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Stand der Technik
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Ein
Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Einspritzventilglied über ein
magnetbetriebenes Steuerventil angesteuert wird, ist aus
EP-A 1 612 403 bekannt.
Mit Hilfe des Steuerventils ist eine Ablaufdrossel aus einem Steuerraum
in den Kraftstoffrücklauf
verschließbar
oder freigebbar. Der Steuerraum wird an einer Seite durch einen
Steuerkolben begrenzt, mit welchem ein Einspritzventilglied angesteuert
wird, welches mindestens eine Einspritzöffnung in den Brennraum der
Verbrennungskraftmaschine freigibt oder diese verschließt. Die
Ablaufdrossel ist in einem Körper
aufgenommen, welcher auf der dem Steuerraum abgewandten Seite mit
einem sich verjüngenden
Ventilsitz versehen ist. In diesen Ventilsitz ist ein Schließelement
stellbar, welches mit dem Anker des Magnetventils verbunden ist. Hierzu
ist am Schließelement
eine Kante ausgebildet, welche gegen den konisch ausgeformten Sitz gestellt
wird. Das Schließelement
bewegt sich auf einer axialen Stange, welche mit dem Körper, in
dem die Ablaufdrossel ausgebildet ist, einstückig verbunden ist. Damit das
Ventil flüssigkeitsdicht
schließt,
ist es notwendig, hochpräzise
Oberflächen
herzustellen und eine hochgenaue Passung des Schließelementes
auf der axialen Stange vorzusehen, um zu vermeiden, dass das Schließelement
taumelt und hierdurch verkanten kann, wodurch der Sitz nicht vollständig geschlossen
wird.
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Bei
z. B. an Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail) eingesetzten
Kraftstoffinjektoren können
z. B. hubgesteuerte Injektoren eingesetzt werden, die mittels eines
Magnetventils zur Steuerung des Druckes in einem Steuerraum betrieben werden.
Das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied wird z. B. über einen Servosteuerraum gesteuert.
Das Magnetventil ist in der Regel nicht druckausgeglichen und benötigt daher
hohe Federkräfte,
hohe Magnetschaltkräfte
und einen aufgrund der Dimensionierung von Feder und Magneten großen Bauraum.
Von Nachteil bei derartigen Magnetventilen ist der Umstand, dass
starke Einschränkungen
hinsichtlich der Abfolge von Mehrfacheinspritzun gen bestehen, so
dass sehr kurz aufeinander folgende Einspritzabstände nicht
realisiert werden können.
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Druckausgeglichene
Magnetventile erfordern in der Regel wesentlich kleinere Federkräfte, demzufolge
kleinere Magnetkräfte,
um ein Öffnen
zu bewirken, sowie kleinere Ventilhübe und erlauben somit schnellere
Schaltzeiten. Mittels dieser Bauart von Magnetventilen lässt sich
eine Mehrfacheinspritzfähigkeit
verbessern. Allerdings benötigen
diese druckausgeglichen ausgestalteten Ventile eine hochdruckdichte
Führung
sowie eine linienförmig
verlaufende Dichtkante, die dem Führungsdurchmesser des Ventilgliedes
entsprechen, was die Druckausgeglichenheit des Magnetventiles erst
ermöglicht.
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Kritisch
ist bei den druckausgeglichenen Magnetventilen jedoch der Umstand,
dass sich im Laufe von deren Betriebszeit ein Verschleiß an einer
Dichtkante einstellt, da die mechanische Belastung einer linienförmig verlaufenden
Sitzkante beim Schließen des
bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes sehr groß ist. Des Weiteren wird der Verschleiß dadurch
unterstützt,
dass Verunreinigungen in verstärktem
Maße direkt
an die Sitzkante gelangen. Dies führt über die Betriebszeit des Magnetventils
gesehen zu Verschleiß,
der die Funktion eines derartig ausgebildeten Magnetventiles nicht
unerheblich beeinträchtigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
der erfindungsgemäßen Lösung wird
ein druckausgeglichenes Magnetventil vorgeschlagen, wobei das bevorzugt
nadelförmig
ausgebildete Ventilglied einen gegenüber sich einstellendem mechanischen
Verschleiß durch
Materialabtrag oder Deformation robusten Kugelsitz ausgebildeten
Sitz aufweist. Als Ventilsitz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Magnetventils
mit Kugelsitz ist an der Ventildichtstelle, d. h. dem Sitz des Ventilgliedes,
ein Kugelsitz ausgebildet. Der Kugelsitz lässt sich z. B. durch eine halbkugelförmige Konfiguration
des dem Sitz des Ventilgliedes zuweisenden Ende des Ventilgliedes
darstellen. Das z. B. halbkugelförmig
ausgebildete Ende des Ventilgliedes kann mit einem trichterförmig, so
z. B. als Kegelsitz, ausgebildeten Sitz in einem Ventilstück zusammenwirken.
