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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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Für die präzise Zuteilung kleinster Einspritzmengen wird ein Injektor mit einer flachen Fördermengenkennlinie im vorderen ballistischen Bereich benötigt. Hierzu muss die Düsennadel möglichst langsam angehoben und schnell wieder geschlossen werden können. Das langsame Öffnen wird im Stand der Technik z. B. durch die Drosselauslegung am Steuerraum bzw. durch den Pilotventilhub vorgegeben.
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Im Stand der Technik ist es weiterhin bekannt, den Nadelhubanschlag von Injektoren verstellen zu können. Dies ermöglicht, die Einspritzmenge (je Zeitintervall) zusätzlich über die Einstellung des Hubweges der Düsennadel beeinflussen zu können. Bei einem bekannten Kraftstoffeinspritzventil gemäß der Druckschrift
DE 199 39 455 A1 wird hierzu im Düsenkörper ein Piezoaktuator angeordnet, welcher durch stellungsvariables Festbremsen am Düsenkörper beabsichtigte Anschlagspositionen für die Düsennadel definiert. Diese elektromechanisch arbeitende Anordnung ist jedoch aufwändig zu realisieren und kann bei Temperaturschwankungen fehleranfällig sein.
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Aus der Druckschrift
DE 32 11 208 A1 ist weiterhin ein Kraftstoffeinspritzventil bekannt, welches über zwei Feder-Sitzglieder und den Kraftstoffdruck gesteuert verschiedene Hubstellungen für die Ventilnadel vorgeben kann. Hierbei sind ein Anfangs- und ein Haupteinspritzhub darstellbar. Nachteilig ist jedoch die erhebliche Baugröße der Anordnung.
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Ausgehend hiervon liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen robusten Injektor zu schaffen, welcher bei kleiner Bauform eine zuverlässige Verstellung des der Düsennadel ermöglichten Hubs 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 Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß ein Injektor für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Der Injektor kann bevorzugt zur Verwendung in einem Common-Rail-System bereitgestellt werden, wobei der Injektor allgemein zur Verwendung mit Brennkraftmaschinen in Form von Otto- oder Dieselmotoren, insbesondere Großdieselmotoren und weiterhin insbesondere Fahrzeugmotoren vorgesehen ist, z. B. in Offroad- oder Schiffsanwendungen.
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Der Injektor weist einen Haltekörper auf, sowie einen an demselben angeordneten, insbesondere festgelegten Düsenkörper mit einer darin axial geführten Düsennadel. Zur Festlegung des Düsenkörpers am Haltekörper ist eine Düsenspannmutter vorgesehen, zur Führung bzw. Aufnahme der Düsennadel im Düsenkörper eine Axialbohrung im Düsenkörper. Die axiale Richtung, in welcher die Düsennadel bewegbar ist, ist nachfolgend als axiale Richtung bezeichnet.
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An dem Injektor, insbesondere in dem Düsenkörper, ist erfindungsgemäß ein Verstellmechanismus mit komplementären Rampen zur Einstellung des der Düsennadel ermöglichten Hubs gebildet. Vorgesehen ist hierbei, dass die komplementären Rampen, i. e. Rampen und Gegenrampen, für die Einstellung des der Düsennadel ermöglichten Hubs gegenläufig bewegbar sind.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Injektor ist vorteilhaft geeignet, die Düsennadel mittels des Verstellmechanismus neben einer Offen- und einer Schließstellung auch in wenigstens eine teilgeöffnete Zwischenstellung, entsprechend einem Teilhub bzw. einer Teilhubstellung, steuern zu können. Dies ist vorteilhaft, als es anzustreben ist, auch kleinste Einspritzmengen mit dem Injektor dosieren zu können, z. B. um günstige Emissionswerte zu erzielen. Für die präzise Zuteilung kleinster Einspritzmengen wird eine flache Fördermengenkennlinie im vorderen ballistischen Bereich benötigt. Hierzu muss die Düsennadel möglichst langsam angehoben und schnell wieder geschlossen werden können. Ein schnelleres Nadelschließen kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft dadurch erfolgen, dass der Nadelhub mittels des Verstellmechanismus begrenzt wird.
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Hierbei ist insbesondere die Möglichkeit von Vorteil, den Verstellmechanismus, aufgrund der Nutzung komplementärer Rampen, robust und zuverlässig ausfertigen zu können. insbesondere bei symmetrischen Rampenanordnungen im Injektor, z. B. um eine axial verlaufende Achse herum, können Querkräfte dabei vorteilhaft vermieden werden.
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Weiterhin baut der erfindungsgemäße Injektor vorteilhaft klein, da der Verstellmechanismus im Wesentlichen gänzlich in den Düsenkörper integrierbar ist. Dies erlaubt, bei der Bereitstellung des Injektors von umfangreichen Änderungen bekannter Lösungen außerhalb des Düsenkörpers Abstand nehmen zu können.
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Allgemein ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass der Verstellmechanismus hydraulisch betätigbar ist. Als Hydraulikfluid kann bevorzugt der vom Injektor auszubringende Kraftstoff vorgesehen sein, alternativ z. B. ein davon verschiedenes Hydraulikfluid. Denkbar ist daneben beispielsweise eine elektrische und/oder magnetische Betätigung des Verstellmechanismus.
