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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Einspritzventil mit einem hydraulischen
Absteuerventil mit schneller Schaltzeit und verbesserter Steuerbarkeit
des Schaltverlaufs und ein Verfahren zum Betreiben desselben, insbesondere
in einem Kraftstoff-Einspritzsystem.
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In
hydraulischen Systemen werden heutzutage oft Absteuerventile zur
Absteuerung des Drucks eines Fluids innerhalb eines Arbeitsraums
eingesetzt.
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Die
fertigungstechnisch einfach zu handhabenden Absteuerventile besitzen
den Nachteil, dass bezüglich
der Druckänderungsrate
und der Volumenströme
des Fluids im Arbeitsraum ein Zielkonflikt besteht. Einerseits sollen
im Arbeitsraum hohe Druckänderungsraten
zur Erzielung kurzer Schaltzeiten erreichbar sein, die durch hohe
Volumenströme ermöglicht werden.
Andererseits soll der Volumenstrom im geöffneten Zustand des Ventils
möglichst gering
sein, damit hydraulische Verluste gering gehalten werden. Dieser
Zielkonflikt erzwingt eine Kompromissabstimmung des Absteuerventils.
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Beispielsweise
werden bei Kraftstoffinjektoren zur Direkteinspritzung in Motoren
kurze Schaltzeiten und hohe Einspritzdrücke verlangt. Andererseits
soll aber auch der durch Leckagen bedingte Verlustvolumenstrom des
Kraftstoffkreislaufes möglichst
gering sein, damit die Leistungsaufnahme einer angeschlossenen Kraftstoffförderpumpe
möglichst klein
ist. Zudem wird bei hohem Kraftstoffumlauf der Kraftstoff stärker erwärmt, was
sich ungünstig
auf die Betriebszuverlässigkeit
der Einspritzventile auswirken kann.
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In 1 ist ein herkömmliches
Einspritzventil 1 dargestellt, wie es typischerweise in
mit Kraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren verwendet wird. Ein
solches Absteuerventil ist z.B. in der DE-Patentschrift 197 52 851
C1 offenbart.
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In
einem mit Kraftstoff druckbefüllbaren
Gehäuse 3 ist
in einer ersten Bohrung 5 ein Arbeitskolben 7 axialverschiebbar
und hydraulisch gegenüber dem
Gehäuse 3 gedichtet
geführt.
Dadurch bilden das Gehäuse 3 und
der Arbeitskolben 7 einen Arbeitsraum 9 und auf
der dem Arbeitsraum 9 gegenüberliegenden Seite des Arbeitskolbens 7 eine
Gehäusekammer 11. Über eine
Feder 8 wird der Arbeitskolben 7 in einer Grundstellung
gehalten, bei welcher ein Ende 10 des Arbeitskolbens 7 eine Öffnung 12 des
Gehäuses 13 verschließt.
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Der
Arbeitsraum 9 ist mit einem unter einem Druck PCC stehenden Fluid gefüllt. Dieses Fluid wird aus
einer Hochdruckzuleitung 13, in der es unter einem Druck
PCR steht, über eine Zulaufdrossel 15 in den
Arbeitsraum 9 angeliefert.
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Gleichzeitig
beliefert die Hochdruckzuleitung 13 die Gehäusekammer 11 mit
Fluid, das dort unter dem Druck PCR steht. Über den
Druck PCR in der Gehäusekammer 11 wird
auf den Arbeitskolben 7 eine Kraft in einer Bewegungsrichtung
ausgeübt.
Diese Kraft ist kleiner als die durch den maximal möglichen Druck
PCC = PCR im Arbeitsraum
auf den Arbeitskolben 7 ausgeübte Kraft und dieser entgegengesetzt gerichtet.
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Der
Arbeitskolben 7 wird hydraulisch gedichtet geführt, d.h.,
dass Leckvolumenströme
des Fluids zwischen Arbeitsraum 9 und Gehäusekammer 11 vorzugsweise
vernachlässigbar
klein sind.
