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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
für eine
Brennkraftmaschine, mit einem Gehäuse mit einem Einspritzbereich,
mit einer in dem Gehäuse
vorhandenen Ausnehmung, mit mindestens zwei in der Ausnehmung koaxial
zueinander angeordneten Ventilelementen, welche jeweils mit einem
Ventilsitz am Einspritzbereich zusammenarbeiten, wobei das innere
Ventilelement kürzer
ist als das äußere Ventilelement,
wobei eine Beaufschlagungseinrichtung vorhanden ist, welche das
innere Ventilelement wenigstens zeitweise in Öffnungsrichtung beaufschlagt,
wobei ein Steuerkolben vorhanden ist, welcher mit dem inneren Ventilelement
zusammenwirkt, und wobei der Steuerkolben eine Druckfläche aufweist,
deren Kraftresultierende in Schließrichtung zeigt und welche
einen Steuerraum begrenzt.
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Eine derartige Kraftstoff-Einspritzvorrichtung ist
aus der
DE 41 15 477
A1 bekannt. Diese zeigt eine Einspritzdüse mit zwei koaxial zueinander
angeordneten Ventilnadeln. Die Ventilnadeln sind "druckgesteuert". Dies bedeutet,
dass sie mit einer konstanten Kraft durch eine Schraubendruckfeder
gegen den Ventilsitz beaufschlagt werden. Im Bereich des Einspritzendes
verfügen
die beiden Ventilnadeln jeweils über
Druckflächen,
deren Kraftresultierende in Öffnungsrichtung
zeigt und an denen der Einspritzdruck angreift. Durch eine Erhöhung des
Einspritzdrucks können
die Ventilnadeln gegen die Kraft der Druckfedern von den entsprechenden
Ventilsitzen abgehoben werden.
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Bei der in der
DE 41 15 477 A1 gezeigten Vorrichtung
ist die innere Ventilnadel mit einem Steuerkolben verbunden, der
wiederum eine in Schließrichtung
wirkende Druckfläche
aufweist. Wenn in dem durch die Druckfläche begrenzten Steuerraum ein
hoher Fluiddruck herrscht, wirkt eine entsprechende Kraft in Schließrichtung,
welche verhindert, dass die innere Ventilnadel von dem Ventilsitz
abheben kann.
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Bei der eingangs genannten Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
werden im Betrieb jedoch in einigen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
keine optimalen Emissions- und Kraftstoff-Verbrauchswerte erzielt.
Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, eine Kraft-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass sie bessere Verbrauchs-
und Emissionswerte aufweist und gleichzeitig kompakt baut.
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Diese Aufgabe wird bei einer Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Beaufschlagungseinrichtung auf
das innere Ventilelement eine in etwa konstante Öffnungskraft ausübt und dass
in dem Steuerraum ein Fluiddruck herrscht, welcher kurzzeitig abgesenkt werden
kann.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung arbeitet
das innere Ventilelement "hubgesteuert". Dies bedeutet,
dass der am Einspritzbereich wirkende Kraftstoffdruck den für die jeweilige
Einspritzung optimalen Wert haben kann, ohne dass hierdurch das Öffnungsverhalten
des inneren Ventilelements beeinflusst wird. Geöffnet wird das innere Ventilelement
nur dann, wenn der Fluiddruck in dem Steuerraum kurzzeitig abgesenkt
wird. Mit einer solchen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung wird während der
Einspritzung des Kraftstoffs ein Druckverlauf erreicht, mit dem
in vielen Anwendungsfällen bessere
Emissionen und ein geringer Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine
erzielt werden können.
Durch die kurzen Bauweisen der Ventilelemente baut die Vorrichtung
dabei sehr kompakt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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In einer ersten Weiterbildung wird
vorgeschlagen, dass das innere Ventilelement einen umlaufenden Absatz
aufweist, an dem sich eine erste, in Schließrichtung wirkende Vorspanneinrichtung
abstützt.
Ein solcher Absatz kann maschinell am Ventilelement einfach hergestellt
werden, und eine derartige in Schließrichtung wirkende Vorspanneinrichtung stellt
auch während
der Startphase der Brennkraftmaschine, wenn im Steuerraum noch kein
hoher Kraftstoffdruck anliegt, sicher, dass das innere Ventilelement
an seinem Ventilsitz anliegt und kein Kraftstoff ungewollt von der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung abgegeben
wird. Die Betriebssicherheit wird durch diese Weiterbildung also
in kostengünstiger
Art und Weise verbessert.
