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Stand der
Technik
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Aus
EP 0 995 901 A1 ist
ein Kraftstoffinjektor bekannt. Bei diesem Kraftstoffinjektor befindet
sich im Injektorkörper
ein Anschluss, durch welchen unter Systemdruck stehender Kraftstoff
in einen Hohlraum des Kraftstoffinjektors einströmt, in dem ein relativ langbauender
Piezoaktor aufgenommen ist. Der Piezoaktor, der in dem Hohlraum,
in dem Systemdruck herrscht, aufgenommen ist, beaufschlagt einen
Steuerkolben, mit dem der Kraftstoffdruck innerhalb eines Steuerraums
veränderbar
ist.
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Aus
DE 10 2004 028 522.5
A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit variabler Aktorhubübersetzung
bekannt. Gemäß dieser
Lösung
verfügt
ein Kraftstoffinjektor über
ein Einspritzventilglied, welches über einen Aktor direkt betätigt wird,
der direkt auf das Einspritzventilglied wirkt. Das Einspritzventilglied
ist über
ein Federelement in Schließrichtung
beaufschlagt, wobei im Kraftstoffinjektor ein hydraulischer Kopplungsraum
ausgebildet ist. Der hydraulische Kopplungsraum verbindet einen Übersetzerkolben und
das Einspritzventilglied hydraulisch miteinander. Am Einspritzventilglied
stützt
sich ein hülsenförmiger Körper ab,
der mit einer eine Zwischenhubstellung des Einspritzventilgliedes
bildenden Kante zusammenwirkt.
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Von
Nachteil bei den Lösungen
gemäß des Standes
der Technik, der
EP
0 995 901 A1 und der
DE 10 2004 028 522.5 A1 ist der Umstand,
dass in beiden Fällen
der das Einspritzventilglied betätigende
Aktor in einem Hohlraum aufgenommen ist, der von unter hohem Druck
stehendem Kraftstoff beaufschlagt ist. Ferner ergeben sich aufgrund
der hohen Baulängen
der in beiden Lösungen
eingesetzten Piezoaktoren konsequenterweise relativ große Abmessungen
der dargestellten Kraftstoffinjektoren. Im Zylinderkopfbereich von
der zylindrigen selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine steht jedoch zunehmend weniger Bauraum
zur Verfügung,
weshalb eine kompakte Bauweise von im Zylinderkopfbereich eingesetzten
Kraftstoffinjektoren angestrebt wird.
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Offenbarung
der Erfindung
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Ausgehend
von den Nachteilen des Standes der Technik wird vorgeschlagen, einen
Kraftstoffinjektor hinsichtlich seiner Baugröße zu optimieren. Erfindungsgemäß wird ein
Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der eine direkte Steuerung des
bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes ermöglicht, der jedoch mit einem
magnetischen Steller, bevorzugt in Gestalt eines Magnetventils,
angesteuert wird. Da der zwar kleiner bauende magnetische Steller
relativ langsam schaltet, wird vorgeschlagen, die sich bei Einsatz
eines magnetischen Stellers ergebenden relativ langen Öffnungs-
und Schließzyklen
in Bezug auf das Einspritzventilglied durch einen zusätzlichen
Bypass, der ein Schaltventil umgeht, zu verkürzen. Das Schaltventil, welches
unmittelbar durch den magnetischen Steller betätigt wird, dient als Servoventil
und kann über
den zusätzlichen
Bypass befüllt
werden. Aufgrund dieses Umstandes steuert das als Servoventil dienende
Schaltventil nur einen Teilstrom des Steuerraums.
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Durch
den eingesetzten magnetischen Steller kann im Vergleich zu den längerbauenden
Piezoaktoren gemäß der Lösungen aus
EP 0 995 901 A1 und
DE 10 2004 028 522
A1 ein kompakter bauender Kraftstoffinjektor erreicht werden.
