DE2927440C2 - - Google Patents
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- F02M57/02—Injectors structurally combined with fuel-injection pumps
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrisch gesteuerte Einspritz
vorrichtung zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum
einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
Eine Kraftstoffeinspritzung dieser Gattung ist aus
der US-PS 40 69 800 bekannt. Bei dieser vorbekannten
Einspritzvorrichtung wird ein Pendelventil an seinem einen
Ende mit unter Druck stehendem Kraftstoff beaufschlagt,
dessen Zu- und Abfuhr durch ein Dreiwegeventil gesteuert
wird. Am anderen Ende steht das Pendelventil permanent mit
dem Reservoir in Verbindung, so daß es an diesem Ende druck
los ist. Um das Pendelventil in seine zweite Endstellung zu
verschieben, ist eine am Ventilschieber des Pendelventils
angreifende Schraubendruckfeder vorgesehen. Da somit der
Ventilschieber des Pendelventils auf der einen Seite mit der
(druckunabhängigen) Federkraft und auf der anderen Seite mit
dem von der Kraftstoffquelle gelieferten Kraftstoffdruck
beaufschlagt wird, ist das Pendelventil gegenüber Schwankun
gen des Kraftstoffdrucks empfindlich. Außerdem erhöht die
Schraubendruckfeder die Trägheitsmasse des Pendelventils,
was einen nachteiligen Einfluß auf die Ansprechdauer und die
Ansprechgenauigkeit des Pendelventils hat.
Aus der US-PS 39 43 901 ist bereits eine Kraftstoffein
spritzvorrichtung bekannt, bei der ein von einem Dreiwege
ventil gesteuertes Pendelventil einen Ventilschieber
aufweist, der an seinen beiden Enden mit Kraftstoff beauf
schlagt wird und somit keine mechanischen Federn zum
Verstellen benötigt. Bei dieser vorbekannten Einspritzvor
richtungen werden jedoch beide Enden des Ventilschiebers des
Pendelventils mit einem geschalteten Kraftstoffstrom beauf
schlagt, was einen entsprechenden Steuerungsaufwand
erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrisch
gesteuerte Einspritzvorrichtung der im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung so weiterzubilden, daß
bei Verringerung des konstruktiven Aufwandes die Ansprech
genauigkeit des Pendelventiles und somit der gesamten
Einspritzvorrichtung verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Einspritzvorrich
tung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Einspritzvorrichtung
ist nur am einen Ende des Ventilschiebers eine Steu
erkammer vorgesehen, die mit über das Dreiwegeventil steuer
barem Kraftstoffdruck beaufschlagt wird. Die wirksame Fläche
des Ventilschiebers am anderen Ende ist dabei ständig und
ausschließlich von dem Druck der Kraftstoffquelle belastet.
Dies wird durch die unterschiedlichen wirksamen Flächen an
den beiden Enden des Ventilschiebers ermöglicht. Bei der
erfindungsgemäß ausgebildeten Einspritzvorrichtung ist somit
der Ventilschieber nur am einen Ende durch einen geschalte
ten Kraftstoffstrom beaufschlagt.
Da das Pendelventil dennoch auf beiden Seiten mit
Kraftstoffdruck beaufschlagt ist, gleichen sich etwaige
Druckschwankungen der Kraftstoffquelle weitgehend aus, so
daß die Betätigung des Pendelventiles von Druckschwankungen
im wesentlichen unabhängig ist. Das Fehlen einer mechani
schen Feder verringert außerdem die Trägheitsmasse des
Pendelventiles. Die erfindungsgemäß ausgebildete Einspritz
vorrichtung besitzt daher eine hohe Ansprechgenauigkeit und
eine geringe Ansprechdauer. Das Fehlen einer Feder führt zu
einer konstruktiven Vereinfachung, die auch die Störanfäl
ligkeit verringert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben.
Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Kraftstoff
einspritzvorrichtung im Zylinderkopf einer Brennkraftma
schine;
Fig. 2 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab durch ein
elektromagnetisch betätigtes Dreiwegeventil der Einspritz
vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Ansicht des Dreiwe
geventils in einem anderen Betriebszustand;
Fig. 4 einen Schnitt in vergrößertem Maßstab durch ein
Pendelventil der Einspritzvorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 5 einen Querschnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4;
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Teil des Gehäuses der
Kraftstoffeinspritzvorrichtung, wobei Teile weggebrochen
sind;
Fig. 7 einen Schnitt durch einen Verstärkerkolben der
Einspritzvorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 8 eine der Fig. 7 entsprechende Ansicht des
Verstärkerkolbens in einem anderen Betriebszustand;
Fig. 9 eine Funktionsdarstellung der Einspritzvorrichtung
nach Fig. 1, die schematisch das Ende der Einspritzphase
darstellt;
Fig. 10 eine der Fig. 9 entsprechende Funktionsdarstel
lung, die die Zumeßphase darstellt.
In Fig. 1 sind die Hauptkomponenten eines elektrisch
gesteuerten Kraftstoffein
spritzsystems gezeigt. Es enthält eine Einspritzvorrichtung
10, die in einer Bohrung 12 im Zylinderkopf 14 einer Brennkraftmaschine, im dargestellten Ausführungsbeispiel eines
Dieselmotors angebracht ist. Außerdem ist ein Kühlkanal 16
im Zylinderkopf gebildet, von dem nur ein Bruchteil gezeigt
ist. Die Einspritzvorrichtung 10 stößt fein
zerstäubten Kraftstoff unter hohem Druck direkt in einen
Hohlraum 18 aus, der im oberen Ende des Kolbens 20 angeordnet ist. Dies ge
schieht, wenn sich der Kolben dem Ende des Aufwärtsweges innerhalb
der Verbrennungskammer 22 im Motorblock 23 nähert.
Es ist zwar nur eine Einspritzvorrichtung gezeigt; selbstverständlich
enthält das gesamte Kraftstoffeinspritzsystem mehrere
Einspritzvorrichtungen identischer Bauweise, wobei jeweils eine Einspritzvorrichtung für je
de Verbrennungskammer 22 innerhalb des Motorblocks 23 mit einer
elektrischen Steuereinrichtung 25 versehen ist, welche den Einspritzvorrichtungen
in geeigneter Folge Steuersignale zuführt.
