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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor zur Einspritzung von Kraftstoff
unter hohem Druck direkt in den Brennraum von selbstzündenden
Brennkraftmaschinen.
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Zur
Einbringung von Kraftstoffdirekt in den Brennraum von selbstzündenden
Brennkraftmaschinen werden insbesondere bei Personenkraftwagen zurzeit
vermehrt sogenannte Common-Rail-Systeme eingesetzt. Der Druck wird
hierbei zentral von einer Hochdruckpumpe erzeugt und in einem Hochdruckspeicher,
dem so genannten Rail, zwischengelagert. Von dort wird der verdichtete
Kraftstoff über
Injektoren in die verschiedenen Brennräume der Brennkraftmaschine
eingespritzt. Einer der Vorteile dabei ist, dass der Einspritzdruck,
also der Kraftstoffdruck, den die Hochdruckpumpe im Rail erzeugt,
an Last und Drehzahl der Brennkraftmaschine angepasst werden kann.
Damit wird ein erhöhter
Energiebedarf durch die Verdichtung von nicht benötigtem Kraftstoffvermindert.
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Um
möglichst
kurze Schaltzeiten zu erreichen, das heißt, um die Düsennadel,
die die eigentlichen Einspritzöffnungen
freigibt oder verschließt, möglichst
rasch bewegen zu können,
wird das Steuerventil bei Injektoren häufig nahe der Düsennadel angeordnet,
so dass die hydraulischen Verbindungen entsprechend kurz sind. Der
Hochdruckkanal, über den
der verdichtete Kraftstoffaus dem Rail zu den Einspritzöffnungen
geleitet wird, muss folglich an dem Steuerventil vorbeigeleitet
werden, was bezüglich
der im wesentlichen zylindrischen Gestalt des Injektors eine Exzentrizität der Hochdruckleitung
bedingt und damit entsprechende bauliche Maßnahmen erfordert. Da im Zulaufkanal
ein sehr hoher Druck herrscht, der je nach Einspritzsystem 1500
bis 2000 bar (150 – 200
MPa) betragen kann, darf die Wandstärke gewisse Größen nicht
unterschreiten. Dies setzt der weiteren Verschlankung der Injektoren enge
Grenzen.
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Die
mittige Zuführung
von Kraftstoff in einem Einspritzventil ist beispielsweise aus der
Offenlegungsschrift
DE
199 59 304 A1 bekannt. Das hier gezeigte Kraftstoffeinspritzventil
wird mit einer sogenannten Verteilerpumpe verwendet. Diese Verteilerpumpen
stellen keinen konstanten Einspritzdruck zur Verfügung, sondern
erzeugen für
jede Einspritzung einen gesonderten Kraftstoffstoß, der dem
einzelnen Einspritzventil zugeleitet wird und der die Düsennadel
dann entgegen der Kraft einer Schließfeder öffnet. Das in der
DE 199 59 304 A1 gezeigte
Kraftstoffeinspritzventil weist einen zentralen Kraftstoffzulauf, auf,
der im Wesentlichen die Form eines Rohres hat und auf dessen brennraumseitigem
Ende die Düsennadel
geführt
ist. Durch die mittige Führung
des Kraftstoffs kann das Einspritzventil schlank gestaltet werden
und nimmt im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine entsprechend wenig
Platz weg.
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Eine ähnliche
Konstruktion ist aus der Offenlegungsschrift
DE 32 29 828 A1 bekannt.
Auch hier handelt es sich um ein Kraftstoffeinspritzventil, das zusammen
mit einer Verteilerpumpe benutzt wird. Im Unterschied zu dem oben
genannten, aus dem Stand der Technik bekannten, Kraftstoffeinspritzventil
bewegt sich hier die Düsennadel
synchron mit dem röhrenförmigen Körper, über den
der verdichtete Kraftstoff eingeleitet wird. Die Zuführung des
Kraftstoffs erfolgt über
eine Schieberdichtung, die am brennraumabgewandten Ende zwischen
dem Zulaufrohr und einem speziell eingepassten Körper sichergestellt wird.
