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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere einen
Common-Rail-Injektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einem Brennraum
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Einhaltung von Schadstoffgrenzwerten hat bei der Entwicklung von
Verbrennungsmotoren die höchste Priorität. Gerade
das Common-Rail-Einspritzsystem hat einen entscheidenden Beitrag
zur Reduzierung der Schadstoffe geleistet. Der Vorteil der Common-Rail-Systeme
liegt in der Unabhängigkeit des Einspritzdrucks von Drehzahl
und Last begründet. Für die Einhaltung zukünftiger
Abgaswerte ist jedoch gerade bei Dieselmotoren eine signifikante Erhöhung
des Einspritzdruckes notwendig.
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Neuste
Kraftstoff-Injektoren, wie beispielsweise der in der
DE 10 2007 021 330 beschriebene Kraftstoff-Injektor
werden leckagearm ausgeführt, indem auf eine Niederdruckstufe
am Einspritzventilelement verzichtet wird. Bauteile wie der Injektorkörper (Gehäuseteil)
werden flächendeckend mit Hochdruck beaufschlagt, wodurch
im Vergleich zu früheren Kraftstoff-Injektoren ein völlig
neuer Belastungsfall entsteht. Gerade bei Raildrücken jenseits
von 2000 bar sind besonders Bauteilverschneidungen problematisch,
aber auch Materialfehler an unauffälligen Stellen führen
zu Ausfällen. Diese Ausfälle sind statisch bedingt.
Gerade wenn ein Bauteil großflächig mit Druck
beaufschlagt wird, wird es immer wahrscheinlicher, dass das Bauteil
unter hohen Druckbelastungen aufgrund eines Gefügefehlers
versagt. Diese Versagensart ist mit herkömmlichen Berechnungsverfahren
nur schwer zu bewerten, weil das Versagen nicht (immer) an Stellen
auftritt, die durch eine Spannungsspitze charakterisiert sind, sondern vielmehr
an Stellen, die von der Spannungsverteilung her weniger kritisch
sind.
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Daher
müssen zur Herstellung von Kraftstoff-Injektoren für
höchste Einspritzdrücke von wesentlich größer
als 2000 bar äußerst kostenintensive Spezialwerkstoffe
eingesetzt werden, wobei nicht nur der Werkstoff an sich, sondern
auch dessen Bearbeitung mit hohen Kosten verbunden ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen für höchste
Einspritzdrücke ausgelegten Kraftstoff-Injektor vorzuschlagen.
Bevorzugt soll dieser mit herkömmlichen Werkstoffen, wie
beispielsweise C45-Stahl, herstellbar sein.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einem Kraftstoff-Injektor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der
Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den
Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, einen radial zwischen dem
Injektorkörper (Gehäuseteil) und einem, vorzugsweise
als injektorseitigen Rail-Druckspeicher (Mini-Rail) ausgelegten,
Hochdruckraum angeordneten Ringraum in radialer Richtung mit einem
Hochdruckstutzen, also einem zumindest abschnittsweise hülsenförmigen
Element (Kanalbauteil) zu überbrücken, das den
von dem Einspritzventilelement durchsetzten Hochdruckraum, vorzugsweise
unmittelbar, mit dem Kraftstoff-Versorgungskanal verbindet, derart,
dass der über den Kraftstoff-Versorgungskanal zuströmende,
unter Rail-Druck stehende Kraftstoff, vorzugsweise drosselfrei,
direkt (unter Umgehung des Ringraums) in den Hochdruckraum gelangen
kann. Dabei ist der Ringraum derart angeordnet und hydraulisch angeschlossen,
dass in diesem während des Betriebs des Kraftstoff-Injektors
dauerhaft oder zeitweise ein geringerer Kraftstoff-Druck als im
Hochdruckraum und ein höherer Kraftstoff-Druck als im Niederdruckbereich,
insbesondere am Injektorrücklauf, des Kraftstoff-Injektors
herrscht. Auf diese Weise wird erreicht, dass auf die den Ringraum
radial innen begrenzende Umfangswand lediglich der Differenzdruck
aus dem Kraftstoff-Druck im Hochdruckraum und dem Kraftstoff-Druck
im Ringraum wirkt. Die auf den außen angeordneten Injektorkörper
wirkende Belastung ist ebenfalls reduziert, da dieser lediglich
dem im Vergleich zum Kraftstoffdruck im Hochdruckraum reduzierten
Kraftstoff-Druck im Ringraum ausgesetzt ist. Durch das Vorsehen
eines Ringraums mit geringerem Hydraulikdruck als der Hochdruckraum
wird der Druck also von radial innen nach radial außen
stufenweise abgebaut, so dass kritische Materialbelastungen vermieden
werden können. Insbesondere druckempfindliche Verschneidungen
im Bereich der Ausmündungsöffnung des Versorgungskanals
sind nicht wie bei bekannten Kraftstoff-Injektoren mit dem maximalen
Rail-Druck, sondern le diglich mit dem reduzierten Hydraulikdruck
des Ringraums beaufschlagt. Gerade die Bauteilverschneidung am Hochdruckzulauf
weist besonders hohe Materialspannungen auf, die dafür
verantwortlich sind, dass heutige Serieninjektorkörper
kein Potential für eine weitere Drucksteigerung haben.
Das Vorsehen eines Hochdruckstutzens zur Überbrückung
des Ringraums stellt eine elegante und konstruktiv einfache sowie
effiziente Möglichkeit dar den Ringraum zu überbrücken
und den zuströmenden Kraftstoff direkt in den Hochdruckraum
zu leiten. Auf diese Weise ist es möglich, dass auch Injektorkörper
für weit über 2000 bar ausgelegte Kraftstoff-Injektoren
mit herkömmlichen Werkstoffen, wie C45-Vergütungsstahl,
ausgeführt werden können, insbesondere dann, wenn
der Kraftstoffdruck im Ringraum etwa 1800 bar nicht überschreitet.
