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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Im gattungsgemäßen Stand der Technik sind Kraftstoffeinspritzeinrichtungen bekannt, insbesondere Common-Rail-Systeme, welche zur Pulsationsdämpfung im Rahmen von Einspritzvorgängen Druckspeicher mit einer elastischen Membran verwenden. Eine derartige Kraftstoffeinspritzeinrichtung zeigt zum Beispiel die Druckschrift
DE 196 35 450 C1 . Als bauliche Ausgestaltung wird hierin vorgeschlagen, das elastische bzw. flexible Membranelement mittels eines geschlossenen Schlauches zu bilden. Aus der Druckschrift
DE 103 27 181 A1 ist es weiterhin bekannt, ein Kraftstoffeinspritzsystem derart auszubilden, dass zur Reduzierung von Druckschwingungen ein kompressibles Medium im Hochdruckbereich angeordnet wird. Als kompressible Medien werden zum Beispiel thermoplastische oder elastomere Kunststoffe sowie geschäumte Materialien vorgeschlagen.
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Den bekannten Lösungen gemein ist, dass der Fertigungs- und somit der Kostenaufwand zur Ausbildung derartiger Druckspeicher für die damit gebildeten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen aufgrund kostengünstig herstellbarer elastischer Membranen vorteilhaft gering ausfällt. In nachteiliger Weise sind die bekannten Lösungen insbesondere aufgrund der diversen Freiheitsgrade der flexiblen Membranen jedoch auf ihre Grundfunktionalität der Druckspeicherung bzw. Pulsationsdämpfung beschränkt.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorzuschlagen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet und deren Druckspeicher die Implementierung einer Vielzahl von Funktionen einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit geringem Aufwand ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzeinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung in Form eines Common-Rail-Einspritzsystems, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung eine Kraftstoffabgabevorrichtung aufweist. Die Kraftstoffabgabevorrichtung kann durch eine oder mehrere Einspritzdüsen insbesondere wenigstens eines Injektors der Kraftstoffeinspritzeinrichtung gebildet sein.
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Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung weist im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen stromaufwärts der Kraftstoffabgabevorrichtung (das heißt in Bezug auf einen Kraftstoffströmungsweg innerhalb der Kraftstoffeinspritzeinrichtung) angeordneten Druckspeicher auf, von welchem ein erstes Volumen von dem der Kraftstoffabgabevorrichtung zuzuführenden Kraftstoff durchströmbar ist, insbesondere von hochdruckbeaufschlagtem Kraftstoff. Hierbei ist in dem ersten Volumen eine in einer Kompressionsrichtung elastisch kompressible, mediengefüllte Faltenbalgmembran insbesondere zur Dämpfung von Pulsationen angeordnet.
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Die derart ausgebildete Kraftstoffeinspritzeinrichtung ermöglicht neben der beabsichtigten Pulsationsdämpfung – trotz vergleichsweise hoher Investitionskosten für den Druckspeicher – vorteilhaft eine einfache und kostengünstige Implementierung einer Vielzahl weiterer Kraftstoffeinspritzeinrichtungsspezifischer Funktionen. Angemerkt sei hierbei, dass als Kompressionsrichtung vorliegend sowohl die insbesondere lineare Kompressions- als auch Dekompressionsrichtung der als Faltenbalgmembran gebildeten Membran bezeichnet ist, welche bevorzugt als Metallbalg oder alternativ mittels eines davon verschiedenen Materials, insbesondere als Kunststoffbalg, gebildet sein kann. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist hierbei vorgesehen, dass die Membran bzw. die Faltenbalgmembran ein geschlossenes Bauteil ist, innerhalb derer wenigstens ein Befüllmedium dauerhaft aufgenommen ist.
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Vorgesehen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung, den Druckspeicher als Einzeldruckspeicher möglichst nahe an der Kraftstoffabgabevorrichtung anzuordnen, insbesondere in oder an einem Injektor der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, so dass der Druckabfall im Injektor während der Einspritzung bzw. die Drucküberhöhung am Ende der Einspritzung minimiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung derart auszubilden, dass der Druckspeicher als Verteiler hochdruckbeaufschlagten Kraftstoffs für eine Vielzahl von Injektoren wirkt (Common Rail).
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Um die Funktion des Druckspeichers bei gleicher Baugröße zu verbessern oder den Platzbedarf des Druckspeichers bei gleicher Funktion zu verringern, ist die Membran bevorzugt mit wenigstens einem Medium gefüllt, welches einen geringeren Elastizitätsmodul als der den Druckspeicher durchströmende Kraftstoff, zum Beispiel Diesel oder Schweröl, hat. Das Medium kann bevorzugt eine Flüssigkeit sein, insbesondere eine Flüssigkeit mit einem geringeren Kompressionsmodul als der das erste Volumen durchströmende Kraftstoff.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass ein Kolbenelement in der Kompressionsrichtung der Faltenbalgmembran insbesondere linear verlagerbar im ersten Volumen angeordnet ist, insbesondere ein hülsenförmiges Kolbenelement. Das Kolbenelement kann als Führungselement der Faltenbalgmembran bei einer elastischen Kompressionsbewegung derselben wirken, insbesondere um einen linearen Bewegungsweg vorzugeben, und/oder als Drosselelement wirken. Um als Drossel zu wirken, kann das Kolbenelement Bohrungen aufweisen, die je nach Abstimmung auch eine dämpfende Wirkung zulassen, um ungewollte Druckschwingungen weiter zu reduzieren. Das Kolbenelement ist bevorzugt an einer Umfangswand des ersten Volumens mit einer korrespondierenden Umfangswand seinerseits in Kompressionsrichtung verlagerbar und insbesondere gleitbar geführt, insbesondere ausschließlich in Kompressionsrichtung verlagerbar.
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Bevorzugt teilt das Kolbenelement innerhalb des ersten Volumens eine erste Kammer eines veränderlichen zweiten Volumens ab, innerhalb derer die Faltenbalgmembran angeordnet ist, sowie eine zweite Kammer eines veränderlichen dritten Volumens. Über die Druckverhältnisse in der ersten und zweiten Kammer, welche bevorzugt über das Kolbenelement kommunizieren, insbesondere über eine Fluidleitstruktur desselben, können verschiedene Zustände des Druckspeichers gesteuert werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass entlang zumindest eines Teils des linearen Kompressionswegs der Faltenbalgmembran eine Einrichtung zur Positionserfassung angeordnet ist, die zur Bestimmung eines Drucks im Druckspeicher eine Stellung der Faltenbalgmembran und/oder des Kolbenelements ermittelt. Zur Ermittlung eines Druckes im Speicher können ergänzend zu der ermittelten Position Zusatzinformationen wie zum Beispiel die Kraftstofftemperatur, der Druck an einem Injektoreingang, Stoffeigenschaften des Mediums in der Faltenbalgmembran oder gegebenenfalls weitere herangezogen werden.
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Die Einrichtung zur Positionserfassung kann nach einem induktiven oder einem kapazitiven Messprinzip arbeiten, insbesondere eine Sensorik aufweisen, welche mit einem Geberelement an der Faltenbalgmembran und/oder am Kolbenelement zusammenwirkt. Vorgesehen ist bevorzugt, dass das Kolbenelement als Geberelement wirkt. Daneben sind weitere Messaufnehmer denkbar, z. B. Hall-Sensoren oder Spulen, welche z. B. an einem Gehäuse des Druckspeichers angeordnet sind, zum Beispiel auch einen Wegaufnehmer gleichsam einer Teleskopantenne innerhalb der Faltenbalgmembran vorzusehen, im Zuge deren Teleskopierung z. B. ein Kapazitätswert erfasst wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorgeschlagen, wobei im Druckspeicher ein Mengenbegrenzungsventil gebildet ist, d. h. in diesen integriert. Das Mengenbegrenzungsventil ist dazu vorgesehen, im Falle einer Undichtigkeit im Hochdruckteil, z. B. bei einem Nadelklemmer, den Kraftstoffzulauf zur Kraftstoffabgabevorrichtung zu verschließen. Das Mengenbegrenzungsventil verschließt einen Kraftstoffauslass des ersten Volumens zur Kraftstoffabgabevorrichtung hin, sobald der Druck im dritten Volumen unter einen Schwellwert absinkt.
