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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung in einer Kraftstoff-Zufuhrvorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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"Common-Rail"-Speicher-Einspritzsysteme, die
Druckspeicher verwenden, sind in Verbindung mit Kolbenmaschinen
allgemein bekannt. Bei solchen Systemen wird der in einem sogenannten
Druckspeicher gehaltene Kraftstoff zu einem Einspritzdruck in den
Brennraum der Maschine mittels Steuerung eines Einspritzventils
eingespritzt.
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Eine
Strömungssicherung
wird allgemein als Sicherheitsvorrichtung in Kraftstoffeinspritzvorrichtungen
verwendet. Die Strömungssicherung
ist normalerweise zwischen dem Druckspeicher und dem Einspritzventil
angeordnet. Die Strömungssicherung blockiert
den Strömungsweg
aus dem Speicher in dem Fall, bei dem eine Leckage auftritt, wobei
das Einspritzventil beispielsweise in der geöffneten Position stecken bleiben
sollte, wodurch eine unkontrollierte Kraftstoffleckage an den Brennraum
des Zylinders vorliegen kann. Um dies zu verhindern, zeigen die
Beschreibungen der Patente
US
3,780,716 und
WO 95/17594 eine
Strömungssicherung,
die die Kraftstoffströmungsrate
begrenzt. Die Strömungssicherung
hat typischerweise einen zylindrischen Raum, der ferner ein Kolbenelement
aufnimmt, das mit einer Feder versehen ist, die entgegen die Strömungsrichtung
des Kraftstoffs während
des Einspritzvorgangs wirkt. Im normalen Betrieb korreliert die
für jede
Einspritzung erforderliche Kraftstoffquantität mit dem durch die Kolbenbewegung
veränderten Volumen.
Sollte das Einspritzventil aus irgendeinem Grund einen Leckagestrom
beibehalten, wird der Kolben an seine andere Extremposition bewegt,
wo er die Strömung
unterbricht.
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Bei
einem typischen Common-Rail-Speichersystem erreicht der Einspritzdruck
ein hohes Druckmaß nahezu
unmittelbar nachdem die Nadel der Einspritzdüse öffnet. Demzufolge ist die Massenströmungsrate
vom Beginn des Einspritzvorgangs an extrem hoch, wenn Kraftstoff
in den Brennraum eingespritzt wird. In diesem Fall kann der Druck
in dem Brennraum der Maschine für
ein Erreichen eines optimalen Arbeitsvorganges zu schnell ansteigen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung in einer
Kraftstoffzufuhrvorrichtung vorzusehen, bei der die Nachteile im
Stand der Technik minimiert sind. Ein spezielles Ziel der vorliegenden
Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen, bei der die Massenströmungsrate
an Kraftstoff zu Beginn des Einspritzvorganges begrenzt werden kann.
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Die
Aufgaben der Erfindung werden im Wesentlichen durch den Gegenstand
gelöst,
wie er im Anspruch 1 aufgezeigt ist, wobei dieser in den anderen
Ansprüchen
detaillierter aufgezeigt ist.
