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Die Erfindung geht von einem Kraftstoffeinspritzventil
für Brennkraftmaschinen
aus wie es aus der
DE
30 36 583 A1 bekannt ist. Ein solches Kraftstoffeinspritzventil
weist einen Ventilkörper
auf, in dem eine Bohrung ausgebildet ist. Die Bohrung wird an ihrem
brennraumseitigen Ende von einem Ventilsitz begrenzt, von dem mehrere
Einspritzöffnungen abgehen,
die in einer äußeren und
einer inneren Einspritzöffnungsreihen
angeordnet sind und in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils
in einer Brennkraftmaschine die Einspritzöffnungen in den Brennraum münden. In
der Bohrung des Ventilkörpers
ist eine Ventilaußennadel
längsverschiebbar
angeordnet, die in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung
geführt
ist. Zwischen der Ventilaußennadel und
der Wand der Bohrung verbleibt ein Druckraum, der mit Kraftstoff
unter Druck befüllt
werden kann. Die Ventilaußennadel
wirkt mit ihrem brennraumzugewandten Ende mit dem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen der äußeren Einspritzöffnungsreihe
zusammen, so dass entweder Kraftstoff aus dem Druckraum über diese
Einspritzöffnungen
in den Brennraum eingespritzt wird, oder die Verbindung vom Druckraum
zu den Einspritzöffnungen
unterbrochen ist.
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Die Ventilaußennadel weist eine Längsbohrung
auf, in der eine Ventilinnennadel längsverschiebbar angeordnet
ist. Die Ventilinnennadel wirkt ebenfalls mit ihrem brennraumseitigen
Ende mit dem Ventilsitz zum Öffnen
und Schließen
der inneren Einspritzöffnungsreihe
zusammen, so dass bei geöffneter
Ventilaußennadel
durch die Ventilinnennadel die Öffnung
der inneren Einspritzöffnungsreihe
gesteuert werden kann, so dass, je nach Ansteuerung der Ventilnadeln,
nur durch eine oder durch beide Einspritzöffnungsreihen Kraftstoff in
den Brennraum eingespritzt wird.
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Die Ventilinnennadel wird in zwei
Führungsabschnitten
in der Längsbohrung
der Ventilaußennadel
geführt.
Der erste Führungsabschnitt
ist hierbei brennraumabgewandt zum zweiten Führungsabschnitt angeordnet,
so dass zwischen den Führungsabschnitten,
begrenzt durch die Ventilinnennadel und die Wand der Längsbohrung,
ein Ringspalt ausgebildet ist. Die beiden Führungsabschnitte dienen dazu, ein
Verkanten der Ventilinnennadel zu verhindern bei gleichzeitig exakter
Führung
in der Längsbohrung. Die Öffnung der
Ventilinnennadel erfolgt entgegen einer Schließkraft durch hydraulische Beaufschlagung einer
Ventildichtfläche,
die am brennraumzugewandten Ende der Ventilinnennadel ausgebildet
ist. Nachdem die Ventilaußennadel
vom Ventilsitz abgehoben hat, wird diese Ventildichtfläche der
Ventilinnennadel vom Kraftstoffdruck des Druckraums beaufschlagt und
führt so
zu einer Öffnungskraft
auf die Ventilinnennadel, worauf diese ihrerseits vom Ventilsitz
abhebt und die innere Einspritzöffnungsreihe
freigibt.
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Um eine Einspritzverlaufsformung
zu erreichen, also zu Beginn der Einspritzung nur die äußere Einspritzöffnungsreihe
aufzusteuern und erst nach einer gewissen Zeit auch die innere Einspritzöffnungsreihe,
darf die Ventilinnennadel erst mit einer gewissen Verzögerung öffnen. Beim
bisher bekannten Kraftstoffeinspritzventil ist dies jedoch nur begrenzt
der Fall, da die Ventildichtfläche
sofort nach dem Abheben der Ventilaußennadel vom Kraftstoffdruck
des Druckraums beaufschlagt wird und sich dadurch sofort in Bewegung
setzt. Für
ein stärker verzögertes Öffnen der
Ventilinnennadel müsste
die Schließkraft
gezielt gesteuert werden, was sehr aufwendig und damit in der Regel
zu teuer ist.
