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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einspritzeinrichtung zum Einspritzen
von Kraftstoff für eine
Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist beispielsweise aus
der
DE 10218 904 A1 bekannt und
besitzt eine hubverstellbar gelagerte Düsennadel, mit deren Hilfe die
Einspritzung von unter Einspritzdruck stehendem Kraftstoff durch
wenigstens ein Spritzloch gesteuert werden kann. Die Düsennadel
weist eine Schließdruckfläche auf,
die in einem Schließdruckraum
angeordnet ist. Dieser Schließdruckraum
ist über
einen hydraulischen Steuerpfad an ein Steuerventil angeschlossen,
das zwischen einer ersten Schaltstellung und einer zweiten Schaltstellung
umschaltbar ist. In der ersten Schaltstellung beaufschlagt das Steuerventil
den Steuerpfad zum Schließen
der Düsennadel
mit einem Hochdruck. Der Hochdruck im Schließdruckraum erzeugt an der Schließdruckfläche eine
die Düsennadel
in Schließrichtung
antreibende Kraft. Zum Öffnen
der Düsennadel
beaufschlagt das Steuerventil in seiner zweiten Schaltstellung den
Steuerpfad mit einem Niederdruck. Dies führt im Schließdruckraum
zu einem Druckabfall, der die in Schließrichtung wirksamen Kräfte reduziert.
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Die
bekannte Einspritzeinrichtung ist außerdem mit einem Druckübersetzer
ausgestattet, der ebenfalls über
das Steuerventil betätigt
wird. Ein Ausgangsdruckraum des Druckübersetzers ist über eine Einspritzdruckleitung
an einen Düsenraum
angeschlossen, in dem die Düsennadel
eine in Öffnungsrichtung
wirksame Druckstufe aufweist und der eine durch die Düsennadel
gesteuerte Verbindung zu dem wenigstens einen Spritzloch besitzt.
In der zweiten Schaltstellung des Steuerventils wird zum einen der Druck
im Schließdruckraum
der Düsennadel
abgesenkt. Gleichzeitig wird zum andern der Druckübersetzer
zum Erzeugen des hohen Einspritzdrucks im Ausgangsdruckraum angesteuert.
Dieser Einspritzdruck baut sich in der Folge auch im Düsenraum
auf, was an der Druckstufe eine in Öffnungsrichtung wirksame Kraft
erzeugt. Durch die Druckerhöhung
im Düsenraum
und die Druckabsenkung im Schließdruckraum kommt es zu einer
in Öffnungsrichtung
der Düsennadel
wirksamen resultierenden Kraft in der Düsennadel, so dass diese aus
ihrem Sitz abhebt und die Verbindung vom Düsenraum zu dem wenigstens einen
Spritzloch freigibt und in der Folge Kraftstoff durch das wenigstens
eine Spritzloch unter Einspritzdruck eingespritzt werden kann. Die
Düsennadel
ist insoweit druckgesteuert.
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Für niedrige
Schadstoffemissionen und hohe Leistungen der Brennkraftmaschine
sind besonders hohe Einspritzdrücke
vorteilhaft. Eine zusätzliche Verbesserung
der Abgasemissionen kann durch die Einspritzung sehr kleiner Kraftstoffmengen
bei hohen Einspritzdrücken
realisiert werden.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzeinrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass die Düsennadel
bis zum vorbestimmten Vorhub extrem rasch öffnen kann, was einen extrem
raschen Aufbau des Einspritzdrucks an dem wenigstens einen Spritzloch
und somit eine quasi unverzögerte
Einspritzung mit dem hohen Einspritzdruck ermöglicht. Gleichzeitig gewährleistet
die ab dem Vorhub einsetzende Dämpfung
der Öffnungsbewegung
der Düsennadel, dass
der Öffnungshub
dann nur noch vergleichsweise langsam zunimmt, so dass der Weg,
den die Düsennadel
zum Schließen
zurücklegen
muss, nur langsam anwächst.
Auf diese Weise lassen sich extrem kurze Einspritzzeiten realisieren,
da die Düsennadel
diesen vergleichsweise kurzen Weg in entsprechend kurzer Zeit zurückfahren
kann.
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Bei
der Erfindung wird dies mit Hilfe einer hydraulisch arbeitenden
Dämpfereinrichtung
erreicht, die im Steuerpfad angeordnet ist. Die hydraulische Dämpfungswirkung
der Dämpfereinrichtung
drosselt den Abfluss des Kraftstoffs aus dem Schließdruckraum
in den mit dem Niederdruck beaufschlagten Steuerpfad. Durch die
Drosselung dieses Abflusses ist die Öffnungshubbewegung der Düsennadel
entsprechend gedämpft.
Erfindungsgemäß ist die Dämpfereinrichtung
dabei so ausgestaltet, dass die beschriebene hydraulische Dämpfungswirkung
erst ab dem vorbestimmten Vorhub der Düsennadel auftritt. Das bedeutet,
dass bis zum Erreichen dieses Vorhubs der Kraftstoff im wesentlichen
ungedrosselt aus dem Schließdruckraum
in den Steuerpfad abfließen
kann. In der Folge kann die Düsennadel
im wesentlichen ungedämpft öffnen. Erst
ab dem vorbestimmten Vorhub der Düsennadel setzt die Dämpfungswirkung
ein, so dass der Abfluss aus dem Schließdruckraum gedrosselt ist und
die Öffnungsbewegung
der Düsennadel
in der Folge gedämpft
ist.
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Die
Erfindung beruht u.a. auf der Erkenntnis, dass sich unmittelbar
nach dem Abheben der Düsennadel
aus ihrem Sitz eine Sitzdrosselwirkung einstellt, die in dieser Öffnungsphase
der Düsennadel die
Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine Spritzloch
wesentlich drosselt. Die Sitzdrosselwirkung resultiert strömungsmechanisch
bzw. strömungsdynamisch
aus dem in dieser Öffnungsphase vorliegenden
kleinen Abstand zwischen der Düsennadel
und dem Nadelsitz. Durch diese Sitzdrosselwirkung kann der Kraftstoff
nur mit einem reduzierten Einspritzdruck, das heißt, mit
einer reduzierten Einspritzgeschwindigkeit eingespritzt werden.