Der magnetische Steller ist darüber
hinaus im niederdruckseitigen Bereich des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors angeordnet und wird demnach von Kraftstoff umströmt. Dieser
Kraftstoff hat jedoch ein erheblich niedrigeres Druckniveau verglichen
mit dem Systemdruck. Die dem magnetischen Steller innewohnenden
geringeren Schaltzeiten werden durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Bypass verkürzt, über welchen
erreicht wird, dass das als Servoventil dienende Schaltventil nur
einen Teilstrom des aus dem das Einspritzventilglied beaufschlagenden
Steuerraum abströmt.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt einen Schnitt durch einen Kraftstoffinjektor,
welcher einen magnetischen Steller aufweist und zwischen dessen
Steuerraum zur Betätigung
des Einspritzventilgliedes und dem Hochdruckzulauf ein zusätzlicher
Bypass verläuft.
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Ausführungsvarianten
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Der
Zeichnung ist ein Kraftstoffinjektor 10 zu entnehmen, der
einen Injektorkörper 12 aufweist,
an dem seitlich ein Hochdruck-Anschluss 14 ausgebildet
ist. Am Hochdruck-Anschluss 14 wird
eine Versorgungsleitung für
den Kraftstoffinjektor 10 angeschlossen, die diesen mit
einem in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicher (Common-Rail) eines Hochdruckspeichereinspritzsystems verbindet.
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Der
Kraftstoffinjektor 10 umfasst einen magnetischen Steller 16,
der insbesondere als ein Magnetventil ausgebildet ist. Der magnetische
Steller 16 umfasst eine Magnetspule 18, der gegenüberliegend im
Kraftstoffinjektor 10 eine Ankerplatte 20 angeordnet
ist. Die Ankerplatte 20 ist über eine Schließfeder 22 beaufschlagt.
Die Schließfeder 22 stützt sich
einerseits an der Oberseite der Ankerplatte 20 und andererseits
an der Innenseite eines Deckels 30 ab. Der Deckel 30 wird
mittels einer Überwurfmutter 24 am
Gehäuse
des Kraftstoffinjektors 10 befestigt. Der Deckel 30 weist
einen niederdruckseitigen Ablauf 28 auf, über den
abgesteuerte Steuermengen dem Niederdruckbereich des Hochdruckspeichereinspritzsystems
zugeführt
werden. Durch den Deckel 30 verlaufen daneben elektrische
Anschlüsse 26 zur
Magnetspule 18 des magnetischen Stellers 16.
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Die
Ankerplatte 20 stellt einen Teil eines Schaltventils 34 dar,
welches als Servoventil dient. Die Ankerplatte 20 und der
sich an diese anschließende
Steuerteil des Schaltventils 34 sind von einem Durchgangskanal 32 durchzogen.
Der Durchgangskanal 32 verbindet einen Absteuerraum 38 im
Kraftstoffinjektor 10 mit einem Hohlraum oberhalb des magnetischen
Stellers 16, in dem die Schließfeder 22 aufgenommen
ist. Der Steuerteil des Schaltventils 34 weist einen Ventilsitz 36 auf,
der im Kraftstoffinjektor 10 unterhalb einer Mündung 42 eines
Ablaufkanals 40 liegt.
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Ein
zusätzlicher
Bypass 44 verläuft
im Injektorkörper
des Kraftstoffinjektors 10 zwischen dem Ablaufkanal 40 und
dem unter Systemdruck stehenden Hochdruckkanal des Hochdruckanschlusses 14. Der
Hochdruckkanal des Hochdruckanschlusses 14 mündet in
einen Hohlraum 72. Der zusätzliche Bypass 44 zweigt
vom Hochdruckkanal im Bereich einer Planfläche 64 des Injektorkörpers 12 ab.
Im zusätzlichen
Bypass 44 ist eine Bypassdrossel 45 aufgenommen.
Die Mündungsstelle
des zusätzlichen
Bypasses 44 im Injektorkörper 12 des Kraftstoffinjektors 10 liegt
stromauf einer im Ablaufkanal 40 angeordneten Ablaufdrossel 46.