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Weiterhin
existiert eine Rücklaufleitung 17, die
entweder drucklos betrieben wird oder unter geringem Druck steht,
der viel kleiner ist als der im Arbeitsraum 9 maximal vorherrschende
Druck PCR.
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Durch
eine Absteuerventilbohrung 19, die durch den Arbeitskolben 7 läuft, wird
eine direkte, gegebenenfalls mit einer Drossel versehene, Verbindung
zwischen Arbeitsraum 9 und Rücklaufleitung 17 gebildet.
In der Rücklaufleitung 17 ist
eine Drossel 21 angeordnet.
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Die
Rücklaufleitung 17 mündet in
eine zweite Bohrung 23 des Gehäuses 3. In der zweiten
Bohrung 23 ist eine Steuernadel 25 axialverschiebbar
und hydraulisch gegenüber
dem Gehäuse 3 gedichtet
geführt.
Die Steuernadel 25 wird über eine in einem Raum 27 des
Gehäuses 3 angeordnete
zweite Feder 29 in einer Grundstellung gehalten.
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Von
dem Raum 27 führt
eine zweite Rücklaufleitung 31 Fluid
zu einem Außenraum
außerhalb des
Gehäuses 3.
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Ein
Nachteil des Standes der Technik besteht nun darin, dass eine Dauerleckage
aus der Gehäusekammer 11 und
aus dem Arbeitsraum 9 über die
Bohrung 23 bzw. die Rücklaufleitung 17 auftritt. Die
Leckage führt
zu erhöhter
Leistungsaufnahme einer angeschlossenen Kraftstoffförderpumpe,
und der erhöhte
Kraftstoffumlauf erwärmt
den Kraftstoff relativ stark, was sich ungünstig auf die Betriebszuverlässigkeit
der Einspritzventile auswirken kann.
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Es
ist demgemäß eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Absteuerventil bereitzustellen, welches
einen reduzierten Fluid- bzw. Kraftstoff-Leckagefluss aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 oder 8 gelöst.
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Hierzu
schlägt
die Erfindung ein Einspritzventil mit einem Absteuerventil vor,
welches ein Gehäuse
umfasst; einen Arbeitskolben, der in einer ersten Bohrung des Gehäuses axialverschiebbar
und hydraulisch gedichtet geführt
wird, wobei das Gehäuse
und der Arbeitskolben einen Arbeitsraum und eine Gehäusekammer
bilden; eine Hochdruckzuleitung, mittels der der Arbeitsraum und
die Gehäusekammer mit
einem unter Druck stehenden Fluid befüllbar sind; eine Zulaufdrossel,
die zwischen der Hochdruckzuleitung und dem Arbeitsraum angebracht ist;
eine Absteuerventilbohrung, die durch den Arbeitskolben geführt ist
und die den Arbeitsraum mit einer Rücklaufleitung verbindet; eine
verschiebbare Steuernadel, welche in einer zweiten Bohrung des Gehäuses axialverschiebbar
und hydraulisch gedichtet führbar
ist, wobei die Steuernadel ein erstes Ende und ein zweites Ende
aufweist, wobei die Steuernadel mit dem ersten Ende so durch den
Arbeitsraum geführt
ist, dass die Steuernadel in Ruhestellung des Arbeitskolbens, bei
der das Volumen des Arbeitsraumes maximal ist, die Absteuerventilbohrung
mit dem ersten Ende gegenüber
dem Arbeitsraum verschließt,
und wobei die Rücklaufleitung
in Fluid-Verbindung mit der zweiten Bohrung steht; wobei die Steuernadel
an ihrem zweiten Ende derart ausgebildet ist, dass die Steuernadel
mit ihrem zweiten Ende die Rücklaufleitung
verschließt,
wenn die Steuernadel mit ihrem ersten Ende die Absteuerventilbohrung
gegenüber
dem Arbeitsraum verschließt,
und dass die Steuernadel mit ihrem zweiten Ende die Rücklaufleitung öffnet, wenn
die Steuernadel mit ihrem ersten Ende die Absteuerventilbohrung
gegenüber
dem Arbeitsraum öffnet.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine Leckage über die
Rücklaufleitung, welche
den Arbeitsraum mit der zweiten Bohrung verbindet, reduziert ist,
da die Rücklaufleitung
verschlossen ist, wenn die Steuernadel mit ihrem ersten Ende die
Absteuerventilbohrung gegenüber
dem Arbeitsraum verschließt.
