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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse, mit einer in dem Gehäuse vorhandenen
Ausnehmung, mit mindestens zwei in der Ausnehmung koaxial zueinander
angeordneten Ventilelementen, welche jeweils mit einem entsprechenden Ventilsitz
zusammenarbeiten und denen jeweils mindestens eine entsprechende
Kraftstoff-Austrittsöffnung
zugeordnet ist.
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Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist
aus der
DE 40 23 223
A1 bekannt. In dieser ist eine Kraftstoff-Einspritzdüse für Brennkraftmaschinen
gezeigt. Zwei Ventilnadeln sind koaxial zueinander angeordnet. Beide
Ventilnadeln weisen jeweils eine Druckfläche auf. Die Druckflächen der
Ventilnadeln begrenzen jeweils einen Druckraum, welcher jeweils
mit einem Strömungskanal
verbunden ist, durch den Kraftstoff Druckraum strömen kann.
Die Druckflächen
sind dabei so ausgerichtet, dass bei einer Druckbeaufschlagung die
Ventilnadeln jeweils von dem ihnen zugeordneten Sitz abheben und
hierdurch entsprechende Austrittsöffnungen am Ende der Einspritzdüse freigeben. Über die
beiden voneinander unabhängigen
Strömungskanäle können die Ventilnadeln
unabhängig
voneinander angesteuert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
dass sie möglichst
einfach und kompakt baut.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass eine gemeinsame Ventileinrichtung
vorhanden ist, welche mindestens drei Schaltstellungen aufweist
und die Stellung der Ventilelemente beeinflusst.
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Vorteile der
Erfindung
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Die erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
benötigt
für den
Betrieb nur noch eine gemeinsame Ventileinrichtung, mit der alle
Ventilelemente wenigstens mittelbar angesteuert werden können. Sie
baut daher vergleichsweise kompakt. Da ferner eine vergleichsweise
geringe Anzahl an Teilen erforderlich ist, ist auch ihre Herstellung
preiswert. Dadurch, dass die erfindungsgemäß vorgesehene gemeinsame Ventileinrichtung
drei Schaltstellungen aufweist, ist eine hohe Flexibilität im Betrieb
der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
möglich.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung der
erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
wird vorgeschlagen, dass in einer ersten Schaltstellung der gemeinsamen
Ventileinrichtung beide Ventilelemente am Ventilsitz anliegen, in
einer zweiten Schaltstellung eines der beiden Ventilelemente von
seinem Ventilsitz abgehoben ist, und in einer dritten Schaltstellung
beide Ventilelemente von ihren Ventilsitzen abgehoben sind.
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In diesem Fall werden von der gemeinsamen Ventileinrichtung
sämtliche
wesentlichen Schaltzustände
einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
mit zwei Ventilelementen abgedeckt. Die Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
baut daher zum Einen kompakt und ermöglicht zum Anderen einen emissions-
und verbrauchsoptimalen Betrieb der Brennkraftmaschine.
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Dabei wird besonders bevorzugt, wenn
die gemeinsame Ventileinrichtung ein 3/3-Wegeventil umfasst, welches
mit einem Niederdruckanschluss, einem Steuerraum des ersten Ventilelements,
und einem Steuerraum einer hydraulisch schaltbaren Ventileinrichtung
verbunden ist, welche wiederum mit einem Steuerraum eines Ventilelements
und mit einem Hochdruckanschluss verbunden ist. Durch die Verwendung
einer hydraulisch schaltbaren Ventileinrichtung, deren Schaltstellung
von der gemeinsamen Ventileinrichtung beeinflusst wird, können hohe
Kraftstoffdrücke
realisiert werden, ohne dass die gemeinsame Ventileinrichtung besonders
komplex und/oder teuer baut. Gleichzeitig werden dennoch geringe
Leckagen innerhalb der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung realisiert.
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Vorgeschlagen wird auch, dass im
Strömungsweg
zwischen dem Hochdruckanschluss und dem Steuerraum der hydraulisch schaltbaren
Ventileinrichtung eine Strömungsdrossel
angeordnet ist. Hierdurch kann die Schließcharakteristik der hydraulisch
schaltbaren Ventileinrichtung, und somit letztlich die Schließcharakteristik
des zweiten Ventilelements, beeinflusst werden.
