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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff in Brennräume von
Brennkraftmaschinen ist z. B. aus DE-A 103 53 169 bekannt. Hierbei
wird über
einen Piezoaktor über
mindestens einen Übersetzerkolben ein
in eine Ventilplatte aufgenommenes Steuerventil betätigt. Zwischen
dem Piezoaktor und dem Übersetzerkolben
ist ein Übersetzerraum
ausgebildet, welcher mit Kraftstoff befüllt ist. Sobald der Piezoaktor bestromt
wird und sich dabei ausdehnt, fährt
dieser in den Übersetzerraum
ein. Hierdurch wird der Kraftstoff komprimiert und wirkt auf den Übersetzerkolben. Der
Piezoaktor steht hierbei mit dem Kraftstoff in direktem Kontakt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäß ausgebildeter
Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Einspritzventilglied zum Freigeben
und Verschließen mindestens
einer Einspritzöffnung,
wobei die Bewegung des Einspritzventilgliedes durch einen Aktor
gesteuert wird, der auf ein Steuerventil wirkt. Das Steuerventil
gibt eine Verbindung von einem Steuerraum in eine Niederdruckleitung
frei oder verschließt
diese, wobei sich das Einspritzventilglied bei freigegebener Verbindung
aus seinem Sitz hebt und die mindestens eine Einspritzöffnung freigibt
und bei geschlossenem Steuerventil in seinen Sitz gestellt wird
und die mindestens eine Einspritzöffnung verschließt. Der
Aktor zur Betätigung
des Steuerventils ist in einem Aktorraum in einem Gehäuse aufgenommen,
welches einen im Wesentlichen gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
aufweist wie der Aktor.
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Vorteil
einer Konstruktion, bei der der Aktor in einem Gehäuse aufgenommen
ist, welches den im Wesentlichen gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
aufweist wie der Aktor, ist, dass der Aktor im laufenden Betrieb
nicht gekühlt
werden braucht, um Längenänderungen,
die durch Temperaturschwankungen entstehen, zu vermeiden. Die aus dem
Stand der Technik bekannten Aktoren werden dadurch temperiert, dass
diese von Kraftstoff umspült sind.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es demgegenüber, den
Aktor trocken zu betreiben, ohne dass dieser dem Kraftstoff ausgesetzt
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Aktor ein Piezoaktor. Als Aktor kann aber auch jedes weitere
Betätigungselement
eingesetzt werden, durch welches sich schnelle Öffnungs- und Schließzeiten
realisieren lassen. Bei Einsatz eines Piezoaktors ist das Gehäuse, in
dem der Aktor aufgenommen ist, vorzugsweise aus Invar gefertigt,
um den Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Aktorkeramik ungefähr
gleich dem des Gehäuses
zu halten.
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Zur
Betätigung
des Steuerventils ist der Aktor in einer bevorzugten Ausführungsform
mit einem Aktorkolben verbunden, der auf ein Ventilglied des Steuerventils
wirkt. Das Steuerventil kann dabei ein A-Ventil sein, welches öffnet, wenn
der Piezoaktor bestromt wird und sich ausdehnt. Hierbei wirkt der Aktorkolben
auf das als Ventilkolben ausgebildete Ventilglied des Steuerventils
und drückt
dieses aus seinem Sitz. Alternativ kann anstelle des A-Ventils auch
ein I-Ventil verwendet werden. Als A-Ventil wird dabei ein Ventil
bezeichnet, welches nach außen,
d. h. in Strömungsrichtung, öffnet, während ein
I-Ventil ein Ventil ist, welches nach innen, d. h. entgegen der Strömungsrichtung, öffnet. Bei
Einsatz eines I-Ventils als Steuerventil wird dieses invers betrieben.
