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Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Einspritzventile,
wie sie beispielsweise bei einem Common-Rail-Einspritzsystem eingesetzt werden,
weisen eine Düsennadel
auf, die über
einen Steuerkolben über
einen Druck in einem Steuerraum steuerbar ist. Dabei grenzt der
Steuerkolben an den Steuerraum und die Düsennadel grenzt an einen Druckraum.
Sowohl im Steuerraum als auch im Druckraum herrscht zumindest zeitweise
ein hoher Kraftstoffdruck, der über
entsprechende Dichtspalten in einen Ablaufraum abfließt und als
Leckage abgeführt
wird.
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Aus
der WO 00/55490 ist beispielsweise ein Einspritzventil bekannt,
welches ein Gehäuse
aufweist, in dem eine Düsennadel
angeordnet ist. Die Düsennadel
weist einen Führungsabschnitt
auf, der über
einen ersten Dichtspalt geführt
ist. An den Führungsabschnitt
schließt
sich eine Nadelspitze an. Die Düsennadel
ist durch einen Druckraum zu einem Dichtsitz geführt, der am Gehäuse ausgebildet
ist. Der Druckraum ist mit einer Kraftstoffzuleitung verbunden.
Der erste Dichtspalt verbindet einen Ablaufraum mit dem Druckraum.
Die Düsennadel
weist im Druckraum eine Druckfläche
auf, an der sich der Durchmesser der Düsennadel in Richtung auf die
Nadelspitze verjüngt.
Unterhalb des Dichtsitzes ist ein Düsenloch im Gehäuse ausgebildet.
Der Führungsabschnitt
steht mit dem Steuerkolben in Wirkverbindung. Der Steuerkolben ist
mit einem zweiten Dichtspalt im Gehäuse geführt und an eine Steuerkammer
angrenzend. Der zweite Dichtspalte verbindet die Steuerkammer mit
dem Ablaufraum. Die Steuerkammer ist ferner mit der Kraftstoffleitung
und mit einem Ablauf verbunden. Der Ablaufraum ist über ein
steuerbares Ventil mit einem Ablauf verbunden. In Abhängigkeit
vom Druck im Steuerraum wird durch ein zusätzliches Ventil der Druck im
Ablaufraum eingestellt. Zusätzlich
ist bei dieser Einspritzventilbauart ein durch ein Aktor ansteuerbares
Servoventil vorhanden.
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Aus
der
DE 100 15 268
A1 ist ein Einspritzventil bekannt, das eine Steuerkammer
mit einem Steuerkolben aufweist, der in Wirkverbindung mit einer
Düsennadel
steht. Die Steuerkammer ist über eine
Zulaufdrossel mit Kraftstoff unter hohem Druck und mit einer Ablaufdrossel
mit einer Ventilkammer verbunden. In der Ventilkammer ist ein Servoventil angeordnet,
das in Abhängigkeit
von seiner Position eine Verbindung zwischen der Ventilkammer und Rückfluss öffnet. Ferner
ist eine Bypassdrossel vorgesehen, die zwischen der Kraftstoffzuleitung
und der Ventilkammer angeordnet ist. Bei diesem Einspritzventil
wird der Druck im Ablaufraum durch eine Verbindung des Ablaufraums
mit der Leckageleitung auf den Leckagegegendruck eingestellt. Ferner
wird er durch eine Verbindung des Ablaufraums mit der Kraftstoffzuleitung
auf den Kraftstoffzulaufdruck eingestellt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Einspritzventil bereitzustellen,
das einen reduzierte Leckage aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit dem Einspritzventil gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Einspritzventils
besteht darin, dass die Leckage, die über den Steuerkolben oder über die
Düsennadel auftritt,
reduziert ist. Dazu ist ein Ablaufraum, an den sowohl die Düsennadel
als auch der Steuerkolbenangrenzen, über ein steuerbares Ventil
mit einer Rücklaufbohrung
verbunden. Durch die Einstellung des Öffnungsquerschnittes des steuerbaren
Ventils wird ein veränderbarer
Kraft stoffdruck im Ablaufraum erzeugt. Dadurch ist sowohl zwischen
dem Steuerraum und dem Ablaufraum bzw. zwischen dem Druckraum und
dem Ablaufraum zeitweise eine geringere Druckdifferenz vorhanden.
Damit wird der über
den Dichtspalt entlang dem Steuerkolben und über den Dichtspalt entlang
der Düsennadel
entweichende Kraftstofffluss reduziert.