Die Einspritzvorrichtung 10 enthält einen ersten Gehäuseabschnitt 24,
einen zweiten L-förmigen Gehäuseabschnitt 26 und einen dritten
länglichen Gehäuseabschnitt 28. Dieser sitzt in einer Öffnung 12 im
Zylinderkopf 14. Die Gehäuseabschnitte sind zusammengeschraubt,
und die Einspritzvorrichtung besitzt die Form eines L.
Ein Dreiwegeventil 30 ist innerhalb des Gehäuseabschnittes 24 ange
ordnet. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, enthält das Ventil einen
einzigen Einlaßkanal 32 und zwei Auslaßkanäle 34, 36. Der Kraftstoff,
welcher durch den Einlaßkanal 32 und dann in den zweiten Auslaßka
nal 36 fließt, tritt in eine Steuerkammer 35 ein und beeinflußt
die Funktion des Ventilschiebers 38 eines Pendelventils, welcher in der Schieberkammer 37 im
Gehäuseabschnitt 26 angeordnet ist. Der erste Auslaßkanal 34 führt Kraftstoff
aus der Kammer 37 zu einem Kraftstoffvorratsbehälter 39 zu
rück. Das Dreiwegeventil 30 umfaßt u. a. ein Pilotventil 40 und ein Solenoid
42, welches über Leitungen 44 erregt wird. Der Zustand des Sole
noids, d. h. erregt oder nicht erregt, bestimmt, ob ein Strömungs
weg zwischen dem Einlaßkanal 32 und der Steuerkammer 35 über den
Auslaßkanal 36 oder zwischen der Steuerkammer 35 und dem Auslaß
kanal 34 hergestellt wird, der zum Kraftstoffvorratsbehälter 39 führt. Das
Pilotventil 40 wird durch ein Abstandsstück 41 und eine Anschlag
platte 43 gehalten. Die Anschlagplatte hat einen Kanal 45, der auf
den Einlaßkanal 32 des Ventils 40 ausgerichtet ist. Weitere Bauein
zelheiten des Ventils 30 sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt und
werden später näher erläutert.
Zurück zu Fig. 1: Der Ventilschieber 38 wird innerhalb der Schieberkammer 37
im Gehäuseabschnitt 26 verschoben, wenn unterschiedlicher Strömungsmitteldruck an
seinen axialen Enden liegt. Der Ventilschieber 38
weist drei zylindrische Segmente auf, die durch Nuten verringerten Durch
messers miteinander verbunden sind. Wenn sich die Nuten im Strö
mungsweg befinden, lassen sie Kraftstoff, der über die Einlaßöff
nung 46 eintritt, um und an dem Ventilschieber 38 entlang und durch eine erste
Leitung 48 fließen, worauf er in das obere Ende einer Betätigungskam
mer 49 innerhalb eines Verstärkergehäuses 51 eintritt. Dieses wird
innerhalb des Gehäuseabschnittes 28, wie in Fig. 1 gezeigt, gehal
ten. Wenn jedoch der Ventilschieber 38 aus der in Fig. 1 gezeigten
Position verschoben wird, passen die zylindrischen Segmente eng
gegen die Wand, welche die Kammer 37 begrenzen, und verhindern, daß
Kraftstoff in die erste Leitung 48 fließt. Der Kraftstoff fließt in eine
Rückführleitung ab, die zu einer Auslaßöffnung (nicht in Fig. 1 ge
zeigt, jedoch in Fig. 6 erkennbar) führt. Der Kraftstoff kehrt zum
Kraftstoffvorratsbehälter 39 zurück. Das Pendelventil nimmt die zweite Stel
lung während der Abmeßphase des Kraftstoffinjektors ein und nimmt
die in Fig. 1 gezeigte andere Position während der Einspritzphase ein.
Eine zweite Leitung 52 erstreckt sich zwischen dem Einlaßkanal
46 und dem Kanal 45 in der Anschlagplatte 43. Diese führt
zum Einlaßkanal 32 des Pilotventils 40, während eine dritte
Leitung 54 von dem Einlaßkanal 46 in das Verstärkergehäuse 51
führt und sich in ein Querloch 55 öffnet, in dem ein vergrößerter
Ringraum 56 ausgebildet ist. Ein Stopfen 58 dichtet den Einlaß des
Querloches 55 ab, welches durch das Gehäuse gebohrt ist. Ein klei
nerer Kolben 60 ist an dem der Steuerkammer 35 abgewandten Ende des Ventilschiebers 38 in direkter Kommu
nikation mit der dritten Leitung 54 angeordnet. Der Kraftstoff
druck, der kontinuierlich an der Arbeitsfläche des Kolbens 60
anliegt, beeinflußt die Bewegung des Ventilschiebers 38 innerhalb
der Schieberkammer 37 gegen den intermittierenden Strömungsmitteldruck, der
in der Steuerkammer 35 vorliegt. Die Größe der Arbeitsfläche des Kolbens
60 ist nur ein Bruchteil der Größe der Arbeitsfläche des Pendelven
tils 38 auf der Seite der Steuerkammer 35). Auf diese Weise wird der Ventilschieber 38 vom Kolben 60 nur un
ter bestimmten Betriebsbedingungen beeinflußt, d. h., wenn in der
Steuerkammer 35 kein Strömungsmittel unter Versorgungsdruck vorliegt.
Ein Verstärkerkolben 62 ist innerhalb des Verstärkergehäuses 51,
das innerhab des Gehäuseabschnittes 28 angebracht ist, beweglich
angeordnet. Der Verstärkerkolben umfaßt einen größeren oberen Zy
linder 64, einen Zwischenzylindr 65 und einen kleineren unteren
Zylinder 66. Die Komponenten, welche den Verstärkerkolben 62 bil
den, passen eng in die Konturen des Verstärkergehäuse-Innenraumes
und bewegen sich in diesem. Der untere Zylinder 66 besitzt nur ein
Fünftel der Fläche des oberen Zylinders 64 beim bevorzugten Ausführungs
bespiel. Ein T-förmiger Kanal 70 ist im Inneren des Zyllinders 66
ausgebildet. Die Konfiguration des Verstärkerkolbens 62 ist deut
lich in den Fig. 7 und 8 dargestellt.