Nur wenn die Steuernadel mit ihrem ersten Ende die Absteuerventilbohrung
gegenüber
dem Arbeitsraum öffnet, öffnet die
Steuernadel mit ihrem zweiten Ende auch die Rücklaufleitung. Durch diese
reduzierte Leckage, d.h. durch den reduzierten Fluidfluss, wird
das Fluid weniger erhitzt, was sich positiv auf die Betriebszuverlässigkeit
des Einspritzventils auswirkt.
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Auch
ist die Leistungsaufnahme einer angeschlossenen Fluidförderpumpe
durch den geringeren Verlustvolumenstrom des Kraftstoffkreislaufes
geringer, was zu insgesamt größerer Wirtschaftlichkeit führt.
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Vorzugsweise
ist die Steuernadel mit Hilfe eines Piezoaktors verschiebbar. Der
Vorteil von Piezoaktoren ist, dass sie ein sehr schnelles Ansprechverhalten
aufweisen, d.h. in sehr kurzer Zeit (Größenordnung 50 μs) ihre Länge um 40 μm ändern können.
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In
weiter bevorzugter Ausführungsform
ist zwischen Piezoaktor und Steuernadel ein Hubübersetzer angeordnet. Dies
hat den Vorteil, dass der von der Steuernadel vollführte Hub
vergrößert werden kann.
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Es
wird bevorzugt, dass in der Rücklaufleitung
oder der Absteuerventilbohrung oder beiden eine Ventildrossel angeordnet
ist. Dies hat den Vorteil, dass z.B. das aus dem Arbeitsraum abfließende Fluidvolumen
nicht mit gleicher Rate nachgefüllt
wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das auf den Arbeitskolben
aufsetzende erste Ende der Steuernadel verrundet und die in den
Arbeitsraum mündende Öffnung der
Absteuerventilbohrung weist eine konische Form auf. Dies hat den
Vorteil, dass die Absteuerventilbohrung in sicherer, d.h. fluiddichter
Weise verschlossen wird.
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Vorzugsweise
wird der Arbeitskolben zusätzlich
durch Federkräfte
in Richtung der Gehäusekammer
gedrückt.
Dadurch wird sichergestellt, dass der Arbeitskolben nicht ungewollt,
d.h. z.B. durch Wärmeausdehnung
des Fluids in der Gehäusekammer, öffnet.
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Unter
einem weiteren Aspekt schlägt
die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Einspritzventils vor.
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Vorzugsweise
wird der Hub der Steuernadel vorgegeben.
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Nachfolgend
werden Ausführungsformen der
Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigt:
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1 ein
herkömmliches
Einspritzventil;
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2 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Einspritzventils; und
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3 eine
Detailansicht des erfindungsgemäßen Einspritzventils.
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In 2 ist
in Schnittdarstellung ein Einspritzventil 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung dargestellt, wobei Details dieses Ventils in 3 dargestellt
sind.
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Der
Aufbau des in 2 dargestellten Ventils entspricht
weitgehend dem Aufbau des in 1 dargestellten
Einspritzventils 1. Daher sind Komponenten, die Komponenten
der 1 hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktion
entsprechen, mit den Bezugsziffern der 1 versehen.
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In
dem Gehäuse 3 ist
ein Arbeitskolben 7 in einer ersten Bohrung 5 des
Gehäuses 3 axialverschiebbar
und hydraulisch gedichtet geführt.
Dadurch bilden das Gehäuse 3 und
der Arbeitskolben 7 den Arbeitsraum 9 und die
Gehäusekammer 11.
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Der
Arbeitsraum 9 ist über
die Zulaufdrossel 15 mit der Hochdruckzuleitung 13,
die mit einem Speicher verbunden ist, der mit einem Fluid unter
einem Druck PCR gefüllt ist. Damit ist der Arbeitsraum 9 mit
dem Fluid, beispielsweise Kraftstoff, befüllt. Der im Arbeitsraum 9 herrschende
Druck des Fluids wird mit PCC bezeichnet.
