ventilelements mit einer relativ geringen Geschwindigkeit bewirkt,
dass sich die Ventilnadel weg vom Ventilnadelsitz in eine zweite
Kraftstoffeinspritzstellung bewegt, um die Kraftstoffabgabe durch
die erste Auslassöffnung
und eine zweite Auslassöffnung
zu ermöglichen.
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Alternativ
oder zusätzlich
dazu kann die Steuerventilanordnung so ausgebildet sein, dass die Rückwärts- und
Vorwärtsbewegung
des Ventilelements zwischen der ersten und der zweiten Sitzfläche eine
Bewegung der Ventilnadel in die zweite Kraftstoffeinspritzstellung
bewirkt.
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Alternativ
oder zusätzlich
dazu kann die Steuerventilanordnung so ausgebildet sein, dass die Bewegung
des Ventilelements in eine Zwischenstellung, die sowohl von der
ersten als auch von der zweiten Sitzfläche beabstandet ist, eine Bewegung der
Ventilnadel in die zweite Kraftstoffeinspritzstellung ermöglicht.
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Die
Steuerventilanordnung kann so ausgebildet sein, dass im Betrieb
eine Veränderung
der Bewegungsgeschwindigkeit der Ventilnadel vom Ventilsitz weg
möglich
ist.
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Die
Ventilnadel kann die Form einer äußeren Ventilnadel
annehmen, die an einem Sitz zur Anlage gelangen kann, um die Kraftstoffabgabe
durch eine erste Auslassöffnung
zu steuern, wobei das Kraftstoffeinspritzventil eine innere Ventilnadel
aufweist, die in einer zusätzlichen,
in der äußeren Ventilnadel
vorgesehen Bohrung verschieblich angeordnet ist und an einem weiteren
Sitz zur Anlage kommen kann, um die Kraftstoffabgabe durch eine
zweite Auslassöffnung
zu steuern. Die innere Ventilnadel und die äußere Ventilnadel können so
angeordnet sein, dass die Bewegung der äußeren Ventilnadel über ein
bestimmtes Maß hinaus
die Bewegung auf die innere Ventilnadel überträgt, um die innere Ventilnadel
weg von dem weiteren Sitz zu bewegen.
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Die
Bewegung des Ventilelements kann im Betrieb mit Hilfe einer elektromagnetischen
Betätigungsanordnung
oder mit Hilfe einer piezoelektrischen Betätigungsanordnung gesteuert
werden.
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Es
ist anzumerken, dass das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
eine Mehrzahl von ersten und zweiten Auslassöffnungen umfassen kann.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Kraftstoffeinspritzventilanordnung
bereitgestellt, umfassend eine Mehrzahl der hier beschriebenen Kraftstoffeinspritzventile,
eine erste Kraftstoffleitung zur Abgabe von unter Druck stehendem
Kraftstoff an die Einspritzventile, eine zweite Leitung, die mit
der zweiten Steuerkammer eines jeden der Einspritzventile verbunden
ist, und eine Ventilanordnung zum Steuern der Verbindung zwischen
der zweiten Leitung und einem Niederdruck-Kraftstoffspeicher.
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Die
Erfindung wird nachstehend beispielhaft und unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine
teilweise im Querschnitt gezeigte Ansicht eines Kraftstoffeinspritzventils
gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung ist;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Abschnitts von 1 ist;
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die 3 und 4 Ansichten
sind, die den 1 und 2 ähneln und
eine andere Ausführungsform
veranschaulichen;
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5 eine
Ansicht ist, die den 1 und 3 vergleichbar
ist und eine weitere alternative Ausführungsform veranschaulicht;
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6 eine
schematische Ansicht ist, die eine weitere Ausführungsform veranschaulicht;
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7 eine
Querschnittsansicht eines Kraftstoffeinspritzventils gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung ist;
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8 eine
vergrößerte Querschnittsansicht eines
Abschnitts des Kraftstoffeinspritzventils von 7 ist;
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9 eine
Querschnittsansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform
ist; und
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10 eine
Querschnittsansicht eines Abschnitts des in 9 gezeigten
Kraftstoffeinspritzventils ist.
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1 und 2 veranschaulichen
ein Common Rail-Kraftstoffeinspritzventil, das eine Ventilnadel 10 umfasst,
die in einer in einem Düsenkörper 12 ausgebildeten
Bohrung 11 verschiebbar ist. Die Nadel 10 und
die Bohrung 11 begrenzen zusammen eine Abgabekammer 13,
die unmittelbar stromaufwärts
einer Sitzoberfläche
angeordnet ist, an der die Nadel 10 zur Anlage gelangen
kann, um die Kraftstoffzufuhr aus der Abgabekammer 13 an
einen ersten Satz Auslassöffnungen 8 zu
steuern, die unmittelbar stromabwärts der Linie angeordnet ist,
an der die Nadel 10 an der Sitzfläche zu liegen kommt. Die Nadel 10 ist
mit einer geschlossenendigen Bohrung versehen, in welcher eine innere
Nadel 14 verschiebbar ist. Die innere Nadel 14 wird
in der geschlossenendigen Bohrung festgehalten und ist so angeordnet, dass
die innere Nadel 14 in Anlage an der Sitzfläche verbleibt,
wenn die Nadel 10 über
eine kleine Wegstrecke weg von der Sitzfläche bewegt worden ist, wodurch
Kraftstoff daran gehindert wird, zu einem zweiten Satz Auslassöffnungen 9 zu
fließen,
wobei die Bewegung der Ventilnadel 10 über eine weitere Wegstrecke
bewirkt, dass sich die innere Nadel 14 von der Sitzfläche abhebt,
wodurch die Kraftstoffabgabe durch den zweiten Satz Auslassöffnungen
möglich
wird. Es ist anzumerken, dass durch Steuerung der Wegstrecke, über welche
die Ventilnadel 10 von der Sitzfläche abgehoben wird, die Zahl
der Auslassöffnungen
gesteuert werden kann, durch welche Kraftstoff abgegeben wird, und
dementsprechend können
die Einspritzmenge, das Spritzbild oder andere Einspritzeigenschaften
oder -parameter gesteuert werden.
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Die
Bohrung 11 und die Abgabekammer 13 werden im Betrieb
durch einen Zuleitungskanal 15 mit unter hohem Druck stehenden
Kraftstoff versorgt. Der Zuleitungskanal 15 ist aus Bohrungen
zusammengesetzt, die in verschiedenen Abschnitten des Einspritzventils
vorgesehen sind, was weiter unten näher beschrieben wird. Der Zuleitungskanal 15 ist so
gestaltet, dass er eine Verengung 16 mit relativ kleinem
Durchmesser aufweist, die angeordnet ist, um die Menge pro Zeiteinheit
zu beschränken,
mit welcher Kraftstoff der Bohrung 11 und der Abgabekammer 13 zugeführt wird.
Der Zuleitungskanal 15 ist so angeordnet, dass er im Betrieb
mit einer Hochdruckkraftstoffquelle verbunden werden kann, zum Beispiel
einer Common Rail, die mit Hilfe einer geeigneten Hochdruckkraftstoffpumpe
mit Kraftstoff auf hohen Druck gebracht worden ist.
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Wie
am deutlichsten in 2 zu erkennen ist, ist die Verengung 16 in
einem Abschnitt des Zuleitungskanals 15 vorgesehen, der
durch ein Abstandsstück 17 verläuft, das
so angeordnet ist, dass es an eine Endfläche des Düsenkörpers 12 angrenzt. Das
Abstandsstück 17 ist
mit einer axial verlaufenden geschlossenendigen Bohrung 18 versehen,
in welche sich ein oberer Endbereich der Nadel 10 hinein erstreckt.