Darüber
hinaus besteht auch die Möglichkeit,
anstelle der Kegelfläche
im Ventilstück,
diese Kegelfläche
am Ende des Ventilgliedes auszubilden und den am Ventilstück ausgebildeten,
mit dem Ventilglied zusammenwirkenden Sitz halbkugelförmig auszubilden.
Beide Gestaltungen eines Kugelsitzes sind möglich.
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Bevorzugt
ist das nadelförmig
ausgebildete Ventilglied mit einem innenliegenden in einem Aktorgehäuse lose
gelagerten Druckstift geführt,
wodurch sich ein Druckausgleich erzielen lässt.
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Wird
das Magnetventil mit einem Kugelsitz versehen, so kann z. B. ein
Ausgleich von Parallelitätsfehlern
zwischen dem bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Ventilglied und einem Sitzkörper,
d. h. z. B. dem Ventilstück,
folgen, so dass dadurch günstige
mehrteilige Ventilaufbauvarianten realisiert werden können.
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Eine
weitere Verbesserung wird durch die Verbindung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kugelsitzes
mit einer kleinen, in Schließrichtung
wirksamen Druckstufe erreicht. Durch die in Schließrichtung
wirksame Druckstufe wird eine hydraulische auf das Ventilglied wirkende
Schließkraft
erzeugt, wodurch ein Prellen beim Ventilschließen verringert wird, was wiederum
günstige
Auswirkungen auf den sich einstellenden Verschleiß hat, da
beim Prellen mechanische Spitzenbelastungen auftreten. Das Dämpfungsverhalten
beim Schließen
des Magnetventils wird durch die in Schließrichtung wirksame Druckstufe
verbessert, da sich im geschlossenen Zustand des Sitzes des bevorzugt
nadelförmig
ausgebildeten Ventilgliedes eine hydraulische Schließkraft aufbaut,
die ein Wiederöffnen
des bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Ventilglieds verhindert. Dies erlaubt einerseits eine
optimierte Ventilabstimmung und verbessert andererseits die Mehrfacheinspritzfähigkeit
des Kraftstoffinjektors, der mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen,
einen Kugelsitz aufweisenden Magnetventil betätigt wird.
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Darüber hinaus
kann im Hochdruckbereich des Kraftstoffinjektors ein Dämpfungsraum
vorgesehen sein, wodurch sich einerseits die Geschwindigkeit, mit
der sich das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Ventilglied bewegt, und andererseits die durch dieses
verursachten Prelleigenschaften und Prellbeanspruchungen hinsichtlich
der mechanischen Bauteile vorteilhaft optimieren lassen. Werden
das bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied und ein durch die Magnetspule
des Magnetventiles angezogener Anker einteilig ausgebildet, lässt sich eine
kleine bewegte Masse erreichen, und bei optimiertem Dämpfungsverhalten
lassen sich demzufolge kurze Abstände einzelner Einspritzvorgänge realisieren,
was die Mehrfacheinspritzungsfähigkeit
günstig
beeinflusst.
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Das
erfindungsgemäß vorgeschlagene druckausgeglichene
Magnetventil mit Kugelsitz lässt sich
zur Steuerung von Einspritzsystemen einsetzen, insbesondere in vorteilhafter
Weise als Steuerventil für
einen servogesteuerten Kraftstoffinjektor, der mittels eines Magnetventils
betätigt
wird.
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In
besonders vorteilhafter Weise kann der Kugelsitz direkt im Ventilstück ausgebildet
werden, in welchem sich ein Steuerraum, insbesondere ein Servosteuerraum,
befindet, und welches einen Druckraum innerhalb des Injektorkörpers des
Kraftstoffinjektors verschließt.
Dies erlaubt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau eines insbesondere
für Hochdruckspeichereinspritzsysteme
(Common-Rail) geeigneten Kraftstoffinjektors.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor, welcher mittels eines Magnetventils betätigt wird,
der einen Kugelsitz umfasst.
