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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit Piezoaktor nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Ein
mit einem Piezoaktor angesteuerter Kraftstoffinjektor ist zum Beispiel
aus EP-A 1 174 615 bekannt. Der Kraftstoffinjektor umfasst ein Einspritzventilglied,
welches mit einem Ventilsitz zusammenwirkt, um die Kraftstoffzufuhr
in die Brennkammer zu steuern. Der Kraftstoffinjektor umfasst weiterhin
einen Piezoaktor und eine Verstärkereinheit,
um die Bewegung des Aktors an das Ventilglied zu übertragen.
Die Verstärkereinheit
umfasst einen Kolben, auf welchen die Verstärkereinheit eine Rückziehkraft
aufbringen kann, und einen Steuerraum sowie mechanische Verbindungselemente,
um die Bewegung des Kolbens mit dem Ventilglied beim Aufbringen
der Rückziehkraft
auf den Kolben zu verbinden. Die Verstärkereinheit ist so ausgebildet,
dass sich beim Aufbringen der Rückziehkraft
das Ventilglied mit dem Kolben aus dem Ventilsitz hebt und die Bewegung des
Ventilgliedes nach der anfänglichen
Bewegung vom Kolben entkoppelt ist, um eine variable Verstärkung der
Bewegung des Aktors und des Ventilgliedes zu ermöglichen.
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Nachteil
bei dem in EP-A 1 174 615 offenbarten Kraftstoffinjektor ist, dass
der Piezoaktor bei verschlossener Einspritzöffnung bestromt ist. Die Stromversorgung
des Piezoaktors wird nur zum Einspritzen von Kraftstoff unterbrochen.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor zum
Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine
umfasst mindestens eine durch ein Einspritzventilglied verschließbare oder
freigebbare Einspritzöffnung.
Der Kraftstoffinjektor ist von einem Aktor ansteuerbar, wobei in
einem einseitig offenen Übersetzerkolben,
der mit dem Aktor in Verbindung steht, ein Steuerkolben bewegbar
aufgenommen ist. Im Steuerkolben ist an der dem Übersetzerkolben abgewandten
Seite ein ringförmiger
Ansatz ausgebildet, in welchem das Einspritzventilglied geführt ist,
so dass bei bestromtem Aktor die mindestens eine Einspritzöffnung freigegeben
ist und bei nicht bestromtem Aktor die mindestens eine Einspritzöffnung verschlossen
ist. Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffinjektors ist, dass der Piezoaktor nur zum Einspritzen
von Kraftstoff bestromt wird. So ist auch gewährleistet, dass bei nicht betriebener
Verbrennungskraftmaschine die mindestens eine Einspritzöffnung des
Kraftstoffinjektors verschlossen ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Aktor ein Piezoaktor.
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Damit
das Einspritzventilglied die mindestens eine Einspritzöffnung bei
bestromtem Aktor, das heißt
bei ausgedehntem Aktor, freigibt, begrenzt der Übersetzerkolben mit einer dem
Aktor abgewandten, vorzugsweise ringförmig ausgeführten Stirnseite, einen Kopplerraum.
Auf der gleichen Seite wird der Kopplerraum von einer Schulter des
im einseitig offenen Übersetzerkolben
bewegbar aufgenommenen Steuerkolbens begrenzt. Weiterhin umschließt der Kopplerraum
den ringförmigen
Ansatz des Steuerkolbens. Durch die Bestromung des Aktors erfährt dieser
eine Längenausdehnung
in axialer Richtung. Hierdurch wird die Stirnfläche des Übersetzerkolbens in den Kopplerraum
hineinbewegt. Dies führt
zu einer Volumenabnahme und damit einer Druckzunahme im Kopplerraum.
Durch die Druckzunahme erhöht
sich die auf die Schulter des Steuerkolbens wirkende Kraft. Dieser
wird somit weiter in den einseitig offenen Übersetzerkolben hineinbewegt.
