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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine in einer Treibstoffeinspritzvorrichtung einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzte Einspritzdüsenkonstruktion gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dessen Merkmale z. B. aus der Druckschrift
DE 101 04 016 A1 bekannt sind.
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Ein Treibstoffeinspritzsystem einer Dieselmaschine der Common-Rail-Bauart sammelt Treibstoff in einer Common-Rail (gemeinsame Kraftstoffleitung) an und liefert den in der Common-Rail angesammelten Treibstoff zu Treibstoffzufuhrdurchtritten von Einspritzdüsen. Das Treibstoffeinspritzsystem der Common-Rail-Bauart spritzt den Treibstoff durch das Öffnen oder Schließen eines Einspritzloches, das in einem spitzen Ende jeder Einspritzdüse ausgebildet ist, mit einer Düsennadel in einen Zylinder ein. Ein Piezoaktuator mit einer guten Erwiderung kann geeignet als Antriebsabschnitt des Einspritzers verwendet werden, wie es zum Beispiel in der Veröffentlichung der ungeprüften Japanischen Patentanmeldung Nr.
JPH 06-280711 A offenbart ist. Der Piezoaktuator stellt eine kleine Verschiebung bereit. Deswegen ist eine Konstruktion zum Vergrößern der Verschiebung mit einem Kolben großen Durchmessers, einem Kolben kleinen Durchmessers und einer Kammer zum Vergrößern der Verschiebung vorgeschlagen. Der Kolben großen Durchmessers hebt oder senkt sich gemäß der Kontraktion oder Ausdehnung des Piezoaktuators. Der Kolben kleinen Durchmessers treibt ein Steuerventil an. Die Kammer zum Vergrößern der Verschiebung ist durch das Einfüllen von Betriebsöl zwischen dem Kolben großen Durchmessers und dem Kolben kleinen Durchmessers bereitgestellt.
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Ein Beispiel einer bekannten Einspritzdüsenkonstruktion mit der Konstruktion zum Vergrößern der Verschiebung ist in 9 bis 10C gezeigt. Der Treibstoff in einem mit der Common-Rail verbundenen Hochdruckdurchtritt 11 wird zu einem Treibstoffsumpf 32 um einen unteren Endabschnitt einer Düsennadel 3 in 9 geliefert und als Einspritztreibstoff verwendet. Während dessen wird der in dem mit der Common-Rail verbundenen Hochdruckdurchtritt 11 vorhandene Treibstoff zu einer Hauptöffnung 51 und einer Düsennadelrückdruckkammer 5 geliefert, deren Kammerwand durch eine Rückfläche der Düsennadel 3 bereitgestellt ist. Der Treibstoff in der Düsennadelrückdruckkammer 5 wird als Steueröl zum Ausüben eines Drucks auf die Düsennadel 3 in einer Ventilschließrichtung verwendet. Das Öffnen und Schließen des Einspritzlochs 34 mit der Düsennadel 3 wird durch ein in einer mit der Düsennadelrückdruckkammer 5 verbundenen Ventilkammer 41 vorgesehenes Ventil 4 gesteuert.
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Wenn eine elektrische Ladung auf einen Piezostapel 7 angewendet wird, um eine Treibstoffeinspritzung durchzuführen, dehnt sich der Piezostapel 7 aus und drückt einen Kolben 72 großen Durchmessers, der die untere Endfläche des Piezostapels 7 berührt, in 9 nach unten. Dementsprechend erhöht sich ein Treibstoffdruck in einer Kammer 73 zur Vergrößerung der Verschiebung und drückt einen Kolben 74 kleinen Durchmessers nach unten. Auf diese Weise wird das das Spitzenende des Kolbens 74 kleinen Durchmessers berührende Ventil 4 von einem oberen Ventilsitz 4c getrennt und gegen einen unteren Ventilsitz 4d gedrückt. Falls das Ventil 4 geöffnet ist, oder falls das Ventil 4 von dem oberen Ventilsitz 4c getrennt ist, fließt der Hochdrucktreibstoff in der Düsennadelrückdruckkammer 5 durch die Hauptöffnung 51 und einen Ausfließdurchtritt 12 hinaus zu einer Niederdruckquelle, wobei der Druck in der Düsennadelrückdruckkammer 5 sinkt. Eine Pfeilmarke L in 9 zeigt einen Fluss des Niederdrucktreibstoffes. Dementsprechend wird die Düsennadel 3 durch den hohen Druck des Treibstoffes in dem Treibstoffsumpf 32 gehoben, der auf die Düsennadel 3 nach oben wirkt.
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Eine andere Pfeilmarke H in 9 stellt den Fluss des Hochdrucktreibstoffes dar. Als Ergebnis wird der Treibstoff aus dem Einspritzloch 34 eingespritzt.
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Falls das Ventil 4 in einem 10A gezeigtem Zustand geöffnet wird, in dem das Ventil 4 auf dem oberen Ventilsitz 4c sitzt, wird das Ventil 4 in einen aus 10B ersichtlichen Zustand gebracht, in dem das Ventil 4 weder auf dem oberen Ventilsitz 4c noch auf dem unteren Ventilsitz 4d sitzt. Danach sitzt das Ventil 4 auf dem unteren Ventilsitz 4d, wie aus 10C ersichtlich ist. In 10A oder 10C stellt „H” einen Hochdruckraum und „L” einen Niederdruckraum dar. In dem aus 10B ersichtlichen Zustand fließt der Hochdrucktreibstoff aus dem mit dem unteren Ventilsitz 4d verbundenen Hochdruckdurchtritt 11 in die Ventilkammer 41 und fließt durch den oberen Ventilsitz 4c in eine Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers. Inzwischen fließt der Hochdrucktreibstoff aus der Düsennadelrückdruckkammer 5 in die Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers. Deswegen wird der Druck in der Kammer 6 unteren dem Kolben kleinen Durchmessers in einem Augenblick erhöht, wenn das Ventil 4 öffnet, wie aus gestrichelten Linie „b” aus 3 ersichtlich ist. Die Linie „b” in 3 zeigt einen Übergang des Drucks P in der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers mit Bezug auf ein Antriebssignal (SIGNAL) in der bekannten Einspritzdüse.
