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Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil gemäß Patentanspruch 1.
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Zur
Versorgung von Brennkraftmaschinen mit Kraftstoff werden Einspritzventile
eingesetzt, die über
eine Kraftstoffleitung oder ein Common-Rail-System mit Kraftstoff
versorgt werden.
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Zur
Steuerung eines Einspritzventils kann als Betätigungseinrichtung ein piezoelektrischer
Aktor eingesetzt werden, der direkt oder indirekt über ein
Servoventil eine Düsennadel
steuert.
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Im
Stand der Technik werden Betätigungsbewegungen
des piezoelektrischen Aktors oder des Servoventils über einen
Steuerkolben und einen Hubeinstellbolzen auf die Düsennadel übertragen.
Dabei bestimmt der Steuerkolben maßgeblich die Fertigung, Bauweise
und Länge
des Einspritzventils. Um Steuerkolbenbewegungen auf die Düsennadel
zu übertragen,
ist ein klassifizierter Hubeinstellbolzen erforderlich, dessen Herstellung
aufwändig
und kostenintensiv ist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Einspritzventil mit verbessertem
Aufbau bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Einspritzventil
gemäß Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Einspritzventils sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein
erfindungsgemäßes Einspritzventil
weist einen Ventilkörper
und einen Düsenkörper auf.
Dabei ist im Ventilkörper
eine erste Bohrung vorgesehen und im Düsenkörper eine zweite Boh rung vorgesehen,
die an die erste Bohrung anschließt. Die zweite Bohrung weist
einen Dichtsitz mit einer darin angeordneten Einspritzöffnung auf.
Außerdem
ist in der zweiten Bohrung eine Düsennadel angeordnet, die zum Öffnen oder
Schließen
der Einspritzöffnung
vorgesehen ist. Die erste Bohrung ist mit einer Hydraulikflüssigkeit
befüllbar,
die mit der Düsennadel
in Wirkverbindung steht, um die Position der Düsennadel zu steuern. Der Ventilkörper weist
eine Steuerkammer mit einem Servoventil auf, wobei die Steuerkammer
mit der ersten Bohrung verbunden ist und das Servoventil dazu ausgebildet
ist, einen Druck der Hydraulikflüssigkeit
in der ersten Bohrung einzustellen.
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Vorteilhafterweise
können
bei diesem Einspritzventil ein Steuerkolben und ein Hubeinstellbolzen
entfallen. Dies bewirkt eine Kostenreduzierung. Bei der Herstellung
des Einspritzventils ist es nicht notwendig, Ventilkörper und
Düsenkörper zu
honen und den Hubeinstellbolzen zu klassifizieren. Durch den Entfall
des Steuerkolbens entfällt
die Gefahr eines Knickens des Steuerkolbens. Während der Montage des Einspritzventils
kann der Steuerkolben nicht mehr herausfallen, wodurch sich auch
Reinigung und Aufarbeitung vereinfachen. Außerdem ist durch den Entfall
des Steuerkolbens eine einfachere Anpassung der Länge des
Einspritzventils möglich.
Ebenfalls von Vorteil ist, dass sich die Anzahl der Reibstellen
im Einspritzventil reduziert, wodurch dessen Verschleiß und Ausfallwahrscheinlichkeit
abnehmen. Auch wird eine Querkrafteinleitung in die Düsennadel verhindert,
was ebenfalls den Verschleiß und
die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert. Weiter weist das erfindungsgemäße Einspritzventil
keine Steuerkolbenleckage auf, wodurch sich die Gesamtleckage des
Einspritzventils reduziert, was die Verwendung einer Hochdruckpumpe
mit geringerer Antriebsleistung gestattet. Außerdem kann eine Leckagebohrung
entfallen, wodurch sich ebenfalls eine Kostenreduzierung und eine
erhöhte
Gestaltungsflexibilität und
Bauteilfestigkeit ergibt. Auch ist es möglich, eine Einspritzventilpratze
mit geringerer Schlüsselweite zu
verwenden.
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Gemäß einer
Weiterbildung ist in der zweiten Bohrung eine Dichthülse angeordnet,
die einen Auslass der ersten Bohrung umgibt. Dabei ist die Düsennadel
durch die Dichthülse
geführt.