Der Kanal 70 in der oberen Stellung des Verstärkerkolbens 62 nicht auf das Querloch 55, welches
sich in die Zweigleitung 54 öffnet, ausgerichtet. Wenn jedoch der
Verstärkerkolben 62 nach unten bewegt wird, weil unter Druck ste
hender Kraftstoff auf das obere Ende des Zylinders 64 wirkt,
wird der untere Zylinder 66 so verschoben, daß eine Kommunikation
zwischen der Leitung 86 und dem Querloch 55 hergestellt wird. Ein
Rückschlagventil 72, welches die Form eines Kugelventils besitzen
kann, ist an der Verbindungsstelle der Leitungen 71 und 73 angeord
net und wird von einer Feder 74 auf einen Ventilsitz 76 zu gedrückt.
Das Rückschlagventil 72 blockiert einen Rückfluß von der Abmeßkammer
50 zur dritten Leitung 54, was möglich macht, daß vom Verstärker während
der Einspritzphase des Betriebszyklus ein Druck aufgebaut wird.
Während der Abmeßphase verzögert das Rückschlagventil nur die Strö
mung von unter Druck stehendem Kraftstoff auf die Abmeßkammer zu.
Die Betätigungskammer 49 und die Abmeßkammer 50 sind zwar als zwei
getrennte Kammern mit unterschiedlichen zugewiesenen Funktionen
identifiziert; diese Kammern können jedoch auch ein einziger Hohl
raum sein, wobei der Verstärkerkolben 62 die beiden Kammern voneinander
trennt.
Die Einspritzdüse 78 ragt durch eine Öffnung im unteren Ende des Gehäuseab
schnittes 28 und stößt Kraftstoff unter einem Druck von mehr als
1000 Bar in einem radialen Muster in den Hohlraum 18 im oberen Ende
des Kolbens 20 aus. Die Düse 78, die im Gehäuseabschnitt 28 unter
halb des Verstärkergehäuses 51 angeordnet ist, umfaßt ein Federge
häuse 80, eine Anschlagplatte 82 und einen Düsenkörper 84. Eine
Leitung 86 erstreckt sich axial vom unteren Ende der Abmeßkammer
50 unterhalb des unteren Zylinders 66 des Verstärkerkolbens 62
durch die Platte 82 und endet in einem Ringraum 88 innerhalb des
Düsenkörpers 84.
Eine Nadel 90 verläuft durch den Düsenkörper 84. Das obere Ende der
Nadel wird von einem Halter 92 aufgenommen. Der Halter wird von
einer Feder 94, die in der Kammer 96 im Gehäuse 80 sitzt, so
nach unten gedrückt, daß das untere Ende der Nadel 90 gegen einen Sitz
gepreßt wird, der am Inneren des Düsenkörpers 84 ausgebildet ist.
Die auf die Düsennadel wirkende Schließkraft der Feder wird durch den Versorgungsdruck des Kraftstoffs,
der in den Einlaßkanal 46 eintritt, erhöht, da der unter Druck
stehende Kraftstoff durch die dritte Leitung 54 in das Querloch 55 und
den Ringraum 56 und von dort in die Leitung 98 fließt. Die Leitung
98 erstreckt sich axial unterhalb des Querloches 55 und kommuni
ziert mit der Kammer 96. Die Kammer 96 steht immer in Kommunika
tion mit dem Einlaßkanal 46 und empfängt von diesem unter Druck
stehenden Kraftstoff. Wenn die Nadel 90 unter dem Einfluß der Kräfte
von Feder und unter Druck stehendem Kraftstoff aufsitzt, wird der
Fluß durch die Öffnungen im Düsenkörper 84 verhindert. Die Einspritzdüse 78
ist als Differenzdruckdüse bekannt, da die Kräfte, welche die Düse
öffnen, diejenigen Kräfte übersteigen, die zum Schließen erforder
lich sind. Diese Charakteristik verringert das Tröpfeln aus der
Düse.
Fig. 2 zeigt die bauliche Konfiguration des Dreiwegeventils 30 im
normalen, unbetätigten Zustand.
Das Pilotventil 40 wird vom Solenoid 42 betätigt und lenkt die Kraftstoff
strömung wahlweise vom Einlaßkanal 32 zum zweiten Auslaßkanal 36 und
von dort zur Steuerkammer 35 oder aus der Steuerkammer 35
in den ersten Auslaßkanal 34 und von dort zum Kraftstoffvorratsbehälter. Das
Pilotventil 40 ist innerhalb des offenen Endes des Gehäuseabschnittes
24 befestigt, welcher das Solenoid 42 in fester Beziehung ge
genüber dem Pilotventil hält.
Eine zentrale Bohrung erstreckt sich
axial durch das Pilotventil hindurch; eine Hülse 102, die
vom Solenoid 42 nach unten ragt, ist in die zentrale Bohrung
eingepaßt.
Das obere Ende der Hülse 102 paßt in eine Öffnung in einem
Anker 104, der wie in Fig. 2 gezeigt, normalerweise um einen
sehr kleinen Luftspalt vom elektromagnetischen Kern
106 des Solenoids 42 entfernt angeordnet ist. Die Wicklungen 108
und der Kern 106 sind in einer Gußmasse 110 eingekapselt. Die Wick
lungen des Solenoids werden über Leitungen 44 gespeist, die an
zwei Anschlüssen 112 befestigt sind. Der metallische Anker der
ein sich verjüngendes Profil besitzt, kann sich vertikal innerhalb
einer Ringkammer 114 bewegen. Diese ist zwischen dem oberen Ende
des Pilotventils 40 und dem unteren Ende des Solenoids 42 ausgebil
det. Die Masse 110 könnte, wie dargestellt, das Gehäuse füllen und
die Löcher könnten axial hindurchgebohrt werden.
