Technisches Gebiet
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Bei Kraftfahrzeugen mit luftverdichtenden Verbrennungskraftmaschinen werden
Kraftstoffeinspritzsysteme verwendet, deren Kraftstoffinjektoren über Zwischenschaltung von
Hochdrucksammelräumen (Common rail) mit Kraftstoff beaufschlagt werden.
Einspritzbeginn und Einspritzmenge werden mit dem elektrisch ansteuerbaren Injektor eingestellt. Die
Kraftstoffinjektoren werden, ohne wesentliche Modifikationen am Zylinderkopf der
Verbrennungskraftmaschine vornehmen zu müssen, an diesen angebaut. Je nach Einsatzzweck,
ob an Personenkraftwagen oder an Nutzfahrzeugen, kann durch die jeweils eingesetzten
Injektoren Einfluss auf den Verlauf der Einspritzung genommen werden.
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Stand der Technik
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EP 0 987 432 A2 betrifft einen Kraftstoffinjektor. Dieser umfasst eine Düsennadel, welche
über ein Federelement in ihren Sitz gedrückt wird. Die Stirnfläche der Düsennadel wird
über den Kraftstoffdruck in einem Steuerraum beaufschlagt, in welchem Kraftstoff über
eine Versorgungsleitung einströmt, in der ein Drosselelement aufgenommen ist. Im
Kraftstoffinjektor ist ferner ein Ablaufventil aufgenommen, welches das Ablaufen des
Kraftstoffs von der Versorgungsleitung in einen Niederdruckbereich steuert, ferner ein
Steuerventil, welches die Verbindung zwischen Steuerraum und dem Niederdruckbereich freigibt
oder verschließt. Das Ablaufventil und das Steuerventil werden über einen gemeinsamen
elektromagnetischen Aktor betätigt. Der Aktor ist in einem Gehäuse aufgenommen,
welches das Ablaufventil und das Steuerventil umschließt. Das Steuerventil, das Ablaufventil
und der Aktor sind so angeordnet, dass im deaktivierten Zustand das Ablaufventil und das
Steuerventil in ihrer jeweiligen Offenstellung stehen. Wird der Aktor in eine erste Stellung
bewegt, welche einem ersten Stromniveau entspricht, wird das Ablaufventil geschlossen,
während das Steuerventil in seiner Offenstellung verbleibt. Wird der elektromagnetische
Aktor hingegen weiterbestromt und erreicht ein zweites, höherliegendes
Bestromungsniveau, wird auch das Steuerventil geschlossen.
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Mit dieser Lösung wird die Einspritzung durch die Deaktivierung des Aktors beendet,
wobei das Ablaufventil zunächst öffnet. Da kurz vor dem Öffnen des Ablaufventils das
Steuerventil noch offen steht, kann der Druck, gegen den das Federelement der Düsennadel
beim Schließen der Düse arbeitet, abgesenkt werden, so dass ein schnelleres
Nadelschließen erzielbar ist.
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EP 0 994 248 A2 bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor mit Einspritzverlaufformung
durch einen Piezoaktor. Am Injektorkörper des Kraftstoffinjektors ist eine Einspritzöffnung
ausgebildet. Im Injektorkörper ist eine Düsennadel bewegbar aufgenommen, die zwischen
einer Freigabestellung der Einspritzöffnung und einer Schließstellung der Einspritzöffnung
hin- und her bewegbar ist. Ein piezoelektrischer Aktor ist im Injektorkörper aufgenommen
und zwischen einer aktiven und einer inaktiven Position bewegbar. Mittels eines
Kupplungselementes sind die Düsennadeln und der piezoelektrische Aktor miteinander
verbunden, um die Bewegung des piezoelektrischen Aktors in eine größere Bewegung der
Düsennadel bei deren Hub im Injektorkörper umzuwandeln.
