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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil.
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Wie
in
7 gezeigt ist, hat ein Kraftstoffeinspritzventil
100 gemäß der
US 6,705,551 B1 (
JP-A-2003-506622 )
eine Kraftstoffspeicherkammer
180 und eine Drucksteuerkammer
190,
die mittels eines Zylinders
200 voneinander getrennt sind.
Die Kraftstoffspeicherkammer
180 hat einen Düsenhohlraum
120,
der ein Ventilelement (eine Nadel)
140 aufnimmt, das dazu
angepasst ist, Düsenlöcher
130 zu öffnen
und zu schließen. Der Düsenhohlraum
120 speichert
Hochdruckkraftstoff, der durch die Düsenlöcher
einzuspritzen ist. Die Drucksteuerkammer
190 speichert
Hochdruckkraftstoff zum Steuern des Öffnens und Schließens
der Düsenlöcher
130 unter Verwendung
der Nadel
140.
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Der
Zylinder 200 des Kraftstoffeinspritzventils 100 hat eine
im Wesentlichen zylindrische Gestalt. Der Zylinder 200 hat
ein Ende, das mit einer dem Düsenloch gegenüberliegenden
Wandfläche 340 an der entgegengesetzten Seite
des Düsenhohlraums 120 in Kontakt ist. Die Nadel 140 ist
in den Innenumfang des Zylinders 200 gleitfähig
eingesetzt. Gemäß dem vorliegenden Aufbau definiert
der Innenumfang des Zylinders 200 die Drucksteuerkammer 190 und
die Außenwand des Zylinders definiert die Kraftstoffspeicherkammer 180.
Die Bewegung der Nadel 140 wird durch Betätigen
des Drucks in der Drucksteuerkammer 190 gesteuert, wodurch
eine Unterbrechung der Kraftstoffeinspritzung von den Düsenlöchern 130 gesteuert
wird. Das andere Ende des Zylinders 200 hat einen Federsitz 250 zum
Stützen einer Feder 160. Die Feder 160 hält
den Zylinder 200 mit der Wandfläche 340 in
Kontakt.
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Ein
Kraftstoffdurchlass 310 öffnet sich in der den
Düsenhohlraum 120 definierenden Wandfläche 340,
um Hochdruckkraftstoff zu der Kraftstoffspeicherkammer 180 zuzuführen.
Der Hochdruckkraftstoff wird von dem Kraftstoffdurchlass 310 jedes
mal dann in die Kraftstoffspeicherkammer 180 zugeführt, wenn
die Nadel 140 die Düsenlöcher 130 öffnet
und schließt. Das eine Ende des Zylinders 200 ist
mittels der Feder 160 oder dergleichen zu der Wandfläche 340 vorgespannt.
Der Zylinder 200 teilt den Düsenhohlraum 120 in
die Kraftstoffspeicherkammer 180 und die Drucksteuerkammer 190,
indem er durch die Feder 160 vorgespannt ist. Die Fläche
des einen Endes des Zylinders 200 ist klein festgelegt,
um den Kontaktdruck relativ zu der Wandfläche 340 zu
verbessern. Das andere Ende des Zylinders 200 hat den Federsitz 250 zum
Stützen der Feder 160. Der Außendurchmesser
des einen Endes des Zylinders 200 ist kleiner als der Außendurchmesser
des anderen Endes des Zylinders 200. Der Innendurchmesser
des Zylinders 200 ist von dem einen Ende zu dem anderen
Ende konstant. Die Außenwand des Zylinders 200 hat
einen Stufenabschnitt 230, an dem sich der Außendurchmesser
des Zylinders 200 ändert.
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Bei
dem Aufbau gemäß der
US 6,705,551 B1 , wie er
in
7 gezeigt ist, befindet sich der Stufenabschnitt
230 unmittelbar
stromabwärts der Wandfläche
340, die
den Düsenhohlraum
120 definiert. Dementsprechend
prallt der Strom des Hochdruckkraftstoffs gegen den Stufenabschnitt
230 des Zylinders
200,
wenn durch den sich in der Wandfläche
340 öffnenden
Kraftstoffdurchlass
310 ein Hochdruckkraftstoff zugeführt
wird. Folglich kann sich der Zylinder
200 nach unten bewegen
und der Zylinder
200 kann von der Wandfläche
340 weg
verschoben werden. Wenn sich der Zylinder
200 von der Wandfläche
340 weg
bewegt, dann ist die Kraftstoffspeicherkammer
180 mit der
Drucksteuerkammer
190 in Verbindung. Folglich kann der
Druck in der Drucksteuerkammer
190 nicht auf geeignete
Weise gesteuert werden. Im Ergebnis kann die Nadel
140 nicht präzise
gesteuert werden, um die Düsenlöcher
130 auf
geeignete Weise zu öffnen und zu schließen.
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Im
Hinblick auf die vorgenannten und weitere Probleme ist es eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzventil herzustellen,
das einen eine Nadel aufnehmenden Düsenhohlraum hat, wobei
die Nadel in der Lage ist, zum Hervorbringen einer präzisen
Kraftstoffeinspritzung stabil gesteuert zu werden.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung hat ein Kraftstoffeinspritzventil
ein Gehäuse mit einem Vorderende, das ein Düsenloch
definiert. Das Gehäuse hat ferner eine Wandfläche
an einer dem Düsenloch entgegengesetzten Seite. Das Gehäuse
hat ferner einen sich in der Wandfläche öffnenden
Kraftstoffdurchlass. Der Kraftstoffdurchlass ist durch einen Düsenhohlraum
mit dem Düsenloch in Verbindung. Das Kraftstoffeinspritzventil
hat ferner ein in dem Düsenhohlraum aufgenommenes Ventilelement
zum Öffnen und Schließen des Düsenlochs. Das
Kraftstoffeinspritzventil hat ferner einen Zylinder mit einem Ende,
das im Wesentlichen mit der Wandfläche in Kontakt ist.