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Vorteilhaft unaufwändig ist das Mengenbegrenzungsventil bevorzugt mittels des Kolbenelements und/oder der Faltenbalgmembran gebildet, insbesondere derart, dass das Kolbenelement den Kraftstoffauslass verschließt, sobald der Druck im dritten Volumen unter den Schwellwert absinkt. Zur Einnahme der Schließstellung des Mengenbegrenzungsventils kann das Kolbenelement im Zuge einer Druckabnahme im dritten Volumen durch die Faltenbalgmembran und/oder ein Druckgefälle zwischen zweitem und drittem Volumen verlagert werden.
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Bevorzugt ist der Druckspeicher dazu ausgebildet, in der Schließstellung des Mengenbegrenzungsventils eine Druckbeaufschlagung der ersten und zweiten Kammer mittels auf das Kolbenelement insbesondere außenumfangsseitig anströmenden Kraftstoffs zur Einnahme der Offenstellung des Mengenbegrenzungsventils zu ermöglichen.
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Hierfür ist am Kolbenelement – insbesondere im Rahmen der Fluidleitstruktur an demselben – bevorzugt wenigstens ein Kanal ausgebildet, welcher in der Schließstellung des Mengenbegrenzungsventils eine Druckbeaufschlagung der ersten Kammer über den Kolbeninnenraum mittels kraftstoffeinlassseitig anströmenden Kraftstoffs ermöglicht, und wobei das Kolbenelement in der Schließstellung des Mengenbegrenzungsventils auch eine Druckbeaufschlagung der zweiten Kammer mittels kraftstoffeinlassseitig anströmenden Kraftstoffs ermöglicht, insbesondere mittels einer geeigneten – im Rahmen der Fluidleitstruktur gebildeten – Oberflächengeometrie am Kolbenelement. Die Oberflächengeometrie kann bevorzugt ein ringförmige Vertiefung z. B. einen Ringkanal, eine Ringnut, einen Ringfalz oder eine Ringfase, insbesondere an der Außenumfangsfläche des Kolbenelements aufweisen, welche zur zweiten Kammer hin geöffnet einen Kraftstoffaustritt seitens des Kraftstoffeinlasses eingebrachten Kraftstoffs ermöglicht. Daneben sind selbstverständlich weitere Geometrien, z. B. ein oder mehrere diskrete Kanäle denkbar.
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Im Zuge der Anströmung oder Wiederanströmung der ersten und zweiten Kammer – via den Kraftstoffeinlass und die Fluidleitstruktur am Kolbenelement – und der damit einhergehenden Änderung der Druckverhältnisse innerhalb der ersten und zweiten Kammer kann das Kolbenelement für die Einnahme der Offenstellung des Mengenbegrenzungsventils nunmehr in der Kompressionsrichtung in Richtung von der zweiten zur ersten Kammer verlagert werden.
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Vorteilhaft kann das Mengenbegrenzungsventil ausgebildet sein, die Schließstellung durch einen Vordruck der Faltenbalgmembran und/oder eine Schließfeder zu halten. Bei Verwendung einer Schließfeder kann ein Vordruck der Faltenbalgmembran entbehrlich sein.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein in der ersten Kammer zum Kolbenelement benachbartes Ende der Faltenbalgmembran im Kolbenelement lose gelagert bzw. lagerbar ist, insbesondere mittels eines Führungsrings an der Faltenbalgmembran. Hierdurch kann sich ein loses Ende der Faltenbalgmembran unabhängig vom Kolbenelement bewegen bzw. auf sich ändernde Druckverhältnisse reagieren.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Rückhaltefeder das Kolbenelement insbesondere in einem drucklosen Zustand gegen die Faltenbalgmembran drängt. Die Rückhaltefeder kann hierbei vorteilhaft die Positionierung des Kolbenelements in Bezug auf den Kraftstoffeinlass derart unterstützen, dass die Anströmbarkeit sowohl der ersten als auch zweiten Kammer in der Schließstellung über das Kolbenelement gewährleistet ist.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorgeschlagen, wobei im Druckspeicher ein Ventil zur Startdruckregulierung gebildet ist. Das Ventil zur Startdruckregulierung ist dazu vorgesehen, einen schnelleren Startdruckaufbau, insbesondere im Zuge eines Motoranlassens, zu ermöglichen.
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Das Ventil zur Startdruckregulierung ist insbesondere ein Schieberventil und weiterhin insbesondere ein Schieberventil, welches in Abhängigkeit eines Druckes in der zweiten Kammer eine Anströmung bzw. Befüllung der ersten Kammer reguliert. Vorteilhaft einfach kann – insbesondere zusätzlich zu dem Mengenbegrenzungsventil – auch das Schieberventil mittels des Kolbenelements gebildet sein, wobei zu dessen Bildung weiterhin ein im Kolbenelement zu diesem relativverschieblich geführtes, an der Faltenbalgmembran angeordnetes Schieberelement vorgesehen ist.
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Druckspeicher dazu ausgebildet, in einem Zustand, in welchem das Schieberventil öffnet, einen Kraftstoffzulauf in die erste und die zweite Kammer mittels einer Anströmung des Kolbenelements bzw. dessen Fluidleitstruktur seitens des Kraftstoffzulaufs zu ermöglichen. Der Kraftstoff kann hierbei über wenigstens einen Kanal der Fluidleitstruktur am Kolbenelement in den Innenraum des Kolbenelements und somit in die erste Kammer gelangen und über eine wie vorstehend beschriebene geeignete Oberflächengeometrie der Fluidleitstruktur in die zweite Kammer.
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Nach Erreichen eines Druckschwellwerts in der ersten Kammer kann das Schieberventil mittels des Schieberelements den Kraftstoffzulauf in die erste Kammer durch Relativverschiebung des Schieberelements in Bezug zum Kolbenelement unterbrechen, das heißt den Kraftstoffzulauf in den Kolbeninnenraum über den wenigstens einen Kanal im Kolbenelement, insbesondere im Zuge einer Kompression der Faltenbalgmembran, an welcher das Schieberelement angeordnet ist.
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Der wie vorstehend beschriebene Druckspeicher ist weiterhin bevorzugt dazu ausgebildet, nach Unterbrechung des Kraftstoffzulaufs in die erste Kammer, die zweite Kammer anzuströmen bzw. zu befüllen, insbesondere über das Kolbenelement, wobei das Kolbenelement nach Erreichen eines Druckschwellwerts in der zweiten Kammer in Kompressionsrichtung verlagert wird.
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Vorgesehen ist hierbei, dass das Schieberventil zur weiteren Kraftstoffbefüllung der ersten Kammer erneut öffnet, das heißt die Kraftstoffzufuhr in den Innenraum des Kolbenelements über den wenigstens einen Kanal ermöglicht, sobald das Kolbenelement im Zuge des Erreichens eines Druckschwellwerts in der zweiten Kammer in Kompressionsrichtung verlagert ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist die Faltenbalgmembran bevorzugt mit Vordruck beaufschlagt bzw. vorgespannt.
