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Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Dosieren eines gasförmigen Kraftstoffs, wie er beispielsweise Verwendung findet, um einen gasförmigen Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzudosieren.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Injektoren bekannt, mit denen gasförmiger Kraftstoff dosiert werden kann. So ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 225 073 A1 ein Injektor bekannt, der eine längsbewegliche Düsennadel aufweist, die in einem mit gasförmigem Kraftstoff befüllbaren Druckraum innerhalb eines Düsenkörpers angeordnet ist. Durch eine Längsbewegung der Düsennadel kann ein Eindüsquerschnitt freigegeben werden, wobei die Düsennadel an ihrem ventilsitzseitigen Ende, der auch dem Brennraum zugewandt ist, einen Dichtungsabschnitt aufweist, mit der die Düsennadel dort geführt ist. Im Bereich des Düsensitzes sind eine erste Reihe von Eindüsöffnungen für gasförmigen Kraftstoff und eine zweite Reihe von Einspritzöffnungen für flüssigen Kraftstoff ausgebildet, wobei die Düsennadel bei ihrem Öffnungshub zuerst die Eindüsöffnungen freigibt und die Einspritzöffnungen, wenn der Dichtungsabschnitt aus der entsprechenden Führungsbohrung austaucht. Die Düsennadel weist dabei eine Längsbohrung auf, die mit einem flüssigen Kraftstoff befüllbar ist, so dass die Düsennadel bei ihrem Öffnungshub zuerst die erste Eindüsöffnungsreihe mit dem Gasraum verbindet und bei ihrem weiteren Öffnungshub die zweite Einspritzöffnungsreihe mit dem flüssigen Kraftstoff, so dass zuerst Gas und anschließend ein flüssiger Kraftstoff eingespritzt wird. Dabei kann es je nach Betrieb der Einspritzdüse auch zu einer Vermischung von gasförmigem und flüssigem Kraftstoff kommen.
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Bei dem bekannten Injektor kann jedoch weder der Einspritzquerschnitt für den flüssigen Kraftstoff noch der Eindüsquerschnitt für den gasförmigen Kraftstoff weiter variiert werden, d. h., dass eine Dosierung des gasförmigen bzw. flüssigen Kraftstoffs ausschließlich über die Zeit, die der Injektor geöffnet ist, und über den Druck der jeweiligen Medien gesteuert werden kann. Dies erschwert genaue Dosierung des gasförmigen bzw. flüssigen Kraftstoffs, wenn sich der Betriebspunkt der Brennkraftmaschine schnell ändert.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Dosieren eines gasförmigen Kraftstoffs weist den Vorteil auf, dass eine genaue Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs bei verschiedenen Betriebsbedingungen in einfacher Weise möglich ist, insbesondere ohne den Druck des gasförmigen Kraftstoffs im Injektor zu ändern. Dazu weist der Injektor einen Düsenkörper auf, in dem ein mit gasförmigem Kraftstoff befüllbarer Druckraum ausgebildet ist mit einer darin längsverschiebbaren Düsennadel. Die Düsennadel wirkt mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen wenigstens einer ersten Eindüsöffnung zusammen, durch die gasförmiger Kraftstoff aus dem Druckraum ausgedüst werden kann. Am Ende der Düsennadel ist am ventilsitzseitigen Ende ein Führungsabschnitt ausgebildet, der in eine Führungsbohrung im Düsenkörper eintaucht und dort radial geführt wird, wobei am Führungsabschnitt ein erster Dichtabschnitt ausgebildet ist, der mit der Führungsbohrung eine Schieberdichtung bildet, wenn die Düsennadel in Anlage am Ventilsitz ist. Am Führungsabschnitt der Düsennadel ist ein zweiter Dichtabschnitt in der Führungsbohrung ausgebildet, wobei wenigstens eine zweite Eindüsöffnung zwischen dem ersten Dichtabschnitt und dem zweiten Dichtabschnitt von der Führungsbohrung ausgeht. Die Düsennadel taucht bei ihrem maximalen Öffnungshub mit dem Dichtabschnitt aus der Führungsbohrung aus und gibt dabei einen Strömungsquerschnitt zu der wenigstens zweiten Eindüsöffnung frei.
