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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor, insbesondere einen Einblasinjektor zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff, insbesondere Erdgas.
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Einblasinjektoren zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Ein Unterschied zu den weitverbreiteten Einspritzventilen für flüssigen Kraftstoff liegt bei Einblasinjektoren darin, dass große Öffnungsquerschnitte zum Einblasen großer Fluidmengen benötigt werden. Dies muss bei Einblasinjektoren entsprechend durch große Öffnungsquerschnitte erreicht werden. Ein weiterer Unterschied zu flüssigen Kraftstoffen liegt ferner darin begründet, dass gasförmige Kraftstoffe häufig unter sehr hohem Druck im Fahrzeug gespeichert werden müssen. Bei Dieselinjektoren ist es ferner bekannt, ein Servoventil zu verwenden, wenn die erzeugten Antriebshübe für eine Nadel des Dieselinjektors nicht ausreichend sind, was insbesondere bei Dieselinjektoren mit Piezoantrieb der Fall ist. Hierbei wird eine zum Öffnen des Servoventils verwendete Steuermenge über eine Rücklaufleitung zurück zum Tank geführt. Dies führt jedoch zu hohen Kosten des Dieselinjektors sowie einer Verlustleistung durch die Steuermenge für das Servoventil. Dieses aus den Piezo-Dieselinjektoren bekannte Prinzip kann allerdings nicht für Gasinjektoren verwendet werden, da der gasförmige Kraftstoff im Tank unter hohem Druck steht und die Steuermenge für das Servoventil immer einen Druckabfall erfährt, so dass ein Zurückleiten in den unter Druck stehenden Gastank nicht möglich ist bzw. zusätzlich ein Kompressor vorgesehen werden müsste, um die Steuermenge wieder auf den Gasdruck im Gastank zu bringen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor, insbesondere Einblasinjektor zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass der Injektor große Öffnungsquerschnitte, insbesondere zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff bereitstellen kann, wobei der Injektor sehr einfach und kostengünstig ohne große Zusatzteile aufgebaut ist. Insbesondere kann erfindungsgemäß auf eine Rücklaufleitung für eine Kraftstoff-Steuermenge zum Öffnen eines Steuerventils verzichtet werden. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Steuermenge zum Öffnen des Steuerventils nach dem Öffnen des Steuerventils in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine zuführbar ist. Vorzugsweise wird die Kraftstoff-Steuermenge des Steuerventils direkt in den Brennraum zugeführt. Somit kann ein Rücklauf erfindungsgemäß entfallen und ferner tritt auch keine Verlustleistung durch den Rücklauf auf. Erfindungsgemäß umfasst der Injektor dabei ein Hauptventil zum Freigeben und Verschließen eines ersten Fluidpfads für den Kraftstoff und ein Steuerventil zum Freigeben und Verschließen eines zweiten Fluidpfads für den Kraftstoff. Dabei ist das Steuerventil eingerichtet, das Hauptventil zu öffnen, um einen größeren Öffnungshub des Hauptventils zu realisieren. Die zum Öffnen benötigte vorbestimmte Kraftstoff-Steuermenge des Steuerventils wird dann neben der über das Hauptventil eingebrachten Kraftstoffmenge zum Brennraum zugeführt. Der Injektor ist vorzugsweise ein Einblasinjektor zum Einblasen von gasförmigem Kraftstoff oder verflüssigtem Erdgas oder dergleichen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise umfasst das Hauptventil eine erste Ventilnadel und das Steuerventil umfasst eine zweite, hohle Ventilnadel. Die erste Ventilnadel ist dabei innerhalb der zweiten, hohlen Ventilnadel angeordnet. Hierdurch lässt sich ein besonders kompakter Aufbau des Injektors erreichen.
