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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffeinspritzventil für Brennstoffeinspritzanlagen
von Brennkraftmaschinen. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der
Injektoren für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden,
selbstzündenden Brennkraftmaschinen.
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Aus
der
DE 10 2006
021 741 A1 ist ein Kraftstoffinjektor mit einem druckausgeglichenen
Steuerventil bekannt. Der bekannte Injektor dient zum Einspritzen
von Kraftstoff in einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine,
wobei ein Einspritzventilglied, welches mindestens eine Einspritzöffnung
freigibt oder verschließt, durch ein Steuerventil angesteuert
wird. Dabei gibt das Steuerventil eine Verbindung aus einem Steuerraum
in einen Kraftstoffrücklauf frei oder verschließt
diesen. Dies erfolgt, indem ein Schließelement in einen
Sitz gestellt wird oder diesen freigibt. Im Schließelement
ist eine Bohrung ausgebildet, in der ein Stift aufgenommen ist,
wobei der Durchmesser der Bohrung im Wesentlichen dem Durchmesser
des Sitzes entspricht. Der Stift stützt sich mit einer
Seite gegen eine Druckstange, gegen einen Federteller oder gegen
das Injektorgehäuse ab.
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Der
aus der
DE 10
2006 021 741 A1 bekannte Kraftstoffinjektor hat den Nachteil,
dass dieser eine relativ große Gesamtlänge aufweist,
wodurch der Einsatzbereich beschränkt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass ein druckausgeglichenes
Schaltventil mit einem verringerten Herstellungsaufwand in einer konstruktiv
einfachen Ausgestaltung geschaffen ist. Speziell kann eine kostenintensive
Erodiergeometrie entfallen, eine hohe Bauteilfestigkeit erzielt
und eine reduzierte Injektorgesamtlänge ermöglicht
werden.
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Durch
die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen
Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
vorteilhafter Weise ist die Ventilstange als zylinderförmige
Ventilstange ausgebildet. Dabei ist es ferner vorteilhaft, dass
die Ventilstange eine dem Niederdruckrücklauf zugewandte
erste Stirnseite aufweist, dass die Ventilstange an der ersten Stirnseite eine
Aussparung aufweist und dass ein durch Aussparung gebildeter Sitz
einen Dichtdurchmesser aufweist, der zumindest näherungsweise
gleich einem Durchmesser der zylinderförmigen Ventilstange
ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Druckunterwanderung im Bereich
des Sitzes und damit eine öffnende Kraft auf die Ventilstange
verhindert ist. Durch eine derart ausgelegte Konstruktion kann die
Anforderung eines Kräftegleichgewichts der Ventilstange
erfüllt werden.
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Somit
muss der piezoelektrische Aktor nicht gegen den Systemdruck arbeiten.
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Vorteilhaft
ist es, dass eine Kopplerhülse vorgesehen ist, in der die
Ventilstange geführt ist, und dass die Kopplerhülse,
eine zweite Stirnseite der Ventilstange, die der ersten Stirnseite
der Ventilstange abgewandt ist, und ein mit dem Aktor verbundener Aktorkolben
einen Kopplerraum begrenzen. Beispielsweise kann der Aktor so angesteuert
werden, dass der Aktorkolben den Kopplerraum vergrößert, wodurch
der Druck im Kopplerraum zusammenbricht und die Ventilstange betätigt
wird. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass eine Kopplerfeder
vorgesehen ist, die einerseits an der Kopplerhülse und
andererseits an der Ventilstange abgestützt ist, wobei
die Kopplerfeder die Ventilstange in einer Richtung beaufschlagt,
in der ein Befüllen des Kopplerraums ermöglicht
ist. Somit ermöglicht die Kopplerfeder ein Wiederbefüllen
des Kopplerraums. Hierdurch wird durch die Kopplerfeder eine gewisse
Druckabsenkung des Kopplerraums gegenüber der Umgebung ermöglicht,
wobei durch einen Druckausgleich das Befüllen des Kopplerraums
erfolgt.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass die Kopplerfeder so ausgestaltet ist, dass
beim durch die Kopplerfeder bewirkten Befüllen des Kopplerraums
keine Abdichtung des Kanals der Drosselplatte durch die Ventilstange
erfolgt. Speziell ist vorteilhaft, dass die Vorspannung der Kopplerfeder
so eingestellt ist, dass durch die Kopplerfeder kein Schließen
des Dichtsitzes zwischen dem Sitz an der ersten Stirnseite der Ventilstange
und der Drosselplatte zum Verschließen des Kanals der Drosselplatte
ermöglicht ist. Hierdurch ist in vorteilhafter Weise ein
ungewolltes Abdichten des Niederdruck- und Hochdruckkreislaufs verhindert.