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Der Verstellmechanismus des Injektors weist bei einer bevorzugten Ausführungsform einen ersten Körper mit wenigstens einer Rampe auf, welcher, insbesondere drehbeweglich, mit einem zweiten Körper des Verstellmechanismus, welcher wenigstens eine zu der Rampe des ersten Körpers komplementäre Rampe aufweist, zur Einstellung des der Düsennadel ermöglichten Hubs via die komplementären Rampen zusammenwirkt. Die Einstellung des Hubs erfolgt hierbei insbesondere im Zuge einer gegenläufigen Relativ(dreh)bewegung des ersten und zweiten Körpers. An dem jeweiligen ersten oder zweiten Körper können hierbei eine oder bevorzugt mehrere Rampen angeordnet sein, welche je auf einer korrespondierenden Gegenrampe des jeweiligen anderen Körpers laufen, i. e. je eine Rampenfläche bzw. schiefen Ebene des einen Körpers auf einer Rampenfläche bzw. schiefen Ebene des jeweils weiteren Körpers.
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Insbesondere bei bevorzugten Ausführungsformen des Injektors, bei welchen der Verstellmechanismus zu einer Hubverstellung im Zuge einer Drehbewegung ausgebildet ist, können die komplementären Rampen, i. e. Rampen und Gegenrampen, ringförmig, insbesondere im Kreis, in Umfangsrichtung der Düsennadel angeordnet sein, wobei die Scherkräfte an dem ersten und zweiten Körper bei einer Abstützung an einander über die komplementären Rampen vorteilhaft minimiert sind. Die Anordnung der Rampen und Gegenrampen ist hierbei an benachbarten, in Bezug auf die axiale Richtung stirnseitigen Enden des ersten und zweiten Körpers vorgesehen. Daneben ist es vom Gedanken der Erfindung mit umfasst, dass die komplementären Rampen im Rahmen einer linearen Bewegung gegen einander laufen. Die Rampen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein in Anlage an einer Gegenrampe, insbesondere gegen einander gedrängt, bevorzugt mittels einer Federlast.
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Bevorzugt wirkt der erste mit dem zweiten Körper über die komplementären Rampen derselben derart zusammen, dass bei einer Drehbewegung des ersten Körpers relativ zum zweiten Körper, insbesondere in Umfangsrichtung der Düsennadel, ein Anschlag für die Düsennadel, über welchen die Begrenzung bzw. Verstellung des Hubs der Düsennadel vorgesehen ist, axial verlagert wird. Bevorzugt ist der Anschlag unmittelbar durch den zweiten Körper gebildet.
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Bei einer bevorzugten, insbesondere klein bauenden, Anordnung umgeben der erste Körper und der zweite Körper je die Düsennadel in deren Umfangsrichtung, wobei sie im Düsenkörper aufgenommen sind und insbesondere je ringförmigen Querschnitt aufweisen. Diese Ausführungsform ermöglicht eine bevorzugte konzentrische Ausrichtung des Verstellmechanismus mit der Düsennadel und dem Düsenkörper und somit beispielsweise eine vorteilhaft einheitliche Werkzeugausrichtung bei der Bearbeitung des Düsenkörpers im Zuge der Fertigung.
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Der Verstellmechanismus kann bei dieser bevorzugten Ausgestaltung an einem von der Kraftstoffabgabevorrichtung in axialer Richtung entfernten Ende im Düsenkörper aufgenommen sein, d. h. benachbart zum Steuerraum bzw. einem Ende der Düsennadel. Hierbei können sich der erste Körper und – nachfolgend – der zweite Körper von dem Ende des Düsenkörpers in Richtung zur Kraftstoffabgabevorrichtung wegerstrecken.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der erste Körper drehbeweglich aber axialunverschieblich im Düsenkörper angeordnet ist, der zweite Körper axial verschieblich aber drehfest im Düsenkörper angeordnet ist. Derart kann der zweite Körper, welcher hierbei bevorzugt einen Anschlag für die Düsennadel bildet, bei einer Drehung des ersten Körpers in axialer Richtung mittels der gegen einander laufenden Rampen verschoben werden, i. e. in Richtung zur Kraftstoffabgabevorrichtung oder davon weg und somit den der Düsennadel ermöglichten Hub einstellen. Der verschiebliche Anschlag wirkt dabei bevorzugt gegen eine Schulter an der Düsennadel, welche sich von dieser radial wegerstreckt, alternativ oder zusätzlich gegen eine davon verschiedene Fläche an der Düsennadel.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der erste Körper ein Rotor sein. Dieser kann wenigstens einen Rotorflügel aufweisen, welcher dazu vorgesehen ist, den Rotor – insbesondere hydraulisch – verdrehen zu können, i. e. in Umfangsrichtung der Düsennadel. Der Rotor kann hierbei über wenigstens eine Steuerkammer verdreht werden, insbesondere eine Steuerkammer je Rotorflügel, welche bevorzugt mittels des Düsenkörpers und/oder einer Umfangsfläche des Rotors gebildet ist und in welche hinein sich der wenigstens eine Rotorflügel erstrecken kann. Dadurch, dass eine jeweilige Steuerkammer mittels des Düsenkörpers bereitgestellt wird, z. B. durch Materialausnehmung an demselben, kann insbesondere eine klein bauende Anordnung erzielt werden. In dem Düsenkörper kann hierbei auch der Rotor unaufwändig axial unverschieblich drehgelagert werden, zum Beispiel durch bloßes Einbringen einer Sacklochbohrung. Eine jeweilige Steuerkammer kann endseitig mit einem Deckelelement, bevorzugt einer Zwischenplatte, gedeckelt bzw. verschlossen sein, in welcher auch wenigstens eine Hydraulik- bzw. Steuerleitung zur Steuerkammer auf vorteilhaft einfache Weise, i. e. als Bohrung, gebildet sein kann.