Der Zylinder hat einen Innenumfang, der das eine Ende des Ventilelements
gleitfähig aufnimmt. Der Zylinder teilt den Düsenhohlraum
im Wesentlichen in eine Kraftstoffspeicherkammer und eine Drucksteuerkammer.
Die Kraftstoffspeicherkammer ist dazu angepasst, den von dem Kraftstoffdurchlass
zugeführten Kraftstoff zu sammeln. Die Drucksteuerkammer
ist dazu angepasst, den Kraftstoff zum Betätigen des Ventilelements
zu sammeln. Der Zylinder hat eine Außenwand, die eine Ablenkfläche
definiert, die dazu angepasst ist, den von dem Kraftstoffdurchlass
strömenden Kraftstoff nach radial auswärts abzulenken.
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Die
vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ersichtlicher.
In den Zeichnungen ist:
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1 eine
Schnittansicht, die ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel zeigt;
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2 eine
Schnittansicht, die einen Hauptabschnitt des Kraftstoffeinspritzventils
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
zeigt;
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3 eine
Schnittansicht, die einen Hauptabschnitt des Kraftstoffeinspritzventils
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
zeigt;
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4 eine
Schnittansicht entlang einer Linie IV-IV aus 3;
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5 ein
Graph, der eine Beziehung zwischen einem Verhältnis x/d
und einem Verhältnis F/F0 zeigt;
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6 eine
Schnittansicht, die einen Hauptabschnitt des Kraftstoffeinspritzventils
gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
zeigt; und
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7 eine
Schnittansicht, die ein Kraftstoffeinspritzventil gemäß einem
Stand der Technik zeigt.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Wie
in 1 gezeigt ist, wird das Kraftstoffeinspritzventil 1 beispielsweise
für eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung der Druckspeicherbauweise
einer Dieselkraftmaschine verwendet. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 wird
von einer Druckspeichervorrichtung (einer nicht gezeigten Common-Rail)
mit Hochdruckkraftstoff versorgt. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 spritzt
den Hochdruckkraftstoff zu einer Verbrennungskammer der Kraftmaschine
ein. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 hat eine Einspritzdüse 10,
eine Drosselblendenplatte 30, einen Ventilkörper 40,
ein Steuerventil 43, einen unteren Körper 50,
ein Piezo-Stellglied 52, einen Antriebskraftübertragungsabschnitt 53 und
dergleichen. Die Einspritzdüse 10, die Drosselblendenplatte 30,
der Ventilkörper 40 und der untere Körper 50 sind
in dieser Reihenfolge von der unteren Seite aufeinandergestapelt
und mit einer Haltemutter 60 miteinander verschraubt, wodurch das
Kraftstoffeinspritzventil 1 gebildet wird. Die Einspritzdüse 10 hat
einen Düsenkörper 11, eine Nadel 14,
einen Zylinder 20 und eine Schraubenfeder 16. Der
Düsenkörper 11 hat einen Düsenhohlraum 12, der
sich von dem oberen Ende nahe zu dessen unterem Ende erstreckt.
Die Drosselblendenplatte 30 ist an dem oberen Ende des
Düsenkörpers 11 vorgesehen, wodurch der
Düsenkörper 11 darin einen geschlossenen
Raum als den Düsenhohlraum 12 definiert. Das untere
Ende des Düsenkörpers 11 hat Düsenlöcher 13,
die den Düsenhohlraum 12 mit der Außenseite
des Düsenkörpers 11 verbinden. Die Nadel 14,
die Schraubenfeder 16 und der Zylinder 20 sind in
dem Düsenhohlraum 12 untergebracht.
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Die
Nadel 14 als Ventilelement hat eine im Wesentlichen stangenförmige
Gestalt. Das vordere Ende der Nadel 14 ist mit einem Ventilelementabschnitt 15 versehen,
der dazu angepasst ist, auf ein unteres Ende des Düsenhohlraums 12 aufgesetzt und
davon abgehoben zu werden, um die Kraftstoffeinspritzung von den
Düsenlöchern 13 zu steuern. Die Nadel 14 hat
ein Ende an der dem Ventilelementabschnitt 15 entgegengesetzten
Seite und das Ende ist mit dem Zylinder 20 versehen, der
im Wesentlichen eine zylindrische Gestalt hat und die Nadel 14 gleitfähig
stützt. Der Aufbau des Zylinders 20 wird später beschrieben.
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Die
Nadel 14 hat das obere Ende und das untere Ende (den Ventilelementabschnitt 15),
die zwischen sich eine Stufe definieren, die zum Stützen des
unteren Endes der Schraubenfeder 16 mit einem Stützring 17 versehen
ist. Das obere Ende der Schraubenfeder 16 ist durch den
Zylinder 20 gestützt. Die Schraubenfeder 16 ist
zwischen dem Stützring 17 und dem Zylinder 20 in
Achsrichtung zusammengedrückt. Bei dem vorliegenden Aufbau
ist der Zylinder 20 in Richtung einer unteren Endfläche 34 der
Drosselblendenplatte 30 vorgespannt. Die Nadel 14 ist
nach unten in einer Schließrichtung vorgespannt. Die untere
Endfläche 34 definiert eine Wandfläche
(die dem Düsenloch gegenüberliegende Wandfläche)
eines Düsenhohlraums an der den Düsenlöchern 13 entgegengesetzten
Seite.