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Weiter bevorzugt ist auch die erste Ventilnadel des Hauptventils als hohle Ventilnadel ausgebildet und der erste Fluidpfad des Hauptventils verläuft durch die hohle erste Ventilnadel.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Injektor einen ersten Dichtsitz, an welchem die erste Ventilnadel den ersten Fluidpfad freigibt und verschließt, wobei der erste Dichtsitz zwischen der ersten Ventilnadel und der zweiten Ventilnadel angeordnet ist. Die erste Ventilnadel und die zweite Ventilnadel weisen dabei vorzugsweise an ihren einspritzseitigen Enden ringförmige Flanschbereiche auf, zwischen den der erste Ventilsitz ausgebildet ist.
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Vorzugweise ist ein zweiter Dichtsitz, an welchen die zweite Ventilnadel einen zweiten Fluidpfad für das Steuerventil freigibt und verschließt, zwischen der zweiten Ventilnadel und einem Gehäuse des Injektors angeordnet.
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Bevorzugt umfasst der Injektor ferner ein Drosselelement mit einer Drosselstelle, wobei die Drosselstelle im zweiten Fluidpfad des Steuerventils angeordnet ist und wobei das Drosselelement vorzugsweise mit der ersten Ventilnadel verbunden ist, um sich gemeinsam mit der ersten Ventilnadel zu bewegen.
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Weiter bevorzugt sind die erste Ventilnadel und die zweite Ventilnadel als nach außen öffnende Ventilnadeln vorgesehen.
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Bevorzugt ist ein Aktor zur Betätigung des Steuerventils ein Magnetaktor mit einem Magnetanker, einer Spule, einem Innenpol und einem magnetischen Rückschluss. Bevorzugt ist dabei der Magnetaktor punktuell mit der zweiten Ventilnadel verbunden und der zweite Fluidpfad verläuft zwischen dem Magnetanker und der zweiten Ventilnadel. Dadurch kann der zweite Fluidpfad problemlos am äußeren Umfang der zweiten Ventilnadel verlaufen.
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Besonders bevorzugt weist die zweite Ventilnadel eine Abflachung an einer äußeren Mantelfläche auf, wobei der zweite Fluidpfad entlang der Abflachung verläuft.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Aktor zur Betätigung des Steuerventils ein Piezoaktor.
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Vorzugsweise ist das Drosselelement eine Drosselscheibe und die Drosselstelle ist vorzugsweise eine Bohrung durch die Drosselscheibe.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind das Steuerventil und das Hauptventil in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Einspritzsystem, umfassend einen erfindungsgemäßen Injektor, insbesondere einen Einblasinjektor, und ein Gasreservoir für den einzubringenden Kraftstoff, insbesondere einen Rail. Im Gasreservoir herrscht in einer Ansaugphase und einer Kompressionsphase bevorzugt immer ein größerer Druck, als ein Druck in einem Brennraum der Brennkraftmaschine. Dadurch ist es möglich, dass insbesondere auch noch während der Kompressionsphase Kraftstoff in den Brennraum eingeblasen werden kann.
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Der erfindungsgemäße Injektor wird insbesondere als Einblasinjektor für Erdgas verwendet.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Einblasinjektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
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2 bis 6 schematische Teilschnittansichten, welche einen Öffnungs- und Schließvorgang des Einblasinjektors von 1 darstellen, und
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7 eine schematische Schnittansicht eines Einblasinjektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 ein Einblasinjektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der Einblasinjektor 1 des ersten Ausführungsbeispiels ein Injektor, welcher direkt in einen Brennraum 6 einspritzt. Der Einblasinjektor 1 ist dabei ein nach außen öffnender Injektor.
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Der Einblasinjektor 1 umfasst ein Hauptventil 2, ein Steuerventil 3 sowie einen Aktor 4, welcher in diesem Ausführungsbeispiel Magnetaktor ist. Der Aktor 4 umfasst einen Anker 40, eine Spule 41, einen Innenpol 42 und einen magnetischen Rückschluss 43. Der Aufbau des Einblasinjektors 1 dieses Ausführungsbeispiels ist dabei derart, dass mittels des Aktors 4 das Steuerventil 3 betätigbar ist.
