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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen,
wie es vorzugsweise für
die Kraftstoff-Direkteinspritzung in selbstzündende Brennkraftmaschinen
verwendet wird.
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Aus
dem deutschen Gebrauchsmuster
DE 93 01 992 U1 ist ein Kraftstoffeinspritzventil
bekannt, von dem im folgenden ausgegangen wird. Dieses weist einen
Ventilkörper
mit einer längsverschiebbaren
Ventilnadel auf, die mit einem Ventilsitz zur Steuerung wenigstens
einer Einspritzöffnung
zusammenwirkt. Die Ventilnadel ist hierbei auf einem Teil ihrer Länge von
einem Druckraum umgeben, der mit Kraftstoff unter hohem Druck befüllbar ist
und aus dem Kraftstoff je nach Stellung der Ventilnadel den Einspritzöffnungen
zufließt,
durch die der Kraftstoff letztendlich in den entsprechenden Brennraum
eingespritzt wird. Die Ventilnadel wird an ihrem ventilsitzseitigen
Ende von einer Hülse
umgeben, die der Führung
der Ventilnadel dient. In der Hülse
sind mehrere Öffnungen
ausgebildet, die einen ungehinderten Kraftstoffzufluss aus dem Druckraum
zu den Einspritzöffnungen
ermöglichen,
wenn die Ventilnadel vom Ventilsitz abgehoben hat. Die Hülse stützt sich
dabei über
eine Spannfeder an der Ventilnadel ab und bleibt so bei der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel ortsfest. Da die Ventilnadel in der Hülse geführt ist,
ist eine optimale Führung
der Ventilnadel im Bereich des Ventilsitzes gewährleistet, so dass es zu keiner
Desachsierung bezüglich
des Ventilsitzes kommen kann. Dies garantiert stets einen gleichmäßigen Zufluss
von Kraftstoff zu den einzelnen Einspritzöffnungen.
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Um
eine Einspritzverlaufsformung zu erreichen, also eine gestufte Einspritzrate
während
der Haupteinspritzung, kann der Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen
zeitweilig gezielt gedrosselt werden, so dass die Einspritzrate
nicht nur durch das Zusammenspiel der Ventilnadel mit dem Ventilsitz
bestimmt wird. Erreicht wird dies beispielsweise durch eine hubabhängige Drosselung,
wobei verschiedene Ausführungen
im Stand der Technik vorgeschlagen worden sind. Aus der Gebrauchsmusteranmeldung
DE 297 13 071 U1 ist
beispielsweise eine Kraftstoffeinspritzdüse bekannt, die an ihrem einspritzseitigem Ende
einen Zapfen aufweist, der in ein Sackloch hineinragt, von dem die
Einspritzöffnungen
ausgehen. Je nach Hub der Ventilnadel wird ein mehr oder weniger
großer
Spalt zwischen dem Zapfen und der Wand des Sacklochs aufgesteuert,
so dass abhängig vom
Nadelhub unterschiedlich viel Kraftstoff den Einspritzöffnungen
zufließt
und damit eine gestufte Einspritzrate erreicht wird.
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Die
bekannten Kraftstoffeinspritzventile weisen jedoch den Nachteil
auf, dass die Führung
der Ventilnadel im ventilsitznahen Bereich einerseits und die Einspritzverlaufsformung
andererseits verschiedene Maßnahmen
bedingen, die gleichzeitig ausgeführt werden müssen. Dadurch
verteuert sich das Kraftstoffeinspritzventil und es wird zusätzlich Bauraum
benötigt.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist dem
gegenüber
den Vorteil auf, dass mit einfachen Mitteln eine Einspritzverlaufsformung
und damit ein ruhigerer und geräuschärmerer Verbrennungsverlauf
ermöglicht
wird. Hierzu ist zwischen der Hülse
und der Ventilnadel ein Ringraum ausgebildet, der mit dem die Ventilnadel
umgebenden Druckraum ständig über eine
Drosselverbindung verbunden ist. Darüber hinaus ist ein Strömungsquerschnitt
vorhanden, der durch die Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel aufgesteuert wird und der zwischen der Hülse und
der Ventilnadel ausgebildet ist. Durch die Drosselverbindung ist
sichergestellt, dass zu Beginn der Einspritzung im Ringraum ein entsprechender
Kraftstoffdruck anliegt, damit eine Einspritzung unmittelbar beginnt,
sobald die Ventilnadel vom Ventilsitz abgehoben hat. Nachdem die
Ventilnadel einen Vorhub durchlaufen hat, wird nunmehr der Strömungsquerschnitt
aufgesteuert, so dass jetzt Kraftstoff ungedrosselt in den Ringraum
und damit zu den Einspritzöffnungen
strömen
kann, wodurch eine Einspritzung mit erheblich höherer Rate stattfindet.