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Die
Nadel 14, die Schraubenfeder 16 und der Zylinder 20 sind
in dem Düsenhohlraum 12 untergebracht. Die den
Düsenhohlraum 12 definierende Innenwand und die
Außenwände der Nadel 14 und des Zylinders 20 definieren
zwischen sich eine Kraftstoffspeicherkammer 18. Das obere
Ende der Nadel 14, der Innenumfang des Zylinders 20 und
die untere Endfläche 34 der Drosselblendenplatte 30 definieren zwischen
sich eine Drucksteuerkammer 19.
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Die
Kraftstoffspeicherkammer 18 speichert einen Hochdruckkraftstoff,
der durch die Düsenlöcher 13 eingespritzt
werden soll, und sie ist dazu angepasst, mit den Düsenlöchern 13 in
Verbindung zu kommen. Wenn die Nadel 14 auf das den Düsenhohlraum 12 definierende
untere Ende aufgesetzt ist, dann wird die Kraftstoffspeicherkammer 18 von
den Düsenlöchern 13 getrennt, wodurch
die Kraftstoffeinspritzung aus den Düsenlöchern 13 gestoppt
ist. Wenn die Nadel 14 von dem unteren Ende abgehoben wird, dann
ist die Kraftstoffspeicherkammer 18 mit den Düsenlöchern 13 in
Verbindung, wodurch der Kraftstoff durch die Düsenlöcher 13 eingesprüht
wird.
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Die
Drucksteuerkammer 19 speichert den Hochdruckkraftstoff
zum Steuern der axialen Bewegung der Nadel 14. Der Kraftstoff
wird zu der Drucksteuerkammer 19 zugeführt, wodurch
auf das obere Ende der Nadel 14 ein hydraulischer Druck
aufgebracht wird, um die Nadel 14 nach unten vorzuspannen.
Die Steuerung der axialen Bewegung der Nadel 14 wird später
beschrieben.
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Die
Drosselblendenplatte 30 hat im Wesentlichen eine scheibenförmige
Gestalt und befindet sich zwischen dem Düsenkörper 11 und
dem Ventilkörper 40. Die Drosselblendenplatte 30 hat
einen Kraftstoffdurchlass 31, einen ersten Verbindungsdurchlass 32 und
einen zweiten Verbindungsdurchlass 33, die sich jeweils
von der einen Endfläche der Drosselblendenplatte 30 zu
der anderen Endfläche der Drosselblendenplatte 30 erstrecken.
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Der
Kraftstoffdurchlass 31 erstreckt sich axial durch den Ventilkörper 40 und
den unteren Körper 50, um den Hochdruckkraftstoff
von der Speichervorrichtung in die Kraftstoffspeicherkammer 18 zu
leiten. Der Kraftstoffdurchlass 31 öffnet sich
in dem unteren Körper 50 und ist mit der Speichervorrichtung
in Verbindung.
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Der
erste Verbindungsdurchlass 32 verbindet die Kraftstoffspeicherkammer 18 mit
einer Ventilkammer 41, die in dem Ventilkörper 40 vorgesehen ist.
Die untere Endfläche 34 der Drosselblendenplatte 30 hat
eine im Wesentlichen ringförmige Nut mit einem Boden, der
mit dem Kraftstoffdurchlass 31 und dem ersten Verbindungsdurchlass 32 in
Verbindung ist. Der zweite Verbindungsdurchlass 33 bringt
die Drucksteuerkammer 19 mit der Ventilkammer 41 in Verbindung.
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Der
Ventilkörper 40 hat im Wesentlichen eine Scheibengestalt
und befindet sich zwischen der Drosselblendenplatte 30 und
dem unteren Körper 50. Der Ventilkörper 40 hat
die untere Endfläche, über die der Ventilkörper 40 mit
der Drosselblendenplatte 30 in Kontakt ist. Die Ventilkammer 41 ist
in der unteren Endfläche des Ventilkörpers 40 geöffnet.
Das untere Ende der Ventilkammer 41 ist mit den ersten
und zweiten Verbindungsdurchlässen 32, 33 in
Verbindung. Das obere Ende der Ventilkammer 41 ist mit
einem dritten Verbindungsdurchlass 42 in Verbindung. Der
dritte Verbindungsdurchlass 42 ist ferner mit einem in
dem unteren Körper 50 vorgesehenen, längslaufenden
Hohlraum 51 in Verbindung.
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Die
Ventilkammer 41 nimmt das Steuerventil 43 und
die Schraubenfeder 46 zum Steuern eines Kraftstoffstroms
in den ersten, zweiten und dritten Verbindungsdurchlässen 32, 33, 42 auf.
Die obere Seite des Steuerventils 43 ist mit einem Niederdrucksitz 44 versehen.
Die untere Seite des Steuerventils 43 ist mit einem Hochdrucksitz 45 versehen.