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In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass
sich die erste Vorspanneinrichtung an einer Dichthülse abstützt, welche
eine Dichtkante umfasst, die von einer zweiten Vorspanneinrichtung
gegen das äußere Ventilelement
beaufschlagt wird. Bei dieser Weiterbildung sind die erste und die
zweite Vorspanneinrichtung also in Serie geschaltet. Die entsprechende
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
baut daher vergleichsweise schmal.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung besteht
darin, dass das innere Ventilelement in dem äußeren Ventilelement fluiddicht
geführt
ist, und dass zwischen dem Steuerkolben und dem äußeren Ventilelement wenigstens
bereichsweise ein Ringraum vorhanden ist, welcher mit einem Niederdruckanschluss
verbunden ist. Da das innere Ventilelement relativ kurz baut, muss
sich auch die fluiddichte Führung
nur über
eine vergleichsweise kurze Strecke erstrecken. Eventuell durch die
Führung
hindurchtretender Kraftstoff kann zum Niederdruckanschluss gelangen
und von dort als Leckagefluid abgeführt werden. Auch bei einer
kurzen Dichtstrecke wird somit die Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
sichergestellt.
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Vorgeschlagen wird auch, dass der
Steuerkolben einen Steuerabschnitt, an dem die Druckfläche vorhanden
ist, und einen zwischen Ventilelement und Steuerabschnitt angeordneten Übertragungsabschnitt
umfasst, welcher ein vom Steuerabschnitt separates Teil darstellt.
Dies erleichtert die Herstellung der einzelnen Teile, so dass die
erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
insgesamt preiswert baut. Darüber
hinaus können
für die
einzelnen Abschnitte die für
die jeweilige Funktion optimalen Materialien gewählt werden, so beispielsweise
für den Steuerabschnitt
ein Material, welches in Zusammenwirkung mit dem Gehäuse der
Kraftstoff-Einspritzvorrichtung eine gute Dichtwirkung entfaltet.
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Besonders bevorzugt ist es dabei,
wenn die Kontaktfläche
des Steuerabschnitts mit dem Übertragungsabschnitt
sphärisch
gekrümmt
und die entsprechende Kontaktfläche
am Übertragungsabschnitt hierzu
komplementär
ausgebildet ist. Hierdurch können
Zentrierungsfehler, die aufgrund von Fertigungstoleranzen vorhanden
sein können,
sehr leicht ausgeglichen werden. Dies senkt zum einen die Herstellkosten
der erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzvorrichtung
und ermöglicht
zum anderen eine sehr gute und leichte Beweglichkeit der Ventilelemente. Gleiches
gilt auch für
jene Weiterbildung, bei welcher die Kontaktfläche des Ventilelements mit
dem Steuerkolben sphärisch
gekrümmt
und die entsprechende Kontaktfläche
am Steuerkolben hierzu komplementär ausgebildet ist.
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Bei einer besonders vorteilhaften
Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass die Kontaktflächen am Übertragungsabschnitt
zum Steuerabschnitt und zum inneren Ventilelement jeweils Teil einer
gemeinsamen Kugelfläche
sind, deren Mittelpunkt auf der Mittelachse des Übertragungsabschnitts liegt.
In diesem Fall kann der Übertragungsabschnitt
sehr einfach eingebaut werden und zentriert sich von selbst zwischen
dem Steuerabschnitt einerseits und dem inneren Ventilelement andererseits.
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Zeichnung
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Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
der 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 mehreren
Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen;
und
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2:
einen teilweisen Schnitt durch eine der Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen
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
in eine Niederdruck-Kraftstoffleitung 16 fördert.
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Diese führt zu einer Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18.
Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 wird von einer nicht dargestellten
Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Die Hochdruck-Kraftstoffpumpe 18 fördert den
Kraftstoff in eine Kraftstoff-Sammelleitung 20 ("Rail"). An diese sind
mehrere Kraftstoff-Einspritzvorrichtungen 22 angeschlossen,
welche nachfolgend der Einfachheit halber als "Injektoren" bezeichnet werden. Die Injektoren 22 spritzen
den Kraftstoff direkt in einen ihnen jeweils zugeordneten Brennraum 24 ein.
