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Die Erfindung betrifft zunächst eine
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit
mindestens zwei in etwa parallelen Ventilelementen, denen jeweils
ein eigener Ventilsitz und jeweils mindestens eine eigene Kraftstoff-Austrittsöffnung zugeordnet
sind.
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Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist
aus der
DE 29 43 895
A1 bekannt. Dort wird eine Einspritzdüse beschrieben, welche zwei
nebeneinander angeordnete Ventilelemente umfasst. Diese arbeiten
jeweils mit einer Sacklockdüse
zusammen. Durch die nacheinander erfolgende oder gegebenenfalls
sogar vollkommen unabhängig
voneinander erfolgende Betätigung
der beiden Ventilelemente können
von der bekannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung sehr kleine und
sehr große
Kraftstoffmengen in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der Kraftstoffverbrauch,
das Emissions- und das Geräuschverhalten der
Brennkraftmaschine verbessert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das eine Ventilelement
eine geringere Sitzdrosselung als das andere Ventilelement aufweist.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
werden bei den beiden vorgesehenen Ventilelementen unterschiedliche
Einspritzcharakteristiken realisiert. Der Druckaufbau des Einspritzstrahls
hängt nämlich davon
ab, ob überhaupt eine
Sitzdrosselung zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz vorhanden
ist und, wenn ja, wie stark diese Sitzdrosselung ist. Erfindungsgemäß können mit
ein und derselben Kraftstoff-Einspritzvorrichtung auf einfache Art
und Weise unterschiedliche Druckverläufe bei einer Einspritzung
von Kraftstoff realisiert werden.
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Ein Ventilelement, welches mit eher
geringer Sitzdrosselung arbeitet, bringt Vorteile bei geringer und
mittlerer Last der Brennkraftmaschine, wenn in dem der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
zugeordneten Brennraum nur ein vergleichsweise niedriger Druck herrscht.
Umgekehrt bringt ein Ventilelement, welches mit einer stärkeren Sitzdrosselung
arbeitet, Vorteile bei höheren
Lasten der Brennkraftmaschine, bei den in dem entsprechenden Brennraum
vergleichsweise hohe Drücke
herrschen. Diese Vorteile kommen dem Verbrennungsgeräusch, dem
Emissionsverhalten und dem Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine
in dem jeweiligen Betriebszustand zugute.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung wird
vorgeschlagen, dass das eine Ventilelement im Wesentlichen ohne
Sitzdrosselung arbeitet. Dies führt
zu einem besonders bei niedrigen Lasten und Brennraumdrücken vorteilhaft
Druckverlauf bei der Einspritzung.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das
Ventilelement mit der geringeren Sitzdrosselung einen Tothub aufweist.
Durch einen solchen Tothub ist es möglich, dass zunächst das
Ventilelement von seinem Ventilsitz freikommt und erst dann die
Austrittsöffnungen
freigegeben werden. Dies ist eine einfache und robuste Realisierung
einer Ventilanordnung mit geringer bzw. überhaupt nicht vorhandener
Sitzdrosselung.
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Vorteilhaft ist auch, wenn die Ventilelemente vollkommen
unabhängig
voneinander betätigt
werden können.
In diesem Fall ist eine optimale Anpassung der Einspritzcharakteristiken
an den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine möglich.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der mindestens
einen Austrittsöffnung,
welche dem Ventilelement zugeordnet ist, welches eine geringere Sitzdrosselung
aufweist, kleiner ist als der Querschnitt der mindestens einen Austrittsöffnung,
welche dem Ventilelement zugeordnet ist, welches mit stärkerer Sitzdrosselung
arbeitet. In diesem Fall wird von jenem Ventilelement, welches eine
geringere Sitzdrosselung aufweist, die Einspritzung kleinerer Kraftstoffmengen abgedeckt,
wohingegen eine Betätigung
des anderen Ventilelements, welches mit Sitzdrosselung arbeitet,
zur Einspritzung größerer Kraftstoffmengen
dient.