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Analog hierzu wird auch vorgeschlagen, dass
im Strömungsweg
zwischen dem Steuerraum der hydraulisch schaltbaren Ventileinrichtung
und der gemeinsamen Ventileinrichtung eine Strömungsdrossel angeordnet ist.
Durch diese wird die Öffnungscharakteristik
der hydraulisch schaltbaren Ventileinrichtung und somit auch die Öffnungscharakteristik des
zweiten Ventilelements beeinflusst. Dies ermöglicht vor allem auch eine
Optimierung des Verbrennungsgeräuschs
der Brennkraftmaschine.
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Optimal ist es auch, wenn das eine
Ventilelement druckgesteuert und das andere Ventilelement hubgesteuert
arbeiten. In diesem Falle können
die jeweiligen Vorteile druckgesteuerter bzw. hubgesteuerter Ventilelemente
in einer einzigen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung kombiniert werden.
So weist beispielsweise ein druckgesteuertes Ventilelement insbesondere
in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine eine besonders günstige Einspritzcharakteristik
auf.
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Die Ansteuerung des druckgesteuerten
Ventilelements wird dadurch vereinfacht, dass das druckgesteuerte
Ventilelement radial außen
von dem hubgesteuerten Ventilelement angeordnet ist.
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In Weiterbildung hierzu ist es wiederum
von Vorteil, wenn der Steuerraum des druckgesteuerten Ventilelements
mit der hydraulisch schaltbaren Ventileinrichtung verbunden ist.
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Die Vorteile der hydraulisch schaltbaren
Ventileinrichtung im Hinblick auf geringe Leckagen bei gleichzeitig
hohem Druck sind in Verbindung mit der Ansteuerung eines druckgesteuerten
Ventilelements besonders prägnant.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
wird auch vorgeschlagen, dass in einer Endstellung der gemeinsamen
Ventileinrichtung der Steuerraum des hubgesteuerten Ventilelements
und der Steuerraum der hydraulisch schaltbaren Ventileinrichtung
nur mit dem Hochdruckanschluss verbunden sind. In dieser Schaltstellung
der gemeinsamen Ventileinrichtung sind beide Ventilelemente in ihrer
geschlossenen Position, also in Anlage an dem jeweiligen Ventilsitz.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung im Detail erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems einer Brennkraftmaschine
mit mehreren Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen;
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2 einen
teilweisen Schnitt durch eine der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
von 1; und
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3 eine
vergrößerte Darstellung
eines Bereichs der Kraftstoff-Einspritzvorrichtung von 2.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 trägt ein Kraftstoffsystem
insgesamt das Bezugszeichen 10. Es umfasst einen Kraftstoffbehälter 12,
aus dem eine elektrische Kraftstoffpumpe 14 den Kraftstoff
in eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 16 fördert. Die
Niederdruck-Kraftstoffleitung 16 führt zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18.
Bei dieser handelt es sich um eine Kolbenpumpe, welche von einer
Nockenwelle (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine, zu der das
Kraftstoffsystem 10 gehört, angetrieben
wird. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 fördert in
eine Kraftstoff-Sammelleitung 20 ("Rail"), in der der Kraftstoff
unter hohem Druck gespeichert ist.
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An die Kraftstoff-Sammelleitung 20 sind mehrere
Injektoren 22 angeschlossen, die den Kraftstoff direkt
in ihnen zugeordnete Brennräume 24 der Brennkraftmaschine
einspritzen. Der Betrieb der Brennkraftmaschine und des Kraftstoffsystems 10 wird
von einem Steuer- und Regelgerät 26 gesteuert und
geregelt. Insbesondere werden auch die Injektoren 22 von
dem Steuer- und Regelgerät 26 angesteuert.
Von den Injektoren 22 führt
jeweils eine Leitung 28 zurück zum Kraftstoffbehälter 12.