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Die
bekannten Kraftstoffeinspritzventile sind jedoch für Common-Rail-Systeme
nicht anwendbar, da sie kein Steuerventil aufweisen, mit dem die Schließkraft auf
die Düsennadel
reguliert werden kann. Andererseits lässt sich bei den bekannten
Injektoren, die in Common-Rail-Systemen verwendet werden, eine weitere
Verschlankung nur unter großen
Schwierigkeiten erreichen, da das Material, in dem die Zulaufkanäle, die
den Kraftstoff am Steuerventil vorbeileiten, ausgebildet sind, einer
noch höheren
Belastung in der Regel nicht standhalten können, ohne dass es zu Schäden am Injektor
kommt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Injektor
weist demgegenüber
den Vorteil auf, dass er sehr schlank ausgebildet werden kann und
damit nur wenig Bauraum benötigt
und dabei die volle Funktionsfähigkeit
eines Common-Rail-Injektors aufweist. Hierzu ist im Injektorkörper ein
Hochdruckzulaufrohr angeordnet, das verdichteten Kraftstoff dem
Steuerraum zuleitet, wobei das Steuerventilglied auf dem Hochdruckzulaufrohr
gleitverschiebbar gelagert ist. Durch diese Anordnung des Steuerventilglieds
lässt sich
ein sehr kompaktes Steuerventil konstruieren, wobei der Kraftstoff
quasi durch das Steuerventil hindurchgeleitet wird, was eine sehr
schlanke und damit kompakte Bauweise des Injektors erlaubt. Darüber hinaus
ergeben sich Kostenvorteile daraus, dass der Haltekörper, an
dem die Einspritzdüse
befestigt ist, nicht mehr dem Kraftstoffdruck ausgesetzt ist und
deshalb aus einem günstigeren
Material gefertigt werden kann; unter Umständen ist sogar eine Fertigung
aus einem kostengünstigen
Kunststoff möglich.
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Durch
die abhängigen
Ansprüche
sind vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung
möglich.
In vorteilhafter Weise verläuft
das Hochdruckzulaufrohr mittig im Injektorkörper, so dass es im Wesentlichen
fluchtend mit der Düsennadel
angeordnet ist. Diese Anordnung birgt eine hohe Symmetrie, was die
Verwendung vieler rotationssymmetrischer Bauteile ermöglicht und
die Herstellung entsprechend günstig
macht.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung mündet das Hochdruckzulaufrohr
an seinem auslaufseitigen Ende in einen im Injektorkörper ausgebildeten
Verteilerraum, von dem die Zulaufdrossel, die den Steuerraum mit
Kraftstoffhochdruck versorgt, und ein Zulaufkanal abzweigen, wobei
der Zulaufkanal die Einspritzöffnungen
mit Kraftstoffversorgt. Der Verteilerraum bietet eine große Freiheit
bei der Anordnung der Kraftstoffkanäle innerhalb des Injektors, so
dass er leichter an verschiedene Anforderungen angepasst werden
kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Steuerventilglied
im Wesentlichen hülsenförmig ausgebildet
und umgibt das Hochdruckzulaufrohr. Durch diese Anordnung des Steuerventilglieds ist
eine exakte Führung
bei minimalem Raumbedarf möglich.
Hierbei wirkt das Steuerventilglied vorzugsweise mit einem Ventilsitz
zusammen, der das Hochdruckzulaufrohr umgibt, so dass ein Ringraum,
der das Hochdruckzulaufrohr ebenfalls umgibt, durch die Bewegung
des Steuerventilglieds mit einem Leckölraum im Injektor verbindbar
ist. In vorteilhafter Weise ist der Aktor, der das Steuerventilglied
bewegt, ein Elektromagnet, der ebenfalls um das Hochdruckzulaufrohr
herum angeordnet sein kann, so dass sich auch eine hohe Symmetrie
ergibt.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Injektors dargestellt.