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Vorgeschlagen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch, dass im ersten Volumen ein Anschlag für das Kolbenelement gebildet ist, welches dessen Arbeitsweg begrenzt. Der Anschlag ist bevorzugt derart im ersten Volumen gebildet, dass sich auch bei hohen Systemdrücken stets ein kleines drittes Volumen realisieren lässt, so dass eine Abschaltmenge bei Aktivierung des Mengenbegrenzungsventils in jedem Fall vorteilhaft gering ist. Hierbei ist vorgesehen, dass auch im Kolbenelement ein Anschlag gebildet ist, welcher ein relativ zu dem Kolbenelement verschiebliches Faltenbalgmembranende im Kolbenelement fängt, insbesondere mittels des Schieberelements der Faltenbalgmembran. Bevorzugt weist die Faltenbalgmembran hierbei zwei lose Enden auf, welche beide in Kompressionsrichtung verlagerbar sind. Bei dieser Ausführungsform kann vorteilhaft ein großes zweites Volumen gebildet werden, welches einen großen Druckpuffer darstellt; bei einem Druckabfall vor dem Kolben (z. B. Dauereinspritzung), i. e. in der zweiten Kammer, bleibt das treibende Druckgefälle zum Bewegen des Kolbens auf einem höheren Niveau.
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Das im Kolbenelement gelagerte Ende der Faltenbalgmembran ist hierbei bevorzugt mittels eines elastischen Elements, insbesondere in Form einer Schließfeder, federelastisch in Kompressionsrichtung vom Kolbenelement weg gedrängt. Hierdurch braucht die Faltenbalgmembran keine Vorspannung bzw. keinen Vordruck mehr, um das Mengenbegrenzungsventil in der Schließstellung zu halten.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, die Kraftstoffeinspritzeinrichtung derart auszubilden, dass im Druckspeicher ein Mengenbegrenzungsventil und auch ein Ventil zur Startdruckregulierung gebildet ist, insbesondere mittels des Kolbenelements.
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Vorgeschlagen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei die Faltenbalgmembran mit wenigstens einem Heizelement am Druckspeicher zur selektiven Erwärmung des Befüllmediums zusammenwirkt, insbesondere einem Heizelement, welches sich in die Faltenbalgmembran hinein erstreckt. Durch ein solches wird es ermöglicht, die Dichte bzw. Steifigkeit wenigstens eines Befüllmediums zu verändern und insofern die Steifigkeit der Faltenbalgmembran.
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Hierbei wird vorgeschlagen, als Befüllmedium wenigstens ein Medium zu wählen, welches zur Phasenumwandlung (fest nach flüssig und umgekehrt) im Zuge einer Beheizung in der Lage ist. Als Medium sind auch Mischungen aus leicht- und schwer siedenden Substanzen denkbar, wobei der Übergang von der Gas- zur Flüssigphase und umgekehrt nutzbar ist. Mit der Beheizung kann auf einfache Weise vor Beginn eines Starts der Brennkraftmaschine in der Faltenbalgmembran ein Vordruck erzeugt werden, so dass insbesondere in Kombination mit einem Mengenbegrenzungsventil ein schnellerer Startdruckaufbau ermöglicht wird, wodurch die Brennkraftmaschine früher anspringt. Das Heizelement kann eine Glühkerze sein, eine Glühwendel oder ähnliches. Denkbar ist auch, eine Heizbeschichtung als Heizelement an der Faltenbalgemembran aufzubringen.
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Vorgesehen ist hierbei auch, zusätzliche Befüllmedien bzw. Komponenten zur Beeinflussung der „Federkennlinie” in die Faltenbalgmembran einzubringen. Neben einer Grundfüllung mit z. B. Glykol, Siliconöl, Parafin, Hartwachs oder einer Wachs-Glycol-Emulsion können z. B. Gasblasen (Luft, Stickstoff, Argon/Helium), Metallschaumkugeln mit Gasporen oder eine leicht siedende Flüssigkeit (als Emulsion) in die Faltenbalgmembran eingebracht sein. Hierdurch kann eine Reihenschaltung zweier als Feder wirkender Medien mit hoher und geringer Steifigkeit realisiert werden, wodurch vorteilhaft gewährleistet werden kann, dass auch im Zuge einer Alterung oder eines Ausleierns der Faltenbalgmembran stets Reserve vorhanden ist, um das Mengenbegrenzungsventil zu schließen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnungen, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 exemplarisch und schematisch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Schnittansicht eines Druckspeichers gemäß einer ersten Ausführungsform;
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3 ein Kolbenelement für den Druckspeicher gemäß 2;
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4a bis 4c abgebrochene Schnittansichten zur Veranschaulichung der Funktion eines Druckspeichers, wobei zusätzlich eine Positionsmesseinrichtung dargestellt ist;
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5a bis 5f je eine abgebrochene Schnittansicht eines Druckspeichers mit einem Mengenbegrenzungsventil gemäß einer weiteren Ausführungsform, welche zudem die Funktion des Mengenbegrenzungsventils veranschaulichen, wobei die 5b und 5f Detailansichten der 5a bzw. 5e darstellen;
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6 eine Detailansicht eines losen Endes der Faltenbalgmembran des Druckspeichers gemäß 5a bis 5f;
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7a und 7b eine Schnittansicht sowie eine Detailansicht eines Druckspeichers mit einem Ventil zur Startdruckregulierung und einem Mengenbegrenzungsventil;
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8a bis 8d je eine abgebrochene Schnittansicht des Druckspeichers gemäß 7a zur Veranschaulichung der Funktion des Ventils zur Startdruckregulierung;
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9 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Druckspeichers mit Mengenbegrenzungsventil und einem Ventil zur Startdruckregulierung;
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10 Komponenten des Druckspeichers gemäß 9;
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11a bis 11d Schnittansichten zur Veranschaulichung der Funktion des Druckspeichers gemäß 9, insbesondere dessen Ventil zur Startdruckregulierung;
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12 eine schematische Ansicht einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem Druckspeicher mit einer Heizvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Die 1 zeigt exemplarisch und schematisch eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 eine Kraftstoffabgabevorrichtung 2 in Form einer Einspritzdüse aufweist, welche Bestandteil eines Injektors 3 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 ist.
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Stromaufwärts der Kraftstoffabgabevorrichtung 2 ist in einem Kraftstoffströmungweg 4 zur Kraftstoffabgabevorrichtung 2 ein Hydrospeicher bzw. Druckspeicher 5, von welchem ein erstes Volumen 6 von dem der Kraftstoffabgabevorrichtung 2 zuzuführenden Kraftstoff durchströmbar ist, i. e. über einen Kraftstoffeinlass 7 sowie einen Kraftstoffauslass 8 des Druckspeichers 5. Der das Volumen 6 durchströmende Kraftstoff, welcher dem Volumen 6 über den Kraftstoffeinlass 7 zugefördert wird, ist mittels einer Hochdruckpumpe 9 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 hochdruckbeaufschlagt.
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In dem ersten Volumen 6 des Druckspeichers 5, welches innerhalb eines Gehäuses 5a des Druckspeichers 5 gebildet ist, ist erfindungsgemäß eine in einer Kompressionsrichtung, Doppelpfeil A, elastisch kompressible, mediengefüllte Faltenbalgmembran 10 zur Dämpfung von Pulsationen angeordnet. Die Faltenbalgmembran 10 ist vorteilhaft robust als Metallbalgmembran gebildet und mit einem Ende am Gehäuse 5a festgelegt, während das weitere Ende als freies Ende relativ zu dem festgelegten Ende in der Kompressionsrichtung 5a verlagerbar ist, d. h. druckabhängig.
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Die Faltenbalgmembran 10 ist dauerhaft mit einem Medium 10a gefüllt, welches einen geringeren Kompressionsmodul als der das Volumen 6 durchströmende Kraftstoff, welcher z. B. Dieselkraftstoff oder Schweröl sein kann, aufweist. Ein derartiges Medium ermöglicht die Speicherung einer hohen Energiemenge, welche zum Ausgleich von Druckschwankungen mittels der Faltenbalgmembran 10 zur Verfügung steht. Derart kann der Druckabfall bei Entnahme einer Einspritzmenge aus dem Volumen 6 gering bleiben. Vorteilhaft füllt die Faltenbalgmembran 10 einen Großteil des ersten Volumens 6 aus, so dass ein großer Druckpuffer bereitgestellt werden kann. Angemerkt sei, dass die Faltenbalgmembran 10 das wenigstens eine Medium 10a mediendicht einschließt.