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Durch
die abhängigen
Ansprüche
sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drosselverbindung
durch Öffnungen in
der Hülse
ausgebildet, vorzugsweise durch Radialbohrungen. Da die Hülse außerhalb
des Ventilkörpers
separat gefertigt wird, lassen sich diese Radialbohrungen ohne größeren Aufwand
exakt einbringen, so dass sich die Drosselwirkung so sehr genau einstellen
lässt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Strömungsquerschnitt
dadurch aufgesteuert, dass ein Drosselbund, der an der Ventilnadel ausgebildet
ist, bei der Öffnungshubbewegung
aus der Hülse
austaucht. Besonders vorteilhaft ist diese Ausbildung, wenn sich
an den Drosselbund eine Anfasung anschließt, so dass der Strömungsquerschnitt nicht
plötzlich,
sondern allmählich
aufgesteuert wird, wodurch sich der Druckaufbau im Ringraum zusätzlich beeinflussen
lässt.
Es ist auch möglich,
dass diese Anfasung nicht an der Ventilnadel, sondern an der Innenwand
der Hülse
ausgebildet ist, was prinzipiell den gleichen Effekt ergibt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kommt die Ventilnadel
nach einem Teilhub ihres gesamten Öffnungshubs an einem Anschlag
zur Anlage, der an der Hülse
ausgebildet ist, so dass die Ventilnadel bei ihrer weiteren Hubbewegung
die Hülse vom
Ventilsitz abhebt. Dadurch wird ein zusätzlicher Strömungsquerschnitt
aufgesteuert, der jetzt zwischen der Stirnseite der Hülse, die
im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils am Ventilsitz aufliegt,
und dem Ventilsitz aufgesteuert wird. Dadurch lässt sich die in den Einspritzöffnungen
zugeführte
Kraftstoffmenge noch einmal erhöhen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Drosselverbindung
dadurch ausgebildet, dass eine Radialbohrung in der Hülse ausgebildet
ist, die vom Drosselbund der an der Ventilnadel ausgebildet wird,
in Schließstellung
der Ventilnadel teilweise verdeckt wird. Im Zuge der Öffnungshubbewegung
steuert die Ventilnadel dann die gesamte Radialbohrung auf, so dass
nunmehr der volle Strömungsquerschnitt
in den Ringraum sichergestellt ist. In einer weiteren vorteilhaf ten
Ausgestaltung kann anstelle der Radialbohrung in der Hülse eine
Verbindungsbohrung in der Ventilnadel ausgebildet sein, deren Eintrittsöffnung von
der Hülse
in Schließstellung
der Ventilnadel teilweise verdeckt wird. Bei der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel taucht die Eintrittsöffnung aus der Hülse raus,
so dass dadurch der gesamte Strömungsquerschnitt
freigegeben ist.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
sind der Beschreibung und der Zeichnung entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Es zeigt
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1 ein
erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt,
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2, 3, 4, 4a, 5, 6 und 7 zeigen
verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
im Bereich des Ventilsitzes, wobei jeweils nur eine Hälfte des
Kraftstoffeinspritzventils gezeigt ist, und
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
wobei hier in teilweise geschnittener Darstellung der Bereich nahe
des Ventilsitzes dargestellt ist.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist einen
Ventilkörper 2 auf,
in dem eine Bohrung 3 ausgebildet ist. Die Bohrung 3 ist
an ihrem brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz 7 begrenzt
und erweitert sich an ihrem gegenüberliegenden Ende in einen
Federraum 14. In der Bohrung 3 ist längsverschiebbar
eine Ventilnadel 4 angeordnet, die im Bereich des Federraums 14 von einer
Schließfeder 16 umgeben
ist, die die Ventilnadel 14 mit einer an der Ventilnadel 14 ausgebildeten Ventildichtfläche 12 gegen
den Ventilsitz 7 drückt.
Mit ihrer ventilsitzabgewandten Stirnseite begrenzt die Ventilnadel 4 einen
Druckraum 18, in dem durch eine in der Zeichnung nicht
dargestellte Vorrichtung ein wechselnder Kraft stoffdruck aufgebaut
werden kann, mit der die Ventilnadel 4 zusätzlich in
Richtung des Ventilsitzes 12 gedrückt wird.
