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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoffinjektor mit in einem
Injektorkörper angeordneten Hochdruckraum, welcher an eine
Hochdruckquelle für Kraftstoff anschließbar und über
von einem Schließglied bzw. einer Düsennadel gesteuerte
Einspritzdüsen zur Kraftstoffeinspritzung mit einem Brennraum
verbindbar ist, und mit einem im Injektorkörper angeordneten,
mit dem Schließglied bzw. der Düsennadel antriebsmäßig
direkt gekoppelten Aktor.
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Stand der Technik
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Ein
derartiger Kraftstoffinjektor ist Gegenstand der
DE 10 2004 005 452 A1 .
Nach dieser Druckschrift sind der Aktor und eine Düsennadel
in miteinander kommunizierenden Hochdruckräumen angeordnet
und miteinander hydraulisch gekoppelt, wobei der hierfür
vorgesehene hydraulische Kopplungsraum vom aktorseitigen Hochdruckraum
durch eine Dichthülse abgetrennt wird, die auf einem vom Aktor
betätigten Geberkolben verschiebbar angeordnet und mittels
am Kolben abgestützter Federung gegen den zugewandten Boden
eines Führungskörpers gespannt wird, der ein plungerartiges
Ende der Düsennadel in einer zum Kopplungsraum hin offenen Axialbohrung
verschiebbar aufnimmt.
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Sobald
die Düsennadel ihre die Einspritzdüsen freigebende
Offenlage einnimmt, wird die Düsennadel auf ihrem gesamten
Querschnitt von dem im düsennadelseitigen Hochdruckraum
vorliegenden Hochdruck in Öffnungsrichtung beaufschlagt.
Dementsprechend muss der Aktor beim Schließen der Düsennadel
erhebliche hydraulische Kräfte überwinden, wobei
zusätzlich das Übersetzungsverhältnis der
hydraulischen Kopplung zwischen Aktor und Düsennadel zu berücksichtigen
ist. Da die hydraulische Kopplung derart ausgewählt ist,
dass kleine Aktorhübe zu vergleichsweise großen
Hüben der Düsennadel führen, muss also
der Aktor beim Schließhub eine Kraft aufbringen, die um
ein Vielfaches höher als die auf die Düsennadel
wirkende hydraulische Öffnungskraft ist.
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Inder
DE 43 06 073 C1 wird
eine als Kraftstoffinjektor einsetzbare Zumessvorrichtung für
Fluide dargestellt, wobei eine prinzipiell ähnliche Konstruktion
wie in der vorgenannten Druckschrift vorgesehen ist. Abweichend
davon ist im Wesentlichen nur vorgesehen, eine inverse hydraulische
Kopplung zwischen Aktor und Düsennadel vorzusehen, das
heißt eine Elongation des Aktors führt zu einem
Düsennadelhub in Öffnungsrichtung, während
gemäß der
DE 10 2004 005 452 A1 eine normale hydraulische
Kopplung zwischen Aktor und Düsennadel vorgesehen ist und
ein Elongation des Aktors den Schließhub der Düsennadel
bewirkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Grundsätzlich
ist es erwünscht, den Kraftstoffinjektor konstruktiv derart
auszugestalten, dass der Leistungsbedarf des Aktors beim Öffnungs-
bzw. Schließhub der Düsennadel gering bleibt.
Dazu ist Voraussetzung, dass in der jeweiligen Hubrichtung der Düsennadel
nur geringe hydraulische oder sonstige Widerstände bzw.
Rückstellkräfte überwunden werden müssen.
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In
diesem Zusammenhang wird eine druckausgeglichene Anordnung der Düsennadel
angestrebt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, für einen Kraftstoffinjektor
mit druckausgeglichen angeordneter Düsennadel eine besonders
vorteilhafte Konstruktion aufzuzeigen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass das Schließglied bzw. die Düsennadel an seinem
bzw. ihrem den Einspritzdüsen benachbarten Ende mit einem
plungerartigen axialen Fortsatz in einer an bzw. im Injektorkörper
angeordneten Führungsbohrung axial verschiebbar geführt ist,
deren vom Hochdruckraum durch den axialen Fortsatz abgetrennter
Innenraum mit dem Brennraum kommuniziert.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Teilquerschnitt
der Düsennadel ständig mit dem gegenüber
dem Einspritzdruck des Kraftstoffes größenordnungsmäßig
geringeren Druck im Brennraum in Öffnungsrichtung zu beaufschlagen, so
dass die in Öffnungsrichtung wirkenden fluidischen Kräfte
entsprechend gering bleiben.