Eine Sackbohrung 118 ist zentral im unteren Ende des
elektromagnetischen Kerns 106 angeordnet. Eine Feder 120 befindet
sich in dem Hohlraum. Ein Messinganschlag 122, der über einen An
satz 123 auf einen Kolben 124 paßt, wird von der Feder 120 nach
unten gedrückt. Der Kolben 124 hängt vom Solenoid 42 herab und paßt
eng in die Hülse 102. Eine Nase 126 verringerten Durchmessers ist
am unteren Ende des Kolbens 124 ausgeformt. Der Innendurchmesser
der Hülse 102 ist ebenfalls entlang der unteren Hälfte der Hülse
vergrößert. Somit wird ein Ringraum zwischen dem unteren Ende des
Kolbens 124 und der Hülse 102 gebildet.
Der Kraftstoff, der in diesem aufgenommen wird, übt eine nach
oben gerichtete Kraft auf den Kolben 124 und den Anschlag 122 aus.
Die Hülse 102 bewegt sich nach oben, wenn bei Erregung des Solenoids 42 der Anker 104
zum Kern 106 hin angezogen wird. Sie
endet in einem konischen Vorsprung 128, wobei ein Ventilsitz 130
am Einlaß der Ringkammer 132 im Pilotventil 40 ausgebildet ist.
Eine Öffnung 134 befindet sich in der Seite der Hülse 102, welche
direkt mit dem Einlaßkanal 32 des Pilotventils kommuniziert und
hier den Kraftstoff aufnimmt, welcher über den Einlaß
kanal 46, den Kanal 45 in der Platte 43 und den Einlaßkanal 32
zugeführt wird.
Ein Vergleich der Fig. 2 und 3 macht deutlich,
wie das Dreiwegeventil 30 bei Erregung bzw. Entregung des Solenoids
42 durch die elektronische Steuereinrichtung 25 (Fig. 1) eingestellt
wird. Bei Erregung kann Kraftstoff vom Einlaßkanal 32 durch den zweiten
Auslaßkanal 36 in die Steuerkammer 35 fließen, während bei Entregung der Kraftstoff von der Steuerkammer
durch den ersten Auslaßkanal 34 in den Kraftstoffvorratsbehälter 39 geleitet
wird.
Fig. 2 zeigt das Solenoid
42 im normalen, unbetätigten Zustand, wobei der Vorsprung 128 der
Hülse 102 fest auf den Sitz 130 gedrückt ist. Demzufolge
strömt unter Druck stehender Kraftstoff aus dem Einlaßkanal
46 durch die Platte 43 in die Steuerkammer 35. Der Fluß des
Kraftstoffs bei entregtem Solenoid ist durch die Richtungs
pfeile in Fig. 2 gezeigt, wogegen der Fluß des Kraftstoffes bei
erregtem Solenoid durch die Richtungspfeile in Fig. 3 dargestellt
ist.
Fig. 4 ist ein Querschnitt durch das Pendelventil mit der Schieberkammer 37 und dem
Ventilschieber 38, den kleineren Kolben 60 und den Einlaßkanal 46,
der mit der Kraftstoffquelle verbun
den ist. Diese Komponenten sind in Fig. 1 sichtbar, in Fig. 4 je
doch vergrößert dargestellt. Die Anschlagplatte 43, welche den Auf
prall des Ventilschiebers 38 absorbiert, ist ebenfalls sichtbar, wie
auch Abschnitte der Leitungen 52 und 54 sowie ein Segment der
Leitung 48, die mit der Betätigungskammer 49 und dem oberen Zylin
der 64 des Verstärkerkolbens 62 kommuniziert. Die Schieberkammer
37 mit ihrer variierenden Gestalt aus zylindrischen Abschnitten
und ringförmigen Vergrößerungen ist gebohrt oder in anderer Weise
in das Zwischensegment 26 eingearbeitet. Danach wird ein Stopfen
136 mit einer Unterlagscheibe 138 in das offene Ende der Kammer
zu deren Abdichtung eingeschraubt.
Fig. 5 ist ein Querschnitt ähnlich der Fig. 4. Während jedoch die
Fig. 4 den Ventilschieber 38 in der abgesenkten Stellung zeigt,
in welcher er sich dem Boden der Schieberkammer 37 nähert, zeigt
Fig. 5 den Ventilschieber 38 in der angehobenen Stellung, in der es sich
der Anschlagplatte 43 nähert, die unter dem Dreiwegeventil 30 ange
ordnet ist. Aus später noch deutlich werdenden Gründen befindet
sich der Ventilschieber 38 in den Fig. 1 und 4 in der Einspritz
phase des Betriebszyklus, während sich der Ventilschieber 38 in Fig. 5 in
der Abmeßphase befindet. Die Bewegung des Ventilschiebers 38 wird durch
die intermittierende Einwirkung von unter Druck stehendem Kraftstoff
in der Steuerkammer 35 auf die obere Arbeitsfläche des Ventilschiebers 38 geregelt,
sowie durch das konstante Anliegen von Druck am kleineren Kolben 60.
Fig. 6 zeigt die Auslaßöffnung 140, über welche der unter Druck ste
hende Kraftstoff, der vom Ventilschieber 38 blockiert ist, zum
Vorratsbehälter 39 zurückgeführt werden kann, wenn das Ventil während der
Abmeßphase nach oben bewegt wird. Die Auslaßöffnung 140 macht mög
lich, daß der unter Druck stehende Kraftstoff, welcher in der
Betätigungskammer vorliegt, wenn die Einspritzphase beendet ist,
bewegt und über einen gewundenen, sich schneidenden Weg einschließ
lich des Querloches 142 zum Kraftstoffreservoir zurückgeführt wird.
Die Spitze des Nadelventils 144 befindet sich in Betriebsbeziehung
zum sich verjüngenden Ventilsitz 144 a. Eine Gewindeschraube 146
ermöglicht eine Einstellung der Nadel relativ zum Sitz. Hierdurch
wird die Strömungsrate des Kraftstoffes, der zum Vorratsbehälter 39 zu
rückkehrt, variiert.
Fig. 6 macht außerdem
deutlich, daß der Kraftstoff, der in den vergrößerten Ring
räumen, beispielsweise dem Ringraum 37 a, die einstückiges Teil der
Schieberkammer 37 sind, ebenfalls in den Auslaßkanal 140 während
der Abmeßphase des Betriebszyklus abgelassen wird. Die Wege aller
Rückflüsse führen zusammen, bevor sie den gemeinsamen Auslaßkanal
140 erreichen. Es können auch andere Arten, den eingesperrten Kraft
stoff zurück zum Auslaßkanal 140 und/oder zum Vorratsbehälter 39 abzulassen,
mit gleichem Erfolg verwendet werden. Ein Teil des Nadelventils 144 ist
aufgebrochen, so daß das Querloch 142 erkennbar ist.