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Die
Einrichtung zum Steuern der Kraftstoffzufuhr in einer Kraftstoffzufuhrvorrichtung
umfasst ein Körperteil
mit einem Raum, durch den der einzuspritzende Kraftstoff während des
Arbeitsvorgangs strömt,
und eine Kraftstoffeinlassöffnung
sowie eine Kraftstoffauslassöffnung,
die zu dem Raum öffnen. Die
Einrichtung umfasst ferner ein Kolbenelement, das beweglich in dem
Raum angeordnet ist, und einen Strömungsweg, um eine Strömungskommunikation
zwischen der Kraftstoffeinlassöffnung
und der Kraftstoffauslassöffnung
vorzusehen. Die Einrichtung weist mindestens eine Drosselsektion
auf, die zur Front des Kolbenelements hin in der Strömungsrichtung
des Kraftstoffs öffnet,
wobei der Querschnittströmungsbereich
dieser Sektion durch die relativen Positionen des Kolbenelements
zu dem Körperteil bestimmt
ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
weist die Drosselsektion mehrere Öffnungen auf, die in dem Kolbenelement
an verschiedenen Punkten in der Richtung seiner Längsachse
angeordnet sind und/oder eine Öffnung,
die sich in dessen Längsachse
erstreckt. Das Kolbenelement weist damit einen Durchgang auf, der
sich auf eine Distanz von seinem Ende erstreckt, die der Kraftstoffeinlassöffnung in
der Längsrichtung
des Kolbens zugewandt ist, welche Distanz länger ist als die Länge des
Kolbenelementabschnitts mit einem geringeren Durchmesser. Es sind
Kanäle
vorgesehen, die so angeordnet sind, dass sie sich von dem Durchgang
erstrecken, welche Kanäle
im Wesentlichen quer zu dessen Richtung vorliegen und an die Außenfläche desjenigen
Abschnitts des Kolbenelements mit einem geringeren Durchmesser öffnen.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
umfasst die Drosselsektion mehrere Öffnungen, die in dem Körperteil
zu verschiedenen Punkten in Richtung der Längsachse des Kolbens angeordnet
sind, und/oder mindestens eine rechtwinklige Öffnung, die in dem Körperteil
in der Richtung dessen Längsachse angeordnet
ist. Vorzugsweise sind die Öffnungen
zu regulären
Intervallen am Außenumfang
des Körperteils
angeordnet.
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Das
Körperteil
umfasst ein Außenteil
und ein Innenteil, zwischen denen ein Raum angeordnet ist, der eine
Kraftstoffströmungskommunikation
zwischen den Öffnungen
und der Kraftstoffeinlassöffnung
ermöglicht.
Der Innenteil besteht aus einem zylindrischen Abschnitt und einem
Bodenabschnitt, der an einem Ende des zylindrischen Abschnitts angeordnet
ist, wobei der Bodenabschnitt mit mindestens einer Nut versehen
ist, die sich an die Außenfläche des
Innenteils des zylindrischen Abschnitts erstreckt. Vorzugsweise
sind die Öffnungen
in dem zylindrischen Abschnitt des Innenteils angeordnet.
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Durch
die Einrichtung gemäß der Erfindung ist
es möglich,
die Massenströmungsrate
des einzuspritzenden Kraftstoffs beim Beginn des Einspritzvorgangs
zu begrenzen, jedoch einen passenden Einspritzdruck während des
tatsächlichen
Einspritzvorgangs vorzusehen. Zusätzlich ermöglicht es die erfindungsgemäße Lösung, den
Kraftstoffstrom im Falle eines Fehlverhaltens vom Einspritzventil
zu unterbrechen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten schematischen
Zeichnungen exemplarisch beschrieben, in denen
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1 zeigt,
wie die erfindungsgemäße Einrichtung
bei einem Kraftstoffeinspritzsystem in einem Motor verwendet wird;
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2 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung
zeigt;
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3 den
Innenteil des Körperteils
in der Einrichtung gemäß 2 zeigt;
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4 die
Einrichtung gemäß 2 in
ihrem ursprünglichen
Zustand zeigt;
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5 die
Einrichtung gemäß 2 in
ihrer anderen Extremstellung zeigt;
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6 eine
andere Einrichtung gemäß der Erfindung
in ihrem ursprünglichen
Zustand zeigt; und
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7 die
Einrichtung gemäß 6 in
einem anderen Zustand zeigt.
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Ziel
war es, eine einheitliche Bezugsbezifferung in den Figuren vorzusehen,
soweit dies aus dem Blickwinkel einer expliziten Beschreibung möglich ist. Alle
Teile, die möglicherweise
in der praxisgerechten Anwendung der Einrichtung mit enthalten sind,
sind nicht notwendigerweise beschrieben oder hierin aufgezeigt,
da die Offenbarung dieser Teile für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig
ist.
