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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von
Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, umfassend
eine Ventilplatte, die einen Ventilsitz für einen Ventilbolzen ausbildet,
welcher in einer Dichthülse
verschiebbar geführt und
bei einem Kontakt mit dem Ventilsitz über einen Bolzenkopf einen
Rücklaufraum
von einem Ventilraum trennt, wobei der Ventilraum über eine,
durch eine Drosselplatte hindurch verlaufende Ablaufdrossel mit
einem Steuerraum einer Düsennadel
in Verbindung steht und über
einen Bypass mit einem Hochdruckzulauf verbindbar ist, und wobei
der Ventilbolzen bei Betätigung
einer Aktoreinheit ausgehend vom Ventilsitz in eine Öffnungsstellung
bewegbar ist, um ein Strömen
von Kraftstoff aus dem Ventilraum in den Rücklaufraum zu ermöglichen
und hierüber
durch einen Druckabfall im Steuerraum eine Öffnungsbewegung der Düsennadel
einzuleiten.
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In 1 ist
ein Kraftstoffinjektor des Standes der Technik im Bereich einer
Ventilplatte 1' zu
sehen. Diese Ventilplatte 1' ist
dabei gemeinsam mit einer Drosselplatte 2' innerhalb eines Gehäuses 3' angeordnet,
wobei die Ventilplatte 1' und
die Drosselplatte 2' zwischen
sich einen Ventilraum 4' definieren.
Im Ventilraum 4' ist
ein Ventilbolzen 5' angeordnet,
welcher über
einen Bolzenkopf 6' mit
einem, an der Ventilplatte 1' ausgebildeten
Ventilsitz 7' in
Kontakt bringbar ist und zudem in einer Dichthülse 8' verschiebbar geführt ist.
Zwischen dem Bolzenkopf 6' des
Ventilbolzens 5' und
der Dichthülse 8' ist ferner
ein Federelement 9' platziert,
das zum einen im unbetätigten Zustand
des Kraftstoffinjektors den Bolzenkopf 6' an den Ventilsitz 7' andrückt und
zum anderen die Dichthülse 8' gegen die Drosselplatte 2' vorspannt.
Bei einem Kontakt des Bolzenkopfs 6' mit dem Ventilsitz 7' wird durch
den Ventilbolzen 5' der
Ventilraum 4' von einem
Rücklaufraum 10'abgetrennt,
welcher mit einem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors in Verbindung
steht. Des Weiteren ist der Ventilraum 4' über eine, durch die Drosselplatte 2' hindurch verlaufende
Ablaufdrossel 11' mit
einem Steuerraum 12' einer
Düsennadel 13' verbunden,
der mittels einer ebenfalls durch die Drosselplatte 2' hindurch verlaufende
Zulaufdrossel 14' mit
einem Hochdruckzulauf 15' des
Kraftstoffinjektors in Verbindung steht. Schließlich ist in der Drosselplatte 2' noch eine Entlastungsbohrung 16' vorgesehen,
die einen, zwischen Ventilbolzen 5', Dichthülse 8' und Drosselplatte 2' definierten
Raum mit dem Niederdruckbereich des Kraftstoffinjektors verbindet.
Durch diese Verbindung liegt an den stirnseitigen Enden des Ventilbolzens 5' jeweils ein
nahezu gleich großer
Druck an, was dazu führt,
dass der Ventilbolzen 5' mit
einer verminderten Betätigungskraft
und nur fast ausschließlich
entgegen einer Kraft des Federelements 9' in der Dichthülse 8' verschoben werden kann.
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Wird
der Ventilbolzen 5' nun
durch die Einwirkung eines Kopplermoduls 17' einer – hier nicht dargestellten – Aktoreinheit
axial verschoben, so wird der mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff
befüllte Ventilraum 4' mit dem unter
Niederdruck stehenden Rücklaufraum 10' durch ein Abheben
des Bolzenkopfs 6' aus
dem Ventilsitz 7' verbunden.
Dies bewirkt einen Druckabfall im Ventilraum 4' und über die Ablaufdrossel 11' auch im Steuerraum 12', was auf dem
Fachmann bekannte Art und Weise eine Öffnungsbewegung der Düsennadel 13' hervorruft
und einen Einspritzvorgang einleitet. Während des Einspritzvorgangs
verbleibt der Ventilbolzen 5' in
der Öffnungsstellung,
so dass unter Hochdruck stehender Kraftstoff stetig aus dem Ventilraum 4' in den Rücklaufraum 10' entweicht.
