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Stand der
Technik
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Die Erfindung geht von einem Einspritzventil, insbesondere
von einem Einspritzventil für
eine Verbrennungsmaschine eines Kraftfahrzeuges, gemäß der im
Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art aus.
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Ein derartiges Einspritzventil ist
aus der WO 02/084106 A1 bekannt und dient beispielsweise als Einspritzventil
eines Common-Rail-Speichereinspritzsystems für Dieselverbrennungsmaschinen. Dieses
Einspritzventil weist ein Düsenmodul
mit einem Ventilsteuerkolben auf, der mit einer Düsennadel
eine Baueinheit bildet und zumindest teilweise von einem Raum umschlossen
ist, der über
eine Kraftstoffzufuhrleitung mit einem Hochdruckanschluß verbunden
ist und Kraftstoff enthält.
Die Düsennadel wirkt
mit einem korrespondierend ausgebildeten Ventilsitz zusammen, so
daß in
Abhängigkeit von
der Lage des Ventilsteuerkolbens über eine zu dem Verbrennungsraum
der Verbrennungsmaschine führende Öffnung des
Einspritzventils die Kraftstoffeinspritzung in den Verbrennungsraum
gesteuert werden kann. Die Lage des Ventilsteuerkolbens und damit diejenige
der Düsennadel
wird mittels einer Ventileinheit festgelegt, die über einen
dem Düsenmodul
zugeordneten Steuerraum mit dem Ventilsteuerkolben in Wirkverbindung
steht.
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Der Steuerraum steht einerseits über einen eine
Zulaufdrossel aufweisenden Zulaufkanal mit einer Kraftstoffzufuhrleitung
und andererseits über
einen eine Ablaufdrossel aufweisenden Ablaufkanal mit einem Ventilraum
der Ventileinheit bzw. des sogenannten Ventilsteuermoduls in Verbindung
und grenzt an das freie Ende, d. h. an das der Düsennadel abgewandte Ende des
Ventilsteuerkolbens. Mittels des Ventilsteuermoduls kann ein Druckaufbau und
ein Druckabbau in dem Steuerraum gezielt geregelt werden.
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Das Ventilsteuermodul arbeitet derart,
daß in seiner
Schließstellung
in dem Steuerraum der über die
Zulaufdrossel wirkende Hochdruck, im Fall eines Common-Rail-Einspritzsystems
der sogenannte Rail-Druck, herrscht. Der Ventilsteuerkolben und
damit auch die Düsennadel
befinden sich unter diesen Druckverhältnissen in Schließstellung,
so daß kein Kraftstoff
in den Verbrennungsraum der Verbrennungsmaschine eingespritzt wird.
Wenn nun ein beispielsweise piezoelektrischer Aktor des Ventilsteuermoduls
betätigt
wird, öffnet
sich ein mit einem hydraulisch betätigten Betätigungskolben einstückiges Ventilschließglied des
Ventilsteuermoduls, wobei das Ventilschließglied einen Ablaufraum und einen
Ventilraum des Ventilsteuermoduls trennt. Der Kraftstoff in dem
Steuerraum des Düsenmoduls
kann damit über den
Ablaufkanal, den Ventilraum und den Ablaufraum in einen Rücklaufkanal
ablaufen, wodurch sich der Druck in dem Steuerraum reduziert. Dies
bewirkt, daß sich
der Ventilsteuerkolben in Richtung des Steuerraums verschiebt und
die zu dem Verbrennungsraum führende Öffnung freigegeben
und Kraftstoff in denselben eingespritzt wird. Wenn das Ventilschließglied des
Ventilsteuermoduls wieder in Schließstellung gebracht wird, baut
sich über
die Zulaufdrossel in dem Steuerraum erneut der sogenannte Rail-Druck
auf, was bewirkt, daß der
Ventilsteuerkolben wieder in Schließstellung verfahren und das Einspritzventil
zum Verbrennungsraum hin dicht abgeschlossen wird.