Es zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Injektors,
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel ebenfalls
im Längsschnitt,
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3 in
vergrößerter Darstellung
ein weiteres Ausführungsbeispiel,
das ebenfalls im Längsschnitt
dargestellt ist und
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4 nochmals
den gesamten Injektor – abgesehen
von der brennraumseitigen Spitze der Düse – mit den entsprechenden Kraftstoffanschlüssen
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Injektors
im Längsschnitt dargestellt.
Der Injektor weist einen Injektorkörper 1 auf, der einen
Haltekörper 2,
einen Drosselkörper 4 und
einen Düsenkörper 5 umfasst.
Der Düsenkörper 5 wird
unter Zwischenlage der Drosselscheibe 4 mittels einer Spannmutter 7 gegen
den Haltekörper 2 verspannt,
so dass alle Teile des Injektorkörpers 1 fest
gegeneinander gepresst werden und ortsfest zueinander sind.
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Im
Düsenkörper 5 ist
eine Bohrung 9 ausgebildet, die brennraumseitig von einem
konischen Ventilsitz 13 begrenzt wird. Vom Ventilsitz 13 gehen mehrere
Einspritzöffnungen 12 aus,
durch die der Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
eingespritzt werden kann. In der Bohrung 9 ist eine kolbenförmige Düsennadel 10 längsverschiebbar
angeordnet, die in einem mittleren Abschnitt in der Bohrung 9 geführt ist.
Zwischen der Düsennadel 10 und
der Wand der Bohrung 9 ist ein Druckraum 11 ausgebildet,
durch den Kraftstoff, der auf hohen Druck verdichtet zugeführt wird,
in Richtung der Einspritzöffnungen 12 fließen kann.
Ist die Düsennadel 10 in
Anlage am Ventilsitz 13, so werden die Einspritzöffnungen 12 verschlossen
und eine Einspritzung findet nicht statt. Soll eine Einspritzung
erfolgen, so hebt die Düsennadel 10 vom
Ventilsitz 13 ab und gibt die Einspritzöffnungen 12 frei.
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Zur
Steuerung der Längsbewegung
der Düsennadel 10 dient
der Druck in einem Steuerraum 16, der von der ventilsitzabgewandten
Stirnseite der Düsennadel 10,
einer Hülse 15 und
dem Drosselkörper 4 begrenzt
wird. Die Hülse 15 ist
hierbei auf der Düsennadel 10 geführt, wobei
zwischen der Hülse 15 und
einem Stützring 17,
der auf einer Schulter der Düsennadel 10 aufliegt,
eine Schließfeder 14 unter Druckvorspannung
angeordnet ist. Durch die Schließfeder 14 wird einerseits
die Hülse 15 gegen den
Drosselkörper 4 gedrückt, und
andererseits erfährt
die Düsennadel 10 eine
Kraft in Richtung des Ventilsitzes 13, so dass die Düsennadel 10 beim
Fehlen weiterer Kräfte
auf den Ventilsitz 13 gedrückt wird und die Einspritzöffnungen 12 verschließt.
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Zur
Zuführung
von Kraftstoff, der von einer Pumpe auf hohen Druck verdichtet wurde,
dient ein im Haltekörper 2 und
im Drosselkörper 4 angeordnetes
Hochdruckzulaufrohr 25. Das düsenseitige Ende des Hochdruckzulaufrohrs 25 ist
hierbei in einer Bohrung 21 dichtend geführt, die
im Drosselkörper 4 ausgebildet
ist. Am Grund der Bohrung 21 ist ein Verteilerraum 23 ausgebildet,
von dem einerseits eine Zulaufdrossel 22 in den Steuerraum 16 führt und
andererseits ein Zulaufkanal 20 in den Druckraum 11.
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Im
Drosselkörper 4 ist
darüber
hinaus eine Ablaufdrossel 24 ausgebildet, die den Steuerraum 16 mit
einem Ringraum 27 verbindet, der im Drosselkörper 4 ausgebildet
ist und der das Hochdruckzulaufrohr 25 umgibt. Der Ringraum 27 reicht
dabei bis in einen Leckölraum 32,
der den düsenabgewandten Teil
des Drosselkörpers 4 begrenzt
und sich im Haltekörper 2 fortsetzt.