Schließlich
wird ein Ende des Einspritzvorganges durch eine Entladung der jeweiligen
Aktoreinheit eingeleitet, wobei sich das Kopplermodul 17' in axialer
Richtung zurück
bewegt und der Ventilbolzen 5' über das Federelement 9' mit dem Bolzenkopf 6' in den Ventilsitz 7' gedrückt wird.
Dies führt
dazu, dass kein weiterer Kraftstoff aus dem Ventilraum 4' in den Rücklaufraum 10' zurückströmen kann
und der Druck im Steuerraum 12' über die Zulaufdrossel 14' wieder angehoben
wird. Ab einem definierten Druck im Steuerraum 12' bewirkt dies
eine Schließbewegung
der Düsennadel 13' und damit ein Ende
des Einspritzvorgangs.
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Es
ist des Weiteren im allgemeinen bekannt, dass der Ventilraum 4' eines derartigen
Kraftstoffinjektors über
einen Bypass ebenfalls mit dem Hochdruckzulauf 15' direkt in Verbindung
steht, um zum Ende des Einspritzvorganges und ab einem Kontakt des
Bolzenkopfs 6' mit
dem Ventilsitz 7' den
Ventilraum 4' und über die
Ablaufdrossel 11' auch
den Steuerraum 12' mit
unter Hochdruck stehenden Kraftstoff zu befüllen. Dadurch erfolgt eine
zusätzliche
Befüllung
des Steuerraums 12',
was insgesamt in einem schnelleren Druckanstieg im Steuerraum 12' und damit auch
einer früheren
Schließbewegung der
Düsennadel 13' resultiert. Üblicherweise
verläuft der
Bypass dabei ebenfalls in der Drosselplatte 2' und mündet zwischen
Dichthülse 8' und den Wänden des
Ventilraums 4' in
diesen ein.
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Allerdings
weist ein Kraftstoffinjektor des Standes der Technik den erheblichen
Nachteil auf, dass in der Öffnungstellung
des Ventilbolzens ständig
Kraftstoff aus dem Bypass in den Rücklaufraum strömt. Hierdurch
erhöht
sich die Rücklaufmenge
des Kraftstoffinjektors erheblich, was in einem Ansteigen der Betriebstemperatur
des Kraftstoffinjektors und einer Verminderung des Einspritzdrucks
resultiert. Zudem ist das Zeitintervall zwischen dem Bewegen des Ventilbolzens
in die Öffnungsstellung
und der Öffnungsbewegung
der Düsennadel
vergrößert, da
die Verminderung des Drucks im Steuerraum aufgrund des stetig in
den Ventilraum nachströmenden
Kraftstoffs langsamer von statten geht.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftstoffinjektor
zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
zur Verfügung
zu stellen, bei welchem in einer Öffnungsstellung des Ventilbolzens
ein Nachströmen
von Kraftstoff aus dem Bypass in den Ventilraum wirksam verhindert
wird, während
zum Ende des Einspritzvorgangs ein schnelles Befüllen des Steuerraums über den
Bypass möglich
ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung
mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die darauffolgenden, abhängigen Ansprüche geben
jeweils vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung umfasst die technische Lehre, dass zwischen der Ventilplatte
und der Drosselgatte eine Aufnahmeplatte vorgesehen ist, die gemeinsam mit
der Ventilplatte den Ventilraum definiert und eine Bohrung aufweist.
In dieser Bohrung läuft
dabei der Ventilbolzen und steht in der Öffnungsstellung über eine, dem
Ventilsitz abgewandte Dichtfläche
des Bolzenkopfs mit der Aufnahmeplatte in Kontakt, wodurch der Bypass
vom Ventilraum getrennt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Durch
eine Abschaltung des Bypasses in der Öffnungsstellung des Ventilbolzens
kann die über den
Rücklaufraum
entweichende Rücklaufmenge
erheblich reduziert und damit auch eine Absenkung der Betriebstemperatur
sowie eine Erhöhung
der Anzahl an Einspritzungen bei hohen Drehzahlen erreicht werden.
Des Weiteren ist es durch die Zwischenschaltung der Aufnahmeplatte
möglich,
den Ventiltraum auf ein zur Durchströmung nötiges Minimum zu reduzieren
und gleichzeitig die Fertigung des Ventilsitzes an der Ventilplatte
erheblich zu vereinfachen. Mittels der Abschaltung des Bypasses
kann zudem schneller ein Druckabfall im Ventilraum und damit auch
im Steuerraum erreicht werden, was eine frühere Einspritzung ermöglicht.