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Wenn
der Niederdrucksitz 44 auf der die Ventilkammer 41 definierende
oberen Endfläche aufsitzt, dann ist die Öffnung
des dritten Verbindungsdurchlasses 42 geschlossen. Dadurch
definieren die Kraftstoffspeicherkammer 18, der zweite
Verbindungsdurchlass 33, die Ventilkammer 41 und
der erste Verbindungsdurchlass 32 einen ersten Pfad, der mit
der Drucksteuerkammer 19 in Verbindung ist. Somit wird Hochdruckkraftstoff
von der Kraftstoffspeicherkammer 18 durch den ersten Pfad
in die Drucksteuerkammer 19 zugeführt.
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Wenn
andererseits der Hochdrucksitz 45 auf der die Ventilkammer 41 definierenden
unteren Endfläche aufsitzt, dann ist die Öffnung
des ersten Verbindungsdurchlasses 32 geschlossen und die Öffnung
des dritten Verbindungsdurchlasses 42 ist geöffnet.
Dadurch definieren die Drucksteuerkammer 19, der zweite
Verbindungsdurchlass 33, die Ventilkammer 41 und
der dritte Verbindungsdurchlass 42 einen zweiten Pfad,
der mit dem längslaufenden Hohlraum 51 des unteren
Körpers 50 in Verbindung ist. Somit wird Hochdruckkraftstoff
von der Drucksteuerkammer 19 in den längslaufenden
Hohlraum 51 ausgelassen, in dem ein niedriger Druck herrscht, und
zwar durch den zweiten Pfad. Folglich nimmt der Druck in der Drucksteuerkammer 19 ab.
Somit kann der Druck in der Drucksteuerkammer 19 durch
Betätigen des Steuerventils 43 gesteuert werden.
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Der
untere Körper 50 hat den längslaufenden Hohlraum 51,
der sich in dessen axialer Richtung erstreckt, und der längslaufende
Hohlraum 51 nimmt das Piezo-Stellglied 52 und
den Antriebskraftübertragungsabschnitt 53 auf.
Der untere Körper 50 hat die den Ventilkörper 40 stützende
untere Endfläche. Das Piezo-Stellglied 52 ist
durch wechselweises Laminieren einer Piezo-elektrischen Keramiklage
und einer Elektrodenlage, etwa PZT, aufgebaut. Das Piezo-Stellglied 52 wird
in einer Laminierungsrichtung (vertikalen Richtung) ausgedehnt und
zusammengezogen, indem es in Antwort auf eine Steuerung einer Treiberschaltung
(nicht gezeigt) mit Elektrizität geladen und elektrisch
entladen wird. Der längslaufende Hohlraum 51 ist
durch einen hydraulischen Durchlass (nicht gezeigt) mit einer Niederdruckkomponente,
etwa einem Kraftstofftank, verbunden.
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Der
Antriebkraftübertragungsabschnitt 53 befindet
sich an der unteren Seite des Piezo-Stellglieds 52. Der
Antriebskraftübertragungsabschnitt 53 überträgt
die Ausdehnung des Piezo-Stellglieds 52 über einen
in dem dritten Verbindungsdurchlass 42 aufgenommenen Stift 54 auf
das Steuerventil 43.
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Das
Piezo-Stellglied 52 dehnt sich axial aus, wenn es mit Elektrizität
geladen wird. Der Antriebskraftübertragungsabschnitt 53 überträgt
die Ausdehnung des Piezo-Stellglieds 52 über den
Stift 54 auf das Steuerventil 43. Das Steuerventil 43 wird über den
Stift 54 nach unten gedrückt, wodurch der Niederdrucksitz 44 des
Steuerventils 43 von der die Ventilkammer 41 definierenden
oberen Endfläche abgehoben wird. Der Hochdrucksitz 45 des
Steuerventils 43 wird auf die die Ventilkammer 41 definierende Endfläche
aufgesetzt, wodurch die Öffnung des ersten Verbindungsdurchlasses 32 geschlossen
wird. Somit wird der Hochdruckkraftstoff durch den zweiten Pfad
von der Drucksteuerkammer 19 zu einer Niederdruckkomponente
ausgelassen.
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Das
Piezo-Stellglied 52 wird beim Entladen der Elektrizität
axial zusammengezogen. Das Steuerventil 43 und der Stift 54 bewegen
sich nach oben, indem sie in Antwort auf das Zusammenziehen des
Piezo-Stellglieds 52 durch die Schraubenfeder 46 vorgespannt
werden. Das Steuerventil 43 bewegt sich nach oben, sodass
der Hochdrucksitz 45 des Steuerventils 43 von
der die Ventilkammer 41 definierenden unteren Endfläche
abgehoben wird. Der Niederdrucksitz 44 des Steuerventils 43 wird
auf die die Ventilkammer 41 definierende obere Endfläche
aufgesetzt, wodurch die Öffnung des dritten Verbindungsdurchlasses 42 geschlossen
wird. Somit wird Hochdruckkraftstoff von der Druckspeicherkammer 18 durch
den ersten Pfad in die Drucksteuerkammer 19 zugeführt.
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Als
Nächstes wird ein Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils 1 beschrieben.
Wenn das Piezo-Stellglied 52 Elektrizität entlädt,
dann schließt das Steuerventil 43 die Öffnung
des dritten Verbindungsdurchlasses 42, wodurch der von
der Speichervorrichtung zu dem Kraftstoffeinspritzventil 1 ausgelassene Hochdruckkraftstoff
durch den Kraftstoffdurchlass 31 in die Kraftstoffspeicherkammer 18 strömt.
Der Hochdruckkraftstoff wird ferner durch den zweiten Verbindungsdurchlass 33,
die Ventilkammer 41 und den ersten Verbindungsdurchlass 32 in
die Drucksteuerkammer 19 zugeführt.