Soll der Druck im Hochdruckraum des Kraftstoff-Injektors beispielsweise
maximal 2000 bar betragen, ist es in der Regel ausreichend, dass
die Druckdifferenz zwischen dem Ringraum und dem Hochdruckraum nur etwa
200 bar beträgt.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Hochdruckstutzen
abschnittsweise in dem Kraftstoff-Versorgungskanal aufgenommen ist,
bevorzugt derart, dass ein Kraftstoff-Austritt aus dem Kraftstoff-Versorgungskanal
unmittelbar in den Ringraum vermieden wird. Es ist auch eine Ausführungsform
denkbar, bei der von dem Hochdruckstutzen oder von einem Spalt zwischen
dem Hochdruckstutzen und der Innenumfangswand des Kraftstoff-Versorgungskanals
eine später noch zu erläuternde Ringraumzulaufdrossel
gebildet ist, durch die druckgedrosselter Kraftstoff in den Ringraum
einströmen kann.
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Zur
Gewährleistung einer robusten Kraftstoff-Injektor-Konstruktion
ist eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Hochdruckstutzen
im Kraftstoff-Versorgungskanal festgelegt ist. Dabei ist eine Ausführungsform
besonders bevorzugt, bei der der Hochdruckstutzen in den Kraftstoff-Versorgungskanal
(Hochdruckzulauf) eingepresst ist. Alternativ kann auch eine Schraubverbindung
vorgesehen werden. Der aus dem Kraftstoff-Versorgungskanal herausragende
und den Ringraum überbrückende Hochdruckstutzen
erstreckt sich bevorzugt bis in eine Öffnung in einem Injektorbauteil,
welches den Ringraum radial innen und den Hochdruckraum radial außen
begrenzt. Dabei ist die Öffnung bevorzugt derart konturiert,
dass sich diese in radialer Richtung nach innen verjüngt,
um somit einen festen Sitz des Hochdruckstutzens zu garantieren
und eine flüssigkeitsdichte Verbindung zu schaffen. Es
ist auch eine Ausführungsform realisierbar, bei der in
einem Bereich zwischen der Öffnung und dem Hochdruckstutzen
eine später noch zu erläuternde Ringraumzulaufdrossel
realisiert ist, durch die Kraftstoff gedrosselt in den Ringraum
strömen kann.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass der
Hochdruckstutzen zusätzlich zu seiner Ringraumüberbrückungsfunktion
die Funktion eines, insbesondere als Spaltfilter ausgebildeten,
Kraftstofffilters übernimmt. Hierzu weist der Hochdruckstutzen
bevorzugt in seinem im Hochdruckversorgungskanal aufgenommenen Abschnitt Bohrungen
mit minimalem Bohrungsquerschnitt auf. Bei heutigen serienmäßigen
Kraftstoff-Injektoren ist ein Spaltfilter als zusätzliches
Bauteil in den Hochdruckzulauf eingepresst. Besonders bevorzugt
ist eine Ausführungsform, bei der die Filterfunktion über Laserlöscher
realisiert ist, die beson ders bevorzugt radial in den Hochdruckstutzen
eingebracht sind.
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Im
Hinblick auf die axiale Ausdehnung des Ringraums gibt es unterschiedliche
Realisierungsmöglichkeiten. Für den Fall, dass
nur eine Bauteilverschneidung im Bereich der Mündungsöffnung
des Kraftstoff-Versorgungskanals vor maximalem Rail-Druck geschützt
werden soll ist es ausreichend den Ringraum im Wesentlichen nur
im Bereich dieser Bauteilsverschneidung, also mit vergleichsweise
geringer Axialerstreckung auszubilden. Insbesondere bei einer derartigen
Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn nicht nur in einem
Bereich axial unterhalb des Ringraums Hochdruck (Rail-Druck) herrscht, sondern
auch in einem Bereich axial oberhalb des Ringraums, also in einem
dem Injektorkopf zugewandten Bereich. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert
werden, dass der Hochdruckraum hydraulisch, vorzugsweise zumindest
näherungsweise drosselfrei, mit einem axial oberhalb des
Ringraums angeordneten Hochdruck-Ringraum verbunden ist. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass eine einen, einem Steuerventil zugeordneten,
Steuerraum in axialer Richtung nach unten begrenzende Führung für
das Einspritzventilelement von radial außen mit Hochdruck
beaufschlagt ist, wodurch eine Aufweitung der Führung und
Betrieb des Kraftstoff-Injektors vermieden und damit Leckageverluste
minimiert werden.
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Insbesondere
dann, wenn das Gehäuse des Kraftstoff-Injektors weitgehend
vor maximalem Rail-Druck geschützt werden soll, ist eine
Ausführungsform bevorzugt, bei der der Ringraum sich in axialer
Richtung über den Injektorkörper hinaus bis in einen
in eine Düsenlochanordnung aufweisenden Düsenkörper
hinein erstreckt. Bevorzugt ist der Ringraum dabei derart dimensioniert,
dass er sich zumindest näherungsweise über die
gesamte Axialerstreckung des Hochdruckraums erstreckt, also zumindest
näherungsweise den gesamten Hochdruckraum radial außen
umgibt.
