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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für Brennkraftmaschinen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
derartiger Kraftstoffinjektor ist aus
DE 102006047935 A1 bekannt.
Diese Kraftstoffinjektoren weisen eine Düsennadel, eine
Kolbenstange und ein Steuerventil auf, wobei die Kolbenstange einem Steuerraum
ausgesetzt ist und der Steuerraum von dem Steuerventil angesteuert
wird. Die Kolbenstange steht mit der Düsennadel in Wirkverbindung,
wobei zwischen Düsennadel und Kolbenstange ein hydraulischer
Koppler angeordnet ist. Die Kolbenstange ist von einem Ringraum
umgeben, der mit dem Kraftstoffhochdruckanschluss verbunden ist
und einen internen Speicherraum für den Kraftstoff bildet. Die
Kolbenstange ist mit einem Kopplerkolben düsennadelseitig
in einem Führungselement axial geführt, wobei
innerhalb des Führungselements der hydraulische Koppler
ausgebildet ist.
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Aus
DE 102006036447 A1 ist
ein Kraftstoffinjektor mit einem in einem Injektorkörper
angeordneten Einspritzventilglied bekannt, bei dem das Einspritzventilglied
von einer einteiligen langen Düsennadel mit einem Kolbenstangenabschnitt
und einem Düsennadelabschnitt gebildet ist. Der Kolbenstangenabschnitt
ist von einem internen Speicherraum und der Düsennadelabschnitt
von einem Düsennadeldruckraum umgeben. Zwischen dem internen Speicherraum
und dem Düsennadeldruckraum ist ein an der Düsennadel
und im Injektorkörper axial verschiebbar geführter
Schließkolben angeordnet, wobei der Schließkolben
bei geschlossenen Einspritzdüsen auf einem an der Düsennadel
ausgebildeten Bund aufliegt. Mittels des Schließkolbens
wird eine auf die Düsennadel wirkende Schließkraft
erzeugt.
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Wesentlich
für den Einsatz der Kraftstoffinjektoren in modernen Brennkraftmaschinen
ist, dass das Einspritzventilglied schnell öffnet und schnell schließt.
Ein schnelles Schließen des Einspritzventilgliedes birgt
jedoch den Nachteil in sich, dass die Kraftstoffsäule,
insbesondere innerhalb des internen Speicherraums ein Schwingungsverhalten
zeigt. Dieses Schwingungsverhalten erfordert eine höhere
Anforderung an die Hochdruckfestigkeit des Kraftstoffinjektors.
Das bedeutet wiederum, dass die Festigkeitsauslegung bezüglich
der Dauerhaltbarkeit auf einen Kraftstoffdruck, der mindestens 20% über
dem des Kraftstoffeinspritzdrucks liegt, ausgelegt sein muss. Zudem
verursacht die schwingend Kraftstoffsäule eine wechselnde
Belastung des Düsennadelsitzes. Diese Belastung kann dabei
zu einem erhöhten Sitzverschleiß führen.
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Um
die Drucküberschwinger in der Kraftstoffsäule
des Kraftstoffinjektors auf einen für den Werkstoff erträgliches
Maß zu reduzieren, werden häufig Drosseln im Leitungssystem
eingebaut. Diese Maßnahmen führen jedoch gleichzeitig
zur Reduzierung des verfügbaren Einspritzdrucks, so dass
diesen Lösungsvorschlägen Grenzen gesetzt sind.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, Maßnahmen gegen das
Schwingungsverhalten in der Kraftstoffsäule des Kraftstoffinjektors
zu ergreifen, ohne dass dabei der verfügbare Einspritzdruck abgesenkt
wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch
die Schaltfunktion der Drosselscheibe wird nach dem Ende des Einspritzvorgangs
eine Reduzierung der Schwingungsamplitude von 5–10% erreicht.