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Der zweite Körper ist bevorzugt eine Hülse, welche drehfest aber axialverschieblich im Düsenkörper aufgenommen ist, und durch welche hindurch sich die Düsennadel erstrecken kann. Die Hülse kann aufgrund ihrer einfachen Geometrie kostengünstig bereitgestellt werden. Bevorzugt ist die Hülse in einer weiteren Sacklochbohrung aufgenommen und abgestützt, welche die Sacklochbohrung des Rotors in axialer Richtung mit verringertem Querschnitt zur Kraftstoffabgabevorrichtung hin fortsetzt. Bei dieser Ausgestaltung des Injektors können stirnseitige Rampen des Rotors in die Aufnahmebohrung für die Hülse eintauchen und mit stirnseitigen Gegenrampen der Hülse zur Einstellung des der Düsennadel ermöglichten Hubs – im Zuge einer Drehung des Rotors – interagieren, wobei der Rotor von bevorzugt ringförmigem Querschnitt gleichzeitig unaufwändig drehbeweglich abstützbar ist.
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Eine jeweilige Steuerkammer wird bevorzugt über einen Rotorflügel des Rotors unterteilt, d. h. in einen ersten und einen zweiten Steuerkammerteil, deren Volumen in Abhängigkeit der Drehstellung des Rotors variiert. Über eine insbesondere hydraulische Ansteuerung, insbesondere eine Entlastung des einen Steuerkammerteils kann der Rotor aus einer Stellung, z. B. einer Stellung, in welcher der Nadel Vollhub ermöglicht ist (Vollhub-Stellung), verdreht werden, insbesondere in eine Stellung, in welcher der Nadel Teilhub ermöglicht ist (Teilhub-Stellung). Hierzu kann ein Steuerkammerteil mit einer Steuerleitung kommunizieren. Vorgesehen kann sein, den Rotor über eine Federlast zurück zu drehen, welche bevorzugt auf die Hülse in axialer Richtung wirkt.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Rotor über eine Ansteuerung, insbesondere eine Entlastung, des einen und des anderen Steuerkammerteils verdrehbar und rückdrehbar ist, i. e. von einer Vollhub- in wenigstens eine Teilhubstellung und zurück. Hierzu kann ein jeweiliger erster oder zweiter Steuerkammerteil mit einer jeweiligen Steuerleitung kommunizieren. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor zwischen Endanschlägen für eine Dreh- oder Rückdrehbewegung wahlfrei stabil positionierbar bzw. stoppbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine, insbesondere sämtliche Steuerkammern über einen Ringkanal im Düsenkörper (sowie Stichleitungen) druckentlastbar. Über Drosseln können die Steuerkammern weiterhin mit dem Raildruck bzw. Systemdruck beaufschlagt sein, d. h. angeströmt werden.
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Vorgeschlagen wird erfindungsgemäß eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem wie vorstehend beschriebenen Injektor. Bevorzugt weist der Injektor, insbesondere in einem Injektorgehäuse aufgenommen, allgemein die Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wenigstens ein 2/2-Wegeventil oder ein 3/2-Wegeventil auf, über welche die Steuerkammer(n) ansteuerbar ist/sind. Insbesondere über ein 3/2-Wegeventil kann eine Hin- oder Her-Drehbewegung (Teilhub-/Vollhubstellung) durch wahlweise Druckentlastung des einen oder anderen Steuerkammerteils erfolgen. Insbesondere die aktive Ansteuerung beider Steuerkammerteile ermöglicht, z. B. in Verbindung mit kurzen Verstellwinkeln, einen Einzyklus-Betrieb des Verstellmechanismus, d. h. eine Bewegung von der einen in die andere Stellung während lediglich eines Motorarbeitsspiels. Auch durch Steigerung der Anzahl von Steuerkammern (Rotorflügel) kann ein Verstellmoment am Rotor hierbei erhöht werden. Um unterschiedliche stabile Teilhubstellungen realisieren zu können, kann die Verstelleinrichtung bei einer bevorzugten Ausführungsform mit einem 4/3-Wegeventil gesteuert werden.
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Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist bevorzugt mittels eines zentralen Hochdruckspeichers gebildet, welcher über eine Hochdruckpumpe mit Kraftstoff aus einem Vorrat versorgbar ist. Bevorzugt kann Kraftstoff, welcher im Rahmen der Ansteuerung des Verstellmechnismus als Hydraulikfluid vorgesehen ist, in den Vorrat zurück geleitet werden, insbesondere über das Steuerventil und eine Absteuerleitung.