Das bedeutet, dass das Ventil bei bestromtem Aktor geschlossen ist
und bei nicht bestromtem und zusammengezogenem Aktor öffnet. Bei
einem I-Ventil ist das Ventilglied zum Beispiel kugelförmig ausgebildet. Es
ist aber auch jede andere Form des Ventilgliedes möglich, die
dem Fachmann bekannt ist und durch die der Sitz flüssigkeitsdicht
verschlossen werden kann. Vorteil eines kugelförmigen Ventilgliedes ist, dass
sich dieses von selbst so in den Sitz positioniert, dass dieser
dicht verschlossen ist.
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Um
gegebenenfalls auftretende Differenzen der Längenausdehnung des Gehäuses und
des Aktors auszugleichen, ist in einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffinjektors zwischen dem Aktorkolben und dem Ventilglied ein
Spalt ausgebildet.
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Zur
Kraftübertragung
ist zwischen dem Steuerventil und dem Einspritzventilglied ein Steuerkolben
aufgenommen. Zwischen dem Ventilglied des Steuerventils und dem
Steuerkolben ist ein erster Steuerraum und zwischen dem Steuerkolben
und dem Einspritzventilglied ein zweiter Steuerraum ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist
der Steuerkolben eine Druckstufe auf. Durch die Druckstufe ist die
Fläche,
mit der der Steuerkolben den ersten Steuerraum begrenzt, größer als
die Fläche,
mit der der Steuerkolben den zweiten Steuerraum begrenzt. Aus diesem
Grund wird im zweiten Steuerraum ein Druck erreicht, der oberhalb
dem Systemdruck liegt. Dieser erhöhte Druck führt dazu, dass das Einspritzventilglied
schneller schließen kann.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 einen
erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffinjektor in einer ersten Ausführungsform,
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2 einen
erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffinjektor in einer zweiten Ausführungsform.
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Ausführunsgbeispiele
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1 zeigt
einen erfindungsgemäß ausgebildeten
Kraftstoffinjektor in einer ersten Ausführungsform.
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Bei
einem Kraftstoffinjektor 1 wird über mindestens eine Einspritzöffnung 2 Kraftstoff
in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
Hierzu ist die mindestens eine Einspritzöffnung 2 durch ein
Einspritzventilglied 3 freigebbar oder verschließbar. Zum
Verschließen
der mindestens einen Einspritzöffnung 2 steht
das Einspritzventilglied 3 in einem Sitz 4. Sobald
sich das Einspritzventilglied 3 aus dem Sitz 4 hebt,
wird eine Verbindung von einem Düsenraum 5,
in dem sich unter Systemdruck stehender Kraftstoff befindet, zur
Einspritzöffnung 2 freigegeben.
Der Einspritzvorgang beginnt.
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Der
Kraftstoff wird dem Kraftstoffinjektor 1 über einen
Kraftstoffzulauf 6 zugeführt. Der Kraftstoffzulauf 6 ist
in einer bevorzugten Ausführungsform
mit einem in 1 nicht dargestellten Hochdruckspeicher
verbunden. Durch Einsatz des Hochdruckspeichers werden Druckschwankungen
des Kraftstoffes weitgehend vermieden. Vom Kraftstoffzulauf 6 strömt der unter
Systemdruck stehende Kraftstoff über
einen Hochdruckkanal 7 an einem Steuerkolben 8 entlang
in Richtung des Einspritzventilgliedes 3. Der dem Steuerkolben 8 zugewandte obere
Abschnitt 9 ist von einem Ringraum 10 umgeben,
in welchen der Kraftstoff strömt. Über Freiflächen 11,
die in dem Bereich des Einspritzventilgliedes 3 ausgebildet
sind, in dem dieses in einem Gehäuseunterteil 12 geführt ist,
kann der Kraftstoff in den Düsenraum 5 strömen.
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Über eine
zweite Hochdruckleitung 13, in der eine Zulaufdrossel 14 aufgenommen
ist, strömt ebenfalls
unter Systemdruck stehender Kraftstoff in einen ersten Steuerraum 15.
Hierzu ist die zweite Hochdruckleitung 13 ebenfalls mit
dem Kraftstoffzulauf 6 verbunden.