Darüber hinaus tritt eine Verringerung der hochfrequenten
Druckschwingungen innerhalb des internen Speicherraums des Kraftstoffinjektors
auf. Diese Wirkungen führen in Konsequenz zu einer verringerten
Bauteilbelastung und somit zu einer verbesserten Auslegung bezüglich
Dauerhaltbarkeit und Verschleißverhalten der Konstruktion
des Kraftstoffinjektors.
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Zum
Zeitpunkt des Einspritzendes, bei dem das Düsennadelelement
in den Düsennadelsitz am Düsenkörper
gestellt ist, wird der Abfluss der Kraftstoffsäule durch
die Einspritzöffnungen abrupt beendet. Dies führt
in der noch in Bewegung befindlichen Kraftstoffsäule im
Düsennadeldruckraum zu einer Druckwelle, die sich vom Dichtsitz
des Düsennadelelements in Richtung Drosselscheibe bewegt.
Erreicht die Drucksäule die Drosselscheibe, entsteht bei
einer genügend hohen Druckdifferenz zwischen Unterseite und
Oberseite der Drosselscheibe eine Kraft, die die Drosselscheibe
vom Dichtsitz an der düsennadelseitigen Dichtfläche
abhebt. In dieser Stellung der Drosselscheibe kann die Drucksäule
nur seitlich an der Drosselplatte vorbei über einen sich
dadurch ausbildenden Bypasspfad in den internen Speicherraum gelangen.
Durch das Umleiten der Druckwelle über den Bypasspfad wird
die Druckwelle effektiv gedämpft.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen
der Unteransprüche möglich.
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Durch
die Einstellmöglichkeit eines maximal möglichen
Hubs der Drosselscheibe kann das weitere Schwingverhalten der Kraftstoffsäule
beeinflusst werden. Zum Zeitpunkt des Hubanschlags an der dem Dichtsitz
gegenüberliegenden Anschlagposition darf die Ausbreitung
der Druckwelle innerhalb des internen Speicherraums nicht unterbrochen
werden. Aus diesem Grunde sind an der Hubanschlagfläche der
Drosselscheibe oder an der Ringfläche des Gehäuses
des Injektorkörper Aussparungen vorgesehen, die eine hydraulische
Verbindung zwischen Speicherraum und Düsennadeldruckraum
ausbilden. Die hydraulische Verbindung bildet eine Bypassleitung
bezüglich einer hydraulischen Drosselverbindung, die als
Schließdrossel wirkt.
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Ausführungsbeispiel
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung durch einen Kraftstoffinjektor gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen
düsennadelseitigen Ausschnitt X des Kraftstoffinjektors
in 1 mit einer ersten Ausführungsform einer
Drosselscheibe,
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3 einen
düsennadelseitigen Ausschnitt X des Kraftstoffinjektors
in 1 mit einer zweiten Ausführungsform einer
Drosselscheibe,
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4 eine
Draufsicht auf die Drosselscheibe gemäß 2 und
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5 eine
Schnittdarstellung durch einen düsennadelseitigen Ausschnitt
eines Kraftstoffinjektor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Der
in 1, 2 und 3 dargestellte Kraftstoffinjektor
weist ein Gehäuse mit einem Injektorkörper 10 und
einem Düsenkörper 11 auf. Der Kraftstoffinjektor
umfasst weiterhin ein Steuerventil 12 mit einem elektromagnetischen
Stellelement 13 mit einem Magnetanker 14 und einem
Ventilelement 15 sowie ein Einspritzventilglied 16 mit
einem Düsennadelelement 21. Ein hydraulischer
Anschluss 18 führt zu einem nicht dargestellten
Niederdruck-/Rücklaufsystem. Der Düsenkörper 11 und
der Injektorkörper 10 sind mittels einer Spannmutter 19 hydraulisch
dicht verspannt.
