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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor, insbesondere einen Common-Rail-Injektor für selbstzündende Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
EP 1 117 922 B1 der Anmelderin ist ein nicht gattungsgemäßer Kraftstoffinjektor bekannt. Dieser Kraftstoffinjektor weist ein Injektorgehäuse mit einem Hochdruckbereich und einem Niederdruckbereich auf. Innerhalb des Hochdruckbereichs ist eine entlang einer Längsachse auf- und abbewegliche Düsennadel zum Freigeben bzw. Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung angeordnet, deren der wenigstens einen Einspritzöffnung gegenüberliegendes Ende mit einer topfförmigen Ausnehmung versehen ist, die den Außenumfang einer Hülse umgreift, die zur Ausbildung eines Steuerraums dient. Die Ausnehmung bzw. der Steuerraum ist innerhalb des Hochdruckraums mit einem Zuströmkanal hydraulisch verbunden. Darüber hinaus ist auf der der Düsennadel abgewandten Seite der Steuerraum über eine Ablaufbohrung mit dem Niederdruckbereich verbunden, wobei die Ablaufbohrung mittels eines Ventilglieds, das über einen geeigneten Aktuator betätigt wird, verschlossen bzw. geöffnet werden kann. Bei geöffneter Ablaufbohrung kann Kraftstoff als sogenannte Steuermenge aus dem Steuerraum in den Niederdruckbereich abfließen, wodurch die aus dem im Steuerraum befindlichen Kraftstoff resultierende, auf die Düsennadel als Schließkraft wirkende Kraft reduziert wird, so dass die Düsennadel zum Freigeben der wenigstens einen Einspritzöffnung aus einer abgesenkten Stellung bewegt wird. Wesentlich dabei ist, dass bei der Öffnungsbewegung der Düsennadel diese mit einem Bodenbereich der topfförmigen Ausnehmung in Wirkverbindung mit der angesprochenen Hülse gerät und dadurch den Steuerraum abdichtet, derart, dass über die Zulaufbohrung aus dem Hochdruckraum kein Kraftstoff in den Steuerraum nachlaufen kann, während gleichzeitig der Steuerraum über die Ablaufbohrung hydraulisch entlastet wird. Dies hat zur Folge, dass insgesamt gesehen die Rückfluss- bzw. Steuermenge beim Öffnen der Düsennadel in den Niederdruckbereich reduziert wird, so dass die von einer Pumpe bereitgestellte Fördermenge ebenfalls reduziert werden kann. Dadurch, dass bei dem Kraftstoffinjektor zum Sperren des Zulaufs von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum in den Steuerraum die gesamte Düsennadel bewegt werden muss, erfolgt das Verschließen des Zulaufs aus dem Hochdruckraum in den Steuerraum mit relativ großer zeitlicher Verzögerung, da die gesamte Düsennadel bewegt werden muss. Weiterhin folgt daraus immer noch eine relativ große Steuermenge, die aus dem Steuerraum abfließt, bis dieser zum Hochdruckraum hin hydraulisch abgedichtet ist.
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Bei einem aus der
EP 2 394 049 B1 bekannten Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist ein von dem Einspritzglied (Düsennadel) separates Stellelement zum Verschließen einer Zulaufbohrung in den Steuerraum vorgesehen, sobald ein bestimmter Druckabfall im Steuerraum aufgrund von Abströmen von Kraftstoff in einen Niederdruckraum stattfindet. Das separate Stellelement erfordert eine relativ aufwändige Konstruktion des das Stellelement aufnehmenden Gehäuseteils in Form einer Zwischenplatte. Als vorteilhaft ist hingegen anzusehen, dass die Steuermenge gegenüber dem eingangs erwähnten Kraftstoffinjektor reduziert ist und ein relativ schnelles Schalten des Einspritzglieds (Düsennadel) erzielbar ist.