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Der auf diese Weise erhöhte Druck des ausfließenden Treibstoffes wirkt auf eine untere Endfläche eines Flanschabschnitts 74a des Kolbens kleinen Durchmessers 74 in 10B. Deswegen empfängt der Kolben 74 kleinen Durchmessers eine Aufwärtskraft und wird nach oben gedrückt. Der Piezostapel 7 muss die Aufwärtskraft überwinden, um das Ventil anzutreiben und das Ventil 4 auf den unteren Ventilsitz 4d zu setzen. In der Zwischenzeit muss der Piezostapel 7 weiterhin das Ventil 4 gegen den unteren Ventilsitz 4d drücken, um die Einspritzung fortzusetzen. Deswegen besteht hier eine Möglichkeit, dass die Einspritzung ungleichmäßig wird, oder der Piezostapel 7 eine zu große Antriebskraft ausüben muss.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einspritzdüse mit einem hohen Wirkungsgrad und geringen Kosten für eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, die in der Lage ist, die Stabilität der Einspritzung zu verbessern, und die zum Antreiben eines Ventils erforderliche Antriebsenergie zu verringern, und die Einspritzung beizubehalten. Auf diese Weise kann die Größe eines Aktuators oder eines gesamten Körpers der Einspritzdüse verringert werden.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Einspritzdüse gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden gemäß den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, weist ein Einspritzer einer Verbrennungskraftmaschine einen Düsenabschnitt, einen Rückdrucksteuerabschnitt und einen Antriebsabschnitt auf. Der Düsenabschnitt ist mit einem Einspritzloch zum Einspritzen des von einem Treibstoffzufuhrdurchtritt gelieferten Treibstoffes ausgebildet. Der Düsenabschnitt schaltet mit einer Einspritznadel das Einspritzloch zwischen einem offenen Zustand und einem geschlossenen Zustand. Der Rückdrucksteuerabschnitt hat eine Düsensteuerkammer zum Ausüben eines Drucks auf die Düsennadel in einer Ventilschließrichtung. Der Rückdrucksteuerabschnitt schaltet zwischen einem verbundenen Zustand und einem nicht verbundenen Zustand zwischen der Düsensteuerkammer und einer Unterdruckquelle, indem er einen Durchtritt zwischen der Düsensteuerkammer und der Unterdruckquelle mit einem Steuerventil öffnet oder schließt. Der Antriebsabschnitt treibt das Steuerventil an. Der Antriebsabschnitt hat einen Kolben großen Durchmessers, einen Kolben kleinen Durchmessers und eine Kammer zum Vergrößern einer Verschiebung. Der Kolben großen Durchmessers wird durch einen Aktuator angetrieben. Ein Spitzenende des Kolbens kleinen Durchmessers drückt das Steuerventil, um das Steuerventil zu öffnen, und die Düsensteuerkammer mit der Niederdruckquelle zu verbinden. Die Kammer zum Vergrößern der Verschiebung ist zwischen dem Kolben großen Durchmessers und einem Kolben kleinen Durchmessers ausgebildet, in dem ein Betriebsöl zwischen dem Kolben großen Durchmessers und dem Kolben kleinen Durchmessers eingefüllt wird. Die Einspritzdüse ist mit einer stromabwärts liegenden Kammer ausgebildet, die stromabwärts von dem Steuerventil ausgebildet ist und einen halben Abschnitt des Kolbens kleinen Durchmessers auf der Steuerventilseite aufnimmt. Die stromabwärts hegende Kammer wirkt als eine Druckdämpfungskammer zum Unterdrücken eines plötzlichen Druckanstiegs von ausfließendem Treibstoff, der durch die stromabwärts liegende Kammer zu der Niederdruckquelle ausfließt, wenn das Steuerventil offen ist. Die Einspritzdüse ist so ausgebildet, dass zumindest ein Teil eines Druckaufnahmeabschnittes des Kolbens kleinen Durchmessers, der einen Druck von durch die stromabwärts liegende Kammer zu der Niederdruckquelle fließendem ausfließenden Treibstoff aufnimmt, wenn das Steuerventil offen ist, durch ein bewegliches Teil bereitgestellt ist.
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Falls der Kolben kleinen Durchmessers das Steuerventil niederdrückt und öffnet, wenn die Einspritzung durchgeführt wird, fließt der Hochdrucktreibstoff in der Düsensteuerkammer durch die stromabwärts liegende Kammer hinaus zu der Niederdruckquelle. Zu diesem Zeitpunkt wirkt der in der stromabwärts liegenden Kammer fließende, ausfließende Treibstoff in eine Richtung zum Anheben des Kolbens kleinen Durchmessers. Jedoch wirkt in der obigen Konstruktion die stromabwärts liegende Steuerventilkammer als Druckdämpfungskammer und unterdrückt das plötzliche Ansteigen von dem Druck des ausfließenden Treibstoffs. Deswegen wird die auf den Kolben kleinen Durchmessers angewendete Aufwärtskraft verringert und die Einspritzstabilität verbessert. Darüber hinaus ist die zum Beibehalten der Einspritzung erforderliche Antriebsenergie verringert. Als Ergebnis kann die Größe des Aktuators verringert werden und eine Einspritzdüse mit geringen Kosten und hohem Wirkungsgrad bereitgestellt werden.