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Der
Düsenkörper 11 weist an einer Kuppe Einspritzöffnungen 22 auf,
denen am Düsenkörper 11 ein Düsennadelsitz 23 vorgelagert
ist, auf dem das im Düsenkörper 11 axial
verschiebbar geführte Düsennadelelement 21 mittels
einer Dichtfläche aufliegt. Dem Düsennadelsitz 23 ist
am Düsenkörper 11 ein Düsennadeldruckraum 24 vorgelagert,
dem das Düsennadelelement 21 mit einer oberen
Druckschulter 25 und/oder einer unteren Druckschulter 26 ausgesetzt
ist. Im Düsennadeldruckraum 24 liegt Rail- bzw. Systemdruck
als Einspritzdruck vor.
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Im
Injektorkörper 10 ist eine Durchgangsbohrung 35 ausgebildet,
die einen internen Speicherraum 36 für den Kraftstoff
bildet. In den internen Speicherraum 36 führt
eine Querbohrung 37, die mit einem Anschluss 38 versehen
ist, der an eine Hochdruckleitung eines nicht dargestellten Common-Rail-Systems angeschlossen
ist. Über den Anschluss 38 und die Querbohrung 37 wird
dem internen Speicher 36 der Kraftstoff mit dem im Common-Rail-System
anliegenden Rail- bzw. Systemdruck zugeführt.
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Innerhalb
des Speicherraums 36 ist eine Kolbenstange 40 angeordnet,
die der interne Speicherraum 36 als kopplerstangenseitigen
Ringraum umgibt und die dadurch ebenfalls vom Systemdruck umgeben
ist.
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Die
Kolbenstange 40 weist stellelementseitig einen Steuerkolben 42 auf,
der in einem Ventilstück 44 geführt ist,
so dass sich innerhalb des Ventilstücks 44 ein
Steuerraum 45 ausbildet, dem der Steuerkolben 42 mit
einer Steuerfläche 46 ausgesetzt ist. An der gegenüberliegenden
Seite des Steuerraums 45 weist das Ventilstück 44 einen
Ventilsitz für eine Ventilkugel 47 des Ventilelements 15 auf.
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Das
Ventilelement 15 trennt mit der Ventilkugel 47 über
den Ventilsitz den Steuerraum 45 von einem Niederdruckraum 48.
Der Niederdruckraum 48 ist über nicht näher
dargestellte hydraulische Kanäle mit dem hydraulischen
Anschluss 18 verbunden, der in das Niederdruck-/Rücklaufsystem
führt. Vom Steuerraum 45 führt eine hydraulische
Ablaufleitung 49 mit einer nicht näher dargestellten
Ablaufdrossel über den Ventilsitz des Ventilelements 14 in
den Niederdruckraum 48. Vom internen Speicherraum 36 führt
eine hydraulische Zulaufleitung 52 mit einer ebenfalls
nicht näher dargestellten Zulaufdrossel in den Steuerraum 45.
Die Ablaufdrossel und die Zulaufdrossel sind so dimensioniert, dass über
die Ablaufleitung 49 mit der Ablaufdrossel bei geöffnetem Ventilelement 14 mehr
Kraftstoff abfließen als über die Zulaufleitung 52 mit
der Zulaufdrossel zufließen kann.
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In
der Durchgangsbohrung 35 ist eine radiale Erweiterung 77 mit
einer ringförmigen Anschlagfläche 78 ausgebildet.
In der radialen Erweiterung 77 ist eine Drosselscheibe 80 mit
einer ersten Stirnfläche 81 und einer zweiten
Stirnfläche 82 axial verschiebbar angeordnet,
wobei die Drosselscheibe 80 einen axialen Hub h ausführt.
Zwischen der äußeren Umfangsfläche der
Drosselscheibe 80 und der davon beabstandeten Wandung der
Erweiterung 77 bildet sich ein Bypasspfad 90 aus,
wie später noch beschrieben wird.
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In
der Drosselscheibe 80 sind gemäß 4 beispielsweise
vier als Bohrungen ausgeführte hydraulische Verbindungen 83 mit
jeweils einer hydraulischen Drossel 84 sowie beispielsweise
vier an der Umfangsfläche eingearbeitete Aussparungen 85 ausgebildet.