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Zweckmäßig weist
die zweite Bohrung einen die Düsennadel
umgebenden Düsenraum
auf, wobei die Dichthülse
einen Bereich zwischen einer Stirnseite der Düsennadel und der ersten Bohrung
gegen den Düsenraum
abdichtet. Vorteilhafterweise lässt sich
dadurch ein Druck im Düsenraum
unabhängig von
einem Druck in der ersten Bohrung einstellen.
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Es
ist zweckmäßig, wenn
sich die zweite Bohrung annährend
fluchtend an die erste Bohrung anschließt. Dies gewährleistet
eine effektive Wirkverbindung zwischen der Hydraulikflüssigkeit
und der Düsennadel.
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Bevorzugt
weist die erste Bohrung einen geringeren Durchmesser als die zweite
Bohrung auf. Dies erlaubt eine Erhöhung der Wandstärke des
Ventilkörpers,
wodurch sich dessen Hochdruckfestigkeit erhöht.
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Ebenfalls
bevorzugt weist die erste Bohrung einen geringeren Durchmesser als
die Düsennadel auf.
Vorteilhafterweise erlaubt dies eine breitere Basis für den Nadelanschlag
am Ventilkörper,
wodurch sich dessen Verschleißfestigkeit
erhöht.
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Bevorzugt
weist die Düsennadel
einen Bund auf, wobei die Spannfeder zwischen dem Bund und der Dichthülse eingespannt ist
und die Dichthülse
in Richtung des Ventilkörpers
drückt.
Vorteilhafterweise bewirkt diese Konstruktion ein sicheres Abdichten des
Düsenraums
gegen die erste Bohrung und, bei geschlossenem Einspritzventil,
ein sicheres Schließen der Einspritzöffnung.
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Zweckmäßigerweise
weist die Dichthülse
die Form eines Zylindermantels auf, wobei die Düsennadel durch eine zylindrische Öffnung der
Dichthülse verläuft und
die Dichthülse
an einem dem Ventilkörper
zugewandten Ende eine Auskragung aufweist, wobei die Spannfeder
an der Auskragung anliegt.
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Bevorzugt
weist ein dem Ventilkörper
zugewandtes Ende der Dichthülse
einen ringförmigen Dichtbereich
auf. Dies unterstützt
ein sicheres Abdichten des Düsenraums
gegen die erste Bohrung.
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Bevorzugt
weist eine Stirnseite der Düsennadel
eine zentrale Vertiefung und einen über die Vertiefung hinausragenden
ringförmigen
Rand auf. Vorteilhafterweise wird dadurch die Wirkverbindung zwischen
Hydraulikflüssigkeit
und Düsennadel
weiter verbessert. Die Vertiefung bewirkt, dass die durch die Hydraulikflüssigkeit
auf die Düsennadel
ausgeübte Kraft
mittig an der Düsennadel
angreift. Der ringförmige
Rand kann bei geöffnetem
Einspritzventil auch zum Abdichten des Düsenraums gegen die erste Bohrung
dienen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung eines Einspritzventils;
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
des Einspritzventils;
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3 einen
Schnitt durch eine Dichthülse und
eine Düsennadel.
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1 zeigt
schematisch einen Schnitt durch ein Einspritzventil 100.
Das Einspritzventil 100 weist einen Ventilkörper 110 und
einen Düsenkörper 200 auf.
Der Düsenkörper 200 liegt
direkt am Ventilkörper 110 an
und kann über
eine nicht dargestellte Düsenspannmutter
mit dem Ventilkörper 110 verbunden sein.
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Im
Ventilkörper 110 ist
eine erste Bohrung 120 vorgesehen, die entlang einer Längsachse
des Ventilkörpers 110 orientiert
ist. Im Düsenkörper 200 ist
eine zweite Bohrung 280 vorgesehen, die sich entlang einer
Längsachse
des Düsenkörpers 200 erstreckt
und an die erste Bohrung 120 die Ventilkörpers 110 fluchtend
anschließt.
Zweckmäßigerweise weist
die erste Bohrung 120 einen geringeren Durchmesser als
die zweite Bohrung 280 auf.
