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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil, insbesondere für Brennkraftmaschinen,
mit einer äußeren Ventilnadel
und einer inneren Ventilnadel nach der im Oberbegriff des Patentanspruches
1 näher
definierten Art.
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Aus
der Praxis ist es bekannt, zur Einbringung von Kraftstoff, insbesondere
in direkteinspritzende Dieselmotoren, hubgesteuerte Einspritzsysteme
in Ausgestaltung als Common-Rail-Systeme
zu verwenden, bei denen der Einspritzdruck an Last und Drehzahl
angepasst wird.
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Zur
Reduzierung der Emissionen und zur Erzielung hoher spezifischer
Leistungen hat sich die Verbindung eines hubgesteuer ten Common-Rail-Systems
mit einer sogenannten Koaxial-Variodüse, bei
der eine innere Ventilnadel innerhalb einer äußeren Ventilnadel angeordnet
ist und bei der eine Einspritzung über zwei unterschiedliche Einspritzquerschnitte
bzw. Lochreihen realisiert ist, als vorteilhaft erwiesen. Eine solche
Koaxial-Variodüse ist
nicht nur hinsichtlich der Emissionswerte z. B. eines Dieselmotors
und der Leistungen vorteilhaft, sondern weist darüber hinaus
auch eine hohe Hochdruckfestigkeit auf.
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Beispielsweise
in der
DE 103 49 639
A1 ist ein solches Kraftstoffeinspritzventil beschrieben,
bei dem eine äußere Ventilnadel
und eine innere Ventilnadel koaxial zueinander angeordnet sind und
jeweils an einem Ventilsitz eine Öffnung wenigstens einer Einspritzöffnung steuern.
Dieses bekannte Kraftstoffeinspritzventil ist hierzu mit einem Kraftspeicher und
mit einem ersten Drucksteuerraum zur Beaufschlagung der äußeren Ventilnadel
in Richtung auf den Ventilsitz, mit einem zweiten Drucksteuerraum, durch
den eine Kraftbeaufschlagung auf die äußere Ventilnadel in dem Ventilsitz
abgewandter Richtung ausgeübt
wird, mit einem dritten Drucksteuerraum, durch den eine Kraftbeaufschlagung
auf die innere Ventilnadel entgegen der Richtung auf den Ventilsitz ausgeübt wird,
und mit einem vierten Drucksteuerraum, durch den eine Kraftbeaufschlagung
auf die innere Ventilnadel in Richtung auf den Ventilsitz ausgeübt wird,
ausgebildet.
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Bei
diesem Kraftstoffeinspritzventil wird mittels eines Ventils der
Druck zweier der Drucksteuerräume
gesteuert, womit keine unabhängige
Steuerung der beiden Ventilnadeln erfolgen kann, da durch die Zwangskopplung
der Drucksteuerräume
eine Kopplung bezüglich
der Steuerung der einzelnen Ventilnadeln vorliegt.
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Darüber hinaus
sind die Steuerflächen
der Ventilnadeln zur Druckbeaufschlagung der radial innen liegenden
Ventilnadel dahingehend ungünstig, dass
eine langsame Öffnungsgeschwindigkeit
der inneren Ventilnadel zum Öffnen
des Kraftstoffeinspritzventils in der Praxis kaum realisierbar ist.
Dadurch kann eine Kleinstmengenfähigkeit
des Kraftstoffeinspritzventils, das heißt, die Fähigkeit auch nur sehr geringe
Mengen Kraftstoff einzuspritzen, nicht gewährleistet werden.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftstoffventil
der eingangs beschriebenen Art im Hinblick auf eine verbesserte
Steuerbarkeit der inneren Ventilnadel zu verbessern.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung sieht bei einem Kraftstoffventil der eingangs beschriebenen
Art vor, dass ein zweiter Kraftspeicher derart angeordnet ist, dass
er eine Beaufschlagung der inneren Ventilnadel in Richtung auf den
Ventilsitz bewirkt, und dass der zweite Drucksteuerraum ebenfalls
zur Kraftbeaufschlagung auf die innere Ventilnadel entgegen der
Richtung auf den Ventilsitz dient.