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Hierzu
ist im Übersetzerkolben
vorzugsweise ein erster Steuerraum ausgebildet, der vom Übersetzerkolben
und dem Steuerkolben begrenzt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist im ersten Steuerraum ein erstes Federelement aufgenommen, welches
vorzugsweise eine als Spiralfeder ausgebildete Druckfeder ist und
sich mit einer Seite gegen den Übersetzerkolben
und mit der anderen Seite gegen den Steuerkolben abstützt. Durch
das erste Federelement wird die Bewegung des Steuerkolbens in Richtung
der mindestens einen Einspritzöffnung
unterstützt
und so ein schnelles Verschließen
der mindestens einen Einspritzöffnung
gewährleistet.
Mittels des ersten Federelements wird darüber hinaus erreicht, dass die
Durchmesserlage im geschlossenen Zustand immer gleich bleibt insbesondere
bei Start des Systems. Dadurch wird verhindert, dass im geschlossenen
Zustand des Einspritzventilglieds ungewollt Kraftstoff in den Brennraum
der Verbrennungskraftmaschine gelangt.
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Im
Steuerkolben ist vorzugsweise ein zweiter Steuerraum ausgebildet,
der durch den Steuerkolben, den ringförmigen Ansatz und das Einspritzventilglied
begrenzt ist. Im zweiten Steuerraum ist in einer bevorzugten Ausführungsform
ein zweites Federelement aufgenommen, welches sich mit einer Seite gegen
den Steuerkolben und mit der anderen Seite gegen das Einspritzventilglied
abstützt.
Das zweite Federelement ist ebenfalls vorzugsweise eine als Spiralfeder
ausgebildete Druckfeder. Durch das zweite Federelement wird die
Bewegung des Einspritzventilgliedes in Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung beim
Verschließen
dieser unterstützt.
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Die
Kraftstoffversorgung des ersten Steuerraumes erfolgt vorzugsweise über eine
als Bohrung ausgeführte
Durchlassöffnung
im Übersetzerkolben, die
so angeordnet ist, dass der erste Steuerraum über die Durchlassöffnung mit
dem Kraftstoffzulauf hydraulisch verbunden ist.
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Die
Kraftstoffversorgung des zweiten Steuerraumes erfolgt vorzugsweise über einen
Kanal im Einspritzventilglied. In dem Kanal im Einspritzventilglied
ist vorzugsweise eine Drosselstelle ausgebildet. Der Kanal mit der
darin ausgebildeten Drosselstelle mündet vorzugsweise in einen
dritten Steuerraum, welcher das Einspritzventilglied umschließt und welcher
von einer Stirnseite des ringförmigen
Ansatzes am Steuerkolben begrenzt ist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist der Kanal im Einspritzventilglied als Sackloch ausgeführt, in
welches eine Bohrung in einem geringeren Durchmesser mündet. Hierbei
wirkt die Bohrung mit geringerem Durchmesser als Drosselstelle.
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Der
Kanal im Einspritzventilglied mündet
in einen dritten Steuerraum, welcher an einer Seite durch den ringförmigen Ansatz
am Steuerkolben begrenzt ist. Sobald der Steuerkolben in den ersten Steuerraum
hineinbewegt wird, vergrößert sich
das Volumen im dritten Steuerraum, wodurch der Druck darin sinkt.
Der dritte Steuerraum ist über
den Kanal mit der Drosselstelle im Einspritzventilglied mit dem zweiten
Steuerraum hydraulisch verbunden. Das führt dazu, dass der Druck im
zweiten Steuerraum sinkt, sobald der Druck im dritten Steuerraum
abfällt. Aufgrund
der Drosselstelle im Kanal sinkt der Druck im zweiten Steuerraum
zeitlich verzögert
zum Druck im dritten Steuerraum.
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Damit
bei einer Bewegung des Steuerkolbens in den ersten Steuerraum das
Einspritzventilglied aus dem Sitz gehoben wird und die mindestens eine
Einspritzöffnung
freigibt, ist auf der dem zweiten Steuerraum zugewandten Seite des
Einspritzventilgliedes ein als Mitnehmer wirkender Ring aufgenommen.