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In
dem in 2 dargestellten Einspritzventil 1 gemäß der Erfindung
entspricht die dem Druck PCC ausgesetzte
Fläche
des Arbeitskolbens 7 weitgehend der dem Arbeitsraum 11 zugewandten
Stirnseite des Arbeitskolbens 7. Dazu gehört im geöffneten Zustand
die in Bewegungsrichtung projizierte Fläche des Sitzes der Steuernadel 25.
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Die
Hochdruckzuleitung 13 ist mit der Gehäusekammer 11 verbunden,
die deshalb mit dem unter einem Druck PCR stehenden
Fluid gefüllt
ist. Die an die Gehäusekammer 11 grenzende
Fläche
des Arbeitskolbens 7 wird mit A2 bezeichnet.
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Die
Absteuerventilbohrung 19 ist mit der drucklosen oder unter
einem geringen Druck stehenden Rücklaufleitung 17 verbunden.
Die Rücklaufleitung 17 mündet in
die zweite Bohrung 23. In der zweiten Bohrung 23 ist
die Steuernadel 25 axialverschiebbar und hydraulisch gegenüber dem
Gehäuse 3 gedichtet
geführt.
Die Steuernadel 25, die das erste Ende 26 und
das zweite Ende 28 aufweist, wobei das erste Ende gegenüber der
Absteuerventilbohrung 19 angeordnet ist, wird über eine
in einem Raum 27 des Gehäuses 3 angeordnete
zweite Feder 29 in einer Grundstellung gehalten.
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Von
dem Raum 27 führt
die zweite Rücklaufleitung 31 in
dem Raum 27 überschüssiges Fluid
zum Außenraum
des Gehäuses 3.
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Innerhalb
der Absteuerventilbohrung 19 ist eine Ventildrossel 20 angebracht
ist, wobei durch die Einstellung der Ventildrossel 20 und
der Zulaufdrossel 15 eine Feinabstimmung des Ventils erreicht
werden kann. Die effektive Durchflussfläche des Fluids, die Ventilöffnungsfläche, ist
mit A3 bezeichnet.
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Zur
Einleitung eines Einspritzvorgangs wird die Steuernadel 25 von
einem Antrieb 44, z. B. einem piezoelektrischen Aktor,
vom Arbeitskolben 7 wegbewegt und so das Absteuerventil
geöffnet.
Der Antrieb 44 ist im Raum 27 zwischen dem Gehäuse 3 und
einem becherförmigen
Käfig 40 angeordnet.
Ein Randbereich des Käfigs 40 ist
Hebelelementen 42, 43 zugeordnet, die an einer
Fläche
des Gehäuses 3 anliegen
und gegen einen Stützring 45 der
Steuernadel 25 abgestützt
sind. Zwischen einem Boden des Käfigs 40 und
dem Stützring 41 ist
die zweite Feder 29 eingepasst. Wird der Aktor 44 bestromt,
so dehnt sich der Aktor aus und drückt den Käfig 40 in Richtung
auf die Steuernadel 25. Dadurch werden die Hebelelemente 42, 43 gegen
den Stützring 45 gedrückt, so dass
die Steuernadel 25 gegen die Kraft der zweiten Feder 29 nach
innen in den Käfig 40 gedrückt wird. Dadurch
wird die Steuernadel 25 aus der Absteuerventilbohrung 19 herausgezogen.
Wird der Aktor 44 entstromt, so zieht sich der Aktor 44 zusammen. Folglich
wird die Steuernadel 25 durch die zweite Feder 29 tiefer
in die Absteuerventilbohrung 19 gedrückt. Die Hebelelemente 42, 43 sind
als u-förmige Hebel
ausgebildet, wobei ein Schenkel am Stützring 45, der andere
Schenkel am Randbereich des Käfigs 40 und
ein gebogener Mittenabschnitt am Gehäuse 3 als Widerlager
abgestützt
ist. Die Steuernadel 25 kann einen geringfügig größeren Maximalhub
ausführen
als der Arbeitskolben 7 (z. B. max. Hub des Arbeitskolbens
200 μm,
max. Hub der Steuernadel 240 μm).