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Der Anschluss der Injektoren 22 an
die Kraftstoff-Sammelleitung 20 wird
durch einen Hochdruckanschluss 26 bewerkstelligt. Über einen
Niederdruckanschluss 28 sind die Injektoren 22 jeweils
mit einer Rücklaufleitung 30 verbunden.
Der Betrieb der Brennkraftmaschine, des Kraftstoffsystems 10 und insbesondere
der Injektoren 22 wird von einem Steuer- und Regelgerät 32 gesteuert
beziehungsweise geregelt.
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Man erkennt ohne weiteres, dass das
oben beschriebene Kraftstoffsystem 10 zu einer Brennkraftmaschine
mit Kraftstoff-Direkteinspritzung gehört. Es kann dabei sowohl für eine Benzin-Brennkraftmaschine
als auch für
eine Diesel-Brennkraftmaschine verwendet werden.
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Der Aufbau eines der Injektoren 22 wird
nun im Detail anhand von 2 erläutert:
Der
Injektor 22 umfasst ein Gehäuse 34 mit einem Düsenkörper 36,
einem Mittelteil 38 und einem Oberteil 40 (jetzt
und nachfolgend beziehen sich die Angaben "oben" und "unten" auf die Darstellung
in 2; grundsätzlich gilt
jedoch, dass der Injektor 22 in einer beliebigen Lage im
Raum installiert werden kann). Der Düsenkörper 36 verfügt an seinem
Ende über
einen Einspritzbereich 42, welcher in Einbaulage dem Brennraum 24 zugewandt
ist.
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Im Gehäuse 34 ist eine Ausnehmung 44 vorhanden,
in welcher zwei koaxial zueinander angeordnete Ventilelemente 46 und 48 vorhanden
sind. Das äußere Ventilelement
ist rohrförmig
und verfügt
an seinem unteren Ende über
eine Dichtkante 50, welche mit einem Ventilsitz 52 am
unteren Ende der Ausnehmung 44 zusammenarbeitet. Das innere
Ventilelement 48 ist im äußeren Ventilelement 46 fluiddicht geführt. Seine
Längserstreckung
entspricht insgesamt in etwa seinem Durchmesser. Das untere Ende des
inneren Ventilelements 48 läuft konisch spitz zu. Dabei
sind zwei Bereiche mit unterschiedlicher Konizität vorhanden, zwischen denen
eine Dichtkante 54 gebildet ist, die wiederum mit einem
Ventilsitz 56 im unteren Bereich der Ausnehmung 44 zusammenarbeitet.
Der konische Bereich am unteren Ende des inneren Ventilelements 48,
welcher radial außen
von der Dichtkante 54 liegt, bildet eine Druckfläche 57, deren Kraftresultierende
in Öffnungsrichtung
des inneren Ventilelements 48 gerichtet ist.
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Radial einwärts vom Ventilsitz 52 sind über den
Umfang des Düsenkörpers 36 verteilt
mehrere Kraftstoff-Austrittskanäle 58 vorhanden.
Noch weiter radial einwärts,
radial innerhalb des Ventilsitzes 56, ist eine weitere
Reihe von über
den Umfang des Düsenkörpers 36 verteilt
angeordneten Kraftstoff-Austrittskanälen 60 vorhanden.
Das äußere Ventilelement 46 ist
mit einem Führungsabschnitt 62 fluiddicht in
der Ausnehmung 44 im Düsenkörper 36 geführt. Unterhalb
des Führungsabschnitts 62 weist
das äußere Ventilelement 46 einen
etwas geringeren Durchmesser auf. Die sich hieraus ergebende umlaufende
Stufe bildet eine Druckfläche 64,
deren Kraftresultierende in Öffnungsrichtung
des äußeren Ventilelements 46 gerichtet
ist. In etwa von der Druckfläche 64 bis
zum unteren Ende des äußeren Ventilelements 46 ist
zwischen dem äußeren Ventilelement 46 un
der Wand der Ausnehmung 44 ein Ringraum vorhanden, welcher
einen Druckraum 66 bildet. Er ist über einen Hochdruckkanal 68 mit
dem Hochdruckanschluss 26 verbunden.
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Das äußere Ventilelement 46 erstreckt
sich in seiner Längsrichtung
ungefähr
bis zum oberen Rand des Düsenkörpers 36.
Seine ringförmige
obere Stirnwand bildet eine Steuerfläche 70, welche einen ringförmigen Steuerraum 72 begrenzt.