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Ausführungsformen
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Aus
der Zeichnung geht hervor, dass ein Kraftstoffinjektor 10 über einen
Druckspeicher 12, in welchem ein Systemdruck psys herrscht,
mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff beaufschlagt ist. Der Systemdruck
psys im Druckspeicher 12 wird durch
ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Hochdruckförderaggregat,
wie z. B. eine Hochdruckpumpe, erzeugt und gelangt vom Druckspeicher 12 über eine Hochdruckleitung 14 zum
Kraftstoffinjektor 10. Die Hochdruckleitung 14 mündet innerhalb
eines Injektorgehäuses 16 und
beaufschlagt einen mit Bezugszeichen 34 bezeichneten Druckraum
mit unter Systemdruck psys stehendem Systemdruck.
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Der
Kraftstoffinjektor 10 gemäß der Zeichnung umfasst neben
dem Injektorgehäuse 16 des Weiteren
einen hier nur angedeuteten Düsenkörper 18 sowie
ein Aktorgehäuse 20,
in welchem ein als Magnetventil 22 ausgebildeter Aktor
untergebracht ist. Das Aktorgehäuse 20 ist über einen
Gehäusedeckel 24 verschlossen.
In der Zeichnung ist der Gehäusedeckel 24 mit
einem Außengewinde
versehen und lässt
sich in ein korrespondierend ausgebildetes Innengewinde des Aktorgehäuses 20 einschrauben. Innerhalb
des Aktorgehäuses 20 sind
ein Magnetkern 26, eine von diesem umschlossene Magnetspule 28,
eine den Magnetkern 26 abstützende Stützhülse 30 aufgenommen
sowie ein Teil eines Ventilstückes 32.
Das teilweise im Aktorgehäuse 20 aufgenommene
Ventilstück 32 begrenzt
den eingangs erwähnten
Druckraum 34, in welchen die vom Druckspeicher 12 ausgehende
Hochdruckleitung 14 mündet.
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Im
Ventilstück 32 ist
ein Steuerraum 36 ausgebildet, der über eine Zulaufdrossel 38 vom
unter Systemdruck psys stehenden Druckraum 34 mit
Kraftstoff befüllt
wird. Der Steuerraum 36 – in der Zeichnung als Servosteuerraum
ausgebildet – ist über eine Ablaufdrossel 40 druckentlastbar.
Die Ablaufdrossel 40 ist ebenfalls im Ventilstück 32 ausgebildet
und mündet
in einen mit Bezugszeichen 84 identifizierten Ventilraum.
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Der über die
Zulaufdrossel 38 im Steuerraum 36 anstehende Systemdruck
psys beaufschlagt eine Stirnseite 44 eines
bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilglieds 42. Das Einspritzventilglied 42 umfasst
eine Stützscheibe 46,
an der sich eine Schließfeder 48 abstützt. Das
der Stützscheibe 46 gegenüberliegende
Ende der Schließfeder 48 stützt sich
am Ventilstück 32 ab.
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Vom
mit Systemdruck psys beaufschlagten Druckraum 34 erstreckt
sich ein Ringraum 52 durch das Injektorgehäuse 16. Über den
Ringraum 52 strömt
unter Systemdruck psys stehender Kraftstoff
einem mit Bezugszeichen 50 bezeichneten Düsenraum
zu, der innerhalb des Düsenkörpers 18 ausgebildet
ist. Vom Ringraum 52 gelangt der unter Systemdruck psys stehende Kraftstoff über mindestens eine Drosselstelle 56,
die z. B. als mindestens ein Anschliff am Umfang des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 42 ausgebildet sein kann, in den
Düsenraum 50.
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Das
Einspritzventilglied 42 umfasst in dem Bereich, in dem
es im Düsenkörper 18 vom
Düsenraum 50 umschlossen
ist, eine Druckstufe 54.
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Vom
Düsenraum 50 strömt der unter
Systemdruck psys stehende Kraftstoff über einen
Ringspalt einem Sitz 58 des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 42 zu. In der Darstellung gemäß der Zeichnung
sind Einspritzöffnungen 60 am
brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 durch
das in seinen Sitz 58 gestellte, bevorzugt nadelförmig ausgebildete
Einspritzventilglied 42 verschlossen.
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Am
Umfang des bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilglieds 42 befindet sich mindestens
eine, bevorzugt als Anschliff ausgebildete Drosselstelle 56. Über diese
mindestens eine Drosselstelle 56 sind der unter Systemdruck
psys stehende Ringraum 52 und der
Düsenraum 50 hydraulisch
miteinander verbunden.