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Der Trend bei Einspritzsystemen bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen geht in Richtung zunehmender Einspritzdrücke, so dass zukünftig der Systemdruck bis zu 2500 bar betragen soll. Daraus resultieren hohe Anforderungen an eine Einspritzpumpe hinsichtlich der Mengenbilanz und hohe Anforderungen an den Kraftstoffinjektor hinsichtlich seiner Funktion. Die höheren Systemdrücke erfordern bei den an sich bekannten Servokonzepten zur Steuerung der Bewegung einer Düsennadel, bedingt durch den erhöhten Durchfluss durch die Ablaufbohrung, entweder größere Schaltkräfte oder einen erhöhten Ventilhub.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass bei weiterhin geringer Rückfluss- bzw. Steuermenge in den Niederdruckbereich und einem schnellen Schalten bzw. Öffnen des Einspritzglieds (Düsennadel) aus seiner Schließposition ein relativ einfacher Aufbau ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Stellelement auf der dem Einspritzglied zugewandten Seite in einer Aufnahme des Einspritzglieds axial verschiebbar angeordnet ist, oder dass das Stellelement in einem mit dem Einspritzglied fest verbundenen Aufnahmeelement axial verschiebbar angeordnet ist. Beiden alternativen erfindungsgemäßen Lösungen liegt dabei der gemeinsame Grundgedanke zugrunde, das Stellelement zum Verschließen der Zulaufbohrung unmittelbar mit dem Einspritzglied zu verbinden bzw. zu koppeln, so dass eine Integration des Stellelements beispielswiese in eine Zwischenplatte wie beim nächstliegenden Stand der Technik nicht erforderlich ist. Dadurch kann das Einspritzglied zusammen mit dem Stellelement auch als vormontierbare Baugruppe ausgebildet werden, was ggf. den Montageprozess zusätzlich erleichtert.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen angeführt.
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In konstruktiver Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Stellelement eine Dichtfläche zum zumindest mittelbaren Freigeben oder Verschließen einer Verbindungsbohrung aufweist.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass das Stellelement von einem ersten Federelement in Richtung der Öffnungsstellung der Verbindungsbohrung kraftbeaufschlagt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei nicht betätigtem Ventilglied ein Rückflusspfad für den Kraftstoff in den Niederdruckbereich geöffnet ist, so dass das Einspritzglied bzw. die Düsennadel in ihre Schließstellung kraftbeaufschlagt ist.
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Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn das Einspritzglied von einem zweiten Federelement in seine die wenigstens eine Einspritzöffnung verschließende Stellung kraftbeaufschlagt wird. Insbesondere in Verbindung mit dem ersten Federelement zur Kraftbeaufschlagung des Stellelements lassen sich somit die einzelnen Charakteristika hinsichtlich der Kraftbeaufschlagung des Einspritzglieds (Düsennadel) und des Stellelements optimieren bzw. an den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
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Ganz besonders bevorzugt ist eine konstruktive Ausgestaltung, bei der der Steuerraum innerhalb einer Aufnahme von einem Ventilstück begrenzt ist, und dass in der Aufnahme ein vorzugsweise topfförmiges Aufnahmeelement axialbeweglich angeordnet ist. Daraus resultiert insbesondere die Möglichkeit, die eine Zulaufdrossel aufweisende Zulaufbohrung in das Einspritzglied zu integrieren. Dies hat wiederum zur Folge, dass der Steuerkolbenhub nicht eingeschliffen werden muss, sondern über ein kostengünstiges Fügeverfahren (Presspassung) zwischen dem Aufnahmeelement und der Düsennadel eingestellt werden kann.
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In konstruktiver Weiterbildung dieser zuletzt angeführten konstruktiven Ausbildung wird vorgeschlagen, dass der Steuerraum durch das Aufnahmeelement in zwei Teilräume unterteilt ist, einem der Seite der Ablaufbohrung zugewandten volumenveränderlichen Teilraum und einem dem Stellelement zugewandten, ebenfalls volumenveränderlichen Teilraum, wobei die beiden Teilräume durch einen Verbindungskanal miteinander verbunden sind, und wobei der Verbindungskanal durch das Stellelement zumindest mittelbar verschließbar ist.
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Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Dichtfläche des Stellelements dazu ausgebildet ist, einen Verbindungskanal innerhalb des Steuerraums zumindest mittelbar zu verschließen. Insbesondere kann es dabei vorgesehen sein, dass die Dichtfläche kugelabschnittsförmig ausgebildet ist und zur Ausbildung eines Dichtsitzes mit einer insbesondere kegelförmigen Gegenfläche des Aufnahmeelements zusammenwirkt. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, dass die Dichtfläche als radial umlaufende Beisskante ausgebildet ist, die mit einer vorzugsweise zumindest bereichsweise ebenen Gegenfläche des Aufnahmeelements zusammenwirkt.
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Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, dass das Stellelement eine Durchgangsbohrung aufweist, die den Steuerraum zumindest mittelbar mit dem Hochdruckraum verbindet. Eine weitere konstruktive Ausgestaltung sieht vor, dass das Stellelement auf der dem Einspritzglied zugewandten Seite in einer Ausnehmung des Einspritzglieds axial verschiebbar angeordnet ist.