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
weist damit den Vorteil auf, dass es eine unabhängige Steuerung der beiden
Ventilnadeln erlaubt, eine verbesserte Steuerbarkeit gewährleistet
und somit auch geringe Mengen Kraftstoff einspritzen kann.
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Auch
ist es besonders vorteilhaft, dass das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
sehr kompakt ausgebildet ist.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist zwei Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffeinspritzventils schematisch vereinfacht dargestellt,
welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden. Dabei zeigt
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1 eine
schematisierte Darstellung einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäß ausgestalteten
Kraftstoffeinspritzventils im Längsschnitt; und
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2 eine
schematisierte Darstellung einer zweiten Ausführung eines Kraftstoffeinspritzventils nach
der Erfindung.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt
schematisch ein Kraftstoffeinspritzventil 1 mit einem Gehäuse 2,
in dem zwei unabhängig
voneinander steuerbare Ventilnadeln 3, 4 axial
verlagerbar angeordnet sind.
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Von
den zwei Ventilnadeln 3, 4 ist eine als eine äußere Ventilnadel 3 mit
einer axialen Bohrung 3A ausgebildet, in der wenigstens
teilweise die andere Ventilnadel 4 als ein innere Ventilnadel
angeordnet ist. Die äußere Ventilnadel 3 und
die innere Ventilnadel 4 sind vorliegend koaxial zueinander
angeordnet, jedoch ist prinzipiell auch eine andere Art der Anordnung
möglich.
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Die
Ventilnadeln 3,4 weisen jeweils eine Ventilnadelspitze 3B bzw. 4B auf,
die jeweils mit kreisringförmigen
Ventilsitzen 2A bzw. 2B an dem Gehäuse 2 zusammenwirken.
Im Gehäuse 2 sind
weiterhin im Bereich der radial zueinander beabstandeten Ventilsitze 2A, 2B mehrere
jeweils einer der Ventilnadeln 3, 4 zugeordnete
Einspritzöffnungen 10, 11 vorhanden,
durch welche Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
eingespritzt werden kann, wenn zumindest eine Ventilnadel 3, 4 mit
ihrer jeweiligen Ventilnadelspitze 3B bzw. 4B nicht
an dem jeweiligen Ventilsitz 2A bzw. 2B anliegt.
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Zur
Steuerung der axialen Position der Ventilnadeln 3, 4 und
somit zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff weist das Kraftstoffeinspritzventil 1 vier
Drucksteuerräume 5, 6, 7, 8 auf,
welche mit Kraftstoff druckbeaufschlagbar sind bzw. bei denen der
Kraftstoffdruck in zumindest einem Teil des Druckraumes 5, 6, 7, 8 steuerbar
ist.
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Der
erste Drucksteuerraum 5 ist in dem Gehäuse 2 derart angeordnet,
dass er an einem axialen Ende der äußeren Ventilnadel 3 angeordnet
ist, wobei ein Druck p des Kraftstoffes auf eine axiale Fläche 3D der äußeren Ventilnadel 3 wirkt,
so dass eine Kraft F auf die äußere Ventilnadel 3 resultiert,
die in Richtung auf die Ventilnadelspitze 3B bzw. den Ventilsitz 2A gerichtet
ist. Der erste Drucksteuerraum 5 ist dabei als Ringraum
um die innere Ventilnadel 4 ausgebildet, wobei er in ein
Teilgehäuse
des Gehäuses 2 als
Bohrung eingebracht ist.
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In
dem ersten Drucksteuerraum 5 ist weiterhin ein Kraftspeicher 9,
wie eine Druck- oder Spiralfeder oder ein anderes elastisches Element,
angeordnet, welcher sich zum Einen an einer axialen Wandung des
ersten Drucksteuerraumes 5 und zum Anderen an der axialen
Fläche 3D der äußeren Ventilnadel 3 abstützt, um
eine Kraft auf die äußere Ventilnadel 3 in
Richtung auf den Ventilsitz 2A auszuüben.