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DE 197 15 234 A1 bezieht sich auf ein magnetventilgesteuertes Kraftstoffeinspritzventil
für Speichereinspritzsysteme von mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen. Dieses umfasst
eine in jedes Ventilgehäuse einer federbelasteten Düsennadel führende und durch einen
Steuerblock mit Ventilfunktion absperrbare Zuführleitung. Ferner ist eine sich in einem
Federraum abstützende und die Düsennadel auf ihren Nadelsitz drückende
Düsennadelfeder vorgesehen, ferner ein auf der Rückseite des unter Systemdruck stehenden
Steuerkolbens angeordneter Steuerraum sowie ein Magnetventil, durch das der Steuerraum mit einer
Entlastungsleitung verbindbar und gleichzeitig zur Einspritzung die Absperrung der zur
Düsennadel führenden Zuführleitung durch einen Ansteuerkolben angeordnetes
Hochdruckventil aufhebbar ist. Zwischen der Zuführleitung und der Entlastungsleitung erstreckt
sich eine gedrosselte Leitungsverbindung, wobei die Leitungsverbindung ein mit dem
Magnetventil in Rückverbindung stehendes Leckageventil umfasst, durch das während der
Einspritzung die Leitungsverbindung unterbrochen werden kann.
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Darstellung der Erfindung
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Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lässt sich die Bewegung der
Düsennadel im Injektorgehäuse eines Kraftstoffinjektors durch Steuerung der Druckentlastung eines
im Injektorgehäuse integrierten Steuerraums herbeiführen, wobei der Steuerraum über zwei
Ablaufdrosseln druckentlastet werden kann. Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung kann ein Ventilglied eines 3/2-Weg-Ventils zwischen individuellen Schaltstufen
hin- und her geschaltet werden, wobei sich das Ventilglied an einem ersten Sitz im
Ventilraum sowie in einen zweiten Sitz im Ventilraum sowie eine Zwischenstellung zwischen
den Sitzen schalten lässt. Dazu lässt sich das 3/2-Weg-Ventil mittels eines Piezoaktors oder
eines Magnetventils betätigen.
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In einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung kann die den Steuerraum mit
unter hohem Druck stehenden Steuervolumen beaufschlagende Zulaufdrossel unmittelbar
in den Steuerraum, der eine Düsennadelstirnfläche beaufschlagt, münden; eine andere
Möglichkeit besteht darin, eine Zulaufdrossel im Injektorkörper zu positionieren, so dass
diese den Ventilraum eines 3/2-Weg-Ventils beaufschlagt und ein oder beide Ablaufkanäle
mit integrierten Ablaufdrosseln als Zuläufe mit Zulaufdrosseln zum Steuerraum genutzt
werden können.
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Mit den erfindungsgemäßen Lösungsvarianten kann ein Ansteuern eines zum Beispiel
kugelförmig konfigurierten Steuerventilkörpers in einen zweiten Sitz oder eine
Zwischenstellung zwischen zwei Sitzen erzielt werden, sodass sich eine langsamere Druckentlastung
des Steuerraumes über lediglich eine Ablaufdrossel oder eine schnellere Druckentlastung
des Steuerraumes über zwei geöffnete Ablaufkanäle mit darin aufgenommenen
Ablaufdrosselelementen erzielen lässt. Über das Vorsehen einer zweiten Ablaufdrossel zum die
Düsennadel des Kraftstoffinjektors beaufschlagenden Steuerraum lässt sich ein
individuelles Öffnen und Schließen der Düsennadel einstellen, so dass die Einspritzrate, mit der der
Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt wird,
dementsprechend beeinflusst werden kann.
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Daneben ist eine Beeinflussung des Düsennadelhubes durch schnellen Druckaufbau und
schnelle Druckentlastung auch dadurch möglich, dass die den Steuerraum entlastenden
beiden Ablaufdrosseln mittels eines 3/3-Wege-Steuerventiles auch als Zulaufdrosseln
beziehungsweise Zulaufkanäle einsetzbar sind. Dadurch kann ein Druckaufbau sowohl über
beide Drosseln als auch über eine der beiden Drosseln folgen, sodass der Düsennadel über
eine in den Düsenraum hineinragende Druckstange beziehungsweise deren Stirnfläche
zwei Schließgeschwindigkeiten aufgeprägt werden können.