Dies führt zu
einer verschlechterten Gemischbildung, was sich nachteilig auf die
Abgasemissionen auswirkt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung
der Dämpfereinrichtung,
die für
einen vorbestimmten Vorhub eine im wesentlichen ungedämpfte Öffnungsbewegung für die Düsennadel
ermöglicht,
wird erreicht, dass die Düsennadel
relativ schnell die Öffnungsphase,
in welcher die Sitzdrosselwirkung auftritt, durchläuft, was
zu einer entsprechenden zeitlichen Verkürzung der Sitzdrosselwirkung
führt und
deren Einfluss auf den Einspritzvorgang reduziert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform kann
der Vorhub so bemessen sein, dass die Düsennadel bei Erreichen des
Vorhubs die Öffnungsphase, in
welcher die durch den Sitz der Düsennadel
erzeugte Sitz Drosselwirkung die Einspritzung von Kraftstoff durch
das wenigstens eine Spritzloch wesentlich drosselt, verlässt. Auf
diese Weise wird der Vorhub so eingestellt, dass die Öffnungsphase
mit Sitzdrosselwirkung möglichst
kurzzeitig ist.
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Besonders
zweckmäßig ist
eine Variante, bei welcher der Vorhub so bemessen ist, dass bei
Erreichen des Vorhubs die durch den Sitz der Düsennadel erzeugte Sitzdrosselwirkung
etwa gleich groß ist
wie oder kleiner ist als eine durch das wenigstens eine Spritzloch
erzeugte Lochdrosselwirkung. Bei dieser Auslegung ist die Einspritzung
des Kraftstoffs durch das wenigstens eine Spritzloch nur noch durch
die Lochdrosselwirkung bestimmt, sobald der Vorhub erreicht ist.
Der Vorhub und somit der ungedämpfte Öffnungsweg
der Düsennadel
kann dadurch auf einen besonders kleinen Wert optimiert werden,
was letztlich die Realisierung besonders kurzer Einspritzzeiten
ermöglicht.
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Die
Dämpfereinrichtung
kann grundsätzlich auf
beliebige Art und Weise realisiert werden. Beispielsweise ist denkbar,
die Dämpfereinrichtung
mit einem ungedrosselten Pfad und parallel dazu mit einem gedrosselten
Pfad auszustatten, welche den Schließdruckraum mit dem Steuerpfad
verbinden. Der ungedrosselte Pfad ist dabei in Abhängigkeit
des Öffnungshubs
der Düsennadel
gesteuert. Beispielsweise überfährt die
Düsennadel
bzw. ein die Düsennadel
aufweisender Nadelverband mit einer Steuerkante im Schließdruckraum
eine Mündungsöffnung des
ungedrosselten Pfads bei Erreichen des vorbestimmten Vorhubs, wodurch
der ungedrosselte Pfad gesperrt ist und dann nur noch der gedrosselte
Pfad offen ist.
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Bevorzugt
wird jedoch eine Ausführungsform,
bei welcher die Dämpfereinrichtung
einen hubverstellbaren Dämpferkolben
aufweist, der einen Ausgleichsraum von einem Dämpferraum trennt, wobei außerdem ein
Drosselpfad vorgesehen ist, der den Ausgleichsraum mit dem Dämpferraum
verbindet. Dabei kommuniziert der Ausgleichsraum mit dem Schließdruckraum,
während
der Dämpferraum über den
Steuerpfad an das Steuerventil angeschlossen ist. Der Dämpferkolben
ist zwischen einer ersten Kolbenstellung und einer zweiten Kolbenstellung
verstellbar. In der ersten Kolbenstellung weist der Dämpferraum
ein maximales Volumen auf, während
gleichzeitig der Ausgleichsraum ein minimales Volumen einnimmt.
Im Unterschied dazu weist der Dämpferraum
in der zweiten Kolbenstellung ein minimales Volumen auf, während gleichzeitig
der Ausgleichsraum ein maximales Volumen einnimmt. Der Kolbenhub, der
erforderlich ist, um den Dämpferkolben
von der ersten Kolbenstellung in die zweite Kolbenstellung zu überführen, ist
so bemessen, dass beim Öffnen
der Düsennadel
die Düsennadel
den Vorhub erreicht, sobald der Dämpferkolben seine zweite Kolbenstellung erreicht.
Durch diese Bauweise wird in der zweiten Schaltstellung des Steuerventils
der Dämpferraum mit
dem Niederdruck beaufschlagt, was zu einer Druckdifferenz zwischen
Dämpferraum
und Ausgleichsraum führt.
In der Folge setzt sich der Dämpferkolben
aus seiner ersten Kolbenstellung heraus in Bewegung, was zu einer
Verkleinerung des Dämpferraumvolumens
und zu einer Vergrößerung des
Ausgleichsraumvolumens führt.
Folglich sinkt im Ausgleichsraum der Druck und in der Folge auch
im Schließdruckraum.
Auf diese Weise kann die Düsennadel
bzw. der Nadelverband vom Sitz abheben und einen Öffnungshub
durchführen.
Durch den Öffnungshub
wird das Volumen des Schließdruckraums verkleinert.
Das dabei verdrängte
Hydraulikvolumen kann dabei im wesentlichen ungedrosselt in den
Ausgleichsraum gelangen, da dessen Volumen in entsprechender Weise
zunimmt. Die Öffnungsbewegung
der Düsennadel
erfolgt dadurch quasi ungedämpft.