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Aus
dem ersten Steuerraum 15 kann der Kraftstoff über einen
Ablaufkanal 16, in den eine Ablaufdrossel 17 aufgenommen
ist, ablaufen. Der Ablaufkanal 16 ist durch ein Steuerventil 18 verschließbar. Bei
geöffnetem
Steuerventil 18 strömt
der Kraftstoff zunächst
in einen Niederdruckraum 19 und von dort über eine
Rücklaufleitung 20 in
den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems.
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Zum
Starten des Einspritzvorganges gibt das Steuerventil 18 die
Verbindung vom Ablaufkanal 16 in den Niederdruckraum 19 frei.
Hierdurch strömt
Kraftstoff aus dem ersten Steuerraum 15 ab. Durch den ausströmenden Kraftstoff
aus dem ersten Steuerraum 15 nimmt die Kraft, die auf eine
obere Stirnfläche 21 des
Steuerkolbens 8 wirkt, ab. Da der Steuerkolben 8 durch
die abnehmende Kraft auf die obere Stirnfläche 21 nicht mehr
druckausgeglichen ist, bewegt sich der Steuerkolben 8 in
Richtung des ersten Steuerraumes 15. Hierdurch vergrößert sich
das Volumen eines zweiten Steuerraumes 22, welcher durch
eine untere Stirnfläche 23 des
Steuerkolbens 8 begrenzt wird. Durch den abnehmenden Druck
im zweiten Steuerraum 22 strömt Kraftstoff aus einem dritten
Steuerraum 24 über
einen Verbindungskanal 25 in den zweiten Steuerraum 22.
Hierdurch nimmt der Druck im dritten Steuerraum 24 und
damit die auf eine obere Stirnfläche 26 des
Einspritzventilgliedes 3 wirkende Kraft ab. Das Einspritzventilglied 3 ist
somit nicht mehr druckausgeglichen, hebt sich aus seinem Sitz 4 und
gibt so die mindestens eine Einspritzöffnung 2 frei.
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Um
den Einspritzvorgang zu beenden, werden das Steuerventil 18 und
damit der Ablaufkanal 16 verschlossen. Aus dem ersten Steuerraum 15 kann kein
Kraftstoff mehr einströmen,
so dass sich hier Systemdruck einstellt. Aufgrund des zunehmenden Druckes
und der damit steigenden Kraft, die auf die obere Stirnfläche 21 des
Steuerkolbens 8 wirkt, wird der Steuerkolben 8 in
Richtung des zweiten Steuerraumes 22 bewegt. Hierdurch
nimmt das Volumen im zweiten Steuerraum 22 ab, wodurch
der Druck im zweiten Steuerraum und damit über den Verbindungskanal 25 auch
im dritten Steuerraum 24 steigt. Durch den zu nehmenden
Druck im dritten Steuerraum 24 nimmt auch die Kraft, die
auf die obere Stirnfläche 26 des
Einspritzventilgliedes 3 wirkt, zu. Das Einspritzventilglied
wird in seinen Sitz 4 gestellt und so die Verbindung zur
Einspritzöffnung 2 verschlossen.
Der Einspritzvorgang ist beendet.
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Zur
Unterstützung
der Schließbewegung
des Einspritzventilgliedes 3 ist dieses im oberen Abschnitt 9 von
einem ersten Federelement 27 umschlossen. Das erste Federelement 27 ist
vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder. Diese
wirkt mit einer Seite auf eine Erweiterung 28 am Einspritzventilglied 3.
Mit dem anderen Ende wirkt das erste Federelement 27 auf
eine Stirnfläche 29 eines
ersten Ringelementes 30. Das erste Ringelement 30 bildet
die seitliche Begrenzung des dritten Steuerraumes 24. Damit
aus dem Ringraum 10 kein Kraftstoff in den dritten Steuerraum 24 gelangen kann,
wird das erste Ringelement 30 mit einer Beißkante 31 gegen
eine Zwischenplatte 32 gedrückt, welche das Gehäuseunterteil 12 abschließt. In der Zwischenplatte 32 ist
der Verbindungskanal 25 ausgebildet. Weiterhin sind in
der Zwischenplatte 32 weitere Kanäle 33 ausgebildet, über welche
der unter Systemdruck stehende Kraftstoff in den Ringraum 10 strömen kann.