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Unter
der vorliegenden Bedingung wird von dem Hochdruckkraftstoff in der
Drucksteuerkammer 19 über die obere Endfläche
der Nadel 14 eine Kraft auf die Nadel 14 ausgeübt,
wodurch sie in der Schließrichtung nach unten gedrückt
wird. An der Nadel 14 wird zudem eine Vorspannkraft der
Schraubenfeder 16 ausgeübt, wodurch sie nach oben
gedrückt wird. An der Nadel 14 wird ferner eine
Kraft des Hochdruckkraftstoffs in der Kraftstoffspeicherkammer 18 in
der Nähe des Ventilelementabschnitts 15 ausgeübt,
wodurch sie in der Öffnungsrichtung nach oben gedrückt
wird. Unter der vorliegenden Bedingung ist die nach unten an der
Nadel 14 ausgeübte Kraft größer
als die nach oben an der Nadel 14 ausgeübte Kraft.
Daher wird der Ventilelementabschnitt 15 auf das den Düsenhohlraum 12 definierende
untere Ende aufgesetzt und von den Düsenlöchern 13 wird
kein Kraftstoff eingespritzt.
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Wenn
das Piezo-Stellglied 52 mit Elektrizität geladen
ist, dann wird das Steuerventil 43 über den Stift 54 nach
unten gedrückt, wodurch der Hochdrucksitz 45 des
Steuerventils 43 die Öffnung des ersten Verbindungsdurchlasses 32 schließt.
Der Niederdrucksitz 44 des Steuerventils 43 ist
mit der Öffnung des dritten Verbindungsdurchlasses 42 in
Verbindung. Somit wird Hochdruckkraftstoff von der Drucksteuerkammer 19 durch
den zweiten Pfad zu einer Niederdruckkomponente ausgelassen und
der Druck in der Drucksteuerkammer 19 fängt damit
an, abzunehmen.
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Wenn
der Druck in der Drucksteuerkammer 19 auf den Ventilöffnungsdruck
abnimmt, dann wird die nach oben auf die Nadel 14 ausgeübte
Kraft größer als die nach unten auf die Nadel 14 ausgeübte Kraft.
Somit wird die Nadel 14 nach oben abgehoben und der Ventilelementabschnitt 15 wird
ebenso von dem den Düsenhohlraum 12 definierenden
unteren Ende abgehoben, wodurch der Kraftstoff durch die Düsenlöcher 13 eingespritzt
wird.
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Wenn
das Piezo-Stellglied 52 wieder Elektrizität entlädt,
dann schließt das Steuerventil 43 die Öffnung
des dritten Verbindungsdurchlasses 42 und bringt die Öffnung
des ersten Verbindungsdurchlasses 32 in Verbindung. Somit
wird der Hochdruckkraftstoff wieder von der Kraftstoffspeicherkammer 18 in die
Drucksteuerkammer 19 durch den ersten Pfad zugeführt
und der Druck in der Drucksteuerkammer 19 nimmt wieder
zu.
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Wenn
der Druck in der Drucksteuerkammer 19 auf den Ventilschließdruck
ansteigt, dann wird die nach unten an der Nadel 14 ausgeübte
Kraft größer als die nach oben an der Nadel 14 ausgeübte
Kraft. Somit bewegt sich die Nadel 14 nach unten und die Nadel 14 wird
auf das den Düsenhohlraum 12 definierende vordere
Ende aufgesetzt, wodurch die Kraftstoffeinspritzung von den Düsenlöchern 13 beendet
wird.
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Als
Nächstes wird ein Merkmal der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf 2 ausführlich beschrieben.
Wie in 2 gezeigt ist, hat der Zylinder 20 im
Wesentlichen eine zylindrische Gestalt und hat einen Abschnitt 22 mit
großem Durchmesser und einen Abschnitt 21 mit
kleinem Durchmesser. Der Abschnitt 22 mit großem
Durchmesser hat einen größeren Außendurchmesser
als der Abschnitt 21 mit kleinem Durchmesser. Der Abschnitt 21 mit
kleinem Durchmesser hat einen relativ kleinen Außendurchmesser.
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Das
Ende des Abschnitts 21 mit kleinem Durchmesser hat einen
Kontaktabschnitt 24, der mit der unteren Endfläche 34 der
Drosselblendenplatte 30 in Kontakt ist. Die untere Endfläche 34 der
Drosselblendenplatte 30 definiert die obere Endfläche
des Düsenhohlraums 12. Das Ende des Abschnitts 22 mit großem
Durchmesser definiert einen Federsitz 25 als Sitz der Schraubenfeder 16.
Die Dicke des Federsitzes 25 ist im Wesentlichen gleich
oder größer als der Durchmesser des Drahts der
Schraubenfeder 12, um die Schraubenfeder 16 zu
stützen. Im Gegensatz dazu ist die Dicke des Kontaktabschnitts 24 kleiner als
die Dicke des Federsitzes 25. Bei dem vorliegenden Aufbau
ist der Kontaktabschnitt 24 mit der unteren Endfläche 34 in
Kontakt und der Kontaktdruck des Kontaktabschnitts 24 relativ
zu der unteren Endfläche 34 kann verbessert werden,
sodass der Zylinder 20 fester mit der Drosselblendenplatte 30 in
Kontakt sein kann.
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Der
Innenumfang des Zylinders 20 definiert eine Führungsebene 26 zum
gleitfähigen Stützen des oberen Endes der Nadel 14.