Ein bewegliches Anschlagselement 19 ist in der Bohrung 18 angeordnet,
wobei das bewegliche Anschlagselement 19 kolbenartig in
die Bohrung 18 eingepasst ist. Die untere Außenfläche des
beweglichen Anschlagselements 19 begrenzt zusammen mit der
oberen Außenfläche der
Nadel 10 eine erste Steuerkammer 20, die vom Zuleitungskanal 15 über eine
Verengung 21 in beschränktem
Ausmaß mit Kraftstoff
versorgt wird. Eine Feder 22 ist in der ersten Steuerkammer 20 angeordnet,
wobei die Feder 22 zwischen der Nadel 10 und dem
beweglichen Anschlagselement 19 eingespannt ist, um eine
Vorspannkraft auf die Nadel 10 auszuüben, die die Nadel 10 in
Anlage an die Sitzfläche
drückt.
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Die
obere Außenfläche des
beweglichen Anschlagselements 19 bildet zusammen mit der
Bohrung 18 eine zweite Steuerkammer 23, in der
eine zusätzliche
Feder 24 angeordnet ist, wobei die Feder 24 eine
abwärtsgerichtete
Vorspannkraft auf das bewegliche Anschlagselement 19 ausübt. Die
Feder 24 spannt das bewegliche Anschlagselement 19 in Richtung
der gezeigten Stellung vor, in welcher die untere Endfläche des
beweglichen Anschlagselements 19 an der oberen Endfläche des
Düsenkörpers 12 anliegt.
Das untere Ende des beweglichen Anschlagselements 19 ist
mit Kreuzschlitzen 25 versehen, die angeordnet sind, um
zu gewährleisten,
dass Kraftstoff zur oder aus der ersten Steuerkammer 20 fließen kann,
wenn das bewegliche Anschlagselement 19 diese Stellung
einnimmt.
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Eine
Drillbohrung 26 mit kleinem Durchmesser ist im Abstandsstück 17 vorgesehen,
um einen verengten Strömungsweg
zwischen dem Zuleitungskanal 15 und der zweiten Steuerkammer 23 bereitzustellen.
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Die
Endfläche
des Abstandsstücks 17,
die dem Düsenkörper 12 abgewandt
ist, grenzt an ein Ventilgehäuse 27 an,
das mit einer Durchgangsbohrung 28 versehen ist, in welcher
ein Steuerventilelement 29 angeordnet ist. Das Ventilelement 29 ist
so geformt, dass es einen Bereich mit reduziertem Durchmesser einschließt, der
zusammen mit der Bohrung 28 eine Kammer bildet, die über einen
im Ventilgehäuse 27 vorgesehenen
Kanal 30 und einen im Abstandsstück 17 vorgesehenen
Kanal 31 mit der ersten Steuerkammer 20 in Verbindung
steht, wobei der Kanal 31 einen Bereich 31a mit
kleinem Durchmesser aufweist. Das Ventilelement 29 umfasst
einen Bereich mit erweitertem Durchmesser, der an einer ersten Sitzfläche 32 zur
Anlage gelangen kann, um die Verbindung zwischen dem Kanal 30 und
einer Kammer 33 zu steuern, die im Betrieb mit einem Niederdruck-Kraftstoffspeicher
in Verbindung steht. Es ist anzumerken, dass kein Kraftstoff aus
der ersten Steuerkammer 20 zum Niederdruck-Kraftstoffspeicher
strömen
kann, wenn das Ventilelement 29 an der ersten Sitzfläche 32 anliegt.
Da der Zuleitungskanal 15 mit einer Quelle für unter
hohem Druck stehenden Kraftstoff verbunden ist, wird die erste Steuerkammer 20 unter
einen hohen Druck gesetzt. Die Bewegung des Ventilelements weg 29 von
der ersten Sitzfläche 32 erlaubt
es, dass Kraftstoff aus der ersten Steuerkammer 20 entweicht,
wobei die beschränkte
Verbindung zwischen der Steuerkammer 20 und dem Zuleitungskanal 15 gewährleistet,
dass Kraftstoff nur in geringer Menge zur ersten Steuerkammer 20 strömt, und
dadurch fällt
der Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 ab. Das
Ventilelement 29 wird mit Hilfe einer Feder 34 in
Richtung der Stellung hin vorgespannt, die in den 1 und 2 dargestellt
ist, in welcher das Ventilelement 29 an der ersten Sitzfläche 32 anliegt.
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Auf
einem Abschnitt des Ventilelements 29 ist ein zweites Ventilelement 35 verschieblich
angeordnet, wobei das zweite Ventilelement 35 einen im Wesentlichen
kolbenartigen Sitz auf dem Ventilelement 29 hat. Das zweite
Ventilelement 35 ist mit Hilfe einer Feder 36 in
Anlage an eine zweite Sitzfläche 37 vorgespannt,
die auf einem Sitzelement 38 vorgesehen ist, das dichtend
auf dem Abstandsstück 17 aufliegt.
Das Sitzelement 38 ist ringförmig und begrenzt einen zentralen
Kanal, der mit einer im Abstandsstück 17 vorhandenen
Bohrung 39 in Verbindung steht, wobei die Bohrung 39 durch
im Abstandsstück 17 und
im Ventilgehäuse 27 vorgesehene
Kanäle
mit der Kammer 33 in Verbindung steht. Das Abstandsstück 17 ist
mit einer Drillbohrung 40 versehen, die einen Bereich 40a mit
kleinem Durchmesser aufweist, der mit der zweiten Steuerkammer 23 in
Verbindung steht. Eine Kammer 41 ist im Ventilgehäuse 27 derart ausgebildet,
dass Kraftstoff von der Bohrung 40 zur zweiten Sitzfläche 37 zugeführt wird.
Wenn das zweite Ventilelement 35 an der zweiten Sitzfläche 37 anliegt,
kann kein Kraftstoff aus der zweiten Steuerkammer 23 zur
Bohrung 39 und zum Niederdruck-Kraftstoffspeicher strömen, und
aufgrund der Verbindung zwischen dem Zuleitungskanal 15 und
der zweiten Steuerkammer 23 steht die zweite Steuerkammer 23 unter
hohem Druck. Wenn das zweite Ventilelement 35 von der zweiten
Sitzfläche 37 abgehoben
ist, kann Kraftstoff aus der zweiten Steuerkammer 23 zur
Bohrung 39 entweichen, wodurch der Kraftstoffdruck in der
zweiten Steuerkammer 23 gemindert wird.
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Die
Bewegung des zweiten Ventilelements 35 wird durch das Ventilelement 29 gesteuert.
Wie in 2 veranschaulicht, erstreckt sich das Ventilelement 29 durch
eine Öffnung,
die im zweiten Ventilelement 35 vorgesehen ist, wobei ein
Hülsenelement 42 so
am Ventilelement 29 befestigt ist, dass die Bewegung des
Ventilelements 29 in Aufwärtsrichtung in der gezeigten
Orientierung über
eine bestimmte Wegstrecke hinaus zur Folge hat, dass sich die Hülse 42 in
Anlage an das zweite Ventilelement 35 bewegt, wobei die
Weiterbewegung des Ventilelements 29 zur Folge hat, dass
das zweite Ventilelement 35 von der zweiten Sitzfläche 37 abgehoben
wird.