Dieser wirkt mit einer Schulter am ringförmigen Ansatz des Steuerkolbens
zusammen. Beim Freigeben der mindestens einen Einspritzöffnung liegt
der als Mitnehmer wirkende Ring auf der Schulter am ringförmigen Ansatz
auf. Der Steuerkolben bewegt sich in Richtung des ersten Steuerraumes,
das heißt von
der mindestens einen Einspritzöffnung
weg. Da der als Mitnehmer wirkende Ring auf der Schulter des ringförmigen Ansatz
aufliegt, wird das Einspritzventilglied aus dem Sitz gehoben und
gibt so die mindestens eine Einspritzöffnung frei.
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Zeichnung
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffinjektor.
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Ein
Kraftstoffinjektor 1, wie er in der einzigen Figur dargestellt
ist, umfasst einen Aktor 2, der auf einen Übersetzerkolben 3 wirkt.
Der Aktor 2 ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante
ein Piezoaktor. Der Übersetzerkolben 3 ist
einseitig offen, das heißt topfförmig ausgebildet,
wodurch im Übersetzerkolben 3 ein
erster Steuerraum 4 ausgebildet ist. Im Übersetzerkolben 3 ist
ein Steuerkolben 5 aufgenommen, welcher den ersten Steuerraum 4 an
der dem Aktor 2 abgewandten Seite begrenzt.
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Der
Aktor 2 und der Übersetzerkolben 3 sind einem
Aktorraum 6 aufgenommen. Der Aktorraum 6 ist vorzugsweise
mit einem Hochdruckspeicher verbunden, welcher unter Systemdruck
stehenden Kraftstoff bereitstellt. Der Systemdruck liegt dabei vorzugsweise
im Bereich von 200 bis 2500 bar. Hierdurch ist der Aktorraum 6 mit
unter Systemdruck stehendem Kraftstoff gefüllt. Neben der Verbindung des Aktorraums 6 mit
einem Hochdruckspeicher ist es auch möglich, dass der Aktorraum 6 mit
einer Pumpe-Düse-Einheit
verbunden ist, welche den unter Systemdruck stehenden Kraftstoff
bereitstellt.
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Über eine
vorzugsweise als Bohrung ausgeführte
Durchlassöffnung 7 steht
der erste Steuerraum 4 mit dem Aktorraum 6 in
hydraulischer Verbindung. Über
die Durchlassöffnung 7 gelangt
unter Systemdruck stehender Kraftstoff in den ersten Steuerraum 4,
so dass im ersten Steuerraum 4 ebenfalls Systemdruck herrscht.
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Der Übersetzerkolben 3 ist
vorzugsweise von einem Druckfederelement 8 umschlossen.
Das Druckfederelement 8 stützt sich dabei gegen eine Schulter 9 am Übersetzerkolben 3 und
gegen eine Stirnseite 10 einer ebenfalls den Übersetzerkolben 3 umschließenden Hülse 11 ab.
Mit Hilfe des Druckfederelementes 8 wird der Übersetzerkolben 3 gegen eine
Stirnfläche 12 des
Aktors 2 gedrückt.
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Die
Hülse 11 steht
mit einer Beißkante 13 auf einem
unteren Gehäuseteil 14.
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Durch
die Hülse 11 und
das untere Gehäuseteil 14 wird
weiterhin ein Kopplerraum 15 begrenzt, der auf der dem
unteren Gehäuseteil 14 gegenüber liegenden
Seite von einer Stirnfläche 16 des Übersetzerkolbens 3 und
eine Schulter 17 des Steuerkolbens 5 begrenzt
wird. Der Kopplerraum 15 ist in der hier dargestellten
Ausführungsform
ringförmig
und umschließt
einen ringförmigen
Ansatz 18 des Steuerkolbens 5.
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Durch
den ringförmigen
Ansatz 18 am Steuerkolben 5 ist ein Einspritzventilglied 19 umschlossen.