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In
einer Weiterbildung wird der Druck im Ventilraum abhängig vom
Druck in der Kraftstoffzuleitung eingestellt. Dazu wird vorzugsweise
der Öffnungsquerschnitt
des Ventils abhängig
vom Druck in der Kraftstoffzuleitung gesteuert.
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Gute
Ergebnisse bei der Reduzierung der Kraftstoffleckage werden mit
einem Kraftstoffdruck im Ablaufraum von bis zu 50 % des Kraftstoffdruckes der
Kraftstoffzuleitung erreicht. Zu hohe Kraftstoffdrücke im Ablaufraum
können
sich jedoch negativ auf die Einspritzcharakteristik des Einspritzventils
auswirken. Vorzugsweise wird der Druck im Kraftstoffraum auf bis
zu 30 % des Kraftstoffdruckes in der Kraftstoffzuleitung eingestellt.
Der Kraftstoffdruck in der Kraftstoffzuleitung entspricht im Wesentlichen dem
Kraftstoffdruck eines Kraftstoffspeichers, an den das Kraftstoffeinspritzventil
anschließbar
ist.
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In
einer weiteren Ausbildungsform ist das Ventil als Differenzdruckventil
mit zwei Aufnahmeflächen
ausgebildet, wobei eine erste Aufnahmefläche dem Druck im Ablaufraum
und die zweite Aufnahmefläche
dem Druck in der Kraftstoffzuleitung ausgesetzt ist. Die zwei Aufnahmeflächen sind
in der Druckwirkung einander entgegengesetzt angeordnet, wobei die
Aufnahmeflächen
in Verbindung mit einem Schließglied
stehen und die Position des Schließgliedes abhängig von
den Druckverhältnissen auf
den Aufnahmeflächen
festgelegt wird. Auf diese Weise wird eine einfache Ausbildungsform
eines Differenzdruckventils bereitgestellt.
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In
einer weiteren Ausbildungsform ist eine Ventilfeder vorgesehen,
die das Schließglied
des Ventils auf einen Dichtsitz vorspannt.
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Vorzugsweise
ist das Ventil zwischen dem Ablaufraum und einer Kraftstoffrückleitung
angeordnet, wobei zudem eine Verbindung zur Kraftstoffleitung vorgesehen
ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1 einen
schematischen Querschnitt durch ein Einspritzventil und
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2 eine
schematische Darstellung eines Ventils.
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1 zeigt
ein Einspritzventil 1 mit einem Gehäuse 2, wobei das Gehäuse 2 einen
Ventilkörper 5 und
einen Düsenkörper 3 umfasst,
wobei der Düsenkörper 3 über eine
Spannmutter 4 am Ventilkörper 5 befestigt ist.
Der Ventilkörper 5 und
der Düsenkörper 3 sind
mittensymmetrisch zu einer Mittenachse des Einspritzventils 1 angeordnet.
Zwischen dem Ventilkörper 5 und
dem Düsenkörper 3 ist
eine Anschlagplatte 24 eingespannt. Der Ventilkörper 5 weist eine
durchgehende erste Bohrung 25 auf, die mittensymmetrisch
zur Mittenachse angeordnet ist. In der Anschlagplatte 24 ist
eine zweite Bohrung 26 ebenfalls symmetrisch zur Mittenachse
des Einspritzventils 1 ausgebildet. Im Düsenkörper 3 ist
eine Sacklochbohrung 27 mittensymmetrisch zur Mittenachse des
Einspritzventils 1 ausgebildet. Im Endbereich des Düsenkörpers 3 sind
Düsenlöcher 19 in
den Düsenkörper 3 eingebracht.
Oberhalb der Düsenlöcher 19 ist
ein ringförmiger
Dichtsitz 18 an der Sacklochbohrung 27 ausgebildet.
Die Sacklochbohrung 27 weist einen Führungsabschnitt 28 auf,
der von der Anschlagplatte 24 ausgeht und in einen Druckabschnitt 29 mit
vergrößertem Querschnitt
mündet.
Der Druckabschnitt 29 verjüngt sich wieder in Richtung auf
die Düsenlöcher 19 in
einen Kraftstoffleitungsabschnitt 30.
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Im
Ventilkörper 5 ist
eine Kraftstoffleitung 22 eingebracht, die von einem oberen
Bereich des Ventilkörpers 5 parallel
zur ersten Bohrung 25 durch die Anschlagplatte 24 bis
in den Druckabschnitt 29 geführt ist. Auf diese Weise wird
der Kraftstoff, der über einen
Kraftstoffanschluss von einem Kraftstoffspeicher zugeführt wird,
bis in einen Druckraum 15 geleitet, der im Druckabschnitt 29 ausgebildet
ist.