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Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen wie auch Betriebsverfahren und die Wirkung der betroffenen Teile werden aus einer Studie der folgenden ausführlichen Beschreibung, der angehängten Ansprüche und der Zeichnungen anerkannt, wobei alle einen Teil dieser Anmeldung bilden. In den Zeichnungen zeigt
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1 eine Querschnittsansicht, die eine Einspritzdüse gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht, die eine Einspritzdüse gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
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3 ein Zeitdiagramm, dass den Übergang von Druck in einer Kammer unter dem Kolben kleinen Durchmessers der Einspritzdüse gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
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4 ein Diagramm, dass ein Verhältnis zwischen einem Kammervolumen der Kammer unter dem Kolben kleinen Durchmessers und einer Spitzenkraft zum Heben eines Kolbens gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
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5 eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht, und zeigt eine Einspritzdüse gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6A eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht, die eine Einspritzdüse gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Zustand zeigt, in dem ein Ventil auf einen oberen Ventilsitz gesetzt ist;
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6B eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht, die die Einspritzdüse gemäß der dritten Ausführungsform in einem Zustand zeigt, bei dem das Ventil von dem oberen Ventilsitz und von einem unteren Ventilsitz getrennt ist;
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7 eine Querschnittsansicht, die eine Einspritzdüse gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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8 eine Querschnittsansicht, die die Einspritzdüse aus 7 entlang der Linie VIII-VIII zeigt;
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9 eine Querschnittsansicht, die eine Einspritzdüse gemäß dem Stand der Technik zeigt;
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10A eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht, die die Einspritzdüse gemäß dem Stand der Technik in einem Zustand zeigt, bei dem ein Ventil auf einem oberen Ventilsitz sitzt;
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10B eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht, die die Einspritzdüse gemäß dem Stand der Technik in einem Zustand zeigt, bei dem das Ventil von dem oberen Ventilsitz und einem unteren Ventilsitz getrennt ist; und
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10C eine vergrößerte, teilweise Querschnittsansicht, die die Einspritzdüse gemäß dem Stand der Technik in einem Zustand zeigt, in dem das Ventil auf dem unteren Ventilsitz sitzt.
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(Erste Ausführungsform)
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Mit Bezug auf 1 ist eine Einspritzdüse gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Einspritzdüse 1 der vorliegenden Ausführungsform wird auf ein Treibstoffeinspritzsystem eines Dieselmotors einer Common-Rail-Bauart angewendet. Eine Vielzahl von Einspritzdüsen 1 sind gemäß entsprechender Zylinder des Dieselmotors vorgesehen und empfangen eine Treibstoffzufuhr von einer Common-Rail als Hochdruckquelle, die den vielen Zylindern gemeinsam ist. Der Treibstoff in einem Treibstofftank wird unter Druck durch eine Hochdrucktreibstoffzufuhrpumpe zu der Common-Rail zugeführt, und bei einem vorbestimmten, einem Treibstoffeinspritzdruck entsprechenden Hochdruck in der Common-Rail angesammelt.
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Ein unterer Endabschnitt der Einspritzdüse 1 stellt einen Düsenabschnitt 101 bereit, der eine Düsennadel 3 hat. Die Einspritzdüse 1 ist so montiert, dass der Düsenabschnitt 101 in einer Verbrennungskammer vorspringt. Ein Mittelabschnitt der Düse 1 stellt einen Rückdrucksteuerabschnitt 102 mit einem Ventil 4 als Steuerventil bereit. Ein oberer Endabschnitt der Einspritzdüse 1 stellt einen Antriebsabschnitt 103 mit einem Piezostapel 7 als Piezoaktuator bereit. Der Einspritzer 1 hat ein Gehäuse 2 zum Aufnehmen verschiedener Teile, die den Düsenabschnitt 101, den Rückdrucksteuerabschnitt 102 und den Antriebsabschnitt 103 bestimmen. Das Gehäuse 2 ist mit Durchtritten ausgebildet, wie zum Beispiel einem Hochdruckdurchtritt 11 als Treibstoffzufuhrdurchtritt, der mit der Common-Rail verbunden ist, und einem Ausfließdurchtritt 12, der mit dem Treibstofftank als Niederdruckquelle verbunden ist. In 1 stellt eine Pfeilmarke H einen Fluss des Hochdrucktreibstoffes und eine andere Pfeilmarke L einen Fluss des Niederdrucktreibstoffes dar.
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Der Düsenabschnitt 101 hält die Düsennadel 3, die einen gestuften Abschnitt aufweist, gleitfähig in einem in dem unteren Endabschnitt des Gehäuses 2 ausgebildeten vertikalen Loch 21. Eine ringförmige Ölsumpfkammer 32 ist um einen durch einen unteren, Halbabschnitt der Düsennadel 3 bereitgestellten kleinen Durchmesserabschnitt ausgebildet. Die Ölsumpfkammer 32 ist fortlaufend mit dem Hochdruckdurchtritt 11 verbunden, wobei der Hochdrucktreibstoff von der Common-Rail zu der Ölsumpfkammer 32 zugeführt wird. Ein Sackabschnitt 33 ist unter dem vertikalen Loch 21 so ausgebildet, dass der Sackabschnitt 33 sich von dem vertikalen Loch 21 fortsetzt. Einspritzlöcher 34 zum Einspritzen des Treibstoffes sind durch die den Sackabschnitt 33 bereitstellende Wand ausgebildet.
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Wenn die Düsennadel 3 bei einem unteren Endabschnitt angeordnet ist, sitzt ein kegeliger Spitzenendabschnitt der Düsennadel 3 auf einem Sitzabschnitt 35 und blockiert den Sackabschnitt 33. Der Sitzabschnitt 35 ist durch einen gestuften Abschnitt bei dem Rand zwischen dem Sackabschnitt 33 und dem vertikalen Loch 21 bereitgestellt. Auf diese Weise wird die Treibstoffzufuhr von der Ölsumpfkammer 32 zu den Einspritzlöchern 34 unterbrochen. Fall die Düsennadel 3 sich hebt und von dem Sitzabschnitt 35 getrennt wird, um den Sachabschnitt 33 zu öffnen, wird der Treibstoff eingespritzt.