Das Einspritzventilglied 19 begrenzt einen zweiten Steuerraum 20,
der im Steuerkolben 5 ausgebildet ist.
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An
der dem zweiten Steuerraum 20 gegenüber liegenden Ende des Einspritzventilgliedes 19 ist eine
Kante 21 ausgebildet, welche mit einem Sitz 22 im
unteren Gehäuseteil 14 zusammenwirkt.
Sobald die Kante 21 im Sitz 22 steht, ist die
mindestens eine Einspritzöffnung 23 verschlossen, über welche
Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt
wird.
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An
der der mindestens einen Einspritzöffnung 23 zugewandten
Seite ist das Einspritzventilglied 19 von einem Düsenraum 24 umgeben.
Der Düsenraum 24 ist über eine
Hochdruckleitung 25 mit dem Aktorraum 6 verbunden.
Auf diese Weise gelangt unter Systemdruck stehender Kraftstoff aus dem
Aktorraum 6 über
die Hochdruckleitung 25 in den Düsenraum 24.
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An
der Innenseite des ringförmigen
Ansatzes 18 ist eine Schulter 26 ausgebildet,
auf welcher ein Ring 27 aufliegt. Der Ring 27 ist
in einer Nut 28 im Einspritzventilglied 19 aufgenommen.
Der Ring 27 dient als mechanischer Mitnehmer und führt dazu, dass
der zweite Steuerraum 20 einen größeren Durchmesser aufweist
als das Einspritzventilglied 19.
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Über einen
Kanal 29, in welchem eine Drosselstelle 30 ausgebildet
ist, ist der zweite Steuerraum 20 mit einem dritten Steuerraum 31 hydraulisch
verbunden. In den dritten Steuerraum 31 ragt eine Stirnfläche 32 des
ringförmigen
Ansatzes 18 des Steuerkolbens 5.
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Zur
Unterstützung
der Bewegung des Steuerkolbens 5 ist im ersten Steuerraum 4 ein
erstes Federelement 33 aufgenommen, welches vorzugsweise
eine als Spiralfeder ausgeführte
Druckfeder ist. Das erste Federelement 33 stützt sich
dabei mit einer Seite gegen den Übersetzerkolben 3 und
mit der anderen Seite gegen den Steuerkolben 5 ab.
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Im
zweiten Steuerraum 20 ist zur Unterstützung der Bewegung des Einspritzventilgliedes 19 ein zweites
Federelement 34 aufgenommen. Das zweite Federelement 34 ist
ebenfalls vorzugsweise eine als Spiralfeder ausgebildete Druckfeder.
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Das
zweite Federelement 34 stützt sich mit einer Seite gegen
den Steuerkolben 5 und mit der anderen Seite gegen das
Einspritzventilglied 19 ab. Um zu vermeiden, dass das zweite
Federelement 34 vom Einspritzventilglied 19 abrutscht,
ist in der hier dargestellten Ausführungsform zwischen dem zweiten
Federelement 34 und dem Einspritzventilglied 19 eine ringförmige Auflage 35 aufgenommen,
wobei der Außendurchmesser
der ringförmigen
Auflage 35 vorzugsweise dem Durchmesser des zweiten Steuerraumes 20 entspricht,
wobei eine freie Beweglichkeit der ringförmigen Auflage 35 im
zweiten Steuerraum 20 gewährleistet sein muss.
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Am
Steuerkolben 5 ist an der in den ersten Steuerraum 4 weisenden
Seite ein zweiter ringförmiger
Ansatz 36 ausgebildet. Der zweite ringförmige Ansatz 36 schließt vorzugsweise
bei geschlossener Einspritzöffnung 23 bündig mit
der Unterseite der Durchlassöffnung 7 ab.
Beim Öffnen
der Einspritzöffnung 23 wird
so die Durchlassöffnung 7 durch
den zweiten ringförmigen
Ansatz 36 zumindest teilweise verschlossen. Auf diese Weise
erfolgt eine Drosselung des über
die Durchlassöffnung 7 strömenden Kraftstoffes.