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Beide Ausführungsvarianten des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens erlauben
somit eine Einspritzverlaufsformung durch Erzeugung einer Boot-Phase oder eines
rampenförmigen Einspritzverlaufes. Die Einspritzverlaufsformung stellt einerseits ein probates
Mittel dar, das Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine positiv zu beeinflussen,
indem Einspritzungen gegen Ende der Verbrennung, die zu hohen HC-Emissionen führen
würden, vermieden werden.
Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher beschrieben.
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Es zeigt:
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Fig. 1 eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung mit
3/2-Wege-Ventil und in den Steuerraum mündender Zulaufdrossel,
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Fig. 2 die Gegenüberstellung sich einstellender Einspritzraten abhängig von der
Schaltstellung des Ventilkörpers gemäß der Ausführungsvariante in Fig. 1 und
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Fig. 3 eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Lösung, bei der die
Zulaufdrossel in den Ventilraum eines 3/3-Steuerventiles mündet.
Ausführungsvarianten
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Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung mit 3/2-Wege-Ventil und in den Steuerraum direkt mündender Zulaufdrossel.
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Gemäß der Darstellung in Fig. 1 umfasst ein Injektorgehäuse 1 eines Kraftstoffinjektors
zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine einen
Ventilraum 3. In der Ausführungsvariante gemäß Fig. 1 ist im Ventilraum 3 im
Injektorgehäuse 1 ein kugelförmig konfigurierter Steuerventilkörper 6 eines 3/2-Weg-
Steuerventiles 5 aufgenommen. Wie bei einem hier nicht dargestellten Steller, sei es einem
Piezoaktor oder ein schnell schaltendes Magnetventil, wird der Steuerventilkörper 6 des
3/2-Wege-Steuerventiles über ein schematisch dargestelltes Übertragungselement 2
betätigt. Das Übertragungselement 2 durchsetzt eine Ablaufbohrung 4 im Injektorgehäuse 1,
über welches in den Ventilraum 3 abgesteuertes Steuervolumen bei Druckentlastung eines
Steuerraumes 21 abströmen kann.
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Am Ventilraum 3 im Injektorgehäuse 1 ist ein erster Sitz 7 ausgebildet, dem ein zweiter
Sitz 8 gegenüberliegt. In gestrichelter Darstellung ist eine Zwischenstellung 9
wiedergegeben, in welche der Steuerventilkörper 6 des 3/2-Wege-Steuerventiles 5 mittels des
Übertragungselementes 2 stellbar ist. In den Ventilraum 3 im Injektorgehäuse 1 mündet ein erster
Ablaufkanal 10 des Steuerraumes 21. In diesen ist eine erste Ablaufdrossel 12 integriert,
die in einem Drosselquerschnitt 13 ausgebildet ist. Weiterhin erstreckt sich vom
druckentlastbaren Steuerraum 21 ein zweiter Druckablaufkanal 14, in welchem eine zweite
Ablaufdrossel 15 aufgenommen ist. Die zweite Ablaufdrossel 15 ist in einem Drosselquerschnitt
16 ausgebildet; der Querschnitt des mit einem Knie 11 versehenen Ablaufkanals 14 ist mit
Bezugszeichen 18 gekennzeichnet. Auch der zweite Ablaufkanal 14 mündet in den
Ventilraum 3, in welchem der Steuerventilkörper 6 aufgenommen ist.
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In der Ausführungsvariante gemäß der Darstellung in Fig. 1 wird der Steuerraum 21 im
Injektorgehäuse 1 über eine Zulaufdrossel 19 mit einem Steuervolumen aufschlagt. Die
Zulaufdrossel 19 ist in einen Zulauf 20, der sich von einem nicht dargestellten
Hochdrucksammelraum (Common rail) aus erstreckt, integriert. Der Steuerraum 21 wird einerseits
durch eine Wandung 22 des Injektorgehäuses 1 begrenzt, andererseits ist der Steuerraum
21 durch eine Stirnfläche 24 einer Druckstange 23 begrenzt, die ihrerseits die
Vertikalbewegung einer in Fig. 1 nicht dargestellten Düsennadel im Injektorgehäuse 1 des
Kraftstoffinjektos steuert.
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Wird der Steuerventilkörper 6 des 3/2-Wege-Steuerventiles 5 über das
Übertragungselement 2 in seinem ersten Sitz 7 gestellt, ist der Steuerraum 21 ablaufseitig geschlossen.
