Technisches Gebiet
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Bei Kraftstoffeinspritzsystemen für luftverdichtende Verbrennungskraftmaschinen werden
heute Einspritzsysteme mit Hochdrucksammelräumen (Common Rail) eingesetzt, um
während den Einspritzungen ein gleichmäßiges, pulsationsfreies Einspritzdruckniveau zu
gewährleisten. Den Zylindern einer luftverdichtenden Verbrennungskraftmaschine sind
jeweils Kraftstoffinjektoren zugeordnet, über die der Kraftstoff in die Brennräume einer
Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird. Der Einspritzverlauf hängt bei den
Einspritzvorgängen u. a. von der Geschwindigkeit ab, mit welcher die Düsennadel im Gehäuse des
Kraftstoffinjektors die Einspritzdüse öffnet bzw. verschließt. Vom Verlauf der
Einspritzung in den Brennraum ist die Abgaszusammensetzung der Verbrennungskraftmaschine
zum Beispiel hinsichtlich der HC-Emissionen in hohem Maße abhängig.
Stand der Technik
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DE 199 10 589 A1 betrifft ein Einspritzventil für eine Brennkraftmaschine. Ein Servoventil
weist ein bewegliches Ventilelement auf, an dem ein Drosselelement in
Kraftstofffließrichtung zur Einspritzdüse ausgebildet ist. Das Drosselelement dient der Beeinflussung der
Anfangsphase der Einspritzung und weist ferner einen kolbenförmigen Ansatz über einer
Nut auf, der in der Hauptphase der Einspritzung aus einer Bohrung austaucht und danach
einen direkten Weg für den Kraftstoff unter Umgehung Drossel freigibt. Mittels dieser
Lösung soll in der Anfangsphase der Einspritzung eine gedrosselte Verbindung zur
Einspritzdüse des Einspritzsystems hergestellt werden. Im weiteren Verlauf des Einspritzvorganges
wird, wenn sich das Servoventil weiter öffnet, unter Umgehung der anfänglich wirksamen
Drossel eine direkte Verbindung zur Einspritzdüse aufgebaut.
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US 5,460,329 bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor mit druckverstärkender
Übersetzung. Dabei gelangt der Kraftstoff über ein als Schieberventil ausgestaltetes
elektromagnetisches Steuerventil zu dem Druckverstärker im Injektor. Über die elektromagnetische
Ansteuerung des Steuerventils wird zu festgelegten Zeiten bzw. Kurbelwellenwinkeln der
Kraftstoff vom Druckverstärker unter hohen Druck gesetzt. Der unter hohen Druck gesetzte
Kraftstoff bewirkt ein Abheben der Ventilnadel des Injektors von ihrem Sitz. Dadurch ist
der Weg für den Kraftstoff zur Einspritzdüse des Injektors freigegeben. DE 199 08 418 C1
bezieht sich auf ein Steuerventil zum Einsatz in einem Speichereinspritzsystem für einen
Dieselmotor. Das Steuerventil umfaßt ein Gehäuse mit einem Eingangsanschluß, einem
Ausgangsanschluß und einem Rücklaufanschluß. Ferner ist ein erstes Sitzventil mit einem
ersten Ventilkörper sowie ein zweites Sitzventil mit einem zweiten Ventilkörper
vorgesehen. Das erste Sitzventil ist zwischen Ausgangsanschluß und Rücklaufanschluß angeordnet
und normalerweise geschlossen, wobei das zweite Sitzventil zwischen Eingangsanschluß
und Ausgangsanschluß normalerweise offensteht. Der zweite Ventilkörper ist koaxial im
ersten Ventilkörper angeordnet.