Das Schließen des Dichtsitzes zwischen dem Sitz an der
ersten Stirnseite der Ventilstange und der Drosselplatte zum Verschließen
des Kanals der Drosselplatte erfolgt durch eine entsprechende Betätigung
des piezoelektrischen Aktors, die entgegen der Betätigung
zum Öffnen des Dichtsitzes erfolgt.
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Vorteilhaft
ist es, dass die Kopplerhülse mittels einer Federhülse
an der Ventilplatte abgestützt ist. Vorteilhaft ist es
auch, dass der Aktor und die Kopplerhülse in einem von
der Ventilplatte begrenzten Aktorraum angeordnet sind, der mit dem
Niederdruckrücklauf verbunden ist. Dadurch ist eine druckausgeglichene
Ausgestaltung des Schaltventils möglich, bei der kostenintensive
Erodiergeometrien entfallen können und eine hohe Bauteilfestigkeit
erzielbar ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
näher erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils der
Erfindung in einer auszugsweisen, axialen Schnittdarstellung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffeinspritzventils 1 der
Erfindung in einer auszugsweisen, schematischen, axialen Schnittdarstellung.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 kann insbesondere als Injektor
für Brennstoffeinspritzanlagen von luftverdichtenden, selbstzündenden
Brennkraftmaschinen dienen. Ein bevorzugter Einsatz des Brennstoffeinspritzventils 1 besteht
für eine Brennstoffeinspritzanlage mit einem Common-Rail,
das Dieselbrennstoff unter hohem Druck zu mehreren Brennstoffeinspritzventilen 1 führt.
Das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 eignet
sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 weist einen Haltekörper 2 und
einen Düsenkörper 3 auf. Der Düsenkörper 3 ist
auf geeignete Weise mit dem Haltekörper 2 verbunden.
In dem Düsenkörper 3 ist eine Düsennadel 4 angeordnet.
Die Düsennadel 4 weist einen Ventilschließkörper 5 auf.
Der Düsenkörper 3 weist eine an den Ventilschließkörper 5 angepasste Ventilsitzfläche 6 auf.
Der Ventilschließkörper 5 wirkt mit der
Ventilsitzfläche 6 des Düsenkörpers 13 im Dichtsitz
zusammen. Die Düsennadel 4 ist in einem Brennstoffraum 7 angeordnet.
In dem Brennstoffraum 7 ist außerdem eine Steuerraumhülse 8 angeordnet,
die von einer Ventilfeder 9 gegen eine Drosselplatte 10 beaufschlagt
ist. Die Drosselplatte 10, die Steuerraumhülse 8 und
eine Stirnseite 11 der Düsennadel 4 begrenzen
einen Steuerraum 12.
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In
dem Haltekörper 2 ist ein Brennstoffkanal 13 ausgebildet,
der als Hochdruckzulauf 13 dient. An den Hochdruckzulauf 13 des
Haltekörpers 2 schließt sich eine Durchgangsbohrung 14 einer
an den Haltekörper 2 angefügten Ventilplatte 15 an.
Die Ventilplatte 15 ist zwischen der Drosselplatte 10 und
dem Haltekörper 2 angeordnet. An die Durchgangsbohrung 14 der
Ventilplatte 15 schließt sich ein Kanal 16 in
der Drosselplatte 10 an. Der Kanal 16 der Drosselplatte 10 mündet
in den Brennstoffraum 7. Im Betrieb des Brennstoffeinspritzventils 1 gelangt
unter hohem Druck stehender Brennstoff über den Hochdruckzulauf 13,
die Durchgangsbohrung 14 in der Ventilplatte 15 und
den Kanal 16 in der Drosselplatte 10 in den Brennstoffraum 7.
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Die
Ventilplatte 15 weist eine Ausnehmung 17 auf,
die mit der Durchgangsbohrung 14 verbunden ist. Die Ausnehmung 17 in
der Ventilplatte 15 bildet eine Abzweigung von der Durchgangsbohrung 14 zu einer
Zulaufdrossel 18 in der Drosselplatte 10. Die Zulaufdrossel 18,
die in der Drosselplatte 10 ausgebildet ist, mündet
einerseits in die Ausnehmung 17 der Ventilplatte 15 und
andererseits in den Steuerraum 12. Außerdem weist
die Drosselplatte 10 eine Ablaufdrossel 19 auf.