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Da
die Führungsbohrung im Zusammenwirken mit dem plungerartigen
axialen Fortsatz der Düsennadel eine exakte axiale Führung
der Düsennadel an den Einspritzdüsen bewirkt,
kann die Düsennadel mit hoher Präzision mit ihrem
Sitz zusammenwirken, so dass ein besonders exaktes und reproduzierbares Öffnungs-
und Schließverhalten gewährleistet werden.
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In
konstruktiv bevorzugter Weise wirken das Schließglied bzw.
die Düsennadel mit einer zum Fortsatz konzentrischen Ringkante
bzw. -zone mit einem die Eingänge der Einspritzdüsen
ringförmig umschließenden Sitz zusammen, so dass
die Einspritzdüsen bei auf dem Sitz aufsitzender Ringkante
bzw. -zone abgesperrt sind.
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Bei
dieser Ausführungsform wird die Ringfläche, welche
sich radial zwischen dem Außenumfang des plungerartigen
axialen Fortsatzes der Düsennadel und der vorgenannten
Ringkante bzw. -zone erstreckt, beim Übergang zwischen
Schließ- und Offenlage der Düsennadel abwechselnd
vom Druck im Brennraum bzw. vom Hochdruck im Hochdruckraum in Öffnungsrichtung
der Düsennadel beaufschlagt. Da die genannte Ringfläche
aufgrund der regelmäßig sehr geringen Querschnitte
der Einspritzdüsen sehr klein bleiben kann, bleibt die
Absolutdifferenz zwischen den in Schließlage bzw. in Offenlage
wirksamen fluidischen Kräfte in Öffnungsrichtung
der Düsennadel gering. Damit lässt sich ein gutes
Betriebsverhalten des Aktors erreichen.
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Im übrigen
wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche
und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand
der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
näher beschrieben werden.
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Schutz
wird nicht nur für ausdrücklich angegebene oder
dargestellte Merkmalskombinationen, 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:
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1 einen
Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
gemäß einer ersten Ausführungsform mit
inverser hydraulischer Kopplung zwischen Aktor und Düsennadel,
das heißt die Düsennadel schließt bei
Elongation des Aktors, und
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2 einen
Axialschnitt eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
mit normaler hydraulischer Kopplung zwischen Aktor und Düsennadel.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Gemäß 1 besitzt
der dort dargestellte Kraftstoffinjektor einen Injektorkörper 1,
der in einen Niederdruckkörper 2, einen Zwischenkörper 3 sowie einen
Düsenkörper 4 segmentiert ist, wobei
die Körper 2–4 durch eine hülsenförmige Überwurfmutter 5 gegeneinander
axial verspannt werden.
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Der
Niederdruckkörper 2 umschließt einen Niederdruckraum 6,
der über eine vorzugsweise gedrosselte Verbindungsleitung
mit einem relativ drucklosen Kraftstoffreservoir 7, beispielsweise
ein Kraftstofftank, kommuniziert. Der Düsenkörper 4 umschließt
einen Hochdruckraum 8, der über eine den Zwischenkörper 3 sowie
den Niederdruckkörper 2 durchsetzende Versorgungsleitung 9 mit
einer Hochdruckquelle CR für Kraftstoff verbunden ist.
Diese Hochdruckquelle CR kann als sogenanntes Common Rail ausgebildet
sein.
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Der
Hochdruckraum 8 umfasst zwei Teilräume 8' und 8'',
die miteinander axial über eine eine Düsennadel 10 verschiebbar
aufnehmende Bohrung 11 sowie eine dazu parallele Bohrung 12 verbunden sind.
Die Bohrung 11 dient im Wesentlichen zur axial verschiebbaren
Führung der Düsennadel 10, die an ihrem
oberen Ende in einer zur Bohrung 11 gleichachsigen Bohrung 13 im
Zwischenkörper 3 geführt ist. Die Düsennadel 10 besitzt
ein stufenförmig ausgebildetes unteres Ende, derart, dass
ein plungerartiger axialer Fortsatz 10' gebildet wird,
welcher in einer dazu passenden Führungsbohrung im unteren Ende
des Düsenkörpers 4 axial verschiebbar
geführt ist.