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Im
Hohlraum 72, der nach außen durch einen Ring 74 begrenzt
wird, ist ein Steuerkörper 50 aufgenommen,
der in der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsvariante kolben förmig ausgebildet
ist. Der Steuerkörper 50 weist
eine erste Stirnseite 54 sowie eine gegenüberliegende
zweite Stirnseite 56 auf. Am Außenumfang des Steuerkörpers 50 sind eine
erste Steuerraumhülse 58 sowie
eine zweite Steuerraumhülse 68 aufgenommen.
Die erste Steuerraumhülse 58 ist
mit ihrer ersten Beißkante 62 an die
Unterseite der Planfläche 64 des
Injektorkörpers 12 angestellt.
Die zweite Steuerraumhülse 68 ist
mit ihrer zweiten Beißkante 70 an
die Oberseite einer Dämpferscheibe 78 des
Kraftstoffinjektors 10 angestellt. Die erste Steuerraumhülse 58 und
die zweite Steuerraumhülse 68 werden
durch ein zwischen diesen angeordnetes Federelement 69 beaufschlagt und
an die Planseite 64 beziehungsweise die Dämpferscheibe 78 angestellt.
Die erste Steuerraumhülse 58 definiert
zusammen mit der ersten Stirnseite 54 und der Planfläche 64 des
Injektorkörpers 12 einen ersten
Steuerraum 48. Der erste Steuerraum 48 ist über die
Ablaufdrossel 46 des Ablaufkanals 40 druckentlastbar.
Unter Systemdruck stehender Kraftstoff strömt dem ersten Steuerraum 48 andererseits
vom Hohlraum 72 über
eine Zulaufdrossel 52 zu, die in einem im Steuerkörper 50 ausgebildeten
Zulaufkanal ausgeführt
ist.
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Die
zweite Steuerraumhülse 68 definiert
zusammen mit der zweiten Stirnseite 56 und der Oberseite
der Dämpferscheibe 78 einen
zweiten Steuerraum 66. Der erste Steuerraum 48 und
der zweite Steuerraum 66 werden jeweils über die
Führungen der
Steuerraumhülsen 58, 66 am
Steuerkörper 50 befüllt.
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In
der Dämpferscheibe 78,
die sich am Kraftstoffinjektor 10 zwischen dem Ring 74 und
einem Düsenkörper 82 befindet,
verläuft
eine Dämpferbohrung 80,
welche den zweiten Steuerraum 66 hydraulisch mit einem
dritten Steuerraum 84 verbindet. Der dritte Steuerraum 84 wird
durch eine am Einspritzventilglied 90 aufgenommene dritte
Steuerraumhülse 86 begrenzt,
die mit einer dritten Beißkante 88 an
die Unterseite der Dämpferscheibe 78 des
Kraftstoffinjektors 10 angestellt ist.
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Die
dritte Steuerraumhülse 86 ist
durch ein Federelement 96 beaufschlagt, welches sich an
einem Stützring 98 abstützt, der
auf dem Einspritzventilglied 90, welches bevorzugt nadelförmig ausgebildet
ist, angeordnet ist. Das Einspritzventilglied 90, das Federelement 96,
die dritte Steuerraumhülse 86 und
der Stützring 98 sind
innerhalb des Düsenkörpers 82 aufgenommen.
Der Düsenkörper 82 ist über mindestens
eine Bohrung mit dem Hohlraum 72 hydraulisch verbunden.
Der zweite Steuerraum 66 und der dritte Steuerraum 84 stehen über die
in der Dämpferscheibe 78 angeordnete
Dämpferbohrung 80 hydraulisch
miteinander in Verbindung.
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Der
dritte Steuerraum 84 wird durch die Unterseite der Dämpferscheibe 78,
eine Stirnseite 92 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 90 sowie
durch die In nenseite der dritten Steuerraumhülse 86 definiert.
