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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen 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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Bekannte
Injektoren umfassen ein Steuerventil (Servoventil) mittels dem der
Kraftstoffdruck innerhalb einer von einem Einspritzventilelement
begrenzten Steuerkammer beeinflussbar ist. Wird das Steuerventil
mittels eines elektromagnetischen oder piezoelektrischen Akutators
geöffnet, wird die Steuerkammer über einen Ablaufdrosselkanal
mit einem Niederdruckbereich des Injektors verbunden, mit der Folge,
dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer und damit die
auf das Einspritzventilelement wirkende Schließkraft abfällt,
wodurch das Einspritzventilelement von seinem Einspritzventilelementsitz abhebt
und Kraftstoff durch eine Düsenlochanordnung in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine strömen kann.
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Es
sind Bauformen von derartigen Injektoren bekannt, bei denen die
Stirnseite des Einspritzventilelementes in einem zentrischen Bereich
kegelförmig ausgebildet ist, wobei der Kegel bei geöffnetem
Einspritzventilelement abschnittsweise in den Ablaufdrosselkanal
hineinragt und diesen abdichtet. Die Voraussetzung für
diese Konstruktion ist eine exakt zentrische Positionierung der
Mündungsöffnung des Ablaufdrosselkanals und der
Einspritzventilelementführung. Dazu ist es notwendig, den
Ablaufdrosselkanal und die Führung für das Einspritzventilelement
an einem Bauteil zu realisieren oder aber zwei voneinander getrennte
Bauteile zueinander exakt zu zentrieren.
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Aus
der
DE 100 20 867
A1 ist ein Injektor bekannt, dessen zweiteiliges Einspritzventilelement
an seiner die Steuerkammer axial begrenzenden Stirnseite einen zentrischen
Anschlag mit einer ebenen Stirnfläche aufweist, die beim
geöffneten Einspritzventilelement einen Ablaufdrosselkanal
verschließt. Bei der bekannten Konstruktion sind eine Führung
für das Einspritzventilelement und der Ablaufdrosselkanal
in einem ge meinsamen Ventilstück ausgebildet. Nachteilig
ist die mangelnde Abdichtung des Ablaufdrosselkanals sowie ein möglicherweise
auftretendes hydraulisches Kleben des Einspritzventilelementes am
Ventilstück.
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Aus
der
DE 198 26 719
A1 ist ein Injektor bekannt, der stirnseitig an seinem
Einspritzventilelement ein mit einem Drosselkanal versehenes Endglied
aufweist. Selbst wenn das Endglied im Randbereich der Mündung
des Ablaufdrosselkanals anliegt, ist die Steuerkammer über
den Drosselkanal noch hydraulisch mit dem Ablaufdrosselkanal verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor vorzuschlagen,
bei dem eine gute Abdichtung des Ablaufdrosselkanals bei geöffnetem Einspritzventilelement
sichergestellt werden kann, ohne dass es zwingend notwendig ist,
das Einspritzventilelement relativ zur Mündungsöffnung
eines Ablaufdrosselkanals exakt zu zentrieren.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit einem 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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Die
Erfindung hat erkannt, dass es zur Minimierung der aus der Steuerkammer
in Richtung des Injektorrücklaufes abströmenden
Steuermenge von Vorteil ist, den Ablaufdrosselkanal mit Hilfe des
Einspritzventilelementes, wenn dieses sich in seiner Öffnungsstellung
befindet, abzudichten. Damit eine gute Abdichtung des Ablaufdrosselkanals
durch das ein- oder mehrteilige Einspritzventilelement gewährleistet ist,
ohne dafür Sorge tragen zu müssen, dass die Führung
für das Einspritzventilelement und die Mündungsöffnung
des Ablaufdrosselkanals exakt zueinander ausgerichtet sind, schlägt
die Erfindung vor, an der Stirnseite des Einspritzventilelementes
eine umlaufende, vorzugsweise kreislinienförmige, Dichtkante
(i. d. R. Beißkante) vorzusehen, die den Ablaufdrosselkanal
in der Öffnungsstellung des Einspritzventilelementes gegenüber
der (restlichen) Steuerkammer abdichtet. Anders ausgedrückt
ist bei einem nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Injektor
an der Stirnseite des Einspritzventilelementes ein als Dichtkante
ausgebildeter Hubanschlag vorgesehen, der mit dem Einspritzventilelement
in seiner Öffnungsstellung an einem den Ablaufdrosselkanal aufnehmenden
Bauteil anliegt. Dabei ist der Durchmesser der Dichtkante bevorzugt
maximal so groß zu wählen, wie es unbedingt notwendig
ist, um den Ablaufdrosselkanal sicher abzudichten. Der Durchmesser
der Dichtkante sollte so gewählt werden, dass sich bei
geöffnetem Steuerventil (Servoventil) ein ausreichend großer
Kraftüberschuss an dem Einspritzventilelement einstellt,
damit dieses geöffnet bleibt. Durch das Vorsehen einer
Dichtkante zum Abdichten des Ablaufdrosselkanals ist es, aufgrund
der daraus resultierenden Linienberührung zwischen dem
Einspritzventilelement und einem den Ablaufdrosselkanal aufnehmenden
Bauteil, auf einfache Weise möglich, die zu Beginn des
Einspritzventilelementschließvorgangs hydraulisch unwirksame
Fläche an der Stirnseite des Einspritzventilelementes zu minimieren.