Sobald der Dämpferkolben
den vorbestimmten Kolbenhub durchfahren hat, nimmt er seine zweite
Kolbenstellung ein. Das Volumen des Dämpferraums hat dann seinen
Minimalwert erreicht, während
das Volumen des Ausgleichsraums sein Maximum aufweist. Die Öffnungsbewegung
der Düsennadel
führt dann
im Schließdruckraum
zu einem Druckanstieg, da das Hydraulikmittel aus dem Schließdruckraum
bzw. aus dem damit kommunizierenden Ausgleichsraum nur noch durch
den Drosselpfad gedrosselt ausströmen kann. In der Folge kommt
es zu einer Dämpfung
des Öffnungshubs
der Düsennadel.
Durch die Bereitstellung des Ausgleichsraums ist es möglich, den
beim Öffnungshub durch
die Düsennadel
bzw. den Nadelverband verdrängten
Kraftstoff quasi ungedrosselt in den Ausgleichsraum zu überführen, wodurch
eine besonders hohe Dynamik für
die Öffnungsbewegung
der Düsennadel
erzielbar ist.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterbildung kann der Nadelverband einen
Schließdruckkolben
aufweisen, der die Schließdruckfläche aufweist
und sich axial an der Düsennadel
lose abstützt.
Die Düsennadel
weist dann eine Hilfsschließdruckfläche auf,
die in einem Hilfsschließdruckraum angeordnet
ist, der über
eine gedrosselte Verbindungsleitung an den Steuerpfad angeschlossen
ist. Durch diese Bauweise kann sich die Düsennadel beim Schließen vom übrigen Nadelverband,
also vom Schließdruckkolben
trennen, wenn im Hilfsschließdruckraum
der Druckaufbau schneller realisiert wird als im Schließdruckraum.
Gleichzeitig besitzt die Düsennadel
eine kleinere Trägheitsmasse als
der gesamte Nadelverband, was ebenfalls zu einer erhöhten Dynamik
für die
Düsennadel
führt.
Mit Hilfe dieser Bauweise kann somit eine extrem kurze Schließzeit für die Düsennadel
realisiert werden. Eine kurze Öffnungszeit
in Verbindung mit einer extrem kurzen Schließzeit führt zu entsprechend kleinen Einspritzzeiten,
die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung
realisierbar sind. Kurze Einspritzzeiten in Verbindung mit einem
hohen Einspritzdruck führen
zu hoher spezifischer Leistung der Brennkraftmaschine bei gleichzeitig
reduzierten Schadstoffemissionen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung ergeben sich
aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert, wobei
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Einspritzeinrichtung
nach der Erfindung,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
eines Details II in 1.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend 1 umfasst
eine erfindungsgemäße Einspritzeinrichtung 1,
die bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug,
zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Einspritzraum 2,
der ein Brennraum und/oder ein Gemischbildungsraum sein kann, dient,
zumindest eine Düsennadel 3,
die in einem Injektorkörper 4 hubverstellbar
gelagert ist. Die Düsennadel 3 dient
dabei in bekannter Weise zum Steuern einer Einspritzung von Kraftstoff
durch wenigstens ein Spritzloch 5. Zu diesem Zweck wirkt
die Düsennadel 3 mit
einem Nadelsitz 6 zusammen. In einer hier gezeigten Schließstellung
sitzt die Düsennadel 3 im
Sitz 6 und sperrt dadurch eine Verbindung des wenigstens
einen Spritzlochs 5 mit einem Düsenraum 7. Beim Öffnen der
Düsennadel 3 hebt
diese aus ihrem Sitz 6 ab, was die Verbindung des Düsenzaums 7 zu
dem wenigstens einen Spritzloch 5 öffnet.
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Die
Düsennadel 3 ist
hier Bestandteil eines Nadelverbands 8, der hier neben
der Düsennadel 3 außerdem einen
Schließdruckkolben 9 aufweist.
Der Schließdruckkolben 9 stützt sich
in axialer Richtung, also in Hubrichtung lose an der Düsennadel 3 ab. Das
heißt,
Schließdruckkolben 9 und
Düsennadel 3 sind
nicht aneinander befestigt, können
jedoch Druckkräfte
in Hubrichtung übertragen.
Zumindest beim Öffnen
der Düsennadel 3 bildet
der Nadelverband 8 eine gemeinsam hubverstellbare Einheit.
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Der
Nadelverband 8 besitzt eine Schließdruckfläche 10, die hier am
Schließdruckkolben 9 ausgebildet
ist und die in einem Schließdruckraum 11 angeordnet
ist. Im Schließdruckraum 11 ist
außerdem
eine Schließdruckfeder 12 angeordnet,
die sich einerseits am Injektorkörper 4 und
andererseits am Schließdruckkolben 9 abstützt. Die
Schließdruckfeder 12 spannt
den Schließdruckkolben 9 und
somit den Nadelverband 8 in Schließrichtung der Düsennadel 3 vor.
Der Schließdruckraum 11 ist über einen
hydraulischen Steuerpfad 13 an ein Steuerventil 14 der Einspritzeinrichtung 1 angeschlossen.
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Das
Steuerventil 14 ist zwischen einer hier gezeigten ersten
Schaltstellung und einer zweiten Schaltstellung umschaltbar. Das
Steuerventil 14 weist drei Anschlüsse, nämlich einen ersten Anschluss 15,
einen zweiten Anschluss 16 und einen dritten Anschluss 17 auf.
An den ersten Anschluss 15 ist direkt oder indirekt eine
Hochdruckquelle 18 angeschlossen, die hier durch eine Kraftstoffhochdruckleitung
realisiert ist. Bei einem sogenannten „Common Rail System" dient diese Kraftstoffhochdruckleitung 18 zur
gemeinsamen Versorgung mehrerer derartiger Einspritzeinrichtungen 1 mit
unter Hochdruck stehendem Kraftstoff. An den zweiten Anschluss 16 ist der
Steuerpfad 13 angeschlossen. Der dritte Anschluss 17 ist
mit einer Niederdruckquelle 19 bzw. mit einer Drucksenke 19 verbunden,
die zweckmäßig durch
einen vergleichsweise drucklosen Rücklauf gebildet sein kann.