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Die
Bewegung des Ventilelements 29 wird durch ein elektromagnetisches
Stellglied 43 gesteuert, das in einem Düsenhalter 44 angeordnet
ist, der an eine obere Endfläche
des Ventilgehäuses 27 angrenzt.
Das Stellglied 43 kann mit Energie beaufschlagt werden,
um einen am Ventilelement 29 befestigten Anker 45 anzuziehen,
um eine Bewegung des Ventilelements 29 weg von der ersten
Sitzfläche zu
bewirken.
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Während des
Betriebs, wenn der Zuleitungskanal 15 mit einer geeigneten
Hochdruckkraftstoffquelle verbunden ist, zum Beispiel der Common
Rail eines Common Rail-Kraftstoffsystems, die durch eine geeignete
Hochdruckkraftstoffpumpe auf einen geeignet hohen Druck beladen
ist, und wenn das Stellglied 43 heruntergeschaltet ist,
nimmt das Ventilelement 29 die gezeigte Stellung ein, in
der es an der ersten Sitzfläche 32 anliegt,
wobei das zweite Ventilelement 35 an der zweiten Sitzfläche 37 anliegt.
Es ist deshalb anzumerken, dass sowohl die erste als auch die zweite
Steuerkammer 20, 23 unter hohem Druck stehen und
dass die Wirkung des unter Druck stehenden Kraftstoffs in Verbindung
mit der Wirkung der Federn 22, 24 gewährleistet,
dass die Ventilnadel 10 an ihrem Sitz anliegt.
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Wenn
eine Einspritzung erfolgen soll, wird das Stellglied 43 mit
Energie beaufschlagt. Diese Versorgung mit Energie bewirkt anfangs
eine Bewegung des Ventilelements 29 weg von der ersten
Sitzfläche 32.
Als Ergebnis entweicht Kraftstoff aus der ersten Steuerkammer 20.
Die relativen Größen der Verengungen 21, 31a sind
derart, dass gewährleistet ist,
dass unter solchen Bedingungen der Kraftstoffdruck in der ersten
Steuerkammer 20 abfällt,
wobei Kraftstoff in einer Menge zur ersten Steuerkammer 20 strömt, die
niedriger ist als die Menge, mit der Kraftstoff aus der ersten Steuerkammer 20 entweichen
kann. Die Abnahme des Kraftstoffdrucks in der ersten Steuerkammer 20 reduziert
im Ergebnis die abwärts
gerichtete Kraft, die auf die Nadel 10 aufgebracht ist,
und es wird ein Punkt erreicht, über
den hinaus der Kraftstoffdruck in der Abgabekammer 13, der
auf in geeigneter Weise ausgerichtete Druckflächen der Nadel 10 wirkt,
ausreicht, um entgegen der Wirkung des restlichen Kraftstoffdrucks
in der ersten Steuerkammer 20 und der Wirkung der Feder 22 die Abhebung
der Nadel 10 von der Sitzfläche weg zu bewirken. Die Bewegung
der Nadel 10 wird durch die obere Endfläche der Nadel 10 begrenzt,
die sich bis zur Anlage an das bewegliche Anschlagselement 19 bewegt,
wobei die Nadel 10 eine mittlere angehobene Stellung einnimmt.
Die Wegstrecke, über
welche sich die Ventilnadel 10 bewegt, ist klein genug,
um sicherzustellen, dass die innere Ventilnadel 14 in Anlage
an ihrem Sitz verbleibt, weshalb die Kraftstoffeinspritzung nur
durch einige der Auslassöffnungen
erfolgt.
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Wenn
bzw. weil der Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 23 hoch
ist und die wirksame Fläche
des Anschlagselements 19, die diesem Druck ausgesetzt ist,
im Vergleich zu derjenigen der Druckflächen der Nadel 10 groß ist, ist
die Nadel 10 nicht in der Lage, die Bewegung des Anschlagselements 19 zu
bewirken, weshalb die Nadel sich nicht über die mittlere Anhebestellung
hinaus bewegt.
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Während sich
das Ventilelement 29 weiterhin in Richtung des Stellglieds 43 bewegt,
bewegt sich die Hülse 42 in
Anlage an die untere Fläche
des zweiten Ventilelements 35, wobei die Weiterbewegung zur
Folge hat, dass das zweite Ventilelement 35 von der zweiten
Sitzfläche 37 abgehoben
wird. Dadurch ist Kraftstoff in der Lage, aus der zweiten Steuerkammer 23 zu
strömen.
Die Abmessungen der Drillbohrung 26 und der Verengung 40a sind
so gewählt, dass
gewährleistet
ist, dass der Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 23 unter
solchen Bedingungen abfällt.
Die Wirkung des unter Druck stehenden Kraftstoffs in der Abgabekammer 13 reicht
aus, um die Anhebung der Ventilnadel 10 in eine voll angehobene
Stellung zu bewirken, wobei das bewegliche Anschlagselement 19 entgegen
der Wirkung der Feder 24 und eines möglicherweise vorhandenen restlichen
Kraftstoffdrucks in der zweiten Steuerkammer 23 angehoben
wird und die zusätzliche
Bewegung der Ventilnadel 10 ausreicht, um die Anhebung
der inneren Nadel 14 von der Sitzfläche zu bewirken, wodurch die
Kraftstoffabgabe durch eine größere Zahl von Öffnungen
möglich
wird. Es ist anzumerken, dass dadurch im Betrieb die Einspritzmenge,
das Spritzmuster oder andere Einspritzparameter geändert werden
können.
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Aufgrund
des Vorhandenseins der Verengung 16 fällt der Kraftstoffdruck in
der Abgabekammer 13 während
der Kraftstoffeinspritzung ab, und die Größe der aufwärtsgerichteten Kraft, die während der
Einspritzung auf die Nadel 10 wirkt, ist daher kleiner
als die, die vor Beginn der Einspritzung vorhanden ist.
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Um
die Einspritzung zu beenden, wird das Stellglied 43 heruntergeschaltet,
wodurch das Ventilelement 29 unter der Einwirkung der Feder 34 in
die dargestellte Position zurückkehrt.
Dadurch hört
der Kraftstoffstrom sowohl aus der ersten als auch aus der zweiten
Steuerkammer 20, 23 auf, und der Kraftstoffdruck
in diesen Kammern nimmt aufgrund ihrer Verbindung mit dem Zuleitungskanal 15 zu.
Da die wirksame Fläche
des beweglichen Anschlagselements 19, die dem Kraftstoffdruck
in der zweiten Steuerkammer 23 ausgesetzt ist, relativ
groß ist,
führt die
Beaufschlagung der zweiten Steuerkammer 23 mit Druck in
Verbindung mit der Wirkung der Feder 24 zu einer schnellen
Anfangsbewegung des Ventilnadel 10 in Richtung ihres Sitzes.
Sobald sich das bewegliche Anschlagselement 19 in Anlage
an den Düsenkörper 12 bewegt
hat, führt
die Weiterbewegung der Nadel 10 unter der Wirkung des zunehmenden
Kraftstoffdrucks in der ersten Steuerkammer 20 und der
Wirkung der Feder 22, zusammen mit der Trägheit der
Nadel 10, zu einer schnellen Bewegung der Nadel 10 in
Anlage an die Sitzfläche,
wodurch die Kraftstoffabgabe beendet wird. Wie zuvor erwähnt, fällt der
Kraftstoffdruck in der Abgabekammer 13 während der
Einspritzung ab, und deshalb ist das Ansprechverhalten des Einspritzventils
beim Zurückkehren
des Ventilelements 29 in die dargestellte Stellung schnell.