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US 4,972,997 betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil mit einem axial verschiebbaren,
kolbenförmigen Ventilglied. Das Ventilglied weist dabei an seinem brennraumseitigen Ende eine
konische Ventildichtfläche auf, mit der es mit einer konischen Ventilsitzfläche am
Ventilkörper zusammenwirkt, die am nach innen kragenden Ende der geschlossenen
Ventilbohrung gebildet ist. Dabei bildet eine Berührungskante zwischen der Ventildichtfläche am
Ventilglied und der Ventilsitzfläche eine umlaufende Dichtkante. Diese bei geschlossenem
Einspritzventil gebildete Dichtkante dichtet dabei eine stromaufwärts an der Dichtkante
angrenzenden Druckraum bei geschlossenem Einspritzventil ab. Stromabwärts dieser
Dichtkante ist wenigstens eine in den Brennraum der zu versorgenden Brennkraftmaschine
mündende Einspritzöffnung in der Wand des Ventilkörpers vorgesehen, die dabei von der
Ventilsitzfläche abführt. Die Stellzeiten des Ventilgliedes sind aufgrund der auftretenden
großen hydraulischen Kräfte für schnellschaltende Einspritzventile zu lang. Des weiteren
baut dieses Kraftstoffeinspritzventil aufgrund der Vielzahl von axial
hintereinanderliegenden Bauteilen sehr groß, was die Einsetzbarkeit an Motoren mit geringem zur Verfügung
stehenden Bauraum einschränkt.
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DE 197 44 518 A1 zeigt ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen. Es handelt
sich um ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen mit einem in einem
Ventilkörper angeordneten, axial verschiebbaren Ventilglied, das an seinem dem Brennraum der
Brennkraftmaschine zugewandten Ende eine konische Ventildichtfläche aufweist, mit der
es mit einer konischen Ventilsitzfläche am Ventilkörper zur Steuerung eines Einspritzquerschnittes
zusammenwirkt. Dabei ist das Ventilglied über eine Innenführung
gleitverschiebbar auf einem Zapfen eines ortsfesten Einsatzkörpers geführt.
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Darstellung der Erfindung
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Bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung wird die Druckentlastung über ein
Schaltventil herbeigeführt, welches als 3/3-Wege-Ventil beschaffen ist. Der Ventilkörper
des 3/3-Wege-Schaltventils ist im diesen umgebenden Ventilraum in mehrere Positionen
schaltbar. In einer der Schaltstellungen kann die permanente Druckbeaufschlagung des
Steuerraumes über die Zulaufdrossel durch ein Verschließen dieses Zulaufs unterbrochen
werden, so daß die Druckentlastung des Steuerraumes über die Druckentlastungsleitung
und das in diese integrierte Drosselelement erfolgt. Durch Unterbinden des gleichzeitigen
Zulaufs von der Zulaufdrossel erfolgt lediglich ein Abströmen des Steuervolumens aus
dem Steuerraum, so daß die Düsennadel schneller öffnet, da das gleichzeitige Zuströmen
von Steuervolumen über die Zulaufdrossel abgeriegelt ist.
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In dieser Ausführungsvariante fungiert die in den Ablauf vom Steuerraum der Düsennadel
zugeordnete Drossel bei Druckentlastung des Steuerraumes als Ablauf und bei
Druckbeaufschlagung des Steuerraumes als dessen Zulaufdrossel.
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Ist der Ventilkörper in Kugelform beschaffen, kann dessen Betätigung zum Beispiel über
einen Piezoaktor erfolgen und es können zwei Öffnungsgeschwindigkeiten eingestellt
werden. Neben einem vollständigen Verschließen der Zulaufdrossel in einen unteren Sitz kann
der Ventilkörper in eine Mittelstellung geschaltet werden, bei welcher der Steuerraum zwar
auch druckentlastet wird, jedoch eine gleichzeitige Druckbeaufschlagung des Ventilraums
des Schaltventils gegeben ist, so daß die Druckentlastung des Steuerraums mit geringerer
Geschwindigkeit erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung ist
der Zulauf von einer Hochdruckquelle wie zum Beispiel einem Hochdrucksammelraum
nach wie vor mit einem Zulaufdrosselelement versehen, jedoch ist gemäß dieser weiteren
Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung die Ablaufdrossel in die
Ablaufleitung vom Ventilraum des Ventilkörpers eines 3/3-Wege-Steuerventils verlegt. Mit dieser
Ausführungsvariante kann eine sehr schnelle Druckentlastung des Steuerraumes erzielt
werden, da die Zulaufdrossel vollständig verschlossen werden kann. Auch bei dieser
zweiten Ausführungsvariante läßt sich der Ventilkörper des 3/3-Wege-Steuerventils in eine
Mittelstellung bewegen, wodurch das Abströmen des Steuervolumens aus dem Steuerraum
hingegen auch verlangsamt werden kann.
