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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor der im Oberbegriff des
Anspruches 1 angegebenen Art.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, zur Einbringung von Kraftstoffen indirekt einspritzende
Dieselmotoren hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren einzusetzen. Damit
wird der Vorteil geboten, den Einspritzdruck an Last- und Drehzahl
anpassen zu können.
Die Ansteuerung der Injektoren kann beispielsweise durch einen Piezoaktor
direkt oder unter Zwischenschaltung eines Servo-Steuerraumes erfolgen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Kraftstoffinjektor zu schaffen, der
auch bei stark veränderlichen
Betriebstemperaturen ein reproduzierbares Betriebsverhalten zeigt,
außerdem
sollen bei Dichtelementen vergleichsweise große Toleranzen möglich sein.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass der Aktor mit der Düsennadel
hydraulisch gekoppelt ist, indem der Aktor mit einem Geberkolben,
der in einem vom Hochdruckraum abgetrennten Kopplungsraum verdrängerwirksam
arbeitet, und die Düsennadel
mit einem im Kopplungsraum verdrängerwirksam
arbeitenden Nehmerkolben antriebsverbunden ist. Außerdem ist
vorgesehen, dass ein mit einem relativ drucklosen Kraftstoffreservoir
kommunizierender Niederdruckraum vorhanden ist, welcher als Arbeitsraum für ein Verdrängerteil
am Geber- oder Nehmerkolben ausgebildet ist, wobei ein Dichtungsspalt,
der zwischen relativ zueinander verdrängerwirksam verschiebbaren
Teilen angeordnet und vom Kopplungsraum zum Niederdruckraum erstreckt
ist, zwischen dem Kopplungsraum und dem Niederdruckraum mit dem
Hochdruckraum kommuniziert.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, durch eine hydraulische
Kopplung von Aktor und Düsennadel
die beim Betrieb auftretenden Temperaturschwankungen sowie die damit
einhergehenden Maßänderungen
von Injektorelementen zu kompensieren.
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Indem
an einem der Kopplungskolben ein Verdrängerteil angeordnet ist, welches
in einem erfindungsgemäß vorgesehenen
Niederdruckraum verdrängerwirksam
arbeitet, kann die für
den Öffnungshub
der Düsennadel
benötigte
Stellkraft bzw. die für den Öffnungshub
aufzubringende Energie vermindert werden. Zwar bringt eine solche
Anordnung prinzipiell die Schwierigkeit mit sich, dass ein vom Kopplungsraum
zum Niederdruckraum erstreckter Dichtungsspalt zwischen relativ
zueinander verdrängerwirksam
verschiebbaren Teilen vorhanden sein muss, so dass grundsätzlich die
Gefahr einer unerwünschten
Druckminderung im Kopplungsraum durch einen vom Kopplungsraum zum
Niederdruckraum auftretenden Leckagestrom besteht. Jedoch wird diese
Gefahr erfindungsgemäß dadurch
beseitigt, dass der genannte Dichtungsspalt zwischen Kopplungsraum
und Niederdruckraum mit dem Hochdruckraum kommuniziert. Damit ist
gewährleistet,
dass lediglich ein Leckagestrom vom Hochdruckraum zum Kopplungsraum
auftreten kann und der Kopplungsraum ständig etwa gleichen Druck wie
der Hochdruckraum aufweist.
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Im Übrigen wird
hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und
die nachfolgende Erläuterung
der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung näher
dargestellt wird. Schutz wird nicht nur für ausdrücklich angegebene oder dargestellte
Merkmals kombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Kombinationen
der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt die einzige Figur einen Axialschnitt einer bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der
in der Zeichnung dargestellte Kraftstoffinjektor 1 besitzt
einen Injektorkörper
bzw. ein Injektorgehäuse 2,
welcher bzw. welches einen ersten Druckraum 3, einen zweiten
Druckraum 4 sowie einen daran anschließenden dritten Druckraum 5 aufnimmt.