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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 Schnittansicht eines Injektors gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung;
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2 exemplarisch und schematisch eine weitere Schnittansicht, wobei der Schnitt durch den Düsenkörper des Injektors gemäß 1 geführt ist;
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3 exemplarisch und schematisch eine explodierte Ansicht des Düsenkörpers des Injektors sowie darin aufgenommener Komponenten;
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4a und 4b exemplarisch und schematisch in einer transparenten und einer intransparenten Ansicht je den Rotor und die Hülse eines Verstellmechanismus des Injektors gemäß 1;
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5a bis 5c exemplarisch und schematisch den Verstellmechanismus in verschiedenen Rotordrehstellungen relativ zum Düsenkörper des Injektors gemäß 1;
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6a und 6b exemplarisch und schematisch je Ansichten zur Veranschaulichung einer Teilhub- und einer Vollhubstellung an dem Verstellmechanismus und der Düsennadel des Injektors gemäß 1; und
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7 exemplarisch und schematisch eine Draufsicht auf den Düsenkörper und die darin aufgenommenen Komponenten des Injektors gemäß 1 zur Veranschaulichung der kompakten konzentrischen Anordnung.
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In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen entsprechen gleichen Bezugszeichen Elemente gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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1 zeigt einen Injektor 1 für eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eine Common-Rail-Einspritzeinrichtung. Der Injektor 1 umfasst einen Haltekörper 2, an welchem ein Düsenkörper 3 sowie weitere Bestandteile des Injektors 1, insbesondere ein Hochdruckspeicher 4 sowie eine Zwischenplatte 5, aufgenommen und festgelegt sind. Der Injektor 1 weist ferner ein Pilotventil 6 auf, welches über eine Aktuatorik 7 des Injektors 1 betätigt wird.
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In einer Axialbohrung 8 des Düsenkörpers 3 ist eine axial verlagerbar geführte Düsennadel 9 aufgenommen, welche dazu vorgesehen ist, eine Kraftstoffabgabevorrichtung 10 am Düsenkörper 3, gebildet mittels einer Düsenanordnung, selektiv zu öffnen oder zu schließen, wozu ein Druckverhältnis in einem Steuerraum 11 des Injektors 1 insbesondere über das Pilotventil 6 je geeignet eingestellt werden kann.
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In dem Düsenkörper 3 ist erfindungsgemäß weiterhin ein Verstellmechanismus 12 mit komplementären Rampen 13, 14, z. B. 4a und 4b, zur Einstellung des der Düsennadel 9 ermöglichten Hubs, i. e. eines Hubs aus der Schließ- in eine Offenstellung, gebildet. Mittels des Verstellmechanismus 12 kann ein Anschlag 15 axial verlagert werden, um den möglichen Hub der Düsennadel 9 gegenüber einer Vollhubstellung zu begrenzen, i. e. eine Teilhubstellung für dieselbe zu definieren. Der Anschlag 15 wirkt im Düsenkörper 3 hierzu gegen eine (Ring-)Schulter 16 der Düsennadel 9.
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Der Verstellmechanismus 12, s. z. B. 2 und 3, ist ringförmig gebildet und umfängt ein der Kraftstoffabgabevorrichtung 10 abgewandtes Ende der Düsennadel 9 mitsamt der daran aufgenommenen Buchse 18, welche den Steuerraum 11 bildet, sowie die Düsenfeder 19, welche mit einem Ende an der Schulter 16 abgestützt ist. Hierbei erstreckt sich der Verstellmechanismus 12 über einen Abschnitt des Düsenkörpers 3 von einem Ende 17 desselben in Richtung zur Kraftstoffabgabevorrichtung 10 hin.
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Der Verstellmechanismus 12 weist einen ersten Körper bzw. Rotor 20 auf, welcher zur axialen Verstellung des Anschlags 15 für die Düsennadel 9 drehbeweglich mit einem zweiten Körper bzw. einer Hülse 21 über die komplementären Rampen 13, 14 am Rotor 20 und der Hülse 21 zusammenwirkt. Der Rotor 20 weist einen ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen Körper 22 sowie zwei daran diametral am Außenumfang angeordnete Flügel 23 und 24 auf, welche zum Erzeugen eines Drehmoments am Rotor 20 und hierzu je zur Anordnung in einer Steuerkammer 25 am Düsenkörper 3 vorgesehen sind, wie nachfolgend noch näher ausgeführt ist.
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Der Rotor 20 stellt weiterhin eine erste Stirnseite 26 bereit, welche abgestuft ist. Derart bildet die Stirnseite 26 sowohl eine ringförmige und planare Anlagefläche 27, z. B. 4b, für eine drehbewegliche Abstützung am Düsenkörper 3 (und einer Rückstellfeder) als auch einen kreisringförmig umlaufenden Überstand 28, an welchem eine Anzahl gleichförmiger Rampen 13, i. e. in Umfangsrichtung des Rotors 20 auf einander folgend, gebildet ist. Die Rampen 13 insbesondere gleicher Rampensteigung und in Umfangsrichtung gebogener Form sind gleichmäßig in Kreisform an dem Überstand 28 in Umfangsrichtung verteilt gebildet, wobei sich deren Rampenflächen in axialer Richtung von der Stirnseite 26 wegerstrecken.
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Ersichtlich, z. B. 4a, sind in den Rotor 20 je Flügel 23, 24 eine Befülldrosselbohrung 29 und eine Druckausgleichsbohrung 30 eingebracht, wobei sich von jedem Flügelende – in Umfangsrichtung – eine Bohrung 29 bzw. 30 in den Innenhohlraum 31 des ringförmigen Körpers 22 erstreckt. Mulden 32, 33 an den Flügeln 23, 24 sind dazu vorgesehen, eine Drehbewegung des Rotors 20 um die axiale Achse A zu unterstützen. Weiterhin ersichtlich ist eine zweite Stirnseite 34 des Rotors 20, welche zur ersten Stirnseite 26 entgegen gesetzt ist, trichterförmig zur ersten Stirnseite 26 hin verjüngt gebildet. In die Trichterform mündet eine Hochdruck-Kraftstoffleitung 42 des Injektors 1, z. B. 1.
