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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil zur
Verwendung bei der Abgabe von Kraftstoff an einen Verbrennungsraum
eines Verbrennungsmotors. Insbesondere betrifft die Erfindung ein
Kraftstoffeinspritzventil von der Art, das für die Verwendung in einem Kraftstoffsystem
vom Speicher- oder Common-Rail-Typ (mit gemeinsamer Druckleitung)
vorgesehen ist, wobei das Einspritzventil unter Einsatz eines piezoelektrischen
Betätigungsorgans
gesteuert wird.
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Ein
bekanntes, piezoelektrisch betätigtes Kraftstoffeinspritzventil
ist in der
EP 0 995 901 offenbart,
die nach dem Prioritätsdatum
der vorliegenden Erfindung veröffentlicht
wurde. In der
EP 0 995 901 kann
ein piezoelektrisches Betätigungsorgan
derart betrieben werden, dass es die von einem Steuerkolben-Element
eingenommene Stellung steuert, wobei der Kolben bewegt werden kann,
um den Kraftstoffdruck innerhalb einer Steuerkammer zu steuern,
die zur Steuerung der Bewegung des Einspritzventils teilweise von
einer mit der Ventilnadel des Einspritzventils verbundenen oder
dieser zugehörigen
Oberfläche
begrenzt wird. Das piezoelektrische Betätigungsorgan umfasst einen
Stapel aus piezoelektrischen Elementen, wobei das energetische Niveau und
damit die Axiallänge
des Stapels durch Anlegen einer Spannung quer über den Stapel gesteuert wird. Das
untere Ende des piezoelektrischen Stapels trägt ein Ambosselement, welches
eine teilweise kugelförmige
Ausnehmung aufweist, die mit einem teilweise kugelförmigen oberen
Bereich des Steuerkolben-Elements
dichtend in Eingriff gelangt. Ein kleines Volumen ist zwischen diesen
beiden Komponenten ausgebildet, derart, dass während des Betriebs, wenn die
Axiallänge
des piezoelektrischen Stapels mit der Folge verringert ist, dass
sich das Ambosselement in Aufwärtsrichtung
bewegt, der Kraftstoffdruck innerhalb des Volumens verringert wird,
was dazu dient, das Steuerkolben-Element zusammen mit dem Stapel
(zurück
zu) ziehen.
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Ein
Nachteil dieser Art von Anordnung liegt darin, dass qualitativ hochwertige
Oberflächen
auf dem Ambosselement und dem Steuerkolben-Element notwendig sind,
um eine Qualität
der Dichtung zu erzielen, die für
die Sicherstellung ausreichend ist, dass das Steuerkolben-Element
veranlasst wird, sich mit dem Ambosselement zu bewegen. Außerdem ist die
zwischen diesen Komponenten gebildete Dichtung anfällig gegenüber Schmutz-
oder anderen Teilchen, die dazwischen eingeklemmt werden können. Diese
nachteiligen Effekte können
bewirken, dass sich das Ambosselement und das Steuerkolben-Element
im Betrieb während
der Einspritz-Stadien des Kraftstoffeinspritzventil-Zyklus' voneinander trennen,
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Kraftstoffeinspritzventil bereitzustellen,
in welchem die hier voranstehend beschriebenen nachteiligen Effekte
verringert sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein piezoelektrisch betätigbares Kraftstoff-Einspritzventil bereitgestellt,
umfassend ein Speichervolumen, in welchem ein piezoelektrischer
Stapel angeordnet ist, wobei das Speichervolumen so angeordnet ist,
dass es während
des Betriebs Kraftstoff von einer Quelle für unter Druck stehenden Kraftstoff
aufnehmen kann, und ein Endelement, das vom piezoelektrischen Stapel
getragen wird und an einer mit einem Kolbenelement verbundenen oder
ihr zugehörigen Oberfläche angreift,
wobei das Kolbenelement betätigt
werden kann, um den Kraftstoffdruck innerhalb einer Steuerkammer
zu steuern. Ein Volumen ist zwischen dem Endelement und der mit
dem Kolbenelement verbundenen oder ihr zugehörigen Oberfläche ausgebildet,
wobei auf eine Verringerung der axialen Länge des piezoelektrischen Stapels
hin der relativ geringe Druck innerhalb des Volumens dazu dient, eine
Rückholkraft
auf das Kolbenelement aufzubringen. Das Volumen ist mit einem Entlastungs-
oder Entlüftungsmittel
ausgestattet, um es zu ermöglichen,
dass Kraftstoff innerhalb des Volumens zu einem Niederdruckabfluss
fließen
kann.