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Zur
Erzielung der benötigen Druckabsenkung im Ringraum ist
es denkbar, eine in Reihe geschaltete Drosselkombination zu realisieren,
die mindestens eine zuvor bereits erwähnte Ringraumzulaufdrossel
und mindestens eine Ringraumablaufdrossel umfasst, wobei über
die Ringraumzulaufdrossel unter Hochdruck, insbesondere zumindest näherungsweise
unter Rail-Druck, stehender Kraftstoff in den Ringraum zuströmen
kann. Über die mindestens eine Ringraumablaufdrossel kann
Kraftstoff wiederum aus dem Ringraum in Richtung des Niederdruckbereichs
des Kraftstoff-Injektors abströmen, wobei die Durchflussquerschnitte
der mindestens einen Ringraumzulaufdrossel und der mindestens einen
Ringraumablaufdrossel derart dimensioniert sind, dass sich der gewünschte
Druckunterschied zwischen Ringraum und Hochdruckraum einstellt. Dieser
Druckabsenkungsmechanismus ist vergleichbar zur an sich bekannten
Steuerraumdruckabsenkung, die von servogesteuerten Kraftstoff-Injektoren bekannt
ist. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Ringraumdruck
im Vergleich zum Steuerraumdruck keinen Einfluss auf das Einspritzverhalten
des Kraftstoff-Injektors hat, so dass an die mindestens eine Ringraumzulaufdrossel
und die mindestens eine Ringraumablaufdrossel eine geringere Genauigkeitsanforderung
bei der Fertigkeit gestellt werden kann. Besonders vorteilhaft ist
es, wenn die mindestens eine Ringraumzulaufdrossel und/oder die mindestens
eine Ringraumablaufdrossel konstruktiv über eine Führung
und/oder einen Leckagespalt realisiert sind, wodurch zusätzliche
Arbeitsschritte zur Herstellung von Drosselbohrungen einge spart
werden können. Selbstverständlich ist es auch
möglich zumindest eine der Drosseln als Drosselbohrung auszuführen.
Die zuvor erläuterte, mindestens eine Ringraumablaufdrossel
kann auch durch ein später noch zu erläuterndes Überdruckventil
ersetzt bzw. gebildet werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der der Druck im Ringraum nicht während der gesamten
Betriebszeit gegenüber dem Druck im Hochdruckraum abgesenkt wird,
sondern nur zu Zeiten, in denen der Druck im Hochdruckraum eine
kritische Grenze überschreitet. Dies ist in der Regel nur
dann der Fall, wenn der Verbrennungsmotor unter Volllast betrieben
wird. Anders ausgedrückt ist eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der der Druck im Ringraum im Vergleich zum Druck im
Hochdruckraum erst bei Überschreiten eines Mindestdrucks,
insbesondere von etwa 1800 bar, reduziert ist bzw. reduziert wird.
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Diese
Forderung kann konstruktiv dadurch realisiert werden, dass in Kraftstoffströmungsrichtung
zwischen dem Ringraum und dem Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors
mindestens ein dem Ringraum zugeordnetes Überdruckventil
vorgesehen ist, welches bevorzugt als Rückschlagventil
ausgebildet ist, und welches den Druck im Ringraum steuert, also
erst bei Überdruck eines definierten Ringdrucks öffnet.
Dabei ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt, bei
der das Überdruckventil derart ausgelegt ist, dass es im
geöffneten Zustand als Ringraumablaufdrossel wirkt, so
dass sich der gewünschte Ringraumdruck definiert einstellt.
Durch die nur zeitweise Öffnung des Überdruckventils
kann die parasitäre Ablaufmenge auf ein absolutes Minimum
reduziert werden.
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Bevorzugt
umfasst das Überdruckventil mindestens eine Feder, die
ein verstellbares Ventilelement federkraftbeaufschlagt. Besonders
handelt es sich bei der Feder um eine Plattfeder und/oder bei dem
Ventilelement um eine, insbesondere als Stahlkugel ausgebildete,
Ventilkugel. Konstruktiv elegant ist eine Ausführungsform,
bei der das Ventilelement von der Feder auf einen, an einem den
Niederdruckbereich axial begrenzenden Injektorbauteil ausgebildeten,
Ventilsitz gepresst wird. Dabei kann die Feder beispielsweise axial
zwischen einer Ventilspannschraube zum Festlegen des Injektorbauteils
in dem Injektorkörper und dem Injektorbauteil geklemmt werden.
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Alternativ
ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der das verstellbare
Ventilelement des Überdruckventils von dem den Niederdruckbereich
axial begrenzten Injektorbauteil gebildet ist, wobei dieses Injektorbauteil
in diesem Fall mittels einer Feder, beispielsweise einer Dehnhülse
oder einer Tellerfeder, gegen den Injektorkörper federkraftbeaufschlagt
ist. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn der Kraftstoff aus dem
Ringraum bei geöffnetem Überdruckventil durch
einen ringförmigen Leckagespalt in den Niederdruckbereich
des Kraftstoff-Injektors strömt, wobei der Leckagespalt,
vorzugsweise axial, zwischen dem Injektorbauteil und dem Injektorkörper
gebildet ist. Mit Vorteil ist zur Gewährleistung einer
ausreichenden Dichtheit des geschlossenen Überdruckventils
am Injektorkörper und/oder am Injektorbauteil bevorzugt
mindestens eine Beißkante ausgebildet.
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Bevorzugt
ist die Feder des Überdruckventils derart angeordnet, dass
die Vorspannung der Feder und damit der maximale Druck des Ringraums,
insbesondere mittels einer Ventilspannschraube, einstellbar ist,
wobei die Ventilspann schraube vorzugsweise eine Axialsicherung für
das den Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors in axialer Richtung begrenzende
Injektorbauteil ist.