Bevorzugt wird der Durchmesser der Dichtkante so gewählt,
dass bei geöffnetem Steuerventil die öffnend auf
das Einspritzventilelement wirkende Kraft größer
ist als die schließend auf das Einspritzventilelement wirkende
Kraft. Ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeter Injektor
ist besonders geeignet für Motorsportanwendungen, da aufgrund
des Vorsehens der Dichtkante als Hubanschlag große Einspritzmengen
mit geringen Hub-/Hubstreuungen realisiert werden können.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform des Injektors ist
der Ablaufdrosselkanal in einer die Steuerkammer axial begrenzenden
Drosselplatte angeordnet, wobei die stirnseitig am Einspritzventilelement
vorgesehene, geschlossene Dichtkante eine Mündungsöffnung
des Ablaufdrosselkanals in der Drosselplatte radial außen
umschließt. In seiner Öffnungsstellung stützt
sich hierzu das Einspritzventilelement an der bevorzugt ebenen (unteren,
d. h. dem Brennraum zugewandten) Oberfläche der Drosselplatte
mit Radialabstand zur Mündungsöffnung des Ablaufdrosselkanals
ab. Dabei wird eine Abdichtung des Ablaufdrosselkanals gegenüber
der Steuerkammer auch dann erreicht, wenn das Einspritzventilelement
nicht exakt zur Mündungsöffnung ausgerichtet ist.
Wesentlich ist lediglich, dass sich die Mündungsöffnung
des Ablaufdrosselkanals vollständig in einem Bereich radial
innerhalb der Dichtkante befindet. Von Vorteil ist jedoch eine Ausführungsform,
bei der sich die Mündungsöffnung des Ablaufdrosselkanals,
zumindest näherungsweise, zentrisch in Bezug auf die (verlängerte) Längsmittelachse
des Einspritzventilelementes befindet, insbesondere um eine symmetrische
Bauteilbelastung zu realisieren.
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Erstmals
möglich ist eine Ausführungsform des Injektors,
bei der, trotz der Gewährleistung einer Abdichtung der
Ablaufdrossel bei geöffnetem Einspritzventilelement, die
Steuerkammer radial außen nicht von dem selben Bauteil
begrenzt ist, in dem auch der Ablaufdrosselkanal aufgenommen ist,
sondern stattdessen von einer Hülse, die in axialer Richtung
mit Hilfe einer Feder auf die Drosselplatte federkraftbeaufschlagt
ist. Die Herstellung der Drosselplatte ist hierdurch vereinfacht.
Bevorzugt ist die Hülse dabei von unter Hochdruck stehendem
Kraftstoff umgeben, um den Führungsspalt zwischen der Hülse und
dem Einspritzventilelement zu minimieren. Besonders bevorzugt handelt
es sich bei der Drosselplatte um eine einfache Zylinderplatte mit
zwei parallelen Stirnseiten, wobei an einer ersten (unteren) Stirnseite
die Steuerkammer und an der anderen (oberen) Stirnseite eine Ventilkammer
des Steuerventils angrenzt.
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Um
ein schnelles Schließen des Einspritzventilelementes zu
gewährleisten, wird die Steuerkammer mit Vorteil über
einen Zulaufdrosselkanal dauerhaft mit unter Hochdruck (Raildruck)
stehendem Kraftstoff versorgt. Bevorzugt befindet sich der Zulaufdrosselkanal
dabei in der Drosselplatte. Vorzugsweise ist der Zulaufdrosselkanal
dabei über eine stirnseitige Hydrauliktasche mit einem
Versorgungskanal im Injektorkörper verbunden, über
den ein Hochdruckraum des Injektors mit Kraftstoff aus einem Kraftstoffhochdruckspeicher
(Rail) versorgt wird. Es ist alternativ auch eine Ausführungsform
realisierbar, bei der die Zulaufdrossel in die Hülse, vorzugsweise
als Radialkanal, eingebracht ist.