Am bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilglied 90 verlaufen Strömungskanäle 100,
die z. B. in Form von Anschliffen ausgebildet sein können. Über die
Strömungskanäle 100,
von denen am bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilglied 90 mindestens einer
ausgeführt
ist, strömt
unter Systemdruck stehender Kraftstoff vom Hochdruckkanal des Hochdruckanschlusses 14 über den
Hohlraum 72, die Dämpferscheibe 78 dem
Düsenkörper 82 und
durch diesen entlang eines Ringspaltes 104 über die
Strömungskanäle 100 einer
Spitze 108 des Einspritzventilgliedes 90 zu. Das
Einspritzventilglied 90 ist gemäß der Zeichnung in seinen Sitz 102 gestellt
und verschließt
mindestens eine Einspritzöffnung 106, über welche
beim Öffnen
des Einspritzventilgliedes 90 Kraftstoff in den in der
Zeichnung nicht dargestellten Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
eingespritzt wird.
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In
der Darstellung gemäß der Zeichnung
ist der Steuerkörper 50 an
der oberen Stirnseite 54 in einem zweiten Durchmesser 77 ausgebildet
und an der zweiten Stirnseite 56 in einem ersten Durchmesser 76 ausgeführt. Diese
Durchmesser 76 beziehungsweise 77 könnten auch
dahingehend variiert werden, dass am Steuerkörper 50 des Kraftstoffinjektors 10 eine
Druckstufe ausgeführt
wird. In diesem Falle übersteigt
der zweite Durchmesser 77 den ersten Durchmesser 76 an
der zweiten Stirnseite 56 des Steuerkörpers 50. Eine derart
ausgebildete Druckstufe liegt innerhalb des Hohlraums 72,
der durch den Systemdruck beaufschlagt ist. Demgegenüber ist
mit Bezugszeichen 94 der Durchmesser des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 90 bezeichnet. Durch das Durchmesserverhältnis zwischen
dem ersten Durchmesser 76 im Bereich der zweiten Stirnseite 56 des
Steuerkörpers 50 und
dem Durchmesser 94 am Kopf des Einspritzventilgliedes 90 wird
das hydraulische Übersetzungsverhältnis zwischen
dem Steuerkörper 50 und
dem bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilglied 90 definiert.
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Die
Funktionsweise des dargestellten Kraftstoffinjektors 10 stellt
sich wie folgt dar:
Ausgehend vom Schließzustand des Kraftstoffinjektors 10,
in dem eine Einspritzung von unter Systemdruck stehendem Kraftstoff
in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine über die geschlossenen Einspritzöffnungen 106 verhindert
wird, steht über den
Hochdruckanschluss 14 im Hohlraum 72 und über die
Dämpferscheibe 78 stets
unter Systemdruck stehender Kraftstoff am Einspritzventilglied 90,
insbesondere im Bereich von dessen Sitz 102, an. Im Schließzustand
des Kraftstoffinjektors ist die Ankerplatte 20 durch die
Schließfeder 22 beaufschlagt. Das
Steuerteil des Schaltventils 34 ist in den Ventilsitz 36 gestellt
und somit verschlossen. Die Magnetspule 18 des magnetischen
Stellers 16 ist nicht bestromt. Über den Hochdruckanschluss 14 steht
Systemdruck im Hohlraum 72 an, und über die Zulaufdrossel 52 wird
der erste Steuerraum 48 mit unter Systemdruck stehen dem
Kraftstoff beaufschlagt. Da vom Hochdruckkanal des Hochdruckanschlusses 14 über den
zusätzlichen
Bypass 44 im Ablaufkanal 40 ebenfalls Systemdruck
ansteht, ist der erste Steuerraum 48 darüber hinaus
auch über
die nunmehr als Zulaufdrossel dienende Ablaufdrossel 46 des
Ablaufkanals 40 mit Systemdruck beaufschlagt. Da der Ventilsitz 36 geschlossen
ist, ist der Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 10 gegen
den Systemdruck abgedichtet. Da im ersten Steuerraum 48 Systemdruck
anliegt, ist auch das im zweiten Steuerraum 66 aufgenommene
Kraftstoffvolumen komprimiert. Über
die Dämpfungsbohrung 80 in
der Dämpferscheibe 78 steht
der im zweiten Steuerraum 66 erzeugte Druck auch im dritten
Steuerraum 84 an und beaufschlagt die Stirnseite 92 des
bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 90. Dieses kurzbauende
Einspritzventilglied 90 ist daher in seinen Sitz 102 gestellt
und verschließt
die brennraumseitigen Einspritzöffnungen 106,
so dass kein Kraftstoff in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
gelangt.