Ferner weist die Drosselplatte 10 einen Kanal 20 auf,
der mit einer Niederdruck-Durchgangsbohrung 21 der Ventilplatte 15 verbunden
ist.
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Innerhalb
des Haltekörpers 2 ist ein Aktorraum 25 ausgebildet.
Der Haltekörper 2 weist in diesem Ausführungsbeispiel
einen Niederdruckrücklauf 26 auf, an den eine
Rücklaufleitung 27 anschließbar ist.
Der Niederdruckrücklauf 26 mündet dabei
in diesem Ausführungsbeispiel in den Aktorraum 25.
Somit ist der Kanal 20 in der Drosselplatte 10 über
die Niederdruck-Durchgangsbohrung 21 der Ventilplatte 15 und
den Aktorraum 25 mit dem Niederdruckrücklauf 26 verbunden.
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Die
Ventilplatte 15 weist eine Durchgangsbohrung 28 auf.
In der Durchgangsbohrung 28 ist eine Ventilstange 29 in
axialer Richtung, das heißt entlang ihrer Achse 30,
geführt. Die Achse 30 der Ventilstange 29 ist
in diesem Ausführungsbeispiel parallel zu einer Achse 31 des
Brennstoffeinspritzventils 1. Die Ventilplatte 15 weist
außerdem eine Ausnehmung 32 auf. Die Ausnehmung 32 der
Ventilplatte 15 ist mit der Durchgangsbohrung 28 der Ventilplatte 15 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 32 mit
der Durchgangsbohrung 28 der Ventilplatte 15 verschnitten.
Die Ablaufdrossel 19 mündet einerseits in den
Steuerraum 12 und andererseits in die Ausnehmung 32 der
Ventilplatte 15. Der mit dem Niederdruckrücklauf 26 verbundene
Kanal 20 ist von der Ventilstange 29 verschließbar.
Dabei ist in der 1 ein Zustand dargestellt, in
dem die Ventilstange 29 den Kanal 20 verschließt.
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Die
Ventilstange 29 weist eine der Drosselplatte 10 zugewandte,
im Wesentlichen konkave Stirnseite 33 auf. Durch die konkave
Stirnseite 33 ist ein Sitz 34 an der Ventilstange 29 ausgebildet.
Die Ventilstange 29 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet.
Der Sitz 34 weist einen Sitzdurchmesser auf, der identisch
mit einem Durchmesser 35 der Ventilstange 29 ist.
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Die
konkave Stirnseite 33 der Ventilstange 29 ist
durch eine Aussparung 36 an der Stirnseite 33 gebildet.
Die Aussparung 36 kann beispielsweise kegelförmig
oder halbkugelförmig ausgestaltet sein. Die Stirnseite 33 ist
der Drosselplatte 10 zugewandt. Ferner ist die Ausnehmung 32 der
Ventilplatte 15 an einer der Drosselplatte 10 zugewandten
Seite 37 der Ventilplatte 15 vorgesehen.
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In
dem Aktorraum 25 ist eine Kopplerhülse 40 angeordnet,
in der die Ventilstange 29 abschnittsweise geführt
ist. Die Kopplerhülse 40 ist in diesem Ausführungsbeispiel
zweistückig ausgestaltet, nämlich aus einem hohlzylinderförmigen
Teil 41 und einem Hülsenteil 42, wobei
das Hülsenteil 42 einen umlaufenden Bund 43 aufweist.
Die Ventilstange 29 ist in dem hohlzylinderförmigen
Teil 41 der Kopplerhülse 40 geführt.
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Hierbei
weist der hohlzylinderförmige Teil 41 der Kopplerhülse 40 eine
Durchgangsbohrung 44 auf, in der die Ventilstange 29 abschnittsweise
angeordnet ist.
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Ferner
ist in dem Aktorraum 25 ein piezoelektrischer Aktor 45 angeordnet,
an den ein Übergangsstück 46 angefügt
ist. Das Übergangsstück 46 ist mit einem
Aktorkolben 47 verbunden. Der Aktorkolben 47 ist
in dem Hülsenteil 42 der Kopplerhülse 40 geführt.
Dabei ist eine Verschiebbarkeit des Aktorkolbens 47 in
Bezug auf die Achse 30 durch das hohlzylinderförmige
Teil 41 der Kopplerhülse 40 begrenzt.
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Der
Hülsenteil 42 stützt sich über
eine Federhülse 48 an der Ventilplatte 15 ab.