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Das erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den
Vorteil auf, dass unter Einsatz von baulich einfachen Mitteln die Ventilinnennadel
zeitverzögert
gegenüber
der Ventilaußennadel
vom Ventilsitz abhebt. Hierzu ist der Ringraum, der zwischen der
Ventilinnennadel und der Wand der Längsbohrung ausgebildet ist, über eine
Drosselverbindung mit dem Druckraum verbindbar, wobei der Durchmesser
des ersten Führungsabschnitts
größer als
der Durchmesser des zweiten Führungsabschnitts
ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass sich durch den Druck im
Ringraum eine resultierende Kraft auf die Ventilinnennadel ergibt,
die vom Ventilsitz weggerichtet ist. Erst wenn die hydraulischen
Kräfte
im Ringraum und die hydraulische Kraft auf eine entsprechende Fläche am brennraumseitigen
Ende der Ventilinnennadel zusammenwirken, öffnet die Ventilinnennadel.
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Durch die Unteransprüche sind
vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung möglich.
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In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung wird
die Drosselverbindung durch den zwischen dem zweiten Führungsabschnitt
der Ventilinnennadel und der Wand der Längsbohrung verbleibenden Ringspalt
gebildet. Dies hat darüber
hinaus den Vorteil, dass die Drosselverbindung erst durch das Abhe ben der
Ventilaußennadel
vom Ventilsitz mit dem Druckraum verbunden wird, so dass es erst
dann zu einem Zufluss von Kraftstoff aus dem Druckraum in den Ringraum
kommt und damit zu einer Erhöhung
des Drucks im Ringraum. Vorzugsweise weist hierbei der Ringspalt,
der zwischen dem zweiten Führungsabschnitt
und der Längsbohrung
verbleibt, einen kleineren Durchflusswiderstand auf als der Ringspalt
zwischen dem ersten Führungsabschnitt
und der Wand der Längsbohrung,
so dass es durch den Zufluss von Kraftstoff zu einer raschen Druckerhöhung im
Ringraum kommt. Weiter ist es besonders vorteilhaft, wenn der Ringraum über den
zwischen dem ersten Führungsabschnitt
und der Wand der Längsbohrung gebildeten
Ringspalt mit einem Leckölraum
verbunden ist, so dass in den Einspritzpausen, wenn beide Ventilnadeln
wieder in Anlage am Ventilsitz sind, der Kraftstoffdruck im Ringraum
abgebaut wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist
die Drosselverbindung des Ringraums mit dem Druckraum durch eine
Querbohrung in der Ventilaußennadel
ausgebildet. Diese Ausgestaltung bietet sich dann an, wenn im Druckraum
nicht ständig
hoher Kraftstoffdruck anliegt, sondern nur dann, wenn eine Einspritzung
von Kraftstoff erfolgen soll. Eine solche Drosselverbindung lässt sich
einfacher herstellen als ein genau dimensionierter Ringspalt zwischen
dem zweiten Führungsabschnitt
und der Längsbohrung
der Ventilaußennadel.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind
am zweiten Führungsabschnitt
seitliche Anschliffe ausgebildet. Hierdurch lässt sich der Durchflusswiderstand
am zweiten Führungsabschnitt
gezielt einstellen, um den gewünschten
Durchflusswiderstand für
den Zufluss des Kraftstoffs aus dem Druckraum in den Ringraum zu
gewährleisten.
