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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 angetrieben wird, ist aus
EP-A 1 612 403 bekannt.
Mit Hilfe des Steuerventils ist eine Ablaufdrossel aus einem Steuerraum
in dem 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 dem 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 diesem 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,
mit dem die Ablaufdrossel ausgebildet ist, einstückig verbunden
ist. Damit das Ventil flüssigkeitsdicht schließt,
ist es notwendig, hochpräzise Oberflächen herzustellen und
eine hochgenaue Passung des Schließelements 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
zum Beispiel an Hochdruckspeichereinspritzsystemen (Common-Rail)
eingesetzten Kraftstoffinjektoren können hubgesteuerte
Injektoren eingesetzt werden, die mittels eines Magnetventils zur Steuerung
des Druckes in einem Steuerraum betrieben werden. Das bevorzugt
nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied wird zum
Beispiel über einen Servosteuerraum gesteuert. Der Druck
im Steuerraum wird über das Magnetventil, welches ein kugelförmiges
Schließelement aufweist, 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 Magnetventilen, die eine Kugel als Schließelement
aufweisen, ist der Umstand, dass starke Einschränkungen
hinsichtlich der Abfolgen von Mehrfacheinspritzungen bestehen, so
dass sehr kurz aufeinander folgende Einspritzabstände nicht oder
nur mit erheblichem Aufwand realisiert werden können.
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Druckausgeglichene
Ventile 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 von
Kraftstoffinjektoren 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 Magnetventils erst ermöglicht.
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Kritisch
ist bei den druckausgeglichen ausgebildeten 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 gefördert,
dass Verunreinigungen in verstärktem Maße direkt
an die Sitzkante gelangen können. Dies führt über
die Betriebszeit des Magnetventils gesehen zu Verschleißerscheinungen,
die die Funktion eines derartig ausgebildeten Magnetventils nicht
unerheblich beeinträchtigen.
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Neueste
Generationen von Kraftstoffinjektoren für höchste
Einspritzdrücke werden mit leckagefrei bevorzugt nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedern ausgeführt, indem
auf eine Niederdruckstufe verzichtet wird. Durch das Fehlen dieser Niederdruckstufe
stehen nur geringe Schließkräfte zum Schließen
des nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes zur
Verfügung. Dies führt zu steil verlaufenden Kennfeldern
und einer hohen Einspritztoleranz. Üblicherweise wird daher
mit einer definierten Drosselstelle eine hydraulische Schließkraft
für das nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied
erzeugt, was jedoch zu einem Verlust an Einspritzdruck führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
ein Kraftstoffinjektor vorgeschlagen, der ein integriertes Speichervolumen aufweist,
da dadurch die Einspritztoleranzen, die sich bei Mehrfacheinspritzungen
einstellen, erheblich reduziert werden. Dies ist für zukünftig
zu erwarten stehende Einspritzstrategien von Kraftstoff zur Reduzierung
der Schadstoffemissionen sehr bedeutsam. Durch diese Einspritzstrategien
verringern sich die Druckschwingungen im Kraftstoffinjektor und
gleichzeitig der bisher zu beobachtende Druckeinbruch zu Beginn
einer jeden Ein spritzung, somit auch zu Beginn einer jeden Einspritzung
im Rahmen von Mehrfacheinspritzungen. Es lässt sich eine
erheblich schnellere Öffnungsbewegung des nadelförmig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes erreichen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung wird in vorteilhafter Weise ein Kraftstoffinjektor
mit einem leckagelos ausgebildeten Einspritzventilglied und integriertem
Speichervolumen bereitgestellt, der die Anforderung an Kennfeldsteilheit,
Kleinstmengenfähigkeit und Toleranzempfindlichkeit in vollem
Maße erfüllt. Um eine optimale Auslegung eines
solchen Kraftstoffinjektors zu ermöglichen, ist ein sehr
schnelle Schaltvorgänge durchführendes Schaltventil
erforderlich. Andererseits sind große Drosseldurchflüsse zur
Servosteuerung notwendig, um ein einfach aufgebautes und damit preiswertes
2/2-Wege-Magnetventil verwenden zu können. Magnetventile
haben sich zur Steuerung von Kraftstoffinjektoren aufgrund ihrer
robusten Technik und der geringen Herstellkosten sehr bewährt.