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Je nach Hub der Düsennadel wird entweder nur die wenigstens eine erste Eindüsöffnung oder zusätzlich auch die wenigstens eine zweite Eindüsöffnung freigegeben, indem der Dichtabschnitt entweder aus der Führungsbohrung austaucht oder - durch den beschränkten Hub der Düsennadel - in dieser verbleibt. Durch den zweiten Führungsabschnitt ist dabei sichergestellt, dass die Düsennadel radial bezüglich der Eindüsöffnungen und des Ventilsitzes in ihrer definierten Mittellage bleibt, was die Funktionalität der Düsennadel sicherstellt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung reicht die Führungsbohrung dabei bis zur Außenseite des Düsenkörpers. Dies erleichtert die Fertigung und senkt damit die Herstellungskosten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist im Führungsabschnitt der Düsennadel zwischen dem ersten Dichtabschnitt und dem zweiten Dichtabschnitt eine umlaufende Ringnut ausgebildet, von der die wenigstens eine zweite Eindüsöffnung ausgeht. Durch die Ringnut ist sichergestellt, dass sich der gasförmige Kraftstoff gleichmäßig auf die zweiten Eindüsöffnungen verteilt, wenn mehrere davon vorgesehen sind. Darüber hinaus kann über die Gestaltung der Ringnut eine verlustarme Einströmung des Gases in die zweiten Eindüsöffnungen erreicht werden und damit einen hohen effektiven Eindüsdruck.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in der Düsennadel eine Längsbohrung ausgebildet, die am ventilsitzseitigen Ende einen inneren Ventilsitz ausbildet, wobei in der Längsbohrung eine innere Düsennadel längsverschiebbar angeordnet ist. Diese wirkt mit dem inneren Ventilsitz zum Öffnen und Schließen wenigstens eines Spritzlochs zusammen, das in der Düsennadel ausgebildet ist. Dadurch, dass die Führungsbohrung den Düsenkörper durchsetzt, ist die Anordnung der inneren Düsennadel in der Düsennadel und damit die Steuerung eines Spritzlochs innerhalb der Außennadel möglich, so dass beispielsweise ein weiterer Kraftstoff über die innere Düsennadel dosiert werden kann, unabhängig von der Bewegung der äußeren Düsennadel, die jedoch ihre Fähigkeit zur Steuerung des gasförmigen Eindüsquerschnitts beibehält. Dazu ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass die Spritzlöcher zumindest im geschlossenen Zustand der Düsennadel aus der Führungsbohrung herausragen, so dass eine problemlose Einbringung des zweiten Kraftstoffs, insbesondere eines flüssigen Kraftstoffs, der durch die innere Düsennadel gesteuert wird, ermöglicht wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Vielzahl von ersten Eindüsöffnungen im Düsenkörper ausgebildet, die über den Umfang des Düsenkörpers verteilt angeordnet sind. Diese sind dabei vorzugsweise bezüglich einer Längsachse des Düsenkörpers auf der gleichen Höhe angeordnet. Damit lässt sich der gasförmige Kraftstoff gleichmäßig in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine verteilen und über die Anzahl der Eindüsöffnungen kann ein großer Eindüsquerschnitt zur Verfügung gestellt werden, was insbesondere bei gasförmigen Kraftstoffen wichtig ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Ventilsitz konisch ausgebildet, wobei sich an den konischen Ventilsitz eine Auskerbung im Düsenkörper anschließt, von der die wenigstens eine erste Eindüsöffnung ausgeht. Auch diese Auskerbung dient dazu, den gasförmigen Kraftstoff gleichmäßig über den Umfang zu verteilen, wenn mehrere erste Eindüsöffnungen vorgesehen sind, um den gasförmigen Kraftstoff gleichmäßig auf diese zu verteilen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der maximale Öffnungshub der Düsennadel durch einen variablen Hubanschlag festgelegt. Dieser variable Hubanschlag kann beispielsweise mechanisch ausgeführt sein, um dadurch den maximalen Öffnungshub der Düsennadel mit einem festen Anschlag zu begrenzen.