Die die Gesamtheit aller hydraulischen Verbindungen 83 mit
den Drosseln 84 bilden eine Schließdrossel zwischen
Speicherraum 36 und Düsennadeldruckraum 24 aus.
Je nach hydraulisch funktionellen Erfordernissen ist für
die hydraulischen Verbindungen und Drosseln 83, 86 und 90 mindestens
eine Bearbeitung erforderlich.
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Beim
dem Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors gemäß 1, 2 und 3 ist
zwischen dem Düsenkörper 11 und dem Injektorkörper 12 ein
Führungselement 20 angeordnet. Der Düsenkörper 11 und
das Führungselement 20 sind mit dem Injektorkörper 10 mittels
der Spannmutter 19 hydraulisch dicht verspannt.
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Das
Führungselement 20 umfasst eine flanschartige
Basisplatte 61 und eine daran angeformte Führungsbuchse 62 mit
einer durch das Führungselement 20 hindurch geführten
Führungsbohrung 63. Die Basisplatte 61 ist
an der zur Düsennadel 21 weisenden Seite mit einer
Stirnfläche 65 ausgeführt. An der zur
Kolbenstange 40 weisenden Seite weist das Führungselement 20 eine
ringförmige Stirnfläche 66 auf, die radial
um die Führungsbuchse 62 verläuft.
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Beim
Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors gemäß 1, 2 und 3 stehen
das Düsennadelelement 21 und die Kolbenstange 40 über
einen hydraulischen Koppler 70 in Wirkverbindung, so dass
Düsennadelelement 21, Kolbenstange 40 und
Koppler 70 das Einspritzventilglied 16 bilden. Die
Kolbenstange 40 umfasst dabei neben dem stellelementseitigen
Steuerkolben 42 einen düsennadelseitigen Kopplerkolben 41,
der in der Führungsbohrung 63 geführt
ist. In der Führungsbohrung 63 ist ein Hubeinstellstück 71 angeordnet,
so dass die Kolbenstange 40 und das Düsennadelelement 21 in Schließrichtung
des Einspritzventilglieds 16 mechanisch antriebsgekoppelt
sind. Der hydraulische Koppler 70 wird von einem hydraulischer
Kopplerraum 72 gebildet, der das Hubeinstellstück 71 als Ringraum
umgibt.
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Das
Düsennadelelement 21 weist ferner einen Düsennadelkolben 27 auf,
an dem eine Steuerhülse 30 mit einer Druckfeder 31 axial
vorgespannt geführt ist. Der Düsennadelkolben 27 und
die Steuerhülse 30 sind von einem Ringraum umgeben,
der über eine an der Düsennadel 21 ausgebildete
Abflachung 29 mit dem Düsennadeldruckraum 24 hydraulisch
verbunden ist und der somit Teil des Düsennadeldruckraums 24 ist.
Die Steuerhülse 30 wird mittels der Vorspannkraft
der Druckfeder 31 gegen die Stirnfläche 65 der
Basisplatte 61 gedrückt und bildet dort einen
Dichtsitz aus, so dass der Kopplerraum 72 zum Düsennadeldruckraum 24 hin
hydraulisch dicht begrenzt ist.
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Bei
einer ersten Ausführungsform der Drosselscheibe 80 gemäß 2 ist
in der flanschartigen Basisplatte 61 ein Ringkanal 68 ausgebildet,
in den beispielsweise vier Verbindungsbohrungen 69 münden, über
die die ringförmige Aussparung 68 mit dem Düsennadeldruckraum 24 hydraulisch
verbunden ist. Die vier Verbindungsbohrungen 69 sind dabei
zweckmäßigerweise fluchtend zu den Bohrungen 83 in
der Drosselscheibe 80 ausgeführt.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform der Drosselscheiben 80 gemäß 3 ist
der Ringkanal 68 in die erste Stirnfläche 81 der
Drosselscheibe 80 eingearbeitet. Bei dieser Ausführungsform
münden die Bohrungen 83 und die Verbindungsbohrungen 69, die
durch die gesamte Dicke der flanschartigen Basisplatte 61 geführt
sind, in den in der Drosselscheibe 80 ausgebildeten Ringkanal 68.