Der Durchmesser der Führungsebene 26 ist von dem
Kontaktabschnitt 24 zu dem Federsitz 25 im Wesentlichen
konstant. Die Außenwand des Zylinders 20 hat einen
Stufenabschnitt 23 zwischen dem Abschnitt 21 mit
kleinem Durchmesser und dem Abschnitt 22 mit großem Durchmesser.
Der Stufenabschnitt 23 definiert eine Schräge,
an der der Außendurchmesser des Zylinders 20 von
dem Abschnitt 21 mit kleinem Durchmesser in Richtung des
Abschnitts 22 mit großem Durchmesser allmählich
zunimmt.
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Die
Außenwand des Abschnitts 21 mit kleinem Durchmesser
hat eine Ablenkfläche 27. Die Kraftstoffspeicherkammer 18 wird
mit dem Kraftstoff versorgt, der von dem sich in der unteren Endfläche 34 der
Drosselblendenplatte 30 öffnenden Kraftstoffdurchlass 31 strömt,
und die Ablenkfläche 27 lenkt den Strom des Hochdruckkraftstoffs
an dem Zylinder 20 radial nach außen ab. Eine
Arbeitsweise der Ablenkfläche 27 wird später
beschrieben.
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Als
Nächstes wird eine Arbeitsweise des Zylinders 20 beschrieben.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, wird das Steuerventil 43 betätigt,
um den Druck in der Drucksteuerkammer 19 auf den Ventilschließdruck
zu senken, wodurch die Nadel 14 nach oben bewegt wird.
Somit wird der Ventilelementabschnitt 15 von dem den Düsenhohlraum 12 definierenden
unteren Ende abgehoben, sodass der Hochdruckkraftstoff durch die
Düsenlöcher 13 eingespritzt wird. Die
Menge des Kraftstoffs in der Kraftstoffspeicherkammer 18 nimmt
zumindest um eine Menge des durch die Düsenlöcher 13 eingespritzten Kraftstoffs
ab. Wie dies durch den Pfeil in 2 gezeigt
ist, wird die Kraftstoffspeicherkammer 18 durch den Kraftstoffdurchlass 31 mit
frischem Hochdruckkraftstoff versorgt.
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Der
Kraftstoff strömt durch den Kraftstoffdurchlass 31 und
der Kraftstoffstrom prallt gegen die Ablenkfläche 27 an
der Außenwand des kleindurchmessrigen Abschnitts 21,
wodurch der Kraftstoffstrom an dem Zylinder 20 radial nach
außen abgelenkt wird. Wie dies in 2 gezeigt
ist, ist die Ablenkfläche 27 im Wesentlichen parallel
zu einer Stromlinie, d. h. einer Strömungslinie des Kraftstoffstroms.
Daher ist der Winkel zwischen der Stromlinie des Kraftstoffstroms
und der Ablenkfläche 27 ziemlich klein. Somit
ist selbst dann, wenn der Kraftstoffstrom gegen die Ablenkfläche 27 prallt,
die Ablenkfläche 27 in der Lage, kinetische Energie
des Kraftstoffstroms von der Ablenkfläche 27 wegzulenken.
Bei dem vorliegenden Aufbau ist die Ablenkfläche 27 in
der Lage, eine Kraft zu unterdrücken, die darin wirkt,
den Zylinder 20 nach unten zu drücken, wenn der
Kraftstoffstrom anprallt.
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Bei
dem vorliegenden Aufbau kann der Kontaktabschnitt 24 des
Zylinders ständig mit der unteren Endfläche 34 der
Drosselblendenplatte 30 in Kontakt sein. Im Ergebnis kann
die Steuerfähigkeit des Drucks in der Drucksteuerkammer 19 verbessert werden,
sodass die Nadel 14 präziser gesteuert werden
kann.
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Die
Ablenkfläche 27 erstreckt sich im Wesentlichen
in der axialen Richtung. Daher kann der zwischen dem Abschnitt 21 mit
kleinem Durchmesser und dem Abschnitt 22 mit großem
Durchmesser vorgesehene Stufenabschnitt 23 von dem Kraftstoffdurchlass 31 entfernt
angeordnet sein. Die kinetische Energie des Kraftstoffstroms von
dem Kraftstoffdurchlass 31 wird verringert, bevor der Kraftstoffstrom
den Stufenabschnitt 23 erreicht. Daher kann die Kraft reduziert
werden, die durch Anprallen des Kraftstoffstroms an dem Stufenabschnitt 23 zum Abwärtsdrücken
des Zylinders 20 verursacht wird. Außerdem ist
der Stufenabschnitt 23 eine Schräge, deren Außendurchmesser
von dem Abschnitt 21 mit kleinem Durchmesser zu dem Abschnitt 22 mit
großem Durchmesser zunimmt. Daher ist der Stufenabschnitt 23 selbst
in der Lage, die kinetische Energie des Kraftstoffstroms zu entschärfen.
Ferner ist die Ablenkfläche 27 in Umfangsrichtung über
die Außenwand des Zylinders 20 vorgesehen. Daher
muss die Position der Ablenkfläche 27 in der Umfangsrichtung nicht
an dem Kraftstoffdurchlass 31 ausgerichtet werden, wenn
der Zylinder 20 in dem Düsenhohlraum 20 angebracht
wird. Daher kann die Herstellungsarbeit vereinfacht werden.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das Piezo-Stellglied 52 und
der Antriebskraftübertragungsabschnitt 53 als
eine Antriebsvorrichtung zum Betätigen des Steuerventils 43 durch Übertragung
der Ausdehnung des Piezo-Stellglieds 52 vorgesehen. Alternativ
kann ein elektromagnetisches Stellglied als die Antriebsvorrichtung
verwendet werden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist das Steuerventil 43 ein Zwei-Stellungs-Drei-Wege-Ventil.