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Ein durch die obere Endfläche der Düsennadel 3 und die Wandfläche des vertikalen Loches 21 bereitgestellter Zwischenraum stellt die Düsennadelrückdruckkammer 5 als Düsensteuerkammer bereit. Die Düsennadelrückdruckkammer 5 ist fortlaufend durch eine Nebenöffnung 52 mit dem Hochdruckdurchtritt 11 verbunden. Der Treibstoff als Steueröl wird aus dem Hochdruckdurchtritt 11 durch eine Hauptöffnung 51 und eine Ventilkammer 41 in die Düsennadelrückdruckkammer 5 eingebracht, um den Rückdruck der Düsennadel 3 zu erzeugen. Der Rückdruck wirkt nach unten auf die Düsennadel 3. Der Rückdruck und eine in der Düsennadelrückdruckkammer 5 aufgenommene Feder 53 spannen die Düsennadel 3 in eine Sitzrichtung vor, damit die Düsennadel 3 auf dem Sitzabschnitt 35 sitzt. Der Hochdrucktreibstoff in der Ölsumpfkammer 32 wirkt auf eine gestufte Oberfläche und das konische Spitzenende der Düsennadel 3 nach oben, wobei die Düsennadel 3 in eine Trennrichtung zum Trennen der Düsennadel 3 von dem Sitzabschnitt 35 vorspannt wird.
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Der Rückdrucksteuerabschnitt 102 hat das eine Dreiwegventilkonstruktion aufweisende Ventil 4, das in der Ventilkammer 41 vorgesehen ist. Die Düsennadelrückdruckkammer 5 ist fortlaufend durch die Hauptöffnung 51 mit der Ventilkammer 41 in Verbindung. Die Ventilkammer 41 ist mit einer Niederdrucköffnung 42 ausgebildet, die sich in der Mitte von deren Deckenfläche ausbildet. Die Niederdrucköffnung 42 ist mit dem Ausfließdurchtritt 12 durch eine untere Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers als stromabwärts liegende Kammer verbunden. Die Ventilkammer 41 ist durch eine Hochdrucköffnung 43, die sich in der Mitte von deren Bodenfläche öffnet, mit dem Hochdruckdurchtritt 11 verbunden.
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Das Ventil 4 ist in der Form eines Kolbens ausgebildet, der in der Lage ist, sich in 1 in eine vertikale Richtung zu bewegen. Das Ventil 4 weist einen Ventilabschnitt 4a großen Durchmessers auf, der in der Ventilkammer 41 vorgesehen ist, und einen Ventilgleitabschnitt 4b, der in ein vertikales, zu der Hochdrucköffnung 43 führendes Loch gleitet. Ein kleiner Durchmesserabschnitt, der den Ventilabschnitt 4a mit dem Ventilgleitabschnitt 4b verbindet, ist in der Hochdrucköffnung 43 angeordnet. Der Hochdrucktreibstoff fließt durch einen Zwischenraum um den kleinen Durchmesserabschnitt in die Ventilkammer 41. Wenn das Ventil 4 absinkt, sitzt die obere Fläche des Ventilabschnitts 4a auf einem oberen Ventilsitz 4c, der in die Niederdrucköffnung 42 führt, wobei so die Verbindung zwischen der Ventilkammer 41 und der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers oder dem Ausfließdurchtritt 12 unterbrochen ist. Auf diese Weise ist die Düsennadelrückdruckkammer 5 durch die Hauptöffnung 51 und die Ventilkammer 41 mit dem Hochdruckdurchtritt 11 in Verbindung. Als Ergebnis erhöht sich der Rückdruck der Düsennadel 3, wobei die Düsennadel 3 abgesenkt und auf den Sitzabschnitt 35 aufgesetzt wird.
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Wenn das Ventil 4 absinkt, wird die untere, kegelförmige Oberfläche des Ventilabschnitts 4a auf den unteren Ventilsitz 4d auf dem äußeren Umfang der Hochdrucköffnung 43 aufgesetzt, um die Ventilkammer 41 von der Hochdrucköffnung 43 zu unterbrechen. Auf diese Weise ist die Düsennadelrückdruckkammer 5 durch die Öffnung 51 und die Ventilkammer 41 mit der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers mit dem Ausfließdurchtritt 12 verbunden. Als Ergebnis wird der Rückdruck der Düsennadel 3 verringert und die Düsennadel 3 von dem Sitzabschnitt 35 getrennt.
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Falls ein Sitzdurchmesser des oberen Ventilsitzes 4c, ein Sitzdurchmesser des unteren Ventilsitzes 4d und ein Gleitdurchmesser (ein Durchmesser der gleitenden Fläche) des Ventilgleitabschnitts 4b im Wesentlichen gleich sind, ist eine Vorspannkraft des Hochdrucktreibstoffs in der Ventilkammer 41 zum Vorspannen des Ventilabschnitts 4a nach oben im Wesentlichen mit einer Vorspannkraft des Hochdrucktreibstoffs zum Vorspannen des Ventilgleitabschnitts 4b nach unten in einem Zustand ausgeglichen, bei dem das Ventil 4 die Niederdrucköffnung 42 blockiert. Deswegen kann eine Antriebskraft zum Hinunterdrücken des Ventilabschnitts 4a und Trennen des Ventilabschnitts 4a vom dem oberen Ventils 4c zum Einspritzen des Treibstoffes verringert werden. Die Sitzdurchmesser des oberen Ventilsitzes 4c und des unteren Ventilsitzes 4d sollten bevorzugt ein wenig größer sein als der Gleitdurchmesser des Ventilgleitabschnitts 4b. Eine Ventilfeder 44 zum Vorspannen des Ventils 4 nach oben in 1 ist in einem Zwischenraum unter dem Ventilgleitabschnitt 4b des Ventils 4 vorgesehen.