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Die
Drosselscheibe 80 bildet mit der ersten Stirnfläche 81 und
mit der an der Basisplatte 61 ausgebildeten Stirnfläche 66 einen
ersten Dichtsitz 88 aus, wenn die Drosselscheibe 80 in
einer ersten Anschlagposition auf der Basisplatte 61 aufliegt.
In einer zweiten Anschlagposition ist die Drosselscheibe 80 von
der Basisplatte 81 um den Hub h abgehoben und liegt mit
der zweiten Stirnfläche 82 an der Ringfläche 78 des
Gehäuses 10 an.
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Der
Außendurchmesser und der Innendurchmesser des Ringkanals 68 definieren
dabei die Größe der Zuhalte- bzw. Dichtkraft der
Drosselscheibe 80. Im Zustand der Kraftstoffeinspritzung,
d. h., wenn das Düsennadelelement 21 vom Düsennadelsitz 23 abgehoben
ist, entsteht über der Drosselscheibe 80 ein Druckgefälle,
wobei in dem über der Drosselscheibe 80 liegenden
Ringraum bzw. internen Speicherraum 36 ein höherer
Druck anliegt als im Düsennadelruckraum 24. In
Folge des hohen Drucks im Speicherraum 36 wird die Drosselscheibe 80 mit
der ersten Stirnfläche 81 auf die Ringfläche 66 der
Basisplatte 61 gedrückt und während des
Einspritzvorganges in dieser Position gehalten. Gleichzeitig bewirkt die
Drosselung zwischen dem Speicherraum 36 und dem Düsennadeldruckraum 24 beim
Schließen des Steuerventils 12, dass in Folge
der Druckdifferenz eine zusätzliche Schließkraft
auf die Düsennadel 21 einwirkt.
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Zum
Zeitpunkt des Einspritzendes, d. h., wenn das Düsennadelelement 21 in
den Düsennadelsitz 23 gestellt wird, wird der
Druck im Düsennadeldruckraum 24 abrupt erhöht.
Dies führt in der noch in Bewegung befindlichen Kraftstoffsäule
im Düsennadeldruckraum 24 zu einer Druckwelle,
die sich in Richtung der Drosselscheibe 80 bewegt. Erreicht
die Druckwelle den düsennadelseitigen Dichtsitz der Drosselscheibe 80,
entsteht bei einer genügend großen Druckdifferenz
zwischen Unterseite und Oberseite der Drosselscheibe 80 eine
Kraft, die die Drosselscheibe 80 von dem Dichtsitz 88 an
der Ringfläche 66 abhebt. Dadurch kann die Druckwelle
seitlich an der Drosselscheibe 80 vorbei über
den Bypasspfad 90 und die Aussparungen 85 in den
Speicherraum 36 gelangen. Folglich wird durch den Hub h
der Drosselscheibe 80 das weitere Schwingungsverhalten
der Kraftstoffsäule beeinflusst. Zum Zeitpunkt des Anschlags
der Drosselscheibe 80 an der gegenüberliegenden
Ringfläche 78 darf jedoch die Ausbreitung der
Druckwelle nicht unterbrochen werden. Um dies zu gewährleisten,
sind in die Drosselscheibe 80 die Aussparungen 85 eingearbeitet,
die zusammen mit dem Bypasspfad 90 eine hydraulische Verbindung zwischen
den düsennadelseitigen Druckräumen 24, 29 und
dem Speicherraum 36 ausbilden.
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Beim
Ausführungsbeispiel des Kraftstoffinjektors gemäß 5 wird
das Einspritzventilglied 16 von einer langen Düsennadel 121 gebildet,
bei der das Düsennadelelement 21 von einem Düsennadelabschnitt 101 und
die Kolbenstange 40 von einem Kolbenstangenabschnitt 102 gebildet
wird. Der Düsennadelabschnitt 101 und der Kolbenstangenabschnitt 102 sind
mechanisch fest verbunden, so dass sich die einteilig ausgeführte
Düsennadel 121 ergibt.