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2 zeigt einen Druckspeicher 5 für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1, wobei neben der Faltenbalgmembran 10 ein Kolben bzw. Kolbenelement 11 in dem ersten Volumen 6 in der Kompressionsrichtung A beweglich geführt angeordnet ist, dessen Funktionalität nachfolgend noch näher erläutert ist. Das Kolbenelement 11 teilt das erste Volumen 6 in eine erste Kammer 12, innerhalb derer die Faltenbalgmembran 10 angeordnet ist, sowie eine zweite Kammer 13. Die erste Kammer 12 als auch die zweite Kammer 13 weisen hierbei jeweils ein in Abhängigkeit der Stellung des Kolbenelements 11 in dem ersten Volumen 6 veränderliches zweites 14 bzw. drittes 15 Volumen auf.
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Das erste Volumen 6 ist in einem rohrförmigen Speichergehäuse 5a des Druckspeichers 5 gebildet (alternativ kann das Gehäuse z. B topfförmig gebildet sein). Benachbart zu einem ersten, im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorderes Ende bezeichnetem Ende 16 des rohrförmigen Gehäuses 5a sind der Kraftstoffzulauf bzw. Einlass 7 sowie der Auslass 8 angeordnet.
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Am gegenüberliegenden, zweiten Ende 17 des Speichergehäuses 5a, welches im Rahmen der vorliegenden Erfindung als hinteres Ende bezeichnet ist, ist eine Verschlussschraube 18 in das Gehäuse 5a und einen Teil desselben bildend eingebracht bzw. geschraubt, auf welche die Metallbalgmembran 10 mittels eines Membrandeckels 19 aufgepresst ist. Somit ist vorteilhaft ein einstückig montierbares Bauteil gebildet, wobei die Metallbalgmembran 10 folglich am hinteren Ende 17 ein festes Ende 20 aufweist. Von dem festgelegten Ende 20 erstreckt sich die Faltenbalgmembran 10 in ihrer Kompressionsrichtung A in dem Volumen 6 in Richtung zum vorderen Ende 16, d. h. in Erstreckungsrichtung des Gehäuses 5a. Ein dem festen Ende 20 gegenüberliegendes Ende 21 der Faltenbalgmembran 10 ist hierbei wiederum als loses Ende gebildet.
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An dem losen Ende 21 ist das Kolbenelement 11 mit dem losen Ende 21 dauerhaft verbunden angeordnet. Das Kolbenelement 11 ist hülsenförmig gebildet, s. a. 3, und weist einen mit dem Innendurchmesser des Speichergehäuses 5a korrespondierenden Querschnitt auf, welcher – zusammen mit der Hülsenform – ermöglicht, das Kolbenelement 11 geführt in der Kompressionsrichtung A zu verlagern, d. h. gleitbar. Der Innenhohlraum 22 des Kolbenelements 11 ist hierbei der Faltenbalgmembran 10 zugewandt.
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Das Kolbenelement 11 weist eine Fluidleitstruktur auf, s. a. 3, mittels welcher Strömungswege für den Kraftstoff innerhalb des Volumens 6 vorgegeben werden, wobei im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist, dass die erste 12 und die zweite 13 Kammer ausschließlich über das Kolbenelement, insbesondere ausschließlich via dessen Fluidleitstruktur, miteinander kommunizieren. Auf der Außenumfangsmantelfläche 11a des Kolbenelements 11 ist eine Ringnut 23 der Fluidleitstruktur gebildet, innerhalb deren Erstreckung wenigstens eine, vorliegend zwei Bohrungen 24 sich von der Außenumfangsfläche 11a in den Innenhohlraum 22 des Kolbenelements 11 erstreckend angeordnet sind. Mittels der Ringnut 23 und der darin angeordneten Bohrungen bzw. Kanälen 24 der Fluidleitstruktur ist es ermöglicht, Kraftstoff via den Einlass 7 in die erste Kammer 12 einzubringen und diese somit mit Druck zu beaufschlagen.
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Das Kolbenelement 11, der Kraftstoffeinlass 7 und die Faltenbalgmembran 10 sind hierbei derart konfiguriert, dass eine Anströmung der ersten Kammer 12 ausgehend von einem drucklosen Zustand der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 ermöglicht ist. Hierzu liegt die Einlassmündung 7a bei im Wesentlichen maximaler Längung der Faltenbalgmembran 10 der Ringnut 23 gegenüber, so dass diese via die Mündung 7a anströmbar ist und eine Anströmung bzw. Druckbeaufschlagung der ersten Kammer 12 über die Kanäle 24 erfolgen kann.
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Das Kolbenelement 11 weist an einer Stirnseite 25 weiterhin Drosselbohrungen 26 auf, s. a. 3, welche sich von der zweiten Kammer 13 in den Innenhohlraum 22 erstrecken und das Membranelement 10 umgeben. Über dieselben kann die erste Kammer 12 mit der zweiten Kammer 13 kommunizieren, so dass auch in der zweiten Kammer 13 ein Druck bzw. Betriebsdruck aufgebaut werden kann, im Zuge dessen die Faltenbalgmembran 10 komprimierbar ist, d. h. durch Anströmung der zweiten Kammer 13 über die Drosselbohrungen 26 der Fluidleitstruktur (sowie ggf. einen Kriechspalt).
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Die 4a bis 4c zeigen abgebrochene Ansichten einer weiteren Ausführungsform des Druckspeichers 5. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der 2 und 3, weist das Kolbenelement 11 eine geänderte Fluidleitstruktur auf, bei welcher an dem zur zweiten Kammer 13 weisenden Ende 11b außenumfangsseitig eine ringförmige Vertiefung 23 gleichsam einem Falz bzw. Absatz gebildet ist, so dass ein Ringspalt zwischen der Außenumfangsfläche 11a und der Umfangswand des Gehäuses 5a existiert, welcher zur zweiten Kammer 13 geöffnet ist.
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Innerhalb der ringförmigen Erstreckung der Vertiefung 23 sind wiederum Bohrungen bzw. Kanäle 24 angeordnet, welche sich von der Außenumfangsfläche 11a in den Innenhohlraum 22 erstrecken. Über die Vertiefung 23 sowie die Bohrungen 24 der Fluidleitstruktur kommuniziert die erste Kammer 12 mit der zweiten Kammer 13. Insbesondere kann wiederum ausgehend von einem drucklosen Zustand eine Anströmung und Druckbeaufschlagung sowohl der ersten 12 als auch der zweiten Kammer 13 erfolgen. Hierzu ist der Druckspeicher 5 derart konfiguiert, dass die ringförmige Vertiefung 23 der Mündung 7a im drucklosen Zustand gegenüberliegt. Das Kolbenelement 22 weist hierbei keine Drosselbohrungen 26 auf, welche alternativ jedoch denkbar sind.
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4a veranschaulicht einen Zustand, in welchem der Faltenbalg 10 eine maximale Längung aufweist bzw. im Rahmen der zugestandenen Freiheitsgrade entspannt ist. In diesem Zustand, welcher zum Beispiel bei einem Start der Brennkraftmaschine eingenommen ist und einem drucklosen Zustand des Kraftstoffeinspritzsystems 1 entspricht, ist das Kolbenelement 11 am vorderen Ende 16 im Anschlag. Hierbei weist die erste Kammer 12 ein maximales zweites Volumen 14 auf, die zweite Kammer 13 ein minimales drittes Volumen 15 (z. B. 4c), welches im Wesentlichen nur mehr durch die ringförmige Vertiefung 23 an der Außenumfangsfläche 11a des Kolbenelements 11 gebildet ist.