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Vorzugsweise findet eine Verwendung des Kraftstoffinjektors bei Kraftstoffeinspritzsystemen statt, bei denen der Systemdruck und somit auch der Kraftstoffdruck im Hochdruckraum des Kraftstoffinjektors mehr als 2000bar, insbesondere bis zu 2500bar, beträgt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in
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1 und 2 einen ersten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor bei unterschiedlichen Stellungen eines Stellelements zur Beeinflussung des Drucks im Steuerraum, jeweils in vereinfachtem Längsschnitt, und
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3 und 4 einen gegenüber den 1 und 2 abgewandelten Kraftstoffinjektor, ebenfalls bei unterschiedlichen Stellungen eines Stellelements in jeweils vereinfachtem Längsschnitt.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Der in den 1 und 2 dargestellte erste erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor 10 ist als sogenannter Common-Rail-Injektor ausgebildet und dient dem Einspritzen von Kraftstoff in einen nicht gezeigten Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. Insbesondere findet der Kraftstoffinjektor 10 Verwendung bei Einspritzsystemen, bei denen der Systemdruck mehr als 2000 bar, insbesondere bis zu ca. 2500 bar beträgt.
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Der Kraftstoffinjektor 10 umfasst ein lediglich schematisch dargestelltes Injektorgehäuse 11, das in einen Hochdruckraum 12 und einen Niederdruckraum 13 unterteilt ist. Innerhalb des Hochdruckraums 12 ist in einer Längsachse 14 des Injektorgehäuses 11 eine in Richtung der Längsachse 14 auf- und abbewegliche Düsennadel 15 als Einspritzglied angeordnet. Mittels der Düsennadel 15 lässt sich wenigstens eine in dem Injektorgehäuse 11 angeordnete, lediglich in der 1 dargestellte Einspritzöffnung 19 in einer abgesenkten Position verschließen bzw. zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine öffnen. Der Hochdruckraum 12 ist darüber hinaus in üblicher Art und Weise über eine Kraftstoffzuführleitung 16 mit einem Speicher 17 (Rail) verbunden, der den Hochdruckraum 12 mit dem unter Systemdruck stehenden Kraftstoff versorgt. Weiterhin ist der Niederdruckraum 13 über eine Rücklaufleitung 18 mit einem Rücklaufbehälter 20 (Tank) verbunden.
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Innerhalb des Injektorgehäuses 11 ist ein beispielhaft topfförmig ausgebildetes Ventilstück 23 angeordnet, das wiederum eine zylindrische Aufnahme 24 für ein ebenfalls kappen- bzw. topfförmiges Aufnahmeelement 25 aufweist. Das Aufnahmeelement 25 ist innerhalb der Aufnahme 24 des Ventilstücks 23 radial zumindest im Wesentlichen hydraulisch abgedichtet angeordnet und axial um die Größe des Öffnungshubs der Düsennadel 15 beweglich geführt. Das Aufnahmeelement 25 weist weiterhin zumindest auf der der Düsennadel 15 zugewandten Seite einen Halteabschnitt 26 auf, der einen axialen Endbereich 28 der Düsennadel 15 auf der der wenigstens einen Einspritzöffnung 19 gegenüberliegenden Seite radial umfasst, derart, dass der Endbereich 28 innerhalb des Führungsabschnitts 26 fixiert aufgenommen ist. Eine derartige Aufnahme des Endbereichs 28 in dem Halteabschnitt 26 wird insbesondere durch eine Presspassung zwischen den angesprochenen Bauteilen erzielt. Alternativ ist es denkbar, den Endbereich 28 mit dem Halteabschnitt 26 zu verschweißen. Der Endabschnitt 28 der Düsennadel 15 weist eine sacklochförmige Aufnahme 29 für ein Stellelement 30 auf, das innerhalb der Aufnahme 29 axialbeweglich angeordnet ist. Nahe dem Grund 31 der Aufnahme 29 ist eine Zuführbohrung 32 ausgebildet, über die der Bereich der Aufnahme 29 hydraulisch mit dem Hochdruckraum 12 verbunden ist.