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Ein
zweiter Drucksteuerraum 6 ist in dem Gehäuse 2 derart
angeordnet, dass er ringförmig
um die äußere Ventilnadel 3 und
die innere Ventilnadel 4 angeordnet ist und ein Druck p
des Kraftstoffes auf eine Stufenfläche 3E der äußeren Ventilnadel 3 und auf
eine Stufenfläche 4E der
inneren Ventilnadel 4 wirkt, so dass jeweils eine Kraft
F auf die beiden Ventilnadeln 3, 4 resultiert,
die entgegen der Richtung auf den Ventilsitz gerichtet ist.
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Zur
Ausübung
des Druckes auf die innere Ventilnadel 4 und deren Stufenfläche 4E weist
die äußere Ventilnadel 3 Bohrungen 30 auf,
die den Kraftstoff in den Zwischenraum 12 zwischen den
Ventilnadeln 3 und 4 passieren lassen.
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Ein
dritter Drucksteuerraum 7 ist in dem Gehäuse 2 derart
angeordnet, dass er ringförmig
um die innere Ventilnadel 4 angeordnet ist, wobei der dritte Drucksteuerraum 7 axial
in Richtung auf den Ventilsitz 2A bzw. 2B durch
eine Ringfläche 7A des
Gehäuses 2 begrenzt
wird. Axial entgegen der Richtung auf den Ventilsitz 2B wird
der dritte Drucksteuerraum 7 durch eine Stufenfläche 4F der
Ventilnadel 4 begrenzt. Die innere Ventilnadel 4 weist
hierzu an ihrem Endabschnitt eine absatzartige Durchmesserverbreiterung
gegenüber
einem mittleren Ventilnadelabschnitt auf, wobei die Differenzfläche der
Stufenfläche 4F entspricht.
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Der
Druck p des Kraftstoffes wirkt auf die Stufenfläche 4F der inneren
Ventilnadel 4, so dass eine proportionale Kraft F auf die
innere Ventilnadel 4 resultiert, die entgegen der Richtung
auf den Ventilsitz 2A bzw. 2B gerichtet ist.
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Ein
vierter Drucksteuerraum 8 ist in dem Gehäuse 2 am
axialen Ende der inneren Ventilnadel 4 angeordnet, wobei
er zum Einen durch eine axiale Endfläche 4G der inneren
Ventilnadel 4 und zum Anderen von einer Bohrung des Gehäuses 2 begrenzt wird.
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Ein
Druck p des Kraftstoffes wirkt hier auf die axiale Endfläche 4G der
inneren Ventilnadel 4, so dass eine Kraft F auf die innere
Ventilnadeln 4 in Richtung des Ventilsitzes 2A bzw. 2B wirkt.
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Weiterhin
ist in dem vierten Drucksteuerraum 8 ein Kraftspeicher 13 angeordnet,
welcher sich an einer axialen Endfläche des vierten Drucksteuerraums 8 und
an der axialen Endfläche 4G der
inneren Ventilnadel 4 abstützt und eine Kraft auf die
innere Ventilnadel 4 ausübt, die in Richtung auf den
Ventilsitz 2A bzw. 2B gerichtet ist.
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Die
Drucksteuerräume 5, 6, 7, 8 stehen
einlassseitig über
Verbindungsleitungen 14, 15, 16, 17, 18 mit
einem Druckspeicher 19 in Verbindung, so dass sie aus diesem
Druckspeicher 19 mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgbar
sind. Der Druckspeicher 19 ist vorzugsweise als Kraftstoff-Rail oder
als sogenanntes Common-Rail ausgebildet, das beispielsweise eine
Mehrzahl von Kraftstoffeinspritzventilen 1 versorgt.