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Wie insbesondere der Detailansicht der 4b zu entnehmen ist, korrespondiert die Anordnung des Ringfalzes 23 sowie der Kanäle 24 hierbei derart mit der Position und dem Querschnitt der Mündung 7a des Kraftstoffzulaufs 7, dass auf das Kolbenelement 11 anströmender Kraftstoff mittels der Bohrungen 24 in den Innenhohlraum 22 und somit in die erste Kammer 12 als auch über die Vertiefung 23 in die zweite Kammer 13 gelangen kann. Nach Erreichen eines Druckschwellwerts in der ersten Kammer 12 wird die Faltenbalgmembran 10 komprimiert, wobei sich das Kolbenelement 11 unter Vergrößerung des Volumens der zweiten 13 und Verkleinerung des Volumens der ersten Kammer 12 in Richtung zum hinteren Ende 17 in Kompressionsrichtung A verlagert, das heißt, der Betriebszustand des Druckspeichers 5 wird erreicht, 4c.
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Die 4a bis 4c zeigen weiterhin eine Einrichtung zur Positionsmessung 27 entlang des Kompressionswegs der Faltenbalgmembran 10. Die Einrichtung zur Positionsmessung 27 ist dazu vorgesehen, einen Druck im Druckspeicher 5 zu ermitteln. Das Kolbenelement 11 dient hierbei als Geberelement der Positionsmesseinrichtung 27.
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Die 4a bis 4c zeigen je einen Druckspeicher 5, dessen Sensorik 27 zur kapazitiven Wegmessung ausgebildet ist, wobei entlang des Kompressionswegs der Faltenbalgmembran 10 beschichtete Metallringe 28 zueinander benachbart angeordnet sind, welche mit dem Kolbenelement 11 einen lokalen Kondensator bilden, so dass eine Bestimmung der Position des Kolbenelements 11 über eine Änderung der Kapazität zwischen dem Kolbenelement 11 und einem Kondensatorring 28 ermöglicht ist. Das Kolbenelement 11 ist hierbei aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Entlang des Kompressionswegs der Faltenbalgmembran 10 erhält das Kolbenelement 11 Massekontakt in den Zwischenräumen zwischen den Metallringen 28, ansonsten über die feste Verbindung mit dem Faltenbalg 10. Die Isolationsschicht an der zum Kolbenelement 11 weisenden Seite der Metallringe 28 ist bevorzugt dünner gebildet als an deren übrigen Seiten. Wie den 4a bis 4c weiterhin zu entnehmen ist, ist die Sensorik 27 an einer Einschubhülse 29 aufgenommen, welche als Träger fungiert und einen Teil der das erste Volumen 6 umfangenden Gehäusewand bildet. Die Einschubhülse 29 ist hierbei aus einem elektrisch nicht leitenden Werkstoff gefertigt.
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Alternativ kann die Sensorik 27 z. B. zur induktiven Wegmessung ausgebildet sein, z. B. 7a und b. Das Kolbenelement 11, welches hierbei als Geberelement wirkt, kann hierbei aus einem magnetischen Werkstoff gebildet sein, alternativ zum Beispiel mit Magneten bestückt. Entlang des Kompressionswegs der Faltenbalgmembran 10 können zueinander benachbart Magnetspulen 30 bzw. Ringspulen im Gehäuse 5a angeordnet sein, welche eine Wegmessung über die Änderung ihrer Permeabilität korrespondierend mit der Relativstellung zum Kolbenelement 11 ermöglichen, insbesondere auch die Messung einer Geschwindigkeit des Kolbenelements. Die Einschubhülse 29 ist hierbei aus einem nicht magnetischen Werkstoff gebildet, insbesondere Aluminium.
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Über die jeweiligen Einschubhülsen 29, welche je im Inneren des Druckspeichers 5 angeordnet sind, kann neben der einfachen Integrationsfähigkeit der Sensorik 27 in den Druckspeicher 5 vorteilhaft eine Abschirmung der Sensorik 27 gegenüber dem Hochdruck innerhalb des ersten Volumens 6 erzielt werden. Eine Einschubhülse 29, welche nach ihrem Einbringen einen Bestandteil des Gehäuses 5a bildet, kann im Zuge der Montage des Druckspeichers 5 in den Druckspeicher 5 eingebracht werden, insbesondere seitens des hinteren Endes 17 eingeführt werden. Um einen Druck im Druckspeicher 5 zu ermitteln, ist vorgesehen, eingangs beschriebene Zusatzinformationen zusätzlich zu einer mittels je der Positionsmesseinrichtung 27 ermittelten Position heranzuziehen.
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Die 5a bis 5f veranschaulichen eine weitere Ausführungsform eines Druckspeichers 5, welcher ein Mengenbegrenzungsventil (MBV) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 bereitstellt. Das Mengenbegrenzungsventil ist mittels des Kolbenelements 11 (sowie der Faltenbalgmembran 10) gebildet und dazu vorgesehen, den Kraftstoffauslass 8 aus der zweiten Kammer 13, zum Beispiel bei unzulässig andauernder Kraftstoffabgabe über die Kraftstoffabgabevorrichtung 2 zu verschließen, zum Beispiel bei einem Nadelklemmer im Injektor 3. Im Unterschied zu vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist das lose Ende 21 der Faltenbalgmembran 10 hierbei nicht dauerhaft bzw. fest mit dem dieses umfangenden Kolbenelement 11 verbunden bzw. daran befestigt, sondern zu diesem relativ verschieblich.
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Weiterhin im Unterschied zu vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist an dem losen Ende 21 der Faltenbalgmembran 10 ein als Führungsring gebildetes Führungselement 31 angeordnet, welches dazu vorgesehen ist, das lose Ende 21 im Innenhohlraum 22 des Kolbenelements 11 zu führen, und welches über seinen Außenumfang Freisparungen 32 für einen Kraftstoffdurchtritt über den Innenhohlraum 22 des Kolbenelements 11 in die erste Kammer 12 aufweist, s. a. 6.
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Am Kraftstoffauslass 8 aus der zweiten Kammer 13 ist weiterhin eine Rückhaltefeder 33 in Form einer Schraubendruckfeder am vorderen Ende 16 des Druckspeichergehäuses 5a innerhalb desselben abgestützt angeordnet, insbesondere in einem Federhaus, alternativ z. B. mittels eines Zapfens, welche dazu vorgesehen ist, dass Kolbenelement 11 im drucklosen Zustand gegen die Faltenbalgmembran 10 zu drängen. Mittels der Rückhaltefeder 33 kann sichergestellt werden, dass das Kolbenelement 11 in Bezug auf den Kraftstoffeinlass 7 bzw. dessen Mündung für eine Befüllung der ersten 12 und zweiten 13 Kammer korrekt positioniert ist. Die Fluidleitstruktur am Kolbenelement 11 korrespondiert hierbei im Wesentlichen mit jener der 4a bis c.
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In Richtung zum vorderen Ende 16 weisend weist das Kolbenelement 11 hierbei zusätzlich eine ringförmig gebildete Dichtkante 34 auf, welche dazu vorgesehen ist, gegen das vordere Ende 16 zur Anlage zu gelangen und den Kraftstoffauslass 8 somit zu verschließen. Weiterhin ist der Kraftstoffzulauf 7 mit einem definierten Querschnitt gebildet.
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Die Funktionalität des Mengenbegrenzungsventils wird nachfolgend nunmehr anhand der 5a bis 5f noch näher erläutert.
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Die 5a zeigt zunächst einen Zustand, in welchem das Mengenbegrenzungsventil den Kraftstoffauslass 8 verschließt bzw. geschlossen ist. Das Kolbenelement 11 ist hierbei via die Dichtkante 34 im Anschlag gegen das vordere Ende 16, i. e. eine Gehäuseinnenwand, wobei ein geringer Spalt 35, 5b, zulässig sein kann. Dieser Zustand entspricht z. B. einem drucklosen Zustand, zum Beispiel korrespondierend mit einem Zustand vor Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine, in welchem kein Einspritzvorgang stattfindet, i. e. kein Einspritzdruck anliegt.