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Die
dem Düsenkörper 200 abgewandte
Seite des Ventilkörpers 110 weist
eine Steuerkammer 135 mit einem Servoventil 130 auf,
wie es prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Steuerkammer 135 ist
mit der ersten Bohrung 120 verbunden. Über das Servoventil 130 kann
die erste Bohrung 120 mit einer unter hohem Druck stehenden
Hydraulikflüssigkeit 140 befüllt werden.
Das Servoventil 130 kann auch verwendet werden, um den
Druck der Hydraulikflüssigkeit 140 in
der ersten Bohrung 120 abzusenken. Das Servoventil 130 gestattet
es somit, die erste Bohrung 120 mit unter hohem Druck oder niedrigerem
Druck stehender Hydraulikflüssigkeit 140 zu
beaufschlagen. Bei der Hydraulikflüssigkeit 140 kann
es sich bevorzugt um Kraftstoff handeln.
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2 zeigt
eine vergrößerte Schnittansicht des
Düsenkörpers 200 des
Einspritzventils 100. In der zweiten Bohrung 280 ist
eine Düsennadel 250 angeordnet.
Die Düsennadel 250 ist
in 2 in nicht geschnittener Darstellung gezeigt.
Zwischen der Düsennadel 250 und
der Wand der zweiten Bohrung 280 ist ein Düsenraum 240 gebildet.
Der Düsenraum 240 kann über eine
Hochdruckleitung 150 mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff
befüllt
werden. Die Hochdruckleitung 150 kann sich dabei beispielsweise
durch den Düsenkörper 200 und
den Ventilkörper 110 erstrecken
und in den Düsenraum 240 münden.
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An
der dem Ventilkörper 110 abgewandten Seite
des Düsenkörpers 100 endet
die zweite Bohrung 280 an einem Dichtsitz 260.
Im Dichtsitz 260 sind eine oder mehrere Einspritzöffnungen 270 vorgesehen,
die sich zwischen dem Düsenraum 240 und der
Umgebung des Einspritzventils 100 erstrecken. Die Einspritzöffnungen 270 können dazu
dienen, unter hohem Druck stehenden Kraftstoff aus dem Düsenraum 240 in
eine Brennkammer einer Brennkraftmaschine einzuspritzen. Hierfür müssen die
Einspritzöffnungen 270 geöffnet sein.
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Ein
dem Ventilkörper 110 abgewandtes
Ende der Düsennadel 250 ist
derart konisch geformt, dass es am Dichtsitz 260 des Düsenkörpers 200 anliegen kann,
um die eine oder mehreren Einspritzöffnungen 270 zu verschließen. In
diesem Fall kann kein Kraftstoff aus dem Düsenraum 240 durch
die Einspritzöffnungen 270 gespritzt
werden. Falls die Düsennadel 250 nicht
am Dichtsitz 260 des Düsenkörpers 200 anliegt,
so sind die Einspritzöffnungen 270 geöffnet und Kraftstoff
kann aus dem Düsenraum 240 durch
die Einspritzöffnungen 270 in
eine Brennkammer eingespritzt werden.
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Am
dem Ventilkörper 110 zugewandten Ende
der Düsennadel 250 ist
die Düsennadel 250 beweglich
durch eine Dichthülse 230 geführt. 3 zeigt
einen Schnitt durch die Dichthülse 230 und
das dem Ventilkörper 110 zugewandte
Ende der Düsennadel 250.
Die Dichthülse 230 weist
im Wesentlichen die Form eines Zylindermantels auf, durch dessen zylindrische Öffnung 236 die
Düsennadel 250 verläuft. An
ihrem dem Ventilkörper 110 zugewandten Ende
weist die Dichthülse 230 eine
Auskragung 235 auf, die der gesamten Dichthülse 230 einen
etwa T-förmigen
Querschnitt verleiht. Alternativ können Dichthülse 230 und Auskragung 235 auch
zweiteilig ausgebildet sein. Eine dem Ventilkörper 110 abgewandte
Oberfläche
der Auskragung 235 ist im Wesentlichen eben und senkrecht
zur Achse der Düsennadel 250 ausgebildet.