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In einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Injektors nach einem der vorhergehenden Ansprüche wird der maximale Öffnungshub der Düsennadel abhängig von der gewünschten Menge des gasförmigen Kraftstoffs eingestellt, indem bei einer geringeren gewünschten Menge der maximale Öffnungshub auf einen Wert eingestellt wird, bei dem der Dichtungsabschnitt der Düsennadel nicht aus der Führungsbohrung austaucht, so dass die wenigstens eine zweite Eindüsöffnung durch die Düsennadel verschlossen bleibt. Damit kann je nach gewünschtem Eindüsquerschnitt durch einfache Variationen des maximalen Öffnungshubs der Eindüsquerschnitt variiert werden und damit eine Anpassung an die gewünschte Dosierung des gasförmigen Kraftstoffs vorgenommen werden.
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Entsprechend wird bei der maximal gewünschten Menge des ausgedüsten gasförmigen Kraftstoffs der maximale Öffnungshub so eingestellt, dass sowohl die wenigstens eine erste Einspritzöffnung als auch die wenigstens eine zweite Einspritzöffnung vom gasförmigen Kraftstoff erreicht wird, indem der erste Dichtungsabschnitt bei maximalem Öffnungshub der Düsennadel aus der Führungsbohrung austaucht.
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Zeichnung
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In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer Injektor schematisch dargestellt. Dazu zeigt die 1 einen erfindungsgemäßen Injektor im Längsschnitt, wobei die übrigen Komponenten des Kraftstoffzufuhrsystems, dessen Teil der Injektor ist, nur angedeutet sind.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Injektor schematisch im Längsschnitt dargestellt. Der Injektor weist einen Düsenkörper 1 auf, in dem ein Druckraum 2 ausgebildet ist. Im Druckraum 2 ist eine kolbenförmige Düsennadel 3 längsverschiebbar angeordnet, die in einem Führungsbereich 5 innerhalb des Druckraums 2 geführt ist. Die Düsennadel 3 weist an ihrem in der Zeichnung unteren Ende einen Führungsabschnitt 13 auf, der zylinderförmig ausgebildet ist und der in einer Führungsbohrung 10 geführt ist, wobei die Führungsbohrung 10 einem konischen Ventilsitz 6 nachgeordnet ist, der im Druckraum 2 ausgebildet ist. Entsprechend weist die Düsennadel 3 eine konische Dichtfläche 7 auf, mit der sie mit dem Ventilsitz 6 zum Öffnen und Schließen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Anschließend an den konischen Ventilsitz 6 ist im Düsenkörper 1 eine Auskerbung 9 ausgebildet, von der die ersten Eindüsöffnungen 8 ausgehen, die als Schrägbohrung innerhalb des Düsenkörpers 1 ausgebildet sind. Im Führungsabschnitt 13 der Düsennadel 3 ist eine Ringnut 12 ausgebildet, die den Führungsabschnitt 13 in einen ersten Dichtabschnitt 14, der sich an die Auskerbung 9 anschließt, und einen sich brennraumseitig an die Ringnut 12 anschließenden zweiten Dichtabschnitt 15 unterteilt. Von der Ringnut 12 gehen zweite Eindüsöffnungen 11 aus, die ebenfalls als Schrägbohrungen innerhalb des Düsenkörpers 1 ausgebildet sind und die zumindest im Wesentlichen parallel zu den ersten Eindüsöffnungen 8 ausgebildet sind.