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Die
Ventilnadel 4 wird an ihrem ventilsitzseitigen Ende von
einer Hülse 5 umgeben,
die sich an einer Druckschulter 8 der Ventilnadel 4 über eine Spannfeder 6 abstützt. Die
Spannfeder 6 sorgt dafür, dass
die Hülse 5 stets
in Anlage am Ventilsitz 7 bleibt, so dass sie bei der Öffnungsschubbewegung
der Ventilnadel 4 ortsfest bleibt. Zwischen der Ventilnadel 4 und
der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 11 ausgebildet,
der sich in dem Federraum 14 fortsetzt und der mit Kraftstoff
unter hohem Druck befüllt
werden kann. Zwischen der Hülse 5 und
der Ventilnadel 4 ist ein Ringraum 10 ausgebildet,
der über
eine oder mehrere Drosselverbindungen, hier in Form von Drosselbohrungen 21,
mit dem Druckraum 11 verbunden ist.
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Die
grundsätzliche
Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils ist aus dem Stand
der Technik hinreichend bekannt, so dass die Funktion hier nur kurz
umrissen wird. Die Ventilnadel 4 bewegt sich beim erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventil durch
Druckerhöhung
oder -erniedrigung im Steuerraum 18, so dass sich die Ventilnadel 4 durch
den Druck im Steuerraum 18 einerseits und den Druck im Druckraum 11 andererseits
in Längsrichtung
bewegt und hierbei vom Ventilsitz 7 abhebt oder auf diesem aufsitzt.
Hat die Ventilnadel 4 vom Ventilsitz 7 abgehoben,
so strömt
Kraftstoff aus dem Druckraum 11 in den Ringraum 10 und
von dort zu den Einspritzöffnungen 9,
durch die der Kraftstoff letztendlich in den Brennraum der Brennkraftmaschine
eingespritzt wird.
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2 zeigt
eine Vergrößerung von 1 im Bereich
des Ventilsitzes 7. Die Ventilnadel 4 weist an ihrem
ventilsitzseitigem Ende einen Führungsbund 20 auf,
an dem mehrere Anschliffe 22 ausgebildet sind, die einen
ungehinderten Zufluss von Kraftstoff aus dem Ringraum 10 zu
den Einspritzöffnungen 9 ermöglichen.
Der Ringraum 10 ist über
wenigstens eine Drosselbohrung 21 mit dem Druckraum 11 verbunden,
während
der Ringraum 10 dem Ventilsitz 7 abgewandt und
durch das Zusammenwirken eines Drosselbundes 24 mit der
Hülse 5 verschlossen
wird, wobei der Drosselbund 24 eine Strecke h1 in
die Hülse 5 eingetaucht
ist. An den Drosselbund 24 schließt sich eine Anfasung 28 an,
die eine Höhe
h2 aufweist und hier mit einem Anschrägungswinkel
a versehen ist. Zur Einspritzung bewegt sich die Ventilnadel 4 vom
Ventilsitz 7 weg, so dass zwischen der Ventildichtfläche 12 und
dem Ventilsitz 7 Kraftstoff aus dem Ringraum 10 zu
den Einspritzöffnungen 9 fließen kann.
Da die Drosselbohrungen 21 nur einen gewissen Kraftstofffluss
in den Ringraum 10 zulassen, wird nur wenig Kraftstoff
durch die Einspritzöffnungen 9 mit
geringem Druck eingespritzt. Hat die Ventilnadel 4 den
Vorhub h1 durchfahren, so erreicht die Anfasung 28 eine
an der Hülse 5 ausgebildete
Steuerkante 30, so dass im weiteren Öffnungshub die Anfasung 28 aus
der Hülse 5 austritt.
Dadurch wird ein Strömungsquerschnitt
zwischen der Steuerkante 30 und der Anfasung 28 aufgesteuert,
der mit zunehmendem Hub der Ventilnadel 4 immer größer wird.
Durch diesen Strömungsquerschnitt
kann nun Kraftstoff mit immer geringerer Drosselung aus dem Druckraum 11 in
den Ringraum 10 einströmen
und von dort zu den Einspritzöffnungen 9.