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Der
Düsennadelabschnitt 101 ist vom Düsennadeldruckraum 24 und
der Kolbenstangenabschnitt 102 vom internen Speicherraum 36 umgeben. Am
Kolbenstangeabschnitt 102 ist, wie beim Ausführungsbeispiel
gemäß 1, der nicht dargestellte stellelementseitige
Steuerkolben 42 ausgebildet, der im Ventilstück 44 aufgenommen
und dem Steuerraum 45 ausgesetzt ist.
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Zwischen
dem internen Speicherraum 36 und dem Düsennadeldruckraum 24 ist
die Drosselscheibe 80 axial verschiebbar angeordnet. Die
Drosselscheiben 80 wird dabei an einem zylindrischen Führungsabschnitt 104 der
Düsennadel 121 im Wesentlichen hydraulisch dichtend
geführt.
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Im
geschlossenen Zustand der Düsennadel 121 liegt
die Drosselscheibe 80 in der ersten Anschlagposition an
einer gehäuseseitigen Ringfläche 105 auf
und bildet dadurch den Dichtsitz 88 aus. Auch bei einer öffnenden
Hubbewegung der Düsennadel 121 bleibt die Drosselscheibe 80 aufgrund
des Druckabfalls an der Schießdrossel 84 mit einer
hydraulischen Kraft, resultierend aus der Druckdifferenz zwischen
dem Speicherraum 36 und dem Düsennadeldruckraum 24 am
Dichtsitz 88 gehalten.
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Die
Düsennadel 121 weist ferner zur Begrenzung eines
Düsennadelhubs H einen Ringbund 106 mit einer
Ringfläche 107 auf, wobei die an der Drosselscheibe 80 vorhandene
Gegenfläche, die von der düsennadelseitigen Stirnfläche 81 der
Drosselscheibe 80 gebildet wird, einen Hubanschlag für
die Ringfläche 107 der Düsennadel 121 bildet.
Der Führungsabschnitt 104 ist angrenzend an den
Ringbund 106 am Kolbenstangenabschnitt 102 an
der Düsennadel 121 ausgeführt. Um als
Hubanschlag für die Düsennadel 121 zu
wirken, darf die öffnende Kraft an der Düsennadel 121 nicht
größer sein als die entgegen gerichtete hydraulische
Kraft an der Drosselscheibe 80.
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Bei
einer schließenden Bewegung der Düsennadel 121 dichtet
die Drosselscheibe 80 weiterhin mit dem Dichtsitz 88 die
beiden Druckräume 24, 36 voneinander
ab. Erst wenn die Düsennadel 121 bzw. der Düsennadelabschnitt 101 beim
Schließen vollständig in den Düsennadelsitz 23 gestellt
ist, bildet sich aufgrund der nachströmenden Flüssigkeitssäule eine
Druckwelle aus, die sich von Düsennadelsitz 23 über
den Düsennadeldruckraum 24 in den internen Speicherraum 36 fortpflanzt.
Erreicht die Druckwelle die Drosselscheibe 80, hebt die
Drosselscheibe 80 aufgrund der sich umkehrenden hydraulischen
Kraft vom Dichtsitz 88 ab. Dadurch kann sich die Druckwelle
zu einem großen Teil über den Bypasspfad 90 um
die Drosselscheiben 80 herum und über die Aussparung 85 in
den internen Speicherraum 36 fortpflanzen. Der Hub h der
Drosselscheibe 80 wird dabei durch den Hubanschlag an der
Ringfläche 78 in der zweiten Anschlagposition
begrenzt. Durch das Umleiten der Druckwelle über den Bypasspfad 90 und
die Aussparungen 85 wird die Druckwelle effektiv gedämpft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006047935
A1 [0002]
- - DE 102006036447 A1 [0003]