Zusätzlich
ist aber auch eine schnellere Rückstellbewegung
des Ventilbolzens bei einer Entladung der Aktoreinheit aufgrund des
im Bereich des Bolzenkopfes anliegenden Hochdrucks erreichbar. Hierdurch
wird die Kleinstmengenfähigkeit
des Kraftstoffinjektors verbessert und Streuungen erheblich reduziert.
Schließlich
kann das mit einem nicht schaltbaren Bypass einhergehende Absinken
des Einspritzdrucks vermieden werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung steht bei Öffnungsstellung
des Ventilbolzens die Dichtfläche
des Bolzenkopfs mit einer umlaufenden Dichtkante an der Aufnahmeplatte
in Kontakt, wobei die Dichtfläche
und die Aufnahmeplatte einen Winkel einschließen. Durch den somit zwischen
Bolzenkopf und Aufnahmeplatte gebildeten Spalt wird bei einer Annäherung des
Bolzenkopfes an die Dichtkante der Aufnahmeplatte ein Teil der Bewegungsenergie
durch ein Quetschen des Kraftstoffs aufgenommen, wodurch die Verzögerung stetiger
verläuft
und der auftretende Stoß beim
Auftreffen des Bolzenkopfs auf die Dichtkante der Aufnahmeplatte
verringert wird.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist die Dichtkante am Übergang
der Bohrung in die, dem Ventilraum zugewandte Seite der Aufnahmeplatte
ausgebildet. Vorteilhafterweise ist die Dichtkante hierdurch konzentrisch
und mit einer geringen Durchmesserdifferenz zur Führung des
Ventilbolzens platziert, was die zur Bypassabschaltung nötige Haltekraft
vermindert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist die Dichthülse
in einer radialen Aufweitung der Bohrung platziert und über ein,
zwischen Aufnahmeplatte und Dichthülse angeordnetes Federelement
gegen die Drosselplatte vorgespannt. Dabei ist das Federelement
vorteilhafterweise als Tellerfeder ausgebildet. Hierdurch kann die
Dichthülse
platzsparend in der Aufnahmeplatte angeordnet und gleichzeitig eine
ausreichende Vorspannung gegen die Drosselplatte garantiert werden.
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Es
ist eine weitere Ausführung
der Erfindung, dass die Dichthülse
mit der Drosselplatte über
eine umlaufende Beißkante
in Verbindung steht. Durch diese Maßnahme wird eine zuverlässige Abdichtung des
zwischen Dichthülse,
Ventilbolzen und Drosselplatte ausgebildeten Raumes erreicht.
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In
Weiterbildung der Erfindung mündet
der Bypass in die Bohrung der Aufnahmeplatte ein. Dies hat den Vorteil,
dass eine Verbindung zwischen Ventilraum und Hochdruckzulauf über einen
kurzen Bypass erfolgen kann, während
der unter Hochdruck stehende Kraftstoff ab der Einmündung in
die Bohrung über,
zwischen Dichthülse
und Aufnahmeplatte bzw. Aufnahmeplatte und Ventilbolzen vorhandene Spalte
zum Ventilraum gelangt. Hierdurch kann eine Verminderung des Herstellungsaufwandes
erzielt werden.
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Es
ist eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, dass
der Bypass durch eine, sich in der Aufnahmeplatte in radialer Richtung
erstreckenden Nut gebildet ist. Mittels des Vorsehens einer Nut
an der Aufnahmeplatte, beispielsweise in Form einer Lasernut, kann
der Aufwand zur Fertigung des Bypasses erheblich vermindert werden.
Denn aufgrund der Abschaltbarkeit des Bypasses fallen Anforderungen
an die Durchflusstoleranzen der Bypassdrossel grober aus, was die
Anwendung einfacherer Herstellungsverfahren ermöglicht.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist der Ventilbolzen entgegen einer
Rückstellfeder
in die Öffnungsstellung
bewegbar, die in einem, zwischen Dichthülse und Drosselplatte ausgebildeten
Raum platziert ist und über
eine Scheibe mit einem Schaft des Ventilbolzens in Verbindung steht.