Alternativ kann das Steuerventil 43 ein Zwei-Stellungs-Zwei-Wege-Ventil
sein.
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Als
Nächstes wird unter Bezugnahme auf 3 bis 5 eine
Beziehung zwischen dem Durchmesser einer Öffnung 37 des
Kraftstoffdurchlasses 31, die sich zu dem Düsenhohlraum 12 öffnet, und
dem Abstand der Öffnung 37 zu dem Stufenabschnitt 23 des
Zylinders 20 beschrieben. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist, wie in 3 und 4 gezeigt
ist, der Durchmesser des Kraftstoffdurchlasses 31 größer
als der Abstand zwischen der Außenwand des Abschnitts 21 mit
kleinem Durchmesser des Zylinders 20 und der den Düsenhohlraum 12 definierenden
Innenwand. Dementsprechend überlappen sich ein Teil eines
offenen Endes 37 des Kraftstoffdurchlasses 31 und
der Düsenkörper 11 miteinander. Daher
ist die Durchlassfläche der Öffnung 37 des
Kraftstoffdurchlasses 31, die sich zu dem Düsenhohlraum 12 öffnet,
kleiner als die Durchlassfläche des offenen Endes 36.
In der vorliegenden Struktur überlappen sich ein Teil des
offenen Endes 36 und des Düsenkörpers 11 miteinander,
wie dies in 4 gezeigt ist, und daher hat
die Öffnung 37 keine kreisförmige Gestalt.
Insbesondere ist durch die den Düsenhohlraum 12 definierende
Innenwand ein Teil des kreisförmigen Teils der Öffnung 37 abgeschnitten,
wie dies durch die schraffierte Fläche zwischen dem Zylinder 20 und
dem Düsenhohlraum 12 gezeigt ist.
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Unter
Bezugnahme auf 3 kann die Ablenkfläche 27 verlängert
werden, indem die Länge des Abschnitts 21 mit
kleinem Durchmesser bezüglich seiner Axialrichtung vergrößert
wird. Außerdem kann sich der Stufenabschnitt 23 weiter
von der Öffnung 37 beabstandet befinden, indem
der Abschnitt 21 mit kleinem Durchmesser bezüglich
der Länge in der Axialrichtung verlängert wird.
Dadurch kann ein Einfluss des Kraftstoffstroms von der Öffnung 37 gegen
den Stufenabschnitt 23 reduziert werden. Somit kann der
Kontaktabschnitt 24 des Zylinders 20 daran gehindert
werden, sich von der unteren Endfläche 34 der
Drosselblendenplatte 30 wegzubewegen.
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5 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Verhältnis
x/d und einem Verhältnis F/F0 zeigt. Das Verhältnis
x/d wird berechnet, indem die Strecke x von der Öffnung 37 zu
dem Stufenabschnitt 23 durch den Öffnungsdurchmesser
d der Öffnung 37 geteilt wird. Das Verhältnis
F/F0 wird berechnet, indem die auf den Stufenabschnitt 23 des
Zylinders 20 ausgeübte Last F durch die von dem
Kraftstoffstrom unmittelbar stromabwärts der Öffnung 37 ausgeübte
Anpralllast F0 geteilt wird. In 5 ist der Öffnungsdurchmesser
d ein hydraulischer Äquivalenzdurchmesser, der ein Durchmesser
eines kreisförmigen Rohrs ist, das äquivalent
zu der Öffnung 37 ist. Insbesondere kann der Öffnungsdurchmesser durch
die folgende Gleichung (1) berechnet werden, in der A die Öffnungsfläche
der Öffnung 37 bezeichnet und L einen benetzten
Umfang der Öffnung 37 bezeichnet. d = 4A/L (1)
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Die
Strecke x ist eine Weite von der Öffnung 37 zu
einer Stelle in dem Stufenabschnitt 23, an der die Geschwindigkeit
des Kraftstoffstroms in einer Strömungsverteilung des Kraftstoffstroms
von der Öffnung 37 am höchsten ist. In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, wie in 3 gezeigt
ist, die Strecke x die Weite von der Öffnung 37 zu
dem Ende des Stufenabschnitts 23 an der Seite des Abschnitts 22 mit
großem Durchmesser. Die Anpralllast F0 des Kraftstoffstroms
kann durch die folgende Gleichung (2) berechnet werden. In der Gleichung
(2) bezeichnet ρ die Dichte des Kraftstoffs und u bezeichnet
die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs in der Öffnung 37. F0 = ∫A(ρ/2u2)ds (2)
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Die
an dem Stufenabschnitt 23 anliegende Last F ist ein integrierter
Wert der Druckverteilung in dem Stufenabschnitt 23. Die
Druckverteilung in dem Stufenabschnitt 23 kann durch Simulation
oder dergleichen ermittelt werden.