Das Steuerventil 14 ist bei der hier gezeigten Ausführungsform
so ausgestaltet, dass es hydraulisch betätigbar ist, wobei es außerdem als Servoventil
ausgestaltet ist. Zur hydraulischen Betätigung des Steuerventils 14 ist
hier ein Schaltventil 20 vorgesehen, das vorzugsweise elektrisch
bzw. elektromagnetisch betätigbar
ist.
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Das
Schaltventil 20 weist einen ersten Schaltventilraum 21,
der an die Niederdruckquelle 19 angeschlossen ist, sowie
einen zweiten Schaltventilraum 22 auf, der an einen ersten
Steuerventilraum 23 des Steuerventils 14 angeschlossen
ist. Dieser erste Steuerventilraum 23 ist von einem Ventilkörper 24 des
Steuerventils 14 begrenzt, der in der ersten Schaltstellung
mit einem ersten Steuerventilsitz 25 und in der zweiten
Schaltstellung mit einem zweiten Steuerventilsitz 26 zusammenwirkt.
Der dritte Anschluss 17 mündet in einen zweiten Steuerventilraum 27,
während
der zweite Anschluss 16 in einen dritten Steuerventilraum 28 einmündet. Der
erste Anschluss 15 mündet
in einen vierten Steuerventilraum 29 ein oder ist durch
den vierten Steuerventilraum 29 gebildet.
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Die
Einspritzeinrichtung 1 weist bei der hier gezeigten Ausführungsform
außerdem
einen Druckübersetzer 30 auf,
mit dessen Hilfe der Hochdruck der Kraftstoffhochdruckleitung 18 auf
einen deutlich höheren
Einspritzdruck übersetzt
werden kann. Hierzu besitzt der Druckübersetzer 30 einen Übersetzerkolben 31,
der hubverstellbar gelagert ist und dabei einen Eingangsdruckraum 32 von
einem Steuerdruckraum 33 trennt und dabei außerdem einen
Ausgangsdruckraum 34 axial begrenzt. Der Übersetzerkolben 31 ist
mit Hilfe einer Rückstellfeder 35 in
die gezeigte Ausgangslage vorgespannt. Der Eingangsdruckraum 32 ist
an die Hochdruckquelle 18 angeschlossen. Gleichzeitig ist
der Eingangsdruckraum 32 mit dem ersten Anschluss 15 des
Steuerventils 14 verbunden. Im vorliegenden Beispiel ist
der erste Anschluss 15 des Steuerventils 14 unmittelbar
am Eingangsdruckraum 32 ausgebildet, so dass der vierte Steuerventilraum 29 unmittelbar
in den Eingangsdruckraum 32 übergeht. Der Steuerdruckraum 33 ist an
den Steuerpfad 13 angeschlossen und über diesen mit dem zweiten
Anschluss 16 des Steuerventils 14 verbunden. Der
Ausgangsdruckraum 34 ist über eine Einspritzdruckleitung 36 mit
dem Düsenraum 7 verbunden,
so dass sich der im Ausgangsdruckraum 34 aufbauende Einspritzdruck
auf den Düsenraum 7 überträgt.
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Im
Steuerpfad 13 ist erfindungsgemäß eine Dämpfereinrichtung 37 angeordnet,
die hydraulisch arbeitet und dabei den Öffnungshub der Düsennadel 3 bzw.
des Nadelverbands 8 ab einem vorbestimmten Vorhub 38 dämpft. In 1 ist
das dem Nadelsitz 6 zugewandte Ende der Düsennadel 3 bei
Erreichen des Vorhubs 38 mit unterbrochener Linie angedeutet. Dabei
ist der Vorhub 38 hier zur Verdeutlichung übertrieben
groß dargestellt.
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Bei
der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform umfasst die Dämpfereinrichtung 37 einen Dämpferkolben 39,
der im Injektorkörper 4 hubverstellbar
gelagert ist. Dabei trennt der Dämpferkolben 39 einen
Ausgleichsraum 40 von einem Dämpferraum 41. Während der
Ausgleichsraum 40 mit dem Schließdruckraum 11 kommuniziert,
ist der Dämpferraum 41 über den
Steuerpfad 13 an das Steuerventil 14 bzw. an dessen
zweiten Anschluss 16 angeschlossen.
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Des
weiteren weist die Dämpfereinrichtung 37 einen
Drosselpfad 42 auf, der den Ausgleichsraum 40 gedrosselt
mit dem Dämpferraum 41 verbindet.
Beispielsweise kann dieser Drosselpfad 42 wie hier eine
Dämpferdrossel 43 aufweisen,
die im Dämpferkolben 39 ausgebildet
ist. Die Dämpferdrossel 43 verbindet
auf diese Weise den Ausgleichsraum 40 durch den Dämpferkolben 39 hindurch
gedrosselt mit dem Dämpferraum 41.
Alternativ kann der Drosselpfad 42 z.B. auch durch wenigstens
eine Längsnut
oder durch ein Radialspiel zwischen dem Dämpferkolben 39 und
dessen Axialführung
gebildet sein.
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Der
Dämpferkolben 39 ist
zwischen einer hier gezeigten ersten Kobenstellung und einer um
einen vorbestimmten Kolbenhub 44 versetzten zweiten Kolbenstellung
verstellbar. In der ersten Kolbenstellung besitzt der Dämpferraum 41 ein
maximales Volumen, während
der Ausgleichsraum 40 ein minimales Volumen aufweist. Im
Unterschied dazu nimmt der Dämpferraum 41 in
der zweiten Kolbenstellung ein minimales Volumen ein, während gleichzeitig
der Ausgleichsraum 40 ein maximales Volumen aufweist. Die
Dimensionierung des Dämpferkolbens 39 ist
so gewählt,
dass sein Kolbenhub 44, der erforderlich ist, um den Dämpferkolben 39 zwischen
der ersten Kolbenstellung und der zweiten Kolbenstellung zu verfahren,
so bestimmt ist, dass die Düsennadel 3 beim Öffnen den
zuvor genannten vorbestimmten Vorhub 38 erreicht, sobald
der Dämpferkolben 39 seine
zweite Kolbenstellung erreicht.