Die Druckräume 3 bis 5 sind
miteinander kommunizierend verbunden, indem ein zwischen dem ersten
und dem zweiten Druckraum 3 und 4 angeordneter
Zwischenboden 6 des Injektorkörpers 2 von einer
die Druckräume 3 und 4 verbindenden
Axialbohrung 7 durchsetzt wird. Der Druckraum 5 dient als
Axialführung
einer Düsennadel 8,
die am in der Zeichnung unteren Ende des Druckraumes 5 angeordnete
Einspritzdüsen 9 steuert, über die
der Druckraum 5 mit einem nicht dargestellten Brennraum
eines Verbrennungsmotors verbindbar ist. In der Zeichnung nimmt
die Düsennadel 8 ihre
die Düsen 9 absperrende
Schließlage
ein, in der das düsenseitige Ende
der Düsennadel 8 mit
einer düsenseitigen
Ringkante dicht auf einem die Eingänge der Düsen 9 mit radialem
Abstand umschließenden
ringförmigen
Düsennadelsitz
aufsitzt, so dass innerhalb des Druckraumes 5 ein Düseneingangsraum 10 von
einem zwischen der axialen Innenwand des Druckraumes 5 und
der Außenwand
der Düsennadel 8 verbleibenden
Ringraum abgetrennt wird.
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Dieser
Ringraum kommuniziert ständig
mit dem Druckraum 4. Zu diesem Zweck ist die Düsennadel 8,
welche in einem an den Druckraum 4 angrenzenden erweiterten
oberen Axialabschnitt des Druckraumes 5 mit an der Düsennadel
angeordneten Axialstegen oder dergleichen axial verschiebbar geführt ist,
so ausgebildet, dass zwischen den vorgenannten Axialstegen den Druckraum
mit dem vorgenannten Ringraum verbindende Freiräume verbleiben. Wenn die Düsennadel 8 ihre
vom Sitz an den Einspritzdüsen 9 abgehobene
Offenlage einnimmt, ist der Düseneingangsraum 10 über die
Druckräume 5 und 4 sowie
die Axialbohrung 7 im Zwischenboden und den Druckraum 3 mit
einem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffspeicher 11 verbunden,
der typischerweise als „Common
Rail” ausgebildet
ist und über
eine Anschlussleitung 12 mit dem Druckraum 3 kommuniziert.
Damit kann unter Hochdruck stehender Kraftstoff über die Einspritzdüsen 9 in
den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt werden.
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Zur
Betätigung
der Ventilnadel 8 dient ein im dargestellten Beispiel als
piezoelektrisches Element ausgebildeter Aktor 13, der über elektrische
Leitungen 14 mit einer elektrischen Spannungsquelle verbindbar
und mit der Düsennadel 8 hydraulisch
gekoppelt ist. Die hydraulische Kopplung erfolgt dadurch, dass ein
mittels des Aktors 13 hubbeweglicher Geberkolben 15 in
einem Kopplungsraum 16 verdrängerwirksam arbeitet, der über eine
den Zwischenboden 6 durchsetzende Leitung 17 mit
einem Kopplungsraum 18 kommuniziert, in welchem ein an
der Düsennadel 8 angeordneter
Nehmerkolben 19 verdrängerwirksam
arbeitet. Wenn also der Geberkolben 15 eine den Kopplungsraum 16 verkleinernde Abwärtsbewegung
ausführt,
wird Fluid aus dem Kopplungsraum 16 über die Leitung 17 in
den Kopplungsraum 18 ausgeschoben, so dass der Nehmerkolben 19 mit
der Düsennadel 8 eine
Abwärtsbewegung
in Richtung der Schließlage
der Düsennadel 8 ausführt. Umgekehrt
nimmt der Kopplungsraum 16 bei Aufwärtsbewegung des Geberkolbens 15 Fluid aus
dem Kopplungsraum 18 auf, so dass der Nehmerkolben 19 mit
der Düsennadel 8 in
Aufwärtsrichtung,
das heißt
in eine Offenlage der Düsennadel 8 bewegt
wird. Da die verdrängerwirksamen
Kolbenquerschnitte von Geber- und Nehmerkolben 15 und 19 unterschiedlich
sind, wird eine entsprechende Hubübersetzung bewirkt, wobei das Übersetzungsverhältnis invers
zum Verhältnis
der verdrängerwirksamen
Querschnitte ist.