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Diese
Führungsbohrung 14 ist über eine dieselbe
axial fortsetzende Entlastungsbohrung 140 ständig
mit einem nicht dargestellten Brennraum eines Verbrennungsmotors
verbunden, wobei der unterhalb des Stirnendes des Fortsatzes 10' verbleibende
Bereich der Führungsbohrung 14 gegenüber dem
Teilraum 8'' des Hochdruckraumes durch den in die Führungsbohrung 14 eintauchenden
Fortsatz 10' abgesperrt wird.
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Am Übergangsbereich
zwischen der Führungsbohrung 14 und dem Teilraum 8'' des
Hochdruckraumes 8 ist ein ringförmiger Sitz ausgebildet, der
die Eingänge von sternförmig zur Führungsbohrung 14 angeordneten
Einspritzdüsen 15 ringförmig umschließt
und mit der am stufenförmigen Endbereich der Düsennadel 10 ausgebildeten
Ringkante 10'' dichtend zusammenwirkt, wenn die Düsennadel 10 die
in 1 dargestellte Schließlage einnimmt.
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Innerhalb
des Zwischenkörpers 3 ist ein die Düsennadel 10 umschließender
Ringraum 16 angeordnet, welcher mit dem Niederdruckraum 6 kommuniziert.
Dementsprechend liegt im Ringraum 16 immer Niederdruck
vor, und ein gegebenenfalls in den Ringraum zwischen dem Außenumfang
der Düsennadel 10 und dem Innenumfang der Bohrung 13 eindringender
Leckagestrom aus dem Hochdruckraum 8 wird in den Niederdruckraum 6 geleitet
und dementsprechend vom Innenraum der Bohrung 13 oberhalb
des oberen Endes der Düsennadel 10 ferngehalten.
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Der
Niederdruckraum 6 im Niederdruckkörper 2 besitzt
einen oberen Abschnitt mit kleinerem Durchmesser und einem unteren
Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser. Der obere
Abschnitt nimmt einen beispielsweise piezoelektrischen Aktor 17 auf, der
mit einem an seinem oberen Ende angeordneten Fuß auf einem
Boden des Niederdruckkörpers 2 abgestützt
ist und mit einem an seinem in 1 unteren Ende
angeordneten Kolben 18 in den unteren Abschnitt des Niederdruckraumes 6 hineinragt.
Auf dem Kolben 18 ist eine Dichthülse 19 axial
verschiebbar geführt, die mittels einer zwischen einem
Kragen am Kolben 18 und einem Kragen an der Dichthülse 19 axial
auf Druck eingespannten Rohrfeder 20 gegen die zugewandte
Stirnseite des Zwischenkörpers 3 gespannt wird,
derart, dass von der Dichthülse 19 axial zwischen
der unteren Stirnseite des Kolbens 18 und der zugewandten
Stirnseite des Zwischenkörpers 3 ein Kopplerraum 21 vom
Niederdruckraum 6 abgetrennt wird. Dieser Kopplerraum 21 kommuniziert über
eine vorzugsweise als Drosselbohrung ausgebildete Axialbohrung 22 im
Zwischenkörper 3 mit dem Innenraum der im Zwischenkörper 3 angeordneten
Bohrung 13 bzw. mit dem Abschnitt dieser Bohrung 13 oberhalb
des oberen Endes der Düsennadel 10. Wenn der Kolben 18 einen
Abwärtshub ausführt, wird Fluid aus dem Kopplerraum 21 in
die Bohrung 13 verdrängt, so dass die Düsennadel 10 nach
abwärts verschoben wird. Wenn der Kolben 18 einen
Aufwärtshub ausführt, nimmt der Kopplerraum 21 Fluid
aus der Bohrung 13 auf und die Düsennadel 10 führt
einen Aufwärtshub aus. Dabei tritt eine Hubübersetzung
auf, die durch das Verhältnis der Querschnitte des Kolbens 18 im
Kopplerraum 21 und der Düsennadel 10 in
der Bohrung 13 vorgegeben ist.
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Der
ringförmige Dichtspalt zwischen dem Innenumfang der Dichthülse 19 und
dem Außenumfang des Kolbens 18 ist als Kapillarspalt
ausgebildet, so dass der Kopplerraum 21 und der Niederdruckraum 6 stark
gedrosselt miteinander verbunden sind.
