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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 gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Zum
Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von direkteinspritzenden
Dieselmotoren, werden vermehrt hubgesteuerte Hochdruckspeichersysteme
(Common-Rail-Systeme) eingesetzt. Bei hubgesteuerten Hochdruckspeichereinspritzsystemen
kann der Einspritzdruck an die Last- und Drehzahl angepasst werden.
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Bei
hubgesteuerten Kraftstoffinjektoren wird das Einspritzventilglied über einen
Servo-Steuerraum
angesteuert. Der Druck im Servo-Steuerraum wird über ein Magnetventil mit kugelförmigem Schließelement
gesteuert. Dieses ist jedoch nicht druckausgeglichen und benötigt hohe
Federkräfte,
hohe Magnetschaltkräfte
und viel Bauraum. Die Steuerung mit dem Kugelmagnetventil weist
starke Einschränkungen
bei der Mehrfacheinspritzung auf. Sehr kurze Abstände zwischen
Einspritzungen können
nicht realisiert werden.
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Bei
einem druckausgeglichenen Ventilkolben des Steuerventils können kleinere
Federkräfte,
kleinere Magnetkräfte,
kleinere Ventilhübe
und somit schnellere Schaltzeiten realisiert werden. Hierdurch kann
die Mehrfacheinspritzungsfähigkeit
verbessert werden. Druckausgeglichene Steuerventile, wie sie aus
dem Stand der Technik bekannt sind, weisen eine hochdruckdichte
Führung
und einen linienförmigen
Dichtsitz auf, der dem Führungsdurchmesser entspricht.
Hierdurch ist das Ventil im statischen Zustand druckausgeglichen.
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Nachteil
der druckausgeglichenen Ventile ist jedoch, dass beim Nadelschließen Schließpreller auftreten
können.
Zudem ist die Belastung auf die linienförmige Sitzkante beim Schließen des
Ventilkolbens sehr groß.
Daher tritt Verschleiß auf,
der die Funktion beeinträchtigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Ein
erfindungsgemäß ausgebildeter
Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Injektorgehäuse, in
dem ein Steuerventil zur Ansteuerung eines Einspritzventilglieds,
das mindestens eine Einspritzöffnung
freigibt oder verschließt,
aufgenommen ist. Das Steuerventil umfasst einen Ventilkolben, durch
welchen eine Verbindung aus einem Steuerraum in einen Niederdruckbereich
freigebbar oder verschließbar
ist. Der Ventilkolben umfasst eine im Wesentlichen ringförmige Sitzfläche, die
in einen Flachsitz stellbar ist. Das Steuerventil ist so ausgebildet,
dass es druckausgeglichen ist.
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Bei
einem druckausgeglichenen Steuerventil sind auf der Hochdruckseite
außerhalb
der Sitzfläche keine
oder nur sehr kleine Druckflächen
vorhanden. Hierzu wird der Ventilkolben auf der Hochdruckseite in
einer Ventilführung
geführt.
Der Sitzdurchmesser der Sitzfläche,
an der der Hochdruck ansteht, entspricht zudem ungefähr dem Führungsdurchmesser.
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„Im Wesentlichen
ringförmige
Sitzfläche" im Sinne der vorliegenden
Erfindung bedeutet, dass die Sitzfläche ringförmig ausgebildet sein kann.
Weiterhin ist es möglich,
dass die Sitzfläche
nicht exakt ringförmig
ist. So kann die Sitzfläche
zum Beispiel kleine Anschliffe aufweisen.
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In
einer Ausführungsform
ist am Ventilkolben eine Schulter ausgebildet, die auf der Hochdruckseite
des Ventilkolbens derart angeordnet ist, dass die vom Kraftstoff
auf die Schulter ausgeübte
Druckkraft die Schließbewegung
des Ventilkolbens unterstützt.
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Vorteil
der ringförmigen
Dichtfläche
ist, dass hierdurch die Belastung der Dichtfläche beim Nadelschließen reduziert
wird und die Anschlagsdämpfung erhöht wird.