Eine dem Ventilkörper 110 zugewandte
Oberfläche
der Auskragung 235 ist derart fliehend ausgebildet, dass
ein radial innenliegender Bereich dieser Oberfläche näher am Ventilkörper 110 liegt
als ein radial außenliegender
Bereich dieser Oberfläche.
Dadurch bildet eine Kante der Dichthülse 230 am Übergang
von der zylindrischen Öffnung 236 zur
Auskragung 235 einen ringförmigen Dichtbereich 237.
Im Dichtbereich 237 kann die zylindrische Öffnung 236 der
Dichthülse 230 gegenüber dem übrigen Bereich
der zylindrischen Öffnung 236 aufgeweitet sein
und den Außendurchmesser
der Düsennadel 250 übertreffen.
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Das
dem Ventilkörper 110 zugewandte
Ende der Düsennadel 250 weist
eine Stirnseite 255 auf, die der ersten Bohrung 120 im
Ventilkörper 110 zugewandt
ist. Die Stirnseite 255 der Düsennadel 250 kann
eine zentrale Vertiefung 256 und einen über die Vertiefung 256 hinausragenden
ringförmigen
Rand 257 aufweisen.
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Die
Dichthülse 230 liegt
dichtend sowohl an der Düsennadel 250 als
auch, im Dichtbereich 237, am Ventilkörper 110 an. Durch
die Dichthülse 230 wird
ein Bereich zwischen der Stirn seite 255 der Düsennadel 250 und
der ersten Bohrung 120 des Ventilkörpers 110 gegen den
Düsenraum 240 abgedichtet.
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In
einem mittleren Bereich entlang der Längsachse der Düsennadel 250 weist
die Düsennadel 250 einen
segmentierten Abschnitt 251 auf. Im segmentierten Abschnitt 251 ist
der Durchmesser der Düsennadel 250 gegenüber den
benachbarten Abschnitten der Düsennadel 250 erhöht. Außerdem sind
im segmentierten Abschnitt 251 eine oder mehrere Nuten 252 in
die Düsennadel 250 eingefräst, die parallel
zur Längsachse
der Düsennadel 250 orientiert
sind. Es können
beispielsweise drei Nuten 252 vorgesehen sein, die den
segmentierten Abschnitt 251 der Düsennadel 250 in drei
Segmente von etwa 120° unterteilen.
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Am
dem Ventilkörper 110 zugewandten Ende
des segmentierten Abschnitts 251 kann die Düsennadel 250 eine
Einkerbung 253 aufweisen, die als Rille in Umfangrichtung
um die Düsennadel 250 verläuft. Die
Düsennadel 250 weist
außerdem
einen Bund 210 auf. Der Bund 210 ist als Ringscheibe
ausgebildet und umschließt
die Düsennadel 250 ringförmig. Der
Bund 210 kann beispielsweise einstückig mit der Düsennadel 250 ausgebildet
sein und durch einen Bereich der Düsennadel 250 gebildet
werden, in dem die Düsennadel 250 einen
erhöhten
Durchmesser aufweist. Düsennadel 250 und
Bund 210 können
aber auch zweistückig
ausgebildet sein, wobei der Bund 210 auf geeignete Weise
mit der Düsennadel 250 verbunden
ist. In der in 2 gezeigten Ausführungsform
stützt
sich der Bund 210 auf dem segmentierten Abschnitt 251 und
an der Einkerbung 253 der Düsennadel 250 ab.
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Zwischen
dem Bund 210 und der Dichthülse 230 ist eine Spannfeder 220 angeordnet,
die die Düsennadel 250 umschließt. In 2 ist
die Spannfeder 220 in nicht geschnittener Ansicht dargestellt.
Die Spannfeder 220 kann beispielsweise als Spiralfeder ausgebildet
sein. Ein Ende der Spannfeder 220 stützt sich am Bund 210 ab.
Das andere Ende der Spannfeder 220 stützt sich an der Auskragung 235 der Dichthülse 230 ab.