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Die
Steuernadel 25 ist im dargestellten Beispiel so ausgebildet,
dass die durch den Druck PCC auf die Steuernadel 25 ausgeübten Kräfte gering sind.
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Am
Arbeitskolben 7 ist eine Düsennadel 10 angebracht,
die ein Zumessen und Zerstäuben
des von der Hochdruckzuleitung 13 zugeführten Fluids aus dem Gehäuse 3 heraus
steuert.
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Zwischen
Arbeitskolben 7 und Gehäuse 3 ist eine
Feder 8 angebracht, die für den Fall eines sehr geringen
oder fehlenden Drucks PCR in der Hochdruckzuleitung 13 sicherstellt,
dass die Düsennadel 10 den
Fluidinjektor verschließt,
so dass kein Fluid aus dem Gehäuse 3 nach
außen
gelangt.
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Durch
diese Anordnung des Absteuerventils ergibt sich direkt seine Wirkweise:
- – im
geschlossenen Zustand verschließt
die Steuernadel 25 die Absteuerventilbohrung 19 gegenüber dem
Arbeitsraum 9. Dadurch liegt im Arbeitsraum 9 ein
Druck PCC = PCR an,
weil der Arbeitsraum 9 über
die Zulaufdrossel 20 mit der Hochdruckzuleitung 13 verbunden
ist. Durch den Druck des Fluids im Arbeitsraum 9 wird eine
Kraft auf den Arbeitskolben 7 ausgeübt, die größer ist als die vom Fluid in
der Gehäusekammer 11 auf
den Arbeitskolben 7 ausgeübte, entgegengesetzt wirkende Kraft.
Dies bedeutet, dass die durch PCC druckbelastete,
in Bewegungsrichtung projizierte Fläche A1 des Arbeitskolbens 7 am
Arbeitsraum 9 größer sein
muss als die durch PCR druckbelastete, in
Bewegungsrichtung projizierte Fläche
A2 des Arbeitskolbens 7 an der Gehäusekammer 11, d.h.,
dass in Ruhestellung PCC × A1 = PCR × A1 > PCR × A2gilt.
Dadurch wird der Arbeitskolben 7 in einer Grundstellung
gehalten, bei der das Volumen des Arbeitsraumes 9 maximal
ist.
- - Beim Öffnen
des Absteuerventils 1 wird die Steuernadel 25 vom Arbeitskolben 7 wegbewegt,
so dass die Absteuerventilbohrung 19 und der Arbeitsraum 9,
im dargestellten Beispiel über
eine Drossel 20, miteinander verbunden sind. Weil die Absteuerventilbohrung 19 mit
der drucklosen oder unter einem geringen Druck stehenden Rücklaufleitung 17 verbunden
ist, läuft
Fluid aus dem Arbeitsraum 9 durch die Absteuerventilbohrung 19 ab.
Durch die zwischen Hochdruckzuleitung 13 und Arbeitsraum 9 vorhandene
Zulaufdrossel 15 wird sichergestellt, dass das durch den
Ablauf aus dem Arbeitsraum 9 abfließende Fluidvolumen nicht mit
gleicher Rate nachgefüllt
wird. Daher fällt der
im Arbeitsraum 9 herrschende Druck PCC auf einen
Wert unterhalb PCR ab. Wenn die vom Druck im
Arbeitsraum 9 auf den Arbeitskolben 7 ausgeübte Kraft
kleiner wird als die vom Druck in der Gehäusekammer 11 auf den
Arbeitskolben 7 ausgeübte
Kraft, d. h. wenn gilt PCC × A1 < PCR × A2,wird
der Arbeitskolben 7 in Richtung des Arbeitsraumes 9 bewegt.