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Das Hauptventil 2 umfasst eine erste, hohle Ventilnadel 20, ein erstes Rückstellelement 23 und einen ersten, nach außen gerichteten Flansch 25, welcher am einspritzseitigen Ende der Ventilnadel 20 angeordnet ist. Das Steuerventil 3 umfasst eine zweite hohle Ventilnadel 30, ein zweites Rückstellelement 33 und einen zweiten, nach außen gerichteten Flansch 35. Die erste Ventilnadel 20 ist somit axial verschiebbar innerhalb der zweiten Ventilnadel 30 angeordnet.
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Hierbei ist ein erster Dichtsitz 21 zwischen der ersten Ventilnadel 20 und der zweiten Ventilnadel 30 im Bereich der nach außen gerichteten Flansche 25, 35 vorgesehen. Das Hauptventil 2 umfasst ferner einen ersten Fluidpfad 22, welcher durch die hohle Ventilnadel 20 verläuft und von einem Rail 17 gespeist wird.
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Ein zweiter Dichtsitz 31 ist zwischen dem Steuerventil 3 und einem Bauteil eines Gehäuses 5 ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der zweite Dichtsitz 31 zwischen dem zweiten nach außen gerichteten Flansch 35 und einem Ventilkörper 51 ausgebildet. Das Gehäuse 5 umfasst ferner eine Hülse 52 und ein Anschlussstück 53, welches eine Verbindung zum Rail 17 herstellt. Ein zweiter Fluidpfad 32 verläuft dabei an einem äußeren Bereich des Steuerventils 3, wobei die zweite hohle Ventilnadel 30 an ihrem äußeren Umfang eine Abflachung 8 aufweist.
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Damit Fluid bis zur Abflachung 8 gelangen kann, ist der Anker 40 des Aktors 4 mittels mehrerer Schweißpunkte 24 mit der zweiten hohlen Ventilnadel 30 an deren äußerem Umfang verbunden. Somit kann Fluid in den Zwischenräumen zwischen den Schweißpunkten 24 zur Abflachung 8 und zum einspritzseitigen Ende der zweiten Ventilnadel 30 strömen.
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Der Einblasinjektor 1 umfasst ferner ein Drosselelement 7, welches in diesem Ausführungsbeispiel scheibenförmig ausgebildet ist. Das Drosselelement 7 weist eine Drosselstelle 70 in Form einer Bohrung durch das Drosselelement auf. Über eine umlaufende Schweißnaht 71 ist das Drosselelement 7 mit der ersten Ventilnadel 20 verbunden (vgl. 1). Dadurch ist das Drosselelement 7 gemeinsam mit der Ventilnadel 20 bewegbar. Die Hülse 52 dient dabei als Führungselement für das Drosselelement. Ein Radialspiel des Drosselelements 7 gegenüber dem Gehäuse 5, insbesondere der Hülse 52, ist dabei möglichst klein.
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Das Bezugszeichen 9 bezeichnet einen Anschlag für den Anker 40 des Aktors 4. Der Einblasinjektor 1 ist, wie aus 1 ersichtlich ist, in einem Zylinderkopf 18 angeordnet und ragt etwas in den Brennraum 6 einer Brennkraftmaschine vor. Zur Abdichtung zwischen dem Einblasinjektor 1 und dem Zylinderkopf 18 ist ein Dichtring 19 vorgesehen.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist ein Steuerraum 10 im zweiten Fluidpfad 32 unmittelbar nach der Drosselstelle 70 ausgebildet. Der zweite Fluidpfad 32 geht dabei vom Steuerraum 10 weiter über die Abflachung 8 zum einspritzseitigen Ende der zweiten Ventilnadel 30, wobei dort ein Vorraum 11 ausgebildet ist.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist am einspritzseitigen Ende zwischen der ersten und zweiten Ventilnadel ein Umfangsraum 12 ausgebildet, welcher über eine Bohrung 13 mit dem durch die hohle erste Ventilnadel 20 verlaufenden ersten Fluidpfad 22 verbunden ist.