Die Spannfeder 220 übt
eine Kraft auf den Bund 210 und die Dichthülse 230 aus,
die bestrebt ist, den Bund 210 und die Dichthülse 230 voneinander
weg zu bewegen. Dadurch drückt
die Spannfeder 220 die Dichthülse 230 dichtend gegen den
Ventilkörper 110 und
sorgt damit für
eine Dichtung der ersten Bohrung 120 des Ventilkörpers 110 gegen
den Düsenraum 240 des
Düsenkörpers 200. Gemäß einer
Weiterbildung kann zwischen dem Bund 210 und der Spannfeder 220 noch
ein weiteres Element, beispielsweise eine Federeinstellscheibe, angeordnet
sein. In diesem Fall stützt
sich die Spannfeder 220 an der Federeinstellscheibe und
die Federeinstellscheibe am Bund 210 ab. Die Federeinstellscheibe
kann beispielsweise dazu dienen, die Federspannung der Spannfeder 220 einzustellen.
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Der
zwischen dem Bund 210 und dem dem Ventilkörper 110 abgewandten
Ende der Düsennadel 250 befindliche
Bereich der Düsennadel 250 weist eine
oder mehrere Verjüngungen 290 auf,
an denen der Durchmesser der Düsennadel 250 sich
konisch von einem größeren Durchmesser
auf der dem Ventilkörper 110 näher liegenden
Seite der Düsennadel 250 zu
einem niedrigeren Durchmesser auf der vom Ventilkörper 110 weiter
entfernt liegenden Seite der Düsennadel 250 verjüngt.
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Im
geschlossenen Zustand des Einspritzventils 100 steht die
Hydraulikflüssigkeit 140 in
der ersten Bohrung 120 des Ventilkörpers 110 unter einem hohen
Druck. Im Düsenraum 240 des
Düsenkörpers 200 befindet
sich Kraftstoff, der ebenfalls unter hohem Druck steht. Der Druck
des Kraftstoffs im Düsenraum 240 kann
etwa genauso groß sein
wie der Druck der Hydraulikflüssigkeit 140 in
der ersten Bohrung 120. Die Hydraulikflüs sigkeit 140 übt eine
Kraft auf die Stirnseite 255 der Düsennadel 250 aus und drückt die
Düsennadel 250 damit
in Richtung des Dichtsitzes 260. Gleichzeitig übt der unter
hohem Druck stehende Kraftstoff im Düsenraum 240 eine Kraft
auf die eine oder mehreren Verjüngungen 290 der
Düsennadel 250 aus
und drückt
die Düsennadel 250 somit
vom Dichtsitz 260 weg in Richtung des Ventilkörpers 110.
Die durch die Hydraulikflüssigkeit 140 auf
die Stirnseite 255 der Düsennadel 250 ausgeübte Kraft
und die durch den im Düsenraum 240 befindlichen
Kraftstoff auf die Verjüngung 290 der Düsennadel 250 ausgeübte Kraft
gleichen sich gegenseitig aus. Zusätzlich drückt jedoch die Spannfeder 220 die
Düsennadel 250 über den
Bund 210 in Richtung des Dichtsitzes 260 des Düsenkörpers 200. Diese
zusätzliche
Kraft hat zur Folge, dass die Düsennadel 250 fest
am Dichtsitz 260 anliegt und die eine oder mehreren Einspritzöffnungen 270 verschließt.
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Zum Öffnen des
Einspritzventils 100 wird der Druck der Hydraulikflüssigkeit 140 in
der ersten Bohrung 120 mittels des Servoventils 130 abgesenkt. Hierzu
kann das Servoventil 130 beispielsweise einen Ablauf öffnen, durch
den die Hydraulikflüssigkeit 140 aus
der ersten Bohrung 120 entweichen kann. Der Druck des Kraftstoffs
im Düsenraum 240 des
Düsenkörpers 200 bleibt
dabei unverändert.
Durch die Absenkung des Drucks der Hydraulikflüssigkeit 140 in der
ersten Bohrung 120 reduziert sich die durch die Hydraulikflüssigkeit 140 auf
die Stirnseite 255 der Düsennadel 250 ausgeübte Kraft.
Die durch den unter hohem Druck stehenden Kraftstoff im Düsenraum 240 auf
die Verjüngung 290 der
Düsennadel 250 ausgeübte Kraft
bleibt dabei unverändert
groß,
wodurch sich effektiv eine in Richtung des Ventilkörpers 110 auf
die Düsennadel 250 wirkende
Gesamtkraft ergibt. Diese übersteigt
auch die zusätzlich
durch die Spannfeder 220 in die Gegenrichtung ausgeübte Kraft.