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Beiden Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Lösung ist gemeinsam, daß der bei
aus dem Stande der Technik bekannten Lösungen permanent wirkende Zulauf von unter
hohem Druck stehenden Kraftstoff von der Hochdruckquelle in den Steuerraum komplett
abgeriegelt werden kann. Dadurch läßt sich bei Druckentlastung des Steuerraumes mit
jeder der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführungsvarianten ein schnelles Auffahren,
d. h. ein schnelles Öffnen der Düsennadel, in diesen erzielen.
Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
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Fig. 1 ein einen Steuerraum einer Düsennadel zugeordnetes Schaltventil mit Druckbe-
und Druckentlastungsleitung für den Steuerraum und
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Fig. 2 ein dem Steuerraum zugeordnetes Schaltventil, dessen Ventilraumzulauf bzw.
Ventilraumablauf jeweils Drosselelemente enthalten.
Ausführungsvarianten
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Fig. 1 ist ein Steuerraum einer Düsennadel zu entnehmen, dem ein Schaltventil
zugeordnet ist, wobei die Druckbe- und Druckentlastungsleitung des Steuerraums mit einem
Drosselelement versehen ist.
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Dieser Ausführungsvariante des der Erfindung zugrundeliegenden Lösungsgedankens ist
entnehmbar, daß in einem Gehäuse 2 eines Injektorkörpers 1 ein Mehrwegeventil 3
aufgenommen ist. Das Mehrwegeventil 3 wird bevorzugt als 3/3-Wege-Steuerventil ausgebildet,
dessen Ventilkörper 4 im dargestellten Ausführungsbeispiel ein kugelförmig ausgebildetes
Element ist. Der Ventilkörper 4 ist im diesen umgebenden Ventilraum 5 im Gehäuse 2 des
Injektorgehäuses 1 in mehrere Schaltstellungen bewegbar.
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Die Betätigung des kugelförmig konfigurierten Ventilkörpers 4 des Mehrwegeventils 3
erfolgt über ein Übertragungselement 6, welches durch einen hier nicht näher dargestellten
Aktor, sei es ein Piezoaktor oder sei es ein Magnetventil betätigbar ist. Anstelle der
aufgezählten Komponenten kann auch ein mechanisch/hydraulischer Übersetzer als
Betätigungselement des Übertragungselementes 6 vorgesehen sein. Das Übertragungselement
durchsetzt eine Bohrung im Gehäuse 2 des Injektorkörpers 1. Zwischen der Außenfläche
des Übertragungselementes 6 und der Bohrung im Gehäuse 2 des Injektors 1 ist ein
Ringraum 8 ausgebildet, von dem aus ein Leckölablauf 9 in den Niederdruckbereich des
Kraftstoffinjektors verläuft. Der Ringspalt 8 zwischen Übertragungselement 6 und Gehäuse 2
des Kraftstoffinjektors 1 fungiert als ein Ringdrosselelement. Daneben mündet in den
Ventilraum 5 im Gehäuse 2 des Injektorkörpers 1 ein Zulauf 13 von einer hier nicht näher
dargestellten Hochdruckquelle wie zum Beispiel eines Hochdrucksammelraumes
(Common Rail).