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Die Hülse 21 des Verstellmechanismus 12 weist ebenfalls ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, Querschnitt auf, z. B. 4a oder 4b, wobei deren erste Stirnseite 35 ebenfalls abgestuft ist. An der ersten Stirnseite 35 sind hierdurch eine planare, ringförmige Anlagefläche 36 (für die Rückstellfeder des Verstellmechanismus 12, s. unten) als auch ein ringförmiger Überstand 37 bereitgestellt. An dem Überstand 37 sind Gegenrampen 14 gebildet, vorliegend z. B. vier Rampen 14, welche im Rahmen des Verstellmechanismus 12 mit den Rampen 13 des Rotors 20 zur Einstellung des der Düsennadel 9 ermöglichten Hubs zusammenwirken und als zu den Rampen 13 komplementäre Rampen korrespondierend über den Überstand 37 in Umfangsrichtung gebildet und angeordnet sind. Die in Umfangsrichtung bogenförmigen Rampen 14 erstrecken sich mit ihren Rampenflächen in axialer Richtung von der ersten Stirnseite 35 weg.
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Eine zweite Stirnseite 38 der Hülse 21 ist ebenfalls abgestuft gebildet, insbesondere mehrfach. Mittels der Abstufung werden ein ringförmiger Überstand 39, welcher als Anschlag 15 für die Düsennadel 9 wirkt, und eine ringförmige Anlagefläche 40 zur Abstützung an einer Vorspannfeder gebildet. Ein Mantelflächenmittenabschnitt 41 zwischen den abgestuften Stirnseiten 35, 38, welcher zur Anlage und radialen Abstützung am Düsenkörper 3 dient, weist hierbei einen Querschnitt auf, welcher mit einem Bohrungsquerschnitt einer Bohrung 48 zur Aufnahme der Hülse 21 am Düsenkörper 3 korrespondiert.
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Der Verstellmechanismus 12 ist an einem von der Kraftstoffabgabevorrichtung 10 in axialer Richtung entfernten Ende 17 des Düsenkörpers 3 im Düsenkörper 3 aufgenommen, wozu derselbe geeignete Axialausnehmungen bzw. Bohrungen aufweist. Eine (Sackloch-)Bohrung 43 erstreckt sich hierbei von dem Ende 17 weg hin zur Kraftstoffabgabevorrichtung 10, wobei in deren Umfangswand 44 über zwei Umfangsabschnitte 45, 46 je eine Ausnehmung gearbeitet ist, z. B. 2 oder 3, welche je zur Bildung einer Steuerkammer 25 zur Steuerung der Rotordrehstellung dienen, und in welchen je ein Flügel 23 bzw. 24 des Rotors 20 aufzunehmen ist. Die Sacklochbohrung 43 weist daneben eine axiale Erstreckung auf, welche geeignet ist, den Rotor 20 derart zu lagern, dass dessen zweite Stirnseite 34 endseitig mit dem Ende 17 des Düsenkörpers fluchtet. Der Durchmesser der Sacklochbohrung 43 ist ansonsten auf den Außendurchmesser des ringförmigen Körpers 22 des Rotors 20 angepasst. In der Bohrung 43 ist der Rotor 20 mit seiner Anlagefläche 27 ausschließlich drehbeweglich aufgenommen bzw. abgestützt, wobei sich die Buchse 18 unter Aufrechterhaltung eines Ringspalts 47 durch dessen Ringöffnung bzw. Innenhohlraum 31 erstreckt.
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Eine zweite (Sackloch-)Bohrung 48, welche sich konzentrisch zu der ersten Sacklochbohrung 43 mit verringerten Durchmesser von der ersten Sacklochbohrung 43 hin zur Kraftstoffabgabevorrichtung 10 axial wegerstreckt, weist Abmessungen auf, welche geeignet sind, die Hülse 21 sowohl radial unverlagerbar abgestützt als auch an der Stirnseite 38 benachbart zur Ringschulter 16 der Düsennadel 9 abstützbar aufzunehmen. In der Bohrung 48 ist die Hülse 21 weiterhin gegen Drehung um eine axial verlaufende Achse A, 2, gesichert eingebracht, wozu in der Sacklochbohrung 48 ein Verdrehsicherungselement, z. B. eine Nut oder eine Feder, eingearbeitet ist, welches mit einem korrespondierenden Verdrehsicherungselement, z. B. einer Feder oder Nut an der Hülse 21, nicht dargestellt, zur Verdrehsicherung zusammenwirkt. Über die Bohrungen 43, 48 bzw. den Ringspalt 47 sowie die Bohrung 8 erstreckt sich ein Kraftstoffströmungsweg zur Kraftstoffabgabevorrichtung 10, i. e. durch den Rotorkörper 22 und das Innere der Hülse 21 hindurch, wozu die Schulter 16 Aussparungen 16a, 3, aufweist.