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Die 5b zeigt eine Detailansicht, welcher entnehmbar ist, dass die zweite Kammer 13 als auch die erste Kammer 12 – im Zusammenwirken von Rückhaltefeder 33, Kolbenelement 11 und Faltenbalgmembran 10 – über den Kraftstoffeinlass 7 und das Kolbenelement 11 wie vorstehend beschrieben in der Schließstellung des Mengenbegrenzungsventil über die Fluidleitstruktur des Kolbenelements 11 anströmbar sind, wobei Kraftstoff über die Kanäle 24, welche sich durch die Außenumfangsmantelfläche 11a des Kolbenelements 11 in den Innenhohlraum 22 erstrecken, insbesondere je als Bohrung, in den Innenhohlraum 22 des Kolbenelements 11 und über die Freisparungen 32 im Führungselement 31 in die erste Kammer 12 gelangen kann.
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Über die Vertiefung 23 am Kolbenelement 11, welche wiederum dessen der zweiten Kammer 13 zugewandten Endabschnitt 11b in Umfangsrichtung umfangend gebildet ist, und innerhalb derer die Kanäle 24 angeordnet sind, kann die zweite Kammer 13 angeströmt werden. Der Kraftstoffauslass 8 ist über die Dichtkante 34 abgedichtet bzw. verschlossen. Die Rückhaltefeder 33 ist komprimiert und kann ein Lösen des Kolbenelements 11 aus dem Anschlag im Zuge einer Druckbeaufschlagung der ersten 12 und zweiten 13 Kammer unterstützen.
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Bei einer Druckbeaufschlagung des Druckspeichers 5 bzw. des ersten Volumens 6 im Zuge des Einströmens von Kraftstoff über den Kraftstoffeinlass 7, wird der Faltenbalg 10 gestaucht bzw. komprimiert und das Kolbenelement 11 bewegt sich federunterstützt in Richtung zum hinteren Ende 17, womit der Betriebszustand eingenommen ist und die Rückhaltefeder 33 entspannt, 5c.
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5d veranschaulicht nunmehr die Aktivierung des Mengenbegrenzungsventils, im Zuge derer sich das Kolbenelement 11 bei einem Druckabfall in der zweiten Kammer 13 aus der Betriebsposition gemäß 5c in Richtung zum vorderen Ende 16 bewegt. Die Bewegung des Kolbenelements 11 wird dadurch veranlasst, dass sich die komprimierte Faltenbalgmembran 10 aufgrund des abnehmenden Drucks in der zweiten Kammer 13 ausdehnen kann und somit das Kolbenelement 11 in Richtung zum vorderen Ende 16 treibt. Im Betrieb hält der sich wieder aufbauende Systemdruck bzw. Einspritzdruck das MBV geschlossen, 5e und 5f. Wird das System drucklos, entspannt sich die Faltenbalgmembran 10 und drängt gegen das Kolbenelement 11, 5a und 5b.
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Beachtlich ist hierbei, dass der Zulauf zum Druckspeicher 5 derart ausgelegt ist, dass zum Beispiel bei Dauereinspritzung der Druck in der zweiten Kammer 13 unter einem Einbauvordruck in der Faltenbalgmembran 10 liegt. Hierdurch schließt das MBV. Ohne Vordruck im Faltenbalg 10, insbesondere mit einem Einbauspalt, kann die Dichtkante 34 alternativ derart gestaltet werden, dass das Kolbenelement 11 für das letzte Stück zur Spaltüberwindung von der Strömung angesaugt wird.
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Anhand der 7a bis 8d wird nunmehr eine erste Ausführungsform eines Druckspeichers 5 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 näher beschrieben, welcher ein Ventil zur Startdruckregulierung aufweist, insbesondere zusätzlich zu einem Mengenbegrenzungsventil.
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Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß den 5a bis 6, wirkt das Führungselement 31, welches als Führungsring an der Faltenbalgmembran 10 angeordnet ist, hierbei als Ventilschieber, das heißt als Schieberelement.
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Dieses ist zur Ausbildung des als Ventil zur Startdruckregulierung vorgesehenen Schieberventils dazu vorgesehen, in Abhängigkeit eines Druckniveaus in der ersten Kammer 12 das Einströmen von Kraftstoff via das Kolbenelement 11 selektiv zu unterbrechen bzw. zuzulassen. Derart kann in Abhängigkeit der Schieberstellung eine Anströmung der ersten 12 und zweiten 13 Kammer oder lediglich der zweiten Kammer 13 erfolgen, d. h. über die Fluidleitstruktur.
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Das Schieberelement 31 ist hierbei wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform im Innenhohlraum 22 relativ zu dem Kolbenelement 11 verschieblich angeordnet, i. e. in Kompressionsrichtung A, so dass es den wenigstens einen im Kolbenelement 11 gebildeten Kanal 24 bzw. die Kanäle 24 im Zuge einer Verschiebung öffnen bzw. verschließen kann. Im Unterschied zu vorstehend beschriebenen Ausführungsformen weist die Fluidleitstruktur am Kolbenelement 11 jedoch Kanäle 24 auf, welche mittels je einer Langnut 24a an der Außenumfangsmantelfläche 11a des Kolbenelements 11, welche sich in Kompressionsrichtung A erstreckt, sowie je einer Drosselbohrung 24b, welche sich am hinteren Ende der Langnut 24a radial in den Innenhohlraum 22 des Kolbenelements 11 erstreckt, gebildet sind.
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Ebenfalls im Unterschied zu vorstehend beschriebenen Ausführungsformen erstreckt sich jeweils der in dem Kolbenelement 11 gebildete Kanal 24 hierbei insbesondere in einem drucklosen Zustand der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1, z. B. 8a, in welchem das Schieberelement 31 in Richtung von der ersten 12 zur zweiten 13 Kammer im Kolbeninnenraum 22 gegen das Kolbenelement 11 zur Anlage gelangt, in Kompressionsrichtung A in Richtung von der zweiten 13 zur ersten Kammer 12 über das Schieberelement 31 hinaus in den Innenhohlraum 22, wobei jede Langnut 24a sowohl mit der ringförmigen Vertiefung 23 als auch je einer Drosselbohrung 24b kommuniziert.
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In der geschilderten Stellung ist hierbei wiederum eine Anströmung sowohl der ersten 12 als auch der zweiten 13 Kammer über die Mündung des Kraftstoffeinlasses 7a ermöglicht, i. e. über die dem vorderen Ende 16 zugewandte, endseitig an dem Kolbenelement 11 gebildete Vertiefung 23 sowie den Kanal 24, über welche die erste 12 und zweite 13 Kammer (in Abhängigkeit der Stellung des Schieberelements 31) kommunizieren können.
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Die Funktionalität des derart gebildeten Schieberventils für einen schnelleren Startdruckaufbau wird nunmehr insbesondere anhand der 8a bis 8d näher erläutert.
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8a zeigt den Druckspeicher 5 in einem drucklosen Zustand der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1, entsprechend einem Systemzustand vor einem Start der Brennkraftmaschine. Das Kolbenelement 11 befindet sich hierbei mit seiner Dichtkante 34 im Anschlag gegen das vordere Ende 16 des Gehäuses 5a, so dass der Kraftstoffauslass 8 verschlossen ist. Die entspannte Faltenbalgmembran 10 ist im Innenhohlraum 22 des Kolbenelements 11 gegen dieses im Anschlag, wobei das Schieberelement 31 bzw. der Führungsring jeden im Kolbenelement 11 gebildeten Kanal 24, i. e. dessen Drosselbohrung 24b, zum Einbringen von Kraftstoff in den Innenhohlraum 22 bzw. in die erste Kammer 12 nicht verschließt bzw. freihält. Das Schieberelement 31 ist hierbei durch die feste Verbindung mit der Faltenbalgmembran 10 verdrehgesichert.