Dadurch erhält
man eine Einspritzverlaufsformung, bei der zu Beginn der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel 4 nur eine geringe Menge eingespritzt wird,
während
dann, wenn der Strömungsquerschnitt
zwischen der Anfasung 28 und der Hülse 5 zunehmend aufgesteuert
wird, sehr viel Kraftstoff unter hohem Druck ausgespritzt wird. Der
Gesamthub hmax, der durch den axialen Abstand der
ventilsitzabgewandten Stirnfläche
der Ventilnadel 4 von einem Haltekörper, an dem das Einspritzventil 1 anliegt,
gegeben ist, ist auf jeden Fall größer als die Summe der Teilhübe h1 und h2. Damit ist
sichergestellt, dass das langsame Aufsteuern des Strömungsquerschnitts
zwischen der Anfasung 28 und der Hülse 5 beim Öffnungshub
der Ventilnadel 4 ganz durchlaufen wird.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel in
derselben Darstellung wie 2, wobei
sich dieses Ausführungsbeispiel
vom Ausführungsbeispiel der 2 nur
dadurch unterscheidet, dass hier keine Anfasung an der Ventilnadel 4,
dafür aber
eine Anfasung 29 an der Innenseite der Hülse 5 ausgebildet ist,
die hier einen Anschrägungswinkel
b aufweist. Am Ende der Anfasung 29 ist hier die Steuerkante 30 ausgebildet.
Hat die Ventilnadel 4 den Teilhub h1 durchfahren,
so taucht der Drosselbund 24 in die Anfasung 29 ein,
so dass zwischen der Steuerkante 30 und der Ventilnadel 4 der
Strömungsquerschnitt
aufgesteuert wird, durch den der Kraftstoff den Einspritzöffnungen
zunehmend ungedrosselt zugeführt
wird.
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4 und 4a zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem – anders
als bei dem Ausführungsbeispiel
der 2 – die
Anfasung nicht über den
ge samten Umfang der Ventilnadel 4 ausgeführt ist,
sondern einzelne Nuten 32 ausgebildet sind, die den Strömungsquerschnitt
zum Ringraum 10 sicherstellen. Hierbei werden vorzugsweise
mehrere Nuten 32 über
den Umfang der Ventilnadel 4 verteilt ausgebildet. Je nach
Breite der Nuten 32 und nach deren Anschrägungswinkel
c lässt
sich der Verlauf des Strömungsquerschnitts
mit dem Hub der Ventilnadel 4 einstellen.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel in
derselben Darstellung wie 2 gezeigt.
In der Hülse 5 sind
mehrere Drosselbohrungen 21 ausgebildet, die hier jedoch
einen deutlich größeren Durchmesser
aufweisen als die Drosselbohrungen 21 der 2 bis 4a.
Der an der Ventilnadel 4 ausgebildete Drosselbund ist hierbei
so ausgebildet, dass an seinem ventilsitzseitigen Ende eine Steuerkante 33 ausgebildet
ist, die in Schließstellung
der Ventilnadel 4 die Drosselbohrungen 21 teilweise
verschließt.
Dadurch wird eine Drosselverbindung hergestellt, durch die der Ringraum 10 mit
dem Druckraum 11 verbunden ist. Bei der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel 4 gibt die Steuerkante 33 die
Drosselbohrungen 21 nach und nach frei, bis nach Durchfahren
des Hubs h3 der gesamte Querschnitt der
Drosselbohrungen 21 zur Verfügung steht. Durch den großen Durchmesser
der Drosselbohrungen 21 ist jetzt ein nahezu ungedrosselter
Zustrom von Kraftstoff aus dem Druckraum 11 möglich.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt,
bei dem der Ringraum 10 durch einen Freistich 38 an
der Ventilnadel 4 ausgebildet ist. Die Drosselverbindung
des Ringraums 10 zum Druckraum 11 ist durch eine
Verbindungsbohrung 37 an der Ventilnadel 4 ausgebildet,
wobei die Eintrittsöffnung 39 der
Verbindungsbohrung 37 durch die Hülse 5 in Schließstellung
der Ventilnadel 4 teilweise verdeckt wird. Die Steuerkante 30,
die an der Hülse 5 ausgebildet
ist, überdeckt
einen Teil der Eintrittsöffnung 39,
so dass dadurch eine Drosselverbindung gebildet wird. Bei der Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel 4 taucht die Eintrittsöffnung 39 aus der Hülse 5 aus
und erlaubt so einen ungedrosselten Zustrom von Kraftstoff in den
Ringraum 10.
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In 7 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt,
bei dem die Drosselverbindung dadurch hergestellt wird, dass am
Drosselbund 24 eine Steuerkante 33 ausgebildet
ist, zwischen der und einer Ausnehmung 40 in der Hülse 5 ein
enger Spalt verbleibt, wenn die Ventilnadel 4 in ihrer
Schließstellung ist.
Dieser Spalt wird durch die Öffnungshubbewegung
der Ventilnadel 4 zunehmend erweitert, so dass dadurch
ein Strömungsquerschnitt
gebildet wird, der im wesentlichen durch den Querschnitt der Ausnehmung 40 gebildet
wird. Dadurch ist ebenfalls ein ungedrosselter Zustrom von Kraftstoff
in den Ringraum 10 möglich.