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In der Darstellung gemäß Fig. 1 ist in den Zulauf 13 von der Hochdruckquelle ein
Zulaufdrosselelement 14 integriert, welches in einem Zulaufdrosselquerschnitt 15 ausgebildet
ist. Der Zulauf 13 mündet auf der dem Übertragungselement 6, mit welchem der
Ventilkörper 4 des Mehrwegeventils 3 betätigbar ist, gegenüberliegenden Seite. Ferner mündet in
den Ventilraum 5 des Mehrwegeventils 3 ein Steuerraumkanal 16. Über den
Steuerraumkanal 16 stehen der Steuerraum 20 und der Ventilraum 5 des Mehrwegeventils 3 in
Verbindung. Der Steuerraum 20 des Kraftstoffinjektors wird von einer Wandung 21 des
Gehäuses 2 begrenzt. In der Wandung 21 des Gehäuses 2 des Injektorkörpers 1 ist zudem eine
Anschlagfläche 22 aufgenommen, die einer oberen Stirnseite 24 einer Düsennadel 23
gegenüberliegt, wobei die Düsennadel 23 im Gehäuse 2 des Injektorkörpers 1 in vertikaler
Richtung gemäß des Doppelpfeils 25 auf und abbewegbar ist. Über den Steuerraumkanal
16 ist der Steuerraum 20 von einem darin eingeschlossenen Steuervolumen in
Entlastungsrichtung 17 druckentlastbar. Ein im Steuerraumkanal 16 aufgenommenes Drosselelement
19 fungiert in Druckentlastungsrichtung 17 in bezug auf den Steuerraum 20 als
Ablaufdrossel, wohingegen das Drosselelement 19 bei umgekehrter Beaufschlagung des
Steuerraumkanals 16 in Belastungsrichtung 18 als Zulaufdrossel zum Steuerraum 20 fungiert.
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Durch Betätigung des Übertragungselementes 6 mittels eines hier nicht dargestellten
Aktorelementes läßt sich der Ventilkörper 4 des Mehrwegeventils 3 in eine erste Schaltstellung
10.1 bewegen. In der ersten Schaltstellung 10.1 liegt die kugelförmige Mantelfläche des
Ventilkörpers 4 am Sitz 10 des Ventilraumes 5 an. In dieser Schaltstellung strömt über den
Zulauf 13 von der Hochdruckquelle unter hohem Druck stehender Kraftstoff, das
Drosselelement 14 im Zulauf 13 passierend, in den Ventilraum 5 ein. Von diesem strömt der unter
hohem Druck stehende Kraftstoff über den Steuerraumkanal 16 in Belastungsrichtung 18das Drosselelement 19 passierend in den Steuerraum 20 ein. Mithin stellt sich im
Steuerraum 20 ein Druckaufbau ein, so daß die Düsennadel 23 in Abwärtsrichtung bewegt wird
und eine oder mehrere Einspritzöffnungen verschließt.
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Ist hingegen der kugelförmig konfigurierte Ventilkörper 4 des Mehrwegeventils 3 in seine
zweite Schaltstellung 11.1, d. h. in seinen unteren Sitz 11 im Ventilraum 5 gefahren, so ist
der Zulauf 13 von der hier nicht dargestellten Hochdruckquelle abgeriegelt. In der
Schaltstellung kann eine sehr schnelle Druckentlastung des Steuerraums 20 über den
Steuerraumkanal 16 in Druckentlastungsrichtung 17 über den Ventilraum 5, den Ringspalt in den
Leckölablauf 9 erfolgen. Je schneller ein Druckabbau im Steuerraum 20 erfolgen kann, ein
desto schnelleres Öffnen der Düsennadel 23 aus ihrem hier nicht dargestellten
düsennadelseitigen Sitz läßt sich erreichen. Von Vorteil bei der Ausführungsvariante gemäß Fig.
1 ist der Umstand, daß eine ansonsten permanent wirkende Zulaufdrossel 14 eines Zulaufs
13 von einer Hochdruckquelle von einem Steuerraumvolumen abgeriegelt werden kann, so
daß sichergestellt ist, daß eine schnelle Druckentlastung im Steuerraum 20 erfolgt.
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Wird hingegen der kugelförmig konfigurierte Ventilkörper 4 in seine Mittelstellung 12
bewegt, so läßt sich das Abströmen des Steuerraumvolumens aus dem Steuerraum 20
verlangsamen, da in Mittelstellung 12 der Zulauf 13, der in den Ventilraum 5 mündet,
offensteht und dadurch ein Gegendruck in bezug auf die Strömungsrichtung des
Steuerraumvolumens aus dem Steuerraum 20 erzeugt wird. Dadurch wird der Steuerraum 20 im Gehäuse
2 des Injektorkörpers 1 langsamer entlastet, d. h. die Düsennadel 23 fährt langsamer in
Richtung auf die an der Wandung 21 ausgebildete Anschlagfläche 22 zu, so daß die
Einspritzöffnungen entsprechend mit einer zweiten, verglichen zur zweiten Schaltstellung 11.2
geringeren Geschwindigkeit langsamer öffnen.