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Bei
verschlossener Einspritzöffnung 23 ist der
vorzugsweise als Piezoaktor ausgebildete Aktor 2 nicht
bestromt. Um den Einspritzvorgang zu starten, wird der Aktor 2 bestromt.
Hierdurch dehnt sich der Aktor 2 in axialer Richtung aus.
Aufgrund der Ausdehnung des Aktors 2 wird der Übersetzerkolben 3 in
Richtung der mindestens einen Einspritzöffnung 23 bewegt.
Hierdurch bewegt sich die Stirnfläche 16 des Übersetzerkolbens 3 in
den Kopplerraum 15. das Volumen im Kopplerraum 15 wird
verringert, wodurch der Druck im Kopplerraum 15 steigt.
Der zunehmende Druck im Kopplerraum 15 wirkt auf die Schulter 17 des
Steuerkolbens 5. Hierdurch wird der Steuerkolben 5 in
axialer Richtung in Richtung des Aktors 2 in den ersten
Steuerraum 4 hineinbewegt. Das als Druckfeder ausgebildete
erste Federelement 33 wird durch die Bewegungen des Übersetzerkolbens 3 und des
Steuerkolbens 5 zusammengedrückt. Aufgrund des abnehmenden
Volumens im ersten Steuerraum 4 steigt der Druck darin
an. Solange die Durchlassöffnung 7 nicht
durch den zweiten ringförmigen
Ansatz 36 am Steuerkolben 5 verschlossen ist,
erfolgt ein Druckausgleich zwischen dem ersten Steuerraum 4 und
dem Aktorraum 6.
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Das
Verhältnis,
in welchem die Kraft vom Übersetzerkolben 3 auf
den Steuerkolben 5 übersetzt
wird, ergibt sich bei kreisförmigem
Querschnitt der Kolben 3, 5 aus dem Außendurchmesser
d1 des Übersetzerkolbens 3,
dem Außendurchmesser
d2 des Steuerkolbens 5 und dem
Außendurchmesser
d3 des ringförmigen Ansatzes 18.
Das Übersetzungsverhältnis ergibt
sich dann zu (d1 2 – d2 2)/(d2 2 – d3 2).
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Durch
die Bewegung des Steuerkolbens 5 in Richtung des Aktors 2 wird
das Einspritzventilglied 19 aus dem Sitz 22 gehoben.
Hierbei wirkt der Ring 27, der in der Nut 28 im
Einspritzventilglied 19 aufgenommen ist und auf der Schulter 26 am
ringförmigen
Ansatz 18 des Steuerkolbens 5 aufliegt, als mechanischer
Mitnehmer. Durch die Bewegung des Steuerkolbens 5 in Richtung
des Aktors 2 wird die Stirnfläche 32 des ringförmigen Ansatzes 18 aus
dem dritten Steuerraum 31 bewegt, wodurch sich das Volumen im
dritten Steuerraum 31 vergrößert. Gleichzeitig fällt der
Druck im dritten Steuerraum 31 ab. Da der dritte Steuerraum 31 hydraulisch
mit dem zweiten Steuerraum 20 verbunden ist, fällt auch
der Druck im zweiten Steuerraum 20 ab. Durch die im Kanal 29 aufgenommene
Drosselstelle 30 erfolgt der Druckabfall im zweiten Steuerraum 20 verzögert zum
Druckabfall im dritten Steuerraum 31.
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Da
der Düsenraum 24 über die
Hochdruckleitung 25 mit dem mit dem Hochdruckspeicher verbundenen
Aktorraum 6 verbunden ist, herrscht auch bei geöffneter
Einspritzöffnung 23 im
Düsenraum 24 Systemdruck.
Der Systemdruck wirkt auf die der Einspritzöffnung 23 zugewandte
Seite des Einspritzventilgliedes 19. Aufgrund des geringeren
Druckes im zweiten Steuerraum 20 wird das Einspritzventilglied 19 in
den zweiten Steuerraum 20 hineinbewegt. Hierbei wird das
zweite Federelement 34, welches als Druckfeder ausgebildet
ist, zusammengedrückt. Durch
die Bewegung des Einspritzventilgliedes 19 in den zweiten
Steuerraum 20 hinein wird der Öffnungsquerschnitt im Bereich
der Kante 21 vergrößert und dadurch
die Drosselwirkung reduziert.