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In 8 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt,
bei der in der Hülse 5 verschiedene
Verbindungen ausgebildet sind, zum einen Drosselverbindungen 21,
die den Ringraum 10 in der bereits oben gezeigten Weise
mit dem Druckraum 11 verbinden, zum anderen sind ventilsitzabgewandt
dazu Zulaufbohrungen 46 ausgebildet, die einen deutlich
höheren
Querschnitt aufweisen und die einen ungedrosselten Zustrom von Kraftstoff
in einen weiteren Ringraum 13 ermöglichen, der ventilsitzabgewandt zum
Ringraum 10 zwischen der Ventilnadel 4 und der Hülse 5 ausgebildet
ist. An der Hülse 5 ist
hier eine Anschlagfläche 42 ausgebildet,
an der zur genauen Einstellung des Öffnungshubs der Ventilnadel 4 eine Zwischenscheibe 44 anliegt.
Dieser gegenüber
ist eine Schulter 41 an der Ventilnadel 4 ausgebildet,
die in Schließstellung
der Ventilnadel 4 von der Zwischenscheibe 44 einen
axialen Abstand h5 aufweist.
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Die
Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels
ist wie folgt: Der Ringraum 10 wird wie bei den vorangegangenen
Ausführungsbeispielen
beim Öffnungshub
der Ventilnadel 4 mit den Einspritzöffnungen 9 verbunden.
Nach Durchfahren eines Hubs h4 passiert
der Drosselbund 24 eine Steuerkante 30 an der
Innenseite der Hülse 5,
so dass dadurch ein Strömungsquerschnitt
zwischen dem weiteren Ringraum 13 und dem Ringraum 10 in
der bereits oben gezeigten Art und Weise aufgesteuert wird. Dadurch
strömt jetzt
zusätzlich
Kraftstoff durch die Zulaufbohrung 46 und den weiteren
Ringraum 13 über
den ersten Ringraum 10 zu den Einspritzöffnungen 9. Im weiteren Verlauf
der Öffnungshubbewegung
erreicht die Ventilnadel 4 schließlich den Hub h5 und
kommt mit ihrer Schulter 41 an der Zwischenscheibe 44 zur
Anlage. Dadurch wird die Hülse 5 im
weiteren Verlauf der Öffnungshubbewegung
durch die Ventilnadel 4 mitgenommen und hebt vom Ventilsitz 7 ab.
Dies steuert einen zusätzlichen
Strömungsquerschnitt
zwischen der Hülse 5 und
dem Ventilsitz 7 auf, der noch einmal einen verstärkten Kraftstoffzulauf
zu den Einspritzöffnungen 9 und
damit einen höheren
effektiven Einspritzdruck bewirkt. Die Einspritzverlaufsformung umfasst
hier also drei Stufe: einmal in den gedrosselten Zulauf solange
die Ventilnadel 4 den Hub h4 noch nicht
durchfahren hat, einen stärkeren
Strömungszulauf,
solange die Ventilnadel 4 den Hub h5 noch
nicht durchfahren hat, und schließlich einen nochmals stärkeren Zulauf
zu den Einspritzöffnungen 9 dann, wenn
die Ventilnadel 4 die Hülse 5 vom
Ventilsitz 7 abgehoben hat. Zur richtigen Funktion des
Kraftstoffeinspitzventils muss hierbei natürlich der Hub h5 größer sein
als der Hub h4. Dies lässt sich insbesondere über die
Dicke der Zwischenscheibe 44 genau einstellen.
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In
allen vorhergehenden Ausführungsbeispiele
stützt
sich die Hülse 5 stets über eine
Spannfeder 6 an einer Schulter 48 der Ventilnadel 4 ab, auch
wenn dies in der Figur nicht explizit dargestellt ist. Der Drosselbund 20 ist
in jedem Fall dann notwendig, wenn die Gefahr besteht, dass es an
der Steuerkante 30 der Hülse 5 zu einem Verhaken
zwischen der Ventilnadel 4 und der Hülse 5 kommt.
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
kann vorzugsweise an einem Common-Rail-System eingesetzt werden,
bei dem der Druckraum 11 mit einem Hochdruckspeicher verbunden
ist, in dem stets Kraftstoff unter einem vorgegebenen Kraftstoffhochdruck
vorgehalten wird. Die Steuerung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum 18 erfolgt
dann vorzugsweise über
ein Magnet- oder Piezoventil.