Hierdurch werden die Prelleigenschaften verbessert, d.h. dass weniger
oder sogar gar keine Schließpreller
auftreten, wodurch die Mehrfacheinspritzfähigkeit erhöht wird und der Ventilverschleiß reduziert
wird. Durch die Dichtfläche
kann eine zusätzliche Öffnung der
Druckkraft entstehen, die jedoch mit einem druckausgeglichenen Ventilkolben mit
derzeit verfügbaren
Magnetaktoren beherrschbar bleibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Sitzfläche
am Ventilkolben von einer Dämpfungsfläche umschlossen,
wobei die Dämpfungsfläche und die
Sitzfläche
eine Stufe ausbil den, so dass die Dämpfungsfläche bei geschlossenem Steuerventil nicht
auf dem Sitz aufliegt. Durch die Dämpfungsfläche wird die Anschlagdämpfung des
Ventilkolbens optimiert. Die Dämpfungsfläche lässt sich
fertigungstechnisch auf einfache Weise realisieren, da durch die
ringförmige
Sitzfläche
eine Bezugsfläche
für das Abstandsmaß vorhanden
ist. Da aufgrund der Sitzfläche
der Verschleiß des
Ventilsitzes minimiert wurde, ist die Dämpfungsfläche über die Lebensdauer des Injektors
stabil zu realisieren.
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Im
allgemeinen ist das Steuerventil des erfindungsgemäß ausgebildeten
Injektors magnetbetätigt.
Alternativ ist es auch möglich,
dass das Steuerventil zum Beispiel mit eine Piezoaktor betätigt wird.
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Zur
Steuerung des Drucks auf der Hochdruckseite des Ventilkolbens ist
der Hochdruckbereich am Steuerventil über mindestens ein Drosselelement
mit einer Kraftstoffhochdruckleitung, über die unter Systemdruck stehender
Kraftstoff von einem Hochdruckspeicher zum Injektor strömt, verbunden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Sitz, in den die ringförmige
Sitzfläche
stellbar ist, ein Flachsitz. Durch die Ausbildung des Ventilsitzes als
Flachsitz ist eine zweiteilige Bauweise des Ventilkolbens möglich. Hierdurch
können
die Führung
des Ventilkolbens und die ringförmige
Sitzfläche
in unterschiedlichen Bauteilen gefertigt werden. Dies erlaubt eine
gute Bearbeitbarkeit der ringförmigen
Sitzflächen
und damit eine kostengünstige
Fertigung. Wenn anstelle des Flachsitzes z.B. ein Kegelsitz verwendet wird,
ist es notwendig, die ringförmige
Sitzfläche
und die Führung
des Ventilkolbens an einem Bauteil auszuführen, da ein flüssigkeitsdichtes
Schließen
des Steuerventils nur dann möglich
ist, wenn die ringförmige
Sitzfläche über den
gesamten Umfang am Kegelsitz anliegt. Hierzu ist eine exakte Führung des Ventilkolbens
erforderlich. Im Unterschied dazu führt eine axiale Verschiebung
der ringförmigen
Sitzfläche über einen
Flachsitz nicht zu einer Undichtigkeit bei geschlossenem Steuerventil.
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Um
kurze Abstände
zwischen einzelnen Einspritzungen erzielen zu können, ist der Ventilkolben vorzugsweise
einteilig mit einem Anker des Magnetventils ausgebildet. Hierdurch
lässt sich
eine geringe bewegte Masse von Anker und Ventilkolben erzielen. Weiterhin
ist es bevorzugt, dass der Anker in einem Ankerraum aufgenommen
ist, der vom Rücklaufpfad der
zur Steuerung des Injektors eingesetzten Kraftstoffmenge entkoppelt
ist. Hierdurch ist die Schaltdynamik des Magnetaktors unabhängig von
den Rücklaufbedingungen.
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Vorteil
der am Ventilkolben ausgebildeten Schulter, die auf der Hochdruckseite
des Ventilkolbens derart angeordnet ist, dass die vom Kraftstoff auf
die Schulter ausgeübte
Druck kraft die Schließbewegung
des Ventilskolbens unterstützt,
ist, dass durch die Schulter eine hydraulische Ventilschließkraft erzeugt
wird, die die öffnenden
hydraulischen Kräfte
aus der ringförmigen
Sitzfläche
kompensiert. Somit lässt
sich ein weiterhin nahezu druckausgeglichenes Steuerventil darstellen.
Zudem kann durch die Schulter das Steuerventil mit einer größeren Dichtfläche ausgeführt werden,
wodurch die Dämpfungseigenschaften
des Dichtsitzes verbessert werden und der Verschleiß weiter
reduziert wird. Weiterhin bildet sich bei geschlossenem Ventilsitz
an der Schulter eine hydraulische Schließkraft aus, die ein Wiederöffnen des
Ventils verhindert. Hierdurch wird eine optimierte Ventilabstimmung
und eine verbesserte Mehrfacheinspritzfähigkeit ermöglicht.