Über die Zulaufdrossel 19 und den Zulauf 20 vom Hochdrucksammelraum (Common rail)
steht hoher Druck im Steuerraum 21 an, der die Druckstange 23 und damit die Düsennadel
im Injektorgehäuse 1 in ihre Schließstellung zwingt. Wird nach Betätigung des hier nicht
dargestellten Aktors der Steuerventilkörper 6 des 3/2-Wege-Steuerventiles 5 über das
Übertragungselement 2 in seinen zweiten Sitz 8 gestellt, wird der erste Ablaufkanal 10
verschlossen, so dass eine Druckentlastung des Steuerraumes 21 nur über die
Ablaufdrossel 15 im zweiten Ablaufkanal 14 erfolgt. Die Druckentlastung des Steuerraumes 21 ist
vom Ablaufdrosselquerschnitt 16 des im zweiten Ablaufkanal 14 aufgenommenen
Ablaufdrosselelementes 15 abhängig. Entsprechend der Druckentlastung des Steuerraumes 21
durch abströmendes Steuervolumen über den zweiten Ablaufkanal 14 in den Ventilraum 3,
erfolgt ein Auffahren der Druckstange 23 in den Steuerraum 21, so dass die Düsennadel
mit einer ersten Öffnungsgeschwindigkeit öffnet.
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Wird hingegen über den nicht dargestellten Aktor und das Übertragungselement 2 der
Steuerventilkörper 6 des 3/2-Wege-Steuerventiles 5 in eine in gestrichelter Darstellung
wiedergegebene Mittelstellung 9 gefahren, sind beide Ablaufkanäle 10 beziehungsweise 14
des Steuerraues 21 mit dem Ventilraum 3 verbunden, so dass eine schnellere
Druckentlastung des Steuerraumes 21 durch über zwei Ablaufkanäle 10 beziehungsweise 14 erfolgendes
Abströmen von Steuervolumen erfolgen kann. In diesem Falle öffnet die über die
Druckstange 23 betätigte Düsennadel schneller.
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Aus der Darstellung gemäß Fig. 2 geht eine Gegenüberstellung sich einstellender
Einspritzraten abhängig von der Schaltstellung des Ventilkörpers gemäß der in Fig. 1
wiedergegebenen Ausführungsvariante hervor.
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Wird der Steuerventilkörper 6 des 3/2-Wege-Steuerventiles 5 von seinem ersten Sitz 7
unmittelbar in seinen zweiten Sitz 8 gemäß des geschlossenen Kurvenzuges im unteren
Diagramm der Darstellung nach Fig. 2 gestellt, erfolgt ein allmählicher Einstieg der
Einspritzrate gemäß des im oberen Diagramm der Darstellung gemäß Fig. 2 gezeigten, in
durchgezogenen Linien wiedergegebenen Kurvenzuges 50. Es stellt sich demnach ein
langsamer Druckabbau im Steuerraum 21 über den Ablaufkanal 14 in dem Ventilraum 3 ein,
der ein allmähliches Öffnen der Düsennadel durch die in den Steuerraum 21 einfahrende
Druckstange 23 zur Folge hat.
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Wird der Steuerventilkörper 6 des 3/2-Wege-Steuerventiles 5 hingegen entsprechend des
im unteren Diagramm der Darstellung nach Fig. 2 mit 43' bezeichneten Verlaufs der
Schaltstellungen in eine Mittelstellung 9 gefahren, erfolgt eine Einspritzung, die im oberen
Diagramm der Darstellung gemäß Fig. 2 mit dem Kurvenzug 43 in punktförmiger
Darstellung wiedergegeben ist. Durch den in Mittelstellung 9 gefahrenen Ventilkörper 6 des
3/2-Wege-Steuerventiles 5 erfolgt eine schnellere Druckentlastung des Steuerraumes 21,
der eine schnellere Öffnungsbewegung der Düsennadel zur Folge hat, da sich durch
schnellere Druckentlastung des Steuerraumes 21 die Druckstange 23 schneller in diesen
bewegt und die Düsennadel daher schneller öffnet. Am Durchschaltezeitpunkt 48 wird der
Ventilkörper 6 in seinen zweiten Sitz 8 geschaltet, so dass sich dem Durchschaltezeitpunkt
ein langsamer Druckabbau im Steuerraum 21 vollzieht, was eine Verlangsamung der
Öffnungsbewegung der Düsennadel im Injektorgehäuse 1 nach sich zieht.