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Das Stellelement 30 weist einen zylindrisch ausgebildeten ersten Abschnitt 33 und einen außerhalb der Aufnahme 29 angeordneten, im Vergleich zum ersten Abschnitt 33 einen größeren Durchmesser aufweisenden zweiten, ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Abschnitt 34 auf. In der Längsachse des Stellelements 30, die bevorzugt identisch mit der Längsachse 14 des Injektorgehäuses 11 ist, ist eine Durchgangsbohrung 35 mit einer darin ausgebildeten bzw. angeordneten Zulaufdrossel 36 ausgebildet. Die Durchgangsbohrung 35 mündet auf der dem Grund 31 der Aufnahme 29 abgewandten Seite in einer Vertiefung 37 oder ähnlichem, die hydraulisch mit dem von der Aufnahme 24 ausgebildeten Raum verbunden ist. Der Übergangsbereich zwischen den beiden Abschnitten 33, 34 des Stellelements 30 bildet eine Anschlagfläche 38 aus, die den Hub des Stellelements 30 in Richtung zur Düsennadel 15 begrenzt. An den zweiten Abschnitt 34 schließt sich auf der dem ersten Abschnitt 33 des Stellelements 30 abgewandten Seite ein dritter Abschnitt 39 innerhalb des Aufnahmeelements 25 an. Der dritte Abschnitt 39 bildet auf der dem zweiten Abschnitt 34 abgewandten Seite eine kugelabschnittsförmig ausgebildete Dichtfläche 41 aus, die in der in der 2 dargestellten angehobenen Stellung des Stellelements 30 mit einer am Grund des Aufnahmeelements 25 ausgebildeten, kegelförmigen Gegenfläche 43 zusammenwirkt und einen Dichtsitz 44 ausbildet. Zwischen dem Grund des Aufnahmeelements 25 und dem zweiten Abschnitt 34 des Stellelements 30 stützt sich ein erstes Federelement 45 in Form einer Druckfeder ab, die das Stellelement 30 in Richtung der Düsennadel 15 kraftbeaufschlagt. Ebenso ist die Düsennadel 15 mittels eines zweiten Federelements 48, das bevorzugt ebenfalls als Druckfeder ausgebildet, in Richtung der die wenigstens eine Einspritzöffnung 19 verschließenden, abgesenkten Position kraftbeaufschlagt.
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Im Grund des Aufnahmeelements 25 ist in der Längsachse 14 eine Verbindungsbohrung 49 ausgebildet, die einen von dem Aufnahmeelement 25 begrenzten ersten, volumenveränderlichen Teilraum 51 mit einem auf der dem Stellelement 30 abgewandten Seite innerhalb der Aufnahme 24 ausgebildeten zweiten, ebenfalls volumenveränderlichen Teilraum 52 verbindet. Die beiden Teilräume 51, 52 bilden insgesamt gesehen einen Steuerraum 55 aus, der zur Steuerung der Bewegung der Düsennadel 15 dient. Der Steuerraum 55 ist über einen mit einer Ablaufdrossel 56 versehenen Ablaufkanal 57 mit dem Niederdruckraum 13 des Injektorgehäuses 11 hydraulisch verbunden. Auf der dem Steuerraum 55 abgewandten Seite mündet der Ablaufkanal 57 in einer beispielhaft kegelförmig ausgebildeten Sitzfläche 58, die mit einer beispielhaft ebenfalls kugelabschnittsförmig ausgebildeten Dichtfläche 59 an einem Ventilglied 60 zusammenwirkt, derart, dass in der in der 1 dargestellten abgesenkten Position des Ventilglieds 60 ein Dichtsitz 61 ausgebildet ist, der ein Abströmen von Kraftstoff durch den Ablaufkanal 57 von dem Steuerraum 55 in den Niederdruckraum 13 verhindert. Das Ventilglied 60 ist in an sich bekannter, und daher nicht dargestellter Art und Weise mit einem geeigneten Aktuator, beispielsweise einem Magnetaktuator oder einem Piezoaktuator wirkverbunden angeordnet.
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Die Wirkungsweise des soweit beschriebenen Kraftstoffinjektors 10 ist wie folgt:
In der in der 1 dargestellten Schließstellung der Düsennadel 15 dichtet das Ventilglied 60 den Ablaufkanal 57 ab, so dass in dem Steuerraum 55 im Wesentlichen der Systemdruck herrscht, der auch innerhalb des Hochdruckraums 12 vorhanden ist. Durch das erste Federelement 45 ist das Stellelement 30 in seine abgesenkte Position gedrückt, bei der das Stellelement 30 die Verbindungsbohrung 49 freigibt, so dass Kraftstoff von dem ersten Teilraum 51 in den zweiten Teilraum 52 des Steuerraums 55 fließen kann. Kraftstoff tritt über die Zuführbohrung 32 und die Durchgangsbohrung 35 in den ersten Teilraum 51 ein. Durch das zweite Federelement 48 ist die Düsennadel 15 in ihre die wenigstens eine Einspritzöffnung 19 verschließende, abgesenkte Position kraftbeaufschlagt.