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Der erste Dichtabschnitt 14 wirkt in der Weise, dass bei Anlage der Düsennadel 3 auf dem konischen Ventilsitz 6 eine Abdichtung der Auskerbung 9 gegenüber der umlaufenden Ringnut 12 stattfindet. Das heißt, dass beim Abheben der Düsennadel 3 vom Ventilsitz 6 zuerst nur die Auskerbung 9 und damit die ersten Eindüsöffnungen 8 mit dem Druckraum 2 verbunden werden. Solange der Hub der Düsennadel 3 kleiner ist als die axiale Länge des ersten Dichtabschnitts 14, die in der 1 mit h bezeichnet ist, strömt der gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum 2 nur zu den ersten Eindüsöffnungen 8. Erst wenn die Düsennadel 3 einen Hub größer als h durchfährt, taucht der Führungsabschnitt 13 so weit aus der Führungsbohrung 10 aus, dass der Dichtabschnitt 14 in den Bereich der Auskerbung 9 kommt und eine Verbindung zwischen der Auskerbung 9 und der umlaufenden Ringnut 12 hergestellt wird. Damit gelangt nun gasförmiger Kraftstoff auch zu den zweiten Eindüsöffnungen 11. Durch den zweiten Dichtabschnitt 15 ist dabei sichergestellt, dass der gasförmige Kraftstoff nicht zwischen der Führungsbohrung 10 und den Führungsabschnitt 13 an den ersten und zweiten Eindüsöffnungen 8,11 vorbeiströmen kann.
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In der Düsennadel 3 ist eine Längsbohrung 18 ausgebildet, durch die ein innerer Druckraum 21 gebildet wird. Im inneren Druckraum 21 ist eine innere Düsennadel 19 längsverschiebbar angeordnet, die mit einem Führungsbereich 20 in der Düsennadel 3 geführt ist. Am brennraumseitigen, in der Zeichnung unteren Ende des inneren Druckraums 21 ist ein innerer Ventilsitz 22 ausgebildet, mit dem die innere Düsennadel 19 mit einer inneren Dichtfläche 23 zum Öffnen und Schlie-ßen eines Strömungsquerschnitts zusammenwirkt. Hebt die innere Düsennadel 19 vom inneren Ventilsitz 22 ab, so kann Kraftstoff aus dem inneren Druckraum 21 zu Spritzlöchern 24 fließen, die am brennraumseitigen Ende der Düsennadel 3 ausgebildet sind.
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Zur Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel 5 ist im Düsenkörper 1 ein äußerer Steuerraum 25 ausgebildet, der durch den Düsenkörper 1, die ventilsitzabgewandte Stirnseite der Düsennadel 5 und einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten Haltekörper des Injektors begrenzt wird. Im äußeren Steuerraum 25 kann ein wechselnder Druck eingestellt werden, wie später noch näher beschrieben wird. Entsprechend ist die innere Düsennadel 19 an ihrem brennraumabgewandten Ende von einer Hülse 30 umgeben, die ebenfalls den äußeren Steuerraum 25 begrenzt. Darüber hinaus begrenzt die Hülse 30 mit ihrer Innenseite einen inneren Steuerraum 31, der darüber hinaus von der brennraumabgewandten Stirnseite der inneren Düsennadel 19 gebildet wird. Im inneren Steuerraum 31 ist eine innere Schließfeder 32 unter Druckvorspannung angeordnet, die die innere Düsennadel 19 in Richtung des inneren Ventilsitzes 22 vorspannt. Zur Beaufschlagung der Düsennadel 3 mit einer Schließkraft ist entsprechend zwischen der Hülse 30 und der Stirnseite der Düsennadel 5 eine äußere Schließfeder 26 unter Druckvorspannung angeordnet, die in gleicher Weise die Düsennadel 3 in Richtung des Ventilsitzes 6 vorspannt.