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Wird der Ventilkörper 6 des 3/2-Wege-Ventils zunächst von seinem ersten Sitz 7 in seinen
zweiten Sitz 8 geschaltet, erfolgt gemäß der strichpunktierten Linie 44 im oberen
Diagramm in Fig. 2 ein rampenförmiger, dem Einspritzratenanstieg 40 entsprechender
Anstieg der Einspritzrate. Erfolgt dann eine weitere Ansteuerung des Ventilkörpers 6, um
diesen mittels des Übertragungselementes 2 in seine Mittelstellung 9 zwischen dem ersten
Sitz 7 und dem zweiten Sitz 8 zu überführen, folgt gemäß des mit Bezugszeichens 44
bezeichneten Einspritzratenverlaufes im oberen Diagramm der Darstellung nach Fig. 2 eine
abrupte Erhöhung der Einspritzrate auf ihren Maximalwert, da nun die Düsennadel über die
Druckstange 23 in den Düsenraum 21 mit höherer Geschwindigkeit auffährt.
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Fig. 3 stellt eine 2. Ausführungsvariante dar, bei der die Zulaufdrossel den Ventilraum
eines 3/3-Wege-Steuerventiles mündet.
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In der Darstellung gemäß Fig. 3 ist der druckentlastbare Steuerraum 21 über zwei
Ablaufkanäle 10 beziehungsweise 14 sowohl in Entlastungsrichtung zum Ventilraum 3, als
auch in Zulaufrichtung 26 zum Düsenraum 21 steuerbar. Im Ventilraum 3 münden neben
den Ablaufkanälen 10 beziehungsweise 14 mit darin aufgenommenen Ablaufdrosseln 12
beziehungsweise 15 die Zulaufdrossel 19 vom Zulauf 20 des Hochdrucksammelraumes
(Common rail). Der Ventilkörper 6 eines 3/3-Wege-Steuerventiles 256 ist analog zur
Darstellung der ersten Ausführungsvariante in Fig. 1 als kugelförmiger Körper konfiguriert
und im Ventilraum 3 in einen ersten Sitz 7 beziehungsweise in einen zweiten Sitz 8
stellbar. Dazu wird der Steuerventilkörper 6 des 3/3-Wege-Steuerventiles 25 mittels eines
Übertragungselementes 2 betätigt, welches über einen hier nicht dargestellten Aktohr, sei
es ein Piezoaktor oder ein Magnetventil, betätigt werden kann. Analog zur Darstellung des
ersten Ausführungsbeispieles durchsetzt das Übertragungselement 2 eine Leckölablauf 4
und begrenzt durch die so gebildete Drosselstelle das Ablaufvolumen aus dem Ventilraum
3, in welchem der vorzugsweise kugelförmig konfigurierte Steuerventilkörper des 3/3-
Wege-Steuerventiles 25 aufgenommen ist.
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Die Wirkungsweise der zweiten in Fig. 3 dargestellten Ausführungsvariante wird
nachfolgend beschrieben:
Ist der Ventilkörper 6 des 3/3-Wege-Steuerventiles 25 in seinen ersten Sitz 7 gefahren,
erfolgt eine Druckbeaufschlagung des Steuerraumes 21 über Einschießen des Kraftstoffes
vom Zulauf 20 des Hochdrucksammelraumes über die Zulaufdrossel 19 in den Ventilraum
3 und von dort in Zulaufrichtung 26 über die Drosselelemente 12 beziehungsweise 15 in
den in dieser Schaltstellung als Zulaufkanäle dienenden Kanälen 10 beziehungsweise 14
im Injektorgehäuse 1. Dadurch erfolgt ein Druckaufbau im Steuerraum 21, der sich
entsprechend der Durchflüsse an den Drosselelementen 12 beziehungsweise 15 in den
Kanälen 10 beziehungsweise 14 einstellt. Die Düsennadel wird über Druckbeaufschlagung der
Stirnfläche 24, welche den Steuerraum 21 an seiner Unterseite begrenzt, in ihrer
Schließstellung gefahren und in dieser gehalten.