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Weiterhin
ist im Düsenkörper 3 eine
Leckagebohrung 21 eingebracht, die im wesentlichen parallel
zur ersten Bohrung 25 entlang der gesamten Länge des
Ventilkörpers 5 geführt ist.
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Im
Düsenkörper 3 ist
eine Düsennadel 13 angeordnet,
wobei die Düsennadel 13 im
oberen Endbereich einen Führungsabschnitt 31 aufweist,
der über
einen ersten Dichtspalt 32 in der Führungsbohrung 28 geführt ist.
Der Führungsabschnitt 31 erstreckt
sich bis in den Druckabschnitt 29, wobei sich im Druckabschnitt 29 der
Querschnitt der Düsennadel über Druckflächen 17 verjüngt. Eine
untere Spitze der Düsennadel 13 ist
mit einer Dichtfläche
dem Dichtsitz 18 zugeordnet. Zwischen dem Kraftstoffleitungsabschnitt 30 des
Düsenkörpers 3 und
der Düsennadel 13 ist
ein Kraftstoffraum ausgebildet, so dass Kraftstoff bis zum Dichtsitz 18 fließen kann.
In der dargestellten Position sitzt die Düsennadel 13 mit der
Düsenspitze
auf dem Dichtsitz 18 auf. Damit sind die Düsenlöcher 19,
die unterhalb des Dichtsitzes 18 angeordnet sind, vom Kraftstoff
getrennt.
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In
der zweiten Bohrung 26 der Anschlagplatte 24 ist
ein Koppelkolben 12 angeordnet, der mit einem unteren Ende
an der Düsennadel 13 anliegt
und mit einem oberen Ende in einen Ablaufraum 33 mündet. Der
Ablaufraum 33 ist in einem unteren Endbereich der ersten
Bohrung 25 ausgebildet. Im Querschnitt ist der Koppelkolben 12 im
wesentlichen T-förmig
ausgebildet, wobei eine verbreiterte Auflagefläche im Ablaufraum 33 ausgebildet
ist. Auf der Auflagefläche
sitzt eine Spannfeder 10 auf, die gegen eine ringförmige Anlagefläche des
Ventilkörpers 5 abgestützt ist.
Die ringförmige
Anlagefläche
umgibt ein unteres Ende eines Steuerkolbens 9. Der Steuerkolben 9 ist
in der ersten Bohrung 25 über einen zweiten Dichtspalt 34 des
Ventilkörpers 5 geführt. Der
Steuerkolben 9 grenzt mit einem oberen Endbereich an einen
Steuerraum 8, der in einem oberen Endbereich der ersten
Bohrung 25 ausgebildet ist. Der Steuerraum 8 wird
von einem Servoventil 6 begrenzt, das in einen erweiterten
Endabschnitt der ersten Bohrung 25 eingesteckt ist. Oberhalb
des Servoventils 6 ist ein Aktor 7 am Ventilkörper 5 befestigt,
der in Wirkverbindung mit einem ersten Schließglied 35 des Servoventils 6 steht.
Vorzugsweise ist der Aktor 7 als piezoelektrischer Aktor
ausgebildet. Das erste Schließglied 35 wird über eine
Schließfeder 36 gegen
einen Ventilsitz vorgespannt. Durch den Ventilsitz ragt von oben
ein Stellglied 37, das in Wirkverbindung mit dem Aktor 7 steht.
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Der
Steuerraum 8 steht über
eine nicht dargestellte Zulaufdrossel mit der Kraftstoffleitung 22 in Verbindung.
Zudem ist der Steuerraum 8 über das Servoventil 6 mit
einem nicht dargestellten Ablauf verbindbar. Ist das Servoventil 6 geschlossen,
so herrscht im Steuerraum 8 der gleiche Kraftstoffdruck wie
in der Kraftstoffleitung 22. Zudem herrscht auch im Druckraum 15 der
gleiche Kraftstoffdruck wie in der Kraftstoffleitung 22.
Da jedoch die Druckfläche des
Steuerkolbens 9, der an den Steuerraum 8 grenzt,
größer ist
als die Druckfläche 17,
die an der Düsennadel 13 im
Druckraum 15 ausgebildet ist, wird die Düsennadel 13 auf
den Dichtsitz 18 gedrückt. Wird
nun über
eine Betätigung
des Aktors 7 durch das Stellglied 37 das erste
Schließglied 35 vom Dichtsitz
abgehoben, so strömt
Kraftstoff aus dem Steuerraum 8 über den Ablauf schneller ab
als Kraftstoff über
die Zulaufdrossel von der Kraftstoffleitung 22 zufließt. Damit
sinkt der Druck im Steuerraum 8. Im Druckraum 15 bleibt
der Kraftstoffdruck unverändert
hoch. Folglich wird die Düsennadel
aufgrund der Druckwirkung an der Druckfläche 17 vom Dichtsitz 18 abgehoben.