Um die schnellen Schaltzeiten für Kraftstoffinjektoren
zu realisieren, ist es notwendig, ein druckausgeglichenes Ventil
zu verwenden, welches den erforderlichen Querschnitt zur Realisierung großer
Durchflüsse bei kleinen Öffnungshüben
freigibt.
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Es
hat sich herausgestellt, dass eine Kombination aus einem bei Hochdruckspeichereinspritzsystemen
eingesetzten Kraftstoffinjektor mit leckagelos, bevorzugt nadelförmig
ausgebildetem Einspritzventil und integriertem Speicher zusammen
mit einem druckausgeglichenen Ventil mit einem lose in dieses eingelassenen
Druckausgleichsstift sehr vorteilhafte Wirkungen nach sich zieht.
Ein derartig ausgebildetes druckausgeglichenes Ventil erlaubt durch eine
vollständig konzentrisch ausgebildete Anordnung von Steuerraum,
Ablaufkanal mit Ablaufdrossel und Zuströmung zum Ventilsitz
eine radial optimale Verteilung der Ablaufmenge am Ventilsitz und
damit einen sehr kleinen Ventilhub.
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Idealerweise
wird in der oben angesprochenen Kombination ein Kraftstoffinjektor
verwendet, der ein im Injektorkörper integriertes Speichervolumen und
ein im Kopfbereich angeordnetes Magnetventil zur Betätigung
aufweist. Das bevorzugt nadelförmig ausgebildete Einspritzventilglied
erstreckt sich durch das integrierte Speichervolumen, d. h. einen
integrierten Speicherraum hindurch, und kann ein- oder mehrteilig
ausgebildet sein. Bei mehrteiliger Ausbildung werden die einzelnen
Komponenten mechanisch oder hydraulisch miteinander gekoppelt. Aufgrund
des Umstandes, dass auch das integrierte Speichervolumen eines in
den Injektorkörper integrierten Speicherraumes axialsymmetrisch
im Kraftstoffinjektor angeordnet ist, treten keine asymmetrischen
Verformungen durch die Druckbelastung der Injektorräume
bei Hochdruck, d. h. dem applizierten Systemdruck, auf. Insbesondere
wird der Ventilsitz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Schaltventils nicht asymmetrisch verformt, wodurch sich Dichtigkeitsprobleme
ergeben würden. Damit kann eine vorteilhafte und insbesondere
kostengünstige Bauweise des Kraftstoffinjektors erzielt
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt den Querschnitt durch den erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor mit radialsymmetrisch und konzentrisch zueinander
aufgebautem Steuerraum, Ablaufkanal mit Ablaufdrossel, Ventilsitz
und Zuströmraum.
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Ausführungsformen
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1 zeigt
den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Kraftstoffinjektor
im Längsschnitt.
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Ein
Kraftstoffinjektor 10 wird über einen Druckspeicher 12 mit
unter Systemdruck psys stehendem Kraftstoff
beaufschlagt. Die Beaufschlagung des Druckspeichers 12 (Common-Rail)
kann durch ein Hochdruckförderaggregat, wie zum Beispiel
einer Hochdruckpumpe eines Hochdruckeinspritzsystems, erfolgen,
die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Die vom Druckspeicher 12 zum
Kraftstoffinjektor 10 verlaufende Hochdruckleitung 14 mündet
in einen Injektorkörper 16, in dem sich ein Speichervolumen 18 befindet.
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Der
Kraftstoffinjektor 10 umfasst neben dem Injektorkörper 16 einen
Düsenkörper 20 sowie ein Aktorgehäuse 22.