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Bevorzugt
handelt es sich bei dem Kraftstoff-Injektor um einen so genannten
leckagearmen Injektor, vorzugsweise ohne dauerhafte, auf das ein- oder
mehrteilig ausgebildete Einspritzventilelement wirkende, eine hydraulische
Schließkraft erzeugende, Niederdruckstufe. Derartige Kraftstoff-Injektoren werden
bevorzugt mit einem langen Einspritzventilelement ausgestattet,
dessen Axialerstreckung bevorzugt mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 60%
oder 70% der Axialerstreckung des gesamten Kraftstoff-Injektors
entspricht. Dabei ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt,
bei der sich der Hochdruckraum, in dem das Einspritzventilelement aufgenommen
ist, in axialer Richtung bis, zumindest näherungsweise,
zu einer Düsenlochanordnung erstreckt, wobei der Hochdruckraum
bei Bedarf in zwei axial benachbarte Raumabschnitte unterteilt werden kann,
zwischen denen eine Schließdrossel angeordnet ist, um den
Kraftstoff-Druck im Bereich einer Einspritzventilelementspitze geringfügig,
beispielsweise um etwa 100 bis etwa 200 bar, abzusenken, um hierdurch
eine hydraulische Schließkraftkomponente zu erzeugen. Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der sich der Hochdruckraum
in axialer Richtung bis in einen axial zu dem Injektorkörper
benachbarten Düsenkörper hineinerstreckt, wobei
in diesem Fall auch eine Ausführungsform realisierbar ist,
bei der sich der zwischen dem Injektorkörper und dem Hochdruckraum
ausgebildete, druckreduzierte Ringraum in axialer Richtung bis in
den Düsenkörper hineinerstreckt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1:
eine erste Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektors mit
einem zwischen einem Hochdruckraum und einem Injektorkörper
ausgebildeten Ringraum, in dem der Kraftstoffdruck im Betrieb des Kraftstoff-Injektors
gegenüber dem Kraftstoffdruck im Hochdruckraum dauerhaft
reduziert ist, wobei ein Kraftstoffversorgungs-Hochdruckstutzen
unmittelbar mit dem Hochdruckraum verbunden ist,
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2:
eine alternative, zweite Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektors,
bei der der Hochdruckstutzen als Kraftstofffilter ausgebildet ist,
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3:
eine alternative, dritte Ausführungsform eines Kraftstoff-Injektors
mit einem zwischen Ringraum und Niederdruckbereich des Kraftstoff-Injektors
angeordneten, als Rückschlagventil ausgebildeten Überdruckventil,
das die Aufgabe hat, den Kraftstoffdruck im Ringraum nur bei Überschreiten
eines Mindestdrucks zu reduzieren und
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4:
ein weiteres alternatives, viertes Ausführungsbeispiel
eines Kraftstoff-Injektors, bei dem das Ventilelement des Überdruckventils
von einem eine Steuerkammer begrenzenden Injektorbauteil gebildet
ist.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Kraftstoff-Injektor 1 zum
Einspritzen von Kraftstoff in einem nicht gezeigten Brennraum einer
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Eine Hochdruckpumpe 2 fördert
Kraftstoff von einem Vorratsbehälter 3 in einen
Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 (Rail). In diesem ist Kraftstoff,
insbesondere Diesel oder Benzin, unter hohem Druck, von in diesem
Ausführungsbeispiel etwa 2500 bar, gespeichert. An den
Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 ist der Kraftstoff-Injektor 1 neben
anderen, nicht gezeigten Injektoren über eine Versorgungsleitung 5 angeschlossen.
Diese Versorgungsleitung 5 führt zu einem Kraftstoff-Versorgungsanschluss 6 mit
einem Kraftstoff-Versorgungskanal 7. Der Kraftstoff-Versorgungsanschluss 6 und
der Kraftstoff-Versorgungskanal 7 sind an bzw. in einem
Hülsenteil 70 ausgebildet, das mit einem endseitigen
Außengewinde 71 in ein korrespondierendes Innengewinde 72 eines
Injektorkörpers 19 (Gehäuseteil) verschraubt
ist. In den Kraftstoff-Versorgungskanal 7 ist ein Hochdruckstutzen 73 eingepresst,
durch den der über den Kraftstoff-Versorgungsanschluss 6 aus
dem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 zuströmende
Kraftstoff unmittelbar in einen zentrischen, als Mini-Rail ausgelegten,
Hochdruckraum 8 strömen. In dem Hochdruckraum 8 herrscht
im Wesentlichen Rail-Druck von etwa 2500 bar.
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An
einem Injektordeckel 9 ist ein Kraftstoffrücklaufanschluss 10 (Injektor-Rücklaufanschluss) vorgesehen,
an den eine Rücklaufleitung 11 angeschlossen ist. Über
den Kraftstoffrücklaufanschluss 10 und die Rücklaufleitung 11 kann
eine später noch zu erläuternde Steuermenge sowie
eine Leckagemenge an Kraftstoff aus einem Niederdruckbereich 12 des
Kraftstoff-Injektors 1 zu dem ebenfalls auf Niederdruck
von etwa 1 bis 10 bar liegenden Vorratsbehälter 3 abfließen.
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Innerhalb
des Hochdruckraums 8 ist ein in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
einteiliges Einspritzventilelement 13 axial verstellbar
aufgenommen. Alternativ ist das Einspritzventilelement 13 mehrteilig
ausgeführt und besteht beispielsweise aus einer oberen
Steuerstange und einer unteren Düsennadel.
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Das
Einspritzventilelement 13 ist längsverschieblich
in einer Führungsbohrung 14 eines in der Zeichnungsebene
unteren Düsenkörpers 15 geführt. Dabei
sind am Außenumfang des Einspritzventilelementes 13 im
Bereich seiner unteren Führung Axialkanäle 16 als
Anschliffe realisiert, über die der Kraftstoff bei geöffnetem
Einspritzventilelement 13 in axialer Richtung nach unten
zu einer Düsenlochanordnung 17 strömen
kann. Der Düsenkörper 15 ist mittels
einer Überwurfmutter 18 mit dem Injektorkörper 19 verspannt.
Der Injektorkörper 19 bildet bei dem gezeigten
Ausführungsbeispiel das größte Gehäuseteil
eines Gehäuses 20.
