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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Kraftstoffinjektoren für Kraftstoffeinspritzsysteme, insbesondere Common-Rail-Einspritzsysteme, bekannt, die eine hubbewegliche Düsennadel zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung sowie einen Aktor zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel besitzen. Der Aktor kann dabei als Piezoaktor oder als Magnetaktor ausgelegt sein.
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Ein Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 002 758 A1 bekannt. Der Magnetaktor ist im Hochdruckbereich des Injektors angeordnet und umfasst eine Magnetspule zum Einwirken auf einen hubbeweglichen Anker, der über einen hydraulischen Koppler mit der Düsennadel koppelbar ist. Der Anker ist hierzu mit einem Kopplerkolben verbunden, dessen ankerfernes Ende einen Kopplerraum begrenzt. Über den Kopplerraum ist der Kopplerkolben mit der Düsennadel hydraulisch gekoppelt, da der mit Kraftstoff gefüllte Kopplerraum ferner von einer Stirnfläche der Düsennadel begrenzt wird. Die sich am Kopplerraum gegenüber liegenden hydraulischen Wirkflächen der Düsennadel und des Kopplerkolbens sind dabei derart dimensioniert, dass über den hydraulischen Koppler eine Untersetzung des Ankerhubes und eine Übersetzung der Magnetkraft des Magnetaktors bewirkt werden. Der Kopplerraum kann dabei ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Im letztgenannten Fall sind vorzugsweise zwei Teilkopplungsräume zur Optimierung der Öffnungscharakteristik der Düsennadel über eine Drossel verbunden. Denn die Drossel dämpft die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel, so dass eine gute Kleinstmengenfähigkeit und ein vorteilhafter Einspritzratenverlauf erreicht werden.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Schließverhalten eines solchen Kraftstoffinjektors zu verbessern. Insbesondere soll zur Vermeidung von Schließprellern die Schließgeschwindigkeit einer hubbeweglichen Düsennadel reduziert werden, da Schließpreller zu einem erneuten Abheben der Düsennadel von ihrem Dichtsitz und damit zu einer unerwünschten Nacheinspritzung führen können. Die Folge kann ein undefiniertes Injektorverhalten mit hohen Toleranzeinflüssen sein.
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Zur Lösung der Aufgabe wird der Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich aufgenommen ist, sowie einen Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Der Magnetaktor umfasst dabei eine Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden hubbeweglichen Anker, der über ein hydraulisches Kopplervolumen einer Kopplungseinrichtung mit der Düsennadel koppelbar ist. Erfindungsgemäß umfasst das hydraulische Kopplervolumen einen ersten Kopplerraum und einen zweiten Kopplerraum, wobei erster und zweiter Kopplerraum über eine Drossel verbunden sind. Darüber hinaus ist eine weitere Drossel zur Verbindung der beiden Kopplerräume vorgesehen, die schaltbar ist. Während die erste Drossel die beiden Kopplerräume permanent verbindet, ist über die schaltbare zweite Drossel eine temporäre Verbindung der beiden Kopplerräume herstellbar. Durch Zuoder Abschalten der zweiten Drossel sind demzufolge die Drossel- und damit einhergehend die Dämpfungswirkung beeinflussbar. Beispielsweise kann durch Abschalten der zweiten Drossel beim Schließen der Düsennadel eine größere Drossel- bzw. Dämpfungswirkung als beim Öffnen der Düsennadel erzielt werden, da nach Abschalten der zweiten Drossel eine Verbindung der beiden Kopplerräume lediglich über die erste Drossel hergestellt ist. Auf diese Weise können die Öffnungsgeschwindigkeit und die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel unterschiedlich stark gedämpft werden. Die stärkere Dämpfungswirkung wird vorzugsweise beim Schließen der Düsennadel erreicht, um durch eine reduzierte Schließgeschwindigkeit die Gefahr von Schließprellern zu mindern. Dies wiederum fördert ein definiertes Injektorverhalten.
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Bevorzugt ist zum Schalten der zweiten Drossel ein Ventil vorgesehen, das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildet ist und ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkendes hubbewegliches Ventilschließelement umfasst, das in Richtung des Ventilsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Mittels eines derart einfach aufgebauten Rückschlagventils lässt sich in einfacher und kostengünstiger Weise eine schaltbare Drossel realisieren.