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Der Darstellung gemäß Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsvariante des der Erfindung
zugrundeliegenden Gedankens zu entnehmen, bei dem ein dem Steuerraum zugeordnetes
Schaltventil einen Ventilraum umfaßt, dessen Zu- bzw. Ablauf mit Drosselelementen
versehen sind.
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Analog zur Darstellung gemäß Fig. 1 ist der Ventilraum des Mehrwegeventils 3,
bevorzugt als 3/3-Wege-Steuerventil ausgestaltet, über einen Zulauf 13 mit einem
Drosselelement 14 mit einer hier nicht dargestellten Hochdruckquelle verbindbar. Vom Ventilraum 5
erstreckt sich ein Steuerraumkanal 16 zu einem Steuerraum 20 im Gehäuse 2 des
Injektorkörpers 1, welcher einerseits von einer Wandung 21 des Gehäuses 2 und andererseits von
einer Stirnseite 24 der im Gehäuse 2 des Injektorkörpers 1 in Bewegungsrichtung 25
bewegbaren Düsennadel 23 begrenzt wird. Auch an der gehäuseseitigen Steuerraumwandung
21 des Steuerraumes 20 ist analog zur Darstellung gemäß Fig. 1 eine Anschlagfläche 22
ausgebildet.
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Im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 1 umfaßt der Steuerraumkanal 16, der den
druckentlastbaren Steuerraum 20 mit dem Ventilraum 5 verbindet, kein Drosselelement.
Der Steuerraumkanal 16 ist lediglich in eine Druckentlastungsrichtung 17 in bezug auf den
Steuerraum 20 sowie in eine Belastungsrichtung 18 mit einem Fluid, zum Beispiel
Kraftstoff beaufschlagbar. Im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 1 ist das gemäß Fig. 1
im Steuerraumkanal 16 aufgenommene Drosselelement 19 nunmehr im vom Ringspalt 8
zwischen Übertragungselement 6 und Gehäuse 2 abzweigenden Leckölablauf 9 integriert.
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Am Ventilraum 5, welcher den kugelförmig konfigurierten Ventilkörper 4 des
Mehrwegeventils 3 umschließt, sind ein oberer Sitz 10 entsprechend einer ersten Schaltstellung 10.1
sowie ein diesem gegenüberliegender unterer Sitz 11 ausgebildet, in welchen der
Ventilkörper 4 des Mehrwegeventils 3 in eine zweite Schaltposition 11.1 stellbar ist. Im in Fig.
2 dargestellten Zustand ist der Ventilkörper 4 des Mehrwegeventils 3 in eine Mittelstellung
12 geschaltet.
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Die Schaltstellungen 10.1, 11.1 bzw. 12 des Ventilkörpers 4 entsprechen im wesentlichen
den Schaltstellungen 10.1, 11.1 bzw. 12, die bereits im Zusammenhang mit der Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 beschrieben wurden.
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Im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 1 ist durch die Entfernung des
Drosselelementes 19 aus dem Steuerraumkanal 16, der Steuerraum 20 und Ventilraum 5 miteinander
verbindet, eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Steuerraumvolumens vom
Steuerraum 20 in den Ventilraum 5 des Mehrwegeventils 3 erzielbar. Dadurch läßt sich eine im
Vergleich zur Darstellung gemäß Fig. 1 nochmals erhöhte Strömungsgeschwindigkeit bei
der Druckentlastung des Steuerraumes 20 erzielen.