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Das
Einspritzventilelement 13 weist an seiner Spitze 21 eine
Schließfläche 22 auf, mit der das Einspritzventilelement 13 in
dichte Anlage an einem innerhalb des Düsenkörpers 15 ausgebildeten
Einspritzventilelementsitz 23 bringbar ist.
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Wenn
das Einspritzventilelement 13 an seinem Einspritzventilelementsitz 23 anliegt,
d. h. sich in einer Schließstellung befindet, ist der Kraftstoffaustritt
aus der Düsenlochanordnung 17 gesperrt. Ist es dagegen
von seinem Einspritzventilelementsitz 23 abgehoben, kann
Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 8 in axialer Richtung über
die Axialkanäle 16 in einen unteren, als Ringraum
ausgebildeten Düsenraum 24 und von dort aus am
Einspritzventilelement 13 vorbei zur Düsenlochanordnung 17 strömen
und dort im Wesentlichen unter Hochdruck (Rail-Druck) stehend in
den Brennraum (nicht gezeigt) gespritzt werden. Der Düsenraum 24 ist
ein Teil des Hochdruckraums 8, in dem für den
Fall, dass die Axialkanäle 16 als Drosselkanäle
ausgebildet sind, ein etwas geringerer Druck herrscht als im oberen,
größeren Teil des Hochdruckraums 8, um
somit bei geöffnetem Einspritzventilelement 13 eine
hydraulische Schließkraftkomponente für das Einspritzventilelement 13 zu erzeugen.
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Von
einer oberen Stirnseite 25 des Einspritzventilelementes 13 und
einem Steuerraumabschnitt 26 eines Injektorbauteils 27 wird
eine Steuerkammer 28 begrenzt, die über eine als
Radialbohrung im Injektorbauteil 27 ausgebildete Zulaufdrossel 29 mit Kraftstoff
aus dem Hochdruckraum 8 versorgt wird. Die Steuerkammer 28 ist über
einen axial im Injektorbauteil 27 verlaufenden Ablaufkanal 30 mit
Ablaufdrossel 31 mit einer Ventilkammer 32 eines
Steuerventils 33 (Servoventil) verbunden. Die Ventilkammer 32 wird
radial außen von einem hülsenförmigen
Steuerventilelement 34 begrenzt. Das hülsenförmige Steuerventilelement 34 ist
in seiner Schließstellung in axialer Richtung im Wesentlichen
druckausgeglichen. Die Ventilkammer 32 wird in axialer
Richtung nach oben von einem Druckstift 35 begrenzt, der
sich axial am Injektordeckel 9 abstützt und als
von dem Injektorbauteil 27 separates Bauteil ausgebildet
ist. Ein mit dem hülsenförmigen Steuerventilelement 34 zusammenwirkender
Steuerventilsitz 36 (hier Flachsitz) ist am Injektorbauteil 27 ausgebildet.
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Das
hülsenförmige Steuerventilelement 34 ist
einteilig mit einer Ankerplatte 37 ausgebildet, die mit
einem elektromagnetischen Aktuator 38 zusammenwirkt. Wird
dieser bestromt, hebt das hülsenförmige Steuerventilelement 34 in
axialer Richtung von seinem Steuerventilsitz 36 ab, so
dass Kraftstoff aus der Ventilkammer 32 und in der Folge
aus der Steuerkammer 28 in den Niederdruckbereich 12 und
von dort aus über den Kraftstoffrücklaufanschluss 10 und die
Rücklaufleitung 11 zum Vorratsbehälter 3 abströmen
kann. Dabei sind die Durchflussquerschnitte der Zulaufdrossel 29 und
der Ablaufdrossel 31 derart aufeinander abgestimmt, dass
bei geöffnetem Steuerventil 33 ein Nettoabfluss
von Kraftstoff aus der Steuerkammer 28 resultiert, mit
der Folge, dass der Kraftstoffdruck in der Steuerkammer 28 rapide
abfällt und somit eine hydraulische Öffnungskraft
auf das Einspritzventilelement 13 wirkt, welches in der
Folge von seinem Einspritzventilelementsitz 23 abhebt und
die Düsenlochanordnung 17 zum Einspritzen von
Kraftstoff in den Brennraum freigibt.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des elektromagnetischen
Aktuators 38 unterbrochen. Mit einer sich einenends an
einer Schulter des Druckstiftes 35 und anderenends an einer
oberen Stirnseite der Ankerplatte 37 abstützenden
Steuerschließfeder 39 wird das hülsenförmige Steuerventilelement 34 zurück
auf seinen Steuerventilsitz 36 bewegt. Der durch die Zulaufdrossel 29 nachströmende
Kraftstoff sorgt für eine Druckerhöhung in der
Steuerkammer 28, mit der Folge, dass das Einspritzventilelement 13 unterstützt
durch eine Schließfeder 40 zurück auf
den Einspritzventilelementsitz 23 bewegt wird. Die Schließfeder 40 ist
dabei in dem Hochdruckraum 8 angeordnet und stützt sich
einenends an einer unteren Stirnseite des Injektorbauteils 27 und
anderenends an einem Umfangsbund 41 des Einspritzventilelementes 13 ab.
Zum Erzeugen einer ausreichend hohen hydraulischen Schließkraft
können die Axialkanäle 16, wie zuvor
erwähnt, als Drosselkanäle ausgebildet werden,
um somit den Druck im Düsenraum 24 etwas zu reduzieren.
Dabei wird der Druck bevorzugt jedoch nur etwa 100 bis 200 bar reduziert,
so dass der Düsenraum 24 und der Hochdruckraum 8 im
Wesentlichen als ein gemeinsamer Raum angesehen werden können. Durch
den durch das Schließen des Einspritzventilelementes 13 hervorgerufenen
abrupten Abfall der Einspritzrate entsteht im Düsenraum 24 und
vor allem im eigentlichen Hochdruckraum 8 ein Druckstoß (Joukowski-Stoß),
der am Kraftstoff-Hochdruckspeicher 4 reflektiert wird.