Nach radial innen wird der Steuerraum 72 von einer Dichthülse 74 begrenzt,
die mit einer relativ scharfen Dichtkante (ohne Bezugszeichen) an
der Steuerfläche 70 des äußeren Ventilelements 46 anliegt.
Die Dichthülse 74 wird
von einer Rohrfeder 76 gegen die Steuerfläche 70 beaufschlagt.
Die Rohrfeder 76 stützt
sich wiederum an einem Stützring 78 ab,
der an einem Absatz (ohne Bezugszeichen) der Ausnehmung 44 anliegt. Durch
die Rohrfeder 76 wird also zum einen die Dichthülse 74 mit
der Dichtkante gegen die Steuerfläche 70 beaufschlagt,
und weiter wird das äußere Ventilelement 46 mit
seiner Dichtkante 50 gegen den Ventilsitz 52 gedrückt.
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Wie ohne weiteres aus 2 hervorgeht, ist das innere
Ventilelement 48 erheblich kürzer als das äußere Ventilelement 46.
Seine obere Begrenzungsfläche 80 ist
konkav sphärisch
gekrümmt
ausgebildet. An ihr liegt flächig
ein eine hierzu komplementäre Kontaktfläche 82 einer Übertragungsstange 84 an. Diese
erstreckt sich in der Ausnehmung 44 über den Düsenkörper 36 hinaus in
das Mittelteil 38 des Gehäuses 34 hinein. Eine
obere Stirnfläche 86 der Übertragungsstange 84 ist
konvex sphärisch
gekrümmt.
An ihr liegt flächig
eine hierzu komplementäre
Kontaktfläche 88 eines
zylindrischen Steuerteils 90 an. Dieses ist wiederum fluiddicht
und gleitend in der Ausnehmung 44 im Mittelteil 38 des
Gehäuses 34 geführt. Die
untere Kontaktfläche 82 und
die obere Kontaktfläche 86 der Übertragungsstange 84 liegen auf
einer gemeinsamen Kugelfläche,
deren Mittelpunkt auf der Mittelachse der Übertragungsstange 84 liegt.
Zwischen einander berührenden
Kontaktflächen
kann gegebenenfalls eine besonders reibungsarme Schicht vorhanden
sein.
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Die Übertragungsstange 84 und
das Steuerteil 90 bilden insgesamt einen Steuerkolben 92.
Im Bereich des unteren Endes der Übertragungsstange 84 ist
ein umlaufender Absatz 94 vorhanden, an dem sich eine Rohrfeder 96 abstützt. Das
andere Ende der Rohrfeder 96 stützt sich an einem nach radial
innen weisenden Ringsteg (ohne Bezugszeichen) der Dichthülse 74 ab.
Auf diese Weise wird die Übertragungsstange 84 und
somit auch das innere Ventilelement 48 mit der Dichtkante 54 gegen
den Ventilsitz 56 beaufschlagt. Der Durchmesser der Übertragungsstange 84 ist
jedoch kleiner als der Innendurchmesser des äußeren Ventilelements 46.
Gleiches gilt auch für
das Verhältnis
zwischen dem Durchmesser der Übertragungsstange 84 und
dem Innendurchmesser der Dichthülse 74.
Der auf diese Weise geschaffene Ringraum 98 ist über eine
nur gestrichelt dargestellte Leckageleitung 100 mit dem
Niederdruckanschluss 28 des Injektors 22 verbunden.
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Die obere Stirnfläche des Steuerteils 90 bildet
eine Druckfläche 102,
welche einen Steuerraum 104 begrenzt. Der Steuerraum 104 ist über einen
in die obere Stirnfläche
des Mittelteils 38 eingefrästen Fluidkanal 106 mit
einer Zulaufdrossel 108 mit dem Hochdruckkanal 68 verbunden.
Ebenso ist der Steuerraum 72 über einen in die untere Stirnfläche des Mittelteils 38 eingefrästen Fluidkanal 110 mit
einer Strömungsdrossel 112 mit
dem Hochdruckkanal 68 verbunden.
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Im Oberteil 40 ist ein 3/3-Wegeventil 114 vorhanden.