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Aufgrund der Ausbildung des Ventils als Rückschlagventil wird die zweite Drossel lediglich in einer Richtung von Kraftstoff durchströmt. Die Richtung entspricht dabei vorzugsweise der Strömungsrichtung des Kraftstoffs vom zweiten Kopplerraum in den ersten Kopplerraum, um einen Druckabfall im ersten Kopplerraum auszugleichen. Die Druckdifferenz in den beiden Kopplerräumen bewirkt dabei eine hydraulische Druckkraft, die das Ventilschließelement entgegen der Federkraft der Feder aus dem Ventilsitz hebt, so dass das Rückschlagventil öffnet. Über die Druckdifferenz in den beiden Kopplerräumen wird somit das Schalten des Rückschlagventils bewirkt. Da der Druckabfall im ersten Kopplerraum in der Regel bei Betätigung des Magnetaktors zum Öffnen der Düsennadel erfolgt, kann demzufolge das Schalten der zweiten Drossel an das Öffnen und Schließen der Düsennadel gekoppelt werden.
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Das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil ist bevorzugt in einem Kopplerraum des hydraulischen Kopplervolumens ausgebildet und damit Bestandteil der Kopplungseinrichtung. Die Anordnung im Kopplerraum sowie die damit einhergehende Dämpfung über das Kopplervolumen macht die Ausbildung eines zusätzlichen Dämpferraums entbehrlich.
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Weiterhin bevorzugt sind der erste und der zweite Kopplerraum zumindest zweitweise über die zweite Drossel verbunden, wenn die Magnetspule des Magnetaktors bestromt wird. Die Bestromung der Magnetspule dient dabei vorzugsweise dem Öffnen der Düsennadel. In diesem Fall wird mit Bestromung der Magnetspule ein Magnetfeld aufgebaut, dessen Magnetkraft den Anker einschließlich eines das Kopplervolumen in axialer Richtung begrenzenden Kopplerkolbens, der mit dem Anker verbunden ist, in Richtung der Magnetspule zieht. Dies hat einer Vergrößerung des Kopplervolumens der Kopplungseinrichtung und damit einen Druckabfall in den verbundenen Kopplerräumen des Kopplervolumens zur Folge, so dass die an der Düsennadel anliegenden Kräfte in Öffnungsrichtung größer als in Schließrichtung sind und die Düsennadel öffnet. Über die zweite Drossel ist dabei eine zusätzliche Verbindung der beiden Kopplerräume herstellbar, welche die Drossel- bzw. Dämpfungswirkung der ersten Drossel reduziert.
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Der Druckabfall im Kopplervolumen wird zunächst im ersten Kopplerraum bewirkt, wobei der erste Kopplerraum näher am Magnetaktor liegt. Die Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Kopplerraum führt dann dazu, dass das vorzugsweise als Rückschlagventil ausgebildete Ventil zum Schalten der zweiten Drossel öffnet. Das Zuschalten der zweiten Drossel hat zur Folge, dass der Kraftstoff weniger stark gedrosselt aus dem zweiten Kopplerraum in den ersten Kopplerraum nachströmt.
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Vorteilhafterweise ist der Drosselquerschnitt der ersten Drossel kleiner als der Drosselquerschnitt der schaltbaren zweiten Drossel gewählt. Über die erste Drossel kann demnach eine stärkere Drossel- bzw. Dämpfungswirkung als über die schaltbare zweite Drossel erzielt werden. Da die schaltbare zweite Drossel vorzugsweise erst beim Öffnen der Düsennadel zugeschaltet wird und beim Schließen der Düsennadel lediglich der Drosselquerschnitt der ersten Drossel wirksam ist, kann das Schließen der Düsennadel derart verlangsamt werden, dass Schließpreller weitgehend ausgeschlossen sind. Mittels Abstimmung der Drosselquerschnitte können demnach die Öffnungsgeschwindigkeit und die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel gezielt eingestellt werden. Bei der Festlegung der Drosselquerschnitte können ferner die Erfordernisse von Kennfeldsteilheit und/oder Ratenverlauf berücksichtigt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Drosseln in einer Drosselplatte ausgebildet, welche das hydraulische Kopplervolumen in die beiden Kopplerräume unterteilt. Die Drosseln können als Bohrungen in der Drosselplatte ausgebildet sein, welche die Drosselplatte durchsetzen. Dabei kann die Bohrung zur Ausbildung der zweiten Drossel als Stufenbohrung ausgebildet sein, um einen als Ventilsitz dienenden ringförmigen Absatz zu schaffen. Das mit diesem Ventilsitz zusammenwirkende Ventilschließelement kann beispielsweise als Zylinder oder Kugel ausgebildet sein.