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Um zu erreichen, daß eine geringe Öffnungskraft
zur Betätigung
des Ventilschließglieds
des Ventilsteuermoduls ausreicht, ist der Betätigungskolben bei dem aus der
WO 02/084106 A1 bekannten Einspritzventil zumindest bei geschlossenem
Ventilschließglied
im wesentlichen hydraulisch kraftausgeglichen gelagert.
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Bei diesem Einspritzventil besteht
jedoch das Problem, daß die
Befüllung
des Steuerraums des Düsenmoduls
und damit das Verfahren der Düsennadel
in Schließstellung
gegebenenfalls zu langsam erfolgt.
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Das erfindungsgemäße Einspritzventil mit den
Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem eine
Befüllung
des Ventilsteuerraums über
den Ablaufkanal und den Zulaufkanal erfolgt, hat gegenüber dem
einleitend beschriebenen Stand der Technik den Vorteil, daß der zum
Schließen
der Ventilnadel erforderliche Druck in kürzerer Zeit in dem Ventilsteuerraum
aufgebaut werden kann, was zu einem schnelleren Verfahren der Düsennadel
in Schließstellung
führt.
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Das Einspritzventil nach der Erfindung
ist insbesondere Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems,
so daß der
Ventilsteuerraum des Düsenmoduls
dem sogenannten Rail-Druck,
der bis zu 1,6 kbar betragen kann, ausgesetzt ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
des Einspritzventils nach der Erfindung ist das Ventilschließglied Bestandteil
des Betätigungskolbens,
der vorzugsweise eine von dem Ventilraum abzweigende Axialbohrung
hat, die den Betätigungskolben
durchgreift und über
die der Ablaufkanal mit einer Fluidquelle in Verbindung steht. Die
Fluidquelle ist im Fall eines Common-Rail-Einspritzsystems vorzugsweise die
sogenannte Common-Rail, so daß in
die Axialbohrung des Betätigungskolbens
der gegebenenfalls mittels einer entsprechenden Drossel gedrosselte Rail-Druck
wirkt.
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Vorteilhaft ist die Axialbohrung
des Betätigungskolbens
als gestufte Bohrung ausgebildet, wobei in dem Bohrungsbereich vergrößerten Durchmessers
ein stößelförmiger Führungsstift
angeordnet ist, der von einem Fluidkanal durchgriffen ist, der mit der
Fluidquelle in Verbindung steht. Das zum Befül len des Ventilsteuerraums
des Düsenmoduls
erforderliche Fluid wird mithin von der Fluidquelle über den
Fluidkanal des Führungsstifts,
die Axialbohrung des Betätigungskolbens,
den Ventilraum und den Ablaufkanal in den Ventilsteuerraum des Düsenmoduls geführt. Der
Führungsstift
begrenzt den Raum, der an dem dem Ventilraum abgewandten Ende des
Betätigungskolbens
liegt und in dem der in dem Ventilraum herrschende Druck vorliegt.
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Der Fluidkanal des Führungsstifts
ist beispielsweise so ausgeführt,
daß er
einen sacklochartigen Axialkanal umfaßt, von dem ein Abströmkanal abzweigt,
der an den Umfang des Führungsstifts führt und
in einen Fluidraum mündet,
von dem die Axialbohrung des Betätigungskolbens
abzweigt und der Bestandteil des Bohrungsbereichs vergrößerten Durchmessers
der gestuften Axialbohrung des Betätigungskolbens sein kann.
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Der Betätigungskolben kann selbst gestuft ausgebildet
sein und sich bei Betätigung
der Aktor-Einheit in der dem Ventilraum abgewandten Richtung bewegen
und an einer insbesondere konkav ausgebildeten Dichtfläche des
Führungsstiftes
zur Anlage kommen.