Vorteilhafterweise kann hierdurch eine platzsparende Anordnung einer
Rückstellfeder
des Ventilbolzens realisiert werden.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines Kraftstoffinjektors gemäß des Standes der Technik im
Bereich eines Ventilbolzens,
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2 eine
Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
gemäß einer
ersten Ausführungsform,
im Bereich eines Ventilbolzens,
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3 einen
Detailansicht eines Kontaktbereichs zwischen dem Ventilbolzen und
einer Aufnahmeplatte, und
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4 eine
Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 2 ist
eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors gemäß einer
ersten Ausführungsform
im Bereich eines Ventilbolzens 5 zu sehen. In diesem Bereich
ist zwischen einer Ventilplatte 1, die einen Ventilsitz 7 für einen
Bolzenkopf 6 des Ventilbolzens 5 ausbildet, und
einer Drosselplatte 2 eine Aufnahmeplatte 18 platziert.
Diese Aufnahmeplatte 18 definiert gemeinsam mit der Ventilplatte 1 einen
Ventilraum 4 und verfügt über eine Bohrung 19,
durch welche ein Schaft 20 des Ventilbolzens 5 hindurchgeführt ist.
In einer Aufweitung der Bohrung 19 ist des Weiteren eine
Dichthülse 8 platziert,
in welcher der Ventilbolzen 5 über seinen Schaft 20 verschiebbar
geführt
ist und die über
eine zwischen sich und Aufnahmeplatte 18 platzierte Tellerfeder 21 gegen
die Drosselplatte 2 vorgespannt ist. An seinem, dem Bolzenkopf 6 abgewandten
Ende ist der Ventilbolzen 5 an seinem Schaft 20 mit
einer Scheibe 22 versehen, über die er mit einer Rückstellfeder 23 in
Kontakt steht. Diese Rückstellfeder 23 ist
in einem, zwischen Drosselplatte 2 und Dichthülse 8 definierten
Raum platziert und drückt
den Ventilbolzen 5 mit dem Bolzenkopf 6 in den
Ventilsitz 7. Hierdurch wird der Ventilraum 4 von
einem, oberhalb des Ventilbolzens 5 liegenden Rücklaufraum 10 getrennt.
Schließlich
steht der Ventilbolzen 5 am stirnseitigen Ende des Bolzenkopfes 6 mit
einer – hier
nicht dargestellten – Aktoreinheit
in Wirkverbindung, bei deren Betätigung
der Ventilbolzen 5 in Richtung Drosselplatte 2 verschoben
wird.
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Während der
Rücklaufraum 10 Kraftstoff
auf einem niedrigen Druckniveau, im Bereich des atmosphärischen
Druckes, führt,
ist der Ventilraum 4 über einen
Bypass 24 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgbar.
Dieser Bypass 24 steht dabei mit einem – in dieser Ansicht nicht zu
sehenden – Hochdruckzulauf
in Verbindung und mündet
radial in die Bohrung 19 der Aufnahmeplatte 18 im
Bereich der Dichthülse 8 ein.
Ausgehend von dieser Einmündung
kann der Kraftstoff im weiteren Verlauf über die zwischen Aufnahmeplatte 18 und
Dichthülse 8 und zwischen
Aufnahmeplatte 18 und Schaft 20 des Ventilbolzens 5 ausgebildeten
Spalte zum Ventilraum 4 gelangen. Außerdem steht der Ventilraum 4 über eine
Ablaufdrossel 11 mit einem Steuerraum 12 einer Düsennadel 13 in
Verbindung, die durch die Drosselplatte 2 und die Aufnahmeplatte 18 verläuft und
im außenradialen
Bereich des Ventilraumes 4 in diesen einmündet.
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Wie
des Weiteren aus der Detailansicht in 3 hervorgeht,
verfügt
die Aufnahmeplatte 18 am Übergang der Bohrung 19 in
die, dem Ventilraum 4 zugewandten Seite der Aufnahmeplatte 18 über eine Dichtkante 25,
die bei einer Verschiebung des Ventilbolzens 5 in Richtung
der Aufnahmeplatte 18 mit einer Dichtfläche 26 am Bolzenkopf 6 in
Kontakt tritt und damit das Strömen
von Kraftstoff aus dem Spalt zwischen Bohrung 19 und Ventilbolzen 5 in
den Ventilraum 4 verhindert. Dabei verläuft die Dichtfläche 26 am
Bolzenkopf 6 im Bezug auf die ihr zugewandte Seite der
Aufnahmeplatte 18 angeschrägt, so dass beide Bauteile
einen Winkel α einschließen.