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Vorzugsweise ist die Drosselplatte am Düsenkörper abgestützt und in Richtung des Düsenkörpers von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Die Federkraft der Feder hält dabei die Drosselplatte in Anlage mit dem Düsenkörper. Alternativ kann die Drosselplatte auch zwischen dem Düsenkörper und einem weiteren Körperbauteil des Kraftstoffinjektors eingesetzt und mittels einer Düsenspannmutter axial verspannt sein. Diese Ausführungsform besitzt jedoch den Nachteil einer erhöhten Anzahl an Dichtstellen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der erste Kopplerraum von einer hydraulischen Wirkfläche A1 eines mit dem Anker verbundenen Kopplerkolbens und der zweite Kopplerraum von einer hydraulischen Wirkfläche A2 der Düsennadel begrenzt wird. Vorzugsweise ist die Wirkfläche A1 kleiner als die Wirkfläche A2 gewählt, um neben der Kopplung zugleich eine Kraftübersetzung zu bewirken. Mit Übersetzung der Aktorkraft kann ein kleinerer Aktor eingesetzt werden, so dass der Bauraumbedarf sinkt und ein kompaktbauender Kraftstoffinjektor geschaffen wird.
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Zur Begrenzung des ersten und/oder des zweiten Kopplerraums in radialer Richtung ist vorteilhafterweise wenigstens eine Dichthülse vorgesehen, die vorzugsweise an der Drosselplatte abgestützt und in Richtung der Drosselplatte von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Zur Erhöhung der Dichtkraft im Bereich der Abstützung kann die Dichthülse mit einer Beißkante versehen sein. Da die Dichthülse in radialer Richtung gegenüber der Drosselplatte verschiebbar ist, ermöglicht sie den Ausgleich von Koaxialitätsabweichungen.
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Bevorzugt ist der Anker als Tauchanker ausgeführt und wirkt unter Ausbildung eines axialen Arbeitsluftspalts mit einem Innenpol zusammen. Der Innenpol ist Teil des Magnetkreises, wenn die Magnetspule des Magnetinjektors bestromt wird. Vorzugsweise wird der Innenpol von einem ankerseitigen Ende eines Injektorkörpers ausgebildet, so dass ein separater Innenpolkörper verzichtbar ist.
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Weiterhin bevorzugt ist der Anker zumindest abschnittsweise von einem Magnetkörper und/oder einem Trennkörper umgeben ist, wobei vorzugweise der Trennkörper aus einem amagnetischen Material gefertigt ist. Der Trennkörper dient der magnetischen Trennung des Magnetkörpers vom Innenpol. Hierzu ist der Trennkörper bevorzugt innerhalb der Magnetspule angeordnet. Zwischen dem Anker und dem Magnetkörper bzw. dem Trennkörper kommt es zur Ausbildung eines Nebenluftspalts.
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Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass eine Feder zur Rückstellung des Ankers in seine Ausgangslage bei Beendigung der Bestromung der Magnetspule des Magnetaktors vorgesehen ist. Die Feder ist dabei vorzugsweise an dem mit dem Anker verbundenen Kopplerkolben abgestützt. Da der Kopplerkolben vorzugsweise fest mit dem Anker verbunden ist, wird die Rückstellkraft der Feder über den Kopplerkolben unmittelbar auf den Anker übertragen.