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Zur Gewährleistung der Schließstellung
des Betätigungskolbens
kann dieser mittels einer in einem Federraum angeordneten Druckfeder
in Schließrichtung
vorgespannt sein. Die Druckfeder kann des weiteren den Führungsstift
in Richtung einer Gehäusewandung
vorspannen, so daß eine
insbesondere konvexe Dichtfläche
des Führungsstiftes an
einer Gehäusewandung
anliegt, wodurch eine hohe Dichtigkeit zwischen der dem Betätigungskolben
abgewandten Stirnseite des Führungsstiftes
und der Wandung erreicht wird und ein in diesem Bereich der Gehäusewandung
in den Axialkanal des Führungsstiftes
mündender
Zulauf gedichtet ist.
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Zur Einstellung des Drucks in dem
Federraum kann dieser mit dem Rücklaufkanal
in Verbindung stehen. Damit liegt in dem Federraum der in dem Rücklaufkanal
herrschende Druck vor.
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Eine zur Steuerung des Drucks in
dem Ventilsteuerraum des Düsenmoduls
erforderliche Ablaufblende kann in dem Rücklaufkanal angeordnet sein, der
von dem Ablaufraum der Ventileinheit abzweigt. Damit kann der Ablaufkanal
drosselfrei ausgebildet sein, so daß gewährleistet ist, daß sich der über den Ablaufkanal
in den Ventilsteuerraum des Düsenmoduls
wirkende Druck ungedrosselt aufbauen kann.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen des Gegenstandes nach der Erfindung sind der Beschreibung,
der Zeichnung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel des Einspritzventils nach
der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt
und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die einzige Figur zeigt einen für die Erfindung
relevanten Bereich eines Einspritzventils mit einer Ventilsteuereinheit
und einem Düsenmodul
im Längsschnitt.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In der Figur ist ein Kraftstoffeinspritzventil 1 dargestellt,
das zum Einbau in eine nicht näher
dargestellte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ausgebildet
ist und zum Einsatz als Common-Rail-Injektor zur Einspritzung von
vorzugsweise Dieselkraftstoff dient. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 umfaßt hierzu
als wesentliche Baueinheiten ein Düsenmodul 2 und ein
Ventilsteuermodul 3.
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Das Düsenmodul 2 umfaßt einen
Düsenkörper 4,
in welchem ein sogenannter Ventilsteuerkolben 5 axial verschieblich
geführt
ist, der mit einer hier nicht dargestellten Düsennadel, welche eine zu einem
Brennraum der Brennkraftmaschine führende Öffnung des Einspritzventils 1 steuert,
in Wirkverbindung steht bzw. mit dieser eine Baueinheit bildet.
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Das Düsenmodul 2 umfaßt des weiteren
einen Federteller 6, in welchem das freie Ende des Ventilsteuerkolbens 5 geführt ist
und der zusammen mit letzterem einen Ventilsteuerraum 7 begrenzt.
Der Federteller 6 stützt
sich über
eine Feder 8 an einem Auflager 9 ab, das mit dem
Ventilsteuerkolben 5 verbunden ist.
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Der Federteller 6 umfaßt einen
radial nach außen
gerichteten Zulaufkanal 10, der als eine Zulaufdrossel
ausgebildet ist, die einen Hochdruckraum 11 mit dem Ventilsteuerraum 7 verbindet.
Der Hochdruckraum 11 ist zwischen der Außenkontur
des Federtellers 6 und dem ihn umschließenden Düsenkörper 4 ausgebildet
und über
eine Kraftstoffzufuhrleitung 12 mit einem in der Figur
nicht ersichtlichen Hochdruckspeicher, der sogenannten Common-Rail, verbunden.
In axialer Richtung ist der Ventilsteuerraum 7 über einen
auch als Ablaufdrossel bezeichneten Ablaufkanal 13 mit
einem Ventilraum 14 verbunden, der dem Ventilsteuermodul 3 zugeordnet
ist.
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Die Lage des Ventilsteuerkolbens 5 und
damit diejenige der Düsennadel
wird über
das Druckniveau in dem Ventilsteuerraum 7 gesteuert. Dieses wird
wiederum mittels des Ventilsteuermoduls 3 eingestellt.