Im Aktorgehäuse 22 ist ein schnell schaltendes
Schaltventil 24 untergebracht, welches in der Ausführungsform
des Kraftstoffinjektors 10 gemäß der
Zeichnung als Magnetventil ausgebildet ist. Das als Magnetventil
ausgebildete Schaltventil 24 umfasst einen Magnetkern 26,
in den eine Magnetspule 28 eingebettet ist. Des Weiteren
befindet sich im Magnetkern 26 eine Durchgangsbohrung,
in welcher eine Ventilfeder aufgenommen ist sowie ein Druckausgleichsstift 50.
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Das
im Injektorkörper 16 ausgebildete Speichervolumen 18 dient
der Dämpfung hydraulischer Schwingung zwischen dem Druckspeicher 12 und dem
Kraftstoffinjektor 10.
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Der
Kraftstoffinjektor 10 umfasst des Weiteren ein Ventilstück 30,
welches einen ersten Teil 34 eines in 1 mehrteilig
ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 umschließt.
Das in 1 dargestellte, bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Einspritzventilglied 32 umfasst neben dem
ersten Teil 34, welcher als Druckstange dient, einen zweiten,
in verringertem Durchmesser ausgebildeten nadelförmigen
Teil 36. Der zweite, nadelförmig ausgebildete Teil 36 des
hier mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 ist in
einen Käfig 38 geführt, der an der unteren
Stirnseite des ersten druckstangenförmig ausgebildeten Teils 34 des
mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 aufgenommen
ist. Die Kopplung des ersten Teils 34 und des zweiten Teils 36 des
mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 kann
mechanisch oder hydraulisch erfolgen. Die obere Stirnseite des ersten
Teils 34 begrenzt einen Steuerraum 40, der im
Ventilstück 30 ausgebildet ist. Vom Steuerraum 40 aus
verläuft ein Ablaufkanal 56, in dem eine Ablaufdrossel 42 ausgebildet
ist. Andererseits steht der Steuerraum 40 des Ventilstücks 30 über
eine Zulaufdrossel 44 mit dem Speichervolumen 18 im
Injektorkörper 16 des Kraftstoffinjektors 10 hydraulisch
in Verbindung und ist dadurch stets mit Systemdruck psys beaufschlagt.
Der Ablaufkanal 56, welcher einen Zuströmraum 58 und
den im Ventilstück 30 ausgebildeten Steuerraum 40 hydraulisch
miteinander verbindet, wird durch ein hülsenförmig
ausgebildetes Ventilglied 48 freigegeben oder verschlossen.
In der Darstellung gemäß 1 ist das
hülsenförmig ausgebildete Ventilglied 48 in
einen Ventilsitz 46 oberhalb der Mündung des Ablaufkanals 56 im
Ventilstück 30 gestellt. Der Ablaufkanal 56 ist
in der Darstellung gemäß 1 durch
das hülsenförmige Ventilglied 48 verschlossen.
Das hülsenförmig ausgebildete Ventilglied 48 des
druckausgeglichen ausgebildeten Schaltventils 24 ist einerseits
am Druckausgleichsstift 50 geführt, der sich durch
den Magnetkern 26 des schnell schaltenden als Magnetventil
ausgebildeten Schaltventils 24 erstreckt und sich an der
Decke des Aktorgehäuses 22 abstützt und
andererseits in einer außen liegenden Führung 52,
die im oberen Teil des Ventilstücks 30 ausgebildet
ist, geführt. In der außen liegenden Führung 52 im
Ventilstück 30 ist eine Bohrung 54 ausgeführt, über
welche abgesteuerte Menge einem niederdruckseitig verlaufenden Rücklauf 74 zugeführt
werden kann.
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Aus
der Zeichnung geht darüber hinaus hervor, dass am ersten
druckstangenförmigen Teil 34 des mehrteilig ausgebildeten
Einspritzventilgliedes 32 eine Stützscheibe 62 aufgenommen
ist, an der sich eine Schließfeder 64 abstützt.