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Im Zuge eines Anlassens der Brennkraftmaschine bzw. sich aufbauenden Kraftstoffdrucks, 8b, wird das Kolbenelement 11 außenumfangsseitig mittels des Kraftstoffzulaufs 7 mit Kraftstoff angeströmt, wobei der Druckaufbau über den Kanal 24 in dem Kolbenelement 11 eine Stauchung der Faltenbalgmembran 10 bewirkt, das heißt solange, bis das Schieberelement 31 im Zuge seiner mit der Stauchung der Faltenbalgmembran 10 einhergehenden Verlagerung in Richtung von der zweiten 13 zur ersten 12 Kammer jede Drosselbohrung 24b bzw. jeden Kanal 24 auslassseitig verschließt. Hierdurch wird weiterer Kraftstoffzulauf in die erste Kammer 12 gehemmt.
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Nach Verschluss des jeweiligen Kanals 24 steigt nunmehr der Druck vor dem Kolbenelement 11, i. e. in der zweiten Kammer 13 aufgrund des geringen Volumens derselben sehr schnell an. Das Faltenbalgelement 10 verharrt dabei in seiner Position.
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Sobald ein Gleichgewichtsdruck erreicht ist, bewegt sich das Kolbenelement 11 nach hinten, das heißt in Richtung zur ersten Kammer 12, 8c. Hierbei gibt das Schieberelement 31 die Drosselbohrungen 24b wieder frei, so dass neben der zweiten 13 die erste 12 Kammer über die Kanäle 24 weiter befüllt werden kann. Vorteilhaft wird hierdurch bereits ein hochdruckbeaufschlagtes Kraftstoffvolumen in der zweiten Kammer 13 bereitgestellt, bevor die erste Kammer 12 vollständig befüllt bzw. druckbeaufschlagt ist. Hierdurch kann der Startdruck ohne die verzögernde Wirkung aufgrund einer Anströmung der ersten Kammer 12 sehr schnell erreicht werden. Der Zulauf zur ersten Kammer 12 wird mit anderen Worten erst abschließend frei gegeben, wenn ein gewisser Mindestdruck größer dem vorgesehenen Startdruck vor dem Kolbenelement 11 anliegt.
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8d zeigt den Betriebszustand des Speichers 5, wobei das Kolbenelement 11 das Faltenbalgelement 10 eingeholt hat und daran anliegt.
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Das Mengenbegrenzungsventil ist hierbei wie vorstehend bereits beschrieben im Druckspeicher 5 implementiert. Die Aktivierung erfolgt wie vorstehend beschrieben.
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Anhand der 9 bis 11d wird nachfolgend eine weitere, bevorzugte Ausführungsform des Druckspeichers 5 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 mit einem Ventil zur Startdruckregulierung beschrieben. Diese weist die im Rahmen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläuterte Fluidleitstruktur auf.
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Im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Faltenbalgmembran 10 an ihrem hinteren Ende 20 lose im ersten Volumen 6, d. h. in Kompressionsrichtung A verschieblich, geführt, 9. Zur Führung des losen Endes 20 weist dieses hierzu einen Führungsring 36 an demselben auf, welcher einen Kraftstoffdurchtritt mittels Freisparungen 37 an seinem Außenumfang ermöglicht, z. B. 10.
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Das vordere Ende 21 der Faltenbalgmembran 10 ist mittels des Schieberelements 31 in Form des Schieberrings im Innenhohlraum 22 des Kolbenelements 11 relativ verschieblich zu diesem gefangen, z. B. 9, 11a, wozu im Innenhohlraum 22 des Kolbenelements 11 ein Anschlag 38 gebildet ist, das heißt ein Anschlag am hinteren Innenende des Kolbenelements 11. Das vordere Ende 21 bzw. der Schieberring 31 ist insbesondere verdrehgesichert in dem Kolbenelement 11 aufgenommen.
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Weiterhin im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist das Kolbenelement 11 ausschließlich im vorderen Teil des ersten Volumens 6 verschieblich angeordnet, d. h. benachbart zum vorderen Ende 16 des Gehäuses 5a, wozu ein Anschlag 39 zur Definition eines Bewegungswegs des Kolbenelements 11 im ersten Volumen 6 gebildet ist, z. B. 9, 11a bis c. Dadurch, dass dem Kolbenelement 11 lediglich ermöglicht ist, im vorderen Teil zu operieren und die Faltenbalgmembran 10 am hinteren Ende 20 lose gelagert ist, kann gewährleistet werden, dass die Abschaltmenge bei Aktivierung des Mengenbegrenzungsventils auch bei hohen Systemdrücken vorteilhaft gering ist.
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Bei dieser Ausführungsform ist ferner vorgesehen, eine Schließfeder 40 zwischen dem Kolbenelement 11 und dem vorderen Ende 21 der Faltenbalgmembran 10 anzuordnen. Diese ist bevorzugt als Schraubendruckfeder ausgebildet und vorzugsweise in einem Federhaus, welches durch die Faltenbalgmembran 10 bereitgestellt ist, aufgenommen. Wie z. B. 9 zu entnehmen ist, ist die Wegsensorik 27 hierbei derart ausgebildet, dass sowohl die Position des Kolbenelements 11 als auch des hinteren Endes 20 der Faltenbalgmembran 10 erfasst werden kann.
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Nachfolgend wird anhand der 11a bis 11d näher auf die Funktionalität des derart gebildeten Druckspeichers 5 eingegangen.
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11a veranschaulicht den Druckspeicher 5 wiederum in einem drucklosen Zustand der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1. Das Kolbenelement 5 befindet sich mit seiner Dichtkante 34 gegen das vordere Ende 16 des Gehäuses 5a im Anschlag. Im Anschlag gegen das Kolbenelement 11 befindet sich die Faltenbalgmembran 10 mit dem daran angeordneten Schieberelement bzw. Führungsring 31. Die Schließfeder 40 ist belastet.
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Im Zuge eines Anlassens der Brennkraftmaschine wird Kraftstoff in den Kraftstoffzulauf 7 gepumpt, das heißt mittels der Hochdruckpumpe 9 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1, woraufhin der Druckaufbau eine Füllung des Innenhohlraums 22 des Kolbenelements 11 bzw. der ersten Kammer 12 via der Fluidleitstruktur bzw. deren Kanäle 24 sowie eine Stauchung der Faltenbalgmembran 10 bewirkt, wobei die Schließfeder 40 entlastet wird.
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Die Befüllung hält an bis das Schieberelement 31 die Drosselbohrungen 24b der Kanäle 24 verschließt, 11b, das heißt im Zuge seiner Verlagerung, so dass der Druck vor dem Kolben 11, das heißt in der zweiten Kammer 13 wegen deren geringen Volumens sehr schnell ansteigt. Hierbei verharrt die Faltenbalgmembran 11 in ihrer Position. Sobald der Gleichgewichtsdruck vor dem Kolbenelement 11 erreicht ist, wird dieses Richtung zum hinteren Ende des Gehäuses 5a verlagert bzw. geschoben, 11c, so dass das Schieberelement 31 die Bohrungen 24b wieder freigibt und die erste Kammer 12 zur Einnahme des vorgesehenen Betriebszustands weiter befüllt werden kann.
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11d veranschaulicht den Druckspeicher 5 in dessen Betriebszustand. Wie 11d zu entnehmen ist, drückt die Schließfeder 40 den Faltenbalg 10 mit dem Schieberelement 31 bzw. dem Führungsring in den hinteren inneren Anschlag 38 des Kolbenelements 11. Das hintere Ende 20 der Faltenbalgmembran 10 führt mit jedem Einspritzvorgang eine Bewegung aus, s. Doppelpfeil B. Das Kolbenelement 11 kann sich ebenfalls pulsierend bewegen, oder je nach Auslegung der Federn 33, 40 und der Drosselbohrungen 24b in den Anschlag 39 im ersten Volumen 6 gehen und dort verharren, solange sich hierbei das hintere Ende 20 der Faltenbalgmembran 10 frei in Kompressionsrichtung A bewegen kann. Bevorzugt ist das Schieberelement 31 während des Überstreifens der Drosselbohrungen 24 geringfügig leckagebehaftet, damit Kraftstoff nachfließen kann.