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In der Bohrung 48 sind weiterhin eine erste 49 und eine zweite 50 Schraubendruckfeder aufgenommen, wobei sich die erste Schraubenfeder 49 einerseits gegen die Stirnfläche der Bohrung 48 und andererseits an der Anlagefläche 40 abstützt, so dass die Hülse 21 mit einer Vorspannung beaufschlagt und hin zu dem Ende 17 gedrängt wird. Die komplementären Rampen 13 bzw. 14 sind in Umfangsrichtung der ringförmigen Stirnseiten 26 und 35 an einander in Eingriff gelangt und werden gegen einander gedrängt.
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Die zweite Schraubendruckfeder 50 ist in der Bohrung 48 zwischen der Hülse 21 und dem Rotor 20 aufgenommen, wobei sie gegen die Anlagefläche 27 des Rotors 20 und die Anlagefläche 36 der Hülse 21 abgestützt ist. Die zweite Schraubendruckfeder 50 wirkt hierbei als Rückstellelement für den Rotor 20.
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Wie insbesondere den 2 und 3 zu entnehmen ist, ist am Düsenkörperende 17 ferner eine umlaufende Nut 51 gebildet, welche zur Bildung eines Ringkanals vorgesehen ist. Die umlaufende Nut 51 kommuniziert über Stichleitungen 52, 53, welche je als Ablaufdrossel gebildet sind, mit den Steuerkammern 25 für den Verstellmechanismus 12, wie unten stehend näher ausgeführt ist.
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Nachfolgend wird insbesondere auf das Wirkprinzip des Injektors 1 und des Verstellmechanismus 12 näher eingegangen.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Verstellmechanismus 12 im Düsenkörper 3 aufgenommen, wobei dessen offenes Ende 17 mit der Zwischenplatte 5 gedeckelt ist. Die Zwischenplatte 5 bildet hierbei zusammen mit der umlaufenden Nut 51 einen Ringkanal, welcher mit einer Absteuerleitung 54 in der Zwischenplatte 5 und einem Entlastungsventil 55, welches als 2/2-Wege-Ventil gebildet und lediglich schematisch dargestellt ist, kommuniziert.
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Die Zwischenplatte 5 deckelt weiterhin die Materialausnehmungen in der Umfangswand 44 der Bohrung 43 zur bzw. unter Bildung der ersten und zweiten Steuerkammer 25, in welchen je ein Flügel 23 bzw. 24 aufgenommen ist. Die jeweilige Steuerkammer 25 wird insoweit von der Bohrung 43, der Zwischenplatte 5 und der Rotormantelfläche gebildet und auch abgedichtet. Wie z. B. den 5a bis 5c entnehmbar ist, teilt der Rotorflügel 23 bzw. 24 die jeweilige Steuerkammer 25 hierbei drehstellungsabhängig in erste 25a und zweite 25b Steuerkammerteile variierenden Volumens. Die Steuerkammern 25 definieren hierbei via deren Erstreckung in Umfangsrichtung den den Rotorflügeln 23 bzw. 24 zugestandenen Rotationsspielraum um die axiale Achse A und insoweit den ermöglichten Verstellweg des Anschlags 15 über die Rampen 13, 14.
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Über die Steuerkammern 25 kann der Rotor 20 von einer Teilhub-Stellung, 5a, in eine Vollhub-Stellung, 5c, der Verstelleinrichtung 12 umgesteuert werden, wobei 5c eine Zwischenstellung im Zuge eines Umsteuerns veranschaulicht. In der Teilhub-Stellung gemäß 5a ist ein jeweiliger Rotorflügel 23 bzw. 24 hierbei je in Anlage an einer die Rotordrehung in einer ersten Drehrichtung begrenzenden Stirnwand 56 der jeweiligen Steuerkammer 25, in der Vollhubstellung je in Anlage an einer die Rotordrehung in einer zur ersten Richtung entgegen gesetzten Drehrichtung begrenzenden Stirnwand 57 der jeweiligen Steuerkammer 25.
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In der Teilhub-Stellung, welche in 6a noch näher veranschaulicht ist, nimmt der Rotor 20 eine erste Relativdrehstellung zur Hülse 21 ein und insoweit die komplementären Rampen 13 bzw. 14. In der Teilhub-Stellung, korrespondierend mit einer ersten Rotordrehstellung gemäß 5a, sind die komplementären Rampen 13 bzw. 14 gegenläufig aufeinander „hochgelaufen”, wodurch der Anschlag 15 zu einer axialen Verlagerung hin zu der Ringschulter 16 gezwungen wurde, s. linke und mittige Ansichten in 6a. Hierdurch wird der Düsennadel 8 ein gegenüber der Vollhub-Stellung, 6b, verringerter Hub ermöglicht, rechte Ansichten in 6a und 6b.
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In der Vollhub-Stellung, welche in 6b näher veranschaulicht ist, nimmt der Rotor 20 eine zweite Relativdrehstellung zur Hülse 21 ein und insoweit die komplementären Rampen 13 bzw. 14. In der Vollhub-Stellung, korrespondierend mit einer zweiten Rotordrehstellung gemäß 5c, sind die komplementären Rampen 13 bzw. 14 nicht auf einander hochgelaufen bzw. verdreht, sondern liegen über ihre gesamte Rampenfläche je an einer komplementären Rampenfläche an, wobei der Anschlag 15 eine unverlagerte Ruhestellung korrespondierend mit der Vollhub-Stellung behält, linke und mittige Ansichten in 6b. In der Vollhub-Stellung wird der Düsennadel 8 ein gegenüber der Teilhub-Stellung somit vergrößerter Hub, s. rechte Ansicht je in 6a und 6b, ermöglicht. In der Vollhub-Stellung schlägt die Nadel 9 oben in der Buchse 18 an.