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Die Befüllung des Druckraums 2 mit gasförmigem Kraftstoff geschieht aus einem Gasbehälter 35, der in der 1 nur schematisch dargestellt ist. Vom Gasbehälter 35 führt eine Gasleitung 36 zu einer im Düsenkörper 1 ausgebildeten Zuführbohrung 37, die in den Druckraum 2 mündet. Die Befüllung des inneren Druckraums 21 geschieht in analoger Weise aus einem Kraftstoffbehälter für flüssigen Kraftstoff, der dort verdichtet, d. h. unter hohem Druck, vorliegt. Über eine erste Druckleitung 40 wird der flüssige Kraftstoff über eine im Düsenkörper 1 ausgebildete Zuführbohrung 43 und eine in der Düsennadel 3 ausgebildete Schrägbohrung 44 dem inneren Druckraum 21 zugeführt, so dass dort flüssiger Kraftstoff unter dem Druck, wie er durch den Kraftstoffbehälter 39 zur Verfügung gestellt wird, vorliegt.
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Zur Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel 3 und der inneren Düsennadel 19 wird der Druck im inneren Steuerraum 30 bzw. im äußeren Steuerraum 25 verändert. Dazu sind sowohl der äußere Steuerraum 25 über eine zweite Druckleitung 41 als auch der innere Steuerraum 31 über eine dritte Druckleitung 42 mit dem Kraftstoffbehälter 39 verbunden, wobei sowohl in der zweiten Druckleitung 41 als auch in der dritten Druckleitung 42 eine Drossel ausgebildet ist, um die Zuströmung des verdichteten flüssigen Kraftstoffs zu begrenzen. Zur Druckentlastung des inneren Steuerraums 31 ist dieser über eine Ablaufdrossel 51 mit einem zweiten Steuerventil 52 verbunden, so dass bei geöffnetem zweiten Steuerventil 52 der flüssige Kraftstoff aus dem inneren Steuerraum 31 in einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten Kraftstofftank abgeführt wird. Entsprechend ist der äußere Steuerraum 25 über eine Ablaufdrossel 48 mit einem ersten Steuerventil 49 verbunden, so dass bei geöffnetem ersten Steuerventil 49 flüssiger Kraftstoff aus dem äußeren Steuerraum 25 ebenfalls in den in der Zeichnung nicht dargestellten Kraftstoffbehälter abgeführt werden kann. Bei geöffnetem ersten Steuerventil 49 bzw. zweiten Steuerventil 52 sinkt damit der Kraftstoffdruck im äußeren Steuerraum 25 bzw. im inneren Steuerraum 31, so dass sich entsprechend die hydraulische Kraft auf die Düsennadel 3 bzw. die innere Düsennadel 19 verringert. Da gleichzeitig ein pneumatischer Druck auf die Düsennadel 3 durch den Druck auf eine Druckfläche 28, die an der Düsennadel 3 innerhalb des Druckraums 2 ausgebildet ist, in Längsrichtung wirkt, kann so über eine Druckminderung im äußeren Steuerraum 25 eine Längsbewegung der Düsennadel 3 erreicht werden und damit ein Abheben vom Ventilsitz 6. In gleicher Weise wird durch die Verringerung des hydraulischen Drucks im inneren Steuerraum 31 eine Verringerung der hydraulischen Kraft auf die Düsennadel 19 erreicht, der ein hydraulischer Druck auf eine Schulter 33 an der inneren Düsennadel 19 entgegenwirkt, so dass bei entsprechendem Druckabfall im inneren Steuerraum 31 eine Längsbewegung der inneren Düsennadel 19 stattfindet und damit ein Freigeben der Spritzlöcher 24.
