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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rückschlag-Drossel-Ventil für einen Hochdruckspeicher.
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Stand der Technik
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Ein Hochdruckspeicher mit einem Rückschlag-Drossel-Ventil ist aus der
DE 696 19 949 T2 bekannt. Das bekannte Rückschlag-Drossel-Ventil ist in einer Kraftstoffleitung von einer Hochdruckpumpe zu dem Hochdruckspeicher angeordnet und umfasst eine Parallelschaltung aus einem Rückschlagventil und einer Drossel. Das Rückschlag-Drossel-Ventil dient der Dämpfung von Druckwellen zwischen der Hochdruckpumpe und dem Hochdruckspeicher.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die optimierte Dämpfung von Druckwellen zwischen dem Hochdruckspeicher und einem oder mehreren nachgeschalteten Injektoren.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Rückschlag-Drossel-Ventil, insbesondere für einen Hochdruckspeicher eines Kraftstoffeinspritzsystems, weist eine optimierte Dämpfung von Druckwellen zwischen dem Hochdruckspeicher und einem oder mehreren nachgeschalteten Injektoren auf. Insbesondere für kurz aufeinanderfolgende Mehrfacheinspritzungen des Injektors ist das Rückschlag-Drossel-Ventil besonders gut geeignet.
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Dazu weist das Rückschlag-Drossel-Ventil ein Ventilgehäuse auf, in dem ein Einlass und ein Auslass ausgebildet sind. Das Rückschlag-Drossel-Ventil weist weiterhin zur fluidischen Verbindung des Einlasses mit dem Auslass eine Parallelschaltung aus einer Drosselbohrung und einem verschließbaren weiteren Strömungsquerschnitt auf. In dem Ventilgehäuse wirkt ein beweglicher Schließkörper mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen des weiteren Strömungsquerschnitts zusammen. Zu der Parallelschaltung ist eine Drossel in Reihe geschaltet. Das Ventilgehäuse kann dabei ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Vorzugsweise ist die Drossel zylindrisch gestaltet und weist einen Durchmesser von 0,95 mm auf, insbesondere bei einem Durchmesser des Ventilsitzes von 3,5 mm. Die Drossel kann dabei stromaufwärts oder stromabwärts der Parallelschaltung angeordnet sein.
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Die Drossel dämpft die Druckwellen, welche bei abgehobenem Schließkörper - also bei geöffnetem Ventilsitz - zwischen dem Hochdruckspeicher und dem Injektor hin und her laufen. Speziell bei kurz aufeinanderfolgenden Mehrfacheinspritzungen des Injektors ist dies sehr vorteilhaft, da ein mit dem Auslass verbundener Druckraum des Injektors dadurch in sehr kurzer Zeit relativ starken Druckschwankungen unterworfen ist und somit starke Druckwellen entstehen.
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Vorteilhafterweise ist die Drossel in dem Ventilgehäuse ausgebildet. Die räumliche Nähe zu dem Ventilsitz ermöglicht eine besonders gute Dämpfung von Druckwellen bei geöffnetem Ventilsitz. Weiterhin ist das Rückschlag-Drossel-Ventil so besonders bauraumsparend ausgeführt.
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In vorteilhaften Ausführungen ist die Drosselbohrung in dem Schließkörper ausgebildet. Dadurch weist der Schließkörper mehrere Funktionalitäten auf; dies reduziert die Teilezahl und den benötigten Bauraum des Rückschlag-Drossel-Ventils.
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Vorteilhafterweise ist der Ventilsitz an dem ein-oder mehrteiligen Ventilgehäuse ausgebildet. Auch dies führt zu einer Reduktion der Teilezahl und des benötigten Bauraums des Rückschlag-Drossel-Ventils.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist in dem Rückschlag-Drossel-Ventil ein Hubanschlag für den Schließkörper ausgebildet ist, wobei der Hubanschlag einen Maximalhub des Schließkörpers begrenzt. Vorzugsweise ist der Hubanschlag so gestaltet, dass der Schließkörper schon bei kleinen Einspritzmengen des Injektors gegen ihn gedrückt wird. Vorteilhafterweise beträgt der Maximalhub dazu 0,15 mm. Dadurch wird bei der Schließbewegung des Schließkörpers dieser mit einer vergleichsweise geringen Auftreffgeschwindigkeit zurück in den Ventilsitz gedrückt. Der Verschleiß von Schließkörper und Ventilsitz ist somit reduziert und die Lebensdauer des gesamten Rückschlag-Drossel-Ventils erhöht.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Hubanschlag an dem Ventilgehäuse ausgebildet, vorzugsweise gegenüberliegend zu dem Ventilsitz. So kann der Schließkörper linear definiert zwischen dem Ventilsitz und dem Hubanschlag bewegt werden, was zu einem robusten Schließ- und Öffnungsverhalten des Rückschlag-Drossel-Ventils führt.