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Der Vorteil der vorstehend beschriebenen Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass durch Zu- oder Abschalten einer weiteren Drossel, über welche eine zusätzliche Verbindung zweier Kopplerräume herstellbar ist, die Öffnungsgeschwindigkeit und die Schließgeschwindigkeit der Düsennadel unterschiedlich stark gedämpft werden können. Durch die geringe Kraftdynamik des Magnetaktors beim Öffnen der Düsennadel wird an sich bereits eine geringe Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel erreicht, so dass eine weniger starke Dämpfung als beim Schließen der Düsennadel wünschenswert ist. Wird die Geschwindigkeit beim Öffnen der Düsennadel zu stark gedämpft, kann dies zur Folge haben, dass der Energiebedarf des Aktors zum Öffnen der Düsennadel steigt. Ferner reduziert eine schnell öffnende (und schnell schließende) Düsennadel die Toleranzen. Da das schnelle Schließen jedoch die Gefahr von Schließprellern und damit von Nacheinspritzungen erhöht, werden durch eine schnell schließende Düsennadel die Toleranzen – insbesondere bei der Mehrfacheinspritzung – wieder verschlechtert. Bei dem vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor kann jedoch das Schließverhalten der Düsennadel durch eine zusätzliche Dämpfung, die keine Auswirkungen auf das Öffnungsverhalten der Düsennadel hat, derart optimiert werden, dass die schädlichen Schließpreller verhindert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und
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2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich der Kopplungseinrichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der in den Figuren dargestellte Kraftstoffinjektor umfasst einen Magnetaktor 5 zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel 1, die in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung 4 hubbeweglich geführt ist. Der Magnetaktor 5 weist zur direkten Nadelsteuerung eine ringförmige Magnetspule 6 sowie einen mit der Magnetspule 6 zusammenwirkenden Anker 7 auf, der vorliegend als Tauchanker ausgebildet ist. Der Anker 7 ist zumindest teilweise in einem Magnetkörper 26 aufgenommen, der ein Körperbauteil des Kraftstoffinjektors ausbildet und zudem der Ausbildung eines Außenpols dient. Der Anker 7 ist ferner von einem ringförmigen Trennkörper 27 aus einem amagnetischen Material umgeben, welcher den Magnetkörper 26 von einem Innenpol 24 trennt. Hierzu ist der Trennkörper 27 innerhalb der Magnetspule 6 angeordnet. Der Innenpol 24 wird vorliegend von einem Injektorkörper 25 als weiterem Körperbauteil des Kraftstoffinjektors ausgebildet. Der Injektorkörper 25, der Magnetkörper 26 und der Düsenkörper 3 sind über eine Düsenspannmutter 29 axial verspannt. Im Injektorkörper 25 ist zudem eine zentrale Zulaufleitung 30 ausgebildet, die mit einer Hochdruckquelle (nicht dargestellt) verbindbar ist, um den Kraftstoffinjektor mit unter hohem Druck stehenden Kraftstoff zu versorgen. Die Zulaufleitung 30 mündet in einen Druckraum 31, in dem der Anker 7 aufgenommen ist. Der Anker 7 ist demnach von Hochdruck umgeben.
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Zur Verstärkung der Aktorkraft weist der dargestellte Kraftstoffinjektor eine Kopplungseinrichtung 8 auf, über welche die Düsennadel 1 mit dem Anker 7 hydraulisch koppelbar ist. Die Kopplungseinrichtung 8 umfasst hierzu ein hydraulisches Kopplervolumen 9, das durch eine Drosselplatte 17 in einen ersten Kopplerraum 9.1 und einen zweiten Kopplerraum 9.2 unterteilt wird. Die Drosselplatte 17 ist an dem Düsenkörper 3 abgestützt und in Richtung des Düsenkörpers 3 von der Federkraft einer Feder 18 beaufschlagt. Zur Verbindung der beiden Kopplerräume 9.1, 9.2 ist in der Drosselplatte 17 eine Verbindungsbohrung mit einer Drossel 10 vorgesehen. In radialer Richtung werden die beiden Kopplerräume 9.1, 9.2 jeweils von einer Dichthülse 19, 20 begrenzt, die an der Drosselplatte 17 abgestützt und in Richtung der Drosselplatte 17 von der Federkraft einer Feder 21, 22 beaufschlagt ist. In der Dichthülse 19 ist ein Ende eines mit dem Anker 7 verbundenen Kopplerkolbens 16 aufgenommen, während die Dichthülse 20 einen Endabschnitt der Düsennadel 1 aufnimmt. Die Stirnflächen des Kopplerkolbens 16 und der Düsennadel 1 bildet somit hydraulische Wirkflächen A1, A2 aus, die das Kopplervolumen der beiden Kopplerräume 9.1, 9.2 in axialer Richtung begrenzen. Die hydraulische Wirkfläche A1 des Kopplerkolbens 16 ist dabei kleiner als die hydraulische Wirkfläche A2 der Düsennadel 1 gewählt, um neben der hydraulischen Kopplung zugleich eine Verstärkung der Aktorkraft zu bewirken.