Dessen Ventilelement 116 arbeitet mit einem oberen Ventilsitz 118 und
einem unteren Ventilsitz 120 zusammen. Es wird von einem
Aktor 122 bewegt, welcher wiederum vom Steuer- und Regelgerät 32 angesteuert
wird. Das Ventilelement 116 ist in einer Schaltkammer 124 angeordnet,
die im Bereich des unteren Ventilsitzes 120 über einen
Fluidkanal mit einer Ablaufdrossel 126 mit dem Steuerraum 104 verbunden
ist. Im Bereich des oberen Ventilsitzes 118 ist die Schaltkammer 124 mit
dem Niederdruckanschluss 28 verbunden. Seitlich von der
Schaltkammer zweigt ein Strömungskanal 128 ab,
der über
eine Drosselstelle 130 zum Steuerraum 72 führt.
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Der Injektor 22 arbeitet
folgendermaßen:
Wenn
keine Einspritzung erfolgen soll, liegt das Ventilelement 116 des
3/3-Wegeventils 114 am oberen Ventilsitz 118 an.
In diese Schaltstellung wird das Ventilelement von einer Druckfeder
(ohne Bezugszeichen) beaufschlagt, und in dieser Schaltstellung besteht
keine Fluidverbindung zwischen den beiden Steuerräumen 72 und 104 und
dem Niederdruckanschluss 28. Andererseits sind die Steuerräume 72 und 104 über den
Hochdruckkanal 68 und die Fluidkanäle 106 und 110 weiterhin
mit dem Hochdruckanschluss 26 verbunden.
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In den Steuerräumen 72 und 104 herrscht somit
in etwa der am Hochdruckanschluss 26 anliegende hohe Fluiddruck,
der eine entsprechende in Schließrichtung der Ventilelemente 46 und 48 wirkende
hydraulische Kraft an den Steuerflächen 70 und 102 bewirkt.
Diese in Schließrichtung
wirkende hydraulische Kraft ist größer als die an der Druckfläche 64 des äußeren Ventilelements 46 in Öffnungsrichtung
wirkende hydraulische Kraft. Somit wird das äußere Ventilelement 46 mit
seiner Dichtkante 50 gegen den Ventilsitz 52 gedrückt. Kraftstoff
kann durch die Kraftstoffaustrittskanäle 58 nicht austreten.
Ferner liegt an der Druckfläche 57 nur
ein geringer Druck an, so dass auch das innere Ventilelement 48 über die Übertragungsstange 84 und
das Steuerteil 90 mit seiner Dichtkante 54 gegen
den Ventilsitz 56 gedrückt
wird.
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Wenn das Ventilelement 116 des
3/3-Wegeventils 114 am unteren Ventilsitz 120 anliegt,
ist der Steuerraum 104 weiterhin vom Niederdruckanschluss 28 getrennt;
es besteht nun jedoch eine Fluidverbindung vom Niederdruckanschluss 28 über die Schaltkammer 124 und
den Strömungskanal 128 zu dem
ringförmigen
Steuerraum 72. Somit sinken der Druck im Steuerraum 72 und
die entsprechende an der Steuerfläche 70 des äußeren Ventilelements 46 angreifende
hydraulische Kraft. Das äußere Ventilelement 46 kommt
nun aufgrund der an der Druckfläche 44 angreifenden
hydraulischen Kraft mit der Dichtkante 50 vom Ventilsitz 52 frei.
Kraftstoff kann daher aus den Kraftstoff-Austrittskanälen 58 austreten.
Da gleichzeitig im Steuerraum 104 weiterhin ein hoher Fluiddruck
herrscht, reicht die an der Druckfläche 57 angreifende
hydraulische Kraft jedoch nicht aus, um auch das innere Ventilelement 48 zu
bewegen.
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Wenn auch aus den Kraftstoff-Austrittskanälen 60 Kraftstoff
austreten soll, wird das Ventilelement 116 des 3/3-Wegeventils 114 in
eine mittlere Schaltstellung gebracht. In dieser sind beide Steuerräume 72 und 104 mit
dem Niederdruckanschluss 28 verbunden. Somit sinkt die
an der Steuerfläche 102 des
Steuerteils 90 wirkende hydraulische Kraft, so dass nun
die an der Druckfläche 57 angreifende
hydraulische Kraft das innere Ventilelement 48 mit der Dichtkante 54 vom
Ventilsitz 56 abheben kann, wodurch der Strömungsweg
zu den Kraftstoff-Austrittskanälen 60 vom
Hochdruckanschluss 26 her frei wird.