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In vorteilhaften Ausführungen sind die Drossel und der Ventilsitz zylindrisch ausgebildet. Vorzugsweise sind sie dabei so gestaltet, dass die Drossel einen Durchmesser von 0,95 mm aufweist und der Ventilsitz einen Durchmesser von 3,5 mm. Dies hat sich für das Einspritzverhalten des Injektors als bester Kompromiss aus möglichst hoher Dämpfung der Druckwellen und möglichst geringem Druckverlust der eingespritzten Kraftstoffmenge erwiesen.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Rückschlag-Drossel-Ventil mehrere Drosselbohrungen auf, die vorzugsweise in dem Schließkörper ausgebildet sind. Dadurch wird die laminare Wandreibung der vergleichsweise engen Drosselbohrungen stark erhöht, was zu einer besseren Dämpfungswirkung der Drosselbohrungen führt. Dies ist insbesondere für den Betriebszustand des geschlossenen Ventilsitzes vorteilhaft.
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Vorzugsweise weist das Rückschlag-Drossel-Ventil etwa 100 Drosselbohrungen auf, die jeweils einen Durchmesser von 50 µm besitzen. Diese können beispielsweise lasergebohrt sein, und dadurch sehr eng toleriert werden. Insbesondere gilt dies in Kombination mit einem Durchmesser der Drossel von 0,95 mm und mit einem Durchmesser des Ventilsitzes von 3,5 mm.
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In vorteilhaften Verwendungen ist das Rückschlag-Drossel-Ventil in einem Hochdruckspeicher für ein Kraftstoffeinspritzsystem angeordnet. Der Hochdruckspeicher umfasst ein Speicherrohr mit einem in dem Speicherrohr ausgebildeten Speicherraum. Der Hochdruckspeicher weist einen Zufuhranschluss zum Zuführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff und einen Abfuhranschluss zum Abführen von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff an einen Injektor auf. Der Hochdruckspeicher weist stromabwärts des Speicherraums das Rückschlag-Drossel-Ventil in einer der oben beschriebenen Ausführungen auf.
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Dadurch werden die Druckwellen zwischen dem Speicherraum und dem Injektor wie oben beschrieben sehr effektiv gedämpft. Weist der Hochdruckspeicher mehrere Abfuhranschlüssen auf, so ist vorzugsweise in jedem Abfuhranschluss ein Rückschlag-Drossel-Ventil angeordnet.
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Figurenliste
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Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
- 1 schematisch ein aus dem Stand der Technik bekanntes Kraftstoffeinspritzsystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 2 ein Rückschlag-Drossel-Ventil aus dem Stand der Technik im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 3 ein erfindungsgemäßes Rückschlag-Drossel-Ventil im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
- 4 einen Hochdruckspeicher im Längsschnitt mit mehreren daran angeordneten Rückschlag-Drossel-Ventilen, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein aus der
DE 696 19 949 T2 bekanntes Kraftstoffeinspritzsystem
1. Das Kraftstoffeinspritzsystem
1 umfasst einen Kraftstofftank
8, eine Vorförderpumpe
9, eine Hochdruckpumpe
7, einen Hochdruckspeicher
4 und eine Mehrzahl von Injektoren
2 (
2a,
2b,
2e,
2f) zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die Einspritzung der Injektoren
2 wird dabei durch elektromagnetische Steuerventile
3 gesteuert, welche wiederum von einem Steuergerät
83 angesteuert werden. Ein an dem Hochdruckspeicher
4 angeordneter Drucksensor
14 ermittelt den Druck des Kraftstoffs in einem Speicherraum des Hochdruckspeichers
4 und übermittelt diesen Wert an das Steuergerät
83.
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An dem Hochdruckspeicher 4 ist ein Zufuhranschluss zur Zuführung von unter Hochdruck stehendem Kraftstoff angeordnet, welcher von der Hochdruckpumpe 7 gefördert wird. Weiterhin sind an dem Hochdruckspeicher 4 mehrere Abfuhranschlüsse angeordnet, welche zu je einem Injektor 2 führen.