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Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
baut dann besonders kompakt, wenn ein gemeinsamer Hochdruckanschluss
für alle
Ventilelemente vorhanden ist.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren
zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine,
bei dem der Kraftstoff von mindestens einer Einspritzvorrichtung
mit mindestens zwei Ventilelementen in einen Brennraum gelangt. Ein
solches Verfahren ist ebenfalls aus der
DE 29 43 895 A1 bekannt.
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Bei einem solchen Verfahren wird
besonders bevorzugt, dass bei einer Betätigung des einen Ventilelements
an diesem eine geringere Sitzdrosselung auftritt als bei einer Betätigung des
anderen Ventilelements, und dass die Ventilelemente unabhängig voneinander,
aber abhängig
vom aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine betätigt werden.
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Im Hinblick auf die Vorteile des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird auf die oben aufgeführten Vorteile
der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
verwiesen.
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Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird vorgeschlagen, dass dann, wenn die Last der Brennkraftmaschine
oder ein entsprechender Betriebsparameter einen oberen Grenzwert
mindestens erreicht, nur noch jenes Ventilelement betätigt wird,
welches eine stärkere
Sitzdrosselung aufweist, und das andere Ventilelement mit geringerer
Sitzdrosselung in seiner geschlossenen Stellung verbleibt. Bei hoher
Last wird somit die Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum
von jenem Ventilelement bewirkt, welches bei einer Betätigung eine
Sitzdrosselung zeigt. Dies ermöglicht
eine Einspritzcharakteristik, wie sie bei hoher Last besonders günstig ist.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu
wird ferner vorgeschlagen, dass dann, wenn die Last der Brennkraftmaschine
oder ein entsprechender Betriebsparameter einen unteren Grenzwert
mindestens erreicht, nur noch das Ventilelement mit geringere Sitzdrosselung
betätigt
wird, und das Ventilelement mit stärkerer Sitzdrosselung in seiner
geschlossenen Stellung verbleibt. Bei geringer Last wird also ohne oder
nur mit geringer Sitzdrosselung gearbeitet, was für diesen
Betriebsbereich der Brennkraftmaschine zu einer besonders günstigen
Einspritzcharakteristik führt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
besteht auch darin, dass zum Einbringen kleiner Voreinspritzmengen
nur das Ventilelement mit geringerer Sitzdrosselung betätigt wird
und das Ventilelement mit stärkere
Sitzdrosselung in seiner geschlossenen Stellung verbleibt. Auch
beim Einbringen kleiner Voreinspritzmengen hat sich ein Druckverlauf
als sinnvoll und günstig
herausgestellt, welcher durch ein Ventilelement realisiert wird,
welches eine eher geringere Sitzdrosselung aufweist.
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Die Erfindung betrifft auch eine
Brennkraftmaschine mit mindestens einem Brennraum und mit einer
dem Brennraum zugeordneten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung zum Einspritzen
von Kraftstoff. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
zum Einspritzen von Kraftstoff in der obigen Art ausgebildet ist.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung im Detail erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung;
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2 einen
teilweisen Schnitt durch die Kraftstoffeinspritzvorrichtung von 1;
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3 ein
Ablaufschema eines Verfahrens zum Betreiben der Kraftstoffeinspritzvorrichtung
von 1.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 trägt ein Kraftstoffsystem
einer Brennkraftmaschine insgesamt das Bezugszeichen 10.
Es umfasst einen Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 14 Kraftstoff
fördert. Über eine
Niederdruck-Kraftstoffleitung 16 gelangt der Kraftstoff
zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18. Diese komprimiert
den Kraftstoff auf ein sehr hohes Druckniveau und fördert den
komprimierten Kraftstoff in eine Kraftstoff-Sammelleitung 20,
welche auch als "Rail" bezeichnet wird.
An die Kraftstoff-Sammelleitung 20 sind mehrere Injektoren 22 angeschlossen,
die den Kraftstoff direkt in ihnen zugeordnete Brennräume 24 einspritzen.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass
das in 1 dargestellte
Kraftstoffsystem 10 gleichermaßen bei Brennkraftmaschinen
mit Benzin-Direkteinspritzung als auch bei Brennkraftmaschinen mit
Diesel-Direkteinspritzung verwendet werden kann. Der genaue Aufbau
der Injektoren 22 ist aus 2 ersichtlich:
Ein
Injektor 22 umfasst ein Gehäuse 26, welches aus einem
Unterteil 28 und einem Oberteil 30 besteht. Zwischen
Unterteil 28 und Oberteil 30 sind in 2 nicht dargestellte Dichtmittel
vorhanden. In dem Gehäuse 26 sind
zwei Ventilelemente 32 und 34 untergebracht.