In der Folge bewegt sich die Düsennadel 250 vom
Dicht sitz 260 des Düsenkörpers 200 weg
in Richtung des Ventilkörpers 110.
Dadurch werden die eine oder mehreren Einspritzöffnungen 270 geöffnet und
Kraftstoff aus dem Düsenraum 240 durch
die Einspritzöffnungen 270 gespritzt.
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Zum
erneuten Schließen
des Einspritzventils 100 wird der Druck der Hydraulikflüssigkeit 140 in
der ersten Bohrung 120 wieder mittels des Servoventils 130 erhöht. Dadurch
gleichen sich die durch die Hydraulikflüssigkeit 140 und den
Kraftstoff im Düsenraum 240 auf
die Düsennadel 250 ausgeübten Kräfte aus,
und die zusätzlich
durch die Spannfeder 220 auf die Düsennadel 250 ausgeübte Kraft
bewirkt eine Bewegung der Düsennadel 250 in
Richtung des Dichtsitzes 260, wodurch die Einspritzöffnungen 270 wieder
geschlossen werden.
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Die
erste Bohrung 120 kann einen geringeren Durchmesser als
die zweite Bohrung 280 und auch eine geringeren Durchmesser
als die Düsennadel 250 aufweisen.
Dies erlaubt es, die Stärke
der die erste Bohrung 120 umgebenden Wand des Ventilkörpers 110 gegenüber bisherigen
Einspritzventilen zu erhöhen.
Dadurch erhöht
sich die Hochdruckfestigkeit des Einspritzventils 100.
Gegenüber
bisherigen Einspritzventilen weist das Einspritzventil 100 der 1 und 2 weniger
bewegliche Bauteile auf. Insbesondere fehlen die bisher verwendeten
Bauteile Steuerkolben und Hubeinstellbolzen. Durch die Bauteilreduzierung
ergibt eine Kostenreduzierung bei der Herstellung des Einspritzventils 100.
Durch die geringere Anzahl beweglicher Bauteile reduziert sich auch die
Anzahl der Reibstellen im Einspritzventil 100, wodurch
sich der Verschleiß verringert
und die Gefahr eines Ausfalls des Einspritzventils 100 reduziert
wird. Ein weiterer Vorteil des Wegfalls des Steuerkolbens ist, dass
dieser nicht mehr brechen oder knicken kann. Außerdem kann der Steuerkolben
während
der Montage des Einspritzventils 100 nicht mehr herausfallen,
wodurch sich die Montage, und auch eine eventuelle Reinigung oder
Aufarbeitung des Einspritzventils 100 vereinfachen. Durch
das Fehlen eines Steuerkolbens kann die Länge des Einspritzventils 100,
insbesondere die Länge
des Ventilkörpers 110 problemlos
variiert werden. Außerdem
reduziert sich die Gefahr einer Querkrafteinleitung in die Düsennadel 250.
Dies reduziert ebenfalls den Verschleiß und die Wahrscheinlichkeit
eines Ausfalls des Einspritzventils 100. Die Herstellung
des Einspritzventils 100 vereinfacht sich auch dadurch,
dass der Ventilkörper 110 und
der Düsenkörper 200 nicht
gehont werden müssen.
Da die Düsennadel 250 einen größeren Durchmesser
als die erste Bohrung 120 aufweist, bildet der Rand der
ersten Bohrung 120 am Ventilkörper 110 einen Anschlag
für die
Stirnseite 255 der Düsennadel 250.
Dadurch entfällt
die Notwendigkeit einer Anschlagscheibe. Ein weiterer Vorteil des Einspritzventils 100 der 1 und 2 besteht
darin, dass das Einspritzventil 100 keine Steuerkolbenleckage
aufweist. Folglich ist keine Leckagebohrung notwendig und die Gesamtleckage
des Einspritzventils 100 reduziert sich. Dadurch kann die
Hochdruckleitung 150 mit einer Pumpe verbunden werden,
die im Vergleich zum Stand der Technik eine reduzierte Antriebsleistung
aufweist. Dies führt
zu einer weiteren Kostenreduzierung.