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1 zeigt
sehr schematisch, wie die Einrichtung 4 gemäß der Erfindung
in Verbindung mit einem Kraftstoffeinspritzsystem angeordnet werden kann,
das auf einem Common-Rail-Speicher
basiert. Diese Art eines Kraftstoffeinspritzsystems ist an sich im
Stand der Technik bekannt, wobei es hierin nur insoweit beschrieben
wird, wie es für
die Arbeitsweise der Erfindung wesentlich ist. Der Hauptbestandteil
in dem Kraftstoffeinspritzsystem basierend auf einem Common-Rail-Speicher
ist ein Common-Rail-Speicher, d.h. ein Druckspeicher, in dem Kraftstoff
zu einem hohen Druck gespeichert wird, bevor dieser in eine Maschine
eingespritzt wird, und der mit einem Einspritzventil 2 in
Strömungskommunikation
steht. Ein Kraftstoffkanalsystem 3, 3' ist vorgesehen,
das sich von dem Common-Rail-Speicher 1 an das Einspritzventil 2 erstreckt,
das Kraftstoff in dosierter Weise an jeden Zylinder (nicht gezeigt)
abgibt. Beim Betrieb wird ein derartiger Druck in dem Common-Rail-Speicher
aufrecht erhalten, so dass ein ausreichender Einspritzdruck für das Einspritzventil vorgesehen
werden kann. Jedes Einspritzventil 2 umfasst Steuerelemente
(nicht gezeigt), um die Einspritzung unabhängig zu steuern. Das Kraftstoffkanalsystem 3, 3' ist mit einer
Einrichtung 4 gemäß der Erfindung
versehen, deren Arbeitsweise im Folgenden mit Bezug auf die 2–7 beschrieben
ist.
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2 zeigt
eine vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung 4 zum Steuern
der Kraftstoffzufuhr in einer Kraftstoffzufuhrvorrichtung. Die Einrichtung
umfasst ein Körperteil 5, in
dem ein Raum 6 angeordnet ist. Während die Maschine läuft, strömt der Kraftstoff
durch diesen Raum 6. In dem Raum 6 befindet sich
auch ein Kolbenelement 9, das bewegbar gegen die durch
eine Feder 10 vorgesehene Kraft angeordnet ist. Die Feder 10 ist
so dimensioniert, dass sie das Kolbenelement 9 an dessen
Anfangsposition schnell genug nach dem Einspritzvorgang zurückführen kann.
Eine Kraftstoffeinlassöffnung 7 und
eine Kraftstoffauslassöffnung 8, die
auf unterschiedlichen Seiten des Kolbenelements 9 jeweils
platziert sind, sind auch mit dem Raum 6 in einer Strömungskommunikation.
Ein Kraftstoffströmungsweg
ist jedoch zwischen der Einlassöffnung 7 und
der Auslassöffnung 8 durch
die kombinierte Wirkung verschiedener Kanäle und Räume vorgesehen.
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Das
Körperteil
der Einrichtung gemäß 2 besteht
aus einem Außenteil 5.1 und
einem Innenteil 5.2. Das Außenteil 5.1 ist mit
der Kraftstoffeinlass- und der -auslassöffnung 7, 8 versehen.
In dem Außenteil
befindet sich ein Raum, in dem das Innenteil 5.2 aufgenommen
ist. Das Innenteil ist unbeweglich in dem Raum innerhalb des Außenteils
angeordnet, wobei dessen Zweck darin liegt, mit Hilfe seiner Form und
den Nuten und/oder Löchern,
die darin angeordnet sind, einen Teil des Kraftstoffströmungswegs
zu bilden. Diese Art der Lösung
ist vorteilhaft, da diese für
die Arbeitsweise der Einrichtung wesentlichen Räume, Kanäle etc., vorgesehen werden
können durch
bedarfsweise Maßnahmen,
die sowohl in dem Außenteil 5.1 und
dem Innenteil 5.2 ergriffen werden und durch die kombinierte
Wirkung dieser Maßnahmen,
wobei eine maschinelle oder ähnliche
Bearbeitung, die separat in diesen Teilen ausgeführt wird, relativ einfach ist.