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Zum
Verschließen
der mindestens einen Einspritzöffnung 23 wird
die Stromzufuhr zum Aktor 2 beendet. Der Aktor 2 zieht
sich zusammen. Hierdurch wird der Übersetzerkolben 3,
unterstützt
durch das Druckfederelement 8, mit der Stirnseite 16 aus
dem Kopplerraum 15 bewegt. Das Volumen im Kopplerraum 15 nimmt
zu, wodurch der Druck darin abfällt. Unterstützt durch
das erste Federelement 33 wird der Steuerkolben 5 mit
der Schulter 17 in den Kopplerraum 15 hineinbewegt.
Durch die Bewegung des Steuerkolbens 5 bewegt sich die
Stirnfläche 32 des ringförmigen Ansatzes 18 in
den dritten Steuerraum 31 hinein. Der Druck im dritten
Steuerraum 31 nimmt zu. Über die Drosselstelle 30 und
den Kanal 29 steigt auch der Druck im zweiten Steuerraum 20.
Aufgrund des zunehmenden Druckes im Steuerraum 20 wird das
Einspritzventilglied 19 unterstützt durch das zweite Federelement 34 in
Richtung des Sitzes 22 bewegt, bis das Einspritzventilglied 19 mit
der Kante 21 im Sitz 22 steht und so die mindestens
eine Einspritzöffnung 23 verschließt.
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Die
Befüllung
des Kopplerraumes 15 mit Kraftstoff erfolgt über Leckageströme zwischen
dem Übersetzerkolben 3 und
der den Übersetzerkolben 3 umgebenen
Hülse 11 beziehungsweise über einen Leckagestrom
zwischen dem Übersetzerkolben 3 und
dem Steuerkolben 5.
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Die
Befüllung
des dritten Steuerraumes 31 erfolgt über eine Leckageströmung aus
dem Kopplerraum 15 entlang dem Spalt zwischen dem unteren Gehäuseteil 14 und
dem ringförmigen
Ansatz 18 des Steuerkolbens 5 oder über eine
Leckageströmung aus
dem Düsenraum 24 über den
Spalt zwischen dem unteren Gehäuseteil 14 und
dem Einspritzventilglied 19. Ferner ist eine Befüllung des
dritten Steuerraums 31 über
Leckage über
den Düsenraum 24 sowie
der Führung
zum dritten Steuerraum 31 möglich.
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- 1
- Kraftstoffinjektor
- 2
- Aktor
- 3
- Übersetzerkolben
- 4
- erster
Steuerraum
- 5
- Steuerkolben
- 6
- Aktorraum
- 7
- Durchlassöffnung
- 8
- Druckfederelement
- 9
- Schulter
am Übersetzerkolben 3
- 10
- Stirnseite
- 11
- Hülse
- 12
- Stirnfläche
- 13
- Beißkante
- 14
- unteres
Gehäuseteil
- 15
- Kopplerraum
- 16
- Stirnfläche des Übersetzerkolbens 3
- 17
- Schulter
des Steuerkolbens 5
- 18
- ringförmiger Ansatz
- 19
- Einspritzventilglied
- 20
- zweiter
Steuerraum
- 21
- Kante
- 22
- Sitz
- 23
- Einspritzöffnung
- 24
- Düsenraum
- 25
- Hochdruckleitung
- 26
- Schulter
- 27
- Ring
- 28
- Nut
- 29
- Kanal
- 30
- Drosselstelle
- 31
- dritter
Steuerraum
- 32
- Stirnfläche des
ringförmigen
Ansatzes 18
- 33
- erstes
Federelement
- 34
- zweites
Federelement
- 35
- ringförmige Auflage
- 36
- zweiter
ringförmiger
Ansatz