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Der Antriebsabschnitt 103 drückt und treibt das Ventil 4, um einen Betriebszustand des Rückdrucksteuerabschnitts 102 zu schalten. Der Antriebsabschnitt 103 hat den Piezostapel 7 als Piezoaktuator. Ein Kolben 72 großen Durchmessers und ein Kolben 74 kleinen Durchmessers sind koaxial und gleitfähig in einem unter dem Piezostapel 7 ausgebildeten Zylinder 71 vorgesehen. Ein Zwischenraum zwischen dem Kolben 72 großen Durchmessers und dem Kolben 74 kleinen Durchmessers stellt eine Kammer 73 zum Vergrößern einer Verschiebung bereit. Die Vorspannkraft einer Feder 75 des Kolbens kleinen Durchmessers sorgt dafür, dass der Kolben 74 kleinen Durchmessers das Ventil 4 berührt. Diese Teile bilden eine Einheit zum Vergrößern einer Verschiebung. Der Ausfließdurchtritt 12 ist um die Einheit zum Vergrößern einer Verschiebung angeordnet. Der Piezostapel 7 weist im Allgemeinen eine Kondensatorstruktur auf, in der piezoelektrische keramische Schichten, wie zum Beispiel PZT (Bleizirkonattitanat) und Elektrodenschichten abwechselnd gestapelt sind. Der Piezostapel 7 dehnt sich aus oder zieht sich in einer Stapelrichtung oder in der vertikalen Richtung in 1 zusammen. Ein Antriebsschaltkreis 13 steuert die Ladung und Entladung des Piezostapels 7. Ein Steuerschaltkreis 14 gibt gemäß einer Treibstoffeinspritzzeit und Treibstoffeinspritzmenge ein Befehlssignal zu dem Antriebsschaltkreis 13. Eine Feder 76 sorgt dafür, dass der Kolben 72 großen Durchmessers den Piezostapel 7 knapp berührt. Der Kolben 72 großen Durchmessers bewegt sich zusammen mit dem Piezostapel 7 gemäß der Ausdehnung oder Zusammenziehung des Piezostapels 7. Der Treibstoff wird in einem Zwischenraum zwischen dem Kolben 72 großen Durchmessers und dem Kolben 74 kleinen Durchmessers eingefüllt, um die Kammer 73 zum Vergrößern der Verschiebung bereitzustellen. Falls der Piezostapel 7 sich ausdehnt und den Kolben 72 großen Durchmessers drückt, wird die Druckkraft durch den Treibstoff in der Kammer 73 zur Vergrößerung der Verschiebung zu dem Kolben 74 kleinen Durchmessers übertragen. Der Durchmesser des Kolbens 74 kleinen Durchmessers ist geringer als der Durchmesser des Kolbens 72 großen Durchmessers. Deswegen wird die Ausdehnung des Piezostapels 7 vergrößert und in die vertikale Verschiebung des Kolbens 74 kleinen Durchmessers umgewandelt.
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Ein oberer Halbabschnitt des Kolbens 74 kleinen Durchmessers gleitet in dem Zylinder 71. Ein unterer Halbabschnitt des Kolbens 74 kleinen Durchmessers ist in der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers stromabwärts von der Niederdrucköffnung 42 vorgesehen. Ein Flanschabschnitt 74a ist um den unteren Halbabschnitt des Kolbens 74 kleinen Durchmessers ausgebildet. Die Kolbenfeder 75 kleinen Durchmessers ist zwischen dem Flanschabschnitt 74a und einer oberen Wand der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers zum Vorspannen des Kolbens 74 kleinen Durchmessers nach unten vorgesehen. Ein bolzenartiges Spitzenende des Kolbens 74 kleinen Durchmessers berührt die obere Endfläche des Ventils 4 in der Ventilkammer 41. Jeder Einspritzung wird ungleichmäßig, falls das Spitzenende des Kolbens 74 kleinen Durchmessers von dem Ventil 4 direkt vor der Durchführung der Einspritzung entfernt ist. Deswegen ist die Kolbenfeder 75 kleinen Durchmessers vorgesehen, um dafür zu sorgen, dass das Spitzenende des Kolbens 74 kleinen Durchmessers das Ventil 4 fortlaufend berührt.
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Ein Abschnitt des Kolbens 74 kleinen Durchmessers, der in 1 weiter unten ist als der Flanschabschnitt 74a, stellt einen konischen Abschnitt 74b bereit, dessen Durchmesser sich zu dessen Spitzenende verringert. Der konische Abschnitt 74b ist so ausgebildet, dass dessen axiale Länge gleich oder länger ist als ein Durchmesser eines seiner Abschnitte großen Durchmessers, oder eines Durchmessers eines oberen Endabschnitts des konischen Abschnitts 74b. Der bekannte konische Abschnitt ist so ausgebildet, dass dessen axiale Länge kürzer ist als der Durchmesser von dessen Abschnitt großen Durchmessers, um die Größe der Einspritzdüse unter dem Gesichtspunkt zu verringern, dass keine andere Notwendigkeit besteht, als einen Durchtritt auszubilden, der von dem Zwischenraum stromabwärts der Niederdrucköffnung 42 in die Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers führt. Im Gegensatz kann in der vorliegenden Ausführungsform das Volumen der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers ausreichend vergrößert werden, sodass die Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers als Druckdämpfungskammer wirken kann, um einen plötzlichen Druckanstieg des aus der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers ausfließenden Ausfließtreibstoffes in den Ausfließdurchtritt 12 zu verhindern.