Dadurch wird eine hydraulische Verbindung zwischen dem Druckraum 15 und
der Düsenlöcher 19 erstellt
und Kraftstoff wird eingespritzt.
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Wird
nun über
die Betätigung
des Aktors 7 das Stellglied 37 wieder nach oben
zurückgezogen, so
wird das erste Schließglied 35 durch
die Schließfeder 36 auf
den zugeordneten Dichtsitz gedrückt,
so dass der Abfluss aus dem Steuerraum 8 geschlossen wird.
Da über
die Zulaufdrossel weiterhin Kraftstoff über den Steuerraum 8 fließt, baut
sich im Steuerraum 8 wieder der gleich hohe Druck wie in
der Kraftstoffzuleitung 22 auf. Folglich wird aufgrund
des Kraftstoffdruckes im Steuerraum 8 der Steuerkolben 9 nach
unten gedrückt.
Da der Steuerkolben 9 am Koppelkolben 12 anliegt,
wird der Koppelkolben 12 ebenfalls nach unten gedrückt. Der
Koppelkolben 12 wiederum liegt an der Düsennadel 13 und drückt diese
mit ihrer Spitze gegen den Dichtsitz 18. Folglich wird
die hydraulische Verbindung zwischen dem Druckraum 15 und
den Düsenlöchern 19 unterbrochen,
so dass die Einspritzung endet.
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Da
im Druckraum 15 insbesondere bei geschlossener Düsennadel
ein hoher Kraftstoffdruck herrscht, wird über den ersten Dichtspalt 32 und über einen
Spalt 38, der zwischen dem Koppelkolben 12 und
der Anschlagplatte 24 ausgebildet ist, Kraftstoff zum Ablaufraum 33 geführt. Zudem
wird ausgehend vom Steuerraum 8 Kraftstoff über den
zweiten Dichtspalt 34 zum Ablaufraum 33 geführt. Der
Kraftstofffluss in den Ablaufraum 33 hängt vom Differenzdruck zwischen
dem Steuerraum und dem Ablaufraum 33 bzw. zwischen dem
Druckraum und dem Ablaufraum 33 ab. Die Erfindung geht
nun von der Idee aus, den Kraftstoffdruck im Ablaufraum 33 einzustellen,
insbesondere zu erhöhen,
damit der Differenzdruck zwischen dem Steuerraum 8 und
dem Ablaufraum 33 bzw. zwischen dem Druckraum 15 und
dem Ablaufraum 33 reduziert ist. Dies wird dadurch erreicht,
dass der Ablaufraum 33 über
ein Ventil 39 mit der Leckagebohrung 21 hydraulisch
verbunden ist (vgl. 2). Dazu ist das Ventil 39 vorzugsweise
im Ventilkörper 5 oder
zwischen dem Ventilkörper 5 und der
Anschlagplatte 24 angeordnet.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Ventils 39, mit den entsprechenden
hydraulischen Ansprüchen.
Das Ventil 39 ist im Ventilkörper 5 ausgebildet
und weist eine erste Zuleitung 40 auf, die in den Ablaufraum 33 mündet. Zudem
weist das Ventil 39 eine zweite Zuleitung 41 auf,
die mit der Kraftstoffzuleitung 22 verbunden ist. Weiterhin
ist eine Ableitung 42 vorgesehen, die an die Leckagebohrung 21 angeschlossen
ist. Die erste Zuleitung 40, die zweite Zuleitung 41 und
die Ableitung 42 münden
jeweils in einen Ventilraum 43. Im Ventilraum 43 ist
ein Ventilkörper 44 ausgebildet,
der zwei gegenüber
liegende Aufnahmeflächen 45, 53 aufweist.
Die erste Aufnahmefläche 53 grenzt
an den Bereich des Ventilraumes 43, in den die zweite Zuleitung 41 mündet. Die
erste Aufnahmefläche 53 schließt dichtend einen
Hochdruckraum 46 ab, in den die zweite Zuleitung 41 mündet. Vorzugsweise
ist im Hochdruckraum 46 eine Druckfeder 47 angeordnet.
Die Druckfeder 47 spannt den Ventilkörper 48 mit einem
Schließteil 49 gegen
einen zweiten Dichtsitz 50. Das Schließteil 49 ist im Wesentlichen
als Platte ausgebildet, die eine dem zweiten Dichtsitz 50 zugeordnete
Dichtfläche 51 aufweist.