Diese Mengenwellen führen zu Druckschwingungen. Die dadurch
bedingten Spitzendrücke können mehrere 100 bar über
dem maximalen Rail-Druck liegen, wodurch der gesamte Kraftstoff-Injektor 1 sowie
das Versorgungssystem entsprechend auf die Spitzendrücke
ausgelegt werden müssen.
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Um
zu ermöglichen, dass der Injektorkörper 19 im
Allgemeinen und eine Bauteilverschneidung 74 im Bereich
einer Ausmündungsöffnung 75 des Hülsenteils 70,
genauer zwischen dem Hülsenteil 70 und dem Injektorkörper 19,
nicht über die Maßen druckbelastet wird und in
der Folge aus herkömmlichen Stählen, wie beispielsweise
C45-Stahl hergestellt werden kann, sieht der in 1 gezeigte
Kraftstoff-Injektor 1 einen Ringraum 42 vor, der
sich radial zwischen dem Hochdruckraum 8 und dem Injektorkörper
befindet. Der Ringraum 42 erstreckt sich in axialer Richtung
betrachtet nur über einen kleinen Teil der Axialerstreckung
des Injektorkörpers 19. Axial unterhalb sowie
axial oberhalb des Ringraums 42 befindet sich unter Hochdruck
(im wesentlichen Rail-Druck) stehender Kraftstoff.
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Der
Ringraum 42 wird radial innen gegenüber dem Hochdruckraum 8 begrenzt
von einem rohrförmigen Abschnitt 43 des Injektorbauteils 27.
Im Injektorbauteil 27 ist hierzu eine Stufenbohrung 44 eingebracht,
die in ihrem in der Zeichnungsebene oberen Ende die Steuerkammer 28 begrenzt.
Im Ringraum 42 herrscht während des Injektor-Betriebs dauerhaft
ein geringerer Kraftstoffdruck als im Hochdruckraum 8 und
dauerhaft ein höherer Kraftstoffdruck als im Niederdruckbereich 12 des
Kraftstoff-Injektors 1. Aufgrund des Vorsehens einer im
Folgenden noch zu erläuternden Drosselanordnung ist der Druck
im Ringraum 42 dauerhaft geringer als im Hochdruckraum 8.
Die Durchflussquerschnitte der im Folgenden noch zu erläuternden
Drosseln der erwähnten Drosselanordnung sind dabei derart
aufeinander abgestimmt, dass der Kraftstoffdruck im Ringraum 42 etwa
1800 bar nicht überschreitet. Hierdurch wird die Druckbelastung
des Injektorkörpers 19 bzw. der Bauteilverschneidung 74 reduziert.
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Wie
sich aus 1 ergibt, weist der hülsenförmige
Hochdruckstutzen 73 einen radial äußeren verdickten
Bereich 76 auf, der mittels eines kraftstoffdichten Presssitzes
im Hülsenteil 70 festgelegt ist. Mit Radialabstand
zu dem Innenumfang des Kraftstoff-Versorgungskanals 7 erstreckt
sich ein axial an dem verdickten Bereich 76 angrenzender,
durchmesserreduzierter Abschnitt 77 schräg in
radialer Richtung nach innen und steckt mit einem konisch angespitzten
Ende 78 in einer sich nach radial innen konisch verjüngenden Öffnung 79 des
rohrförmigen Abschnitts 43 des Injektorbauteils 27.
Die sich verjüngende Öffnung 79 (Durchgangskanal)
mündet in einen Bereich des Hochdruckraums 8 radial
zwischen dem Einspritzventilelement 13 und dem rohrförmigen Abschnitt 43 des
Injektorbauteils 27. In der Folge kann über den
Kraftstoff-Versorgungskanal 7 zuströmender Kraftstoff
durch einen im Hochdruckstutzen 73 ausgebildeten Kanal 80 unter
Umgehung des druckreduzierten Ringraums 42 direkt in den
Hochdruckraum 8 strömen. Der Ringraum 42 ist
in beide Axialrichtungen von jeweils einem Dichtelement 50 von
dem Hochdruckbereich des Injektors getrennt, wobei sich die Dichtelemente 50 radial
zwischen dem rohrförmigen Abschnitt 43 des Injektorbauteils 27 und
dem Innenumfang des Injektorkörpers 19 befinden.
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Das
in 1 gezeigte Injektorbauteil 27 muss nicht
zwangsläufig einteilig ausgeführt werden. So ist
es beispielsweise denkbar, den Ringraum 42 mit einem eigenständigen,
rohrförmigen Element zu begrenzen, das bei dem gezeigten
Ausführungsbeispiel von dem rohrförmigen Abschnitt 43 des
Injektorbauteils 27 gebildet ist. Bevorzugt stützt
sich ein derartiges rohrförmiges Element in axialer Richtung
an einem hier als Plattenabschnitt 47 des Injektorbauteils 27 ausgebildeten
separaten Plattenelement ab, welches den Niederdruckbereich 12 des
Kraftstoff-Injektors 1 in axialer Richtung nach unten begrenzt.
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Aus 1 ist
weiter zu erkennen, dass der eigentliche Hochdruckraum 8 über
einen drosselfreien Verbindungskanal 81, der in dem rohrförmigen Abschnitt 43 des
Injektorbauteils 27 vorgesehen ist, mit einem Hochdruckringraum 82 hydraulisch
verbunden ist, der sich in der Zeichnungsebene oberhalb des Ringraums 42 befindet
und der an den Platten abschnitt 47 des Injektorbauteils 27 in
einem axial oberen Bereich angrenzt. Somit herrscht im Hochdruckringraum 82 im
Wesentlichen der gleiche Druck wie im Hochdruckraum 8.
