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Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil, das geeignet ist zum Zumessen
von Fluid, insbesondere von Kraftstoff.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei
ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoff-Emissionen
zu senken. Ein anderer Ansatzpunkt ist, die von der Brennkraftmaschine
erzeugten Emissionen mittels von Abgasnachbehandlungssystemen in
unschädliche
Stoffe umzuwandeln. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig von
der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen
Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine entsprechend verbesserte
Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter
sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen
betragen die Kraftstoffdrücke
bis zu 2.000 bar.
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Ferner
sind so genannte Registerdüsen-Einspritzventile
bekannt geworden mit zwei Einspritzdüsen-Kreisen und diesen zugeordneten
ersten und zweiten Düsennadeln,
mittels derer ein stufenweises Öffnen
bzw. Schließen
der einzelnen Einspritzdüsen-Kreise
möglich
ist. So ist aus der
EP
0 978 649 A2 ein derartiges Ventil bekannt. Das Ventil
hat ein Gehäuse,
in dem ein als Piezo-Aktuator ausgebildeter Ventilantrieb und ein
Düsenkörper angeordnet sind.
Der Düsenkörper hat
eine erste Reihe von Einspritzlöchern
und axial beabstandet dazu eine zweite Reihe von Einspritzlöchern. In
einer Ausnehmung des Düsenkörpers ist
eine Düsennadel
geführt,
die in ihrer Schließposition
den Kraftstofffluss sowohl durch die erste als auch die zweite Reihe
von Einspritzlöchern
unterbindet und in ihrer Offenposition zumindest den Kraftstofffluss
durch die erste Reihe von Einspritzlöchern freigibt.
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Die
Düsennadel
wirkt über
einen Mitnehmermechanismus auf einen Einsatzkörper ein, der eine innere Düsennadel
bildet. Die innere Düsennadel verhindert
in ihrer Schließposition
einen Kraftstofffluss durch die zweite Reihe von Einspritzlöchern und gibt
in den sonstigen Positionen den Kraftstofffluss durch die zweite
Reihe von Einspritzlöchern
frei. Der Piezo-Aktuator
wirkt über
ein Servoventil auf die Düsennadel
ein. Das Servoventil umfasst eine Ablaufbohrung, eine Ventilstange,
ein Schließglied,
eine Steuerkammer und einen Leckageraum. Durch ein entsprechend
gesteuertes Ausdehnen des Piezo-Aktuators
wird über
die Schließstange
das Schließglied von
seinem Dichtsitz weggedrückt.
Dies hat zur Folge, dass Kraftstoff aus der Steuerkammer abfließt. Durch
das damit verbundene Sinken des Drucks in der Steuerkammer öffnet oder
bewegt sich die Düsennadel
von ihrer Schließposition
hin zu ihrer Offenposition. Dies hat zur Folge, dass sie zunächst die erste
Reihe von Einspritzlöchern
freigibt und mit sinkendem Druck in der Steuerkammer dann über den Mitnehmermechanismus
die innere Düsennadel
von ihrer Schließposition
hin in ihre Offenposition bewegt wird und somit auch die zweite
Reihe der Einspritzlöcher
freigegeben wird. Die erste Reihe der Einspritzlöcher ist so ausgebildet, dass
ihr Querschnitt deutlich geringer ist als der Querschnitt der Einspritzlöcher der
zweiten Reihe. Dies hat zur Folge, dass der Kraftstoff, der durch
die erste Reihe von Einspritzlöchern
in den Brennraum der Brennkraftmaschine zugemessen wird, deutlich
feiner zer stäubt
wird. Dies ist insbesondere im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine
von Vorteil, in dem eine geringere Kraftstoffmenge eingespritzt
wird und durch den geringeren Durchmesser der Einspritzlöcher dann
kleinere Kraftstofftropfen entstehen und somit die Rußbildung
verringert wird. Durch den deutlich größeren Durchmesser der zweiten
Reihe von Einspritzlöchern
kann dann im Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet
werden, dass eine ausreichende Menge an Kraftstoff in den jeweiligen
Brennraum des Zylinders zugemessen wird.