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Das
im Aktorgehäuse 20 untergebrachte
Magnetventil 22 umfasst eine Ventilfeder 70, die
einen Druckstift 66 umschließt. Die Ventilfeder 70 stützt sich
an der Unterseite des Gehäusedeckels 24 ab. Bevorzugt
ist der Druckstift 66 lose im Aktorgehäuse 20 aufgenommen.
Die Ventilfeder 70 beaufschlagt eine obere Stirnseite eines
als Ventilnadel ausgebildeten Ventilglieds 62. An diesem
ist eine Ankerplatte 64 ausgebildet, die der Magnetspule 28 des
Magnetventils 22 gegenüberliegend
angeordnet ist. Der Druckstift 66 ist in einem Durchmesser
ausgebildet, der einen Führungsdurchmesser 68 für das Ventilglied 62 darstellt.
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Eine
untere Stirnseite des Druckstiftes 66 begrenzt mit dem
bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Ventilglied 62 einen Druckausgleichsraum 78.
Der vom Druckstift 66 und vom Ventilglied 62 begrenzte Druckausgleichsraum 78 steht über eine
Strömungsverbindung 74 mit
einem Ventilraum 84 in Verbindung. Gemäß der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors 10 wird der Ventilraum 84 durch
eine Kegelfläche 82 im
Ventilstück 32 einerseits
und andererseits durch eine kugelförmige Fläche 86 am unteren
Ende des Ventilglieds 62 begrenzt. In der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsform
ist die kugelförmige
Fläche 86,
welche den Kugelsitz darstellt, am Ventilglied 62 ausgeführt. Durch
die den Kugelsitz darstellende, kugelförmige Fläche 86 an dem dem
Ventilstück 32 zuweisenden Ende
des bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Ventilglieds 62 kann in vorteilhafter Weise
ein Ausgleich von Parallelitätsfehlern
zwischen dem Ventilglied 62 und dem den Sitzkörper darstellenden
Ventilstück 32 erreicht
werden. Zudem lassen sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Anordnung günstige, mehrteilige
Ventilaufbauten realisieren.
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In
Umkehr des in der Zeichnung dargestellten Kugelsitzes, gebildet
durch die am Ventilglied 62 ausgebildete Kugelfläche 86 und
die im Ventilstück 32 vorgesehene
Kegelfläche 82,
kann die Kegelfläche 82 auch
am Ventilglied 62 ausgebildet werden und die kugelförmige Fläche 86 am
Ventilstück 32 ausgeführt sein.
Ferner ist es möglich,
sowohl am Ventilglied 62 als auch am Ventilstück 32 jeweils
kugelförmige
Geometrien zu verwirklichen.
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Aufgrund
des Umstandes, dass der Führungsdurchmesser 68 im
Wesentlichen dem Durchmesser des durch die kugelförmige Fläche 86 gebildeten
Kugelsitzes entspricht, wirkt die Druckausgeglichenheit des Magnetventils 22.
Es lässt
sich bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ventilbauform ein durch Ausbildung einer kugelförmigen Fläche 86 realisierter
Kugelsitz im Zusammenwirken mit einer Kegelfläche 82 verwirklichen,
da der Druckstift 66 unabhängig vom Ventilsitz 80 von
der Gegenseite des Sitzbereiches aus montiert werden kann. Durch Bezugszeichen 74 ist
eine Strömungsverbindung kenntlich
gemacht, die den Druckausgleichs- oder Dämpfungsraum 78 mit
dem Ventilraum 84 verbindet.