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In
einer Ausführungsform
ist im Ventilkolben eine Durchführung
ausgebildet, in der ein Stift aufgenommen ist, der sich mit seiner
dem Sitz abgewandten Seite am Injektorgehäuse abstützt und der im Ventilkolben
hochdruckdicht geführt
ist. Durch den Stift lässt
sich der Ventilkolben druckausgeglichen gestalten.
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Um
trotz der Schulter den Ventilkolben nahezu druckausgeglichen gestalten
zu können,
beträgt die
Querschnittsfläche
der Schulter ungefähr
50 % der Querschnittsfläche
der ringförmigen
Sitzfläche.
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Bevorzugt
ist die Querschnittsfläche
der Durchführung
kleiner als die Querschnittsfläche,
die vom Außenumfang
der ringförmigen
Sitzfläche
des Ventilkolbens umschlossen wird. Bevorzugt ist der Durchmesser
der Führung
größer oder
gleich dem Innendurchmesser der Sitzfläche und kleiner oder gleich
dem Außendurchmesser
der Sitzfläche.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist der Ventilkolben in einer Führung
geführt,
wobei zur Ausbildung der Schulter am Ventilkolben die Querschnittsfläche des
Ventilkolbens im Bereich der Führung
kleiner ist die Querschnittsfläche,
die vom Außenumfang
der Sitzfläche
umschlossen wird. Hierdurch wird die Schulter am Außenumfang
des Ventilkolbens ausgebildet. Damit der Ventilkolben nahezu druckausgeglichen
gestaltet werden kann, beträgt die
Querschnittsfläche
der Schulter ungefähr
50 % der Querschnittsfläche
der Sitzfläche.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen
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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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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist
ein erfindungsgemäß ausgebildeter
Kraftstoffinjektor in einer ersten Ausführungsform dargestellt.
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Bei
einem Injektor 1 zum Einspritzen von Kraftstoff in einen
Brennraum 3 einer Verbrennungskraftmaschine ist ein Steuerventil 5 zur
Ansteuerung eines Einspritzventilglieds 7 in einem Injektorgehäuse 9 aufgenommen.
Zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum 3 der Verbrennungskraftmaschine gibt
das Einspritzventilglied 7 mindestens eine Einspritzöffnung 11 frei
oder verschließt
diese. Das Einspritzventilglied 7 ist von einem Düsenraum 13 umschlossen,
der über
eine Hochdruckleitung 15 mit einer Kraftstoffzuleitung 17 verbunden
ist. Die Kraftstoffzuleitung 17 verbindet einen Hochdruckspeicher 19 eines
Hochdruckspeichereinspritzsystems (Common-Rail-Systems) mit dem
Injektor 1.
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Auf
der der mindestens einen Einspritzöffnung 11 abgewandten
Seite des Einspritzventilglieds 7 schließt sich
an das Einspritzventilglied 7 ein Steuerkolben 21 an.
Mit einer dem Einspritzventilglied 7 abgewandten Stirnfläche 23 begrenzt
der Steuerkolben 21 einen Steuerraum 25. Der Steuerkolben 21 ist in
einer Kolbenführung 27 geführt, die
in einem Führungselement 29 ausgebildet
ist. Das Führungselement 29 ist
von einem Druckraum 31 umschlossen, der über die
Kraftstoffzuleitung 17 mit dem Hochdruckspeicher 19 verbunden
ist. Über
ein Drosselelement 33 ist der Druckraum 31 mit
dem Steuerraum 25 verbunden.
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Über ein
zweites Drosselelement 35 kann Kraftstoff aus dem Steuerraum 25 bei
geöffnetem Steuerventil 5 in
einen Kraftstoffrücklauf 37 strömen. Der
Kraftstoffrücklauf 37 ist
mit dem Niederdruckbereich des Einspritzsystems verbunden.
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Das
Steuerventil 5 umfasst einen Ventilkolben 39,
an dem eine ringförmige
Sitzfläche 41 ausgebildet
ist. Um die Verbindung aus dem Steuerraum 25 zum Kraftstoffrücklauf 37 zu
verschließen,
ist die ringförmige
Sitzfläche 41 in
einen Sitz 43 stellbar. In der hier darge stellten Ausführungsform
ist der Sitz 43 als Flachsitz ausgeführt. Anstelle des Flachsitzes
ist es jedoch auch möglich,
dass der Sitz 43 als Kegelsitz oder als Kugelsitz ausgebildet
ist.
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Die
ringförmige
Sitzfläche 41 am
Ventilkolben 39 ist von einer Dämpfungsfläche 45 umschlossen.