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Als Nächstes wird der Betrieb der obigen Einspritzdüse 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ausgehend von 2 erklärt. Wenn der Piezostapel 7 sich in einem zusammengezogenen Zustand befindet, wird das Ventil 4 durch den Treibstoffdruck in der Ventilkammer 41 und die Vorspannkraft der Feder nach oben vorgespannt, und das Ventil 4 auf den oberen Ventilsitz 4c aufgesetzt, um die Niederdrucköffnung 42 zu blockieren. Der Druck in der Düsennadelrückdruckkammer 5 ist hoch, da die Düsennadelrückdruckkammer 5 von dem Ausfließdurchtritt 12 unterbrochen ist. Deswegen ist die Düsennadel 3 auf dem Sitzabschnitt 35 aufgesetzt, und die Treibstoffeinspritzung wird nicht durchgeführt. Wenn die Treibstoffeinspritzung durchgeführt wird, wird elektrische Ladung auf den Piezostapel 7 angewendet. Dementsprechend dehnt sich der Piezostapel 7 aus und drückt den den Piezostapel 7 berührenden Kolben 72 großen Durchmessers so, dass der Druck in der Kammer 73 zum Vergrößern der Verschiebung erhöht wird. Der Druck in der Kammer 73 zum Vergrößern der Verschiebung verschiebt den Kolben 74 kleinen Durchmessers nach unten. Dementsprechend drückt der Kolben 74 kleinen Durchmessers das Ventil 4 nach unten und trennt das Ventil 4 von dem oberen Ventilsitz 4c. Folgend verschiebt der Kolben 74 kleinen Durchmessers das Ventil 4 weiter nach unten und setzt das Ventil 4 auf den unteren Ventilsitz 4d auf. Auf diese Weise wird die Hochdrucköffnung 43 blockiert und die Düsennadelrückdruckkammer 5 kommt durch die Hauptöffnung 51, die Ventilkammer 41 und die Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers in Verbindung mit dem Ausfließdurchtritt 12. Deswegen verringert sich der Druck in der Düsennadelrückdruckkammer 5 und die Düsennadel 3 wird vom dem Sitzabschnitt 35 getrennt. Auf diese Weise wird die Treibstoffeinspritzung begonnen.
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Wenn die Treibstoffeinspritzung angehalten wird, wird der Piezostapel 7 entladen und zieht sich zusammen. Dementsprechend wird der Kolben 72 großen Durchmessers mit dem Piezostapel 7 nach oben verschoben, sodass der Druck in der Kammer 73 zum Vergrößern der Verschiebung verringert wird. Auf diese Weise wird die durch den Kolben 74 kleinen Durchmessers auf das Ventil 4 angewendete Druckkraft verhindert. Deswegen trennt sich das Ventil 4 von dem unteren Ventilsitz 4d und wird wieder auf dem oberen Ventilsitz 4c aufgesetzt. Falls die Niederdrucköffnung 42 blockiert ist, wird der Druck in der Düsennadelrückdruckkammer 5 durch den von dem Hochdruckdurchtritt 11 durch die Hauptöffnung 51 und der Nebenöffnung 52 eingebrachten Hochdrucktreibstoff erhöht. Als Ergebnis wird die Düsennadel 3 auf den Sitzabschnitt 35 aufgesetzt und die Treibstoffeinspritzung angehalten. Falls der Sitzdurchmesser des unteren Ventilsitzes 4d ein wenig größer ist als der Gleitdurchmesser des Ventilgleitabschnitts 4b, wirkt der Hochdruck der Hochdrucköffnung 53 auf das Ventil 4 nach oben, sodass das Ventil 4 einfach von dem unteren Ventilsitz 4d getrennt werden kann.
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Die durch den Piezostapel 7 erzeugte Antriebskraft wird auf eine Antriebskraft gesetzt, die in der Lage ist den Druck in der Kammer 73 zum Vergrößern der Verschiebung so zu erhöhen, dass das Ventil 4 von dem oberen Ventilsitz 4c gegen den Treibstoffdruck in der Ventilkammer 41 und die Vorspannkraft der Feder 44 nach oben getrennt wird, und so, dass das Ventil 4 weiter nach unten verschoben wird, um auf dem unteren Ventilsitz 4d aufgesetzt zu werden. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist jedoch das Ventil 4 während einem Zeitraum von beiden Sitzen 4c, 4d getrennt, da das Ventil 4 sich von dem oberen Ventilsitz 4c trennt, bis das Ventil 4 auf den unteren Ventilsitz 4d aufsitzt. Deswegen fließt zusätzlich zu dem Hochdrucktreibstoff aus der Düsennadelrückdruckkammer 5 der von der Hochdrucköffnung 43 eingebrachte Hochdrucktreibstoff durch die Niederdrucköffnung 42 und die Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers in den Ausfließdurchtritt 12.
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Deswegen erhöht sich der Druck in der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers gemäß dem Stand der Technik schnell, wie aus der gestrichelten Linie „b” aus 3 ersichtlich ist. Der Druck in der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers wirkt auf die untere Fläche des Kolbens 74 kleinen Durchmessers. Dementsprechend empfängt der Kolben 74 kleinen Durchmessers die Aufwärtskraft und wird nach oben gedrückt. Deswegen muss der Piezostapel 7 eine Antriebsenergie ausüben, um die Kraft zu überwinden und das Ventil 4 anzutreiben.
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Im Gegensatz wird gemäß der aus 1 und 2 ersichtlichen Konstruktion der konische, untere Endabschnitt 74b des Kolbens 74 kleinen Durchmessers axial verlängert und das Volumen der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers vergrößert. Noch genauer wird die Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers stromabwärts von der Niederdrucköffnung 42, die als einfacher Durchtritt ausgebildet wurde, als Volumenabschnitt zum Aufnehmen einer Druckspitze des ausfließenden Treibstoffes verwendet. Deswegen kann das plötzliche Ansteigen des Drucks P in der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers verhindert werden, und die Druckspitze des Drucks P in der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers in der vorliegenden Ausführungsform verringert werden, wie aus einer durchgehenden Linie „a” aus 3 ersichtlich ist. Deswegen wird die auf dem Kolben 74 kleinen Durchmessers angewendete Kraft nach oben verringert. Als Ergebnis ist die Betätigung des Ventils 4 stabilisiert und die Einspritzstabilität verbessert. Darüber hinaus kann die zum Beibehalten der Einspritzung erforderliche Energie verringert werden, und das Volumen des Piezostapels 7 kann verringert werden.