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Damit
wird im Betrieb des Kraftstoffinjektors gewährleistet,
dass der Kopplerraum 21 und der damit verbundene Teilraum
der Bohrung 13 oberhalb der Düsennadel 10 eine
genau passende Fluidmenge aufnehmen, wenn die Düsennadel 10 die
dargestellte Schließlage und der Kolben 18 die
dargestellte untere Totpunktlage einnehmen.
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Der
in 1 dargestellte Kraftstoffinjektor funktioniert
wie folgt:
Wenn der piezoelektrische Aktor 17 über
die elektrischen Anschlussleitungen 24 mit einer elektrischen Spannungsquelle
verbunden wird und dementsprechend elektrisch aufgeladen wird, nimmt
er seinen vertikal elongierten Zustand ein, bei dem der Kolben 18 vom
Aktor 17 in die zeichnerisch dargestellte untere Totpunktlage
gebracht und in dieser Lage gehalten wird. Gleichzeitig nimmt die
Düsennadel 10 die dargestellte Schließlage
ein, in der sie von ihrer Schließfeder 23 gehalten
wird, wobei gegebenenfalls Fluid aus dem Niederdruckraum 6 über
den Kapillarspalt zwischen Dichthülse 19 und Kolben 18 in
den Kopplerraum 21 einsickert.
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Sobald
der Aktor 17 von der vorgenannten elektrischen Spannungsquelle
abgekoppelt und entladen wird, geht er in seinen vertikal verkürzten
Zustand über, wobei sich der Kolben 18 in seine
obere Endlage verschiebt. Da der Kopplerraum 21 beim Aufwärtshub
des Kolbens 18 Fluid aus der Bohrung 13 oberhalb
der Düsennadel 10 aufnimmt, wird die Düsennadel 10 aus
ihrem Sitz ausgehoben, wobei die Eingangsseite der Einspritzdüsen 15 mit
dem unteren Teilraum 8'' des Hochdruckraumes 8 verbunden
wird und dementsprechend Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 8 in
den angeschlossenen Brennraum eingespritzt wird. Gleichzeitig beaufschlagt
der im Hochdruckraum 8 vorliegende Hochdruck nunmehr die
Ringfläche zwischen dem Außenumfang des plungerartigen
Fortsatzes 10' und der Ringkante 10'' der Düsennadel 10 in
Aufwärtsrichtung. Damit wird einerseits die Düsennadel 10 gegen
die Kraft ihrer Schließfeder 23 sicher in ihre
vom Sitz abgehobene Offenlage gebracht und gehalten, wobei die exakte
Position der Offenlage durch die Ringstufe am Übergang
der Bohrung 13 zur Axialbohrung 22 anschlagartig
vorgegeben werden kann.
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Für
den nachfolgenden Schließhub der Düsennadel 10 benötigt
der Aktor 17 nur eine geringe Leistung, weil beim Schließhub
der Düsennadel 10 im Wesentlichen nur der Hochdruck überwunden werden
muss, welcher die Ringfläche zwischen der Ringkante 10'' und
dem plungerartigen Fortsatz 10' der Düsennadel 10 beaufschlagt.
Der über die Entlastungsbohrung 140 den Querschnitt
des Fortsatzes 10' beaufschlagende Druck des Brennraums
kann in diesem Zusammenhang vernachlässigt werden, weil der
Brennraumdruck ganz erheblich niedriger als der Druck der Kraftstoff-Hochdruckquelle
CR ist. Sobald die Düsennadel 10 wieder ihre Schließlage
erreicht hat und die Ringkante 10'' der Düsennadel 10 auf dem
zugeordneten Sitz im Teilraum 8'' des Hochdruckraumes 8 aufsitzt,
wird der Eingangsbereich der Einspritzdüsen 15 gegenüber
dem Hochdruckraum 8 abgesperrt und die Ringfläche
zwischen der Ringkante 10'' und dem plungerartigen Fortsatz 10' der Düsennadel 10 wird
dementsprechend nur noch vom Druck im Brennraum beaufschlagt. Da
die genannte Ringfläche entsprechend dem geringen Querschnitt der
Eingangsseite der Einspritzdüsen 15 ein sehr kleines
Flächenmaß aufweisen kann, bleibt die Differenz
der auf die Düsennadel 10 in Offen- oder Schließlage
wirkenden fluidischen Kräfte in Öffnungsrichtung
sehr gering. Dies führt dazu, dass die vom Aktor 17 erzeugten
Stehkräfte gering bleiben können, so dass ein
kleiner und preisgünstiger Aktor 17 ausreicht.