Im Leckölraum 32 ist über eine entsprechende
Verbindung mit einem Leckölanschluss
stets ein niedriger Kraftstoffdruck vorhanden, der im Wesentlichen
Umgebungsdruck entspricht. Da das Hochdruckzulaufrohr 25 in
der Bohrung 21 dichtend geführt ist, sind unterschiedliche
Drücke
im Verteilerraum 23 und im Ringraum 27 möglich.
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Die
Verbindung zwischen dem Ringraum 27 und dem Leckölraum 32 wird
mit einem Steuerventil 8 gesteuert, das ein Steuerventilglied 30 umfasst. Das
Steuerventilglied 30 wirkt dabei mit einem Steuerventilsitz 29 zusammen,
der im Drosselkörper 4 ausgebildet
ist. Das Steuerventilglied 30 weist die Form eines Magnetankers
auf und geht dem Drosselköper 4 abgewandt
in einen Hülsenfortsatz 130 über. Der
Hülsenfortsatz 130 ist
hierbei auf dem Hochdruckzulaufrohr 25 dichtend geführt, so
dass das Steuerventilglied 30 auf dem Hochdruckzulaufrohr 25 gleitverschiebbar
ist und eine ausreichende Abdichtung zwischen dem Ringraum 27 und
dem Leckölraum 32 gewährleistet
ist. Die Bewegung des Steuerventilglieds 30 wird einerseits
durch eine Feder 37 bewirkt, die unter Druckverspannung
im Haltekörper 2 angeordnet
ist und die sich am düsenabgewandten Ende
des Hülsenfortsatzes 130 abstützt und
so das Steuerventilglied 30 gegen den Steuerventilsitz 29 drückt. Andererseits
kann das Steuerventilglied 30 durch einen Aktor 33 bewegt
werden, der hier als Elektromagnet 33 ausgebildet und der
im Haltekörper 2 angeordnet
ist. Der Elektromagnet 33 wird dabei durch ein Federelement 35,
das im Haltekörper 2 angeordnet
ist, in Richtung des Drosselkörpers 4 gedrückt, so
dass der Elektromagnet 33 ortsfest im Haltekörper 2 fixiert
wird.
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Die
Funktionsweise des Injektors ist wie folgt: Über das Hochdruckzulaufrohr 25 wird
Kraftstoff, der auf hohen Druck verdichtet wurde, in den Verteilerraum 23 geleitet.
Von dort setzt sich der Druck über
die Zulaufdrossel 22 in den Steuerraum 16 fort,
was dort denselben Kraftstoffdruck bewirkt wie im Verteilerraum 23. Über den
Zulaufkanal 20 setzt sich der Druck auch in den Druckraum 11 fort, so
dass dort Einspritzdruck anliegt. Das Steuerventilglied 30 wird
durch die Feder 37 gegen den Steuerventilsitz 29 gedrückt und
verschließt
den Ringraum 27 gegen den Leckölraum 32, wobei durch
die Ablaufdrossel 24 auch im Ringraum 27 derselbe
Kraftstoffdruck wie im Steuerraum 16 herrscht.
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Der
Elektromagnet 33 ist zu Beginn der Einspritzung nicht bestromt.
Soll eine Einspritzung erfolgen, so wird durch den Elektromagnet 33 ein
entsprechender Strom geleitet, so dass dieser ein Magnetfeld aufbaut
und das Steuerventilglied 30 anzieht. Dadurch wird das
Steuerventilglied 30 vom Steuerventilsitz 29 abgehoben
und verbindet den Ringraum 27 mit dem Leckölraum 32. Über die
Ablaufdrossel 24 entspannt sich der im Steuerraum 16 befindliche Kraftstoff,
so dass sich die hydraulische Kraft auf die dem Ventilsitz 13 abgewandte
Stirnseite der Düsennadel 10 vermindert.