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Der
Kopplungsraum 16 wird vom Druckraum 3 durch eine
Dichthülse 20 abgetrennt,
die auf dem Geberkolben 15 verschiebbar geführt und
mittels einer Schraubendruckfeder 21, welche zwischen einem
am Geberkolben 15 angeordneten Ringbund und dem zugewandten
Stirnrand der Dichthülse 20 eingespannt
ist, gegen die dem Geberkolben 15 zugewandte Stirnseite
des Zwischenbodens 6 gespannt wird, wobei die Dichthülse 20 mit
einer scharfen Ringkante auf einer Ringlinienzone des Zwischenbodens 6 dicht
aufsitzt. In ähnlicher
Weise wird der Kopplungsraum 18 vom Druckraum 4 durch
eine Dichthülse 22 abgetrennt,
die auf dem Nehmerkolben 19 verschiebbar geführt und
mittels einer zwischen einem Ringbund am Nehmerkolben 19 und dem
zugewandten Stirnrand der Dichthülse 22 eingespannten
Schraubendruckfeder 23 gegen die dem Nehmerkolben zugewandte
Stirnseite des Zwischenbodens 6 gespannt wird, wobei die
Dichthülse 22 mit einer
scharfen Ringkante auf einer entsprechenden Ringlinienzone auf der
in der Zeichnung unteren Stirnseite des Zwischenbodens 6 dicht
aufsitzt. Die genannte Schraubendruckfeder 23 spannt gleichzeitig
die Düsennadel 8 in
die zeichnerisch dargestellte Schließlage.
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Im
Nehmerkolben 19 ist eine zum Kopplungsraum 18 offene
Sackbohrung 24 angeordnet, welche gegenüber dem Kopplungsraum 18 durch
einen in die Sackbohrung 24 hineinragenden, stationär am Zwischenboden 6 abgestützten Plunger 25 abgesperrt
wird. Der Plunger 25 wird von einer Axialbohrung durchsetzt,
die über
eine den Zwischenboden 6 durchsetzende Leitung 26 mit
einem relativ drucklosen Kraftstoffreservoir, beispielsweise einem
Kraftstofftank (nicht dargestellt) verbunden ist. Dementsprechend
steht ein zwischen dem Boden der Sack bohrung 24 und dem
zugewandten Stirnende des Plungers 25 verbleibender Niederdruckraum 27 ständig unter
dem praktisch verschwindenden Druck des Kraftstoffreservoirs bzw.
-tanks.
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Der
Plunger 25 wird an der zugewandten Seite des Zwischenbodens 6 durch
fluidische Kräfte festgehalten.
Zu diesem Zweck besitzt das dem Zwischenboden 6 zugewandte
Endstück
des Plungers 25 eine gegenüber dem Querschnitt des Plungers 25 bzw.
der Sackbohrung 24 deutlich vergrößerten Querschnitt, wobei innerhalb
der dem Zwischenboden 6 zugewandten Seite des genannten
Endstückes ein
scheibenförmiger
Raum 28 ausgespart ist, dessen Durchmesser deutlich größer ist
als der Außendurchmesser
des Plungers 25 bzw. der Innendurchmesser der Sackbohrung 24.
Dieser scheibenförmige
Raum 28 steht in Verbindung mit der Leitung 26 zum
relativ drucklosem Kraftstoffreservoir bzw. -tank, so dass der im
Kopplungsraum 18 vorliegende, dem Druck in den Druckräumen 3 und 4 entsprechende Druck,
welcher im Wesentlichen dem Druck im Druckspeicher 11 entspricht,
das Endstück
des Plungers mit entsprechend großer Kraft gegen die zugewandte
Stirnseite des Zwischenbodens 6 andrückt, wobei das Endstück mit einer
den scheibenförmigen Raum 28 umfassenden
scharfen Ringkante auf einer ringlinienförmigen Zone des Zwischenbodens 6 dicht aufsitzt.
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Im Übrigen wird
das genannte Endstück
des Plungers 25 noch durch eine im Niederdruckraum 27 untergebrachte
und zwischen dem Boden der Sackbohrung 24 und dem zugewandten
Stirnende des Plungers 25 eingespannte Schraubendruckfeder 29 gegen
den Zwischenboden gespannt. Die Schraubendruckfeder 29 dient
jedoch im Wesentlichen nur als Montagehilfsmittel und darf dementsprechend schwach
dimensioniert sein. Während
des Betriebes des Injektors 1 ist die Schraubendruckfeder 29 praktisch
bedeutungslos, denn der Plunger 25 wird durch hydraulische
Kräfte
am Zwischenboden 6 festgehalten.
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Am
Nehmerkolben 19 ist außerhalb
der Dichthülse 22 eine
mit dem Druckraum 4 kommunizierende Radialleitung 30 ausgebildet,
die mit einem den Plunger 24 umfassenden Ringraum 31 innerhalb des
Nehmerkolbens 19 kommuniziert. Dieser Ringraum 31 kommuniziert
seinerseits mit dem Dichtspalt zwischen dem Außenumfang des Plungers 25 und
dem Innenumfang der Sackbohrung 24. Der Zweck der Radialleitung 30 sowie
des Ringraumes 31 wird weiter unten erläutert.