Durch diese Bewegung verringert sich der Abstand zwischen Steuernadel 25 und
Absteuerventilbohrung 19, so dass eine zum Abfließen des
Fluids aus dem Arbeitsraum 9 vorhandene Ventilöffnungsfläche A3 verkleinert
wird. Diese Verkleinerung der Abflussöffnung wiederum führt zu einer
Erhöhung
des Drucks PCC im Arbeitsraum 9. Die Bewegung des Arbeitskolbens 7 wird
solange weitergeführt,
bis die Ventilöffnungsfläche A3 so
klein ist und damit PCC so groß wird,
dass PCC × A1 = PCR × A2gilt.
Der Arbeitskolben 7 nimmt dann einen bestimmten Abstand
von der Steuernadel 25 ein.
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Im
vollständig
geöffneten
Zustand ist die Steuernadel 25 maximal zurückgezogen,
so dass der Arbeitskolben 7 in einer Stellung maximalen
Hubes steht, bei der das Volumen des Arbeitsraums 9 minimal
ist.
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Ein
Vorteil dieses Ventils ist, dass sich nach dem Öffnen des Ventils die Ventilöffnungsfläche A3 durch
die Bewegung des Arbeitskolbens 7 selbsttätig verkleinert
und dadurch den Absteuervolumenstrom minimiert.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Bewegung des Arbeitskolbens 7 der
Bewegung der Steuernadel 25 in sehr guter Näherung linear
folgt. Dadurch ist es möglich,
die Bewegung des Arbeitskolbens 7 und daran angeschlossener
Komponenten über
die Bewegung der Steuernadel festzulegen. Die Steuernadel 25 wird
dabei durch einen Piezoaktor 44 und den zwischengeschalteten
Hubübersetzer
bewegt, der den Käfig 40,
die Hebelelemente 42, 43 aufweist.
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Diese
Fähigkeit
der Steuerbarkeit des Hubes des Arbeitskolbens 7 erfüllt beispielsweise
bei Kraftstoffinjektoren die Forderungen von Automobilherstellern,
die den Hub einer an den Arbeitskolben 7 angeschlossenen
Düsennadel 10,
die die in den Verbrennungsraum des Motors abgegebene Kraftstoffmenge
steuert, zur verbesserten Kraftstoffeinspritzung nutzen wollen.
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Weiterhin
ist in 2 eine Drossel 21 in der Rücklaufleitung 17 dargestellt.
Die Rücklaufleitung 17 mündet in
der zweiten Bohrung 23. Diese Situation ist im Detail in 3 dargestellt.
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Die
zweite Bohrung 23 ist an ihrem dem Arbeitsraum 9 abgewandten
Ende 33 mit einer Dichtkante 35 ausgebildet. Die
Rücklaufleitung 17 mündet nahe
dieser Dichtkante 35 in die zweite Bohrung 23, welche
an dieser Stelle eine Aufweitung 37 aufweist. Die Steuernadel 25 ist
an ihrem zweiten, dem Arbeitsraum 9 abgewandten Ende 28 derart
ausgebildet, im in 2 dargestellten Beispiel mit
einem Dichtkragen 41, so dass ein durch die Rücklaufleitung 17 in
die Aufweitung 37 strömender
Fluid-Leckstrom am Weiterströmen
in den sich an das zweite Ende 28 der Steuernadel 25 anschließenden Raum 27 gehindert
ist. Nur während
der Zeit, wenn die Steuernadel 25 die Absteuerventilbohrung 19 öffnet, d.h.
wenn die Steuernadel 25 sich in 3 nach rechts
bewegt, öffnet
die Steuernadel 25 mit ihrem zweiten Ende 28 die
Rücklaufleitung,
und Fluid kann ungehindert aus der Rücklaufleitung 17 in
den Raum 27 abfließen.
Da der in 3 dargestellte Dichtkragen 41 fest
mit der Steuernadel 25 verbunden ist, wird der Dichtkragen 41 bei
einer Bewegung der Steuernadel 25 nach rechts (in 3)
auch mit nach rechts bewegt und löst sich somit von der Dichtkante 35.
Anstelle des in 3 dargestellten Prinzips des zeitweisen
Verschließens
der Rücklaufleitung 17 sind auch
andere Mittel und Verfahren denkbar.