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In der Zeichnung sind verschiedene
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
dargestellt. Es zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil,
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2 eine
Vergrößerung im
Bereich des Ventilsitzes der 1,
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3 eine
vergrößerte Darstellung
der 1 im Bereich des
ersten Führungsabschnitts
der Ventilinnennadel,
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4 denselben
Ausschnitt wie 2 eines weiteren
Ausführungsbeispiels
und
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5 einen
Längsschnitt
durch ein weiteres erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt
dargestellt. Im Ventilkörper 1 ist
eine Bohrung 3 ausgebildet, an deren brennraumseitigen
Ende ein konischer Ventilsitz 5 ausgebildet ist, der die
Bohrung 3 begrenzt. Vom Ventilsitz 5 gehen wenigstens
2 Einspritzöffnungen 7 aus,
die in Einbaulage des Kraftstoffeinspritzventils in den Brennraum
der Brennkraftmaschine münden.
In der Bohrung 3 ist eine Ventilaußennadel 10 angeordnet,
an deren brennraumseitigen Ende eine Ventildichtfläche 18 ausgebildet
ist, die ebenfalls konisch geformt ist und mit der die Ventilaußennadel 10 mit dem
Ventilsitz 5 zusammenwirkt. Zwischen der Ventilaußennadel 10,
die in einem brennraumabgewandten Abschnitt in der Bohrung 5 dichtend
geführt
ist, und der Wand der Bohrung 3 ist ein Druckraum 14 ausgebildet,
der angrenzend an den geführten
Abschnitt der Ventilaußennadel 10 radial
erweitert ist. Dem Ventilsitz 5 zu setzt sich der Druckraum 14 bis zum
Ventilsitz 5 fort. Der Druckraum 14 ist im Bereich seiner
radialen Erweiterung über
einen im Ventilkörper 1 verlaufenden
und in der Zeichnung nicht dargestellten Zulaufkanal mit Kraftstoff
unter hohem Druck befüllbar.
An der Ventilaußennadel 10,
die sich ausgehend vom geführten
Abschnitt dem Ventilsitz 5 zu im Durchmesser verringert,
ist auf Höhe
der radialen Erweiterung des Druckraums 14 eine Druckschulter 11 ausgebildet,
durch die aufgrund des Kraftstoffdrucks im Druckraum 14 eine
vom Ventilsitz 5 weggerichtete Öffnungskraft auf die Ventilaußennadel 10 wirkt.
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In der Ventilaußennadel 10 ist über deren
gesamte Länge
eine Längsbohrung 15 ausgebildet,
in der eine ebenfalls kolbenförmige
Ventilinnennadel 12 längsverschiebbar
angeordnet ist. An ihrem brennraumseitigen Ende weist die Ventilinnennadel 12 eine
Ventildichtfläche 20 auf,
mit der sie mit dem Ventilsitz 5 zusammenwirkt. Die Ventilinnennadel 12 weist
einen ersten Führungsabschnitt 24 und
einen dem Ventilsitz 5 zugewandt angeordneten zweiten Führungsabschnitt 25 auf,
mit denen die Ventilinnennadel 12 in der Längsbohrung 15 geführt ist.
Zwischen den Führungsabschnitten 24, 25,
begrenzt durch die Ventilinnennadel 12 und die Wand der Längsbohrung 15,
ist ein Ringraum 22 ausgebildet, der mit Kraftstoff befüllt ist.
Die Ventilinnennadel 12 weist an ihrem brennraumseitigen
Ende eine Druckfläche 26 auf,
die vom Kraftstoff des Druckraums 14 beaufschlagt wird,
wenn die Ventilaußennadel 10 vom
Ventilsitz 5 abgehoben hat.
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In 2 ist
das Zusammenwirken von Ventilaußennadel 10 und
Ventilinnennadel 12 mit dem Ventilsitz 5 näher dargestellt.
Die Einspritzöffnungen 7 sind
in einer äußeren Einspritzöffnungsreihe 107 und
einer näher
am Brennraum liegenden inneren Einspritzöffnungsreihe 207 angeordnet,
wobei die Einspritzöffnungsreihen 107, 207 jeweils
mehrere Einspritzöffnungen 7 umfassen,
die über
den Umfang des Ventilkörpers
1 verteilt
angeordnet sind. Im geschlossenen Zustand des Kraftstoffeinspritzventils liegen
die Ventilaußennadel 10 und
die Ventilinnennadel 12 mit ihren Dichtflächen 18, 20 auf
dem Ventilsitz 5 auf und verschließen sowohl die äußere Einspritzöffnungsreihe 107 als
auch die innere Einspritzöffnungsreihe 207.