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Da
bei der hier gezeigten Ausführungsform bzw.
gewählten
Darstellung der Querschnitt des Dämpferkolbens 39 gleich
groß ist
wie der Querschnitt des Schließdruckkolbens 9 und
der Düsennadel 3 ist
hier der Vorhub 38 gleich groß wie der Kolbenhub 44.
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Des
weiteren ist für
den Dämpferkolben 39 ein
Sitz 45 vorgesehen, mit dem der Dämpferkolben 39 in
seiner ersten Kolbenstellung zusammenwirkt. Dieser Kolbensitz 45 ist
dabei so gestaltet, dass eine hydraulisch wirksame Fläche 46 (vgl. 2),
die an einer dem Ausgleichsraum 40 zugewandten Kolbenseite
ausgebildet ist, in der ersten Kolbenstellung kleiner ist als in
einer vom Sitz 45 abgehobenen Stellung des Dämpferkolbens 39.
Erreicht wird dies beispielsweise durch eine komplementäre Ausgestaltung
einer hier nicht näher
bezeichneten Sitzfläche und
einem Flächenabschnitt 47 an
der dem Ausgleichsraum 40 zugewandten Kolbenseite. Hierdurch kommt
es in der ersten Kolbenstellung zu einem flächigen Kontakt zwischen Dämpferkolben 39 und
Sitz 45, der die hydraulisch wirksame Fläche 46 deutlich reduziert.
Zur Verdeutlichung ist in 2 durch
einen Pfeil 48 der Querschnitt der verbleibenden Fläche 46 wiedergegeben,
die in der ersten Kolbenstellung noch hydraulisch wirksam ist. Im
Unterschied dazu ist durch einen Pfeil 49 derjenige Querschnitt
angedeutet, der die hydraulisch wirksame Fläche definiert, wenn der Dämpferkolben 39 vom
Sitz 45 entfernt ist. Zweckmäßig ist dann die hydraulisch
wirksame Fläche
an beiden Kolbenseiten gleich groß.
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Im
vorliegenden Beispiel sind Sitzfläche und Flächenabschnitt 47 eben
ausgebildet; grundsätzlich ist
auch eine Kegelform möglich.
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Die
Düsennadel 3 weist
zweckmäßig eine Hilfsschließdruckfläche 50 auf,
die von dem wenigstens einen Spritzloch 5 abgewandt ist
und in einem Hilfsschließdruckraum 51 angeordnet
ist. In diesem Hilfsschließdruckraum 51 erfolgt
auch die axiale und lose Kontaktierung zwischen Düsennadel 3 und Schließdruckkolben 4.
Der Hilfsschließdruckraum 51 ist über eine
gedrosselte Verbindungsleitung 52 an den Steuerpfad 13 angeschlossen.
Die Drosselwirkung dieser Verbindungsleitung 52 kann beispielsweise
mit Hilfe einer entsprechenden Drossel 53 erreicht werden.
Die Drossel 53 bzw. die Drosselwirkung der Verbindungsleitung 52 ist
dabei kleiner dimensioniert als die Dämpferdrossel 43 bzw.
die Drosselwirkung des Drosselpfads 42. Des weiteren ist
der Hilfsschließdruckraum 51 über ein
Rücklaufsperrventil 54 an
die Einspritzdruckleitung 36 angeschlossen, wobei das Rücklaufsperrventil 54 so
orientiert ist, dass es zum Hilfsschließdruckraum 51 hin
sperrt und zur Einspritzdruckleitung 36 hin öffnet.
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Bei
der hier gezeigten Ausführungsform
ist außerdem
ein Ausgleichspfad 55 vorgesehen, über den der Hilfsschließdruckraum 51 mit
dem Schließdruckraum 11 kommuniziert.
Dieser Ausgleichspfad 55 kann beispielsweise gemäß der hier
gezeigten Ausführungsform
zumindest eine Bohrung 56 aufweisen, die durch den Schließdruckkolben 9 hindurchgeführt ist
und einenends im Schließdruckraum 11 und anderenends
im Hilfsschließdruckraum 51 mündet. Im
vorliegenden Fall ist die Bohrung 56 außerdem so positioniert, dass
sie innerhalb eines Ringstegs 57 in den Hilfsschließdruckraum 51 einmündet. Dieser Ringsteg 57 kann
so ausgestaltet sein, dass er bei an der Düsennadel 3 anliegendem
Schließdruckkolben 9 einen
innerhalb des Ringsstegs 57 liegenden Bereich des Hilfsschließdruckraums 51 von
einem außerhalb
des Ringsstegs 57 liegenden Bereich des Hilfsschließdruckraums 51 trennt.
Insoweit ist dann auch der durch die Bohrung 56 geführte Ausgleichspfad 55 gesperrt.
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Die
erfindungsgemäße Einspritzeinrichtung 1 arbeitet
wie folgt:
In der in 1 wiedergegebenen
Ausgangsstellung ist die Düsennadel 3 geschlossen,
das heißt,
es findet keine Einspritzung von Kraftstoff in den Einspritzraum 2 statt.