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Nachfolgend wird nunmehr näher auf die Ansteuerung bzw. Betätigung des Verstellmechanismus 12 eingegangen.
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In der Vollhub-Stellung des Verstellmechanismus 12 gemäß z. B. 5c ist der Rotor 21 je mit den Flügeln 23 bzw. 24 an den Stirnwänden 57 in Anlage, wobei der erste Kammerteil 25a mit system- bzw. raildruckbeaufschlagtem Kraftstoff befüllt ist. Der erste Kammerteil 25a kommuniziert mittels der jeweiligen Befülldrossel 29 mit dem Innenhohlraum 31 bzw. dem Ringspalt 47, welche je raildruckbeaufschlagt sind. Zur Einnahme und Beibehaltung der Vollhub-Stellung werden die Flügel 23 bzw. 24 durch die Rückstellfeder 50 in Anlage gegen je eine Stirnwand 57 gedrängt, wobei (in Drehrichtung betrachtet) auf beiden Seiten des jeweiligen Flügels 23 bzw. 24 Systemdruck bzw. Raildruck anliegt (in dem zweiten Steuerkammerteil 25b je via die Druckausgleichsbohrung 30, welche ebenfalls mit dem Innenhohlraum 31 bzw. dem Ringspalt 47 kommuniziert).
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Um die Teilhub-Stellung einzunehmen, bei deren Einnahme die Rampen 13 und 14 an einander hochlaufen bzw. der Anschlag 15 axial verlagert wird, wird der Rotor 20 zu einer Drehbewegung um die Achse A gezwungen, in deren Zuge die Flügel 23 bzw. 24 an der jeweiligen weiteren Steuerkammer-Stirnwand 56 zur Anlage gelangen. Hierzu wird der jeweilige erste Steuerkammerteil 25a über eine jeweilige Ablaufdrossel 52 bzw. 53, welche an der jeweiligen Stirnwand 56 in den ersten Kammerteil einmündet, druckentlastet. Zur Druckentlastung wird das Absteuerventil 55 betätigt, welches im Druckspeicherkörper 4 oder allgemein im Injektorkörper aufgenommen ist, 1. Bei Öffnen des Absteuerventils 55 wird raildruckbeaufschlagter Kraftstoff aus dem ersten Steuerkammerteil 25a über die Ablaufdrossel 52 bzw. 53, den Ringkanal 51 sowie eine Absteuerleitung 54 in Kommunikation mit dem Ringkanal 51 abgefordert. Abfließender Kraftstoff kann hierbei in einen Vorrat abgeführt werden.
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Im Zuge der Druckentlastung des jeweiligen ersten Steuerkammerteils 25a wird der Rotor 20 gedreht, insoweit als das Nachfließen des Kraftstoffs über die Befülldrossel 29 die Entlastung aufgrund des abgeförderten Kraftstoffs nicht zeitgleich kompensieren kann, so dass am jeweiligen Rotorflügel 23 bzw. 24 ein Drehmoment eingeleitet wird. Hierbei wird über die jeweilige Druckausgleichsbohrung 30, welche mit dem Innenhohlraum 31 kommuniziert, raildruckbeaufschlagter Kraftstoff in den jeweiligen zweiten Kammerteil 25b nachgeführt und somit ein etwaiges Gegendrehmoment vermieden. Die Teilhubstellung wird hierbei gehalten, solange das Entlastungsventil 55 aktiviert ist.
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Bei Deaktivierung des Entlastungsventils 55 bewegt sich der Rotor 20 in die Vollhub-Position zurück, wozu die Rückstellfeder vorgesehen ist. Kraftstoff kann hierbei über die Befülldrossel 29 in den ersten Steuerkammerteil 25a zurückströmen.
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist das Druckentlastungsventil 55 ein 2/2-Wegeventil.
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Alternativ kann im Rahmen der Erfindung bevorzugt auch vorgesehen sein, den Verstellmechanismus 12 ohne Rückstellfeder 50 zu bilden. In diesem Fall kann vorgesehen sein, beide jeweiligen Steuerkammerteile 25a, b über das Ventil 55 ansteuern zu können, z. B. über ein 3/2-Wegeventil.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei welcher sowohl die jeweiligen ersten 25a als auch zweiten 25b Steuerkammerteile ansteuerbar sind, ist vorgesehen, den Rotor 20 auch in beliebigen Stellungen zwischen Endanschlagsstellungen in Bezug auf die Flügel 23 bzw. 24 in den jeweiligen Steuerkammern 25 anhalten zu können, i. e. korrespondierend mit vollvariablen, je stabil aufrechterhaltbaren Teilhubstellungen. Hierzu kann ein 4/3-Wegeventil als Steuerventil 55 vorgesehen sein, über welches hochdruckbeaufschlagter Kraftstoff in einer ersten Ventilstellung an den ersten Teil 25a der jeweiligen Kammer 25 zuförderbar und aus dem zweiten Teil 25b abförderbar ist bzw. in einer zweiten Ventilstellung hochdruckbeaufschlagter Kraftstoff an den jeweiligen zweiten Kammerteil 25b zuförderbar und aus dem jeweiligen ersten Kammerteil 25a abförderbar ist. In einer dritten Ventilstellung kann sowohl die Zu- als auch Abförderung zu den bzw. von den Kammerteilen 25a, b über das Ventil 55 unterbrochen werden, so dass die gegenwärtige Drehstellung des Rotors 20 gehalten wird, wodurch beliebige Teilhubstellungen im Rahmen des zugestandenen Hubs realisierbar sind.