In der dargestellten Ausführungsform
sind der zweite Dichtsitz 50 und die Dichtfläche 51 ringförmig ausgebildet.
Im geschlossen Zustand dichtet das Schließteil 49 einen Zulaufbereich 52 ab, in
den die erste Zuleitung 40 mündet.
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Das
Schließteil 49 weist
auf der Seite, die dem Zulaufbereich 52 zugeordnet ist,
die zweite Aufnahmefläche 45 auf.
Da die erste und die zweite Aufnahmefläche 53, 45 an
entgegengesetzten Seitenflächen
des Ventilkörpers 48 ausgebildet
sind, wird das Schließteil 49 durch
den Kraftstoffdruck, der durch die zweite Zuleitung 41 von
der Kraftstoffzuleitung 22 zugeführt wird, gegen den Dichtsitz 50 gedrückt. Zudem
drückt
noch die Druckfeder 47 das Schließteil 49 gegen den
Dichtsitz 50. Die erste Aufnahmefläche 53 weist eine
kleinere Fläche
als die zweite Aufnahmefläche 45 auf.
Entspricht beispielsweise die erste Aufnahmefläche 53 einem Drittel
der zweiten Aufnahmefläche 45,
so wird das Schließteil 49 durch
den Druck im Federraum 11 vom Dichtsitz abgehoben, wenn
der Druck im Federraum 11 über einem Drittel des Druckes
in der Kraftstofflei tung 22 liegt. Wird nun das Schließteil 49 vom
Dichtsitz 50 abgehoben, so wird eine hydraulische Verbindung
zwischen dem Zulaufbereich 52 und der Ableitung 42 geöffnet, so
dass Kraftstoff aus dem Ablaufraum 33 abfließen kann
und der Kraftstoffdruck im Federraum 11 sinkt. Sinkt nun der
Kraftstoffdruck im Ablaufraum 33 unter einem Drittel des
Drucks in der Kraftstoffleitung 22, so wird das Schließglied 49 wieder
auf den Dichtsitz 50 gedrückt und der Ablaufraum 33 verschlossen.
Da über den
ersten und den zweiten Dichtspalt 32, 34 immer Kraftstoff
in den Federraum 11 fließt, stellt sich im Federraum 22 im
Wesentlichen ein Kraftstoffdruck ein, der zum Kraftstoffdruck in
der Kraftstoffzuleitung 22 im gleichen Verhältnis steht
wie die Flächen
der ersten Aufnahmefläche 53 zur
Fläche
der zweiten Aufnahmefläche 45.
Bei der Verwendung einer Druckfeder 47 wird der Öffnungsdruck,
bei dem das Schließglied 49 vom
Dichtsitz 50 abhebt, zusätzlich um den Federdruck der
Druckfeder erhöht.
Durch die Wahl des Flächenverhältnis von
erster und zweiter Auflagefläche 53, 45 wird
der relative Öffnungsdruck
eingestellt.
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Durch
die Ausbildung des Ventils 39 wird der Druck im Ablaufraum
proportional zum Druck in der Kraftstoffleitung 22 eingestellt.
Damit wird der Differenzdruck zwischen dem Steuerraum 8 und
dem Ablaufraum bzw. zwischen dem Druckraum 15 und dem Ablaufraum
reduziert, so dass eine geringere Leckage auftritt.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des Ventils 39 stellt
eine bevorzugte Ausführungsform
dar, wobei jedoch auch andere Arten von Ventilen, insbesondere ein
durch ein Steuergerät
ansteuerbare Ventil eingesetzt werden kann, um den Druck im Ablaufraum 33 zu
erhöhen.
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Vorzugsweise
ist das Ventil 39 in der Weise ausgebildet, dass ein Kraftstoffdruck
von maximal 50 % des Kraftstoffdruckes der Kraftstoffleitung 22,
vorzugsweise von maximal 30 % des Kraftstoffdruckes der Kraftstoffleitung 22 eingestellt
wird.
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Grundsätzlich wird
die Leckage umso geringer, je höher
der Kraftstoffdruck im Ablaufraum 33 eingestellt wird.
Jedoch hat der Kraftstoffdruck im Ablaufraum 33 einen Einfluss
auf die Dynamik und Öffnungscharakteristik
der Düsennadel 13,
so dass bei einem zu hohen Druck im Ablaufraum sich nachteilige
Effekte auf das Einspritzverhalten des Einspritzventils einstellen.