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Der
dargestellte Kraftstoffinjektor 1 funktioniert wie folgt:
In der in 1 dargestellten Ruhelage, das
heißt
bei in Schließstellung
befindlicher Düsennadel 8 haben
die Kopplungsräume 16 und 18 im Wesentlichen
gleichen Druck wie die diese Kopplungsräume umgebenden Druckräume 3 und 4.
Dies wird einerseits dadurch gewährleistet,
dass der Ringspalt zwischen Außenumfang
des Geberkolbens 15 und Innenumfang der Dichthülse 20 eine
gedrosselte Verbindung des Kopplungsraumes 16 mit dem Druckraum 3 darstellt
und zwischen dem Druckraum 4 und dem Kopplungsraum 18 eine
entsprechende Verbindung über
den Dichtspalt zwischen der Dichthülse 22 und dem Nehmerkolben 19 gebildet
wird. Außerdem
ist der Druckraum 4 über
die Radialleitung 30 sowie den Ringraum 31 mit
dem zum Kopplungsraum 18 führenden Teil des Dichtspaltes
zwischen Außenumfang
des Plungers 25 und Innenumfang der Sackbohrung 24 gedrosselt
verbunden. Im Ergebnis werden also die Kopplungsräume 16 und 18 durch Leckageströme aus den
Druckräumen 3 und 4 in
der dargestellten Ruhelage des Kraftstoffinjektors auf den Druck
des mit den Druckräumen 3 und 4 verbundenen
Kraftstoffspeichers 11 gebracht, während die Düsennadel 8 von der
Schraubendruckfeder in die Schließlage gebracht bzw. in der
Schließlage
gehalten wird. Da die Radialleitung 30 und der Ringraum 31 axial
zwischen dem Niederdruckraum 27 und dem Kopplungsraum 18 angeordnet
sind, hat der Kopplungsraum 18 über den Dichtspalt zwischen
dem Außenumfang
des Plungers 25 und dem Innenumfang der Sackbohrung 24 keine
unmittelbare Verbindung zum Niederdruckraum 27.
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In
der dargestellten Ruhelage ist der piezoelektrische Aktor 13 über die
Leitungen 14 mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden
und dementsprechend elektrisch aufgeladen, so dass er seinen axial
langen Zustand hat und der Geberkolben 15 seine untere
Totpunktlage einnimmt. Wird der Aktor 13 von der elektrischen
Spannungsquelle abgekoppelt und entladen, verkürzt er sich, so dass der Geberkolben 15 von
der Schraubendruckfeder 21 in die obere Totpunktlage geschoben
wird. Dabei vergrößert sich
der Kopplungsraum 16 und nimmt Fluid aus dem Kopplungsraum 18 auf,
wobei der Nehmerkolben in der Zeichnung nach oben bewegt wird und die
Düsennadel 8 öffnet. Bei
diesem Öffnungshub müssen vergleichsweise
geringe Stellkräfte
auf die Düsennadel 8 ausgeübt werden,
weil der Boden der Sackbohrung 24 lediglich von dem verschwindenden Druck
im Niederdruckraum 27 beaufschlagt wird. Wird nachfolgend
der piezoelektrische Aktor 13 wieder mit der elektrischen
Spannungsquelle verbunden und elektrisch aufgeladen, so wird der
Geberkolben 15 wieder in die dargestellte untere Totpunktlage
gebracht und die Düsennadel 8 wird
in die dargestellte Schließlage
geschoben. Um auch hier mit geringen Stellkräften arbeiten zu können, ist
zwischen dem Druckraum 4 und dem Düseneingangsraum 10 eine Drossel 32 angeordnet,
an der bei geöffneter
Düsennadel,
das heißt
bei einer Fluidströmung
vom Druckraum 4 zum Düseneingangsraum 10 und
weiter über die
Düsen 9 zum
Brennraum, eine Druckdifferenz auftritt, mit der Folge, dass im
Düseneingangsraum 10 nur
ein gegenüber
dem Druck im Kraftstoffspeicher 11 verminderter Druck auftreten
kann. Im Ergebnis werden damit die in Öffnungsrichtung der Düsennadel 8 wirkenden
hydraulischen Kräfte
vermindert, und die Düsennadel 8 kann
mit vergleichsweise geringen Stellkräften in ihre Schließlage gebracht
werden.
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Da
somit sowohl für
den Öffnungs-
als auch den Schließhub
der Düsennadel 8 nur
verminderte Stellkräfte
benötigt
werden, kann der Aktor 13 vergleichsweise schwach dimensioniert
sein.