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Das in 2 linke
Ventilelement 32 öffnet nach
außen
und ist Teil einer sogenannten "A-Düse" bzw. Vario-Düse. Hierzu
nun im Einzelnen:
Auf einen in 2 oberen
zylindrischen Bereich 35 des länglichen Ventilelements 32 ist
eine Hülse 36 aufgeschoben,
welche an ihrem in 2 oberen Rand
einen radial nach außen
weisenden umlaufenden Kragen 38 aufweist. Nach oben hin
liegt die Hülse 36 an
einem Haltering 40 an, welcher in einer Nut (ohne Bezugszeichen)
des Ventilelements 32 verrastet ist.
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An dem Kragen 38 der Hülse 36 stützt sich ein
Ende einer Druckfeder 42 ab, welche mit ihrem anderen Ende
wiederum einen auf die Hülse 36 fluiddicht
aufgeschobenen Dichtring 44 beaufschlagt. Dieser wird hierdurch
mit einem in 2 unteren spitz
zulaufenden Rand gegen einen Absatz (ohne Bezugszeichen) einer Stufenbohrung 46 im
Unterteil 28 des Gehäuses 26 gedrückt.
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Ein mittlerer Abschnitt 48 des
Ventilelements 32 weist mehrere um den Umfang des Ventilelements 32 verteilt
angeordnete angeschliffene plane Flächen (ohne Bezugszeichen) auf.
In diesem Bereich sind somit zwischen dem Ventilelement 32 und
der Stufenbohrung 46 im Gehäuse 26 mehrere Spalte
vorhanden. Im Bereich des unteren Rands des Abschnitts 48 des
Ventilelements 32 wird die Stufenbohrung 46 nach
unten hin weiter. Unterhalb eines zylindrischen Abschnitts 54 des
Ventilelements 32 befindet sich ein eingeschnürter Abschnitt 56 mit
vergleichsweise geringem Durchmesser. Auf diese Weise wird ein ringförmiger Druckraum 60 geschaffen, der
auf noch näher
darzustellende Art und Weise mit einem Hochdruckanschluss 62 in
Verbindung steht. An den Abschnitt 56 schließt sich
wiederum ein Abschnitt 58 des Ventilelements 32 an,
dessen Außendurchmesser
in etwa Innendurchmesser der Stufenbohrung 46 in diesem
Bereich entspricht.
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Vom Druckraum 60 führen Bohrungen 64 zunächst in
etwa axial nach unten und dann in etwa radial nach außen zu Kraftstoff-Austrittsöffnungen 66. Diese
befinden sich auf der Mantelfläche
des Abschnitts 58 des Ventilelements 32. Sie sitzen
bei geschlossenem Ventilelement 32 etwas oberhalb des unteren
Rands des Unterteils 28 des Gehäuses 26. Die Distanz
zwischen dem unteren Rand des Unterteils 28 und den Kraftstoff-Austrittsöffnungen 66 bildet,
wie noch darzustellen ist, einen Tothub ht. An dem in 2 unteren Ende trägt das Ventilelement 32 einen
wiederum erweiterten Abschnitt 67. Der Übergang zwischen dem Abschnitt 58 und
dem Abschnitt 67 wird durch eine relativ scharfe Innenkante gebildet.
Am Unterteil 28 des Gehäuses 26 ist
in diesem Bereich ebenfalls eine scharfe Kante vorhanden, welche
für den
Abschnitt 67 des Ventilelement 32 einen Ventilsitz 69 bildet.