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Aus
der
DE 103 09 387
A1 ist eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung bekannt, deren
Ventilelement ein Durchgangsloch aufweist. Wenn das Ventilelement
gegen einen Ventilsitz aufgesetzt ist, wird eine Kraftstoffströmung von
einer stromaufwärtigen
Seite von Kraftstoffeinspritzlöchern
in die Kraftstoffeinspritzlöcher
blockiert. Ein Stab ist in das Durchgangsloch eingesetzt und ein
Ventilelement ist relativ zu dem Stab hin- und her bewegbar. Wenn
das Ventilelement gegen den Ventilsitz aufgesetzt ist, ist ein Blockierabschnitt
des Stabes mit einem Lochsitz im Eingriff. Somit wird eine Strömung des
Kraftstoffs von dem Durchgangsloch in die Einspritzlöcher blockiert. Eine
Druckaufnahmefläche
des Ventilelements, die den Kraftstoffdruck von dem Hochdruckkraftstoff
in eine Steuerkammer aufnimmt, ist um einen Betrag einer Querschnittfläche des
Durchgangslochs verringert, so dass eine Kraft, die auf das Ventilelement von
dem Kraftstoff in der Steuerkammer in eine Aufsetzrichtung aufgebracht
wird, verringert ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es ein Einspritzventil zu schaffen, das
einfach ist und gleichzeitig kompakt ausgebildet sein kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeigt ein Einspritzventil mit einem Servoventil mit einem
Körper,
in dem eine Ausnehmung ausgebildet ist. Ferner umfasst das Servoventil
einen äußeren Kolben,
der in der Ausnehmung des Körpers
angeordnet ist und der einen Schließkörper hat, der in einer Schließstellung
des äußeren Kolbens
dichtend an einem Sitz anliegt, der in der Wandung der Ausnehmung
des Körpers
gebildet ist. Ferner umfasst das Servoventil einen inneren Kolben, der
in einer Ausnehmung des äußeren Kolbens
angeordnet ist und der einen Schließkörper hat, der in einer Schließstellung
des inneren Kolbens dichtend an einem Sitz anliegt, der in der Wandung
des äußeren Kolbens
ausgebildet ist. Ferner ist eine Dichthülse vorgesehen, die in der
Ausnehmung des äußeren Kolbens
geführt
ist und einen freien Raum der Ausnehmung des äu ßeren Kolbens und einen freien Raum
der Ausnehmung des Körpers
entkoppelt. Der innere Kolben ist in der Dichthülse geführt.
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Die
Dichthülse
hat eine Doppelfunktion. Sie entkoppelt zum einen den freien Raum
der Ausnehmung des äußeren Kolbens
von dem freien Raum der Ausnehmung des Körpers und zum anderen wird durch
sie die Führung
des inneren Kolbens gewährleistet.
Dies hat den Vorteil, dass ein axialer Bereich des inneren Kolbens
außerhalb
der Dichthülse
sehr kurz ausgebildet werden kann und somit das gesamte Servoventil
entlang seiner axialen Erstreckung sehr kompakt ausgebildet werden
kann. Dies hat zusätzlich
den positiven Effekt, dass die Volumina der freien Räume der
Ausnehmung des äußeren Kolbens
und der Ausnehmung des Körpers
sehr gering sind, was zu einem sehr guten Schaltverhalten des Servoventils
führt.
Grundsätzlich
sollten Führungen sich
mindestens axial so weit erstrecken wie der Durchmesser des zu führenden
Teils beträgt.