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Zwischen der Hochdruckpumpe 7 und dem Hochdruckspeicher 4, also stromaufwärts des Zufuhranschlusses, ist in einer Kraftstoffleitung 5 ein Rückschlagventil 16 angeordnet, welches einen Volumenstrom des Kraftstoffs von der Hochdruckpumpe 7 zu dem Hochdruckspeicher 4 gestattet und welches einen Volumenstrom zurück zu der Hochdruckpumpe 7 unterbindet.
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Eine nicht dargestellte Drosselung am Ausgang des Hochdruckspeichers 4 zur Leitung zu einem Injektor 2 dämpft die Druckschwingungen, welche durch den Einspritzvorgang des Injektors 2 in den Brennraum der Brennkraftmaschine angeregt werden. Diese Drosselung wird so ausgelegt, dass der Druckverlust während der Haupteinspritzung des Injektors 2 nicht zu groß wird und gleichzeitig die Druckschwingungen ausreichend gedämpft werden. Für eine optimale Dämpfung muss die jeweilige Drossel zum Injektor 2 so ausgelegt werden, dass die Druckwelle ausgelöscht wird. Dieser Drosselquerschnitt wäre jedoch so klein, dass wiederum der Druckverlust an der Drossel zu groß wäre. Als Abhilfe kann am Ausgang des Hochdruckspeichers 4 ein Rückschlagventil parallel zur Drossel eingesetzt werden, welches während der Förderung öffnet und dadurch die Drosselung während der Einspritzung verhindert. Nach der Einspritzung schließt das Rückschlagventil, und die Drossel, welche optimal für die Druckschwingungsdämpfung ausgelegt wird, dämpft die angeregte Schwingung optimal.
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Dazu zeigt die
2 eine Ausbildung des Rückschlagventils
16 aus der
DE 696 19 949 T2 , wobei das Rückschlagventil
16 als Rückschlag-Drossel-Ventil
100 ausgebildet ist. Das Rückschlag-Drossel-Ventil
100 ist dabei zwischen der von der Hochdruckpumpe
7 kommenden Kraftstoffleitung
5 und dem Hochdruckspeicher
4 angeordnet, soll jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung modifiziert und am Ausgang des Hochdruckspeichers
4 angeordnet werden.
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Das Rückschlag-Drossel-Ventil 100 weist eine Kugel 28 und einen Ventilsitz 27 auf, wobei die Kugel 28 in einer Kugelaufnahme 29 angeordnet ist und durch eine Feder 30 gegen den Ventilsitz 27 gedrückt wird. In dem Ventilsitz 27 ist eine Rillenöffnung 26 ausgebildet, welche bei Anlage der Kugel 28 an dem Ventilsitz 27 immer noch einen geöffneten Strömungsquerschnitt, genauer eben die Drossel, ausbildet.
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Das Rückschlag-Drossel-Ventil
100 der
DE 696 19 949 T2 ist eine Parallelschaltung aus einem Rückschlagventil
16 und einer Drossel, so dass bei quasistatischer Betrachtung in jeder Ventilstellung ein Druckausgleich zwischen der Kraftstoffleitung
5 zur Hochdruckpumpe
7 und dem Hochdruckspeicher
4 möglich ist. Durch das Rückschlag-Drossel-Ventil
100 werden die von der Hochdruckpumpe
7 durch ihren Förderhub erzeugten Druckpulsationen gedämpft, so dass sich in dem Hochdruckspeicher
4 ein relativ konstantes Druckniveau einstellt.
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Im Fokus der vorliegenden Erfindung steht nun die Dämpfung der Druckpulsationen von dem Hochdruckspeicher 4 zu den Injektoren 2 bzw. von den Injektoren 2 zurück zu dem Hochdruckspeicher 4. Nachteilig bei einem Rückschlag-Drossel-Ventil 100 gemäß der 2, welches am Ausgang des Hochdruckspeichers 4 angeordnet ist, ist, dass die erste Druckwelle nicht gedämpft am Injektor 2 ankommt. Weiterhin haben Versuche gezeigt, dass es aufgrund von Hubschwankungen des Rückschlag-Drossel-Ventils 100 zu Einspritzmengenschwankungen des Injektors 2 kommt, wenn ein derartiges Rückschlag-Drossel-Ventil 100 am Ausgang des Hochdruckspeichers 4 verwendet wird.
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3 zeigt nun ein verbessertes, erfindungsgemäßes Rückschlag-Drossel-Ventil 100, wie es vorzugsweise zwischen dem Hochdruckspeicher 4 und dem Injektor 2 eines Kraftstoffeinspritzsystems 1 angeordnet ist. Das Rückschlag-Drossel-Ventil 100 weist einen hochdruckspeicherseitigen Einlass 40 und einen injektorseitigen Auslass 20 auf.