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Ein Bereich eines der Injektoren 22 ist
in 2 im Detail dargestellt:
Der
Injektor 22 umfasst ein zweiteiliges Gehäuse mit einem
Oberteil 30 und einem Unterteil 32. Im Gehäuse 30, 32 ist
eine Ausnehmung 34 vorhanden, in der unter anderem ein
erstes längliches
Ventilelement 36 vorhanden ist. Dessen in 2 unteres Ende ist konisch spitz zulaufend
und arbeitet mit einem Ventilsitz 38 (vgl. 3) im Unterteil 32 des Gehäuses zusammen.
Koaxial zu dem ersten Ventilelement 36 und radial außen von
diesem ist ein zweites Ventilelement 40 vorhanden, dessen
ebenfalls konische Spitze mit einem Ventilsitz 42 im Unterteil 32 des
Gehäuses
zusammenarbeitet.
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Das erste Ventilelement 36 wird
von einer Druckfeder 44, deren eines Ende sich an einem
Absatz (ohne Bezugszeichen) im Oberteil 30 des Gehäuses abstützt, in
Richtung zum Ventilsitz 38 hin beaufschlagt. Analog hierzu
wird das zweite Ventilelement 40 von einer Druckfeder 46 in
Richtung zum entsprechenden Ventilsitz 42 hin beaufschlagt.
Die Druckfeder 46 stützt
sich dabei nicht unmittelbar an einem Absatz in der Ausnehmung 34 im
Oberteil 30 des Gehäuses
ab, sondern an einem Zwischenring 48.
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Die Ausnehmung 34 im Unterteil 32 des
Gehäuses
umfasst ein Sackloch 50, von dem eine Mehrzahl von Austrittsöffnungen 52 nach
außen
führt. Durch
diese Austrittsöffnungen 52 tritt
der Kraftstoff, wie weiter unten noch stärker im Detail ausgeführt werden
wird, bei geöffnetem
ersten Ventilelement 36 und geöffnetem zweiten Ventilelement 40 aus.
Austrittsöffnungen 54 dienen
analog hierzu zum Austritt des Kraftstoffs dann, wenn nur das zweite
Ventilelement 40 vom zweiten Ventilsitz 42 abgehoben
ist. Auch dies wird weiter unten noch stärker im Detail ausgeführt werden.
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Für
die Betätigung
der beiden Ventilelemente 36 und 40 ist eine gemeinsame
Ventileinrichtung 56 vorgesehen, die im oberen Bereich
des Oberteils 34 des Gehäuses angeordnet ist. Diese
umfasst ein halbsphärisch
geformtes Ventilelement 58, welches in einer Schaltkammer 60 angeordnet
ist. Über
einen Stößel 62 kann
das Ventilelement 60 von einem nur symbolisch dargestellten
Piezoaktor 64 in verschiedene Schaltstellungen verstellt
werden.
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In der Ruhestellung wird das Ventilelement 58 von
einer Druckfeder 66 gegen einen Ventilsitz 68 gedrückt. Wenn
das Ventilelement 58 am Ventilsitz 68 anliegt,
ist die Verbindung von der Schaltkammer 60 über einen
Kanal 70 zu einem Niederdruckanschluss 72 (vgl.
auch 1) unterbrochen.
Der Niederdruckanschluss 72 ist wiederum mit der Rückleitung 28 verbunden,
die zum Kraftstoffbehälter 12 zurückführt.
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Von der in 2 unteren Stirnwand der Schaltkammer 60 führt ein
Kanal 74 zu einem Steuerraum 76. In den Steuerraum 76 mündet auch
das in 2 obere Ende
des ersten Ventilelements 36 mit einer Druckfläche 78.
In dem Kanal 74 ist eine Strömungsdrossel 80 vorhanden.
Von der radialen Begrenzungswand (ohne Bezugszeichen) der Schaltkammer 60 führt eine
Fluidverbindung (ohne Bezugszeichen) über eine Strömungsdrossel 82 zu einem
Steuerraum 84 eines hydraulisch betätigbaren Schaltventils 86.