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In
den Verbindungsleitungen 15 und 17, welche somit
Fluidverbindungen darstellen, sind weiterhin Drosseln 15A, 17A eingebracht,
um die Zustrommenge pro Zeiteinheit des Kraftstoffs zu dem ersten Drucksteuerraum 5 und
dem vierten Drucksteuerraum 8 zu begrenzen.
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Die
erste und der vierte Drucksteuerraum 5 bzw. 8 stehen
auslassseitig über
Verbindungsleitungen 20, 21, 22 mit einem
Rücklauf 23 in
Verbindung, so dass sie Kraftstoff zum Rück lauf 23 einspeisen können. Dazu
sind in den Fluidverbindungen 20, 21 Ventile 31, 32 angeordnet,
welche einen gesteuerten Rückfluss
zum Rücklauf 23 bewirken.
Diese Ventile 31, 32 sind vorzugsweise elektronisch
oder hydraulisch steuerbare Ventile. In den Fluidverbindungen 20 und 21 sind
weiterhin Drosseln 24 und 25 vorgesehen, um den
Rückfluss
aus dem ersten Drucksteuerraum 5 und/oder dem zweiten Drucksteuerraum 8 zum
Rücklauf 23 pro
Zeiteinheit zu begrenzen.
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Aufgrund
der Ausgestaltung des Kraftstoffeinspritzventils 1 ist
bei im Wesentlichen gleicher Druckbeaufschlagung aller Drucksteuerräume 5, 6, 7, 8 das
Kraftstoffeinspritzventil 1 geschlossen, da beide Ventilnadeln 3, 4 gegen
den jeweiligen Dichtsitz 2A, 2B beaufschlagt sind,
das heißt,
auch die Ventile 31, 32 sind geschlossen.
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Die
Schließstellung
des Kraftstoffeinspritzventils 1 wird bewirkt durch den
Druck in dem ersten Drucksteuerraum 5, welcher eine Kraft
auf die äußere Ventilnadel 3 in
Richtung auf den zugeordneten Ventilsitz 2A bewirkt. Gleichzeitig
wirkt die Kraft des Kraftspeichers 9 in die gleiche Richtung.
Weiterhin wirkt eine Kraft auf die äußere Ventilnadel 3,
welche aufgrund des Drucks in dem zweiten Drucksteuerraum 6 auf
die Stufenfläche 3E bewirkt
wird, wobei diese Kraft entgegen der Richtung auf den Ventilsitz gerichtet
ist. In der Summe wirken somit drei axiale Kräfte auf die äußere Ventilnadel 3,
wobei die Kräfte in
Richtung auf den Ventilsitz 2A aufgrund der Flächenverhältnisse
der Stufenflächen 3D, 3E zueinander
und des Kraftspeichers 9 überwiegen, so dass die äußere Ven tilnadel 3 gegen
den Ventilsitz 2A gedrückt
ist und die diesbezüglichen
Einspritzöffnungen 11 verschließt.
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Bei
geschlossenem Kraftstoffeinspritzventil 1 wirkt weiterhin
ein Druck in dem vierten Drucksteuerraum 8 und die Kraft
des Kraftspeichers 13 auf die innere Ventilnadel 4 in
Richtung des zugeordneten Ventilsitzes 2B. Gleichzeitig
wirkt eine Kraft auf die innere Ventilnadel 4, welche aufgrund
des Drucks in dem zweiten Drucksteuerraum 6 auf die Stufenfläche 4E bewirkt
wird, wobei diese Kraft entgegen der Richtung auf den Ventilsitz 2B gerichtet
ist. Hinzu kommt eine Kraft auf die innere Ventilnadel 4 aufgrund
des Drucks im dritten Drucksteuerraum 7, welche entgegen
der Richtung auf den Ventilsitz 2B wirkt. In der Summe
wirken somit vier axiale Kräfte
auf die innere Ventilnadel 4, wobei die Kraft in Richtung
auf den Ventilsitz 2B aufgrund der Flächenverhältnisse der Fläche 4G im
Vergleich zu den Flächen 4F und 4E überwiegt
und die Kraft des Kraftspeichers 13 auf die Fläche 4G hinzukommt.