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Die
seitliche Begrenzung des zweiten Steuerraumes 22 bildet
ein zweites Ringelement 34, in welchem der untere Abschnitt 35 des
Steuerkolbens 8 geführt
ist. Um den zweiten Steuerraum 22 gegen den unter Systemdruck
stehenden Kraftstoff abzudichten, ist das zweite Ringelement 34 mit
einer Beißkante 36 gegen
die Zwischenplatte 32 gestellt. Der notwendige Druck auf
die Beißkante,
um eine flüssigkeitsdichte
Verbindung zu erzielen, wird durch ein zweites Federelement 37 erreicht.
Das zweite Federelement 37 ist vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete
Spiralfeder. Mit einer Seite steht das zweite Federelement 37 auf
einer Stirnfläche 38 des zweiten
Ringelementes 34. Mit der anderen Seite wirkt das zweite
Federelement 37 auf eine Erweiterung 39 am Steuerkolben 8.
Der erste Steuerraum 15 wird durch ein drittes Ringelement 40 seitlich
begrenzt. Hierzu wird das dritte Ringelement 40 mit einer
Beißkante 41 gegen
eine zweite Zwischenplatte 42 gepresst. Die zweite Zwischenplatte 42 schließt ein mittleres
Gehäuseteil 43,
welches sich zwischen der Zwischenplatte 32 und der zweiten
Zwischenplatte 42 befindet, ab. In der zweiten Zwischenplatte 42 sind
der Ablaufkanal 16, die zweite Hochdruckleitung 13 und
der Hochdruckkanal 7 ausgebildet. Am mittleren Gehäuseteil 43 ist
ein nach innen ragender Vorsprung 44 ausgebildet, gegen
welchen sich ein drittes Federelement 45 abstützt. Das
dritte Federelement 45 ist ebenfalls vorzugsweise eine
als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder und wirkt auf das dritte Ringelement 40,
so dass dieses mit der Beißkante 41 gegen
die zweite Zwischenplatte 42 gepresst wird.
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Um
die Bewegung des Steuerkolbens 8 zu unterstützen, ist
im ersten Steuerraum 15 ein viertes Federelement 46 aufgenommen,
welches vorzugsweise eine als Druckfeder ausgebildete Spiralfeder ist
und mit einer Seite auf die obere Stirnfläche 21 des Steuerkolbens 8 und
mit der anderen Seite gegen die zweite Zwischenplatte 42 wirkt.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Steuerventil 18,
durch welches die Öffnungs-
und Schließbewegung
des Einspritzventilgliedes 3 gesteuert wird, als A-Ventil
ausgebildet. Das Steuerventil 18 umfasst ein als Ventilkolben
ausgebildetes Ventilglied 47, welches mit Hilfe eines fünften Federelementes 48,
welches ebenfalls vorzugsweise eine als Spiralfeder ausgebildete
Druckfeder ist, in einen Sitz 59 gestellt wird. Die Bewegung
des Ventilgliedes 47 wird durch einen Aktor 49,
vorzugsweise einen Piezoaktor, gesteuert. Der Aktor 49 ist
mit einer Spannungsquelle 50 verbunden. Sobald die Spannungsquelle 50 eingeschaltet
wird, dehnt sich der Aktor 49 aus. Hierdurch wird ein Aktorkolben 51 in
Richtung des Ventilgliedes 47 bewegt. Durch die Bewegung
des Aktorkolbens 51 wird das Ventilglied 47 aus seinem
Sitz gehoben und gibt so die Verbindung vom Ablaufkanal 16 in
den Niederdruckraum 19 frei. Um die Verbindung vom Ablaufkanal 16 in
den Niederdruckraum 19 wieder zu verschließen, wird
die Bestromung des Aktors 49 aufgehoben. Der Aktor 49 zieht
sich zusammen. Durch die Federkraft des fünften Federelementes 48 wird
das Ventilglied 47 wieder in seinen Sitz gestellt und die
Verbindung vom Ablaufkanal 16 in den Niederdruckraum 19 verschlossen.