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Die
genannte Bypassdrossel 32 kann, wie dargestellt, in konstruktiv
einfacher Weise dadurch realisiert werden, dass an der Düsennadel 8 ein Ringflansch
angeordnet ist, dessen Außenumfang zusammen
mit dem Innenumfang des Druckraumes 5 eine Ringspaltdrossel
bildet.
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Durch
entsprechende Bemessung der Bypassdrossel 32 sowie des
Querschnittes der Sackbohrung 24 bzw. des darin angeordneten
Plungers 25 kann der Energiebedarf für den Öffnungs- sowie den Schließhub der
Düsennadel 8 gering
gehalten werden, so dass ein vergleichsweise leistungsschwacher
Aktor 13 zur Steuerung der Düsennadel 8 genügt.
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Die
oben beschriebene hydraulische Kopplung von Geber- und Nehmerkolben 15 und 19 bewirkt
auch ohne weitere konstruktive Maßnahmen einen Ausgleich von
Temperaturdehnungen, so dass keine weiteren Vorkehrungen zur Kompensation
von Schwankungen der Betriebstemperatur des Kraftstoffinjektors 1 notwendig
werden.
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In
der die Kopplungsräume 16 und 18 verbindenden
Leitung 17 kann eine Drossel angeordnet sein, bzw. die
Leitung 17 kann als Drosselleitung ausgebildet sein, um
eine dämpfende
Wirkung auf die Kolbenhübe
auszuüben.
Dadurch kann das Betriebsverhalten des Kraftstoffinjektors 1 verbessert
werden.
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Die
obere Endlage der Düsennadel 8 sollte vorzugsweise
durch einen Anschlag definiert sein. Dieser kann beispielsweise
dadurch realisiert werden, dass die dem Zwischenboden 6 zugewandte Stirnseite
des Nehmerkolbens 19 in der obe ren Endlage anschlagartig
mit dem Endstück
am oberen Ende des Plungers 25 zusammenwirkt. Dabei wird zwischen
den einander zugewandten Flächen
des Nehmerkolbens 19 und des genannten Endstückes des
Plungers 25 ein Quetschspalt gebildet, aus dem beim Aufwärtshub des
Nehmerkolbens 19 Fluid unter Dämpfung der Aufwärtsbewegung
verdrängt
wird, so dass der Nehmerkolben 19 und die Düsennadel 8 kurz
vor Einnahme ihrer oberen Endlage gedämpft abgebremst werden.
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Die
Ausführungsform
der 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform
der 1 im Wesentlichen dadurch, dass der Nehmerkolben 19 in
einem am Zwischenboden 6 angeordneten Zylinder 32 verschiebbar
geführt
ist, der den Kopplungsraum 18 vom Druckraum 4 abtrennt.
Dabei ist der Innenumfang des Zylinders 32 stufenförmig ausgebildet,
das heißt
ein in der Zeichnung oberer Axialabschnitt des Zylinders 32 besitzt
einen kleineren Innendurchmesser als ein in der Zeichnung unterer
Axialabschnitt des Zylinders 32. In entsprechender Weise
ist der Nehmerkolben 19 als Stufenkolben ausgebildet, derart,
dass axial zwischen den Stufen des Nehmerkolbens 19 und
des Innenumfangs des Zylinders 32 ein Ringraum ausgebildet
wird, der über
eine den Zylinder 32 axial durchsetzende Bohrung 33 mit
der zum relativ drucklosen Kraftstofftank führenden Leitung 26 im
Zwischenboden 6 verbunden ist. Dementsprechend bildet der
genannte Ringraum einen Niederdruckraum 27', der dem Niederdruckraum 27 der 1 funktional
entspricht. Außerdem
ist am Nehmerkolben 19 axial zwischen dem genannten Niederdruckraum 27' und dem Kopplungsraum 18 eine
in Achsrichtung des Kolbens breite Umfangsnut 34 ausgebildet,
durch die innerhalb des Zylinders 32 ein Ringraum gebildet
wird. Dieser Ringraum, das heißt der
Innenraum der Umfangsnut 34, ist über einen Radialkanal 35 ständig, zumindest
in der dargestellten Schließlage
der Düsennadel 8 mit
dem Druckraum 4 verbunden. Damit ist gewährleistet,
dass der Kopplungsraum 18 zumindest in der dargestellten
Schließlage
der Düsennadel 8 über den
Ringspalt zwischen dem Außenumfang
des Nehmerkolbens 19 und dem Innenumfang des Zylinders 32 eine
gedrosselte Verbindung mit dem Druckraum 4 hat.