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Insbesondere
für Motorsportanwendungen ist eine Ausführungsform
des Injektors bevorzugt, bei der das Durchmesserverhältnis
zwischen dem minimalen Durchmesser des Ablaufdrosselkanals und dem
minimalen Durchmesser des Zulaufdrosselkanals aus einem Bereich
zwischen etwa 0,8 und etwa 0,9 gewählt ist. Besonders bevorzugt
ist eine Ausführungsform, bei der dieses Verhältnis
etwa 0,86 beträgt.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der die
Stirnseite des Einspritzventilelementes radial innerhalb der Dichtkante
von mindestens zwei, vorzugsweise von ausschließlich zwei, winklig
zueinander angeordneten Ringflächenabschnitten gebildet
ist, wobei bevorzugt der unmittelbar an die Dichtkante angrenzende
Ringflächenabschnitt weniger stark relativ zu einer senkrecht
von der Längsmittelachse des Einspritzventilelements durchsetzten
Ebene geneigt ist, als ein an diesen Ringflächenabschnitt
radial innen angrenzender Ringflächenabschnitt. Eine derartige
Konstruktion vergrößert den inneren Dichtkantenwinkel,
wodurch der Verschleiß im Bereich der Dichtkante über
die Lebensdauer des Injektors minimiert wird.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der eine
Ventilkammer des Steuerventils, die über den Ablaufdrosselkanal
mit der Steuerkammer hydraulisch verbunden ist, über einen
Verbindungskanal (Bypass) mit einem Hochdruckbereich des Injektors,
insbesondere mit einem die Steuerkammer radial innen aufnehmenden
Druckraum, verbunden ist, so dass bei geschlossenem Steuerventil
Kraftstoff über den Verbindungskanal in die Ventilkammer
und über den Ablaufdrosselkanal in die Steuerkammer strömen
kann. Hierdurch wird die Steuerkammer nicht ausschließlich
nur über den Zulaufdrosselkanal, sondern auch rückwärts über
den Ablaufdrosselkanal mit Hochdruck beaufschlagt, bis das Kräftegleichgewicht
am Einspritzventilelement erreicht ist. Hierdurch kann ein beschleunigtes Schließen
des Einspritzventilelementes realisiert werden. Von besonderem Vorteil
ist eine Ausführungsform, bei der das Steuerventil als
3/2-Wegeventil ausgebildet ist und den Verbindungskanal in einer Schaltstellung,
bei der die Steuerkammer hydraulisch mit dem Niederdruckbereich
des Injektors verbunden ist, schließt, vorzugsweise mit
der Stirnseite eines axial verstellbaren Steuerventilelementes.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Injektors,
bei der der Aktuator zum Betätigen des Steuerventils als
Piezoaktuator ausgebildet ist. Dieser umfasst bevorzugt eine Vielzahl
von gestapelten Kristallplättchen, die sich bei Bestromung
ausdehnen.
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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 schematische, unvollständige Darstellung eines Kraftstoffinjektors
und
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2:
eine an der Stirnseite eines Einspritzventilelementes angeordnete
Dichtkante, mit der das Einspritzventilelement dichtend an einer
Drosselplatte anliegt.
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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
ausschnittsweise ein als Common-Rail-Injektor ausgebildeter Injektor 1 zum
Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
(nicht gezeigt) dargestellt. Der Injektor 1 wird über
eine Hochdruckversorgungsleitung 2 von einem Kraftstoff-Hochdruckspeicher 3 (Rail)
mit unter hohem Druck, von in dem gezeigten Ausführungsbeispiel über
2000 bar, stehenden Kraftstoff, insbesondere Diesel, versorgt. Der
Kraftstoff-Hochdruckspeicher 3 wird von einer, insbesondere
als Radialkolbenpumpe ausgebildeten, Hochdruckpumpe 4 mit
Kraftstoff aus einem auf Niederdruck liegenden Vorratsbehälter 5 versorgt.
Ein Niederdruckbereich 6 des Injektors 1 ist über
eine Rücklaufleitung 7 mit dem Vorratsbehälter 5 hydraulisch verbunden.
In die Rücklaufleitung 7 wird eine später noch
zu erläuternde Steuermenge an Kraftstoff abgeführt
und über die Hochdruckpumpe 4 dem Hochdruckkreislauf
wieder zugeführt.
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Der
Injektor 1 umfasst einen Düsenkörper 8, in
dem ein Einspritzventilelement 9 (hier Düsennadel)
in axialer Richtung zwischen einer Öffnungsstellung und
einer Schließstellung verstellbar ist. In seiner Öffnungsstellung
gibt das Einspritzventilelement 9 den Kraftstofffluss aus
einer nicht gezeigten Düsenlochanordnung in den Brennraum
der Brennkraftmaschine frei.