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Der
Aktor 49 ist in einem Aktorraum 52 aufgenommen.
Der Aktorraum 52 ist in einem oberen Gehäuseteil 53 ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist das
obere Gehäuseteil 53 aus
einem Werkstoff hergestellt, welcher einen im Wesentlichen gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
aufweist wie der Aktor 49. Bei Einsatz eines Piezoaktors
als Aktor 49 ist der bevorzugte Werkstoff für das obere
Gehäuseteil 53 Invar.
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Damit
aus dem Niederdruckraum 19 kein Kraftstoff in den Aktorraum 52 gelangen
kann, ist der Aktorraum 52 zum Niederdruckraum 19 hin
abgedichtet. Die Dichtung erfolgt dabei vorzugsweise über eine
Dichtmembran 54. Die Dichtmembran 54 ist am oberen
Gehäuseteil 53 und
am Aktorkolben 51 jeweils flüssigkeitsdicht befestigt, so
dass keine Leckageströmungen
in den Aktorraum 52 auftreten können. Durch die Ausbildung
des Dichtelementes als Dichtmembran 54 wird sichergestellt,
dass sich der Aktorkolben 51 in axialer Richtung bewegen
lässt. Eine
flüssigkeitsdichte
Verbindung der Dichtmembran 54 wird zum Beispiel durch
Schweißen
erreicht.
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Erfindungsgemäß ist bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform zwischen dem Aktorkolben 51 und
dem Ventilglied 47 bei nicht bestromtem Aktor 49 ein
Spalt 55 ausge führt.
Durch den Spalt können kleine
Hubfehler, die sich aus Temperaturdifferenzen zwischen Aktor 49 und
oberem Gehäuseteil 53 ergeben,
ausgeglichen werden.
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Die
notwendige Vorspannung für
den Aktor 49 wird durch ein vorzugsweise als Rohrfeder
ausgebildetes Vorspannelement 56 erzeugt. Hierzu umschließt das Vorspannelement 56 den
Aktor 49 und ist mit einer tellerförmigen Erweiterung 57 am
Aktorkolben 51 und einer Gegenplatte 58, gegen
welche sich der Aktor 49 abstützt, verbunden. Um die notwendige
Vorspannung des Aktors 49 zu gewährleisten, ist das Vorspannelement 56 als
Zugfeder ausgebildet.
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2 zeigt
einen Kraftstoffinjektor in einer zweiten Ausführungsform.
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Der
in 2 dargestellte Kraftstoffinjektor unterscheidet
sich von dem in 1 dargestellten Kraftstoffinjektor
dadurch, dass der Kraftstoffzulauf 6 direkt in einen den
Steuerkolben 8 umschließenden Ringraum 69 mündet. Aus
dem Ringraum 69 führt der
zweite Hochdruckkanal 13, in dem die Zulaufdrossel 14 aufgenommen
ist, in den ersten Steuerraum 15. Aus dem ersten Steuerraum 15 führt der Ablaufkanal 16,
in den die Ablaufdrossel 17 aufgenommen ist, in den Niederdruckraum 19.
Der Ablaufkanal 16 ist durch das Steuerventil 18 verschließbar. In
der in 2 dargestellten Ausführungsform ist das Steuerventil 18 ein
I-Ventil. Das Steuerventil 18 verschließt den Ablaufkanal 16,
wenn der Aktor 49 bestromt und damit ausgedehnt ist. Hierzu
wird ein Ventilglied 47, welches in der hier dargestellten
Ausführungsform
kugelförmig
ausgebildet ist, in seinen Sitz 70 gestellt. Sobald die
Bestromung des Aktors 49 beendet wird, zieht sich dieser
zusammen und hebt den Aktorkolben 51. Durch den Druck im
ersten Steuerraum 15, welcher auf das Ventilglied 47 wirkt,
hebt sich dieses aus dem Sitz. Die Verbindung vom Ablaufkanal 16 in
den Niederdruckraum 19 ist freigegeben.