Der Hochdruckringraum 82 umschließt eine obere
Führung 83 für das Einspritzventilelement 13 radial
außen und verhindert somit ein Aufweiten des Führungsspaltes
der Führung 83 im Betrieb des Kraftstoff-Injektors 1,
wodurch die Leckagemenge vermindert wird.
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Wie
sich noch weiter aus 1 ergibt, kann unter Hochdruck
von in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 2500 bar stehender
Kraftstoff in radialer Richtung über eine Ringraumzulaufdrossel 51 in
den Ringraum 42 strömen. Die Ringraumzulaufdrossel 51 ist
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Drosselbohrung 84 ausgeführt,
die radial in den rohrförmigen Abschnitt 43 eingebracht
ist. Aus der Drosselbohrung 84 mündet eine senkrecht
nach oben verlaufende Drosselbohrung 85 aus, in der eine
Ringraumablaufdrossel 52 realisiert ist, über
die Kraftstoff aus dem Ringraum 42 in axialer Richtung
nach oben in den Niederdruckbereich 12 des Kraftstoff-Injektors 1 strömen
kann. Die Durchflussquerschnitte der Ringraumzulaufdrossel 51 und
der Ringraumablaufdrossel 52 sind dabei so aufeinander
abgestimmt, dass der Druck im Ringraum 42, wie zuvor erläutert,
einen Maximaldruck von 1800 bar nicht überschreitet, wodurch
die Druckbelastung des Injektorkörpers 19 im Bereich
der Bauteilverschneidung 74 deutlich reduziert wird. Wie
erläutert sind die Ringraumzulaufdrossel 51 und
die Ringraumablaufdrossel 52 als Drosselbohrungen 84, 85 ausgeführt,
wobei auch alternative Herstellungsmöglichkeiten realisierbar
sind. Da der Druck im Ringraum 42 keinerlei Einfluss auf
das Einspritzverhalten des Kraftstoff-Injektors 1 hat,
können die Ringraumzulaufdrossel 51 und die Ringraumablauf drossel 52 sehr
klein ausgeführt werden, wodurch die für die Druckabsenkung
notwendige, parasitäre Ablaufmenge gering ist. Zum anderen
reagiert der Druck im Druckraum 42 nicht auf hochdynamische
Druckänderungen im als Mini-Rail dienenden Hochdruckraum 8,
sondern nur auf funktionsbedingte Rail-Druckänderungen.
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Im
Folgenden werden anhand der 2 bis 4 weitere
alternative Ausführungsbeispiele eines Kraftstoff-Injektors 1 erläutert.
Dabei entspricht der Aufbau dieser Ausführungsformen im
Wesentlichen der in 1 gezeigten und zuvor beschriebenen Ausführungsform.
Zur Vermeidung von Wiederholungen werden daher im Folgenden im Wesentlichen
nur Unterschiede zu dem in 1 gezeigten
und zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert.
Im Hinblick auf Gemeinsamkeiten wird auf 1 sowie die
vorhergehende Figurenbeschreibung verwiesen.
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Im
Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erstreckt
sich der Ringraum 42 bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 im Wesentlichen über
die gesamte Axialerstreckung des Hochdruckraums 8 und sogar
darüber hinaus. In axialer Richtung nach oben reicht der
Ringraum 42 bis an den Plattenabschnitt 47 des
Injektorbauteils 27 und in axialer Richtung nach unten
bis an den Grund der Führungsbohrung 14 im Düsenkörper 15.
Zu erkennen ist, dass die lediglich schematisch angedeutete Zulaufdrossel 29 vom
Führungsspalt der oberen Führung 83 für
das Einspritzventilventilelement 13 gebildet ist. Im Gegensatz
zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 erstreckt
sich der rohrförmige Abschnitt 43 des Injektorbauteils 27 in
axialer Richtung weiter nach unten bis fast an den Düsenkörper 15 heran.
An einer ringförmigen unteren Stirnfläche 86 des rohrförmigen Abschnittes 43 stützt
sich in axialer Richtung ein Rohrteil 87 ab, das in axialer
Richtung nach unten fortgeführt ist und sich mit seinem
unteren Ende am Düsenkörper 15 abstützt.
In diesem Rohrteil 87 ist das Einspritzventilelement 13 geführt. Der
Düsenraum 24 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
radial außen begrenzt von dem Rohrteil 87. Der
in 2 gezeigte Kraftstoff-Injektor 1 eignet
sich aufgrund der großen Axialerstreckung des Ringraums 42 für
extrem hohe Rail-Drücke. Um einen Kraftstoff-Durchtritt
bis in einen axial unteren Bereich des Ringraums 42 zu
ermöglichen, sind am Außenumfang des Rohrteils 87 Anschliffe 88 ausgebildet,
die mit dem Innenumfang bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
nicht als Führung für das Einspritzventilelement 13 dienenden
Führungsbohrung 14 entsprechende Axialkanäle
bilden. Eine Abdichtung des Ringraums 42 in axialer Richtung
nach oben und unten wird durch eine Ventilspannschraube 48 gewährleistet,
die das Injektorbauteil 27 in axialer Richtung nach oben
spannt, derart, dass der Plattenabschnitt 47 an einer Ringschulter 49 des
Injektorkörpers 19 dicht anliegt und das untere
Ende des Rohrteils 87 dicht am Düsenkörper 15 anliegt.
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Wie
sich weiter aus 2 ergibt, sind die Drosselbohrungen 84, 85 bzw.
die Ringraumzulaufdrossel 51 und die Ringraumablaufdrossel 52 voneinander
beabstandet angeordnet – die Funktionsweise bleibt davon
jedoch unberührt.