Hierbei werden die Ventilaußennadel 10 und
die Ventilinnennadel 12 durch eine in der Zeichnung nicht
dargestellte Vorrichtung mit einer Schließkraft beaufschlagt, die in
Richtung des Ventilsitzes 5 wirkt und so beide Ventilnadeln 10, 12 gegen
den Ventilsitz 5 drückt.
Die Vorrichtungen zur Erzeugung der Schließkraft sind beispielsweise
Federn, die jeweils auf eine Ventilnadel 10,12 wirken. Hebt
nur die Ventilaußennadel 10 vom
Ventilsitz 5 ab, so kann Kraftstoff aus dem Druckraum 14 zu
der äußeren Einspritzöffnungsreihe 107 gelangen
und wird von dort in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
Bewegt sich auch die Ventilinnennadel 12 vom Ventilsitz 5 weg,
so gibt sie die innere Einspritzöffnungsreihe 207 frei
und der Kraftstoff wird sowohl durch die äußere Einspritzöffnungsreihe 107 als
auch durch die innere Einspritzöffnungsreihe 207 eingespritzt.
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In 3 ist
eine Vergrößerung von 1 im Bereich des ersten
Führungsabschnitts 24 der
Ventilinnennadel 12 gezeigt. Der erste Führungsabschnitt 24 ist
ebenfalls wie der zweite Führungsabschnitt 25 durch
eine radiale Erweiterung der Ventilinnennadel 12 gebildet.
Der Durchmesser des ersten Führungsabschnitts 24 ist
hierbei größer als
der Durchmesser des zweiten Führungsabschnitts 25,
was beispielsweise durch eine im Durchmesser gestufte Längsbohrung 25 möglich ist.
Die am brennraumzugewandten Ende des ersten Führungsabschnitts 24 ausgebildete
Ringschulter 29 weist dadurch eine größere, in Längsrichtung der Ventilinnennadel 12 wirksame
hydraulische Fläche
auf als die Schulter 27 am zweiten Führungsabschnitt 25.
Hierdurch ergibt sich durch den Kraft stoffdruck im Ringraum 22 eine
resultierende hydraulische Kraft auf die Ventilinnennadel 12,
die vom Ventilsitz 5 weggerichtet ist. Der Ringraum 22 ist
durch den Ringspalt, der zwischen dem ersten Führungsabschnitt 24 der
Ventilinnennadel 12 und der Wand der Längsbohrung 15 ausgebildet
ist, mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Leckölraum verbunden,
in dem stets ein niedriger Kraftstoffdruck herrscht. Hierdurch ist
sichergestellt, dass sich ein hoher Kraftstoffdruck im Ringraum 22 nach
einer gewissen Zeit über
diesen Ringspalt entlastet und so den niedrigen Kraftstoffdruck
im Leckölraum
annimmt.
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Die Funktionsweise des Kraftstoffeinspritzventils
ist wie folgt: Im Betriebsmodus, in dem ständig hoher Kraftstoffdruck
im Druckraum 14 anliegt, wird die Einspritzung von Kraftstoff
durch eine Reduzierung der Schließkraft auf die Ventilaußennadel 10 initiiert.