Die Fig. 7 und 8 zeigen in vergrößertem Maßstab das Verstärkerge
häuse 41 und die hierin angebrachten Komponenten. Fig. 7 zeigt die
Komponenten in der Stellung, die während der Abmeßphase des Be
triebszyklus eingenommen werden, während Fig. 8 die Komponenten
während der Einspritzphase darstellt.
Stifte 148 erstrecken sich von der oberen und der unteren Oberflä
che des Verstärkergehäuses. Die Stifte passen in Öffnungen (nicht
gezeigt) in den benachbarten Gehäuseabschnitten und garantieren
eine richtige Ausrichtung. Der obere Zylinder 64 des Verstärker
kolbens 62 bewegt sich innerhalb der Betätigungskammer 49, während
sich der untere Zylinder 66 innerhalb der Abmeßkammer 50 bewegt.
Die Grenze der Abwärtsbewegung des Verstärkerkolbens wird durch die
untere Fläche des Zylinders 64 gebildet, der die Basis des ver
größerten Ringraums 49 a in der Betätigungskammer, wie in Fig. 8 ge
zeigt, berührt. Die untere Fläche des Zylinders 66 nähert sich der
Basis des vergrößerten Ringraumes 49 a in der Abmeßkammer, ebenfalls
in Fig. 8 gezeigt, berührt diese jedoch nicht. Die größere Fläche
am Boden der Betätigungskammer 49 erträgt den Aufprall des Verstärkerkolbens
besser.
Die nach oben gerichtete Bewegung des Zylinders 66 vergrößert das
Volumen innerhalb der Abmeßkammer 50, in welche unter Druck stehen
der Kraftstoff während der Abmeßphase des Betriebszyklus eingeführt
wird. Die Grenze der nach oben gerichteten Bewegung wird erreicht, wenn das
obere Ende des oberen Zylinders 64 des Verstärkerkolbens 62
die Oberseite der Betätigungskammer 49 erreicht und gegen
die untere Fläche des Zwischenabschnittes 26 des Einspritzgehäuses
anstößt. Fig. 7 zeigt den Verstärkerkolben an der oberen Grenze der
Aufwärtsbewegung, während Fig. 8 den Verstärkerkolben an der Grenze
der Abwärtsbewegung darstellt. Dadurch, daß die Dauer der von der
Steuereinrichtung 25 zum Solenoid des Dreiwegeventils 30 geliefer
ten elektrischen Signale variiert wird, kann das Ausmaß der Auf
wärtsbewegung des Zylinders 66 innerhalb der Abmeßkammer 50 so ein
gestellt werden, daß die gewünschte variable Menge unter Druck ste
henden Kraftstoffs abgemessen bzw. zugelassen wird. Der abgemessene
Kraftstoff wird daraufhin in die Brennkraftmaschine an einem spä
teren Punkt im Betriebszyklus eingespritzt.
Der T-förmige Kanal, der sich axial durch den unteren Zylinder 66
des Verstärkerkolbens erstreckt, ist auch in den Fig. 7 und 8 zu
erkennen. In Fig. 7 hat sich der Kanal 70 über dem Querloch 55 nach
oben bewegt. Kraftstoff, der aus diesem Austritt, wird im Gehäuse
zwischen dem Zwischenzylinder 65 und dem unteren Zylinder 66 einge
fangen. Die Strömung im Querloch 55 wird vom unteren Zylinder 66
nicht behindert, da die Strömung in den Ringraum 56 eintritt und
um den Zylinder auf dem Weg zur axialen Leitung 98 herum fließt,
welche in den Federhohlraum 96 im Gehäuse 80 führt. In Fig. 8
stellt die Hinterschneidung 150, die dem Kanal 70 zugeordnet ist,
die Kommunikation zwischen dem Kanal und dem Ringraum 56 her. Treib
stoff, der aus dem Kanal herausgedrückt wird, tritt in den Ringraum
ein und fließt rasch in das Querloch 55 und von dort in die dritte
Leitung 54. Der Federhohlraum 96 nimmt immer den unter Druck stehen
den Kraftstoff auf, der im Querloch 55 fließt, unabhängig von der
Position des Verstärkerkolbens 62.
Die wesentlichen Funktionsmerkmale des in den Fig. 1 bis 8 gezeig
ten Kraftstoffeinspritzsystems lassen sich anhand einer ausführ
lichen Beschreibung des Betriebszyklus unter besonderer Bezugnahme
auf die Fig. 9 und 10 verstehen. Als Bezugspunkt sei angenommen,
daß der Zyklus beginnt, wenn eine Pumpe (nicht gezeigt)
Kraftstoff aus dem Kraftstoffvorratsbehälter 39 abzieht und diesen der
Hochdruckpumpe 152 zuführt. Die Hochdruckpumpe 152 setzt den Kraftstoff un
ter Druck und speist diesen konstant in
die drei Leitungen 48, 52, 54, die durch das Gehäuse
verlaufen. Da das Solenoid 42 normalerweise entregt ist, wie in
Fig. 2 gezeigt, fließt der unter Druck stehende Kraft
stoff in der zweiten Leitung 52 durch die Anschlagplatte 43 in den Einlaß
kanal 32 des Pilotventils 40, über die Öffnung 134
in der Hülse 102 und gelangt von dort durch den zweiten Auslaßkanal
36 in die Steuerkammer 35 des Pendelventils. Auf diese Weise wird die obere Ar
beitsfläche des Ventilschiebers 38 dem unter Druck stehenden Kraft
stoff unter Versorgungsdruck ausgesetzt. Der Ventilschieber 38 bewegt sich in
nerhalb der Schieberkammer 37 nach unten, bis er fest auf deren Boden auf
liegt, wie in Fig. 4 gezeigt. Wenn der Ventilschieber 38 auf dem Bo
den der Schieberkammer 37 aufsitzt, kann um dieses aufgrund der Nut zwi
schen dem mittleren und dem unteren Segment unter Druck stehender
Kraftstoff herum gelangen und in die Betätigungskammer 49 eintreten.