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Auch
wenn das Ventilelement 29 in der obigen Beschreibung als
sich im Wesentlichen kontinuierlich aus der dargestellten Stellung
in eine voll angehobene Stellung bewegend beschrieben wird, ist anzumerken,
dass das Ventilelement 29 durch geeignete Steuerung des
energetischen Pegels des Stellglieds 43 in einer Stellung
gehalten werden kann, in der die zweite Steuerkammer 23 über den
ganzen Einspritzzyklus hinweg unter Druck gesetzt bleibt, wodurch
sich die Nadel 10 nur in die Zwischenstellung bewegt, in
der die innere Nadel 14 in Anlage an der Sitzfläche bleibt.
Alternativ dazu kann das Ventilelement 29 schnell in seine
vollständig
angehobene Stellung bewegt werden, wobei die Nadel 10 sich
fast sofort in diese Stellung bewegt, anstelle vorübergehend
in der Zwischenstellung anzuhalten.
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Die
in den 3 und 4 gezeigte Ausführungsform
ist mit der der 1 und 2 vergleichbar,
und deshalb wird nur der Unterschied zwischen den Ausführungsformen
detailliert beschrieben. In der Anordnung der 3 und 4 ist
die Verengung 16 weggelassen. Um zu gewährleisten, die die Beendung
der Einspritzung schnell erfolgt, ist das obere Ende des Ventilnadel 10 so
angeordnet, dass es an einem Kolben 46 angreift, der in
einem zwischen dem Düsenkörper 12 und
dem Abstandsstück 17 eingespannten
Kolbengehäuse 47 angeordnet
ist. Der Kolben 46 besitzt einen Durchmesser, der größer ist
als der der Nadel 10, wobei die obere Endfläche des
Kolbens 46 dem Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 ausgesetzt
ist. Da der Kolben 46 und die Ventilnadel 10 unterschiedliche
Durchmesser haben, ist zwischen ihnen eine Kammer 48 ausgebildet,
deren Volumen abhängig
von der Position der Nadel 10 variiert. Die Feder 22 ist
in der Kammer 48 angeordnet, wobei die Feder dazu dient,
die Ventilnadel 12 gegen ihren Sitz zu drücken, wie
zuvor beschrieben. Um die Entstehung einer hydraulischen Verklemmung
zu vermeiden, wird die Kammer 48 durch einen Kanal 49 in
Richtung der Kammer 33 entlüftet bzw. besitzt in deren
Richtung einen Druckablass, wobei der Kanal 49 durch eine
in der unteren Endseite des Gehäuses 47 vorgesehene
Aussparung 48a mit der Kammer 48 in Verbindung
steht.
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Die
Arbeitsweise der Anordnung ist wie oben beschrieben, mit der Ausnahme,
dass während
der Einspritzung der Kraftstoffdruck in der Abgabekammer 13 nicht
in signifikanter Weise abfällt
und stattdessen die schnelle Beendigung der Einspritzung aufgrund
der Tatsache auftritt, dass die wirksame Fläche des Kolbens 46,
die dem Kraftstoffdruck innerhalb der ersten Steuerkammer 20 ausgesetzt
ist, groß ist
und deshalb die abwärtsgerichtete
Kraft, die auf die Nadel 10 einwirkt, schnell zunimmt,
wenn der Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 steigt. Solch
ein schneller Anstieg hat eine schnelle Bewegung der Nadel 10 in
Anlage an die Sitzfläche
zur Folge, wodurch die Einspritzung beendet wird.
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5 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
der Erfindung, in welcher der Kraftstoffdruck in der ersten und
zweiten Steuerkammer 20, 23 jeweils durch eines
von zwei separaten Stellgliedern 43a, 43b gesteuert
wird. Der Klarheit halber sind die Federn in der ersten und zweiten
Steuerkammer 20, 23 (z.B. 22 und 24 in 2)
in 5 nicht dargestellt. Das erste elektromagnetische
Stellglied 43a umfasst ein Ventilelement 29a,
das in einer Bohrung verschiebbar ist, die in einem Ventilgehäuse 27a vorgesehen
ist. Das Stellglied 43a umfasst einen Anker 45a,
der am Ventilelement 29a befestigt ist, wobei die Beaufschlagung
des Stellglieds 43a mit Energie den Anker 45a anzieht,
was eine Bewegung des Ventilelements 29a weg von seiner
Sitzfläche
bewirkt. Dies ermöglicht
es, dass Kraftstoff in der ersten Steuerkammer 20 über den
Kanal 31 an der Ventilelementsitzfläche vorbei zu niederem Druck
strömen
kann (abgeleitet wird). Der Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 23 wird
in entsprechender Weise gesteuert, indem die Bewegung eines zweiten
Ventilelements 29b mit Hilfe des zweiten Stellglieds 43b gesteuert
wird. Das zweite Ventilelement 29b kann in einer in einem
weiteren Ventilgehäuse 27b vorgesehenen
Bohrung bewegt werden, wobei die Bewegung des zweiten Ventilelements 29b weg
von seiner Sitzfläche
es dem Kraftstoff in der zweiten Steuerkammer 23 ermöglicht,
durch den Kanal 40b (teilweise gezeigt) an der Ventilsitzfläche vorbei
zu niederem Druck zu strömen,
um den Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 23 zu
reduzieren.
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Das
Einspritzventil in 5 wird auf ähnliche Weise betrieben wie
das Einspritzventil in den 1 und 2.
Um die Ventilnadel 10 so von der Sitzfläche weg zu bewegen, dass nur
einige der Auslassöffnungen
freigelegt werden, wird also das erste Ventilelement 29a von
seiner Sitzfläche
weg bewegt, um zu bewirken, dass der Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 verringert
wird. Das zweite Ventilelement 29b verbleibt in Anlage
gegen seine Sitzfläche,
wodurch der Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 23 hoch
bleibt. Unter solchen Umständen wird
die Aufwärtsbewegung
der Ventilnadel 10 durch die obere Endfläche der
Nadel 10 begrenzt, die sich in Anlage an das Anschlagselement 19 bewegt.
Die Wegstrecke, über
welche sich die Nadel bewegt, ist klein genug, um zu gewährleisten,
dass die innere Nadel 14 in Anlage an ihrem Sitz verbleibt,
wodurch die Kraftstoffeinspritzung nur durch einige der Auslassöffnungen
erfolgt.
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Um
eine weitere Bewegung der Ventilnadel 10 zu bewirken, wird
das zweite Ventilelement 29b von seiner Sitzfläche weg
bewegt, um es zu ermöglichen,
dass in der zweiten Steuerkammer 23 befindlicher Kraftstoff
durch den Kanal 40b zu niederem Druck fließt. Dies
bewirkt eine Abnahme im Kraftstoffdruck der zweiten Steuerkammer 23,
wodurch das Angreifen der oberen Endfläche einer Ventilnadel 10 am
Anschlagselement 19 eine Bewegung des Anschlagselements 19 in
Aufwärtsrichtung
bewirkt, wobei die Weiterbewegung der Ventilnadel 10 ausreichend
ist, um die Abhebung der inneren Nadel 14 weg vom Ventilsitz
zu bewirken, so dass die Kraftstoffabgabe durch eine größere Zahl
von Öffnungen möglich wird.
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Die
Beendigung der Kraftstoffeinspritzung kann durch Herunterschaltung
des ersten und des zweiten Stellglieds 43, 43b erreicht
werden, um das erste und zweite Ventilelement 29a, 29b an
seinen jeweiligen Sitz zu bringen, wodurch der hohe Kraftstoffdruck
in der ersten und der zweiten Steuerkammer 20, 23 wiederhergestellt
wird.