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Das
in 3 gezeigte Innenteil 5.2 ist so aus der
Richtung der Kraftstoffeinlassöffnung 7 zu
sehen. Der Innenteil besteht aus einem zylindrischen Abschnitt 31 und
einem Bodenabschnitt 32, der an einem Ende des zylindrischen
Abschnitts angeordnet ist. In diesem Fall ist der Bodenabschnitt
mit zwei sich schneidenden Nuten 33 versehen, die sich über den
Außenumfang
des Innenteils 5.2 erstrecken. Diese Nuten bilden einen
Teil des Kraftstoffströmungswegs
von der Einlassöffnung 7 stromabwärts. Der
Bodenabschnitt und der Mantel des Innenteils 5.2 in der
Nähe hiervon
haben einen geringeren Durchmesser als der Rest. Auf diese Weise
wird ein Raum 34 zwischen dem Außenteil 5.1 und dem
Innenteil 5.2 gebildet, welcher Raum auch einen Teil des
Kraftstoffströmungswegs
von den Nuten 33 stromabwärts bildet. Der zylindrische
Abschnitt 31 ist mit Öffnungen 35 versehen,
die ebenso einen Teil des Strömungswegs
bilden. In dieser Ausführungsform
sind zwei rechtwinklige Öffnungen
gezeigt, wobei deren Form und Anzahl jedoch immer in Entsprechung
der Anwendung zu wählen
sind. Auf diese Weise ist es dem Kraftstoff möglich, über die Nuten 33 in
den Innenteil 5.2 und den Raum 34 an die Öffnungen 35 zu
strömen,
und weiter an die Front des Kolbenelements 9, gesehen aus
der Strömungsrichtung
des Kraftstoffs.
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Die
Situation vor dem Einspritzvorgang ist in 2 gezeigt.
Hier befindet sich das Kolbenelement 9 in seiner anfänglichen
Position an dem Ende angrenzend zur Einlassöffnung 7. Das Kolbenelement 9 überdeckt
damit alle Öffnungen 35 mehr
oder weniger vollständig.
Wenn das Einspritzventil 2 geöffnet wird, fällt der
Kraftstoffdruck in dem Abschnitt angrenzend zur Auslassöffnung 8 und
das Kolbenelement 9 setzt sich in Bewegung. Mit Fortführung der Bewegung
des Kolbenelements 9 vergrößert sich der Öffnungsteil
der Öffnungen 35,
wobei sich gleichzei tig der Querschnittsbereich des Kraftstoffströmungswegs
vergrößert. Der
Kraftstoff kann durch den sich konstant vergrößernden Bereich der Öffnungen 35 an
die Front des Kolbens strömen
und die Kolbenbewegung in Richtung zur Kraftstoffauslassöffnung 8 beschleunigen.
Die Grundidee liegt damit darin, die Wirkung des Kraftstoffdrucks
auf das Kolbenelement beim Beginn des Einspritzvorgangs zu begrenzen und
dadurch den Anstieg des Einspritzdrucks zu begrenzen.
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Die
Situation zu Beginn eines Einspritzvorgangs ist in 4 gezeigt.
Das Kolbenelement unterteilt den Raum 6 in Abschnitte,
die jeweils der Einlassöffnung 7 bzw.
der Auslassöffnung 8 zugewandt sind.
In dieser Situation bildet eine Steuerkante 40, die durch
das Kolbenelement 9 zusammen mit den Öffnungen 35 gebildet
ist, eine Drossel in dem Kraftstoffströmungsweg, die in den Abschnitt
im Raum 6 der Einlassöffnung
des Körperteils
zugewandt öffnet, bei
welcher Drossel der Drosseleffekt von den Positionen des Kolbenelements
in dem Körperteil 5 abhängt. Zu
Beginn des Einspritzvorgangs ist der Querschnittsbereich der Öffnungen
sehr gering, wobei der durch sie hervorgerufene Drosseleffekt die
Massenströmungsrate
des Kraftstoffs in einem beträchtlichen Ausmaß beschränkt. Während sich
das Kolbenelement bewegt, wird ein sich vergrößernder Teil des Bereichs der Öffnungen 35 geöffnet und
der Drosselbereich in dem Strömungsweg
vergrößert sich,
wodurch ein erhöhtes
Volumen an Kraftstoff an die Front des Kolbenelements strömen kann.