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Gemäß eines
Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Einspritzventil
mit einem Körper,
der eine erste Ausnehmung hat, einer äußeren Düsennadel, die in der ersten
Ausnehmung angeordnet ist, die eine Ausnehmung hat und die in einer Schließposition
einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch unterbindet und
diesen ansonsten freigibt. Ferner ist eine innere Düsennadel
vorgesehen, die in der Ausnehmung der äußeren Düsennadel angeordnet ist und
die in einer Schließposition
einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch unterbindet und diesen
ansonsten freigibt. Ferner umfasst das Einspritzventil das Servoventil.
Das Servoventil, der Körper
und die innere und äußere Düsennadel
sind so ausgebildet, dass abhängig
von der Stellung des äußeren Kolbens die
Position der äußeren Düsennadel einstellbar
ist und dass abhängig
von der Stellung des inneren Kolbens die Position der inneren Düsennadel
einstellbar ist. Dadurch dass das Servoventil sehr kompakt ausgebildet
sein kann, kann auch das Einspritzventil sehr kompakt ausgebildet
sein.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der axiale Bereich
des inneren Kolbens, der sich entlang der Dichthülse erstreckt, entlang seines
Umfangs mit mindestens einer sehnenförmigen Eintiefung versehen.
Eine derartige sehnenförmige Eintiefung
ist so einfach herstellbar und ermöglicht einen Durchfluss von
Fluid zwischen der Dichthülse und
dem inneren Kolben.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der
innere Kolben koaxial zu dem äußeren Kolben
angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass ein Stellantrieb zentral
sowohl auf den inneren als auch auf den äußeren Kolben einwirken kann
und es müssen
keine Hebelanordnungen vorgesehen sein und auch die Gefahr eines
Verklemmens des inneren oder äußeren Kolbens
ist äußerst gering.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Servofeder vorgesehen, die sich einerseits auf einem Absatz des
inneren Kolbens und andererseits auf einem Absatz der Dichthülse abstützt. So
spannt sie sowohl die Dichthülse
vor und andererseits wird durch sie eine Kraft auf den äußeren Kolben
in Richtung seiner Schließposition
ausgeübt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der
Schließkörper des
inneren Kolbens eine teilkugelförmige
Kontur. Eine teilkugelförmige
Kontur kann z.B. eine halbkugelförmige
Kontur sein oder auch eine beliebige andere Kontur, die nur in Teilbereichen
kugelförmig
ist. Wesentlich dabei ist nur, dass der Bereich des Schließkörpers, der
in der Schließstellung
dichtend an dem Sitz des äußeren Kolbens
anliegt, eine sphärische
Kontur hat.
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Dies
hat den Vorteil, dass das Einspritzventil mit einer sehr geringen
Bauhöhe
ausgebildet werden kann, da die Führung des inneren Kolbens axial
im Bereich der Dichthülse
axial sehr kurz ausgebildet werden kann, da eine dichtende Anlage
an dem Sitz des äußeren Kolbens
auch bei einer leichten Verkippung durch die teilkugelförmige Kontur
gewährleistet werden
kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Einspritzventil mit einem Servoventil und
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2 eine
Vergrößerung eines
Teilbereichs des Einspritzventils gemäß 1 in dem
Bereich, in dem das Servoventil angeordnet ist.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein
Einspritzventil hat ein Injektorgehäuse 1. In einer Ausnehmung
des Injektorgehäuses 1 ist
ein Stellantrieb angeordnet, der bevorzugt ein Piezo-Aktuator 4 ist.
Der Antrieb kann jedoch auch ein beliebiger anderer geeigneter Stellantrieb
sein, wie beispielsweise ein elektromagnetischer Stellantrieb. Ferner
ist in dem Injektorgehäuse 1 ein
Leckageraum 14 ausgebildet.
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Eine
Düsenbaugruppe
des Einspritzventils umfasst eine Ventilplatte 16, eine
Zwischenplatte 18, einen Nadelführungskörper 20 und einen
Düsenkörper 22.
Die Düsenbaugruppe
ist mittels einer Düsenspannmutter 23 mit
dem Injektorgehäuse 1 mechanisch
gekoppelt.