Das Schaltventil 20 nimmt die gezeigte erste Stellung ein,
in der eine interne Verbindung zwischen den beiden Schaltventilräumen 21 und 22 gesperrt
ist. Dementsprechend herrscht im ersten Schaltventilraum 21 der
Niederdruck, während
im zweiten Schaltventilraum 22 der Hochdruck herrscht, der
sich von der Hochdruckquelle 18 durch den Eingangsdruckraum 32 des
Druckübersetzers 30 bis
in den vierten Steuerventilraum 29 fortpflanzt und von dort
durch eine gedrosselte Verbindung 58 bis in den ersten
Steuerventilraum 23 fortpflanzt, der seinerseits mit dem
zweiten Schaltventilraum 22 kommuniziert.
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Das
Steuerventil 14 befindet sich in der gezeigten ersten Schaltstellung,
in welcher der Ventilkörper 24 in
seinem ersten Steuerventilsitz 25 sitzt und von seinem
zweiten Steuerventilsitz 26 abgehoben ist. Dementsprechend
ist der zweite Steuerventilraum 27 vom dritten Steuerventilraum 28 und
vom vierten Steuerventilraum 29 getrennt. Im zweiten Steuerventilraum 27 herrscht
in der Folge Niederdruck. Der vierte Steuerventilraum 29 ist über den ersten
Anschluss 15 und hier durch den Eingangsdruckraum 32 des
Druckübersetzers 30 hindurch
mit der Hochdruckquelle 18 verbunden, so dass im vierten
Steuerventilraum 29 der Hochdruck herrscht. Da der Ventilkörper 24 in
der ersten Schaltstellung den zweiten Steuerventilsitz 26 freigibt,
herrscht auch im dritten Steuerventilraum 28 der Hochdruck.
Mit anderen Worten, in der ersten Schaltstellung des Steuerventils 14 ist
der erste Anschluss 15 mit dem zweiten Anschluss 16 verbunden,
während
der dritte Anschluss 17 gesperrt ist.
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Im
Eingangsdruckraum 32 herrscht durch dessen Anbindung an
die Hochdruckquelle 18 der Hochdruck. Über den Steuerpfad 13,
der über
den zweiten Anschluss 16 an den dritten Steuerventilraum 28 angeschlossen
ist, pflanzt sich der Hochdruck auch in den Steuerdruckraum 33 des
Druckübersetzers 30,
in den Dämpferraum 41,
in den Ausgleichsraum 40, in den Schließdruckraum 11 und
in den Hilfsschließdruckraum 51 fort.
Durch das Rücklaufsperrventil 54 herrscht
auch in der Einspritzdruckleitung 36 im wesentlichen der
Hochdruck, der sich über
die Einspritzdruckleitung 36 in den Ausgangsdruckraum 34 des
Druckübersetzers 30 und
in den Düsenraum 7 der
Düsennadel 3 fortpflanzt.
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Um
die Düsennadel 3 zu öffnen, wird
das Schaltventil 20 in seine zweite Stellung überführt, in welcher
die beiden Schaltventilräume 21 und 22 miteinander
kommunizieren. Dementsprechend kommt es im zweiten Schaltventilraum 22 zu
einem Druckabfall. Dieser Druckabfall pflanzt sich in den ersten Steuerventilraum 23 fort
und führt
zu einer Stellbewegung des Ventilkörpers 24. Der Ventilkörper 24 wird somit
in die zweite Schaltstellung des Steuerventils 14 überführt, in
welcher der Ventilkörper 24 vom
ersten Steuerventilsitz 25 abhebt und in den zweiten Steuerventilsitz 26 einfährt. In
der Folge können
der zweite Steuerventilraum 27 und der dritte Steuerventilraum 28 miteinander
kommunizieren, während
die Verbindung zwischen dem dritten Steuerventilraum 28 und
dem vierten Steuerventilraum 29 gesperrt ist. D.h., in
der zweiten Schaltstellung ist der erste Anschluss 15 gesperrt,
während
der zweite Anschluss 16 mit dem dritten Anschluss 17 verbunden
ist. Folglich kommt es auch im dritten Steuerventilraum 28 zu einem
Druckabfall. Dieser Druckabfall pflanzt sich zum einen in den Steuerdruckraum 33 des
Druckübersetzers 30 fort
und zum anderen in den Dämpferraum 41 der
Dämpfereinrichtung 37.
Im Hilfsschließdruckraum 51 kommt
dieser Druckabfall durch die Drossel 53 nur verzögert an.
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Der
Druckabfall im Steuerdruckraum 33 des Druckübersetzers 30 führt dazu,
dass sich der Übersetzerkolben 31 in
Bewegung setzt und dadurch den Kraftstoff im Ausgangsdruckraum 34 komprimiert
und darin den gewünschten
hohen Einspritzdruck erzeugt. Dieser Einspritzdruck pflanzt sich
durch die Einspritzdruckleitung 36 in den Düsenraum 7 fort.
Im Düsenraum 7 weist
die Düsennadel 3 zumindest
eine Druckstufe 59 auf, die aus einer Querschnittsdifferenz
zwischen einem Düsennadelquerschnitt 60 in einer
Axialführung
der Düsennadel 3 und
einem Sitzquerschnitt 61 im Nadelsitz 6 ergibt.
Der Druckanstieg im Düsenraum 7 führt an der
Druckstufe 59 zur Einleitung von in Öffnungsrichtung der Düsennadel 3 wirksamen
Kräften.
-
Gleichzeitig
führt der
Druckabfall im Dämpferraum 41 zu
einer Druckdifferenz zwischen Dämpferraum 41 und
Ausgleichsraum 40. Diese Druckdifferenz führt im Dämpferkolben 39 zu
einer resultierenden Kraft, die den Dämpferkolben 39 aus
seinem Sitz 45 und somit aus seiner ersten Kolbenstellung abheben
lässt.
Sobald der Dämpferkolben 39 von seinem
Sitz 45 abhebt wird die dem Ausgleichsraum 40 zugewandte
hydraulisch wirksame Fläche 46 vergrößert, was
gleichzeitig auch die den Dämpferkolben 39 in
die zweite Kolbenstellung antreibende Kraft verstärkt. Durch
die Bewegung des Dämpferkolbens 39 vergrößert sich
das Volumen des Ausgleichsraums 40, was darin zu einem
Druckabfall führt.