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Wie
in 5 gezeigt ist, wird der Wert von F/F0 mit größer
werdendem Wert von x/d klein. Das heißt, wenn die Strecke
x relativ zu einem bestimmten Wert des Öffnungsdurchmessers
d groß wird, dann wird der Einfluss des Kraftstoffstroms
gegen den Zylinder 20 klein. Gemäß dem
Graph in 5 nimmt der Wert von F/F0 signifikant
ab, wenn der Wert von x/d gleich oder größer als
2 ist. Wenn der Wert von x/d größer als 3 ist,
das heißt, in einem Bereich liegt, in dem die Beziehung
von x ≥ 3d erfüllt ist, wird der Wert von F/F0
bei einem niedrigen Wert von kleiner als 0,4 konstant. Dementsprechend
ist die Strecke x bevorzugter Weise gleich oder größer
als 3d.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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Wie
in 6 gezeigt ist, unterscheidet sich in dem zweiten
Ausführungsbeispiel ein Kraftstoffdurchlass 31a von
dem Kraftstoffdurchlass 31 des ersten Ausführungsbeispiels.
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Der
Durchmesser eines offenen Endes 36a des Kraftstoffdurchlasses 31a ist
gleich oder kleiner als der Abstand zwischen der Außenwand
des Abschnitts 31 mit kleinem Durchmesser des Zylinders 20 und
der den Düsenhohlraum 12 definierenden Innenwand.
Der Abstand von der Mittelachse des Düsenhohlraums 12 zu
der den Kraftstoffdurchlass 31a an der radial äußeren
Seite definierenden Innenwand stimmt im Wesentlichen mit dem Abstand
von der Mittelachse des Düsenhohlraums 12 zu der
den Düsenhohlraum 12 definierenden Innenwand überein.
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Das
heißt, der Düsenhohlraum 12 hat eine imaginäre
Mittelachse an einem ersten Abstand radial von einer den Kraftstoffdurchlass 31a definierenden
ersten Innenwand an einer radialen Außenseite. Die imaginäre
Mittelachse des Düsenhohlraums 12 liegt bei einem
zweiten Abstand radial von einer den Düsenhohlraum 12 definierenden
zweiten Innenwand. Der erste Abstand ist im Wesentlichen gleich zu
dem zweiten Abstand. Alternativ kann der erste Abstand gleich oder
kleiner als der zweite Abstand sein.
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Bei
dem vorliegenden Aufbau überlappen sich das offene Ende 36a des
Kraftstoffdurchlasses 31a und der Düsenkörper 11,
anders wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, nicht miteinander.
Daher ist die Durchlassfläche einer Öffnung 37a des
Kraftstoffdurchlasses 31a, der mit dem Düsenhohlraum 12 in
Verbindung ist, im Wesentlichen gleich zu der Durchlassfläche
des offenen Endes 36a. Somit ist der Öffnungsdurchmesser
d der Öffnung im Wesentlichen der gleiche wie der Durchmesser
des offenen Endes 36a des Kraftstoffdurchlasses 31a und
der Durchmesser der Öffnung 37a.
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In
diesem Fall zeigt die an dem Stufenabschnitt 23 anliegende
Kraft zudem eine Tendenz, die ähnlich zu der in 5 gezeigten
Beziehung ist. Insbesondere kann der Einfluss des die Öffnung 37a passierenden
Kraftstoffstroms in einem Bereich signifikant reduziert werden,
in dem die Beziehung von x ≥ 3d erfüllt ist, wodurch
der Kontaktabschnitt 24 des Zylinders 20 daran
gehindert werden kann, von der unteren Endfläche 34 der
Drosselblendenplatte 30 abgenommen zu werden.
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Die
Anzahl der Düsenlöcher 13 kann Eins betragen.
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Die
vorgenannten Strukturen der Ausführungsbeispiele können
wie geeignet kombiniert werden. Es sollte erkannt werden, dass,
obwohl die Abläufe der Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung hier so beschrieben wurden, dass sie eine bestimmte
Abfolge von Schritten aufweisen, weitere alternative Ausführungsbeispiele
einschließlich verschiedener anderer Abläufe dieser
Schritte und/oder zusätzlicher, hier nicht offenbarter,
Schritte als in den Schritten der vorliegenden Erfindung enthalten
beabsichtigt sind.
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Verschiedene
Modifikationen und Abänderungen können auf unterschiedliche
Weise an den vorliegenden Ausführungsbeispielen vorgenommen werden,
ohne von dem Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Ein
Kraftstoffeinspritzventil hat ein Gehäuse (11)
mit einer Wandfläche (34) an einer einem Düsenloch
(13) entgegengesetzten Seite. Ein Kraftstoffdurchlass (31) öffnet
sich in der Wandfläche (34) und ist durch einen
Düsenhohlraum (12) mit dem Düsenloch
(13) in Verbindung.
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Der
Düsenhohlraum (12) nimmt ein Ventilelement (14)
auf. Ein Zylinder (20) ist an einem Ende mit der Wandfläche
(34) im Wesentlichen in Kontakt und nimmt ein Ende des
Ventilelements (14) gleitfähig auf. Der Zylinder
(20) teilt den Düsenhohlraum (12) im
Wesentlichen in eine Kraftstoffspeicherkammer (18) und
eine Drucksteuerkammer (19). Die Kraftstoffspeicherkammer
(18) speichert den von dem Kraftstoffdurchlass (31)
zugeführten Kraftstoff. Die Drucksteuerkammer (19)
speichert Kraftstoff zum Betätigen des Ventilelements (14).
Der Zylinder (20) hat eine Außenwand, die eine
Ablenkfläche (27) definiert, um den von dem Kraftstoffdurchlass
(31) strömenden Kraftstoff radial nach außen
abzulenken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6705551
B1 [0002, 0005]
- - JP 2003-506622 A [0002]