Die Dämpfungsfläche 45 und
die ringförmige Sitzfläche 41 bilden
dabei eine Stufe 47 aus, so dass die Dämpfungsfläche 45 bei geschlossenem
Steuerventil 5 nicht auf dem Sitz 43 aufliegt.
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Im
Ventilkolben 39 ist eine Durchführung 49 ausgebildet,
in der ein Stift 51 aufgenommen ist. Der Stift 51 stützt sich
mit einer Stirnfläche 53 am
Injektorgehäuse 9 ab.
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In
der Durchführung 49 im
Ventilkolben 39 ist eine Schulter 55 ausgebildet.
Bei einer Durchführung 49 mit
kreisförmigem
Querschnitt ist der Durchmesser der Durchführung 49 größer als
der Innendurchmesser der ringförmigen
Sitzfläche 41.
Hierdurch ist die Querschnittsfläche
der Durchführung
größer als die
freie Querschnittsfläche
der ringförmigen
Sitzfläche.
Damit der Ventilkolben 39 trotz der Schulter 55 nahezu
druckausgeglichen ist, beträgt
die Querschnittsfläche
der Schulter 55 ungefähr
50 % der Querschnittsfläche
der ringförmigen
Sitzfläche 41. Bevorzugt
ist der Durchmesser der Durchführung 49 kleiner
oder gleich dem Außendurchmesser
der ringförmigen
Sitzfläche 41,
so dass die Querschnittsfläche
der Durchführung 49 kleiner
oder gleich der die Querschnittsfläche ist, die vom Außenumfang
der ringförmigen
Sitzfläche 41 des
Ventilkolbens 39 umschlossen wird.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist am Ventilkolben 39 einstückig ein
Anker 57 des Magnetaktors ausgebildet. Auf der der ringförmigen Sitzfläche 41 abgewandten
Seite liegt dem Anker 57 eine Spule 59 des Magnetaktors
gegenüber.
Die Spule 59 ist zur Verstärkung der Magnetkraft in einem
Magnetkern 61 aufgenommen. Der Magnetkern 61 umschließt einen
Federraum 63, in dem ein Federelement 65 aufgenommen
ist. Das Federelement 65 stützt sich mit einer Seite gegen
eine Stirnfläche 67 am
Ventilkolben 39 und mit der anderen Seite am Injektorgehäuse 9 ab.
Hierbei umschließt
das Federelement 65 den Stift 51. Das Federelement 65 ist
vorzugsweise eine als Spiralfeder ausgebildete Druckfeder.
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Der
Steuerkolben 21 ist von einem Ringraum 69 umschlossen.
Im Ringraum 69 ist ein zweites Federelement 71 aufgenommen,
welches den Steuerkolben 21 umschließt. Das zweite Federelement 71 ist
vorzugsweise eine als Spiralfeder ausgebildete Druckfeder. Das zweite
Federelement 71 stützt
sich mit einer Seite am Führungselement 29 und
mit der anderen Seite an einem Ring 73 am Steuerkolben 21 ab.
Der Ringraum 69 ist über
einen Kanal 75 mit dem Kraftstoffrücklauf 37 verbunden.
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Um
den Einspritzvorgang zu starten wird die Spule 59 des Magnetaktors
bestromt. Hierdurch wird der Anker 57, der mit dem Ventilkolben 39 verbunden ist,
von der Spule 59 angezogen. Die ringförmige Sitzfläche 41 hebt
sich aus dem Sitz 43 und gibt die Verbindung vom Steuerraum 25 in
den Kraftstoffrücklauf 37 frei.
Der Druck im Steuerraum 25 sinkt. Auf eine Druckstufe 77 am
Einspritzventilglied 7, die in den Düsenraum 13 ragt, wirkt
unter Systemdruck stehender Kraftstoff. Aufgrund der Druckkraft
auf die Druckstufe 77 werden das Einspritzventilglied 7 und der
Steuerkolben 21 in Richtung des Steuerraums 25 bewegt.
Das Einspritzventilglied hebt sich so aus seinem Sitz 79 und
gibt so die mindestens eine Einspritzöffnung frei.