Hierbei ist die Ablaufdrossel 24 so bemessen, dass mehr
Kraftstoff über
diese abfließt,
als über
die Zulaufdrossel 22 zufließt. Gleichzeitig bleibt die
hydraulische Kraft, die auf die Düsennadel 10 durch
den Kraftstoffdruck im Druckraum 11 herrscht, konstant,
so dass sich insgesamt eine resultierende Kraft auf die Düsennadel 10 ergibt,
die vom Ventilsitz 13 weggerichtet ist und die Düsennadel 10 vom
Ventilsitz 13 wegdrückt.
Durch die so freigegebenen Einspritzöffnungen 12 wird nun
Kraftstoff unter hohem Druck ausgespritzt. Die Einspritzung wird
wieder beendet durch das Stromlosschalten des Elektromagneten 33,
so dass die Feder 37 das Steuerventilglied 30 zurück in Anlage
an den Steuerventilsitz 29 drückt. Durch den Verschluss des
Ringraums 27 erhöht
sich über
die Zulaufdrossel 22 der Druck im Steuerraum 16 erneut,
so dass die Düsennadel 10 durch
die sich erhöhende
hydraulische Kraft auf die Stirnseite zurück in ihre Schließstellung
gedrückt
wird.
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2 zeigt
ebenfalls im Längsschnitt
einen weiteren erfindungsgemäßen Injektor.
Dieser unterscheidet sich vom Injektor nach 1 durch
die alternative Ausgestaltung des Drosselkörpers 4. Statt des Drosselkörpers 4 sind
bei diesem Ausführungsbeispiel
ein erster Drosselkörper 104 und
ein zweiter Drosselkörper 204 vorgesehen.
Im ersten Drosselkörper 104 ist
die das Hochdruckzulaufrohr 25 aufnehmende Bohrung 21 ausgebildet,
wobei das Hochdruckzulaufrohr 25 hier nicht in einen Verteilerraum 23 mündet, sondern
in eine Ausnehmung 39, die dieselbe Funktion übernimmt
und von der die Zulaufdrossel 22 und der Zulaufkanal 20 ausgehen.
Die Ablaufdrossel 24' ist
sowohl im ersten Drosselkörper 104 als
auch im zweiten Drosselkörper 204 ausgebildet,
so dass der Ringraum 27, der im ersten Drosselkörper 104 ausgebildet
ist, nach wie vor mit dem Steuerraum 16 verbunden ist.
Diese Anordnung der Zu- und Ablaufdrosseln und der Ausnehmung 39 ermöglicht es,
diese mit geringerem Aufwand und damit geringeren Kosten herzustellen,
da insbesondere die Ausnehmung 39 direkt an der Stirnseite
des zweiten Drosselkörpers 204 ausgebildet
ist.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Injektors.
Die Anordnung der Bohrung 21 im Drosselkörper 4 der
Zulaufdrossel 22 und des Zulaufkanals 20 entspricht
der Anordnung wie bei dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel.
Die Ablaufdrossel 24 hat hier jedoch eine andere Ausrichtung.
Statt eines geknickten Verlaufs, wie in 1 gezeigt,
ist die Ablaufdrossel 24'' hier als gerade
Bohrung ausgebildet. Um den Kraftstoff vom Steuerraum 16 zur
Ablaufdrossel 24'' zu bringen,
ist an der dem Düsenkörper 5 zugewandten
Stirnfläche des
Drosselkörpers 4' eine Ausnehmung 39' ausgebildet.
In diese Ausnehmung 39' mündet auch
die Zulaufdrossel 22, die vom Verteilerraum 23 ausgeht. Durch
diese gerade Ausbildung der Ablaufdrossel 24'' lässt diese
sich einfacher und damit kostengünstiger
herstellen.