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Der
Nadelführungskörper 20 hat
eine Ausnehmung 24, die sich axial in einer Ausnehmung 26 des
Düsenkörpers 22 fortsetzt.
Eine äußere Düsennadel 27 ist
in der Ausnehmung 24 des Nadelführungskörpers 20 und der Ausnehmung 26 des
Düsenkörpers 22 angeordnet.
Die äußere Düsennadel 27 hat
eine sie in axialer Richtung durchdringende Ausnehmung 28,
in der eine innere Düsennadel 29 angeordnet
ist. Die innere und äußere Düsennadel 27, 29 sind
bevorzugt koaxial zueinander angeordnet. Ferner ist eine erste Düsenfeder 30 vorgesehen, welche
eine Kraft auf die äußere Düsennadel 27 ausübt in einer
Schließrichtung
der äußeren Düsennadel 27 und
die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die äußere Düsennadel 27 in eine
Schließposition
drückt,
in der sie einen Fluidfluss durch ein erstes Einspritzloch 34 unterbindet.
Befindet sich die äußere Düsennadel
außerhalb
ihrer Schließposition,
so gibt sie den Fluidfluss durch das erste Einspritzloch 34 frei.
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Ferner
ist eine zweite Düsenfeder 32 (2) vorgesehen,
welche eine Kraft auf die innere Düsennadel 29 ausübt in einer
Schließrichtung
der inneren Düsennadel 29 und
die somit ohne das Vorhandensein weiterer Kräfte die innere Düsennadel 29 in eine
Schließposition
drückt,
in der sie einen Fluidfluss durch ein zweites Einspritzloch 36 unterbindet. Befindet
sich die innere Düsennadel
außerhalb
ihrer Schließposition,
so gibt sie den Fluidfluss durch das zweite Einspritzloch 36 frei.
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Die
zweite Düsenfeder
ist in einer Ausnehmung der Zwischenplatte 18 angeordnet,
die im folgenden als Federtasche 37 bezeichnet ist. Die
Federtasche 37 nimmt ferner eine Hülse 40 auf, die sich mit
einer Dichtkante 44, die auch als Beißkante bezeichnet werden kann,
auf einer Kontaktfläche 46 der inneren
Düsennadel 29 abstützt. Bevorzugt
ist die Dichthülse 40 nicht
stoffschlüssig
mit der inneren Düsennadel 29 verbunden.
Sie kann jedoch auch stoffschlüssig
mit der inneren Düsennadel,
so zum Beispiel durch Laserschweißen, verbunden sein. Die Dichthülse 40 trennt
so einen ersten Steuerraum 48 ab, der an die Kontaktfläche 46 der
inneren Düsennadel 29 angrenzt,
von einem zweiten Steuerraum 50, der angrenzt an eine Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27.
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Die
Position der inneren Düsennadel 29 wird bestimmt
durch eine Kräftebilanz
aus der durch die zweite Düsenfeder 32 auf
die innere Düsennadel 29 einwirkende
Kraft, die durch den Druck in dem ersten Steuerraum 48 auf
die innere Düsennadel 29 über die
Kontaktfläche 46 einwirkende
Kraft und einer Kraft, die hervorgerufen durch den Druck des Fluids über einen
Hochdruckabsatz 52 der inneren Düsennadel 29 auf diese
entgegen der Schließrichtung
einwirkt.
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Die
Position der äußeren Düsennadel 27 hängt ab von
der Kräftebilanz
der Kraft, die durch die erste Düsenfeder 30 hervorgerufen
wird, den in dem zweiten Steuerraum 50 herrschenden Druck,
der über
die Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 eine
Kraft einkoppelt, die schließend
auf die äußere Düsennadel 27 wirkt,
und einer Kraft, die durch den Fluiddruck in einem Bereich eines
Hochdruckabsatzes 56 der äußeren Düsennadel entgegengesetzt der
Schließrichtung
der äußeren Düsennadel 27 wirkt.