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Die Funktionsweise des Injektors ist wie folgt: Zu Beginn der Einspritzung bzw. der Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff sind sowohl das erste Steuerventil 49 als auch das zweite Steuerventil 52 geschlossen, und damit herrscht sowohl im äußeren Steuerraum 25 als auch im inneren Steuerraum 31 der Druck, wie er im Kraftstoffbehälter 39 zur Verfügung gestellt wird. Die dadurch bedingte hydraulische Schließkraft auf die innere Düsennadel 19 bzw. die Düsennadel 3 drückt die Düsennadel 3 gegen den Ventilsitz 6 bzw. die innere Düsennadel 19 gegen den inneren Ventilsitz 22 und verschließt damit sowohl die Spritzlöcher 24 als auch die ersten und zweiten Eindüsöffnungen 8, 11. Soll eine Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff mit nur geringem Querschnitt erfolgen, so wird der Druck im äußeren Steuerraum 25 durch das Schalten des ersten Steuerventils 49 vermindert. Die Bewegung der Düsennadel 3 gibt dann in der oben schon beschriebenen Art und Weise die ersten Eindüsöffnungen 8 frei. Wenn das erste Steuerventil 49 rechtzeitig wieder in seine Schließstellung gefahren wird, solange die Düsennadel 3 weniger Hub durchfahren hat die axiale Länge h des ersten Dichtabschnitts 14, so bleibt der erste Dichtabschnitt 14 in der Führungsbohrung 10. Damit werden die zweiten Eindüsöffnungen 11 nicht mit dem Druckraum 2 verbunden und es tritt gasförmiger Kraftstoff nur durch die ersten Eindüsöffnungen 8 aus. Die innere Düsennadel 19 kann unabhängig davon ebenfalls geöffnet werden, sowohl vor als auch nach den Eindüsöffnungen 8.
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Soll eine Eindüsung mit dem vollen Eindüsquerschnitt erfolgen, so wird der Druck im äußeren Steuerraum 25 solange reduziert, bis die äußere Düsennadel 3 mit dem ersten Dichtabschnitt 24 aus der Führungsbohrung 10 austaucht, so dass der gasförmige Kraftstoff aus dem Druckraum 2 sowohl durch die ersten Eindüsöffnungen 8 als auch die zweiten Eindüsöffnungen 11 austritt. Der zweite Dichtabschnitt 15 bleibt dabei unterhalb der zweiten Eindüsöffnungen 11. Zur Beendigung der Eindüsung des gasförmigen Kraftstoffs wird das erste Steuerventil 49 wieder geschlossen, so dass durch den ansteigenden hydraulischen Druck im äußeren Steuerraum 25 die Düsennadel 3 wieder zurück in ihre Schließstellung in Anlage am Ventilsitz 6 gedrückt wird. Auch hier kann die Steuerung der inneren Düsennadel 19 unabhängig von der Düsennadel 3 erfolgen, indem der hydraulische Druck im inneren Steuerraum 31 entsprechend über das zweite Steuerventil 52 erniedrigt wird.
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In der Regel werden mehrere erste Eindüsöffnungen 8 vorgesehen sein, die gleichmäßig über den Umfang des Düsenkörpers 1 verteilt angeordnet sind, ebenso wie mehrere zweite Eindüsöffnungen 11 vorgesehen sind. Die Führungsbohrung 10 durchsetzt den Düsenkörper 1 bis zu seiner Außenseite, so dass die Düsennadel 3 mit ihrem brennraumseitigen Ende aus der Führungsbohrung 10 hinausragt und die Spritzlöcher 24 direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine münden. Neben der Variation des Öffnungshubs der Düsennadel 3 über einen sogenannten ballistischen Betrieb, bei dem der Druck im äußeren Steuerraum 25 so reguliert wird, dass die Düsennadel 3 einen Hub kleiner als die axiale Länge h des ersten Dichtungsabschnitts 14 durchfährt, kann es auch vorgesehen sein, einen mechanischen Hubanschlag vorzusehen, der einen variablen maximalen Öffnungshub der Düsennadel 3 zur Verfügung stellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015225073 A1 [0002]