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Das Rückschlag-Drossel-Ventil 100 umfasst ein Ventilgehäuse 101, welches in der Ausführung der 3 einen Ventilkörper 102 und einen mit diesem fest verbundenen Ventildeckel 103 aufweist. Das Ventilgehäuse 101 bzw. Teile 102, 103 von diesem können auch Bestandteile des Injektors 2 und/oder des Hochdruckspeichers 4 sein. In dem im Wesentlichen axialsymmetrischen Ventilgehäuse 101 ist in axialer Richtung ein Durchgangskanal 104 ausgebildet, welcher eine fluidische Verbindung von dem Einlass 40 zu dem Auslass - bzw. von dem Hochdruckspeicher 4 zu dem Injektor 2 - ausbildet. Der Durchgangskanal 104 weist dabei unterschiedliche Durchmesser, also unterschiedliche Strömungsquerschnitte auf.
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In dem Durchgangskanal 104 ist ein tellerförmiger Schließkörper 105 längsbeweglich angeordnet und wirkt mit einem an dem Ventildeckel 103 ausgebildeten Ventilsitz 106 zusammen. Eine ebenfalls in dem Durchgangskanal 104 angeordnete Ventilfeder 107 drückt den Schließkörper 105 gegen den Ventilsitz 106. In dem Schließkörper 105 ist eine Drosselbohrung 108 ausgebildet, wodurch der Einlass 40 in jeder Stellung des Schließkörpers 105 fluidisch mit dem Auslass 20 verbunden ist.
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Der Schließkörper 105 begrenzt einen injektorseitigen ersten Ventilraum 111 und gegenüberliegend einen hochdruckspeicherseitigen zweiten Ventilraum 112, welche direkt durch die Drosselbohrung 108 fluidisch miteinander verbunden sind. Der erste Ventilraum 111 ist dabei angrenzend zu dem Auslass 20 ausgebildet, und der zweite Ventilraum 112 ist angrenzend zu dem Einlass 40 ausgebildet. Durch einen Druckabfall im Injektor 2, genauer in einem Druckraum des Injektors 2, hervorgerufen durch eine Einspritzung, kommt es an der Drosselbohrung 108 zu einem Druckunterschied zwischen dem ersten Ventilraum 111 und dem zweiten Ventilraum 112. Sinkt der Druck des mit dem Injektor 2 verbundenen ersten Ventilraums 111 soweit ab, dass die Ventilfeder 107 den Schließkörper 105 nicht mehr in dem Ventilsitz 106 zu halten vermag, so hebt der Schließkörper 105 aufgrund des vergleichsweise hohen Drucks in dem zweiten Ventilraum 112 von dem Ventilsitz 106 ab und gibt so einen weiteren Strömungsquerschnitt 109 von dem zweiten Ventilraum 112 zu dem ersten Ventilraum 111 frei.
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Erfindungsgemäß ist eine Drossel 110 in der Durchgangsbohrung 104 ausgebildet, die zu der Parallelschaltung aus dem weiteren Strömungsquerschnitt 109 und der Drosselbohrung 108 in Reihe geschaltet ist. Die Drossel 110 kann dabei entweder injektorseitig oder hochdruckspeicherseitig angeordnet sein. Zu dieser Darstellung sind in der 3 beide Varianten abgebildet. Vorzugsweise ist die Drossel 110 dabei eine Verengung der Durchgangsbohrung 104.
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Durch die Drossel 110, welche vorzugsweise direkt stromauf- oder stromabwärts des Rückschlag-Drossel-Ventils 100 zwischen dem Einlass 40 und dem Auslass 20 angeordnet ist, wird ein definierter Durchfluss bei geöffnetem Rückschlag-Drossel-Ventil 100 - also bei freigegebenem weiteren Strömungsquerschnitt 109 - eingestellt.
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Durch die bei einer Voreinspritzung des Injektors 2 angeregte Druckwelle in der Leitung zurück zum Hochdruckspeicher 4 wird die eingespritzte Kraftstoffmenge der nachfolgenden Einspritzung, beispielsweise die sogenannte Haupteinspritzung, beeinflusst. Wird der Abstand von der Vor- zur Haupteinspritzung oder die Kraftstoffmenge der Voreinspritzung geändert, so ändern sich im ungedämpften Fall die eingespritzte Kraftstoffmenge und der Verlauf der Haupteinspritzung. Eine Dämpfung dieser Mengenwelle durch die Drossel 110 reduziert diesen nachteiligen Einfluss.