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Zu
erkennen ist die im Vergleich zu 1 unterschiedliche
Ausformung des Hochdruckstutzens 73 der auch hier mittels
eines Presssitzes im Kraftstoff-Versorgungskanal 7 festgelegt
ist und der den Ringraum 42 überbrückt.
Der Unterschied betrifft im Wesentlichen ausschließlich
den verdickten Bereich 76. Zu erkennen ist, dass der Kanal 80 im
Ge gensatz zu dem Ausführungsbeispiel nicht zentrisch durchgängig
ist, sondern dass im verdickten Bereich 76 als Laserbohrungen
ausgeführte Bohrungen 89 vorgesehen sind, die
eine randseitige Aussparung 90 im verdickten Bereich 76 hydraulisch
mit dem Kanal 80 verbinden. Die Aussparung 90 ist
abschnittsweise als Ringraum ausgeführt, wobei sich der
verdickte Bereich 76 zu beiden Axialseiten des Ringspaltes
am Innenumfang des Kraftstoff-Versorgungskanals 7 abstützt.
Durch die Bohrungen 89 erhält der Hochdruckstutzen 73 die
Funktion eines Spaltfilters.
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Im
Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist
der Druck im Ringraum 42 bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 3 im Vergleich zum Hochdruckraum 8 nicht
dauerhaft reduziert. Dies ist darauf zurückzuführen,
dass der Kraftstoff aus dem Ringraum 42 nur zeitweise in
dem Niederdruckbereich 12 des Kraftstoff-Injektors 1 abströmen
kann. Der Zustrom aus dem Hochdruckraum 8 in den Ringraum 42 erfolgt
auch beim dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel über
eine als Drosselbohrung 84 ausgeführte Ringraumzulaufdrossel 51.
Diese mündet in den Ringraum 42, der im Gegensatz
zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 in
axialer Richtung nach oben bis zu dem Plattenabschnitt 47 reicht.
Die Ringraumablaufdrossel 52 wird bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 von einem als Rückschlagventil
ausgebildeten Überdruckventil 53 gebildet, das
so ausgelegt ist, dass dieses erst dann in Richtung Niederdruckbereich 12 öffnet,
wenn ein Mindestdruck im Ringraum 42 überschritten
wird. Auf diese Weise wird eine Druckabsenkung im Ringraum 42 also
nur dann realisiert, wenn dies notwendig ist, also für
die Stabilität kritische Drücke auftreten. Insgesamt
kann hier durch die parasitäre Ablaufmenge weiter reduziert
werden.
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Das Überdruckventil 53 umfasst
ein als Stahlkugel ausgebildetes Ventilelement 54, welches von
einer als Blattfeder ausgebildeten Feder 55 in Richtung
auf einen am Injektorbauteil 27, genauer am Plattenabschnitt 47 ausgebildeten
Ventilsitz 56 federkraftbeaufschlagt wird. Dabei steht
die Unterseite des Ventilelementes 54 über einen
Kanal 46 im Injektorbauteil 27 dauerhaft in Verbindung
mit dem Ringraumvolumen des Ringraums 42. Übersteigt
der Druck im Ringraum 42 den genannten Mindestdruck, wird
das kugelförmige Ventilelement 54 entgegen der Federkraft
der Feder 55 von seinem Ventilsitz 56 abgehoben,
so dass der Kraftstoff gedrosselt aus dem Ringraum 42 in
den Niederdruckbereich 12 abströmen kann. Das Überdruckventil 53 ist
so dimensioniert, dass die Drosselwirkung des Überdruckventils 53 (Ringraumablaufdrossel)
das gewünschte Maß an Druckabsenkung im Ringraum 42 zur
Folge hat.
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Wie
sich weiter aus 3 ergibt, ist die als Blattfeder
ausgebildete Feder 55 axial geklemmt zwischen der Ventilspannschraube 48 und
der in der Zeichnungsebene oberen Seite des Plattenabschnittes 47 des
Injektorbauteils 27.
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Das
in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel eines
Kraftstoff-Injektors 1 funktioniert nach dem gleichen Prinzip
wie das in 3 gezeigte und zuvor beschriebene
Ausführungsbeispiel. Auch bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 4 ist kein Drosselkanal als
Ringraumablaufdrossel 52 vorgesehen. Diese wird gebildet
von dem Überdruckventil 53 über das der
Ringraum 42 mit dem Niederdruckbereich 12 des Kraftstoff-Injektors 1 verbindbar
ist. Das Ventilelement 54 wird gebildet von dem Plattenabschnitt 47 des
Injektorbauteils 27. Dieses liegt im geschlossenen Zustand
des Überdruckventils 53 auf der Ringschulter 49 des
Injektorkörpers 9 auf. Bei geöffnetem Überdruckventil 53 ist
der Plattenabschnitt 47 in axialer Richtung nach oben verstellt,
so dass ein Ringspalt axial zwischen dem Plattenabschnitt 47 und
einer Beißkante 45 des Injektorkörpers 19 gebildet
ist, wobei der Durchflussquerschnitt des Ringspaltes so abgestimmt
ist, dass die gewünschte Drossel erzielt wird.
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Der
Plattenabschnitt 47 hebt erst dann von seinem von der Beißkante 45 gebildeten
Ventilsitz 56 am Injektorkörper 19 ab,
wenn die auf ihn wirkende Druckkraft die Federkraft einer als Tellerfeder
ausgebildeten Feder 55 überschreitet, die sich
in axialer Richtung nach oben an der Ventilspannschraube 48 abstützt.
Die Feder 55 ist bestrebt, den Plattenabschnitt 47 axial
nach unten gegen die Ringschulter 49 des Injektorkörpers 19 zu
pressen. Durch Verstellen der Ventilspannschraube 48 kann
die Vorspannung der Feder 55 eingestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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