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Die Funktion des Einblasinjektors 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist dabei wie folgt. Die 1 und 2 zeigen den geschlossenen Zustand des Einblasinjektors 1. In 2 ist ein maximaler erster Hub H1 eingezeichnet, welcher durch die zweite Ventilnadel 30 ausgeführt werden kann, bis der Anker 40 an den Innenpol 42 anschlägt. Ein zweiter Hub H2 ist ebenfalls in 2 eingezeichnet, welcher einen maximaler Hub der ersten Ventilnadel 20 darstellt, wobei der zweite Hub H2 durch ein Anschlagen des Drosselelements 7 am Anschlag 9 begrenzt wird.
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Um den gasförmigen Kraftstoff über den erfindungsgemäßen Einblasinjektor 1 einblasen zu können, wird zuerst der Aktor 4 betätigt. Hierbei wird die Spule 41 bestromt, so dass der Anker 40 in Richtung des Pfeils A gegen den Innenpol 42 angezogen wird. Hierbei hebt die zweite Ventilnadel 30 vom zweiten Dichtsitz 31 ab und gibt einen Ringspalt S1 frei, über welchen schon Kraftstoff in den Brennraum 6 eingeblasen wird (Pfeil S). Dies ist in 3 dargestellt.
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Durch das Öffnen des Steuerventils 3 ergibt sich ein Druckabfall im zweiten Fluidpfad 32, welcher bis zum Steuerraum 10 reicht. Aufgrund des Druckunterschiedes am Drosselelement 7 vor und nach dem Drosselelement 7 wird das Drosselelement 7, wie in 4 gezeigt, in Richtung des Pfeils B bis zum Anschlag 9 bewegt. Da das Drosselelement 7 über die Schweißpunkte 24 fest mit der ersten Ventilnadel 20 verbunden ist, öffnet auch das Hauptventil 2. Hierdurch wird die erste Ventilnadel 20 vom ersten Dichtsitz 21 an der zweiten Ventilnadel abgehoben und es entsteht ein Ringspalt S2 mit großem Auslassquerschnitt. Über diesen Ringspalt S2 wird dann die Hauptkraftstoffmenge in den Brennraum 6 eingeblasen (Pfeile T in 4).
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Somit kann mittels einer relativ kleinen Magnetkraft durch den Aktor 4 zuerst das Steuerventil 3 und anschließend durch den am Drosselelement 7 entstandenen Druckunterschied vor und hinter dem Drosselelement 7 das Hauptventil 2 geöffnet werden. Die zum Öffnen des Steuerventils 3 benötigte Kraftstoffmenge wird dabei in den Brennraum 6 eingeblasen, so dass auf eine Rückleitung oder eine andere aufwendige bauliche Maßnahmen verzichtet werden kann. Die Steuermenge zum Öffnen des Steuerventils 3 wird somit einfach ebenfalls in den Brennraum 6 eingeblasen. Hierdurch entsteht auch keinerlei Verlustleistung durch einen möglichen Rücklauf und eine mögliche Maßnahme, um den zurückgeführten Steuerkraftstoff wieder auf das im Tank befindliche Druckniveau zu bringen.
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Da der gasförmige Kraftstoff unter hohem Druck steht, welcher sowohl in der Ansaugphase als auch in der Kompressionsphase immer höher ist, als ein maximaler Druck im Brennraum, ist eine sehr lange Einblasdauer möglich, so dass entsprechend auch bei großen Motoren bzw. großen angeforderten Leistungen die entsprechenden Kraftstoffmengen durch den Einblasinjektor 1 in den Brennraum 6 eingebracht werden können.