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Das Ventilsteuermodul 3 umfaßt einen
Steuermodulkörper 15,
der eine gestufte Bohrung 17 aufweist, in der ein gestuft
ausgebildeter Betätigungskolben 16 geführt ist.
Der Betätigungskolben 16 steht über eine
hier schematisch angedeutete Hydraulikkammer 18 mit einem
Stellkolben 19 in Wirkverbindung. Der Stellkolben 19 kann
innerhalb oder außerhalb
des Steuermodulkörpers 15 in
einer entsprechenden Führung
angeordnet sein und mittels einer hier als piezoelektrischer Aktor
ausgebildeten Aktuator-Einheit 20 betätigt werden.
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Über
ein Ausgleichsvolumen der Hydraulikkammer 18 können Toleranzen
aufgrund von Temperaturgradienten bzw. unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten
der verwendeten Materialien sowie etwaige Setzeffekte ausgeglichen
werden, ohne daß dadurch
eine Änderung
der Position des an zusteuernden Betätigungskolbens 16 auftritt.
Die Hydraulikkammer 18 besteht hier aus einem dem Stellkolben 19 zugeordneten
und dessen freie Stirnseite begrenzenden Zylinderraum 21,
einem Kanal 22 und einem ringförmigen, den Bereich verringerten Durchmessers
des gestuften Betätigungskolbens 16 umgebenden
Ringraum 23, der von einer Schulterfläche 51 des Betätigungskolbens 16 begrenzt
ist.
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Der Betätigungskolben 16 ist
an dem dem Ventilraum 14 zugewandten Ende als Ventilschließglied ausgebildet,
das mit einem Ventilsitz 24 zusammenwirkt und in Schließstellung
den Ventilraum 14 von einem sogenannten Ablaufraum 25 trennt,
von welchem ein Kraftstoffrücklaufkanal 26 abzweigt, welcher
zu einem hier nicht näher
dargestellten Kraftstoffvorratstank führt.
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In dem Betätigungskolben 16 ist
axial ausgerichtet ein beispielsweise als Bohrung ausgebildeter Kanal 27 angeordnet,
welcher von dem Ventilraum 14 zu dem diesem abgewandten
Ende des Betätigungskolbens 16 führt und
sich in einen Bohrungsbereich 36 vergrößerten Durchmessers aufweitet.
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In dem Bohrungsbereich 36 vergrößerten Durchmessers
ist ein stößelartiger,
pilzförmiger
Führungsstift 28 angeordnet,
der eine der Axialbohrung 27 zugewandte, konkave erste
Stirnseite 29 und eine an einer Gehäusewandung 30 anliegende,
zweite Stirnseite 31 aufweist, die konvex ausgebildet ist.
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In dem Führungsstift 28 ist
mittig angeordnet ein sacklochartig ausgebildeter Axialkanal 32 ausgebildet,
von dem in seinem Endbereich ein Abströmkanal 33 abzweigt,
der an den Umfang des Führungsstifts 28 führt und
in einen von dem Bohrungsbereich 36 vergrößerten Durchmessers
gebildeten Fluidraum 34 mündet. Von dem Fluidraum 34 zweigt
wiederum die an die freie Stirnseite des Betätigungskolbens 16 führende Axialbohrung 27 ab.
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In den Axialkanal 32 des
Führungsstifts 28 mündet ein
mit Rail-Druck beaufschlagter Hochdruckkanal 35, in welchem
eine Drossel 50 angeordnet ist. Der Ventilsteuerraum 7 des
Düsenmoduls 2 steht
mithin über
den Ablaufkanal 13, den Ventilraum 14, die Axialbohrung 27,
den Fluidraum 34 und den aus dem Abströmkanal 33 und dem
Axialkanal 32 bestehenden Fluidkanal des Führungsstifts 28 mit
dem Hochdruckkanal 35 in Verbindung, so daß eine Befüllung des
Ventilsteuerraums 7 über
die Zulaufdrossel 11 und auch über den Ablaufkanal 13 erfolgen
kann.