Hier legt es Druck an die obere Arbeitsfläche des Verstärkerkolbens
62. Die nach unten gerichtete Bewegung des Ventilschiebers 38 läßt
das obere zylindrische Segment des Ventils das Querloch 142 (vgl.
Fig. 6) derart blockieren, daß keine Rückströmung aus der Betätigungskammer 49
durch das einstellbare Nadelventil 144 das Reservoir stromab vom
Pendelventil erreichen kann. Der Verstärkerkolben 62 wird ebenfalls
nach unten gedrückt, bis er im Ringraum am längeren Ende
der Betätigungskammer 49 aufsitzt (vgl. Fig. 8).
Zur selben Zeit, zu der unter Druck stehender Kraftstoff durch die
Leitung 52 fließt, strömt unter Druck stehender Kraftstoff durch
die Leitung 54. Obwohl der unter Druck stehende Kraftstoff auf die
untere Arbeitsfläche des kleineren Kolbens 60 wirkt, kann diese
nach oben gerichtete Kraft die Kraft nicht überwinden, die auf die
Arbeitsfläche des Ventilschiebers 38 wirkt. Die wirksame Fläche des Ventilschiebers 38
ist in der Steuerkammer 35 nämlich mehrere Male größer als die wirksame Fläche des Kol
bens 60. Der unter Druck stehende Kraftstoff in der Leitung 54 fließt
weiter stromabwärts in das Querloch 55 und den Ringraum 56 und um
den Verstärkerkolben herum und tritt in die Federkammer ein. Hier
verstärkt er die Kräfte, die auf den Halter 92 wirken und die Na
del 90 aufsetzen.
Der unter Druck stehende Kraftstoff in der Leitung 54 fließt außer
dem in die Zweigleitung 71. Die Kugel des Rückschlagventils 72 wird nor
malerweise von der Feder 74 auf den Sitz 76 gedrückt. Während der
Abmeßphase wird das Rückschlagventil 72 vom Sitz 74 durch die Kraft
des unter Druck stehenden Kraftstoffes weggeschoben, wie dies in
Fig. 10 angedeutet ist. Wenn während der Injektionsphase der Ver
stärkerkolben 62 nach unten getrieben wird, wird die Kugel des Rückschlagven
tils gegen den Sitz 74 gedrückt, wodurch die Kammer 50 abgedich
tet wird, womit verhindert wird, daß der unter Druck stehende Kraftstoff stromauf in die Leitung 54 entweicht
und der Druck des darin befindlichen Kraftstoffes erheb
lich ansteigen kann.
Fig. 9 macht diese Beziehungen deutlich.
Die Einspritzphase des Betriebszyklus tritt auf, wenn der Verstär
kerkolben 62 innerhalb der Abmeßkammer 50 durch Anlegen von unter
Druck stehendem Kraftstoff an die Oberseite des Kolbens nach unten
gedrückt wird. Die Dauer der Einspritzphase entspricht dem Bewe
gungsweg des Verstärkerkolbens 62 zwischen der oberen Ausgangs
stellung in der Betätigungskammer 49, wie in Fig. 10 gezeigt, und
dem Erreichen des Bodens dieser Kammer 49, wie in Fig. 9 gezeigt.
Wenn der Verstärkerkolben 62 durch den Kraftstoff unter Versor
gungsdruck, der auf die obere Arbeitsfläche wirkt, nach unten ge
trieben wird, wird der Druck des Kraftstoffes in der Kammer 50 er
heblich aufgrund der Differenz der Flächen des oberen zylindri
schen Teils 64 und des unteren zylindrischen Teils 66 des Kolbens
62 verstärkt. Die Fläche des oberen Zylinders kann beispielsweise
vier mal größer als die Fläche des unteren Zylinders sein. Wenn
somit Treibstoff unter 350 Bar an den oberen Zylinder gelegt wird,
übt der untere Zylinder eine vierfache Kraft auf den Kraftstoff
in der Kammer 50 aus, wodurch der Druck auf 1400 Bar angehoben wird.
Der unter Druck stehende Kraftstoff strömt aus der Kammer 50 in die
Leitung 86 und den Ringraum 88 im Düsenkörper. Der verstärkte
Druckwert ist so hoch, daß die resultierende hy
draulische Kraft die vereinten Kräfte der Feder 94 (beispielsweise
2 Bar) und des unter Druck stehenden Kraftstoffes (beispielsweise
350 Bar) im Hohlraum 96 überwindet, der normalerweise die Nadel 90 in der
Schließstellung hält. Der hohe Druckwert im
Ringraum 88 drückt die Nadel 90 vom Sitz weg; der unter Druck ste
hende Kraftstoff wird in einem sehr fein zerstäubten Strahl direkt
in die Verbrennungskammer 22 im Motorblock ausgestoßen. Fig. 9
zeigt, wie zu erkennen ist, den Verstärkerkolben 62 am Ende des
Abwärtsweges in der Betätigungskammer 49 , das Solenoid entregt und den Ventil
schieber 38 am Boden der Schieberkammer 37. Um zu verhindern, daß Kraft
stoff im Ringraum 49 a am Boden der Betätigungskammer 49 und im Ringraum 37 a
am Boden der Schieberkammer 37 eingefangen wird, sind diese Ringräume mit
einander in Reihe verbunden und über die Auslaßöffnung 140 zum
Reservoir 39 entlüftet. Die Strömung unter Druck stehenden Kraft
stoffes durch die verschiedenen Leitungen ist durch die Richtungs
pfeile angedeutet.
Im Gegensatz zu Fig. 9 zeigt Fig. 10 die Komponenten des Kraft
stoffeinspritzsystems in den Stellungen, die während der Abmeß
phase des Betriebszyklus eingenommen werden. Zur Einleitung der
Abmeßphase wird ein elektronisches Signal an die Wicklungen 108
des Solenoids 42 gegeben, welches den Anker 104, wie in Fig. 3
gezeigt, anzieht. Hierdurch wird die Hülse 102 relativ zum
Tauchkolben 124 bewegt. Der unter Druck stehende Kraftstoff in der
Leitung 52 und im Einlaßkanal 32 wird durch die Nase 126 des Tauch
kolbens 124, welche den Auslaßkanal 36 abdichtet, blockiert, wäh
rend ein Strömungsweg aus der Schieberkammer 37 an dem Ventilsitz
130 vorbei in den Auslaßkanal 34 und von dort zum Kraftstoffre
servoir 39 eingerichtet wird.