Die Schließfeder 64 stützt sich andererseits
auch an einer brennraumseitigen Stirnseite des Ventilstücks 30 ab.
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Das
mit dem ersten, druckstangenförmig ausgebildeten Teil 34 des
mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 mechanisch
oder hydraulisch gekoppelte zweite, bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Teil 36 des Einspritzventilgliedes 32,
ist vom Käfig 38 umschlossen und weist an seiner
Umfangsfläche mindestens einen Anschliff 66 auf,
unter welchem unter Systemdruck psys stehender
Kraftstoff aus dem Speichervolumen 18 dem Sitz 68 des
Einspritzventilgliedes 32, insbesondere dessen zweiten Teil 36,
zuströmt. Aus der Darstellung gemäß der
Figur geht hervor, dass das zweite, bevorzugt nadelförmig
ausgebildete Teil 36 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32,
in seinen Sitz 68 gestellt ist und daher in den Brennraum
der Verbrennungskraftmaschine mündende Einspritzöffnungen 70 verschließt.
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Der
Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass am hülsenförmigen
Ventilglied 48 unterhalb des Magnetkernes 26,
in dem die Magnetspule 28 eingebettet ist, eine Ankerplatte 72 ausgebildet
ist, die durch die Ventilfeder beaufschlagt ist, die das hülsenförmig ausgebildete
Ventilglied 48 in den Ventilsitz 46 stellt. Bei
geschlossenem Ventilsitz 46 ist der Ablaufkanal 56 samt
Ablaufdrossel 42 verschlossen.
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Durch
Bezugszeichen 76 bzw. 78 sind die konzentrische
Anordnung des Steuerraums 40, des Ablaufkanals 56 mit
Ablaufdrossel 42, des Ventilsitzes 46 und des
Zuströmraumes 58 bezeichnet. Durch die durch Bezugszeichen 76 bzw. 78 angedeutete
konzentrische Anordnung bzw. radialsymmetrische Anordnung der aufgezählten
Komponenten wird in vorteilhafter Weise ein maximaler Öffnungsquerschnitt
bei minimalem Ventilhub des hülsenförmig ausgebildeten
Ventilgliedes 48 erreicht, so dass schnelle Schaltzeiten
ermöglicht werden, die besonders günstig für
Mehrfacheinspritzungen sind. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ausführungsform kann eine sehr gute Injektorabstimmung
erreicht werden. Als schnell schaltendes Schaltventil 24 wird
bevorzugt ein Magnetventil eingesetzt, mit welchem der Druck im
Steuerraum 40 gesteuert werden kann. Als Magnetventile
ausgebildete Schaltventile 24 sind technisch ausgereift
und erlauben schnell hintereinander folgende Schaltvorgänge,
zudem sind diese sehr kostengünstig.
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Bei
Ansteuerung des schnell schaltenden Schaltventils 24, welches
bevorzugt als Magnetventil ausgebildet ist, wird der Ventilsitz 46 geöffnet,
da die Ankerplatte 72 des hülsenförmig
ausgebildeten Ventilgliedes 48 durch die in diesem Falle
bestromte Magnetspule 28 angezogen wird und den Ventilsitz 46 öffnet.
Aufgrund dessen wird der Druck im Steuerraum 40 abgesenkt,
so dass eine in Öffnungsrichtung auf das mehrteilig ausgebildete
Einspritzventilglied 32 wirkende Öffnungskraft
erzeugt wird. Dadurch wird das Einspritzventilglied 32 aufgezogen.