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Die Funktionsweise des dargestellten Kraftstoffinjektors ist wie folgt:
Zur Einleitung eines Einspritzvorgangs wird die Magnetspule 8 des Magnetaktors 5 bestromt. Das sich dadurch aufbauende Magnetfeld zieht den Anker 7 einschließlich des mit dem Anker 7 fest verbundenen Kopplerkolben 16 nach oben in Richtung des Innenpols 24, um einen zwischen den Innenpol 24 und dem Anker 7 ausgebildeten Arbeitsluftspalt 23 zu schließen. Die Bewegung des Kopplerkolbens 16 führt zu einer Vergrößerung des Kopplervolumens 9 und damit zu einem Druckabfall im ersten Kopplerraum 9.1. Über die Drossel 10 strömt Kraftstoff aus dem zweiten Kopplerraum 9.2 in den ersten Kopplerraum 9.1 nach, um einen Druckausgleich zu bewirken. Die Drossel 10 führt zu einer Drosselung des Kraftstoffabflusses aus dem zweiten Drosselraum 9.2 und damit zu einer Dämpfung der Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 1, da das Öffnen der Düsennadel 1 einen ausreichenden Druckabfall im zweiten Kopplerraum 9.2 voraussetzt. Um die Öffnungsgeschwindigkeit der Düsennadel 1 nicht zu stark zu reduzieren, ist eine weitere Drossel 11 vorgesehen, die über ein als Rückschlagventil ausgebildetes Ventil 12 beim Öffnen der Düsennadel 1 zuschaltbar ist. Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, weist hierzu das Ventil 12 ein plattenförmiges Ventilschließelement 14 auf, das in Richtung eines Ventilsitzes 13 von der Federkraft einer Feder 15 beaufschlagt ist. Der Ventilsitz 13 ist als ringförmiger Absatz einer die Drosselplatte 17 durchsetzenden Bohrung ausgebildet, die zugleich der Ausbildung der Drossel 11 dient. Da die Feder 15 in dem ersten Kopplerraum 9.1 angeordnet ist, bewirkt ein Druckabfall im ersten Kopplerraum 9.1 das Öffnen des Rückschlagventils 12. Der Abfluss von Kraftstoff aus dem zweiten Kopplerraum 9.2 in den ersten Kopplerraum 9.1 erhöht sich, bis der damit einhergehende Druckabfall im zweiten Kopplerraum 9.2 ein Öffnen der Düsennadel 1 ermöglicht. Die Düsennadel 1 folgt dem Hub des Ankers 7 und des Kopplerkolbens 16 und gibt auf diese Weise die Einspritzöffnungen 4 frei. Die Einspritzung beginnt.
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Zur Unterbrechung der Einspritzung wird die Bestromung der Magnetspule 6 beendet. Über die Federkraft einer am Kopplerkolben 16 abgestützten Feder 28 werden der Anker 7 und der Kopplerkolben 16 in ihre Ausgangslage zurück gestellt. Dadurch erhöht sich der Druck im ersten Kopplerraum 9.1, so dass das Rückschlagventil 12 schließt und die Drossel 11 abgeschaltet wird. Der Druckausgleich zwischen erstem und zweitem Kopplerraum 9.1, 9.2 kann beim Schließen der Düsennadel 1 demnach lediglich über die erste Drossel 10 bewirkt werden, so dass beim Schließen der Düsennadel eine stärkere Dämpfung der Düsennadelgeschwindigkeit als beim Öffnen erzielt wird. Mit Druckanstieg im zweiten Kopplerraum 9.2 wird eine hydraulische Schließkraft bewirkt, die in der Folge zum Schließen der Düsennadel 1 führt. Die Einspritzung wird beendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007002758 A1 [0003]