Aufgrund dessen steigt der Kraftstoffdruck in dem der Einlassöffnung zugewandten
Abschnitt des Raums 6 an und die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung
erhöht
sich. Damit korreliert die Kraftstoffquantität während eines jeden Einspritzvorgangs
mit dem durch die Kolbenbewegung in dem Raum 6 veränderten
Volumen. Während
sich das Kolbenelement bewegt, erhöht sich auch der Einspritzdruck,
d.h. der Kraftstoffdruck, angrenzend zur Auslassöffnung. Der Bereich der Öffnungen 35 ist
so gewählt
worden, dass zumindest an dem Ende des Einspritzvorgangs hier die
Kraftstoffströmung
nicht auf ein großes
Ausmaß begrenzt wird,
mit anderen Worten der Druckverlust gering sein wird.
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Sollte
die Einspritzkraftstoffrate aus irgendeinem Grunde zu groß werden,
wird das Kolbenelement 9 an seine andere Extremposition
bewegt, wo es die Kraftstoffströmung
durch die Auslassöffnung 8 unterbricht.
Diese Situation ist in 5 gezeigt. 5 zeigt
exemplarisch eine andere Alternativform der Öffnungen 35. Hier
besteht die Drossel aus mehreren Öffnungen 35 mit einem
kreisförmigen
Querschnitt, wie beispielsweise Bohrungen, die in dem Körperteil
an verschiedenen Punkten in der Richtung seiner Längsachse
angeordnet sind.
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6 zeigt
eine andere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Einrichtung.
Das Prinzip ihrer Arbeitsweise ist teilweise dasselbe wie derjenigen in 2 gezeigten
Ausführungsform.
Die Öffnungen 35 des
Drosselabschnitts sind jedoch anstelle des Körperteils 5 in dem
Kolbenelement 9 angeordnet. Das Kolbenelement 9 weist
ferner an seinem Ende, das der Einlassöffnung 7 zugewandt
ist, einen Abschnitt 9.1 auf, wo dessen Durchmesser kleiner
ist als der Durchmesser des restlichen Kolbens. Gleichermaßen weist
der Raum 6 einen Abschnitt auf, wo sein Durchmesser genauso
groß ist,
wie der des Kolbenelementabschnitts 9.1. Das Kolbenelement 9 ist mit
einem Durchgang 11 in der Richtung seiner Längsachse
versehen, welcher Durchgang in Kommunikation mit der Einlassöffnung 7 steht
und sich auf eine Distanz von dem Kolbenelementende erstreckt, das
der Einlassöffnung
zugewandt ist. In dem Abschnitt 9.1 des Kolbenelements 9 sind
vorzugsweise Querkanäle 11' vorgesehen,
die von der Richtung des Durchgangs 11 abweichen und sich
von dem Durchgang 11 an die Außenfläche des Abschnitts 9.1 des
Kolbenelements 9 erstrecken, die die Öffnungen 35 bilden,
die bei der in 6 gezeigten Situation durch
das Körperteil
geschlossen sind.
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Ferner
ist ein Kanal 14' angeordnet,
der sich von dem Durchgang 11 erstreckt, um den Durchgang 11 mit
dem Raum 14 zu verbinden, der zwischen dem Kolbenelement
und dem Körperteil
zur Anfangsphase des Einspritzvorgangs gebildet ist. Der Raum 14 ist
aufgrund der Tatsache gebildet, dass die Länge des Kolbenelementabschnitts 9.1 mit
einem geringeren Durchmesser langer ist als der daran in dem Körperteil 5 angeschlossene
Raum.