Dadurch überwiegt
jetzt die hydraulische Kraft auf die Druckschulter 11 der
Ventilaußennadel 10 und
auf Teile der Ventildichtfläche 18,
so dass die Ventilaußennadel 10 vom
Ventilsitz 5 abhebt und in der oben beschriebenen Weise
die äußere Einspritzöffnungsreihe 107 öffnet. Dadurch
wird jetzt die Druckfläche 26 an
der Ventilinnennadel 12 vom Kraftstoffdruck beaufschlagt,
was jedoch nicht ausreicht, um die Ventilinnennadel 12 entgegen
der auf sie wirkenden Schließkraft
vom Ventilsitz 5 abheben zu lassen. Durch den zwischen
dem zweiten Führungsabschnitt 25 und
der Wand der Längsbohrung 15 ausgebildeten
Ringspalt 28, der eine Drosselverbindung bildet, dringt
erst nach und nach Kraftstoff in den Ringraum 22 und lässt dort
den Kraftstoffdruck ansteigen. Ist der Kraftstoffdruck im Ringraum 22 groß genug,
ergibt sich durch die jetzt zusätzliche
hydraulische Kraft auf die Ringschulter 29 am ersten Führungsabschnitt 24 eine
zusätzliche Öffnungskraft
auf die Ventilinnennadel 12, was schließlich dazu führt, dass
diese hydraulischen Kräfte
die Schließkraft
auf die Ventilinnennadel 12 übersteigen, worauf diese vom
Ventilsitz 5 abhebt und die innere Einspritzöffnungsreihe 207 öffnet. Auf
diese Weise ergibt sich ein sukzessives Öffnen von Ventilaußennadel 10 und Ventilinnennadel 12,
ohne dass die Schließkraft
auf die Ventilinnennadel 12 gesteuert werden muss. Soll die
Einspritzung beendet werden, so wird die Schließkraft auf die Ventilaußennadel 10 erhöht und diese
gleitet zurück
in ihre Schließstellung,
also in Anlage an den Ventilsitz 5. Der Druck im Ringraum 22 baut
sich über
den Ringspalt, der zwischen dem ersten Führungsabschnitt 24 und
der Wand der Bohrung 15 ausgebildet ist, in den Leckölraum ab,
so dass nach einer gewissen Zeit die Schließkraft auf die Ventilinnennadel 12 die Öffnungskräfte übersteigt und
die Ventilinnennadel 12 ebenfalls zurück in ihre Schließstellung
gleitet. Falls auch die Schließkraft auf
die Ventilinnennadel 12 variabel ist und gleichzeitig mit
der Schließkraft
auf die Ventilaußennadel 10 erhöht bzw.
erniedrigt wird, kann es auch sein, dass die Ventilinnennadel 12 vor
der Ventilaußennadel 10 schließt. Der
gesamte Einspritzvorgang spielt sich hierbei bei Einspritzventilen,
wie sie für
schnelllaufende Brennkraftmaschinen verwendet werden, innerhalb
weniger Millisekunden ab.
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Beim Betriebsmodus des Kraftstoffeinspritzventils,
bei dem der Druck im Druckraum 14 nicht ständig konstant
ist, sondern nur dann erhöht
wird, wenn eine Einspritzung erfolgen soll, arbeitet das Kraftstoffeinspritzventil
in gleicher Art und Weise, jedoch bleibt die Schließkraft auf
die Ventilaußennadel 10 konstant.
Durch den ansteigenden Kraftstoffdruck im Druckraum 14 wird
die Öffnungskraft
auf die Druckschulter 11 beziehungsweise die Ventildichtfläche 18 soweit
erhöht,
bis sie größer ist
als die Schließkraft
und die Ventilaußennadel 10 öffnet. Das Öffnen der
Ventilinnennadel 12 erfolgt in der oben geschilderten Art
und Weise, sobald diese durch die geöffnete Ventilaußennadel 10 Verbindung
zum Druckraum
14 hat. Zur Beendigung der Einspritzung wird der
Druckraum 14 entlastet, so dass der hydraulische Druck
auf die Ventilnadeln 10,12 wegfällt. Je
nach Größe der Schließkräfte bewegt
sich zuerst die Ventilinnennadel 12 oder die Ventilaußennadel 10 in
die Schließstellung
zurück.
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4 zeigt
den gleichen Ausschnitt wie 2 eines
weiteren Ausführungsbeispiels.
Für das gewünschte Funktionieren
des Kraftstoffeinspritzventils ist es entscheidend, dass der Zufluss
von Kraftstoff in den Ringraum 22 mit der notwendigen Rate
erfolgt, um den Druckanstieg in der gewünschten Zeit zu erreichen.