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In
jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen werden die Ventilelemente 29, 29a, 29b durch
ein elektromagnetisches Stellglied bewegt. Es ist aber anzumerken,
dass die Ventilelemente auch durch eine piezoelektrische Stellgliedanordnung
bewegt werden könnten.
Zum Beispiel kann das Ventilelement 29 direkt mit einem
piezoelektrischen Stapel verbunden sein, wobei der energetische
Zustand des piezoelektrischen Stapels die Position des Ventilelements 29 und
damit die Stellung steuert, die von der Ventilnadel 10 eingenommen wird.
Alternativ dazu kann sich zwischen dem Ventilelement 29 und
dem piezoelektrischen Stapel eine Dämpfungskolben-Anordnung befinden,
um möglicherweise
auftretende kleine Änderungen
in der axialen Länge
des piezoelektrischen Stapels auszugleichen, die zum Beispiel durch
Wärmeausdehnung verursacht
werden. Das Vorsehen solch eines Kolbens kann zudem zu einem ausfallsicheren
Betrieb des Einspritzventils führen,
weil das Ventilelement 29 auch dann schließlich in
Anlage an die erste Sitzfläche 32 zurückkehrt
und die Kraftstoffeinspritzung beendet wird, wenn das Stellglied
sich in einer Stellung verklemmt, in der es eine relativ kleine
axiale Länge hat.
Da der Stapel zur Steuerung der Bewegung des Ventilelements 29 benutzt
wird und sich das Ventilelement 29 im Betrieb nur um eine
kleine Wegstrecke bewegt, kann der Stapel relativ kleine Abmessungen haben.
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Das
Ventilelement 29 und das zweite Ventilelement 35 sind
in günstiger
Weise so ausgelegt, dass sie sich im Wesentlichen unter ausgeglichenem Kraftstoffdruck
befinden, so dass die absolute Größe der Kraft, die im Betrieb
vom Stellglied ausgeübt
werden muss, relativ klein ist.
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6 veranschaulicht
auf schematische Weise eine alternative Anordnung, in welcher der Kraftstoffdruck
in den zweiten Steuerkammern einer Mehrzahl von Einspritzventilen
auf eine alternative Weise gesteuert wird. In der Anordnung von 6 ist eine
Mehrzahl von Kraftstoffeinspritzventilen 50 so angeordnet,
dass ihre Zuleitungskanäle
mit einer ersten Kraftstoffleitung 51 verbunden sind, die
durch eine geeignete Hochdruckkraftstoffpumpe unter einen geeignet
hohen Druck gesetzt wird. Jedes Einspritzventil 50 umfasst
eine erste Steuerkammer, die angeordnet ist, um Kraftstoff aus dem
Zuleitungskanal aufzunehmen, zum Beispiel auf die gleiche Weise wie
bei den Ausführungsformen,
die zuvor beschrieben wurden. Ein geeignetes elektromagnetisch betätigtes Ventil
ist angeordnet, um die Verbindung zwischen der Steuerkammer und
einem Niederdruck-Ablaufspeicher zu steuern.
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Jedes
Einspritzventil ist zudem mit einer zweiten Leitung 52 verbunden,
wobei die Leitung 52 mit der zweiten Steuerkammer (nicht
dargestellt) jedes Einspritzventils 50 verbunden ist. Der
Druck der zweiten Steuerkammer steuert die Position, die von einem
Anschlagselement eingenommen wird, zum Beispiel wie zuvor beschrieben.
Ein elektromagnetisch oder auf sonstige Weise gesteuertes Ventil 53 steuert
die Verbindung zwischen der zweiten Leitung 52 und einem
Niederdruck-Kraftstoffspeicher.
Ein verengter Durchflusskanal 54 stellt die Verbindung zwischen
der ersten und der zweiten Leitung 51, 52 in eingeschränktem Umfang
her.
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Wenn
sich im Betrieb das Ventil 53 in der gezeigten Stellung
befindet, steht die Leitung 52 unter hohem Druck, wobei
die Leitung 52 durch den verengten Kanal 54 von
der Leitung 51 aus unter Druck gesetzt wird. Es ist deshalb
anzumerken, dass unter der Voraussetzung, dass das elektromagnetisch
betätigbare
Ventil eines jeden Einspritzventils 50 geschlossen ist,
sowohl die erste als auch die zweite Steuerkammer eines jeden Einspritzventils
unter hohem Druck steht. Eine Betätigung des elektromagnetisch
gesteuerten Ventils eines der Einspritzventile macht es möglich, dass
der Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer dieses Einspritzventils 50 abfällt, wodurch
die Bewegung der Nadel dieses Einspritzventils um eine kleine Wegstrecke
zugelassen wird. Es ist anzumerken, dass die Ventilnadel sich nicht
in eine vollständig
angehobene Stellung bewegen kann, da der Druck in der zweiten Steuerkammer hoch
bleibt.
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Wenn
die Ventilnadel in eine vollständig
angehobene Stellung bewegt werden soll, wird das Ventil 53 mit
Energie beaufschlagt, um es dem Kraftstoff zu ermöglichen,
aus der zweiten Leitung 52 in einen Niederdruckspeicher
zu strömen,
wodurch der Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer abfallen kann
und die Bewegung des beweglichen Anschlagselements zugelassen wird.
Dadurch ist die Ventilnadel in der Lage, sich um einen weiteren
Betrag von der Sitzfläche
abzuheben.
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Die
Anordnung in 6 bietet den Vorteil, dass die
Notwendigkeit für
das Ventilelement 35 in den 1 bis 4 und
die Notwendigkeit für
das Ventilelement 29 und das Stellglied 43 in 5 entfällt, wobei
der Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer mit Hilfe des Ventils 53 gesteuert
wird. Dies stellt vor allem bei Systemen, die eine große Zahl
von Motorzylindern aufweisen, einen Kostenvorteil dar.
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Der
Betrieb des Ventils 53 kann im Verhältnis zum Betrieb der Ventile
eines jeden Einspritzventils früh
genug erfolgen, um zu gewährleisten,
dass sich die Nadel im Wesentlichen kontinuierlich in ihre vollständig angehobene
Stellung bewegt. Alternativ dazu kann das Ventil 53 derart
gesteuert werden, dass die Nadel in ihrer Zwischenstellung gehalten wird.
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In 7 ist
eine weitere alternative Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen benutzt werden,
um Teile zu kennzeichnen, die den in den 1 bis 5 gezeigten
entsprechen. Wie in 4 umfasst das Einspritzventil ein
Kolbenelement 46, das mit der Ventilnadel 12 bewegt
werden kann, wobei eine Außenfläche des
Kolbens 46 dem Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 ausgesetzt
ist. An seinem Ende, das der Ventilnadel 12 abgewandt ist,
umfasst der Kolben 46 einen Vorsprung 46a. Das
Anschlagselement 19 und der Vorsprung 46a des
Kolbens 46 bilden zusammen einen Spalt der Breite g, der
im Betrieb dazu dient, das Ausmaß der Bewegung der Ventilnadel 12 von ihrem
Sitz weg zu begrenzen.