Zum Beenden der Einspritzung wird das schnell schaltende Schaltventil 24 geschlossen,
wodurch der Druck im Steuerraum 40 auf Systemdruck psys ansteigt. Dadurch schließt das
Einspritzventilglied 42, d. h. die am brennraumseitigen
Ende des Kraftstoffinjektors 10 ausgebildeten Einspritzöffnungen 70 werden
wieder geschlossen. Zur Optimierung der Schließgeschwindigkeit
des bevorzugt nadelförmig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 ist
im Zulauf des Einspritzventilgliedes 32 unterhalb der Mündungsstelle der
Zulaufdrossel 44 im Ventilstück 30 eine
geringfügige Drosselung vorteilhaft. Diese geringfügige
Drosselung kann beispielsweise auf einfache und kostengünstige
Weise über eine Androsselstelle 60 im Bereich
der Führung des ersten, druckstangenförmig ausgebildeten
Teils 34 des mehrteilig ausgebildeten Einspritzventilgliedes 32 realisiert
werden.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
stellt einen Kraftstoffinjektor 10 mit integriertem Speichervolumen 18 dar,
wodurch die Einspritztoleranzen bei Mehrfacheinspritzungen erheblich
reduziert werden können. Dies ist vorteilhaft für
zukünftige Einspritzstrategien zur weiteren Reduzierung
der Schadstoffemissionen selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen.
Durch das Speichervolumen 18 lassen sich Druckschwingungen
im Kraftstoffinjektor 10 im Idealfall eliminieren und zumindest
erheblich reduzieren. Durch das Speichervolumen 18 kann zudem
ein Druckeinbruch zu Beginn einer jeden Einspritzung vorgebeugt
werden, so dass sich eine schnellere Öffnungsbewegung des
bevorzugt nadelförmig ausgebildeten ein- oder mehrteilig
gestalteten Einspritzventilgliedes 32 erreichen lässt.
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Das
dargestellte schnell schaltende Ventil 24 erlaubt große
Drosseldurchflüsse für eine Servosteuerung bei
schnellen Schaltzeiten. Das im erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor 10 eingesetzte schnell schaltende Schaltventil 24 stellt
einen relativ großen Öffnungsquerschnitt bei sehr
geringen Öffnungshüben dar.
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Aufgrund
der Druckausgeglichenheit des Schaltventils 24 durch die
Führung des hülsenförmig ausgebildeten
Ventilgliedes 48 am Druckausgleichsstift 50 können
geringe Ventilkräfte erreicht werden, die einem schnellen
Schalten förderlich sind. Die Kombination des Kraftstoffinjektors 10,
bei dem ein leckagefreies Einspritzventilglied 32 realisiert
ist sowie ein Speichervolumen 18 in Zusammenwirken mit einem
druckausgeglichenen Schaltventil 24 mit lose aufgenommenem
Druckausgleichsstift 50 verwirklicht ist, gewährleistet
geringe Öffnungshübe bei ausreichend großen
Drosseldurchflüssen. Des Weiteren ist beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Kraftstoffinjektor eine vollständig konzentrische bzw.
radialsymmetrische Anordnung von Steuerraum 40, Ablaufkanal 56 mit
Ablaufdrossel 42 sowie Zuströmraum 58 zum
Ventilsitz 46 gewährleistet. Durch diese Ausführung
erfolgt eine in radiale Richtung optimale Verteilung der Ablaufmenge
am Ventilglied 46, was einen sehr kleinen Ventilhub ermöglicht.
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Bevorzugt
ist das schnell schaltende Schaltventil 24 als Magnetventil
ausgebildet und im oberen Bereich des Kraftstoffinjektors 10,
d. h. an dessen brennraumfernen Ende, untergebracht.
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Aufgrund
des Umstandes, dass auch das Speichervolumen 18 axialsymmetrisch
im Injektorkörper 16 des Kraftstoffinjektors 10 angeordnet
ist, werden asymmetrische Verformun gen durch die Druckbelastung
der Injektorräume mit Systemdruck psys vermieden.
Insbesondere wird der Ventilsitz 46 des schnell schaltenden
Schaltventils 24 nicht asymmetrisch verformt, wodurch sich
Dichtigkeitsprobleme ergeben würden. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Ausführungsform des Kraftstoffinjektors 10 wird
eine vorteilhafte und kostengünstige Injektorbauweise erzielt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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