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Weiterhin
unterscheidet sich der in 2 dargestellte
Kraftstoffinjektor von dem in 1 dargestellten
Kraftstoffinjektor dadurch, dass das zweite Federelement 37 nicht
auf die Erweiterung 39 am Steuerkolben 8, sondern
auf eine untere Kante 63 an einem Vorsprung 61,
welcher am mittleren Gehäuseteil 43 ausgebildet
ist, wirkt. Auf die obere Kante 62 des Vorsprunges 61 wirkt
ein weiteres Federelement 60, welches ebenfalls vorzugsweise
eine als Spiralfeder ausgebildete Druckfeder ist. Mit der anderen
Seite wirkt das weitere Federelement 60 auf die Erweiterung 39 am
Steuerkolben 8. Am mittleren Gehäuseteil 43 ist ein
weiterer Vorsprung 64 ausgebildet, durch welchen sich eine
das mittlere Gehäuseteil 43 durchziehende
Bohrung 71 in Richtung des Aktors 49 erweitert.
Auf dem weiteren Vorsprung 64 ist ein Auflageelement 65,
welches vorzugsweise ringförmig ausgebildet
ist, positioniert. Auf das Auflageelement 65 stützt sich
das dritte Federelement 45 ab, mit wel chem das dritte Ringelement 40 mit
der Beißkante 41 gegen
die zweite Zwischenplatte 42 gestellt wird.
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Die
Verbindung des unteren Gehäuseteils 12 und
der ersten Zwischenplatte 32 mit dem mittleren Gehäuseteil 43 erfolgt über eine
erste Spannhülse 66.
Mit einer zweiten Spannhülse 67 ist
der zweite Zwischenring 42 mit dem mittleren Gehäuseteil 43 verbunden.
Am zweiten Zwischenring 42 ist auf der dem Steuerkolben 8 abgewandten
Seite ein Gewinde 68 ausgebildet. Mit dem Gewinde 68 ist
das obere Gehäuseteil 53 mit
dem zweiten Zwischenring 42 verbunden. Durch einen Distanzring 72 lässt sich
die genaue Position des oberen Gehäuseteils 53 im zweiten
Zwischenring 42 einstellen.
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Um
ein schnelleres Schließen
des Einspritzventilgliedes 3 zu erreichen, ist auch eine
schnellere Bewegung des Steuerkolbens 8 erforderlich. Um
diese zu erreichen, wirkt die Erweiterung 39 als Druckstufe.
Beim Befüllen
des ersten Steuerraumes 15 entsteht aufgrund des dynamischen
Befüllvorganges ein
Drucküberschwinger,
der gegenüber
dem Systemdruck genutzt werden kann, um die Bewegung des Steuerkolbens 8 zu
beschleunigen.
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Anstelle
des als nach innen öffnendem I-Ventil
ausgebildeten Steuerventils 18, wie es in 2 dargestellt
ist, kann bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
auch ein nach außen öffnendes A-Ventil,
wie es in 1 dargestellt ist, eingesetzt werden.
Ebenso ist es möglich,
bei dem in 1 dargestellten Kraftstoffinjektor
anstelle des als A-Ventil ausgebildeten Steuerventils 18 ein
I-Ventil, wie es in 2 dargestellt ist, einzusetzen.
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Ebenso
wie bei dem in 1 dargestellten Kraftstoffinjektor
ist auch bei dem in 2 dargestellten Kraftstoffinjektor 1 der
Aktorraum 52, in welchem der Aktor 49 aufgenommen
ist, gegen den Niederdruckraum 19 durch ein vorzugsweise
als Dichtmembran 54 ausgebildetes Dichtungselement abgeschlossen,
so dass kein Kraftstoff in den Aktorraum 52 gelangen kann.