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Das hydraulisch betätigbare
Schaltventil 86 umfasst ebenfalls eine Schaltkammer 88,
in der ein Ventilelement 90 angeordnet ist. Das Ventilelement 90 ist
insgesamt zylindrisch mit einem Schaltabschnitt 92, der
kreiszylindrischen Durchmesser hat, einem Übergangsabschnitt 94,
der wie eine Einschnürung
ausgebildet ist, und einem kreiszylindrischen Führungsabschnitt 96.
Ein Ende einer Druckfeder 98 stützt sich an einem Verschlussteil 100 ab. Das
andere Ende der Druckfeder 98 beaufschlagt das Ventilelement 90 in
Richtung zum Steuerraum 84 hin.
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In der Umfangswand der Schaltkammer 88 ist
eine Ringnut 102 vorhanden. Diese ist zum Einen über einen
Kanal 104 mit einem Hochdruckanschluss 106 (vgl.
auch 1) verbunden. Dieser
führt wiederum
zur Kraftstoff-Sammelleitung 20. Zum Anderen führt ein
Kanal 108 über
eine Strömungsdrossel 110 von
der Ringnut 102 zum Steuerraum 76, mit dem die
Bewegung des ersten Ventilelements 36 gesteuert wird. Von
jenem Abschnitt der Umfangswand der Schaltkammer 88, welcher
ungefähr
im Bereich des eingeschnürten Übergangsabschnittes 94 des Ventilelements 90 liegt,
führt ein
Kanal 112 zu einem Ringraum 114 im unteren Bereich
des zweiten Ventilelements 40.
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In 2 rechts
von der Ringnut 102 bildet die Umfangswand der Schaltkammer 88 einen
Ventilsitz 116 für
eine Schaltkante 118 des Ventilelements 90. Die
Schaltkante 118 ist zwischen dem Schaltabschnitt 92 und
dem Übergangsabschnitt 94 gebildet. Im
Schaltabschnitt 92 des Ventilelements 90 verläuft schräg zur Längsachse
des Ventilelements 90 ein weiterer Kanal 120.
Dieser umfasst eine Strömungsdrossel 122,
und er verbindet die Ringnut 102 mit dem Steuerraum 84.
Zu erwähnen
ist ferner noch ein Leckagekanal 124, der von der Ausnehmung 34 im Oberteil 30 des
Gehäuses
zu einem Leckageanschluss 126 führt.
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Der in den 1 bis 3 dargestellte
Injektor 22 arbeitet folgendermaßen:
In der ersten Ruheschaltstellung
liegt das Ventilelement 38 der gemeinsamen Ventileinrichtung 56 am
in 2 oberen Ventilsitz 68 an.
In der Schaltkammer 60 der gemeinsamen Ventileinrichtung 56,
im Steuerraum 76 des ersten Ventilelements 36,
und im Steuerraum 84 des hydraulisch betätigten Schaltventils 86 liegt
somit der am Hochdruckanschluss 106 vorliegende hohe Druck
an. Hierdurch wird das Ventilelement 92 des hydraulisch
betätigten
Schaltventils 86 mit der Schaltkante 118 gegen
den Ventilsitz 116 gedrückt.
Jener Bereich der Schaltkammer 88, der auf Höhe des Übergangsabschnitts 94 liegt,
ist also vom Hochdruckanschluss 106 getrennt. Daher herrscht
in ihm ein vergleichsweise niedriger Druck. Das gleiche gilt für den Kanal 112 und
den Ringraum 114. Das zweite Ventilelement 40 kann
daher von der Feder 46 gegen den Ventilsitz 42 gedrückt werden.
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Dadurch, dass im Steuerraum 76 und
somit auch an der Druckfläche 78 ein
hoher Kraftstoffdruck anliegt, gleichzeitig jedoch im Sackloch 50 ein
niedriger Druck (Brennraumdruck) herrscht, wird auch das Ventilelement 36 gegen
den Ventilsitz 38 gedrückt.
In dieser ersten Schaltstellung der gemeinsamen Ventileinrichtung 56,
in der das Ventilelement 58 am Ventilsitz 68 anliegt,
ist also der Injektor 22 geschlossen und es tritt kein
Kraftstoff aus den Austrittsöffnungen 52 und 54 aus.