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Die Erfindung ermöglicht durch den verkürzten Flugweg der Nadel 9 bei Teilhub, eine flachere Fördermengenkennlinie zu erhalten. Der Drosseleffekt im Nadelsitz kann bei verringertem Nadelhub kontrolliert genutzt werden. Durch diese Vorteile wird es ermöglicht, eine kleine Voreinspritzmenge besser bzw. genauer dosieren zu können und zugleich auch das transiente Verhalten des Motors zu verbessern. In der Teillast können bessere Ergebnisse hinsichtlich der Abgasemission erzielt werden. Wenn bei niedriger Teillast mit verringertem Nadelhub und gleichzeitig erhöhtem Raildruck gefahren wird, kann der Motor nach dem sprunghaften Lastwechsel sofort auf die Volllastmenge übergehen und schneller beschleunigen oder durch schnelleres Bereitstellen eines höheren Strahlimpulses verbrennungstechnisch besser arbeiten (z. B. weniger Ruß). Durch die Unterbringung des Verstellmechanismus 12 im Düsenkörper 3 können bekannte Aktuatoranordnungen unverändert beibehalten werden. Alternativ kann der Verstellmechanismus 12 ggf. auch außerhalb des Düsenkörpers 3 angeordnet sein, z. B. in der Zwischenplatte 5 und/oder darüber, i. e. in Richtung weg von der Kraftstoffabgabevorrichtung 10.
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Der Verstellmechanismus 12 kann vorteilhaft in Kombination mit einer variablen Pilotventil-Hubverstelleinrichtung 58 in einem Injektor 1 eingesetzt werden, 1. Eine solche ermöglicht, zusätzlich zu dem erfindungsgemäß schnelleren Schließen der Nadel, ein langsames Anheben der Düsennadel. Hierdurch wird die Kleinstmengenfähigkeit des Injektors 1 weiter verbessert. Die Pilotventil-Hubverstelleinrichtung 58 kann vorteilhaft mittels eines Hydraulikzylinders 59 gebildet sein, dessen Kolbenelement 60 gegen ein Stellelement 61 eines Aktuators 7 zur Pilotventilbetätigung steuer- bzw. verlagerbar ist, 1.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind zahlreiche Variationen möglich. Z. B. kann die Anzahl und Steigung der Rampen 13 bzw. 14 variiert werden, die Anzahl der Steuerkammern 25 etc. Der Injektor 1 wird bevorzugt in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung genutzt, wobei über das Ventil 55 abgeforderter Kraftstoff in einen Vorrat zurückgefördert werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Injektor
- 2
- Haltekörper 1
- 3
- Düsenkörper 1
- 4
- Hochdruckspeicher 1
- 5
- Zwischenplatte 1
- 6
- Pilotventil 1
- 7
- Aktuatorik 1
- 8
- Axialbohrung 3
- 9
- Düsennadel 1
- 10
- Kraftstoffabgabevorrichtung
- 11
- Steuerraum 3
- 12
- Verstellmechanismus 1
- 13
- Rampe 20
- 14
- Gegenrampe 21
- 15
- Anschlag 21
- 16
- Schulter 9
- 16a
- Aussparungen 16
- 17
- Ende 3
- 18
- Buchse 1
- 19
- Düsenfeder 1
- 20
- Rotor 12
- 21
- Hülse 12
- 22
- Ringförmiger Körper
- 23
- Flügel 20
- 24
- Flügel 20
- 25
- Steuerkammer 12
- 25a
- Steuerkammerteil 25
- 25b
- Steuerkammerteil 25
- 26
- Stirnseite 20
- 27
- Anlagefläche 20
- 28
- Überstand 20
- 29
- Befülldrossel 20
- 30
- Bohrung 20
- 31
- Hohlraum 20
- 32
- Mulde 23 bzw. 24
- 33
- Mulde 23 bzw. 24
- 34
- zweite Stirnseite 20
- 35
- Stirnseite 21
- 36
- Anlagefläche 21
- 37
- Überstand 21
- 38
- zweite Stirnseite 21
- 39
- Überstand 21
- 40
- Anlagefläche 21
- 41
- Mittenabschnitt
- 42
- Hochdruck-Kraftstoffleitung
- 43
- Bohrung 3
- 44
- Umfangswand 43
- 45
- Umfangsabschnitt 44
- 46
- Umfangsabschnitt 44
- 47
- Ringspalt
- 48
- Bohrung 3
- 49
- Schraubenfeder 12
- 50
- Rückstellfeder 12
- 51
- Nut (Ringkanal) 3
- 52
- Stichleitung (Drossel) 3
- 53
- Stichleitung (Drossel) 3
- 54
- Absteuerleitung
- 55
- Ventil 1
- 56
- Stirnwand 25
- 57
- Stirnwand 25
- 58
- Pilotventil-Hubverstelleinrichtung
- 59
- Hydraulikzylinder
- 60
- Kolbenelement
- 61
- Stellelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19939455 A1 [0003]
- DE 3211208 A1 [0004]