Dabei umschließt die Federhülse 48 abschnittsweise
den Hülsenteil 42 der Kopplerhülse 40.
Ferner stützt sich der Hülsenteil 42 an
seinem umlaufenden Bund 43 an der Federhülse 48 ab.
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Der
Aktorkolben 47, die Kopplerhülse 40 und eine
Stirnseite 49 der Ventilstange 29 begrenzen einen
Kopplerraum 50, der durch die Durchgangsbohrung 44 gebildet
ist. Die Stirnseite 49 der Ventilstange 29, die
den Kopplerraum 50 begrenzt, ist dabei von der Stirnseite 33 der
Ventilstange 29 abgewandt.
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In
dem Aktorraum 25 innerhalb der Federhülse 48 ist
ein Stützring 51 vorgesehen, der in eine Ausnehmung
der Ventilstange 29 eingesetzt ist. Zwischen dem Stützring 51 und
der Kopplerhülse 40 ist eine Kopplerfeder 52 angeordnet,
die sich einerseits über den Stützring 51 an
der Ventilstange 29 und andererseits an dem hohlzylinderförmigen
Teil 41 der Kopplerhülse 40 abstützt.
Die Kopplerfeder 52 beaufschlagt die Ventilstange 29 in
einer Richtung 53, in der ein Befühlen des Kopplerraums 50 mit
Brennstoff aus dem Aktorraum 25 ermöglicht ist.
Das Befüllen erfolgt dabei über einen oder mehrere
Spalte, beispielsweise über einen Führungsspalt
zwischen der Ventilstange 29 und dem hohlzylinderförmigen
Teil 41 der Kopplerhülse und/oder einen Führungsspalt zwischen
dem Aktorkolben 47 und dem Hülsenteil 42 der
Kopplerhülse 40. Allerdings ist die Kopplerfeder 52 so
ausgestaltet, dass in der in der 1 dargestellten
geschlossenen Stellung der Ventilstange 29, bei der der
Kanal 20 verschlossen ist, keine Kraft auf die Ventilstange 29 ausgeübt
ist.
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Zum
Betätigen des Brennstoffeinspritzventils 1 wird
der Aktor 45 angesteuert, so dass sich dieser zusammenzieht.
Dadurch hebt sich der Aktorkolben 47 aus der Anlage mit
dem hohlzylinderförmigen Teil 41 der Kopplerhülse 40.
Hierdurch bricht der Druck im Kopplerraum 50 zusammen. Über
den Kanal 20 liegt an der Stirnseite 33 der Ventilstange 29 der
Niederdruck des Niederdruckrücklaufs 26 an, der
größer ist als der zusammengebrochene Druck im
Kopplerraum 50. Somit kommt es zu einer Betätigung
der Ventilstange 29 entgegen der Richtung 53.
Hierdurch wird eine Verbindung der Ablaufdrossel 19 mit
dem Kanal 20 über die Ausnehmung 32 freigegeben.
Dadurch kann unter hohem Druck stehender Brennstoff aus dem Steuerraum 12 über
die Ablaufdrossel 19 abfließen, so dass der Druck
im Steuerraum 12 abfällt. Dies ermöglicht
ein Öffnen der Düsennadel 4, so dass
der zwischen dem Ventilschließkörper 5 und
der Ventilsitzfläche 6 gebildete Dichtsitz geöffnet
wird und Brennstoff aus dem Brennstoffraum 7 über
den geöffneten Dichtsitz und zumindest eine Düsenöffnung 54 in
einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
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Zum
Schließen der Ventilstange 29 wird der piezoelektrische Aktor 45 in
Gegenrichtung betätigt, so dass der Aktorkolben 47 wieder
in die in der 1 dargestellte Ausgangsstellung
zurückgestellt ist. Hierbei steigt der Druck im Kopplerraum 50 wieder an,
so dass die Ventilstange 29 in der Richtung 53 verstellt
wird, und der Kanal 20 wieder verschlossen ist.
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Da
der Sitzdurchmesser an der Stirnseite 43 der Ventilstange 29 gleich
dem Durchmesser 35 der Ventilstange 29 ist, ist
dadurch ein druckausgeglichenes Steuerventil 55 gebildet.
Somit kann mit einer relativ geringen Betätigungskraft
des piezoelektrischen Aktors 45 eine Betätigung
der Ventilstange 29 erfolgen.