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In weiterbildenden Ausführungen der Erfindung weist das Rückschlag-Drossel-Ventil 100 eine Hubbegrenzung für den Schließkörper 105 auf. Dazu ist an dem Ventilgehäuse 101, in der Ausführung der 3 an dem Ventilkörper 102, ein Hubanschlag 115 ausgebildet. Dadurch ist der Hub h des Schließkörpers 105 auf einen Maximalhub hmax begrenzt.
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Vorzugsweise wird der Maximalhub hmax des Schließkörpers 105 auch schon bei kleinen Einspritzmengen des Injektors 2 erreicht. Dadurch schließt das Rückschlag-Drossel-Ventil 100 sehr kontrolliert, auch bei kleinen Einspritzmengen. Durch den begrenzten Maximalhub hmax ist die Auftreffgeschwindigkeit des Schließkörpers 105 in den Ventilsitz 106 reduziert, und damit auch die Belastung des Ventilsitzes 106. Die robuste Funktion des Rückschlag-Drossel-Ventils 100 hat somit eine längere Lebensdauer.
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In Weiterbildungen der Erfindung sind anstelle nur einer Drosselbohrung 108 mehrere kleine Drosselbohrungen 108 in dem Schließkörper 105 ausgebildet. Diese können beispielsweise lasergebohrt sein. Durch viele kleine Drosselbohrungen 108 als Alternative zu einer Einzelbohrung ergibt sich eine Drosselung der Strömung durch laminare Wandreibung, welche die Druckschwingungen noch effektiver dämpft. Eine nachteilige Temperaturabhängigkeit der laminaren Wandreibung fällt bei der vorliegenden Ausführung des Rail-Drossel-Ventils 100 nicht ins Gewicht, da bei niedriger Temperatur eine zu starke Drosselung während der Einspritzphase des Injektors 2 durch das geöffnete Rückschlag-Drossel-Ventil 100 verhindert wird.
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4 zeigt einen Hochdruckspeicher 4 im Längsschnitt mit mehreren erfindungsgemäßen Rückschlag-Drossel-Ventilen 100. Der Hochdruckspeicher 4 weist ein Speicherrohr 41 auf, welches einen Speicherraum 42 umgibt. Der Hochdruckspeicher 4 ist für ein Kraftstoffeinspritzsystem für Brennkraftmaschinen vorgesehen und wird üblicherweise auch als Rail bezeichnet.
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An dem Speicherrohr 41 des Hochdruckspeichers 4 sind mehrere Abfuhranschlüsse 43 für Kraftstoffdruckleitungen zu nicht dargestellten Injektoren ausgebildet. Weiterhin ist ein Zufuhranschluss 47 zu einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe an dem Speicherrohr 41 ausgebildet. Zusätzlich sind an dem Speicherrohr 41 Anbaukomponenten 14 und 49 angeordnet. Die Anbaukomponente 14 ist ein Drucksensor zur Ermittlung des Drucks in dem Speicherraum 42. Und die Anbaukomponente 49 ist ein Druckventil, vorzugsweise ein Druckregelventil zum Regeln des Drucks in dem Speicherraum 42.
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In der Ausführung der Fie.4 sind das Druckventil 49 und der Drucksensor 14 an voneinander abgewandten Enden des Hochdruckspeichers 4 angeordnet. Die Verteilung dieser Anbaukomponenten 14, 49 am Hochdruckspeicher 4 ist dabei grundsätzlich beliebig wählbar.
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Der Hochdruckspeicher 4 ist insbesondere für ein Kraftstoffeinspritzsystem, beispielsweise ein Common Rail System, geeignet. Von einer nicht dargestellten Hochdruckpumpe wird Kraftstoff unter hohem Druck über den Zufuhranschluss 47 in den Speicherraum 42 des Hochdruckspeichers 4 gefördert, von wo aus er über die Abfuhranschlüsse 43 an nicht dargestellte Injektoren zum Einspritzen in die Brennräume von Brennkraftmaschinen verteilt wird.
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In jedem der Abfuhranschlüsse 43 ist nun jeweils ein Rückschlag-Drossel-Ventil 100 nach einer der oben beschriebenen Ausführungen eingesetzt, und zwar derart, dass der jeweilige Einlass 40 des Rückschlag-Drossel-Ventils 100 in den Speicherraum 42 des Hochdruckspeichers 4 mündet.
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In weiteren alternativen Ausführungen können die Rückschlag-Drossel-Ventile 100 auch in den Injektoren 2 eingebaut sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69619949 T2 [0002, 0018, 0022, 0024]