Der unter Druck stehende Kraftstoff in der Leitung 54
liegt ständig an der unteren Arbeitsfläche des kleineren Kolbens 60.
Da der unter Druck stehende Kraftstoff in der Leitung 52
blockiert ist und somit nicht auf die obere Arbeitsfläche des Ventil
schiebers 38 wirkt, kann der kleinere Kolben 60 das größere Pendel
ventil nach oben bewegen. Die Aufwärtsbewegung des Ventilschiebers 38 auf
die Platte 34 zu drückt den Treibstoff in dem oberen Ende der Kam
mer 37 durch den Auslaßkanal 34 und führt diesen zum Kraftstoffre
servoir 39 zurück. Der Ventilschieber 38 bewegt sich nach oben, bis
der Ringraum zwischen dem oberen und dem mittleren Abschnitt des
Ventils auf den Auslaßkanal 142 ausgerichtet ist und der untere
Abschnitt die Strömung in der Leitung 48 blockiert, so daß der un
ter Druck stehende Kraftstoff nicht dem oberen Ende des Verstärker
kolbens 62 zugeführt wird. Der unter Druck stehende Kraftstoff im
Querloch 55 und im Ringraum 56 fließt um den Verstärkerkolben 62
unabhängig von dessen Stellung herum und kommuniziert mit dem Feder
hohlraum 96.
Wenn sich der Verstärkerkolben 62 während der Einspritzphase nach
unten bewegt und der Druck des Kraftstoffes in der Kammer 50 ver
stärkt wird, setzt der verstärkte Druck das Kugelventil 72 gegen
seinen Sitz 76 und verhindert, daß der verstärkte Druck in der Kam
mer 50 in umgekehrter Richtung am Ventilsitz 76 vorbei in die Lei
tungen 71 und 54 fließt. Am Ende der Einspritzphase wird der ver
stärkte Druck innerhalb des Ringraumes 38 und des Düsenventils sehr
rasch reduziert, wodurch der fein zerstäubte Kraftstoffstrahl un
terbrochen wird. Dies geschieht dadurch daß der unter Druck stehen
de Kraftstoff im Ringraum 88 gesammelt, expandiert und von der Na
del 90 nach oben bewegt wird, wenn diese in ihre normale unbetätig
te Position zurückkehrt. Der Kraftstoff bewegt sich durch die Lei
tung 86, durch den T-förmigen Kanal 70 und in den Ringraum, der
zwischen den Zylindern 65 und 66 des Verstärkerkolbens 62 gebildet
ist und in den Ringraum 56 nach oben. Die rasche Freigabe des unter
Druck stehenden Kraftstoffes über die Kommunikation von Ringraum
zu Ringraum stellt sicher, daß der Kraftstoffeinspritzvorgang ge
nau ist und vermeidet ein Tropfen durch die Düse. Da der unter
Druck stehende Kraftstoff vom Ventilschieber 38 blockiert wird, bevor er
den größeren Zylinder 64 am oberen Ende des Verstärkerkolbens 62
erreicht, kann der unter Druck stehende Kraftstoff, der auf die
untere Arbeitsfläche des Zylinders 66 wirkt, den Kolben 62 nach
oben treiben. Wenn sich der Kolben 62 nach oben bewegt, drückt er
den in der Kammer 49 angesammelten Kraftstoff oberhalb des Kolbens
in den Auslaßkanal 142. Die Strömungsrate im Kanal 142, wenn der
Kraftstoff zum Reservoir 152 zurückkehrt, wird dadurch variiert,
daß das Nadelventil 144 gegenüber seinem Sitz eingestellt wird.
Aufgrund der Position zwischen Betätigungskammer 49
und Schieberkammer 37 kann die einstellbare Öffnung, die vom Nadel
ventil 144 gesteuert wird, über einen großen Bereich von Strömungs
zuständen eingestellt werden. Diese Fähigkeit kann dazu verwendet
werden, die Funktion jeder Einspritzvorrichtung bei einem Steuersignal be
stimmter Dauer einzustellen. Tatsächlich kann jede Einspritzvorrichtung feinabgestimmt
werden, und die verhältnismäßig große Strömung in der
Rückführleitung 142 ermöglicht eine beträchtliche Breite des Ein
stellbereichs.
Das Ausmaß der Aufwärtsbewegung des Kolbens 62 steht in direkter
Beziehung zur Dauer der Erregung des Solenoids 42. Wenn das So
lenoid 42 während seiner ganzen Betriebsperiode erregt ist, d. h.
während einiger Millisekunden, bewegt sich der Verstärkerkolben 62 nach oben,
wodurch ein bestimmtes Volumen der Kammer 50 von dem unter Druck
stehenden Kraftstoff, der am Ventil 72 vorbeiströmt, gefüllt wird.
Wenn das Solenoid 42 nur für den Bruchteil der gesamten Periode
erregt wird, die benötigt wird, um die maximale Menge unter Druck
stehenden Kraftstoffs in die Kammer 50 einzulassen, wird die Kam
mer 50 bis zu einem Niveau gefüllt, welches diesem Bruchteil entspricht.
Im wesentlichen kann auf Grund der Fähigkei der elektronischen Steuer
einrichtung, die Dauer der Erregungsperiode des Solenoids 42 zu
variieren, das Kraftstoffeinspritzsystem eine variable
Abmeßkapazität für jede Einspritzvorrichtung erzielen.