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Zwischen dem in 2 oberen Abschnitt des Ventilelements 32,
dem Dichtring 44, dem Unterteil 28 des Gehäuses 26 und
der Hülse 36 ist
ein Steuerraum 68 vorhanden. Dieser steht einerseits über in 2 nicht näher dargestellte
Kanäle und
eine ebenfalls nicht dargestellte Zulaufdrossel mit dem Hochdruckanschluss 62,
und andererseits über
ebenfalls nicht näher
dargestellte Kanäle
und eine Ablaufdrossel mit einem Steuerventil 70 in Verbindung,
welches den Steuerraum 68 mit einem Niederdruckanschluss 72 verbinden
kann. Der Hochdruckanschluss 62 und der Niederdruckanschluss 72 sind
auch in 1 dargestellt.
Die Hülse 36 liegt
an der Innenwand der Stufenbohrung 46 an und dichtet hierdurch
den Steuerraum 68 zusätzlich
ab.
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Das in 2 rechte
Ventilelement 34 arbeitet mit einer Sacklochdüse 74 zusammen.
Dies wird nun im Einzelnen erläutert.
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Auf einen in 2 oberen. Abschnitt 76 des Ventilelements 32 ist
ein Dichtring 78 aufgeschoben. Er wird von einem Ende einer
Druckfeder 80 mit einer spitz zulaufenden umlaufenden Kante
gegen das Oberteil 30 des Gehäuses 26 gedrückt. Die
Druckfeder 80 stützt
sich mit ihrem anderen Ende an einem Stützring 82 ab, der
wiederum auf einem umlaufenden Kragen 84 des Ventilelements 34 aufliegt.
Unmittelbar unterhalb des Kragens 84 ist am Ventilelement 34 ein
Führungsabschnitt 86 vorhanden.
In diesem Abschnitt 86 entspricht der Durchmesser des Ventilelements 34 ungefähr dem Durchmesser
einer Sackbohrung 88 im Unterteil 28, in der das
Ventilelement 34 aufgenommen ist.
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Aufgrund plan geschliffener, über den
Umfang des Ventilelements 34 verteilter Planflächen (ohne
Bezugszeichen) sind zwischen dem Ventilelement 34 und der
Sackbohrung 88 im Bereich des Führungsabschnitts 86 Spalte
vorhanden. Ein in 2 unterhalb
des Führungsabschnitts 86 gelegener
Abschnitt 92 des Ventilelements 32 hat einen Außendurchmesser,
der etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der Sackbohrung 88 in
diesem Bereich. Auf diese Weise ist zwischen dem Abschnitt 92 des Ventilelements 34 und
der Sackbohrung 88 ein Ringraum 94 vorhanden.
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Unterhalb des Abschnitts 92 ist
das in 2 untere Ende
des Ventilelements 34 konisch spitz zulaufend mit zwei
unterschiedlichen Winkelbereichen ausgebildet. Hierdurch wird eine
Kante 96 gebildet. Auch die Sackbohrung 88 verjüngt sich
in diesem Bereich konisch und bildet so eine Ventilsitzfläche 98 für die Kante 96 des
Ventilelements 34. Bohrungen 100 führen schließlich zu
Austrittsöffnungen 102 im
Unterteil 28 des Gehäuses 26.
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Über
einen Kanal 104 ist die Sackbohrung 88 ebenfalls
mit dem Hochdruckanschluss 62 verbunden. Eine Zulaufdrossel 106 im
Dichtring 78 führt
zu einem Steuerraum 108. Dieser ist wiederum über einen
Kanal 110 mit einem Steuerventil 112 verbunden, durch
welches der Steuerraum 108 mit dem Niederdruckbereich 72 verbunden
werden kann. Ein Verbindungskanal 114 führt von der Sackbohrung 88 zur Stufenbohrung 46.