Somit wird auch die innere Ventilnadel 4 gegen den zugeordneten
Ventilsitz 2B gedrückt,
und die diesbezüglichen
Einspitzöffnungen 10 werden
geschlossen.
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Wird
nun der Druck im ersten Drucksteuerraum 5 gesteuert reduziert,
indem das Ventil 32 zumindest teilweise zum Rücklauf 23 hin
geöffnet
wird, so ändern
sich die Kräfteverhältnisse
der Kräfte
auf die äußere Ventilnadel 3.
Der Druck in dem ersten Drucksteuerraum 5 wird abgesenkt,
so dass die axiale Kraft aufgrund des Drucks sich reduziert. Die Kräfte auf
die äußere Ventilnadel 3,
welche ein Öffnen
des Kraftstoffein spritzventils 1 durch axiale Verlagerung
der äußeren Ventilnadel 3 bewirken, übersteigen
nun die Schließkraft,
so dass die äußere Ventilnadel 3 axial
verlagert wird und die Ventilnadelspitze 3B von dem Ventilsitz 2A abhebt,
womit eine Kraftstoffeinspitzung erfolgt.
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Wird
hingegen der Druck im vierten Drucksteuerraum 8 reduziert,
indem das Ventil 31 zumindest teilweise zum Rücklauf 23 hin
geöffnet
wird, so ändern
sich die Kräfteverhältnisse
an der inneren Ventilnadel 4. Der Druck in dem vierten
Drucksteuerraum 8 wird abgesenkt, so dass sich die von
diesem ausgeübte
axiale Kraft auf die innere Ventilnadel 4 reduziert und
die Kräfte
auf die innere Ventilnadel 4, welche ein Öffnen des
Kraftstoffeinspritzventils 1 durch axiale Verlagerung der
inneren Ventilnadel 4 bewirken, die Schließkraft übersteigen.
Somit wird die innere Ventilnadel 4 axial verlagert und
ihre Ventilnadelspitze 4B von dem Ventilsitz 2B abgehoben.
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Die
zusätzliche öffnende
Druckkraft auf die Druckfläche 4F durch
den Druckraum 7 ergibt dabei eine gute Kontrollierbarkeit
der Nadelöffnungsgeschwindigkeit
und dadurch eine gute Zumessgenauigkeit bei kleinen Einspritzmengen.
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Die
Steuerung der Ventilnadeln 3, 4 erfolgt somit
vorliegend durch die Drucksteuerung in dem ersten Drucksteuerraum 5 und
dem zweiten Drucksteuerraum 8, wobei dadurch eine Hubsteuerung realisiert
werden kann.
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Zur
Ausbildung des Systemdrucks kann ein Kraftstoffeinspritzsystem neben
zumindest einem Kraftstoffeinspritzventil 1 eine Hochdruckpumpe
aufweisen, die den Kraftstoff verdichtet und unter Systemdruck im
System, beispielsweise in dem Druckspeicher 19, speichert.
Der Kraftstoffsystemdruck steht somit jedem Kraftstoffeinspritzventil
zur Verfügung.
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Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung kann in den Fluidkreislauf des Kraftstoffs zwischen
dem Druckspeicher 19 und dem Kraftstoffeinspritzventil
ein Druckübersetzer 26 eingesetzt
sein, so dass der maximale Einspritzdruck erhöhbar ist und eine Formung des
Druckverlaufs während
der Einspritzung ermöglicht
wird.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil 1 kann modular aufgebaut sein,
so dass beispielsweise ein Modul den ersten und dritten Drucksteuerraum 5 bzw. 7 und/oder
den vierten Drucksteuerraum 8 aufweist, wobei der zweite
Drucksteuerraum 6 und/oder der vierte Drucksteuerraum 8 auch
in jeweils einem weiteren Modul aufgenommen sein können.