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Der
Düsenkörper 8 durchsetzt in axialer Richtung
eine Düsenspannmutter 10, die mit einem Injektorkörper 11 verschraubt
ist. Mittels der Düsenspannmutter 10 werden der
Düsenkörper 8 und der Injektorkörper 11 gegen
eine Drosselplatte 12 verspannt.
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Mit
einer in der Zeichnungsebene oberen Stirnseite 13 begrenzt
das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einteilige Einspritzventilelement 9 eine Steuerkammer 14 in
axialer Richtung. Radial außen wird die Steuerkammer 14 von
einer Hülse 15 begrenzt, die von einer Druckfeder 16,
die gleichzeitig eine Schließfeder für das Einspritzventilelement 9 ist und
die sich an einem nicht gezeigten Umfangsbund des Einspritzventilelementes 9 abstützt,
in axialer Richtung auf eine in der Zeichnungsebene untere, ebene
Drosselplattenstirnseite 17 gepresst. Die untere, dem nicht
gezeigten Brennraum zugewandte, Drosselplattenstirnseite 17 verläuft
parallel zu einer oberen Drosselplatten stirnseite 18. In
axialer Richtung nach oben wird die Steuerkammer 14 begrenzt von
der unteren Drosselplattenstirnseite 17.
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In
die Steuerkammer 14 mündet ein in die Drosselplatte 12 eingebrachter
Zulaufdrosselkanal 19, der auf der oberen Drosselplattenstirnseite 18 über
eine Hydrauliktasche 20 mit einem radial benachbarten Versorgungskanal 21 verbunden
ist, der wiederum hydraulisch mit der Hochdruckversorgungsleitung 2 verbunden
ist. Der Versorgungskanal 21 durchsetzt die Drosselplatte 12 in
axialer Richtung und mündet in einen Druckraum 22,
der die die Steuerkammer 14 begrenzende Hülse 15 radial
außen umschließt. Durch den Zulaufdrosselkanal 19 wird die
Steuerkammer 14 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
versorgt. Die Steuerkammer 14 ist mit einem in axialer
Richtung verlaufenden Ablaufdrosselkanal 23 mit einer Ventilkammer 24 eines
Steuerventils 25 (Servoventil) verbunden. Die Ventilkammer 24 befindet
sich auf der oberen Drosselplattenstirnseite 18. In der
Ventilkammer 24 ist ein Steuerventilelement 26 in
axialer Richtung zwischen einer oberen und einer unteren Schaltstellung
verstellbar. Zum axialen Verstellen des bolzenförmigen
Steuerventilelementes 26 ist ein nur ausschnittsweise gezeigter
Piezoaktuator 27 vorgesehen. Bei Bestromung des Piezoaktors 27 dehnt
sich dieser aus und das Steuerventilelement 26 wird auf
die obere Drosselplattenstirnseite 18 gegen die Kraft einer
Steuerschließfeder 28, die innerhalb der Ventilkammer 24 angeordnet
ist, verstellt. In dieser unteren Schaltstellung des Steuerventilelementes 26 wird
ein Verbindungskanal 29, der aus dem Druckraum 22 ausmündet,
von der (unteren) Stirnseite des Steuerventilelementes 26 verschlossen.
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Zum
Starten eines Einspritzvorgangs, also zum Überführen
des Einspritzventilelementes 9 in seine Öffnungsstellung,
wird der Piezoaktuator 27 bestromt, wodurch das Steuerventilelement 26 in
der Zeichnungsebene nach unten auf die Drosselplatte 12 verstellt
wird und dabei den Verbindungskanal 29 verschließt.
Durch das Verstellen des Steuerventilelementes 26 wird
die Steuerkammer 14 hydraulisch mit dem Niederdruckbereich 6 und
damit mit dem Vorratsbehälter 5 verbunden. Dabei
sind die Durchflussquerschnitte des Ablaufdrosselkanals 23 und des
Zulaufdrosselkanals 19 derart aufeinander abgestimmt, dass
ein Nettoabfluss von Kraftstoff (Steuermenge) aus der Steuerkammer 14 über
den Ablaufdrosselkanal 23 und die Ventilkammer 24 in
den Niederdruckbereich 6 resultiert. Hierdurch sinkt der Kraftstoffdruck
innerhalb der Steuerkammer 14 rapide ab, wodurch das Einspritzventilelement 9 in
der Zeichnungsebene nach oben verstellt wird. Die Verstellbewegung
wird begrenzt von der Drosselplatte 12, an der sich das
Einspritzventilelement 9 in seiner Öffnungsstellung
mit einer kreislinien förmigen, stirnseitigen Dichtkante 30 (Beißkante)
abstützt. Die Dichtkante 30 umschließt
in der in 1 nicht gezeigten Öffnungsstellung
des Einspritzventilelementes 9 eine Mündungsöffnung 31 des
Ablaufdrosselkanals 23 radial außen und dichtet
den Ablaufdrosselkanal 23 gegenüber der Steuerkammer 14 ab,
sodass ein weiterer Steuermengenabfluss verhindert wird.