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Beim Öffnen des
Kraftstoffinjektors 10 wird die Magnetspule 18 des
magnetischen Stellers 16 bestromt und der mit der Ankerplatte 20 verbundene Steuerteil
des Schaltventils 34 aus dem Ventilsitz 36 gezogen.
Dadurch wird die Mündung 42 des
Ablaufkanals 40 freigegeben und der erste Steuerraum 48 über die
Ablaufdrossel 46 des Ablaufkanals 40 in den Absteuerraum 38 druckentlastet.
Vom Absteuerraum 38 strömt
Kraftstoff durch den Durchgangskanal 32 in den Niederdruckbereich
des Kraftstoffinjektors 10 beziehungsweise des Hochdruckspeichereinspritzsystems
ab.
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In
Bezug auf die Ablaufdrossel 46 zur Druckentlastung des
ersten Steuerraumes 48 liegt der zusätzliche Bypass 44 hinter
der Ablaufdrossel 46. Bei der Druckentlastung des ersten
Steuerraumes 48 kavitiert die aus dem ersten Steuerraum 48 abgesteuerte
Steuermenge. In Bezug auf die kavitierende Strömung wirkt der zusätzliche
Bypass 44 als Strömungsbeschleuniger
für die
kavitierende Strömung.
Dies bewirkt eine schnelle Druckentlastung des ersten Steuerraumes 48,
wodurch auch der zweite Steuerraum 66 und der mit diesem über die
Dämpferbohrung 80 verbundene
dritte Steuerraum 84, durch den das bevorzugt nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied 90 beaufschlagt ist, schnell druckentlastet werden.
Dies führt
zu einem schnellen Schließen
des Einspritzventilgliedes 90. Die Strömungsbeschleunigungsfunktion
des zusätzlichen
Bypasses 44 zur Beschleunigung der bei Druckentlastung
des ersten Steuerraums 48 über die Ablaufdrossel 46 abströmenden Steuermenge
wird verbessert, wenn der Öffnungsquerschnitt
des Schaltventiles 34 größer als die Summe des Querschnittes
der Ablaufdrossel 46 und der im zusätzlichen Bypass 44 aufgenommenen Bypassdrossel 45 ist.
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Fällt der
Druck im ersten Steuerraum 48 durch Öffnen des Schaltventiles 34 ab,
so fährt
der Steuerkörper 50 in
vertikale Richtung nach oben auf, wodurch der Druck im zweiten Steuerraum 66 ebenfalls
absinkt. Da der zweite Steuerraum 66 und der dritte Steuerraum 84 über die
Dämpferbohrung 80 in der
Dämpferscheibe 78 hydraulisch
miteinander verbunden sind, sinkt auch der Druck im dritten Steuerraum 84,
und das nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 90 fährt in vertikale Richtung nach oben
auf und verlässt
seinen Sitz 102. Dadurch strömt unter Systemdruck stehender
Kraftstoff vom Hohlraum des Düsenkörpers 82 über den
mindestens einen am bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglied 90 ausgebildeten
Strömungskanal 100 dem
nunmehr offenstehenden Sitz 102 des Einspritzventilgliedes 90 zu
und wird über
die mindestens eine Einspritzöffnung 106 in
den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
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Beim
Schließvorgang
des Einspritzventilgliedes 90 wird der an sich langsam
schaltende magnetische Steller 16 durch den zusätzlichen
Bypass 44 dahingehend unterstützt, dass der Kraftstoffinjektor 10 sowohl
schnell schließt
als auch schnell öffnet. Wird
beim Schließen
des Einspritzventilgliedes 90 die Bestromung der Magnetspule 18 aufgehoben,
so wird der Ventilsitz 36 des Schaltventiles 34,
das als Servoventil dient, geschlossen. Dadurch wird der Systemdruck
vom Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors 10 getrennt,
und das im Steuerraum 38 enthaltene Steuermengenvolumen
strömt über den Durchgangskanal 32 dem
niederdruckseitigen Ablauf 28 zu. Da der zusätzliche
Bypass 44 mit integrierter Bypassdrossel 45 in
den Ablaufkanal 40 mündet, wird
dieser in Gegenrichtung durchströmt,
wobei die Ablaufdrossel 46 als Zulaufdrossel fungiert.