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Die 2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils 1,
bei welchem baugleiche bzw. funktionsgleiche Elemente mit gleichen
Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet sind, auf deren
Beschreibung diesbezüglich
verwiesen wird.
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Im
Unterschied zur Ausführung
der 1 weist das Kraftstoffeinspritzventil 1 gemäß 2 zur Bildung
der Drucksteuerräume 5, 6, 7, 8 mehrere Dichthülsen 33, 34 und 35 auf,
welche die Drucksteuerräume 5, 6, 7, 8 gegenüber einem
umgebenden Raum abdichten.
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Beispielsweise
sind der erste und zweite Drucksteuerraum 5 und 6 in
einem Raumbereich 37 ausgebildet, wobei der erste Drucksteuerraum 5 gegenüber dem
zweiten Drucksteuerraum 6 durch eine Dichthülse 33 abgedichtet
ist.
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Der
in dem zweiten Drucksteuerraum 6 angeordnete Kraftspeicher 9 stützt sich
an seinem einen Ende axial an der ersten Dichthülse 33 und an seinem
anderen, dem Ventilsitz 2A, 2B zugewandten Ende
an einem querschnittserweiternden Absatz 36 an der äußeren Ventilnadel 3 ab.
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In
der dem Ventilsitz 2A bzw. 2B abgewandten Richtung
ist der erste Drucksteuerraum 5, welcher radial von einem
sich axial dichtend an die Dichthülse 33 anschließenden Gehäuseteil 38 umgeben
ist, durch eine weitere Dichthülse 34 von
dem dritten Drucksteuerraum 7 getrennt, welcher sich axial
an das Gehäuseteil 38 anschließt und Teil
eines weiteren Raumbereichs 39 ist.
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Ebenso
wie sich die erste Dichthülse 33 an ihrem
dem Ventilsitz 2A, 2B abgewandten Ende an dem
Gehäuseteil 38 abdichtend
abstützt,
stützt
sich die zweite Dichthülse 34 an
ihrem dem Ventilsitz 2A, 2B zugewandten Ende an
dem Gehäuseteil 38 abdichtend
ab.
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In
der dem Ventilsitz 2A bzw. 2B abgewandten Richtung
ist der dritte Drucksteuerraum 7 durch eine dritte Dichthülse 35 von
dem vierten Drucksteuerraum 8 kleineren Durchmessers getrennt,
welcher Teil des gemeinsamen Raumbereichs 39 ist. Die dritte
Dichthülse 35 stützt sich
an ihrem dem Ventilsitz 2A, 2B abgewandten Ende
an einer Schulter des Raumbereichs 39 bzw. des dritten
Drucksteuerraums 7 ab.
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Der
in dem dritten Drucksteuerraum 7 angeordnete Kraftspeicher 40 stützt sich
zwischen den beiden diesen Drucksteuerraum begrenzenden Dichthülsen 34 und 35 axial
ab und beaufschlagt so die beiden Dichthülsen 34, 35 axial
gegen ihre jeweilige Anlagefläche.
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Die
vorliegend ringförmigen
Dichthülsen 33, 34, 35 bilden
bei den gezeigten Ausführungen
vorteilhaft jeweils zum abstützenden
Bauteil eine Dichtstelle als Flachsitz. Zwischen den Dichthülsen 33, 34 und 35 ist
die jeweils darin geführte
Ventilnadel 3 bzw. 4 axial verlagerbar aufgenommen.
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Die
gezeigte Anordnung der Dichthülsen
ist nur beispielhaft und soll verdeutlichen, dass die zur Steuerung
des Kraftstoffeinspritzventils 1 vorgesehenen Druckräume teilweise
oder vollständig
ohne eine aufwändige
Bearbeitung in größeren, einfach
zu fertigenden Raumbereichen durch einfache Unterteilung mittels
Dichtelementen ausgebildet werden können.