Dieser Druckabfall pflanzt sich in den Schließdruckraum 11 fort
und reduziert die an der Schließdruckfläche 10 angreifenden
Schließkräfte. In
Verbindung mit den erhöhten Öffnungskräften an
der Druckstufe 59 entsteht im Nadelverband 8 eine
in Öffnungsrichtung wirkende
resultierende und vergleichsweise große Kraft. In der Folge hebt
die Düsennadel 3 von
ihrem Nadelsitz 6 ab.
-
Solange
der Dämpferkolben 39 seine
zweite Kolbenstellung nicht erreicht hat, also den vorbestimmten
Kolbenhub 44 noch nicht vollendet hat, kann der Kraftstoff,
der beim Öffnungshub
des Nadelverbands 8 aus dem Schließdruckraum 11 verdrängt wird,
quasi ungedrosselt in den Ausgleichsraum 40 ausweichen.
Die Öffnungsbewegung
der Düsennadel 3 ist
somit im wesentlich ungedämpft.
-
Sobald
der Dämpferkolben 39 seinen
vorbestimmten Kolbenhub 44 vollendet hat und somit seine zweite
Kolbenstellung einnimmt, kann sich das Volumen des Ausgleichsraums 40 nicht
weiter vergrößern. In
der Folge führt
der Öffnungshub
des Nadelverbands 8 zu einem Druckanstieg im Schließdruckraum 11,
da das darin eingesperrte Kraftstoffvolumen nur noch durch den Drosselpfad 42,
also gedrosselt aus dem Schließdruckraum 11 bzw.
aus dem Ausgleichsraum 40 entweichen kann. In der Folge
kommt es für
den Öffnungshub
der Düsennadel 3 zu
einer Dämpfung.
Die Düsennadel 3 hat
dann den vorbestimmten Vorhub 38 erreicht, bis zu dem die Öffnungsbewegung
der Düsennadel 3 möglichst
ungedämpft
erfolgen soll und ab dem die Öffnungsbewegung
der Düsennadel 3 gedämpft sein
soll. Die gedämpfte Öffnungsbewegung
der Düsennadel 3 ab dem
Vorhub 38 bewirkt, dass sich die Düsennadel 3 ab dem
Vorhub 38 nur noch vergleichsweise langsam vom Nadelsitz 6 entfernt.
Dies ist von Vorteil, wenn die Düsennadel 3 innerhalb
kurzer Zeit wieder geschlossen werden soll, um extrem kurze Einspritzzeiten
zu realisieren.
-
Beim Öffnen treibt
die Düsennadel 3 den Schließdruckkolben 9 an,
zum einen gegen den im Schließdruckraum 11 herrschenden
Druck und zum andern gegen die Schließdruckfeder 12. Dementsprechend
liegt der Schließdruckkolben 9 an
der Düsennadel 3 an.
Der gesamte Nadelverband 8 wird dadurch einheitlich bewegt.
-
Beim
Abheben der Düsennadel 3 aus
ihrem Sitz 6 wird allmählich
die Verbindung zwischen dem wenigstens einem Spritzloch 5 und
dem Düsenraum 7,
in dem mittlerweile der Einspritzdruck herrscht, zunehmend geöffnet. Dabei
ist beachtenswert, dass sich in einer Öffnungsphase oder Anfangsphase
der Öffnungsbewegung
der Düsennadel 3 im
Sitz 6 eine Sitzdrosselwirkung einstellt, die den freien
Zufluss des Kraftstoffs vom Düsenraum 7 zu
dem wenigstens einen Spritzloch 5 drosselt. Diese Sitzdrosselwirkung reduziert
den Einspritzdruck am wenigstens einen Spritzloch 5 und
somit die Strahlgeschwindigkeit, des aus dem wenigstens einen Spritzloch 5 austretenden Kraftstoffs.
Da jedoch bei der erfindungsgemäßen Einspritzeinrichtung 1 die
Düsennadel 3 während des bestimmten
Vorhubs 38 quasi ungedämpft
aus ihrem Sitz 6 abheben kann, lässt die Düsennadel 3 besagte Anfangs-
oder Öffnungsphase
besonders rasch hinter sich. Auf diese Weise werden die nachteiligen Auswirkungen
der Sitzdrosselwirkung reduziert. Zweckmäßig ist der Vorhub 38 so
dimensioniert, dass die Düsennadel 3 bei
Erreichen des Vorhubs 38 bereits die genannte Anfangs-
bzw. Öffnungsphase
verlässt.
Während
somit die Sitzdrosselwirkung die Einspritzung des Kraftstoffs durch
das wenigstens eine Spritzloch 5 vor Erreichen des Vorhubs 38 noch
wesentlich drosselt, ist die Sitzdrosselwirkung bei Erreichen oder Überfahren
des Vorhubs 38 auf die Einspritzung des Kraftstoffs unwesentlich
bzw. von untergeordneter Bedeutung.
-
Vorzugsweise
wird der Vorhub 38 so dimensioniert, dass die Sitzdrosselwirkung
bei Erreichen des Vorhubs 38 gleich groß ist wie oder vorzugsweise
sogar kleiner ist als eine durch das wenigstens eine Spritzloch 5 erzeugte
Lochdrosselwirkung. Auf diese Weise ist die Einspritzung nur noch
durch den Einspritzdruck und die Dimensionierung des wenigstens
einen Spritzlochs 5 bestimmt, während die Sitzdrosselwirkung
ohne Einfluss ist.