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Das
Anschlagselement 19 ist mit einer Blindbohrung 100 versehen,
die eine Federkammer begrenzt, in der eine Druckfeder 102 untergebracht
ist, deren eines Ende gegen das geschlossene Ende der Bohrung 100 anstößt, während sich
das andere Ende der Feder 102 in Anlage mit dem geschlossenen Ende
der Bohrung 18 befindet. Die Feder 102 bringt eine
Vorspannkraft auf das Anschlagselement 19 auf, die dazu
dient, das Anschlagselement 19 in Abwärtsrichtung zu drücken, derart,
dass seine untere Endfläche
gegen einen Sitz zu liegen kommt, der von der oberen Endfläche des
Kolbengehäuses 47 gebildet
wird.
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Das
oberste Ende der Bohrung, innerhalb welcher der Kolben 46 verschiebbar
ist, die untere Außenfläche des
Anschlagselements 19 und die obere Außenfläche des Kolbens 46 bilden
zusammen die erste Steuerkammer 20 für Kraftstoff, wobei die Steuerkammer 20 über den
verengten Kanal 21 mit dem Zuleitungskanal 15 in
Verbindung steht. Die Steuerkammer 20 steht auch mit dem
Kanal 31 in Verbindung, wobei der Kanal 31 eine
Region 31a mit verengtem Durchmesser umfasst, die dazu
dient, die Menge pro Zeiteinheit zu begrenzen, mit der Kraftstoff
durch den Kanal 31 aus der ersten Steuerkammer 20 entweichen
kann.
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Das
Anschlagselement 19 und das geschlossene Ende der Bohrung 18 bilden
zusammen die zweite Steuerkammer 23 für Kraftstoff, die durch den
Einlasskanal 26 mit dem Zuleitungskanal 15 in Verbindung
steht, wobei der Einlasskanal 26 eine Region 26a mit
verengtem Durchmesser aufweist, die dazu dient, die Menge des Kraftstoffstroms
in die Steuerkammer 23 pro Zeiteinheit zu begrenzen. Die Steuerkammer 23 steht
auch mit dem Auslasskanal 40 für Kraftstoff in Verbindung,
wobei der Kanal 40 eine Region 40a mit verengtem
Durchmesser umfasst, die dazu dient, die Menge pro Zeiteinheit zu
begrenzen, mit der Kraftstoff aus der zweiten Steuerkammer 23 entweichen
kann.
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Die
Steuerventilanordnung 106 in den 7 und 8 unterscheidet
sich von der in den 1 bis 5 gezeigten
und nimmt die Form einer 3-Wege-Ventilanordnung
an. Die Steuerventilanordnung 106 umfasst ein Ventilelement 29,
das innerhalb der im Ventilgehäuse 27 vorgesehen
Bohrung 28 verschiebbar ist, wobei das Ventilelement 52 eine
Endregion 29d mit erweitertem Durchmesser umfasst, die
an einer ersten bzw. einer zweiten Sitzfläche 108, 110 zur
Anlage gelangen kann. Die erste Sitzfläche 108 wird durch
das Sitzelement 38 gebildet, das in der Kammer 41 angeordnet
ist, und die zweite Sitzfläche 110 wird
durch die Wand der Bohrung 28 gebildet. Das Sitzelement 38 bildet
mit der oberen Endfläche
des Abstandsstücks 17 eine
im Wesentlichen fluiddichte Dichtung, wobei die Kammer 41 mit
der Kammer 39 in Verbindung steht, die durch eine in der Endfläche des
Abstandsstücks 17 vorgesehene
Aussparung gebildet wird. Da die Kammer 39 mit dem Niederdruck-Abfluss
in Verbindung steht, wenn das Ventilelement 29 weg von
der ersten Sitzfläche 108 bewegt
ist, ist Kraftstoff in der ersten Steuerkammer 20 in der
Lage, durch den Kanal 31 an der ersten Sitzfläche 108 vorbei
in die Kammer 39 und zu niederem Druck zu strömen.
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Wenn
im Betrieb der Zuleitungskanal 15 mit einer geeigneten
Hochdruckkraftstoffquelle verbunden und das Stellglied heruntergeschaltet
ist, nimmt das Ventilelement 29 die in 8 gezeigte
Stellung ein, in der es an der ersten Sitzfläche 108 anliegt. Unter
hohem Druck stehender Kraftstoff wird der ersten und zweiten Steuerkammer 20, 23 jeweils
durch Kanäle 21, 26 zugeführt. Unter
diesen Umständen
wirkt unter hohem Druck stehender Kraftstoff in der Steuerkammer 23 auf
das Anschlagselement 19, um das Anschlagselement 19 in
Anlage mit seinem Sitz zu drücken,
der von der oberen Endfläche
des Kolbengehäuses 47 gebildet
wird. Zusätzlich
wirkt Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 auf
die obere Fläche
des Kolbens 46 und dient in Verbindung mit der Wirkung
der Feder 22 dazu, die Ventilnadel 12 in Anlage
an ihren Sitz zu drücken.
Da während
dieses Betriebsstadiums die Ventilnadel 12 an ihrem Sitz
anliegt, kann also kein in der Abgabekammer 13 befindlicher
Kraftstoff durch den ersten oder den zweiten Satz von Auslassöffnungen 8, 9 in
den Motorzylinder oder in einen anderen Verbrennungsraum strömen. Deshalb
findet keine Kraftstoffeinspritzung statt.
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Damit
eine Kraftstoffeinspritzung durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 beginnen
kann, wird die Stellgliedanordnung mit Energie beaufschlagt, um
eine Bewegung des Ventilelements 29 mit einer relativ hohen
Geschwindigkeit weg von seiner ersten Sitzfläche 108 und in Anlage
an die zweite Sitzfläche 110 zu
bewirken. Während
dieses Betriebsstadiums, bei dem das Ventilelement 29 von
der ersten Sitzfläche 108 abgehoben
ist, kann in der ersten Steuerkammer 20 befindlicher Kraftstoff
durch den Kanal 31 an der ersten Sitzfläche 108 vorbei in die
Kammer 39 und zur Niederdruckableitung entweichen. Der
Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 wird dadurch
verringert. Solange das Ventilelement 29 in Anlage mit
der zweiten Sitzfläche 110 bewegt
worden ist, kann kein in der zweiten Steuerkammer 23 befindlicher
Kraftstoff an der zweiten Sitzfläche 110 vorbei
zu niederem Druck strömen,
wodurch der Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 23 hoch
bleibt.
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Da
der Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 absinkt,
werden die Ventilnadel 12 und der Kolben 46 aufgrund
des Kraftstoffdrucks in der Abgabekammer 13, der auf die
Druckflächen 12a der Ventilnadel 12 wirkt,
gegen die Wirkung des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerkammer 20 in
Aufwärtsrichtung
gedrückt.
Die Bewegung des Kolbens 46 und der Ventilnadel 12 endet,
wenn der Vorsprung 46a des Kolbens 46 an die untere
Außenfläche des Anschlagselements 19 anstößt, da der
hohe Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 23 das Anschlagselement 19 in
seiner Sitzstellung gegen die obere Fläche des Gehäuses 47 hält. Da die
Ventilnadel 12 nur um eine relativ kleine Wegstrecke angehoben
wird, die vom Spalt g begrenzt wird, bewegt sich die Stufe in der
Bohrung, die in der Ventilnadel 12 vorgesehen ist, nicht
in Anlage mit dem vergrößerten Endbereich 14a der
inneren Ventilnadel 14. Die innere Ventilnadel 14 verbleibt
daher an ihrem Sitz, und in der Abgabekammer 13 befindlicher
Kraftstoff kann nicht aus dem zweiten, weiter unten angeordneten
Satz von Auslassöffnungen 9 in
den Motorzylinder strömen. Daher
wird die Ventilnadel 12 während dieses Betriebsstadiums
in eine erste Kraftstoffeinspritzstellung angehoben, in welcher
die Kraftstoffeinspritzung nur durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 erfolgt.