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Zum Starten des Einspritzvorgangs, d.h. zum Abheben der Düsennadel 15 von ihrer die wenigstens eine Einspritzöffnung 19 verschließenden Stellung in eine angehobene Position wird das Ventilglied 60 aus seiner abgesenkten Position in eine in der 2 dargestellte angehobene Position bewegt, so dass das Ventilglied 60 den Ablaufkanal 57 freigibt, d.h., dass ein Abströmen von Kraftstoff aus dem Steuerraum 55 in den Niederdruckraum 13 ermöglicht wird. Beim Freigeben des Ablaufkanals 57 durch das Ventilglied 60 sinkt der Druck in dem Steuerraum 55, was zur Folge hat, dass auch der auf das Stellelement 30 zusammen mit der Federkraft des ersten Federelements 45 wirkende hydraulische Druck reduziert wird. Dadurch bewegt sich das Stellelement 30 entgegen der Federkraft des ersten Federelements 45 in seine Schließposition, bei der das Stellelement 30 die Verbindungsbohrung 49 verschließt. Dadurch ist lediglich noch eine hydraulische Verbindung zwischen dem zweiten Teilraum 52 des Steuerraums 55 und dem Niederdruckraum 13 hergestellt, während kein Kraftstoff mehr aus dem ersten Teilraum 51 in den zweiten Teilraum 52 nachströmen kann. Die Düsennadel 15 beginnt sich aus ihrer abgesenkten Position in eine die wenigstens eine Einspritzöffnung 19 freigebende Position zu bewegen, sobald der hydraulische Druck im Teilraum 52 soweit abfällt, bis die im Hochdruckraum 12 auf die Düsennadel 15 wirkende resultierende Kraft größer ist als die auf die Düsennadel 15 wirkende Schließkraft.
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Zum Beenden des Einspritzvorgangs wird das Ventilglied 60 in die in der 1 dargestellte, den Ablaufkanal 57 verschließende Position gebracht, wodurch in Folge des (schlagartigen) Druckanstiegs des Drucks in dem zweiten Teilraum 52 des Steuerraums 55 das Stellelement 30 von seinem Dichtsitz 44 abhebt und ein Einströmen von unter hohem Druck stehendem Kraftstoff aus dem ersten Teilraum 51 in den zweiten Teilraum 52 ermöglicht. Die Drucksteigerung im zweiten Teilraum 52 bewirkt, die Düsennadel 15 zusammen mit dem Aufnahmeelement 25 in Richtung der Schließstellung bewegt wird, während das Stellelement 30 mit seiner Anschlagfläche 38 in Anlage mit dem Endbereich 28 der Düsennadel 15 gerät.
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Der in den 3 und 4 dargestellte modifizierte Kraftstoffinjektor 10a zeichnet sich dadurch aus, dass das Ventilstück 23a eine zusätzliche Zulaufbohrung 65 aufweist, die in einer Ausnehmung 69 im Ventilstück 23a mündet, und die über eine in dem Aufnahmeelement 25a ausgebildete Durchgangsbohrung 66 Verbindung mit dem Steuerraum 55a hat. Das Aufnahmeelement 25a umfasst den Endbereich 28a der Düsennadel 15a an seinem Außenumfang und fixiert ihn zum Aufnahmeelement 25a, d.h., dass die Düsennadel 15a fest mit dem Aufnahmeelement 25a verbunden ist. Das Aufnahmeelement 25a ist zusammen mit der Düsennadel 15a in dem Ventilstück 23a axialverschiebbar geführt. Innerhalb des Aufnahmeelements 25a ist das Stellelement 30a axialverschiebbar angeordnet. Das Stellelement 30a weist auf der Düsennadel 15a zugewandten Seite einen zylindrisch ausgebildeten ersten Abschnitt 67 auf, der eine Durchgangsbohrung 35a mit einer Zulaufdrossel 36a umfasst. An den ersten Abschnitt 67 schließt sich auf der der Düsennadel 15a abgewandten Seite ein zweiter Abschnitt 68 an, der gegenüber dem ersten Abschnitt 67 einen geringeren Durchmesser aufweist. Der zweite Abschnitt 68 weist auf der dem als Gegenfläche wirkenden ebenen Grund 31a des Aufnahmeelements 25a zugewandten Seite eine ringförmig umlaufende, als Beisskante ausgebildete Dichtfläche 70 auf, die in der in der 4 dargestellten, angehobenen Stellung des Stellelements 30a den ersten Teilraum 51a des Steuerraums 55a vom zweiten Teilraum 52a hydraulisch trennt. Die Funktionsweise des Kraftstoffinjektors 10a erfolgt in analoger Weise zum Kraftstoffinjektor 10.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10, 10a kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
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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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- EP 1117922 B1 [0002]
- EP 2394049 B1 [0003]