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Auch gemäß der Ausführungsvariante nach Fig. 2 verschließt das in seine zweite
Schaltstellung 11.1 gestellte Mehrwegeventil 3 den ansonsten permanent wirkenden Zulauf von
Kraftstoff über den Zulauf 13 von einer hier nicht dargestellten Hochdruckquelle in den
Ventilraum 5 und von dort über den Steuerraumkanal 16 in den Steuerraum 20. Der Zulauf
13 wird in der zweiten Schaltstellung 11.1 des Ventilskörpers 4 des Mehrwegeventils 3
komplett abgeschaltet. Damit wird erreicht, daß sich kein Bypass während der Einspritzung
einstellt; daneben ist in der Mittelstellung 12 des Ventilkörpers 4 im Ventilraum 5
zwischen dem oberen Sitz 10 und dem unteren Sitz 11 eine Variationsmöglichkeit gegeben,
wodurch ein schnelles und langsames Öffnen erreicht werden kann, nimmt der Ventilkörper
4 seine Mittelstellung 12 gemäß der Darstellung in Fig. 2 zwischen oberem Sitz 10
und unterem Sitz 11 ein.
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Bei einem schnelleren Öffnen der Düsennadel, d. h. bei schneller Druckentlastung des
Steuerraums 20 und einem damit verbundenen schnellen Auffahren der Düsennadel 23 in
vertikale Richtung entsprechend des Bewegungspfeils 25 bei vollständiger Abriegelung
des Zulaufs 13 von der Hochdruckquelle, kann eine Druckentlastung des Steuerraumes 20
mit einer ersten höheren Geschwindigkeit erfolgen, wenn im Steuerraumkanal 16 gemäß
der Darstellung in Fig. 2 kein Drosselelement 19 aufgenommen ist. Wird der Ausführungsvariante in Fig. 2 der Ventilkörper 4 in seine Mittelstellung 12 gefahren, so läßt sich
eine etwas langsamere Druckentlastungsgeschwindigkeit in Druckentlastungsrichtung 17
im Steuerraumkanal 16 in den Ventilraum 5 einstellen. Dies trifft im wesentlichen auch auf
die Ausführungsvariante gemäß der Darstellung in Fig. 1 zu, wobei die
Abströmgeschwindigkeit des Steuerraumvolumens aus dem Steuerraum 20 dadurch im Vergleich zur
Lösung gemäß Fig. 2 herabgesetzt ist, daß im Steuerraumkanal 16 ein Drosselelement 19
aufgenommen ist. Dieses befindet sich gemäß der Lösung nach Fig. 2 im Leckölablauf 9
niederdruckseitig hinter dem Ventilraum 5 des vorzugsweise als 3/3-Wege-Steuerventils
konfigurierten Mehrwegeventils.
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Das mit den dargestellten Ausführungsvarianten gemäß Fig. 1 und 2 erzielbare schnelle
Öffnen der Düsennadel 23 aus ihrem Sitz führt zur Reduzierung von Abgasemissionen
einer solcherart betriebenen selbstzündenden Brennkraftmaschine. Durch die Mittelstellung
12, in welche der Ventilkörper 4 des Mehrwegeventils 3 stellbar ist, kann auch ein
langsames Öffnen der Düsennadel 3 in den Steuerraum 20 und dadurch bedingt eine langsamer
erfolgende Freigabe der Einspritzöffnung erzielt werden. Dies gibt die Möglichkeit, den
Einspritzverlauf zu formen und an den Fortschritt der Verbrennung im Brennraum der
Verbrennungskraftmaschine anzupassen.
Bezugszeichenliste
1 Injektorkörper
2 Gehäuse
3 3/3-Wege-Ventil
4 Ventilkörper
5 Ventilraum
6 Übertragungselement
7 Piezostelleinrichtung
8 Ringspalt
9 Leckölablauf
10 oberer Sitz
10.1 erste Schaltstellung
11 unterer Sitz
11.1 zweite Schaltstellung
12 Mittelstellung
13 Zulauf
14 Zulaufdrossel
15 Zulaufdrosselquerschnitt
16 Steuerraumkanal
17 Entlastungsrichtung
18 Belastungsrichtung
19 Drosselelement
20 Steuerraum
21 Gehäusewandung
22 Anschlagfläche
23 Düsennadel
24 Düsennadel-Stirnfläche
25 Bewegungsrichtung