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Das Ventilelement 58 der
gemeinsamen Ventileinrichtung 56 kann vom Aktor 64 über den
Stößel 62 in
eine zweite Schaltstellung gebracht werden, in der es an der in 2 unteren Begrenzungswand der
Schaltkammer 60 anliegt. Die Schaltkammer 60 ist
nun über
den Kanal 70 mit dem Niederdruckanschluss 72 verbunden. Über die
Strömungsdrossel 82 kann
somit der hohe Druck aus dem Steuerraum 84 des hydraulisch
betätigbaren
Schaltventils 86 entweichen. Durch die Druckfeder 98 wird
nun das Ventilelement 90 des hydraulisch betätigbaren
Schaltventils 86 in Richtung zum Steuerraum 84 bewegt,
so dass die Schaltkante 118 vom Ventilsitz 116 abhebt.
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Der unter hohem Druck in der Ringnut 102 vorhandene
Kraftstoff kann nun über
den Kanal 112 in den Ringraum 114 strömen. An
einem radial außerhalb
des Ventilsitzes 42 gelegenen Bereich der in 2 unteren konischen Endfläche des
Ventilelements 40 liegt nun der hohe Kraftstoffdruck an,
der auch am Hochdruckanschluss 106 anliegt. Durch diesen
wird das zweite Ventilelement 40 entgegen der Beaufschlagung
durch die Druckfeder 46 nach oben bewegt, so dass es vom
Ventilsitz 42 freikommt. Somit kann der unter hohem Druck
im Ringraum 114 vorhandene Kraftstoff durch die Austrittsöffnungen 54 nach
außen
strömen.
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Da das Ventilelement 58 der
gemeinsamen Ventileinrichtung 56 in dieser zweiten Schaltstellung dem
Kanal 74 zum Steuerraum 76 hin verschließt, herrscht
in diesem weiterhin ein hoher Kraftstoffdruck, der das erste Ventilelement 36 über die
Druckfläche 78 in 2 nach unten drückt. Obwohl
nun an dem radial außen
vom Ventilsitz 38 gelegenen Bereich der konischen unteren
Endfläche
des Ventilelements 36 ein hoher Kraftstoffdruck anliegt,
wird aufgrund der in 2 nach
unten gerichteten Kraftresultierenden der Druckfläche 78 das
erste Ventilelement 36 weiter gegen den Ventilsitz 38 gedrückt. Durch
die Austrittsöffnungen 52 kann
daher weiterhin kein Kraftstoff austreten.
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Damit auch während der Bewegung des Ventilelements 58 der
gemeinsamen Ventileinrichtung 56 von der ersten in die
zweite Schaltstellung der Druck im Steuerraum 76 nicht
so weit abfällt, dass
das Ventilelement vom Ventilsitz 38 abhebt, wird durch
die Strömungsdrossel 80 das
Abströmen des
Kraftstoffes aus dem Steuerraum 76 verzögert.
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Das Ventilelement 58 der
gemeinsamen Ventileinrichtung 56 kann vom Aktor 64 auch
in eine dritte, mittlere Schaltstellung gebracht werden. In dieser
liegt es weder am Ventilsitz 68 noch an der in 2 unteren Stirnwand der
Schaltkammer 60 an. Somit ist, wie bei der zweiten Schaltstellung,
die Schaltkammer 60 mit dem Niederdruckanschluss 72 verbunden.
Zusätzlich
kann jedoch nun der Kraftstoff aus dem Steuerraum 76 über den
Kanal 74 und die Strömungsdrossel 80 in
die Schaltkammer 60 und weiter zum Niederdruckanschluss 72 abströmen. Hierdurch
sinkt der Druck im Steuerraum 76 so weit ab, dass das Ventilelement 36 von
dem am radial außen
vom Ventilsitz 38 der konischen Endfläche anliegenden hohen Druck
vom Ventilsitz 38 abgehoben wird. Wenn sich das Ventilelement 58 der
gemeinsamen Ventileinrichtung 56 also in der mittleren
dritten Schaltstellung befindet, wird vom Injektor 22 Kraftstoff
sowohl durch die Austrittsöffnungen 54 als
auch durch die Austrittsöffnungen 52 abgegeben.