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Wird
nun die Aktoreinheit des Kraftstoffinjektors mit Strom beaufschlagt,
so wird der Ventilbolzen 5 entgegen der Rückstellfeder 23,
ab Überwindung einer
bestimmten Kraftgrenze in Richtung Aufnahmeplatte 18 verschoben
und damit der Bolzenkopf 6 aus dem Ventilsitz 7 bewegt.
Aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem Ventilraum 4 und
dem Rücklaufraum 10 strömt daraufhin
Kraftstoff aus dem Ventilraum 4 in den Rücklaufraum 10 und
bewirkt eine Druckabsenkung im Ventilraum 4. Dabei strömt Kraftstoff über die
Ablaufdrossel 11 und zunächst auch noch über den
Bypass 24 und die Spalte zwischen der Aufnahmeplatte 18 und
der Dichthülse 8 bzw. dem
Schaft 20 des Ventilbolzens 5 in den Ventilraum 4 nach.
Sobald jedoch der Ventilbolzen 5 in seine Öffnungsstellung
angelangt ist und dabei die Dichtfläche 26 des Bolzenkopfs 6 mit
der Dichtkante 25 in Kontakt getreten ist, wird das Nachfließen über den
Bypass 24 unterbunden. Ab diesem Zeitpunkt vermindert sich
die Gesamtzulaufmenge, da der die Ablaufdrossel 11 durchfließende Volumenstrom
an Kraftstoff aufgrund der kavitierenden Auslegung der Ablaufdrossel 11 konstant
bleibt, was zu einem schnelleren Absinken des Drucks im Steuerraum 12 führt. Ab
einem bestimmten Drucklevel im Steuerraum 12 bewirkt dies
auf dem Fachmann bekannte Art und Weise das Einleiten einer Öffnungsbewegung
der Düsennadel 13 und
den Start eines Einspritzvorgangs.
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Wird
im Anschluss daran und zum Ende des Einspritzvorgangs die Aktoreinheit
wieder entladen, so wird der Ventilbolzen 5 über die
Rückstellfeder 23 wieder
in Richtung Ventilplatte 1 zurückgeschoben. Diese Schließbewegung
wird dabei durch den unter hohem Druck zwischen der Dichtkante 25 und
der Dichtfläche 26 ausströmenden Kraftstoff
unterstützt. Sobald
der Bolzenkopf 6 wieder mit dem Ventilsitz 7 an
der Ventilplatte 1 in Kontakt getreten ist, steigt der Druck
im Ventilraum 4 aufgrund des über den Bypass 24 nachströmenden Kraftstoffs
sehr schnell an, wobei über
die Ablaufdrossel 11 auch der Steuerraum 12 befüllt wird.
In Kombination mit dem in den 2 und 3 nicht
zu sehenden Zulaufkanal des Steuerraums 12 wird hierdurch
ein schneller Druckanstieg im Steuerraum 12 bewirkt und
damit die Einleitung einer raschen Schließbewegung der Düsennadel 13 erreicht.
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In 4 ist
eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors gemäß einer
zweiten Ausführungsform
im Bereich des Ventilbolzens 5 zu sehen. Im Unterschied
zu der im Vorfeld beschriebenen Variante wird eine Kraftstoffversorgung
des Ventilraumes 4 in diesem Fall über einen Bypass 24 in
Form einer Nut an der Aufnahmeplatte 18 bewerkstelligt.
Dabei stellt der Bypass 24 eine sehr kurze Verbindungsleitung
zwischen einem Hochdruckzulauf 15 und den Spalten zwischen
der Aufnahmeplatte 18 und der Dichthülse 8 bzw. dem Schaft 20 des Ventilbolzens 5 dar.
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Mittels
der Varianten des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors
ist es somit möglich,
die Rücklaufmenge
erheblich zu reduzieren und somit die Betriebstemperatur abzusenken.
Durch den schaltbaren Bypass 24 in Verbindung mit einem
reduzierten Ventilraumvolumen lassen sich kürzere Schaltzyklen realisieren,
wodurch die Kleinstmengenfähigkeit
verbessert wird und die Spritzabstände verkleinert werden können. Zusätzlich kann
dabei ein Absinken des Einspritzdrucks vermieden und die Dauer einer
Einspritzung verringert werden. Schließlich ergeben sich fertigungstechnische
Vorteile.