Ist der zwischen dem zweiten Führungsabschnitt 25 und
der Wand der Längsbohrung 15 verbleibende
Ringspalt, der nur sehr schmal ist, vorzugsweise 2–3 μm, hierfür nicht
ausreichend, so kann es vorgesehen sein, dass am zweiten Führungsabschnitt 25 Anschliffe 32 ausgebildet
sind, über
die eine Erweiterung der Drosselverbindung vom Ringraum 22 zum
Druckraum 14 möglich
ist. Über
die Tiefe der Anschliffe 32 lässt sich der Durchflusswiderstand
an dieser Stelle beliebig einstellen. Die Öffnungsgeschwindigkeit wird
auch über
das Verhältnis
der Durchmesser von erstem Führungsabschnitt 24 und
zweitem Führungsabschnitt 25 beeinflusst:
Bewegt sich die Ventilinnennadel 12 vom Ventilsitz 5 weg
bei feststehender Ventilaußennadel 10, so
vergrößert sich
das Volumen des Ringraums 22. Dies wirkt dem Druckaufbau
durch den Kraftstoff, der durch den Ringspalt 28 in den
Ringraum 22 eindringt, entgegen, so dass sich die Öffnungsgeschwindigkeit der
Ventilinnennadel 12 verringert.
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Wird das Kraftstoffeinspritzventil
so betrieben, dass der Druck im Druckraum 14 nur für eine Einspritzung
erhöht
wird, so ist auch eine Ausgestaltung des Kraftstoffeinspritzventils
möglich,
wie sie in 5 dargestellt
ist. Der Aufbau dieses Kraftstoffeinspritzventils entspricht weitgehend
dem in 1 gezeigten,
jedoch ist die Drosselverbindung vom Ringraum 22 zum Druckraum 14 über eine
Drosselbohrung 35 realisiert, die in der Ventilaußennadel 10 angeordnet
ist und den Druckraum 14 mit dem Ringraum 22 verbindet.
Durch eine geeignete Dimensionierung der Drosselbohrung 35,
die hier die Drosselverbindung bildet, lässt sich der Druckaufbau im
Ringraum 22 so steuern, dass ein sukzessives Öffnen von
Ventilaußennadel 10 und
Ventilinnennadel 12 erfolgt in der oben geschilderten Art
und Weise. Statt nur einer Drosselbohrung 35 kann es auch
vorgesehen sein, mehrere Drosselbohrungen 35 in der Ventilaußennadel 10 vorzusehen,
um einen gleichmäßigen Druckaufbau
im Ringraum 22 zu erreichen und damit Druckschwingungen
vorzubeugen.
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Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel kann es auch
vorgesehen sein, dass für
die Öffnungsdynamik
der Ventilnadeln 10,12 zusätzlich zur Drosselbohrung 35 auch
der Ringspalt 28 verwendet wird. Durch die Druckerhöhung im
Druckraum 14 steigt über
die Drosselbohrung 35 auch der Druck im Ringraum 22.
Dadurch ergibt sich einerseits eine öffnende Kraft auf die Ventilinnennadel 12 und
andererseits eine schließende,
auf den Ventilsitz 5 gerichtete Schließkraft auf die Ventilaußennadel 10 durch
die Durchmesserdifferenz zwischen dem ersten Führungsabschnitt 24 und
dem zweiten Führungsabschnitt 25.
Dadurch erhöht
sich der Öffnungsdruck auf
die Ventilaußennadel 10,
die somit erst bei erreichen eines höheren Drucks im Druckraum 14 vom Ventilsitz 5 abhebt.
Nach dem Öffnen
der Ventilaußennadel 10 erhöht sich
der Druck im Ringraum 22 jetzt auch durch Zufluss von Kraftstoff über den Ringspalt 28,
bis die hydraulischen Kräfte
ausreichen, die Ventilinnennadel 12 zu öffnen. Der Druckaufbau im Ringraum 22 und
damit die Öffnungsdynamik
der Ventilnadeln 10,12 hängt hier von der Abstimmung
zwischen dem Querschnitt der Drosselbohrung 35 und dem
des Ringspalts 28 ab.