-
Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird das Schaltventil 20 wieder
in die gezeigte erste Stellung umgeschaltet. In der Folge sind die
beiden Schaltventilräume 21, 22 wieder
voneinander getrennt, so dass sich im zweiten Schaltventilraum 22 wieder
der Hochdruck aufbauen kann. Dieser Hochdruck baut sich dann zwangsläufig auch
im ersten Steuerventilraum 23 auf und führt letztlich zu einer Verstellung
des Steuerventilkörpers 24 in
die erste Schaltstellung des Steuerventils 14. In der Folge
wird der dritte Anschluss 17 gesperrt, während der
erste Anschluss 15 mit dem zweiten Anschluss 16 verbunden
wird. Folglich kann sich auch im Steuerpfad 13 wieder der
Hochdruck aufbauen, der sich dann auch wieder im Steuerdruckraum 33 aufbaut
und zu einer Entlastung im Ausgangsdruckraum 34 führt. Diese Druckentlastung
pflanzt sich über
die Einspritzdruckleitung 36 in den Düsenraum 7 fort. Gleichzeitig
steigt der Druck im Dämpferraum 41 sowie
verzögert
im Hilfsschließdruckraum 51.
-
Solange
der Dämpferkolben 39 seine
erste Kolbenstellung nicht erreicht hat, überträgt er den sich im Dämpferraum 41 aufbauenden
Hochdruck auf den Ausgleichsraum 40. Von diesem gelangt
der Hochdruck in den Schließdruckraum 11 und über den Ausgleichspfad 55 zunächst in
den innerhalb des Ringstegs 57 liegenden Bereich des Hilfsschließdruckraums 51 und
nach dem Abheben der Düsennadel 3 vom
Schließdruckkolben 9 auch
in den außerhalb
des Ringstegs 57 liegenden Bereich des Hilfsschließdruckraums 51.
-
Sobald
dann der Dämpferkolben 39 wieder
in seine erste Kolbenstellung verstellt ist, kann sich im Hilfsschließdruckraum 51 der
Druck schneller aufbauen als im Schließdruckraum 11, da
die Drossel 53 in der Verbindungsleitung 52 eine
kleinere Drosselwirkung aufweist als die Dämpferdrossel 43 im
Drosselpfad 42. Jedenfalls führt der Druckanstieg im Hilfsschließdruckraum 51 dazu,
dass die Düsennadel 3 über die
Hilfsschließdruckfläche 50 besonders
stark oder zusätzlich
in die Schließrichtung
angetrieben ist. Durch die Trennung der Düsennadel 3 vom Schließdruckkolben 9 muss
nur die Trägheitsmasse
der Düsennadel 3 in
Richtung Nadelsitz 6 beschleunigt werden. Dementsprechend
reagiert die Düsennadel 3 sehr
rasch auf den Schließbefehl,
was die Realisierung extrem kurzer Einspritzzeiten ermöglicht.
-
Der
Druckanstieg im Dämpferraum 41 führt gleichzeitig
zu einer Rückstellung
des Dämpferkolbens 39 in
dessen erste Kolbenstellung. Da in dieser ersten Kolbenstellung
der Dämpferkolben 39 in
seinem Sitz 45 sitzt und somit an der dem Ausgleichsraum 40 zugewandten
Seite nur noch die reduzierte hydraulisch wirksame Fläche 46 aufweist,
verbleibt der Dämpferkolben 39 in
seiner ersten Kolbenstellung.
-
Durch
die Rückstellung
des Übersetzerkolbens 31,
die im wesentlichen durch die Rückstellfeder 35 angetrieben
ist, kommt es im Ausgangsdruckraum 34 zu einem Druckabfall.
Sobald der Druck dort unter den Hochdruck absinkt, öffnet das
Rücklaufsperrventil 34,
wodurch der Ausgangsdruckraum 34 nachgefüllt werden
kann.
-
- 1
- Einspritzeinrichtung
- 2
- Einspritzraum
- 3
- Düsennadel 4
- 4
- Injektorkörper
- 5
- Spritzloch
- 6
- Nadelsitz
- 7
- Düsenraum
- 8
- Nadelverband
- 9
- Schließdruckkolben
- 10
- Schließdruckfläche
- 11
- Schließdruckraum
- 12
- Schließdruckfeder
- 13
- Steuerpfad
- 14
- Steuerventil
- 15
- erster
Anschluss von 14
- 16
- zweiter
Anschluss von 14
- 17
- dritter
Anschluss von 14
- 18
- Hochdruckquelle
- 19
- Niederdruckquelle
- 20
- Schaltventil
- 21
- erster
Schaltventilraum
- 22
- zweiter
Schaltventilraum
- 23
- erster
Steuerventilraum
- 24
- Steuerventilkörper
- 25
- erster
Steuerventilsitz
- 26
- zweiter
Steuerventilsitz
- 27
- zweiter
Steurventilraum
- 28
- dritter
Steuerventilraum
- 29
- vierter
Steuerventilraum
- 30
- Druckübersetzer
- 31
- Übersetzerkolben
- 32
- Eingangsdruckraum
- 33
- Steuerdruckraum
- 34
- Ausgangsdruckraum
- 35
- Rückstellfeder
- 36
- Einspritzdruckleitung
- 37
- Dämpfereinrichtung
- 38
- Vorhub
- 39
- Dämpferkolben
- 40
- Ausgleichsraum
- 41
- Dämpferraum
- 42
- Drosselpfad
- 43
- Dämpferdrossel
- 44
- Kolbenhub
- 45
- Kolbensitz
- 46
- hydraulisch
wirksame Fläche
- 47
- Flächenabschnitt
- 48
- Querschnitt
- 49
- Querschnitt
- 50
- Hilfsschließdruckfläche
- 51
- Hilfsschließdruckraum
- 52
- Verbindungsleitung
- 53
- Drossel
- 54
- Rücklaufsperrventil
- 55
- Ausgleichpfad
- 56
- Bohrung
- 57
- Ringsteg
- 58
- Verbindung
- 59
- Druckstufe
- 60
- Düsennadelquerschnitt
- 61
- Sitzquerschnitt