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Insbesondere wird das Volumen der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers auf 150 mm3 oder mehr eingestellt, um den obigen Effekt zu erhalten, während das Volumen der bekannten Kammer unter dem Kolben kleinen Durchmessers ungefähr 100 mm3 beträgt. Auf diese Weise wird das Volumen der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers um die Hälfte oder mehr erhöht. Um das Volumen der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers um die Hälfte oder mehr zu vergrößern, wird die axiale Abmessung des konischen Abschnittes 74b ausgedehnt, während die Abmessungen des großen Durchmessers eines oberen Endabschnittes und eine Abmessung kleinen Durchmessers eines unteren Endabschnittes unverändert bleiben. Auf diese Weise wird der konische Abschnitt 74b verlängert und die axiale Abmessung der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers entsprechend ausgedehnt. Auf diese Weise wird das Volumen der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers vergrößert. Auf diese Weise kann das Volumen der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers durch das Ausdehnen der axialen Abmessung des konischen Abschnitts 4b ohne Vergrößerung des Durchmessers der Einspritzdüse 1 erhöht werden. Der aus 2 ersichtliche konische Abschnitt 4b ist ein Beispiel, bei dem der große Durchmesser auf 5 mm und die axiale Länge auf 6 mm eingestellt sind. In dem bekannten konischen Abschnitt der Einspritznadel, die nicht die Kammer unter dem Kolben kleinen Durchmessers als Druckdämpfungskammer einsetzt, ist zum Beispiel der große Durchmesser auf 5 mm und die axiale Länge auf 1 mm eingestellt.
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Eine durch das Erhöhen des Volumens der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers erreichte Auswirkung ist aus 4 ersichtlich. In 4 stellen runde Markierungen „A” die Kolbenanhebespitzenkraft F zum Anheben des Kolbens 74 kleinen Durchmessers in der vorliegenden Ausführungsform dar, und eine quadratische Markierung „B” stellt die Spitzenkraft F zum Anheben des Kolbens gemäß dem Stand der Technik dar. Wie aus 4 ersichtlich ist, ist die auf den Kolben 74 kleinen Durchmessers angewendete Kraft nach oben verringert, da das Volumen V der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers vergrößert ist. Insbesondere kann ein ausreichender Druckdämpfungseffekt verglichen mit dem Fall des bekannten Kammervolumens (zum Beispiel 100 mm3) erhalten werden, falls das Kammervolumen V gleich oder größer als 150 mm3 ist. Falls das Kammervolumen V 200 mm3 übersteigt, wird der Druckdämpfungseffekt im Wesentlichen gesättigt. Eher wird ein Nachteil verursacht, dass die Körpergröße der Einspritzdüse unnötig vergrößert wird. Deswegen sollte das Volumen V der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers bevorzugt in einem Bereich von 150 mm3 bis 200 mm3 eingestellt sein.
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Da der konische Abschnitt 4a verlängert ist, ist die axiale Größe der Einspritznadel 1 vergrößert. Jedoch kann die Antriebskraft des Piezostapels 7 verringert werden. Deswegen kann das Anwachsen der axialen Größe aufgehoben werden, oder die axiale Größe kann durch das Verringern der Anzahl der Piezostapel 7 bestimmenden Schichten oder durch das Zusammenziehen der axialen Länge des Piezostapels 7 zusammengezogen werden. Auf diese Weise kann die Einspritzsteuerfähigkeit verbessert werden, ohne die Körpergröße der Einspritznadel 1 zu vergrößern. Darüber hinaus kann ein Kostenverringerungseffekt durch das Verringern der Anzahl der Schichten des Piezostapels 7 erhalten werden.
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(Zweite Ausführungsform)
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Als Nächstes wird eine Einspritzdüse 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgehend von 5 erklärt. In der zweiten Ausführungsform ist das Volumen der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers, durch das Ausbilden des unteren, konischen Endabschnitts 74b des Kolbens 74 kleinen Durchmessers in der Form einer konkaven Fläche vergrößert, wie aus 5 ersichtlich ist. Auf diese Weise wird das Volumen des Zwischenraums um den Kolben 74 kleinen Durchmessers vergrößert. Dementsprechend wirkt die Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers als Druckdämpfungskammer und verringert die Druckspitzen des ausfließenden Treibstoffes. Deswegen ist die Einspritzstabilität verbessert und ein ähnlicher Effekt der Kostenreduktion kann erhalten werden. Die grundlegende Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zu der Konstruktion der ersten Ausführungsform.
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(Dritte Ausführungsform)
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Als Nächstes wird eine Einspritzdüse 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgehend von 6A und 6B erklärt. Anstelle das Volumen der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers zu vergrößern ist in dieser Ausführungsform der Flanschabschnitt 74a auf dem äußeren Umfang des Kolbens 74 kleinen Durchmessers durch ein bewegliches Teil bereitgestellt. Auf diese Weise kann der Flanschabschnitt 74a sich vertikal in 6A und 6B und mit Bezug auf den Kolben 74 kleinen Durchmessers relativ bewegen. Die äußere Umfangsfläche des Kolbens 74 kleinen Durchmessers unter dem Flanschabschnitt 74a springt ein wenig nach außen, um einen Stopperabschnitt 74c bereitzustellen, der die Abwärtsbewegung des Flanschabschnitts 74a beschränkt. Die grundlegende Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform ist ähnlich zu der Konstruktion der ersten Ausführungsform.