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Sobald der Steuerventilkörper 6 des 3/3-Weg-Steuerventiles 25 aus seinem ersten Sitz 7
bewegt wird, folgt eine Druckentlastung des Steuerraumes 21 über die nun als
Ablaufkanäle fungierenden Kanäle 10 beziehungsweise 14 im Injektorgehäuse 1. In diesem Falle
erfolgt eine schnelle Druckentlastung des Steuerraumes 21 über beide parallelgeschaltete,
in den Steuerraum mündende Ablaufkanäle 10 beziehungsweise 14. Das abströmende
Steuervolumen richtet sich dabei nach den Querschnitten 13 beziehungsweise 16, in
welchem die Drosseln 12 beziehungsweise 15 ausgestaltet sind, die in den als Ablaufkanälen
fungierenden Kanälen 10 beziehungsweise 14 aufgenommen sind.
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Wird der Steuerventilkörper 6 des 3/3-Wege-Steuerventiles 25 hingegen in seinen zweiten
Sitz 8 gestellt, ist der erste Kanal 10 verschlossen. Ein Druckabbau des druckentlastbaren
Steuerraumes 21 kann in diesem Falle lediglich noch über den als Ablaufkanal
fungierenden Kanal 10 und des darin aufgenommenen Drosselelementes 15 folgen. Die
Öffnungsgeschwindigkeit, die in diesem Falle wesentlich geringer ist als bei in Mittelstellung
geschalteten Steuerventilkörpers 6 des 3/3-Wege-Steuerventiles 25, kann über die
Abstimmung Drosselquerschnitte der Zulaufdrossel 19 mit dem Querschnitt 16 des
Drosselelementes 15 erfolgen. Der Kanal 14 mündet im Ventilraum 3 seitlich neben dem
Steuerventilkörper 6 und wirkt permanent. Bei Rückstellung des Steuerventilkörpers 6 in den ersten
Sitz 7 des Ventilraumes 3 erfolgt die Druckbeaufschlagung des Steuerraumes 21 in
Zulaufrichtung 26, wobei die Drosselelemente 13 beziehungsweise 15 als zweite Zulaufdrossel 27
beziehungsweise dritte Zulaufdrossel 28 wirken.
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Im Unterschied zur Ausführungsvariante gemäß der Darstellung in Fig. 1 ist die
Wandung 30 des druckentlastbaren Steuerraumes 21 mit einer Anschlagfläche 29 ausgebildet,
die als Anschlagfläche für die Stirnseite 24 der Druckstange 23 dient, mit welcher der
Düsennadel, die hier nicht dargestellt ist, eine Vertikalbewegung im Injektorgehäuse 1
aufgeprägt wird.
Bezugszeichenliste
1 Injektorgehäuse
2 Übertragungselement
3 Ventilraum
4 Leckölablauf
5 Steuerventil 3/2
6 Steuerventilkörper
7 erster Sitz
8 zweiter Sitz
9 Mittelstellung
10 erster Kanal
11 Knie
12 Drosselelement
13 Drosselquerschnitt
14 zweiter Kanal
15 Drosselelement
16 Kanalquerschnitt
17 Durchmesser erster Kanal
18 Durchmesser zweiter Kanal
19 1. Zulaufdrossel
20 Zulaufhochdrucksammelraum
21 Steuerraum
22 Steuerraumwandung
23 Druckstange
24 Stirnfläche
25 Steuerventil 3/3
26 Zulaufrichtung
27 2. Zulaufdrossel
28 3. Zulaufdrossel
29 Steuerraumanschlagfläche
30 Gehäusewendung
40 Einspritzratenverlauf
41 Zeitachse
42 Trapez
43 Rampe höheres Niveau
44 Rampe normal Niveau
45 Schaltstellungen Steuerventil
46 erste Haltephase
47 zweite Haltephase
48 Durchschaltezeitpunkt
49 Umschaltung Mittelstellung