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Um
den Einspritzvorgang zu beenden wird die Bestromung der Spule 59 des
Magnetaktors beendet. Der Aktor 57 wird nicht weiter durch
die Spule 59 angezogen. Mit Hilfe des Federelements 65 wird der
Ventilkolben 39 mit der ringförmigen Sitzfläche 41 in
seinen Sitz 43 gestellt. Dabei bildet sich an der ringförmigen Sitzfläche 41 ein
Druckpolster aus, welches die Bewegung des Ventilkolbens 39 dämpft. Weiterhin
wird die Bewegung des Ventilkolbens 39 durch die Dämpfungsfläche 45 gedämpft, an
der sich ebenfalls ein Druckpolster ausbildet. Die Bewegung des
Ventilkolbens 39 wird so kurz vor dem Schließen des
Steuerventils 5 verlangsamt. Ein Aufschlagen der ringförmigen Sitzfläche 41 auf
den Sitz 43, welches zu einem Rückschlagen des Ventilkolbens 39 führen könnte, wird
so vermieden. Über
das Drosselelement 33 strömt Kraftstoff in den Steuerraum 25. Der
Druck im Steuerraum 25 steigt an. Hierdurch wird der Steuerkolben 21 in
Richtung des Einspritzventilglieds 7 bewegt. Das Einspritzventilglied 7 wird
somit in seinen Sitz 79 gestellt und verschließt die mindestens
eine Einspritzöffnung 11.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäß ausgebildeter
Kraftstoffinjektor in einer zweiten Ausführungsform dargestellt.
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Bei
dem in 2 dargestellten Injektor 1 ist der Steuerkolben 21 von
einem Druckraum 81 umschlossen. Über Freiflächen 83 am Einspritzventilglied 7 ist
der Druckraum 81 mit dem Düsenraum 13 verbunden.
In der hier dargestellten Ausführungsform
sind der Steuerkolben 21 und das Einspritzventilglied 7 einstückig ausgebildet.
Der Steuerkolben 21 ist von einer Dichthülse 85 umschlossen.
Die Dichthülse 85 grenzt
den Steuerraum 25 gegen den Druckraum 81 ab. Hierzu
ist die Dichthülse 85 mit
einer Beißkante 87 gegen
ein Ventilstück 89 gestellt, wobei
das Ventilstück 89 den
Steuerraum 25 auf der dem Steuerkolben 21 gegenüberliegenden
Seite begrenzt. Der Steuerraum 25 ist über das Drosselelement 33 mit
dem Druckraum 81 verbunden. Das Drosselelement 33 ist
dabei in der Dichthülse 85 ausgebildet.
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Über das
zweite Drosselelement 35 ist der Steuerraum 25 mit
einem Ventilraum 91 verbunden, der den Ventilkolben 39 umschließt. Bei
geöffnetem Steuerventil 5 ist
der Steuerraum 91 mit dem Kraftstoffrücklauf 37 verbunden.
Auch bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
ist am Steuerkolben 39 die Dämpfungsfläche 45 ausgebildet.
Zur Unterstützung
der Schließbewegung
des Ventilkolbens 39 ist am Ventilkolben 39 eine
Schulter 93 ausgebildet. Bei kreisförmigem Querschnitt wird die
Schulter 93 dadurch gebildet, dass der Außendurchmesser
der ringförmigen
Sitzfläche 41 größer ist
als der Außendurchmesser
eines Führungsabschnitts 95,
mit dem der Ventilkolben 39 in einer Führung 97 geführt ist. Damit
der Ventilkolben 39 nahezu druckausgeglichen ist, beträgt auch
bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
die Querschnittsfläche
der Schulter 93 ungefähr
50 % der Querschnittsfläche
der ringförmigen
Sitzfläche 41.
Bei kreisförmigem
Querschnitt des Ventilkolbens 39 ist hierzu der Durchmesser
des Führungsabschnitts 97 kleiner
oder gleich dem Außendurchmesser
der ringförmigen
Sitzfläche 41.
Gleichzeitig ist der Durchmesser des Führungsabschnitts 195 vorzugsweise
größer oder
gleich dem Innendurchmesser der ringförmigen Sitzfläche 41.
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In
der dargestellten Ausführungsform
ist der Anker 57 in einem Ankerraum 99 aufgenommen,
um die Schaltdynamik des Steuerventils 5 unabhängig von
den Rücklaufbedingungen
aus dem Ventilraum 91 zu machen. Hierzu ist der Ankerraum 99 vom Rücklauf aus
dem Ventilraum 91 entkoppelt. Dies erfolgt dadurch, dass
der Ankerraum 99 nicht mit dem Ventilraum 91 sondern über einen
Kanal 101 direkt mit dem Kraftstoffrücklauf 37 verbunden
ist.
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Die
Funktionsweise des in 2 dargestellten Kraftstoffinjektors
entspricht der Funktionsweise des in 1 dargestellten
Kraftstoffinjektors.