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Falls der Piezostapel 7 in einem aus 6A ersichtlichen Zustand ausgedehnt wird und der Kolben 74 kleinen Durchmessers das Ventil 4 niederdrückt, fließt der Hochdrucktreibstoff aus der Öffnung 51 und der Hochdrucktreibstofföffnung 43, wie aus 6B ersichtlich ist. Bei der bekannten Konstruktion wird der Ausfließdruck zu der Zeit auf die Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers angewendet, wobei eine dynamische Druckkomponente des Ausfließdrucks aus dem Flanschabschnitt 74a des Kolbens 74 kleinen Durchmessers wirkt. Auf diese Weise wird eine Kraft nach oben auf den Kolben 74 kleinen Durchmessers angewendet. Im Gegensatz ist bei der Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform der Flanschabschnitt 74a aus dem beweglichen Teil ausgebildet, das von dem Kolben 74 kleinen Durchmessers getrennt ist. Deswegen kann der Flanschabschnitt 74a die Kraft nach oben durch eine Bewegung nach oben aufnehmen, sogar falls die dynamische Druckkomponente des Ausfließdrucks aus dem Flanschabschnitt 74a wirkt. Auf diese Weise kann der den Ausfließdruck aufnehmende Bereich verringert werden, und die auf den Kolben 74 kleinen Durchmessers angewendete Kraft nach oben kann durch das Ausbilden des Druckaufnahmeabschnitts des Kolben 74 kleinen Durchmessers mit dem beweglichen Teil verringert werden. Als Ergebnis kann die zum Antreiben des Kolbens kleinen Durchmessers erforderliche Antriebsenergie verringert werden, und die Einspritzstabilität kann verbessert werden. Dementsprechend kann der ähnliche Effekt der Kostenreduktion erhalten werden.
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(Vierte Ausführungsform)
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Als Nächstes wird eine Einspritzdüse 1 gemäß einer vierten Ausführungsform ausgehend von 7 und 8 erklärt. Bei der Konstruktion der vorliegenden Ausführungsform wird die Druckspitze durch das Ausbilden von vielen Treibstoffausfließdurchtritten verringert. Detaillierter, wie aus 7 und 8 ersichtlich ist, sind zusätzlich zu dem um den Zylinder 71 der Einheit zum Vergrößern der Verschiebung ausgebildeten Treibstoffausfließdurchtritt 12a Treibstoffausfließdurchtritte 12b durch viele vertikale, enge Löcher auf der Seite des Treibstoffausfließdurchtritts 12a bereitgestellt. Die oberen Enden der Treibstoffausfließdurchtritte 12a, 12b sind mit einer Ausstoßöffnung 15 des ausfließenden Treibstoffs verbunden, die sich in der Seitenwand des Gehäuses 2 öffnet. Die unteren Enden der Treibstoffausfließdurchtritte 12a, 12b sind mit der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers verbunden. Wie aus 8 ersichtlich ist, sollten die vielen Treibstoffausfließdurchtritte 12b bevorzugt symmetrisch mit Bezug auf eine Mittellinie des Gehäuses 2 vorgesehen sein, um einen Wärmeverzug während einer Wärmebehandlung bei einem Herstellungsverfahren zu verhindern. Dies geht von der Tatsache aus, dass der Wärmeverzug verursacht werden kann, falls ein Unterschied der Wandstärke vorhanden ist. Der Zylinder 71 der Einheit zum Vergrößern der Verschiebung ist mit Bezug auf das Gehäuse 2 exzentrisch vorgesehen, wie durch eine Abweichung „D” aus 8 ersichtlich ist.
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In der obigen Konstruktion können viele Treibstoffausfließdurchtritte 12b als Volumenabschnitt verwendet werden, sodass das Volumen des Zwischenraums stromabwärts von dem Ventil 4 im Wesentlichen vergrößert ist. Deswegen kann die Druckspitze in der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers wie in der ersten und zweiten Ausführungsform verringert werden. Als Ergebnis ist die Einspritzstabilität verbessert und ein ähnlicher Effekt der Kostenreduktion kann erhalten werden.
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In den ersten, zweiten und vierten Ausführungsformen wird die Druckspitze in der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers stromabwärts von dem Ventil 4 durch das Verwenden der Kammer 6 unter dem Kolben kleinen Durchmessers als Druckdämpfungskammer oder durch das Ausbilden von vielen Treibstoffausfließdurchtritten 12a, 12b verringert. In der dritten Ausführungsform wird die auf den Kolben 74 kleinen Durchmessers angewendete Kraft nach oben durch das Ausbilden des Aufnahmeabschnittes des Kolbens 74 kleinen Durchmessers mit dem beweglichen Teil und durch das Verringern des Druckaufnahmebereiches verringert. Als Ergebnis ist in den obigen Ausführungsformen die Größe des Piezostapels durch das Verringern der zum Antreiben des Kolbens 74 kleinen Durchmessers erforderlichen Energie verringert, während die Einspritzstabilität beibehalten wird. Darüber hinaus können Kosten durch das Verringern der gesamten Größe der Einspritzdüse 1 verringert werden.
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In den obigen Ausführungsformen weist das Ventil 4 die Dreiwegeventilkonstruktion auf. Alternativ kann die vorliegende Erfindung auf eine Einspritzdüse mit einer Zweiwegkonstruktion zum Schalten zwischen einem verbundenen Zustand und einem unterbrochenen Zustand zwischen der Düsennadelrückdruckkammer 5, die mit dem Hochdruckdurchtritt 11 verbunden ist, und dem Ausfließdurchtritt 12 angewendet werden. Die Form des Ventils 4 oder anderer Konstruktionen kann abgeändert sein. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt, sondern kann auf viele andere Weisen gemäß dem Bereich der anhängenden Ansprüche verwirklicht werden.