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Überdies
ist der Durchgang 11 mit Hilfe der Querkanäle 13 und 13' in Kommunikation
mit einer Aufweitung 12, die in dem Körperteil gebildet ist, wobei
durch die kombinierte Wirkung hiervon das Kolbenelement 9 an
seine ursprüngliche
Position nachfolgend des Einspritzvorgangs zurückgeführt werden kann, d.h. Kraftstoff
kann entlang dieses Weges am Kolbenelement vorbeiströmen, während es
in Richtung zur Einlassöffnung 7 bewegt
wird. Da die Kanäle 13 und 13' an verschiedenen
Punkten in der Längsrichtung
des Kolbens angeordnet sind, wird die Strömungskommunikation zuerst über einen
Kanal 13' unterbrochen,
der den Querschnittsströmungsbereich
verringert. Dies verlangsamt die Rückführbewegung des Kolbenelements
bei seiner allerletzten Phase.
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Zu
Beginn des Einspritzvorgangs fällt
der Kraftstoffdruck in dem der Auslassöffnung 8 zugewandten
Abschnitt des Raums 6 und das Kolbenelement beginnt mit
einer Bewegung in Richtung zur Auslassöffnung 8. In der Folge
beginnt sich das Volumen des Raums 14 zu vergrö ßern, wobei
der Druck des Kraftstoffs hierin ebenso fällt. Dann kann Kraftstoff durch
den Kanal 14' und
den Durchgang 11 in den Raum 14 strömen. Der
Kanal 14' ist
so dimensioniert, dass der Kraftstoffstrom zum Raum 14 in
einem gewissen Ausmaß gedrosselt
ist, wodurch die Geschwindigkeit des Kolbenelements 9 zu
Beginn des Einspritzvorgangs verlangsamt werden kann, was ebenso
den Kraftstoffdruckanstieg an der Auslassöffnung 8 verlangsamt
und somit auch an dem Einspritzventil 2. Diese Phase hält an, bis
die Öffnungen 35 den
Steuerrand 40 erreichen, der in dem Körperteil an dem Punkt gebildet
ist, wo dessen Durchmesser sich verändert.
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Eine
Situation, bei der die Öffnungen 35 teilweise
den Steuerrand 40 passiert haben, wobei ein Teil ihres
Querschnittsbereichs in den Raum 14 öffneten, ist in 7 gezeigt.
Während
der Kolben weiter bewegt wird, wird ein noch größerer Teil des Bereichs der Öffnungen 35 geöffnet, wodurch
der an der Einlassöffnung 7 vorherrschende
Kraftstoffdruck zu einem erhöhten
Ausmaß auch
in dem Raum 14 wirkt. Die Steuerkante 40, die
durch das Körperteil 5 zusammen
mit den Öffnungen 35 gebildet
ist, bilden hier eine Drossel 35, 40, die in die
Front des Kolbenelements 9 in der Kraftstoffströmungsrichtung öffnet, wobei
der Querschnittsströmungsbereich
in der Drossel durch die relativen Positionen des Kolbenelements 9 und
des Körperteils
zueinander bestimmt ist.
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Die
Drossel in dem Strömungsweg
lässt den Druck,
der die Kolbenbewegung im Raum 14 beschleunigt, gleichzeitig
mit dem Ansteigen des Öffnungsbereichs
der Öffnungen 35 im
Raum 14 anheben. Dann beginnt auch der an der Einlassöffnung 7 vorherrschende
Druck allmählich
auf einen größeren Kolbenelementbereich
zu wirken, der zu einer Erhöhung
der Kolbengeschwindigkeit beiträgt.
Die Drossel in dem Strömungsweg
bewirkt damit hier den Anstieg des Kraftstoffdrucks, der angrenzend
der Einlassöffnung
vorherrscht und das Kolbenelement in Bewegung versetzt, gegenüber dem
Kolben in der Strömungsrichtung
des Kraftstoffs.
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Die
Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungen begrenzt,
da mehrere oder andere Modifikationen innerhalb des Umfangs der
beigefügten
Ansprüche
denkbar sind. Beispielsweise können
verschiedene Geometrien des Kolbenelements vorgesehen sein.