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Bei dieser Ausführungsform ist der Schließweg des Mengenbegrenzungsventils gegenüber vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorteilhaft kürzer. Die Schließgeschwindigkeit des Mengenbegrenzungventils ist höher, da das größere Volumen der ersten Kammer 12 einen größeren Druckpuffer bildet, so dass das treibende Druckgefälle zum Bewegen des Kolbenelements 11 bei einem Druckabfall vor dem Kolbenelement 11 auf einem höheren Niveau bleibt. Durch die zusätzliche Schließfeder 40 ist keine Vorspannung bzw. kein Vordruck der Faltenbalgmembran 10 erforderlich, um das Mengenbegrenzungsventil in Schließlage zu halten.
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12 zeigt nunmehr eine weitere Ausführungsform eines Druckspeichers 5 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung, bei welcher ein Heizelement 41 zur Erwärmung des wenigstens einen Befüllmediums 10a der Faltenbalgmembran 10 am Druckspeicher 5 angeordnet ist, d. h. zur selektiven Erwärmung im Zuge eines An- oder Abschaltens. Dieser das Heizelement 41 betreffende Erfindungsgedanke ist jedoch nicht auf die nunmehr beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann sich auf jede vorstehend beschriebene Ausführungsform erstrecken.
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Wie 12 zu entnehmen ist, erstreckt sich hierbei das Heizelement 41, welches als Glühkerze gebildet ist – alternativ z. B. eine Heizspirale oder ein Heizstab, z. B. auch eine Heizbeschichtung sein kann – durch das hintere Ende 17 des Gehäuses 5a, insbesondere über die Verschlussschraube 18, in die hierbei am hinteren Ende 20 festgelegte Faltenbalgmembran 10 hinein, d. h. in deren wenigstens ein Medium 10a, wozu dieselbe an ihrem hinteren Ende 20 eine Bohrung aufweist. Die Gasdichtigkeit der Faltenbalgmembran 10 wird durch eine Abdichtung gewährleistet, welche bevorzugt mittels einer Verschraubung sowie einer Ringdichtung gebildet ist. Selektiv bestromt wird das Heizelement 41 über eine elektrische Leitung 42, welche mit einer Versorgungs- und Steuervorrichtung 43 zur Ansteuerung des Heizelements 41 verbunden ist.
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Mittels des Heizelements 41 ist es vorteilhaft ermöglicht, die Dichte wenigstens eines in der Faltenbalgmembran 10 eingeschlossenen Befüllmediums 10a zu verändern. Als Medium 10a ist bevorzugt ein Wachs vorgesehen, dessen Phasenübergang von fest nach flüssig und umgekehrt genutzt werden kann. Alternativ kann z. B. ein Medium 10a vorgesehen sein, welches einen Übergang von einer flüssigen in eine Gasphase oder umgekehrt ermöglicht.
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Mit der Beheizung via das Heizelement 41 kann vor einem Anlassen der Brennkraftmaschine bzw. einem Druckaufbau in der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 1 in der Faltenbalgmembran 10 ein Vordruck erzeugt werden, so dass insbesondere in Kombination mit einem Mengenbegrenzungsventil ein schnellerer Startdruckaufbau ermöglicht wird. Hierdurch kann die Brennkraftmaschine früher angelassen werden. Ferner wird es ermöglicht, den Druckspeicher 5 bei Verwendung verschiedener Kraftstoffe entsprechend anzupassen.
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Angemerkt sei, dass der Druckspeicher 5 hierbei nicht zwingend ein sich in die Faltenbalgmembran 10 hinein erstreckendes Heizelement 41 aufweisen muss. Alternativ kann vorgesehen sein, ein in der Faltenbalgmembran 10 aufgenommenes Medium 10a indirekt zu beheizen, wobei das Heizelement 41 zum Beispiel durch die Faltenbalgmembran 10 selbst gebildet sein kann oder diese zum Beispiel umgibt.
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Insbesondere ist bei vorliegender Ausführungsform vorgesehen, die Faltenbalgmembran 10 mit zwei verschiedenen Medien 10a zu befüllen, 12. Eine Grundfüllung kann beispielsweise mit Glykol, Silikonöl, Parafin, Hartwachs, oder einer Wachs-Glykol-Emulsion erfolgen. Zusätzliche Komponenten zur Beeinflussung der ”Federkennlinie” können in Form von Gasblasen (Luft, Stickstoff, Argon/Helium), Metallschaumkugeln mit Gasporen, oder leicht siedender Flüssigkeit (als Emulsion) eingebracht sein, Bz. 44. Dies ermöglicht die Reihenschaltung von elastischen Medien 10a zum Beispiel hoher und geringer Steifigkeit, was bei einem Einbau des Faltenbalgelements 10 mit Vordruck den Vorteil aufweist, dass unabhängig von einem Verschleiß des Faltenbalgs 10 stets ein ordnungsgemäßes Schließen des Mengenbegrenzungsventils sichergestellt ist.
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Abschließend sei noch ergänzt, dass ein Vordruck im Faltenbalg 10 den Aktivierungsdruck im Druckspeicher 5 bestimmt, ab welchem der Faltenbalg 10 komprimiert wird. Hoher Vordruck lässt den Startdruck schneller erreichen, reduziert jedoch die Elastizität der Faltenbalgmembran 10. Ein Vordruck in der Faltenbalgmembran 10 kann erreicht werden durch Verspannen bzw. Komprimieren im Zuge eines Einbauens im Druckspeicher 5, durch Befüllen im eingebauten Zustand, z. B. über ein Ventil, sowie durch Beheizen, wie vorstehend beschrieben.
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Die Anmelderin weist darauf hin, dass Aspekte der vorliegenden Erfindung aus jeglichem beschriebenen individuellen Merkmal oder einer Kombination von Merkmalen bestehen können. Im Hinblick auf die vorangegangene Beschreibung wird es einem Fachmann klar sein, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der Erfindung gemacht werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftstoffeinspritzeinrichtung
- 2
- Kraftstoffabgabevorrichtung
- 3
- Injektor
- 4
- Kraftstoffströmungsweg
- 5
- Druckspeicher
- 5a
- Gehäuse 5
- 6
- Erstes Volumen
- 7
- Kraftstoffeinlass
- 7a
- Einlassmündung
- 8
- Kraftstoffauslass
- 9
- Hochdruckpumpe
- 10
- Faltenbalgmembran
- 10a
- Medium 10
- 11
- Kolbenelement
- 11a
- Außenumfangsmantelfläche 11
- 11b
- Ende 11
- 12
- Erste Kammer
- 13
- Zweite Kammer
- 14
- Zweites Volumen
- 15
- Drittes Volumen
- 16
- Vorderes Ende 5a
- 17
- Hinteres Ende 5a
- 18
- Verschlussschraube
- 19
- Membrandeckel
- 20
- Hinteres Ende 10
- 21
- Vorderes Ende 10
- 22
- Innenhohlraum
- 23
- Ringförmige Vertiefung
- 24
- Kanal/Bohrung
- 24a
- Langnut
- 24b
- Drosselbohrung
- 25
- Stirnseite 11
- 26
- Drosselbohrung 11
- 27
- Sensorik
- 28
- Kondensatorring
- 29
- Einschubhülse
- 30
- Magnetspule
- 31
- Führungselement
- 32
- Freisparung 31
- 33
- Rückhaltefeder
- 34
- Dichtkante
- 35
- Spalt
- 36
- Führungsring 20
- 37
- Freisparungen 36
- 38
- Anschlag 22
- 39
- Anschlag 6
- 40
- Schließfeder
- 41
- Heizelement
- 42
- Anschlussleitung
- 43
- Versorgungs-/Schaltvorrichtung
- 44
- weitere Komponente 10a
- A
- Kompressionsrichtung
- B
- Bewegung 20
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19635450 C1 [0002]
- DE 10327181 A1 [0002]