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Durch
Ausbildung der Entlastungsbohrung als Drosselbohrung kann eine gewisse
Dämpfung der Hübe der Düsennadel 10 erreicht
werden.
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Die
Ausführungsform der 2 unterscheidet
sich von der Ausführungsform der 1 im Wesentlichen
nur dadurch, dass der Aktor 17 und die Düsennadel 10 miteinander „normal” gekoppelt
sind, das heißt die Düsennadel 10 nimmt
ihre Schließlage ein, wenn der Aktor 17 elektrisch
entladen ist und seinen vertikal verkürzten Zustand aufweist,
während die Düsennadel 10 in ihre Offenlage übergeht,
wenn der Aktor 17 über die Leitungen 24 mit
einer elektrischen Spannungsquelle verbunden und elektrisch aufgeladen
wird, wobei der Aktor 17 in seinen elongierten Zustand übergeht.
Um diese normale Kopplung zu gewährleisten, ist axial unterhalb
des Kopplungsraumes 21 eine an ihrem oberen Ende durch
einen Boden abgeschlossene Hülse 25 angeordnet, deren
Innenraum durch den oberen Teil eines Stufenkolbens 26 in
eine obere Kammer 27, welche über eine Radialöffnung
in der Hülse 25 ständig mit dem Niederdruckraum 6 verbunden
ist, und eine ringförmige untere Kammer 28 unterteilt
wird, die über einen die Hülse 25 axial
durchsetzenden, vorzugsweise gedrosselten Kanal 29 mit
dem Kopplerraum 21 kommuniziert. Der untere Teil des Stufenkolbens 26 besitzt
im dargestellten Beispiel gleichen Querschnitt wie der obere Bereich
der Düsennadel 10 in der Bohrung 13,
die unter Bildung einer Stufe in eine den unteren Teil des Stufenkolbens 26 verschiebbar
aufnehmende Bohrung 30 übergeht. Die genannte
Stufe wirkt mit der unteren Stirnfläche des unteren Teiles des
Stufenkolbens 26 anschlagartig zusammen, derart, dass die
untere ringförmige Stirnseite des oberen Teiles des Stufenkolbens 26 immer
von der zugewandten Stirnseite des Zwischenkörpers 3 beabstandet
bleibt.
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Mittels
einer auf dem Boden der Hülse 25 abgestützten
Schraubendruckfeder 31 wird der Stufenkolben 26 in
Richtung der vorgenannten Stufe zwischen den Bohrungen 13 und 30 gespannt.
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Der
Kraftstoffinjektor der 2 funktioniert wie folgt:
Wenn
der Aktor 17 elektrisch entladen ist und dementsprechend
seinen vertikal kurzen Zustand hat, befinden sich alle Elemente
des dargestellten Kraftstoffinjektors in den dargestellten Lagen.
Wird nun der Aktor 17 über die Leitungen 24 mit
einer elektrischen Spannungsquelle verbunden, wird der Aktor 17 elektrisch
aufgeladen, so dass er in seinen elongierten Zustand übergeht.
Damit wird der Kolben 18 nach abwärts verschoben,
so dass Fluid aus dem Kopplerraum 21 über die
axiale Bohrung 29 in der Hülse 25 in
die untere Kammer 28 eingeschoben und der Stufenkolben 26 dementsprechend
nach aufwärts verschoben wird. Dies hat zur Folge, dass
die Düsennadel 10 ebenfalls nach aufwärts
verschoben und in ihre Offenlage gebracht wird. Wenn nachfolgend
der Aktor 17 durch elektrische Entladung wiederum in seinen
kurzen Zustand gebracht wird, verschiebt sich der Kolben 18 in
Aufwärtsrichtung, so dass der Kopplerraum 21 Medium
aus dem Ringraum 28 aufnimmt und der Stufenkolben 26 in
die zeichnerisch dargestellte Lage nach abwärts geschoben
wird. Dies hat zur Folge, dass die Düsennadel 10 ihren
Schließhub ausführt.
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Abweichend
von der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform könnte
der Stufenkolben 26 auch als Teil der Düsennadel 10 ausgebildet
bzw. gleichachsig zur Düsennadel 10 angeordnet
sein. An der vorangehend beschriebenen Funktion ändert sich
dabei nichts.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004005452
A1 [0002, 0004]
- - DE 4306073 C1 [0004]