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Der Führungsstift 28 hat
in seinem Führungsbereich
einen Durchmesser d1, der im wesentlichen dem Durchmesser d2 des
Ventilsitzes 24, d. h. dem Dichtdurchmesser des als Ventilschließglied ausgebildeten
Bereichs des Betätigungskolbens 16, entspricht.
Der Führungsstift 28 ist
so ausgebildet, daß er
mit minimalem Spiel und einer maximalen Führungslänge L in dem Bohrungsbereich 36 geführt ist.
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Zwischen dem Betätigungskolben 16 und dem
Führungsstift 28 ist
des weiteren eine in einem Federraum 38 angeordnete Druckfeder 37 eingespannt.
Die Druckfeder 37 umgreift den Führungsstift 28 und
dient dazu, den Betätigungskolben 16 in Schließstellung
zu halten und den Führungsstift 28 gegen
die Gehäusewandung 30 vorzuspannen.
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Der Federraum 38 ist über einen
Querkanal 39 mit dem Kraftstoffrücklaufkanal 26 verbunden. Stromab
der Mündungsstelle
des Querkanals 39 ist in dem Kraftstoffrücklaufkanal 26 ein
Druckbegrenzungsventil 40 angeordnet.
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Stromauf der Mündungsstelle des Querkanals 39 ist
in dem Kraftstoffrücklaufkanal 26 eine Rücklaufdrossel 41 angeordnet.
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Des weiteren ist der Federraum 38 über einen
Druckausgleichskanal 42 mit einem Ringraum verbunden, der
von einer Ringnut 43 des Stellkolbens 19 gebildet
ist.
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Durch den Druckausgleichskanal 42 wird
gewährleistet,
daß in
der Hydraulikkammer 21 stets der gleiche Konstantdruck
wie in dem Federraum 38 herrscht. Dadurch können gegebenenfalls
durch das Radialspiel des Betätigungskolbens 16 in
der gestuften Bohrung 17 und das Radialspiel des Stellkolbens 19 in
seiner Führungsbohrung
entstehende Druckunterschiede ausgeglichen werden, so daß stets
konstante Belastungen des piezoelektrischen Aktors 20 herrschen
und Streuungen in der mittels des Einspritzventils 1 eingespritzten
Einspritzmenge weitgehend ausgeschlossen sind.
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Das vorstehend beschriebene Einspritzventil arbeitet
in nachfolgend beschriebener Weise.
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In geschlossenem Zustand des Kraftstoffeinspritzventils 1 liegt
keine Spannung an dem piezoelektrischen Aktor 20 an. Damit
liegt der als Ventilschließglied
ausgebildete Bereich des Betätigungskolbens 16 an
dem diesem zugeordneten Ventilsitz 24 an, so daß der Ventilraum 14 und
damit der Ventilsteuerraum 7 über die Zulaufdrossel 10 und über den
Hochdruckkanal 35, den Axialkanal 32, den Abströmkanal 33,
den Fluidraum 34 und die Axialbohrung 27 mit dem
Rail-Druck beaufschlagt sind.
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Die von dem Rail-Druck beaufschlagte
Fläche
der freien Stirnseite des Betätigungskolbens 16, welche
die Mündung
der Axialbohrung 27 umgibt, entspricht der zu dieser parallel
ausgerichteten Fläche
des Betätigungskolbens 16,
welche die Mündung der
Axialbohrung 27 in den Fluidraum 36 umgibt. Damit
wirkt auf den sich gegenüberliegenden
Seiten jeweils die gleiche hydraulische Kraft auf den Betätigungskolben 16,
so daß dieser
hydraulisch kraftausgeglichen gelagert ist. Die Schließstellung
des Betätigungskolbens 16 wird
mittels der Druckfeder 37 gewährleistet, welche den erforderlichen
Druck auf den Betätigungskolben 16 ausübt und den
Führungsstift 28 gegen
die Gehäusewandung 30 drückt.