Das jeweilige freie Volumen im Bereich der Hochdruckabsätze 56, 52 ist
jeweils hydraulisch gekoppelt mit einer Hochdruckbohrung 58 des
Einspritzventils.
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Das
Servoventil umfasst einen äußeren Kolben 64,
der in einer Ausnehmung 62 der Ventilplatte 16 angeordnet
ist. In seiner Schließstellung
liegt der äußere Kolben 64 dichtend
mit einem Schließkörper 68 des äußeren Kolbens
an einem Sitz 66 der Ventilplatte 16 an. Der Schließkörper 68 des äußeren Kolbens 64 kann
kegelförmig
oder auch beispielsweise teilkugelförmig ausgebildet sein.
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Der äußere Kolben 64 ist
in axialer Richtung durchdrungen von einer Ausnehmung 70 des äußeren Kolbens 64.
In der Ausnehmung 70 des äußeren Kolbens 64 ist
ein Sitz 72 ausgebildet. Ein innerer Kolben 74 ist
in der Ausnehmung 70 des äußeren Kolbens 64 angeordnet
und liegt mit einem Schließkörper 76 des
inneren Kolbens 74 in einer Schließstellung des inneren Kolbens 74 an
dem Sitz 72 des äußeren Kolbens 64 dichtend
an. Der innere Kolben 74 weist einen Absatz 80 auf,
auf dem sich eine Servofeder 78 an ihrem einen axialen
Ende abstützt.
Die Servofeder 78 stützt
sich an ihrem anderen axialen Ende ab an einem Absatz 82 einer
Dichthülse 84.
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Die
Dichthülse 84 ist
mit einer Dichtkante auf die Zwischenplatte 18 gedrückt. Die
Dichthülse 84 hat
einen Führungsbereich 19,
in dem sie in der Ausnehmung 70 des äußeren Kolbens 64 geführt ist.
Ein Zapfen 92 des inneren Kolbens 74 hat einen
Führungsbereich 94,
in dem er in der Dichthülse 84 geführt ist.
Der Absatz 80 des inneren Kolbens kann so axial sehr kurz
ausgebildet sein, da er nicht die Funktion des Führens des inneren Kolbens 74 übernehmen
muss. Dadurch kann insgesamt der innere Kolben 74 in seiner
axialen Erstreckung sehr kompakt ausgebildet sein.
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Bevorzugt
ist der innere Kolben 74 im Bereich seines Zapfens 92 mit
mindestens einer Eintiefung 96 versehen, durch die ein
Durchfluss des Fluids zwischen der Dichthülse 84 und dem inneren
Kolben 74 ermöglicht
ist. Die Eintiefungen 96 sind bevorzugt sehnenförmig ausgebildet.
Dies hat den Vorteil, dass sie durch einfaches Fräsen von
entsprechenden Teilbereichen des Umfang des Zapfens 92 hergestellt
werden können.
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Der
erste Steuerraum 48 umfasst auch das freie Volumen der
Federtasche 37. Er kommuniziert über eine Ablaufdrossel 98 mit
der Ausnehmung des äußeren Kolbens 64.
Der erste Steuerraum 48 ist mittels einer ersten Zulaufdrossel 100 hydraulisch
gekoppelt mit der Hochdruckbohrung 58. Der zweite Steuerraum 50 ist
mit einer zweiten Zulaufdrossel 102 versehen, über die
er mit der Hochdruckbohrung 58 gekoppelt ist.
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Wenn
sich der innere Kolben 74 dichtend mit seinem Schließkörper 78 in
Anlage an dem Sitz 72 des äußeren Kolbens 64 befindet,
so steht er leicht axial mit seiner Endfläche über der Endfläche des äußeren Kolbens 64.