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Es
ist anzumerken, dass während
der anfänglichen
Bewegung des Ventilelements 29 weg von der ersten Sitzfläche 108 etwas
in der zweiten Steuerkammer 23 befindlicher Kraftstoff
durch den Kanal 40, an der zweiten Sitzfläche 110 und
der ersten Sitzfläche 108 vorbei
zur Niederdruckableitung strömen kann.
Doch da die Bewegung des Ventilelements 29 weg von der
ersten Sitzfläche 108 mit
relativ hoher Geschwindigkeit erfolgt, und da die Regionen 26a, 40a der
Kanäle 26, 40 einen
verengten Durchmesser aufweisen, wird der Kraftstoffdruck in der
zweiten Steuerkammer 23 im Wesentlichen aufrechterhalten, so
dass das bewegliche Anschlagselement 19 an seinem Sitz
verbleibt, weshalb die Bewegung der äußeren Ventilnadel 12 durch
das Aufeinandertreffen des Vorsprungs 46a und der unteren
Fläche
des Anschlagselements 19 begrenzt wird.
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Um
die Kraftstoffeinspritzung durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 zu
beenden, wird das Ventilelement 29 von der zweiten Sitzfläche 110 weg
in Anlage an die erste Sitzfläche 108 bewegt, wodurch
die Verbindung zwischen der ersten Steuerkammer 20 und
der Niederdruckableitung unterbrochen wird. Da der Steuerkammer 20 weiterhin
Kraftstoff durch den Kanal 21 zugeführt wird, wird der hohe Kraftstoffdruck
in der Steuerkammer 20 wiederhergestellt. Die abwärts gerichtete,
auf den Kolben 46 und die Ventilnadel 12 einwirkende
Kraft wird daher erhöht,
weshalb die Ventilnadel 12 in Anlage an ihren Sitz bewegt
wird, was die Kraftstoffabgabe durch den ersten Satz von Auslassöffnungen 8 beendet.
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Wenn
es alternativ dazu gewünscht
ist, Kraftstoff durch beide Sätze
von Auslassöffnungen 8, 9 einzuspritzen,
wird das Ventilelement 29 mit relativ niedriger Geschwindigkeit
von der ersten Sitzfläche 108 weg
in Anlage an die zweite Sitzfläche 110 bewegt.
Unter diesen Umständen
kann eine ausreichende Kraftstoffmenge aus der zweiten Steuerkammer 23 durch
den Kanal 40 zur Niederdruckableitung entweichen, um zu
bewirken, dass der Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 23 absinkt.
Zusätzlich
kann, wie oben beschrieben, wenn das Ventilelement 29 von
seiner ersten Sitzfläche 108 weg bewegt
wird, in der ersten Steuerkammer 20 befindlicher Kraftstoff
an der ersten Sitzfläche 108 vorbei
zur Niederdruckableitung strömen,
wodurch bewirkt wird, dass der Kraftstoffdruck in der ersten Steuerkammer 20 reduziert
wird. Der Kraftstoffdruck in der Abgabekammer 13, der auf
die Druckflächen 12a der
Ventilnadel 12 wirkt, bewirkt, dass die Ventilnadel 12 und der
Kolben 46 sich in Aufwärtsrichtung
bewegen, wodurch die Ventilnadel 12 von ihrem Sitz abgehoben wird.
Sobald der Vorsprung 46a des Kolbens 46 am Anschlagselement 19 anstößt, wird
das Anschlagselement 19 veranlasst, sich gegen die Kraft,
die auf dem verringerten Kraftstoffdruck in der zweiten Steuerkammer 23 beruht,
in der Bohrung 18 aufwärts
zu bewegen. Daher ist die Ventilnadel 12 in der Lage, sich
um einen weiteren Betrag von ihrem Sitz weg zu bewegen, wobei die
Bewegung der Ventilnadel 12 endet, wenn die obere Fläche des
Anschlagselements 19 am geschlossenen Ende der Bohrung 18 anstößt.
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Während dieses
Betriebsstadiums wird die Ventilnadel 12 um einen Betrag
von ihrem Sitz weg bewegt, der ausreicht, um zu bewirken, dass die
Stufe in der Bohrung, die in der Ventilnadel 12 vorgesehen
ist, an der erweiterten Endregion 14a der inneren Ventilnadel 14 zur
Anlage kommt. Die Bewegung der Ventilnadel 12 wird daher
auf die innere Ventilnadel 14 übertragen, wodurch sich auch
die innere Ventilnadel 14 von ihrem Sitz abhebt, um es
Kraftstoff in der Abgabekammer 13 zu ermöglichen,
durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 9 zu strömen. Die
Kraftstoffeinspritzung erfolgt daher in erhöhtem Ausmaß, nämlich sowohl durch den ersten
als auch durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 8, 9. Es
ist deshalb anzumerken, dass die Kraftstoffeinspritzmenge und andere
Kraftstoffeinspritzparameter in Abhängigkeit von der Bewegungsgeschwindigkeit des
Ventilelements 29 weg von der ersten Sitzfläche 108 variiert
werden können.
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Um
nach diesem Betriebsstadium die Kraftstoffeinspritzung zu beenden,
wird, wie zuvor beschrieben, die Stellgliedanordnung heruntergeschaltet,
wodurch sich das Ventilelement 29 von der zweiten Sitzfläche 110 weg
in Anlage an die erste Sitzfläche 108 bewegt,
um die Verbindung zwischen der ersten Steuerkammer 20 und
der Niederdruckableitung zu unterbrechen. Der Kraftstoffdruck in
der Steuerkammer 20 nimmt daher zu, und die Kraft, die aufgrund
des Kraftstoffdrucks in der Steuerkammer 20 in Kombination
mit der Kraft der Feder 22 auf den Kolben 46 wirkt,
dient dazu, die Ventilnadel 12 in Abwärtsrichtung in Anlage mit ihrem
Sitz zu drücken, um
die Kraftstoffeinspritzung zu beenden.
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In
einem alternativen Betriebsmodus kann das Ventilelement 29 zwischen
der ersten und der zweiten Sitzfläche 108 und 110 vor
und zurück
bewegt werden, um die Ventilnadel 12 in die zweite Kraftstoffeinspritzstellung
zu bewegen, in welcher sowohl die Ventilnadel 12 als auch
die innere Ventilnadel 14 von ihren jeweiligen Sitzen abgehoben
sind. Die wiederholte Bewegung des Ventilelements 29 zwischen
der ersten und der zweiten Sitzfläche 108 und 110 bewirkt,
dass der Kraftstoffdruck sowohl in der ersten als auch in der zweiten
Steuerkammer 20, 23 reduziert wird, wodurch sich
das Anschlagselement 19 in der Bohrung 18 aufwärts bewegt,
wenn der Vorsprung 46a an der unteren Fläche des
Anschlagselements 19 anstößt. Es ist anzumerken, dass
das Ausmaß der
Ventilnadelbewegung in diesem Betriebsmodus durch wiederholte Bewegung des
Ventilelements 29 gesteuert und nicht von der Bewegungsgeschwindigkeit
des Ventilelements 29 bestimmt wird.