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Zum
Beenden des Einspritzvorgangs wird die Bestromung des Piezoaktuators 27 unterbrochen,
wodurch das Steuerventilelement 26 aufgrund der Federkraft
der Steuerschließfeder 28 in seine obere Schaltstellung
verstellt wird, wodurch der Niederdruckbereich 6 des Injektors 1 hydraulisch
von der Ventilkammer 24 getrennt wird. Bei in seiner oberen Schaltstellung
befindlichem Steuerventilelement 26 strömt Kraftstoff 29 aus
dem Druckraum 22 über den Verbindungskanal 29 in
die Ventilkammer 24 und von dort aus rückwärts über
den Ablaufdrosselkanal 23 in die Steuerkammer. Das Einspritzventilelement 9 wird,
unterstützt durch die Federkraft der Druckfeder 16 (Schließfeder),
auf seinen nicht gezeigten Einspritzventilelementsitz bewegt und
sperrt dort die nicht gezeigte Düsenlochanordnung.
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In 2 ist
eine vergrößerte Darstellung einer möglichen
Ausführungsform der (oberen) Stirnseite eines Einspritzventilelementes 9 eines
Injektors 1 gezeigt. Zu erkennen ist das Einspritzventilelement 9 mit
seiner in der Zeichnungsebene oberen, der Drosselplatte 12 zugewandten
Stirnseite 13. In 2 befindet
sich das Einspritzventilelement 9 in seiner Schließstellung
und stützt sich mittels einer umfangsgeschlossenen Dichtkante 30 an
der unteren Drosselplattenstirnseite 17 ab und zwar in
einem Bereich radial außerhalb einer zentrischen Mündungsöffnung 31 eines
bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 schräg
verlaufenden Ablaufdrosselkanal 23. Zu erkennen ist, dass
sich die Hülse 15 über eine Hülsenbeißkante 32 an
der Drosselplatte 12 abstützt. Der Zulaufdrosselkanal 19 mündet
in einen Bereich der Steuerkammer 14 radial zwischen der
(äußeren) Hülsenbeißkante 32 und
der (inneren) Dichtkante 30 an der Stirnseite 13 des
Einspritzventilelementes 9. Ein innerer Dichtkantenwinkel α ist
aufgespannt zwischen einer radial äußeren Ringfläche 33 der
Stirnseite 13 und einem Ringflächenabschnitt 34,
der sich radial innerhalb der Dichtkante 30 befindet und
unmittelbar an diese angrenzt. Ein nicht mit einem Bezugszeichen
versehener Neigungswinkel des Ringflächenabschnittes 34 ist
kleiner als ein Neigungswinkel eines radial innen unmittelbar an
den Ringflächenabschnitt 34 angrenzenden Ringflächenabschnittes 35,
der radial innen an eine kreisförmige, ebene Zentralfläche 36 angrenzt,
die parallel zu der unteren Drosselplattenstirnseite 17 verläuft.
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Zusätzlich
zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Anwendung der Erfindung auch bei Injektoren mit druckausgeglichenen oder
teilweise druckausgeglichenen Steuerventilen möglich. Bei
derartigen druck- oder teildruckausgeglichen Steuerventilen ist
kein schaltbarer Verbindungskanal 45 vorhanden. Das Steuerventil
weist dabei eine erste Ventilkammer und eine zweite Ventilkammer
auf. Die erste Ventilkammer ist ständig mit dem Niederdruckbereich
und die zweite Ventilkammer über einen zusätzlichen
Fülldrosselkanal ständig mit dem Druckraum 22 verbunden.
Mit dem zusätzlichen Fülldrosselkanal wird über
die Ablaufdrossel 23 der innerhalb der Dichtkante 30 ausgebildete
Teilsteuerraum wieder befüllt. Der Fülldrosselkanal nimmt
bei diesem Ausführungsbeispiel die Funktion des Verbindungskanals 29 aus 1 ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10020867
A1 [0004]
- - DE 19826719 A1 [0005]