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Da
das Volumen, das zwischen dem Endelement und der mit dem Steuerkolben-Element verbundenen
oder ihm zugeordneten Oberfläche
ausgebildet ist, die Möglichkeit
besitzt, Kraftstoff zu niederem Druck zu verlieren, liegen das Endelement
und die Oberfläche
aufgrund des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs innerhalb des
Speichervolumens fester aneinander an. Deshalb ist das Risiko einer
Trennung von Endelement und Oberfläche des Kolbenelements bei
einer Zurückziehung
bzw. Verringerung der Axiallänge
des piezoelektrischen Stapels und dem Aufbringen einer Rückholkraft
auf das Kolbenelement verringert. Dies ermöglicht es, dass die Öffnungsbewegung
der Ventilnadel des Kraftstoffeinspritzventils gedämpft wird,
was die Steuerung der Ventilnadel-Bewegung verbessert und es möglich macht,
dass relativ kleine Kraftstoffmengen mit verbesserter Genauigkeit
eingespritzt werden.
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In
günstiger
Weise kann das Entlastungs- bzw. Entlüftungsmittel die Gestalt eines
Kanals besitzen, wobei ein Ende des Kanals mit dem Volumen und das
andere Ende des Kanals mit dem Niederdruckablauf in Verbindung steht.
Der Kanal kann von einem rohrförmigen
Gehäuse,
das sich innerhalb des Speichervolumens befindet, begrenzt werden.
Alternativ kann der piezoelektrische Stapel mit einer ersten Bohrung
versehen sein, wobei der Kanal durch ein rohrförmiges Element, das sich durch
die in dem Stapel ausgebildete erste Bohrung erstreckt, oder durch
die erste Bohrung selbst gebildet wird.
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Das
Kolbenelement umfasst in günstiger Weise
ein kraftübertragendes
Element, welches die Oberfläche
bildet, die am Endelement angreift.
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Das
Kraftstoff-Einspritzventil umfasst in günstiger Weise eine Ventilnadel,
die innerhalb einer zweiten Bohrung verschieblich ist und an einem
Sitz zur Anlage gelangen kann, um die Abgabe von Kraftstoff durch
eine oder mehrere Auslassöffnungen
zu steuern. Das Kraftstoff-Einspritzventil kann vom sich nach innen öffnenden
Typ sein, bei welchem eine Bewegung der Ventilnadel nach innen innerhalb
der zweiten Bohrung bewirkt, dass die Kraftstoffeinspritzung begonnen
wird.
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Das
Einspritzventil kann weiterhin ein Dämpfungsmittel zum Dämpfen der
Bewegung des Kolbenelements auf eine Verringerung der axialen Länge des
piezoelektrischen Stapels hin umfassen. Auf diese Weise kann die Öffnungsbewegung
der Ventilnadel gedämpft
werden, um die Steuerung der Ventilnadelbewegung zu verbessern.
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In
günstiger
Weise kann das Dämpfungsmittel
eine weitere Kammer für
Kraftstoff aufweisen, wobei die weitere Kammer über einen verengten Strömungskanal
mit dem Speichervolumen in Verbindung steht. So wird während des
Betriebs auf eine Verringerung der axialen Länge des piezoelektrischen Stapels
und eine Bewegung des Kolbenelements in Aufwärtsrichtung hin Kraftstoff
innerhalb des Speichervolumens durch den verengten Kanal in die weitere
Kammer gesaugt.
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Es
ist möglich,
die Öffnungsbewegung
der Ventilnadel zu dämpfen,
weil das Risiko, dass sich das Endelement und die mit dem Kolbenelement
verbundene oder ihm zugeordnete Oberfläche voneinander trennen, verringert
ist. Deshalb ist es möglich, einen
Betätigungshub über einen
längeren
Zeitraum bereitzustellen, um die Ventilnadel weg von ihrem Sitz
abzuheben.
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Die
weitere Kammer kann mit einem Ventilmittel ausgestattet sein, das
in Reaktion auf den Kraftstoffdruck innerhalb der weiteren Kammer
betätigbar
ist, derart, dass auf eine Bewegung des Kolbenelements zum Zwecke
der Verringerung des Volumens der weiteren Kammer das Ventilmittel
veranlasst wird, sich zu öffnen,
um Kraftstoffdruck aus der weiteren Kammer abzulassen. Dies stellt
sicher, dass die Schließbewegung
der Ventilnadel nicht behindert wird und die Einspritzung von Kraftstoff
schnell beendet werden kann.
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Das
Kraftstoff-Einspritzventil kann alternativ vom sich nach außen öffnenden
Typ sein, so dass eine Bewegung der Ventilnadel nach außen innerhalb
der zweiten Bohrung bewirkt, dass eine Einspritzung beginnt.
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Das
Kolbenelement kann mit einer Kolbenbohrung ausgestattet sein, die
mit dem Volumen in Verbindung steht, wobei eine erste mit dem Kolbenelement
verbundene oder ihm zugeordnete Oberfläche dem Kraftstoffdruck innerhalb
der Kolbenbohrung ausgesetzt ist und eine zweite Oberfläche des Kolbenelements
dem Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer ausgesetzt ist.