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Das
Steuerventil 55, das von dem piezoelektrischen Aktor 45 betätigbar
ist, weist die Ventilstange 29, die Ventilplatte 15,
die Drosselplatte 10, die Kopplerhülse 40,
den Aktorkolben 47 und die Federhülse 48 auf.
Ferner weist das Steuerventil 55 die Kopplerfeder 52 auf,
um ein ausreichendes Befüllen des Kopplerraums 50 mit
Brennstoff zu gewährleisten. Dabei ist die Kopplerfeder 52 so
ausgestaltet, dass in einer Stellung des Steuerventils 55,
in der der Druck des Kopplerraums 50 zusammengebrochen
ist, eine Verstellung der Ventilstange 29 in der Richtung 53 erfolgt,
wobei die Verstellung der Ventilstange 29 durch die Kopplerfeder 52 derart
begrenzt ist, dass kein Verschließen des Kanals 20 durch
die Ventilstange 29 allein auf Grund der Kraft der Kopplerfeder 52 ermöglicht
ist. Der Druckausgleich im Kopplerraum 50 erfolgt somit
vor dem Erreichen des Dichtsitzes zwischen dem Sitz 34 an
der Stirnseite 33 der Ventilstange 29 zum Verschließen
des Kanals 20. Dadurch ist ein ungewolltes Abdichten des
Niederdrucks vom Hochdruckkreislauf verhindert. Die Ausgestaltung des
Brennstoffeinspritzventils 1 des beschriebenen Ausführungsbeispiels
hat mehrere Vorteile. Durch das Hydraulikkonzept mit inverser Ansteuerung
des piezoelektrischen Aktors 45 ist keine Hochdruckzuleitung
in der Ventilplatte 15 und somit keine kostenintensive
Erodiergeometrie erforderlich. Durch diesen Entfall ist eine Erhöhung
der Bauteilfestigkeit möglich. Beispielsweise kann ein
Hochdruck des Brennstoffs, der über den Hochdruckzulauf 13 zugeführt
wird, 260 MPa (2600 bar) betragen. Außerdem ist eine Verringerung
der Dicke der Drosselplatte 10 in axialer Richtung, und
somit eine Verkürzung der Länge des Brennstoffeinspritzventils 1 möglich.
Die Vorteile des Ausführungsbeispiels sind somit die Erhöhung
der Spannungsfestigkeit der Ventilplatte 15, die Einsparung
von Baulänge sowie eine kostengünstigere Gestaltung
der Ventilplatte 15 und der Ventilstange 29.
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Da
sich der Dichtdurchmesser, das heißt der Dichtsitzdurchmesser,
der Ventilstange 29, der durch den Sitz 34 an
der Stirnseite 33 bestimmt ist, am Außendurchmesser 35 der
Ventilstange 29 befindet, ist eine Druckunterwanderung
und damit eine öffnende Kraft auf die Ventilstange 29 verhindert.
Eine so ausgerichtete Konstruktion erfüllt die Anforderungen
des Kräftegleichgewichts auf die Ventilstange 29.
Der piezoelektrische Aktor 45 muss somit nicht gegen den Systemdruck
arbeiten.
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Zum
Betätigen des Brennstoffeinspritzventils wird ein negativer
Hub des piezoelektrischen Aktors 45, das heißt
ein Zusammenziehen, bewirkt, in dessen Folge der Druck im Kopplerraum 50 unter
den Rücklaufdruck, das heißt den Niederdruck des
Niederdruckrücklaufs 26, fällt. Die Ventilstange 29 wird somit
aus ihrem Dichtsitz gehoben, so dass der Hochdruck des Steuerraums 12 mit
dem Niederdruck des Niederdrucklaufs 26 gedrosselt verbunden
ist. Durch den entstehenden Druckabfall im Steuerraum 12 wird
die Bewegung der Düsennadel 4 und somit die Brennstoffeinspritzung
erzielt.
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Die
Wiederbefüllung des Kopplerraums 50 erfolgt über
die Kopplerfeder 52, wobei der Druckausgleich im Kopplerraum 50 vor
dem Erreichen des Dichtsitzes der Ventilstange 29 erfolgt,
um ein ungewolltes Abdichten des Niederdrucks vom Hochdruckkreislauf
zu verhindern.
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Die
Einspritzung über die Düsenöffnung 54 des
Düsenkörpers 3 wird durch eine Ansteuerung des
piezoelektrischen Aktors 45 und die daraus folgende Abdichtung
des Kanals 20 in der Drosselplatte 10 beendet.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006021741
A1 [0002, 0003]