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Zur Durchführung eines Einspritzvorgangs wird
an dem piezoelektrischen Aktor 20 eine Spannung angelegt,
worauf sich dieser schlagartig in axialer Richtung, d. h. in Richtung
des Stellkolbens 19, ausdehnt. Der Stellkolben 19 wird
dadurch in die dem Aktor 20 abgewandte Richtung verschoben.
Dies wiederum löst über die
Hydraulikkammer 18 eine Verschiebung des Betätigungskolbens 16 aus,
und zwar so, daß der
von dem Stellkolben 19 über
die Hydraulikkammer 18 ver mittelte Druck auf die Schulterfläche 51 des
gestuften Betätigungskolbens 16 wirkt und
diesen gegen den von der Druckfeder 37 ausgeübten Druck
in der dem Ventilraum 14 abgewandten Richtung verschiebt.
Auf diese Weise wird eine Verbindung zwischen dem Ventilraum 14 und
dem Ablaufraum 25 hergestellt. In dem Ventilraum 14 enthaltener
Kraftstoff strömt
damit in den Ablaufraum 25 und von dort in den Kraftstoffrücklaufkanal 26,
wobei in den Kraftstoffrücklaufkanal 26 abströmender Kraftstoff
mittels der Ablaufdrossel 41 gedrosselt wird. Über den
Ablaufkanal 13 wird dadurch der Ventilsteuerraum 7 entlastet,
so daß sich
der Druck in demselben abbaut und sich der Ventilsteuerkolben 5 in
Richtung des Ventilsteuermoduls 3 verschiebt. Dadurch wird
die zu dem Verbrennungsraum der Verbrennungsmaschine führende Öffnung freigegeben,
so daß unter
Hochdruck stehender, in dem Hochdruckraum 11 enthaltener
Kraftstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt wird.
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Der Kraftstoff strömt in den
Kraftstoffvorratstank zurück,
wenn der Druck in dem Kraftstoffrücklaufkanal 26 einenbestimmten
Wert, beispielsweise 30 bar übersteigt.
Dies bedeutet, daß dieser Druck
in den Federraum 38 und von dort über einen dem Bereich vergrößerten Durchmessers
des Betätigungskolbens 16 umgebenden
Leckspalt 44 in den Ringraum 23, den Kanal 22 und
den Zylinderraum 21 wirkt, so daß stets eine gegebenenfalls
erforderliche Befüllung
der Hydraulikkammer 18 erfolgen kann.
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Das Verhältnis des Durchmessers d1 des Bohrungsbereichs 36 zu
dem Dichtdurchmesser d2 bestimmt die hydraulische Kraft, die auf
dem Betätigungskolben 16 wirkt.
Dieses Verhältnis ist
im vorliegenden Fall etwa gleich 1, so daß der Betätigungskolben hydraulisch kraftausgeglichen
gelagert ist. Dadurch ist zur Verschiebung des Betätigungskolbens 16 mittels
des Stellkolbens 19 nur eine geringe, mittels des Aktors 20 auszuübende Kraft
erforderlich.
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Wird die an dem piezoelektrischen
Aktor 20 angelegte Spannung unterbrochen, so wird der Stellkolben 19 zurückgefahren,
wodurch der in der Hydraulikkammer 18 herrschende Druck
reduziert wird und der Betätigungskolben 16 mittels
der Feder 37 in Richtung des Düsenmoduls 2 verfahren
wird und an dem Ventilsitz 24 zu liegen kommt. Dadurch
baut sich in dem Ventilsteuerraum 7 erneut der sogenannte Rail-Druck
auf, so daß der
Ventilsteuerkolben 5 und damit die Düsennadel wieder in Schließstellung
verfahren werden.
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Der Druckaufbau erfolgt einerseits über die Zulaufdrossel 10 und
andererseits über
den Hochdruckkanal 35, den Axialkanal 32 und den
Abströmkanal 33 des
Führungsstifts 28,
den Fluidraum 34, die Axialbohrung 27, den Ventilraum 14 und
den Abströmkanal 13.