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In
einem weiteren alternativen Betriebsmodus kann das Ventilelement 29 so
betrieben werden, dass es in einer Zwischenposition zwischen der
ersten und der zweiten Sitzfläche 108, 110 gehalten wird,
wodurch der Kraftstoffdruck sowohl in der ersten als auch in der
zweiten Steuerkammer 20, 23 verringert wird. Die
Ventilnadel 12 ist daher in der Lage, sich in ihre zweite
Kraftstoffeinspritzstellung anzuheben, in welcher das Anschlagselement 19 aufgrund des
Angreifens des Vorsprungs 46a des Kolbens 46 an
der unteren Fläche
des Anschlagselements 19 in der Bohrung 18 aufwärts bewegt
wird. Es ist daher anzumerken, dass das Einspritzventil mit einer
Kombination aus einer oder mehreren der vorgenannten Betriebsarten
so betrieben werden kann, dass Kraftstoff je nach den erforderlichen
Kraftstoffeinspritzeigenschaften durch einen Satz oder beide Sätze Auslassöffnungen 8, 9 eingespritzt
werden kann.
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In
einer alternativen Anordnung zu der in 7 und 8 gezeigten
kann der Kanal 21 entfallen, wobei die erste Steuerkammer 20 durch
Leckage zwischen dem Gehäuse 47 und
dem Abstandsstück 17 mit
Hochdruckkraftstoff versorgt wird.
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In
den 9 und 10 wird eine andere Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, in der das Ventilelement 29 mit
Hilfe einer piezoelektrischen Stellgliedanordnung betrieben wird,
die einen piezoelektrischen Stapel 112 umfasst. Der piezoelektrische
Stapel 112 ist in einer in einem Gehäuse 116 ausgebildeten
Kammer 114 untergebracht und weist ein zugehöriges Endplattenelement 118 auf,
das am Ventilelement 29 befestigt oder damit verbunden
ist. Der piezoelektrische Stapel 112 umfasst auch ein Wärmeausdehnungsausgleichselement 120,
das an seinem dem Endplattenelement 118 abgewandt liegenden
Ende angeordnet ist. Das Element 120 weist einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf als das piezoelektrische Material, aus dem der Stapel 112 besteht,
und dient dem Ausgleich der Wärmeausdehnung
des Gehäuses 116.
Das piezoelektrische Material kann typischerweise Bleizirkonattitanat sein,
wobei das Element 120 aus Aluminium und das Gehäuse 116 aus
Stahl geformt sein kann. Das energetische Niveau des piezoelektrischen
Stapels 112, und somit seine axiale Länge, wird gesteuert, indem eine
geeignete Spannung quer über
den Stapel 112 hinweg angelegt wird, wobei das Wegnehmen
von Energie vom piezoelektrischen Stapel 112 eine Abnahme
in der Länge
des Stapels 112 zur Folge hat, was eine Bewegung des Ventilelements 29 von
der ersten Sitzfläche 108 weg
in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110 bewirkt.
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Das
Ventilelement 29 erstreckt sich durch ein Hülsenelement 122,
mit dem es beweglich ist, wobei das Hülsenelement 122 innerhalb
eines erweiterten Bereiches 28b der im Ventilgehäuse 27 vorgesehenen
Bohrung 28 verschiebbar ist. Der Bereich 28b der
Bohrung bildet auch eine Federkammer 124, in der eine Druckfeder 126 untergebracht
ist, wobei die Feder 126 angeordnet ist, um das Ventilelement 29 gegen
die zweite Sitzfläche 110 zu
drücken.
Wenn der piezoelektrische Stapel 112 mit Energie beaufschlagt
ist, nimmt das Ventilelement 29 eine Stellung ein, in der
es an der ersten Sitzfläche 108 anliegt, während das
Wegnehmen von Energie von dem Stapel 112 unter der Wirkung
der Feder 126 die Bewegung des Ventilelements 29 von
der ersten Sitzfläche 108 weg
in Anlage an der zweiten Sitzfläche 110 bewirkt.
Die Kammer 124 steht mit der Niederdruckableitung in Verbindung,
wobei ein Dichtungselement 128 im Bereich 28b der
Bohrung angeordnet ist, um Kraftstoff in der Kammer 124 daran
zu hindern, in die Kammer 114 zu strömen und Schäden am piezoelektrischen Stapel 112 zu
verursachen.
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Um
die Ventilnadel 12 um einen ersten, relativ kleinen Betrag
in eine erste Kraftstoffeinspritzstellung zu bewegen, in welcher
Kraftstoff nur durch den ersten Satz Auslassöffnungen 8 abgegeben
wird, wird Energie in relativ hohem Ausmaß oder relativ schnell vom
piezoelektrischen Stapel 112 genommen. Das Ventilelement 29 bewegt
sich daher mit relativ hoher Geschwindigkeit von der ersten Sitzfläche 108 weg
in Anlage mit der zweiten Sitzfläche 110. Wie
oben in Bezug auf die in 7 und 8 gezeigte
Ausführungsform
der Erfindung beschrieben, hat solch eine relativ schnelle Bewegung
des Ventilelements 29 zur Folge, dass der Kraftstoffdruck
in der ersten Steuerkammer 20 reduziert wird, während in der
zweiten Steuerkammer 23 im Wesentlichen ein hoher Kraftstoffdruck
beibehalten wird. Die Ventilnadel 12 wird daher von ihrem
Sitz weg in die erste Kraftstoffeinspritzstellung bewegt, in der
Kraftstoff nur aus dem ersten Satz von Auslassöffnungen 8 abgegeben
wird, während
die innere Ventilnadel 14 gegen ihren Sitz sitzend verbleibt,
um die Kraftstoffabgabe durch den zweiten Satz von Auslassöffnungen 9 zu
verhindern.
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Die
Ausführungsform
der Erfindung in den 9 und 10 kann
auch in jedem der alternativen Betriebsarten betrieben werden, die
oben beschrieben wurden, zum Beispiel durch Variieren der Bewegungsgeschwindigkeit
des Ventilelements 29, durch wiederholtes Bewegen des Ventilelements 29 vor
und zurück
zwischen der ersten und zweiten Sitzfläche 108, 110,
oder durch Halten des Ventilelements in einer Zwischenposition zwischen
der ersten und zweiten Sitzfläche 108, 110,
indem der piezoelektrische Stapel 112 auf ein mittleres
Energieniveau heruntergeregelt wird. Es ist anzumerken, dass der piezoelektrische
Stapel 112 zur Beendung der Kraftstoffeinspritzung mit
Energie beaufschlagt wird, um die Bewegung des Ventilelements 29 in
Anlage mit seiner ersten Sitzfläche 108 zu
bewirken, wodurch die Verbindung zwischen der ersten Steuerkammer 20 und
der Niederdruckableitung unterbrochen wird.
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In
jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen kann der Zuleitungskanal 15 mit
einer Verengung relativ kleinen Durchmessers versehen werden, die
angeordnet ist, um die Menge zu begrenzen, in welcher Kraftstoff
der Bohrung 11 und der Abgabekammer 13 zugeführt wird.
Aufgrund des Vorhandenseins solch einer Verengung fällt der
Kraftstoffdruck in der Abgabekammer 13 während der
Einspritzung ab, wodurch die Größe der Kraft,
die während
der Einspritzung auf die Ventilnadel 12 wirkt, geringer
ist als jene, die vor Beginn der Einspritzung vorhanden ist.
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Es
ist anzumerken, dass das Einspritzventil mit einer anderen Zahl
von Auslassöffnungen
versehen sein kann als der, die in den beiliegenden Zeichnungen
gezeigt wird, und/oder dass es mit weiteren Sätzen von Auslassöffnungen
versehen sein kann, die andere Axialpositionen auf dem Düsenkörper einnehmen
können.