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Eine
Ausführungsform
des in der Zeichnung dargestellten Kraftstoffinjektors ist dadurch
gegeben, dass am Druckstift 66, an dem das bevorzugt nadelförmig ausgebildete
Ventilglied 62 geführt
ist, eine in Schließrichtung
wirksame Druckstufe erzeugt wird. Die in Schließrichtung des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten
Ventilglieds 62 wirksame Druckstufe kann durch eine Vergrößerung des
Führungsdurchmessers 68 des
lose im Aktorgehäuse 20 aufgenommenen
Druckstiftes 66 in Bezug auf den Durchmesser des durch
die kugelförmige
Fläche 86 gegebenen Kugelsitzes
erreicht werden. Durch die in Schließ richtung wirksame Druckstufe
wird eine hydraulische Ventilschließkraft erzeugt, wodurch ein
Prellen des Magnetventils beim Schließen des Ventilgliedes 62 verringert
wird. Das Dämpfungsverhalten
beim Schließen
des Ventilgliedes 62 kann durch die in Schließrichtung
wirksame Druckstufe, gegeben durch die Vergrößerung des Führungsdurchmessers 68 in
Bezug auf den Durchmesser des durch die kugelförmige Fläche 86 gegebenen Kugelsitzes,
verbessert werden, da sich im geschlossenen Zustand des Kugelsitzes
eine hydraulische Schließkraft
aufbaut, die ein Wiederöffnen
des bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Ventilgliedes 62 verhindert. Dies wiederum
erlaubt eine optimierte Ventilabstimmung und eine Verbesserung der
Mehrfacheinspritzfähigkeit
des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektors 10.
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Durch
den Druckausgleichs- oder Dämpfungsraum 78,
der über
die Strömungsverbindung 74 mit
dem Ventilraum 84 in Verbindung steht, können die
Geschwindigkeit, mit der das Ventilglied 62 öffnet, optimiert
werden und die Prelleigenschaften verbessert werden. Werden das
bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 62 und die Ankerplatte 64 als
ein Bauteil ausgelegt, so stellt sich eine kleine zu bewegende Masse
ein, was durch eine Dämpferdrossel 76,
die in der Strömungsverbindung 74 angeordnet
ist, zu einem optimierten Dämpfungsverhalten führt, wodurch
sehr kurze Abstände
bei einzelnen kurz hintereinander folgenden Kraftstoffeinspritzungen über die
Einspritzöffnungen 30 ermöglicht werden.
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In
vorteilhafter Weise ist der durch die kugelförmige Fläche 86 realisierte
Kugelsitz direkt an dem Ventilstück 32 ausgebildet,
das den als Servosteuerraum dienenden Steuerraum 36 begrenzt
und von dem unter Systemdruck psys stehenden
Druckraum 34 im Injektorgehäuse 16 trennt. Das
Ventilstück 32 ist über die
Stützhülse 30,
den sich darauf abstützenden
Magnetkern 26 und den Gehäusedeckel 24, mit dem
das Aktorgehäuse 20 verschlossen
wird, dichtend an den Injektorkörper 16 angestellt.
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Die
bei Bestromung des Magnetventils 22 erfolgende, in vertikale
Richtung nach oben gerichtete Öffnungsbewegung
des bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Ventilgliedes 62 bewirkt eine Druckentlastung
des Steuerraums 36. Die beim Öffnen des durch die kugelförmige Fläche 86 gegebenen
Kugelsitzes aus dem Steuerraum 36 abströmende Steuermenge strömt in das
Aktorgehäuse 20 ein
und wird über
einen niederdruckseitigen Rücklauf 72 in
den Niederdruckbereich des Kraftstoffeinspritzsystems abgeleitet.
Bei der Druckentlastung des bevorzugt als Servosteuerraum dienenden
Steuerraums 36 des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsform
erfolgt ein Einfahren der Stirnfläche 44 des nadelförmig ausgebildeten
Einspritzventilglieds 42 in den Steuerraum 36.
Dadurch strömt über den
geöffneten
Sitz 58 des Einspritzventilglieds 42 über die
mindes tens eine am brennraumseitigen Ende des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildete Öffnung 60 unter
Systemdruck psys stehender Kraftstoff in
den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine.
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Das Öffnungsverhalten
des bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 42 lässt sich über die
an dessen Umfang ausgebildete, mindestens eine bevorzugt als Anschliff
ausgebildete Drosselstelle 56 optimieren. Die mindestens
eine am Umfang des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilglieds 42 ausgebildete
Drosselstelle 56 stellt eine hydraulische Verbindung mit
dem unter Systemdruck psys stehenden Ringraum 52 im
Injektorkörper 16 mit
dem Düsenraum 50,
der im Düsenkörper 18 des
Kraftstoffinjektors 10 ausgebildet ist, dar.
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Bevorzugt
wird das druckausgeglichene Magnetventil 22 in Einspritzsystemen
zum Einspritzen von Kraftstoff eingesetzt, insbesondere in vorteilhafter
Weise als Steuerventil für
einen servogesteuerten Kraftstoffinjektor mit einem Magnetventil 22,
der bei Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail) einsetzbar
ist.