Der erste Steuerraum 48 wird beim Schließen des
Einspritzventilgliedes 90 demnach einerseits über die
Zulaufdrossel 52, die mit dem Hohlraum 72 hydraulisch
verbunden ist, in dem Systemdruck herrscht, und über die beim Schließen als
Zulaufdrossel dienende Ablaufdrossel 46 des Ablaufkanals 40 mit
Systemdruck befüllt,
so dass ein rascher Druckanstieg im ersten Steuerraum 48 erreicht
wird. Steigt der Druck im ersten Steuerraum 48, so nimmt
demzufolge auch der Druck im zweiten Steuerraum 66 zu.
Da der zweite Steuerraum 66 und der dritte Steuerraum 84,
der die Stirnseite 92 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 90 beaufschlagt, über die Dämpferbohrung 80 hydraulisch
miteinander in Verbindung stehen, steigt auch der Druck im dritten Steuerraum 84,
und das Einspritzventilglied 90 wird in seinen Sitz 102 gestellt.
Damit sind die am brennraumseitigen Ende des Düsenkörpers 82 ausgebildeten
Einspritzöffnungen 106 wieder
geschlossen, und die Einspritzung von unter Systemdruck stehendem Kraftstoff
in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine ist beendet.
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Da
der dritte Steuerraum 84 über die Dämpferbohrung 80 in
der Dämpferscheibe 78 hydraulisch mit
dem zweiten Steuerraum 66 in Verbindung steht und der kurzbauende
Steuerkörper 50 als
Druckübersetzer
fungiert, steigt beim Schließen
des Einspritzventilgliedes 90 der Druck im dritten Steuerraum 84 über den
Systemdruck an, so dass ein schnelles Schlie ßen des Einspritzventilgliedes 90 gewährleistet
ist. Wie oben bereits erwähnt,
können
die Durchmesser 76, 77 am Steuerkörper 50 im
Bereich der ersten Stirnseite 54 und im Bereich der zweiten Stirnseite 56 auch
so gewählt
werden, dass am Steuerkörper 50 eine
Druckstufe entsteht. Der Steuerkörper 50 kann,
da ein schneller Druckaufbau und eine schnelle Druckentlastung des
ersten Steuerraums 48 über
den zusätzlichen
Bypass 44 gewährleistet
ist, sehr kurz bauen. Dadurch verringert sich insgesamt die Bauhöhe des Kraftstoffinjektors 10 im
Vergleich zu einem Kraftstoffinjektor 10, in welchem ein
eine hohe Baugröße aufweisender
Piezoaktor angeordnet ist. Neben der Beschleunigungswirkung des
zusätzlichen
Bypasses 44 wird durch diesen die Sensitivität des Schaltventiles 34 verbessert,
da dauernd ein konstanter Bypassstrom vorhanden ist, der das Schaltventil 34 im
Durchfluss bezogen auf den die Ablaufdrossel 46 durchströmenden Strömungsanteil belegt.