Claims (3)
1. Elektrisch gesteuerte Einspritzvorrichtung zur
Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Brennkraftmaschine,
mit einem Gehäuse, das ein elektromagnetisch betätigtes
Dreiwegeventil (30), ein Pendelventil (37, 38) einen
Verstärkerkolben (62) und eine Einspritzdüse (78) enthält, wobei
das Dreiwegeventil (30) einen mit einer unter Druck stehenden Kraftstoffquelle (152) verbundenen Einlaßkanal (32) und zwei Auslaßkanäle (34, 36) aufweist, von denen der erste mit einem Kraftstoffvorratsbehälter (39) verbunden ist;
das Dreiwegeventil (30) mit einer, von einer elektronischen Steuereinrichtung (25) erregbaren, elektromagnetischen Einrichtung (42, 104) verbunden und durch diese zwischen zwei Zuständen umschaltbar ist, wobei im ersten Zustand der Einlaßkanal (32) mit dem zweiten Auslaßkanal (36) verbunden und der erste Auslaßkanal (34) außer Kommunikation mit diesen Kanälen ist, während im zweiten Abstand die beiden Auslaßkanäle (34, 36) miteinander verbunden sind und der Einlaßkanal (32) außer Kommunikation mit diesen ist;
das Pendelventil (37, 38) einen in einer Schieberkammer (37) beweglichen und über den Kraftstoffdruck in einer stirnseitigen, mit dem zweiten Auslaßkanal (36) des Dreiwegeventils (30) verbundenen Steuerkammer (35) betätigten Ventilschieber (38) aufweist, der in einer ersten Endstellung den Kraftstoffzufluß vom Einlaßkanal (46, 32) zu einer ersten Leitung (48) ermöglicht und in der zweiten Endstellung verhindert;
der Verstärkerkolben (62) zwei zylindrische Teile umfaßt, von denen das erste (64) innerhalb einer über die erste Leitung (48) mit dem Pendelventil verbundenen Betätigungskammer (49) und das zweite (66) innerhalb einer Abmeßkammer (50) bewegbar ist;
so daß in der ersten Stellung des Ventilschiebers (38) unter Druck stehender Kraftstoff durch das geöffnete Pendelventil von der Kraftstoffquelle (152) in die Betätigungskammer (49) geliefert und der Verstärkerkolben (62) bewegt wird;
mit einer Einspritzdüse (78) stromab der Abmeßkammer (50), deren Düsennadel (90) von einer hydraulischen und mechanischen Einrichtung (92, 94) normalerweise in Schließstellung gedrückt wird;
dadurch gekennzeichnet, daß
der Ventilschieber (38) an seinem der Steuerkammer (35) abgewandten Ende über eine dritte, mit dem Einlaßkanal (46) verbundene Leitung (54) ständig und ausschließlich von dem Druck der Kraftstoffquelle (152) belastet wird,
und die wirksame Fläche des Ventilschiebers (38) dort wesentlich kleiner ist als in der Steuerkammer (35), so daß das Pendelventil (37, 38) ausschließlich durch den über das Dreiwegeventil (30) steuerbaren Kraftstoffdruck umgeschaltet wird.
das Dreiwegeventil (30) einen mit einer unter Druck stehenden Kraftstoffquelle (152) verbundenen Einlaßkanal (32) und zwei Auslaßkanäle (34, 36) aufweist, von denen der erste mit einem Kraftstoffvorratsbehälter (39) verbunden ist;
das Dreiwegeventil (30) mit einer, von einer elektronischen Steuereinrichtung (25) erregbaren, elektromagnetischen Einrichtung (42, 104) verbunden und durch diese zwischen zwei Zuständen umschaltbar ist, wobei im ersten Zustand der Einlaßkanal (32) mit dem zweiten Auslaßkanal (36) verbunden und der erste Auslaßkanal (34) außer Kommunikation mit diesen Kanälen ist, während im zweiten Abstand die beiden Auslaßkanäle (34, 36) miteinander verbunden sind und der Einlaßkanal (32) außer Kommunikation mit diesen ist;
das Pendelventil (37, 38) einen in einer Schieberkammer (37) beweglichen und über den Kraftstoffdruck in einer stirnseitigen, mit dem zweiten Auslaßkanal (36) des Dreiwegeventils (30) verbundenen Steuerkammer (35) betätigten Ventilschieber (38) aufweist, der in einer ersten Endstellung den Kraftstoffzufluß vom Einlaßkanal (46, 32) zu einer ersten Leitung (48) ermöglicht und in der zweiten Endstellung verhindert;
der Verstärkerkolben (62) zwei zylindrische Teile umfaßt, von denen das erste (64) innerhalb einer über die erste Leitung (48) mit dem Pendelventil verbundenen Betätigungskammer (49) und das zweite (66) innerhalb einer Abmeßkammer (50) bewegbar ist;
so daß in der ersten Stellung des Ventilschiebers (38) unter Druck stehender Kraftstoff durch das geöffnete Pendelventil von der Kraftstoffquelle (152) in die Betätigungskammer (49) geliefert und der Verstärkerkolben (62) bewegt wird;
mit einer Einspritzdüse (78) stromab der Abmeßkammer (50), deren Düsennadel (90) von einer hydraulischen und mechanischen Einrichtung (92, 94) normalerweise in Schließstellung gedrückt wird;
dadurch gekennzeichnet, daß
der Ventilschieber (38) an seinem der Steuerkammer (35) abgewandten Ende über eine dritte, mit dem Einlaßkanal (46) verbundene Leitung (54) ständig und ausschließlich von dem Druck der Kraftstoffquelle (152) belastet wird,
und die wirksame Fläche des Ventilschiebers (38) dort wesentlich kleiner ist als in der Steuerkammer (35), so daß das Pendelventil (37, 38) ausschließlich durch den über das Dreiwegeventil (30) steuerbaren Kraftstoffdruck umgeschaltet wird.
2. Elektrisch gesteuerte Einspritzvorrichtung nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche
des Ventilschiebers (38) an seinem der Steuerkammer (35)
abgewandten Ende von einem kleinen Kolben (60) gebildet
wird, der zwischen der Schieberkammer (37) und der dritten
Leitung (54) angeordnet ist.
3. Elektrisch gesteuerte Einspritzvorrichtung nach
Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein
vergrößerter Ringraum (37 a) in der Schieberkammer (37) und
ein vergrößerter Ringraum (49 a) in der Betätigungskammer
(49) über einen Ablaßkanal an dem mit dem Kraftstoffvorrats
behälter (39) verbundenen Auslaßkanal (140) angeschlossen
ist.
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