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Der Schließvorgang des Einblasinjektors 1 ist in den 5 und 6 dargestellt. Zum Schließen des Einblasinjektors 1 wird die Bestromung der Spule 41 beendet, wodurch das zweite Rückstellelement 33 den Anker 40 und damit auch die zweite Ventilnadel 30, welche punktuell mit dem Anker 40 verbunden ist, in Richtung des Pfeils C in die Ausgangsstellung der zweiten Ventilnadel 30 stellt. Dies ist in 5 dargestellt. Dadurch liegt die zweite Ventilnadel 30 wieder am zweiten Dichtsitz 31 am Ventilkörper 51 an (vgl. 5). Die erste Ventilnadel 20 befindet sich dabei immer noch im geöffneten Zustand.
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Da nun der zweite Fluidpfad 32 wieder geschlossen ist, erhöht sich ein Druck im Steuerraum 10 durch eine Befüllung über die Drosselstelle 70 am Drosselelement 7. Hierbei erhöht sich der Druck im Steuerraum 10 von ungefähr Brennraumdruck in den vorhergehenden Fluiddruck. Dadurch reduziert sich jedoch auch der Druckunterschied vor und nach dem Drosselelement 7 zwischen dem Steuerraum 10 und dem Vorsteuerraum 14, so dass das erste Rückstellelement 23, welches über ein Einstellstück 16 mit der ersten Ventilnadel 20 verbunden ist, die erste Ventilnadel 20 wieder in die Ausgangsposition zurückstellt. Dadurch schließt die erste Ventilnadel 20 wieder den umlaufenden Spalt S2 und verschließt den ersten Fluidpfad 22 am ersten Dichtsitz 21 an der zweiten Ventilnadel 30. Dadurch ist der Einblasinjektor wieder geschlossen. Dies ist in 6 dargestellt.
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Der Pfeil D kennzeichnet dabei die Rückbewegung des Drosselelements 7.
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Das beschriebene Ausführungsbeispiel eines Einblasinjektors ist als nach außen öffnendes Ventil mit Steuerventil 3 und Hauptventil 2 beschrieben, wobei der Einblasinjektor 1 direkt in einen Brennraum 6 Kraftstoff einbläst. Es ist jedoch auch möglich, dass der Einblasinjektor 1 den Kraftstoff beispielsweise in ein Saugrohr vor einem Brennraum einbläst. Auch kann der erfindungsgemäße Einblasinjektor bei anderen Einblasanwendungen verwendet werden.
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7 zeigt einen Einblasinjektor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Einblasinjektor des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht im Wesentlichen dem des ersten Ausführungsbeispiels, wobei anstelle eines Magnetaktors beim zweiten Ausführungsbeispiel ein Piezoaktor 60 verwendet wird. Der Piezoaktor 60 bewegt einen Anker 40 entgegen einer Federkraft des zweiten Rückstellelements 33 in Richtung des Pfeils E. Als Anschlag dient dabei der Ventilkörper 51. Hierdurch öffnet wiederum zuerst das Steuerventil 3, welches dadurch den zweiten Fluidpfad 32 öffnet, so dass Kraftstoff, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, direkt in einen Brennraum 6 eingeblasen werden kann. Da nun wiederum der Druck im Steuerraum 10 sinkt, bewegt sich das Drosselelement 7 in Richtung des Pfeils F, so dass auch die erste Ventilnadel 20 in Richtung des Pfeils F bewegt wird und somit das Hauptventil 2 öffnet. Die Rückstellung des Einblasinjektors 1 erfolgt dabei in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel, indem die Aktivierung des Piezoaktors 60 beendet wird, so dass zuerst das zweite Rückstellelement 33 das Steuerventil 3 schließt und anschließend ein Druck im Steuerraum 10 ansteigt, so dass über das erste Rückstellelement 23 auch das Hauptventil 2 geschlossen wird. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