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Der in 2 dargestellte
Injektor 22 arbeitet nach dem in 3 dargestellten Verfahren:
Nach
einem Startblock 116 wird in einem Block 118 abgefragt,
ob die Brennkraftmaschine gerade mit niedriger oder mit Teillast
arbeitet. Ist die Antwort im Block 118 "nein",
wird im Block 120 abgefragt, ob eine Voreinspritzung durchgeführt werden
soll. Ist die Antwort im Block 120 ebenfalls "nein", bedeutet dies, dass
eine die Brennkraftmaschine gerade mit hoher Last betrieben wird
und eine Einspritzung durch eine Betätigung des in 2 rechten Ventilelements 39 erfolgen
soll. Diese Betätigung
erfolgt durch ein Schalten des Steuerventils 112. Ist die Antwort
in einem der Blöcke 118 oder 120 "ja", bedeutet dies, dass
im Brennraum der Brennkraftmaschine nur ein geringer Druck herrscht
und/oder Voreinspritzungen durchgeführt werden sollen und das Ventilelement 32 betätigt werden
soll. Daher wird in diesem Fall das Steuerventil 70 angesteuert.
Das Verfahren endet im Endblock 122.
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Wenn kein Kraftstoff von dem Injektor 22 eingespritzt
werden soll, sind die beiden Steuerventile 70 und 112 geschlossen.
In diesem Fall herrscht in den Steuerräumen 68 und 108 der
gleiche Druck wie am Hochdruckanschluss 62. Durch den Druck
auf die Steuerflächen
an der mit dem Ventilelement 32 verbundenen Hülse 36 einerseits
und am Ventilelement 34 andererseits und durch die Beaufschlagung
durch die Druckfedern 42 und 80 werden die Ventilelemente 32 und 34 in
die geschlossene Stellung gedrückt. In
dieser liegen der Abschnitt 67 des Ventilelements 32 am
Dichtsitz 69, und die Dichtkante 96 des Ventilelements 34 an
der Ventilsitzfläche 98 an.
Diese ist in 2 dargestellt.
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Wenn das Ventilelement 34 so
geschaltet werden soll, dass durch die Austrittsöffnungen 102 Kraftstoff
austritt, wird über
das Steuerventil 112 der Steuerraum 108 mit dem
Niederdruckbereich 72 kurzzeitig verbunden. Hierdurch sinkt
der Druck im Steuerraum 108. Aufgrund des am in 2 unteren Endes des Ventilelements 34 wirkenden
hohen Kraftstoffdrucks wird nun das Ventilelement 34 gegen
die Kraft der Druckfeder 80 nach oben gedrückt und
gibt so die Verbindung zwischen den Bohrungen 100 und dem
Hochdruckanschluss 62 frei. Während der Abhebebewegung der
Dichtkante 96 von der Ventilsitzfläche 98 (und während der
nachfolgenden Annäherung
beim Schließen
des Ventilelements 34) kommt es zu einem Sitzdrosseleffekt,
durch den der Druck des eingespritzten Kraftstoffes beeinflusst
wird.
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Wenn eine Einspritzung von Kraftstoff
durch die Kraftstoff-Austrittsöffnungen 66 erfolgen
soll, wird in analoger Weise das Steuerventil 70 so angesteuert,
dass der Steuerraum 68 mit dem Niederdruckbereich 72 verbunden
ist und der Druck im Steuerraum 68 entsprechend abfällt. Aufgrund
des im Druckraum 60 herrschenden hohen Drucks (dieser wird
vom Hochdruckanschluss 62, die Sackbohrung 88 und den
Verbindungskanal 114 übertragen)
wird nun das Ventilelement 32 entgegen der Kraft durch
die Druckfeder 42 nach unten bewegt, wodurch der Abschnitt 67 vom
Dichtsitz 69 frei kommt.
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Dabei sind die Kraftstoff-Austrittsöffnungen 66 zunächst noch
von der Innenwand der Stufenbohrung 46 im Unterteil 28 verdeckt,
so dass dennoch noch kein Kraftstoff austreten kann. Erst wenn sich das
Ventilelement 32 um mehr als den Tothub ht bewegt hat,
kommen die Kraftstoff-Austrittsöffnungen 66 frei.
Da zu diesem Zeitpunkt der Abschnitt 67 des Ventilelements 32 schon
relativ weit vom Ventilsitz 69 weg ist, tritt hierbei eine
Sitzdrosselung – wenn überhaupt – nur noch
in geringem Umfang auf. Jedenfalls ist die Sitzdrosselung beim Ventilelement 32 deutlich geringer
als beim Ventilelement 34.