Der äußere und
innere Kolben 64, 74 werden mittels des Piezo-Aktuators 4 entweder
direkt oder mittels eines Übertragers
bewegt. Wird durch den Piezo-Aktuator 4 eine Hubbewegung
ausgeführt,
so bewegt sich als erstes der innere Kolben 74 weg von
seiner dichtenden Anlage an dem Sitz 72 des äußeren Kolbens.
Dies hat dann zur Folge, dass in dem ersten Steuerraum 48 befindliches
Fluid in den Leckageraum 14 abfließt, was zu einem Abfallen des
Drucks in dem ersten Steuerraum 48 führt. Mit sinkendem Druck in
dem ersten Steuerraum 48 sinkt auch die Kraft, die über die
Kontaktfläche 46 der
inneren Düsennadel 29 in
Schließrichtung
der inneren Düsennadel
ausgeübt
wird. Und somit erfolgt schließlich
das Bewegen der inneren Düsennadel 29 heraus
aus ihrer Schließposition.
Verringert sich der Hub des Piezo-Aktuators 4 zu einem späteren Zeitpunkt
wieder, so bewegt sich der innere Kolben 74 wieder zurück in seine
dichtende Anlage an dem Sitz 72 des äußeren Kolbens 64.
Durch das über
die erste Zulaufdrossel 100 zufließende Fluid steigt der Druck in
dem ersten Steuerraum 48 wieder an, was letztlich wieder
zu einem Bewegen der inneren Düsennadel 29 zurück in ihre
Schließposition
führt.
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Mit
zunehmendem Hub des Piezo-Aktuators 4 bewegt sich zunächst der
innere Kolben 74 weg von seiner dichtenden Anlage an dem
Sitz 72 des äußeren Kolbens 64 und
mit weiter zunehmendem Hub des Piezo-Aktuators 4 bewegt
sich dann schließlich auch
der äußere Kolben 64 weg
von seiner dichtenden Anlage an dem Sitz 66 der Ventilplatte 16.
Dies hat dann zur Folge, dass Fluid aus dem zweiten Steuerraum 50 in
den Leckageraum 14 abfließen kann und somit der Druck
in dem zweiten Steuerraum 50 sinkt. Mit sinkendem Druck
in dem zweiten Steuerraum 50 verringert sich auch die Kraft,
die durch den Druck des Fluids in dem zweiten Steuerraum 50 über die
Kontaktfläche 54 der äußeren Düsennadel 27 auf
diese in ihrer Schließrichtung
eingekoppelt wird. Dies führt
letztendlich zu einem Bewegen der äußeren Düsennadel 27 heraus
aus ihrer Schließposition.
Wird der Hub des Piezo-Aktuators 4 anschließend wieder
verringert, so bewegt sich der äußere Kolben 64 wieder
in seine dichtende Anlage an dem Sitz 66 der Ventilplatte 16.
Es kann dann kein Fluid aus dem zweiten Steuerraum 50 mehr
in den Leckageraum 14 abfließen und durch über die
zweite Zulaufdrossel 102 zufließendes Fluids steigt der Druck
in dem zweiten Steuerraum 50 wieder, was schließlich zu
einem Zurückbewegen
der äußeren Düsennadel 27 in
ihre Schließposition
führt.
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Der
Schließkörper 78 des
inneren Kolbens 74 ist bevorzugt teilkugelförmig ausgebildet.
Auf diese Weise kann die axiale Länge der Führung des inneren Kolbens sehr
gering gehalten werden, da durch die teilkugelförmige Form des Schließkörpers 78 des
inneren Kolbens 74 auch ein geringes Verkippen des inneren
Kolbens 74 nicht zu einer Verringerung der Dichtigkeit
der Anlage des Schließkörpers 78 an
dem Sitz 72 des äußeren Kolbens 64 führt. Somit
kann insgesamt die Bauhöhe
des Einspritzventils verringert werden. Der Schließkörper 78 kann
jedoch auch beispielsweise kegelförmig ausgebildet sein.