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Ein
weiterer Unterschied zu dem Einspritzventil nach 1 ist
die Ausbildung des Düsenkörpers 5,
der in 3 im Bereich des Steuerraums 16 verschieden
von dem Ausführungsbeispiel
nach 1 ausgebildet ist. Der Steuerraum 16 wird
hier durch die Wand der Bohrung 9 begrenzt, wobei sich im
Steuerraum 16 eine Schließfeder 14' befindet, die zwischen
dem Drosselkörper 4 und
der ventilsitzabgewandten Stirnfläche der Düsennadel 10 unter Druckvorspannung
angeordnet ist. Die Düsennadel 10 ist
mit ihrem ventilsitzabgewandten Endabschnitt in der Bohrung 9 dichtend
geführt,
so dass eine hydraulische Trennung von Druckraum 11 und
Steuerraum 16 erreicht wird. Die sonstige Funktion der
Düsennadel 10 ist
identisch mit dem Ausführungsbeispiel
nach 1.
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4 zeigt
noch einmal in einer Gesamtansicht den Injektor nach 3.
Das Hochdruckzulaufrohr 25 weist an seinem einlaufseitigen
Ende eine Erweiterung auf, in die ein Kraftstofffilter 44 eingesetzt ist.
Das Kraftstofffilter 44 dient dazu, im Kraftstoffvorhandene
Partikel herauszufiltern, um eine Beschädigung im Bereich der Düsennadel 10 oder
des Steuerventils 8 zu verhindern. Um den verdichteten
Kraftstoff in das Hochdruckzulaufrohr 25 einzuführen, ist am
Injektor ein Hochdruckanschluss 42 vorgesehen, der mittels
einer Spannschraube 45 mit dem Injektorkörper 1 verbunden
ist.
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Der
Haltekörper 2 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
als Hülse
ausgebildet, die wesentliche einfacher aufgebaut ist als die aus
dem Stand der Technik bekannten Haltekörper. Der Elektromagnet befindet sich
hier im Kraftfluss der Spannmutter 7, wird also durch die
Verspannung von Haltekörper 2 und
Düsenkörper 5 im
Injektor fixiert, ohne dass weitere Vorrichtungen zum Fixieren des
Elektromagneten dazu nötig
sind.
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Der
Leckölraum 32,
der das Hochdruckzulaufrohr 25 umgibt, kann im Volumen
beschränkt
werden. Hierzu wird in den Haltekörper 2 ein Einsatzkörper 46 eingebracht,
der beispielsweise aus Kunststoff besteht und in dem ein Leckölablauf 40 ausgebildet ist.
Der über
den Leckölablauf 40 abgeführte Kraftstoff
wird über
einen Leckölanschluss 43 einem Rücklaufsystem
zugeführt,
so dass der Kraftstoff letztlich wieder in den Kraftstofftank des
Fahrzeugs zurückgeführt wird.
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Die
Bewegung des Steuerventilglieds 30 erfolgt durch den Elektromagneten 33,
wie oben bereits ausgeführt.
Da durch den Druck im Ringraum 27 keine resultierende hydraulische
Kraft auf das Steuerventilglied 30 ausgeübt wird,
ist dieses insofern kraftausgeglichen, so dass bereits eine relativ
geringe magnetische Kraft ausreicht, das Steuerventilglied 30 zu
bewegen. Die Feder 37 braucht deshalb nur eine geringe
Kraft aufbringen, um die Funktionalität des Steuerventils zu gewährleisten
und kann entsprechend klein ausgebildet werden.
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Alternativ
kann es auch vorgesehen sein, dass statt eines Elektromagneten ein
Piezoaktor eingesetzt wird, um eine Bewegende Kraft auf das Steuerventilglied 30 auszuüben. Wie oben
beschrieben ist das Steuerventilglied 30 druckausgeglichen,
was den Einsatz eines kleinen Piezoaktors erlaubt, da keine großen Kräfte nötig sind.
Auch der Hub des Piezoaktors kann gering sein, da der zwischen dem
Steuerventilglied 30 und dem Steuerventilsitz 29 aufgesteuerte
Querschnitt bereits bei sehr kleinem Hub des Steuerventilglieds 30 ausreichend
groß ist.