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In
günstiger
Weise steht die Steuerkammer mit dem Speichervolumen in Verbindung,
so dass während
des Betriebs, und zwar während
Stadien des Einspritzzyklus',
in denen keine Einspritzung stattfindet, der Kraftstoffdruck innerhalb
der Steuerkammer im wesentlichen derselbe wie der Kraftstoffdruck
innerhalb des Speichervolumens ist. Deshalb beeinträchtigt eine
Leckage von Kraftstoff in die Steuerkammer hinein zwischen (mehreren)
Kraftstoff-Einspritzungen den Betrieb des Kraftstoff-Einspritzventils
nicht, wie es der Fall bei üblichen
Kraftstoff-Einspritzventilen vom sich nach außen öffnenden Typ ist, in welchen
die Steuerkammer während
Stadien des Einspritz-Zyklus',
in denen nicht eingespritzt wird, unter verringertem Druck steht.
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Die
Erfindung wird nachstehend beispielhaft unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen beschrieben, worin:
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1 eine
Schnittansicht ist, die ein Kraftstoff-Einspritzventil gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine
vergrößerte Schnittansicht
eines Teils einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist; und
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3 eine
Schnittansicht eines Teils einer weiteren alternativen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist.
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Unter
Hinweis auf 1 umfasst ein Kraftstoff-Einspritzventil
einen Düsenkörper 10,
der mit einer geschlossenendigen Bohrung 11 ausgestattet
ist, in welcher eine Ventilnadel 12 hin- und herbewegt werden
kann. Die Ventilnadel 12 ist so geformt, dass sie an einem
Sitz zur Anlage gelangen kann, der vom geschlossenen Ende der Bohrung 11 gebildet
wird. Die Ventilnadel 12 besitzt eine gestufte Form und
umfasst einen vergrößerten Bereich 12a mit
einem Durchmesser, der im wesentlichen gleich demjenigen des benachbarten
Teils der Bohrung 11 ist, was dazu dient, die Ventilnadel 12 bei
ihrer Gleitbewegung innerhalb der Bohrung 11 zu führen, und
einen Bereich mit geringerem Durchmesser 12b. Ein vergrößerter Bereich
der Bohrung 11 bildet eine ringförmige Kammer 13, die
mit einem in dem Düsenkörper 10 vorhandenen
Versorgungskanal 14 in Verbindung steht, wobei der Versorgungskanal 14 mit
einer Quelle für
unter Druck stehendem Kraftstoff, beispielsweise der gemeinsamen
Druckleitung eines "common-rail"-Kraftstoffsystems,
in Verbindung steht. Während
des Betriebs kann an die ringförmige
Kammer 13 abgegebener Kraftstoff mit Hilfe von auf der Oberfläche der
Ventilnadel 12 vorgesehenen Abflachungen, Schlitzen oder
Vertiefungen 16 zu einer Abgabekammer 15 fließen, die
zwischen dem Bereich 12b der Ventilnadel 12 und
der Bohrung 11 ausgebildet ist. Es sollte klar sein, dass
die Anlage der Ventilnadel 12 an dem von der Bohrung 11 gebildeten
Sitz die Verbindung zwischen der Abgabekammer 15 und einer
oder mehreren (nicht gezeigten) Auslassöffnungen, die sich stromabwärts des
Sitzes befinden, steuert.
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Die
Ventilnadel 12 bildet an dem Übergang zwischen dem vergrößerten Bereich 12a und
dem kleineren Bereich 12b eine gewinkelte Stufe, und diese
Stufe bildet eine Druckfläche,
die dem Kraftstoffdruck innerhalb der Abgabekammer 15 ausgesetzt ist,
derart, dass dann, wenn der Abgabekammer 15 unter hohem
Druck stehender Kraftstoff zugeführt wird,
eine Kraft auf die Druckfläche
ausgeübt
wird, um die Ventilnadel 12 weg von ihrem Sitz zu drücken. Das
obere Ende der Ventilnadel 12 ist dem Kraftstoffdruck innerhalb
einer Steuerkammer 18 ausgesetzt, die teilweise von einer
in dem oberen Ende des Düsenkörpers 10 gebildeten
Vertiefung oder Ausnehmung begrenzt wird, wobei der Kraftstoffdruck
innerhalb der Steuerkammer 18 dazu dient, die Ventilnadel 12 in
Richtung ihres Sitzes zu drücken,
um die Verbindung zwischen der Abgabekammer 15 und den
Auslassöffnungen
zu schließen.
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Der
Düsenkörper 10 stößt an seinem
Ende, das den Auslassöffnungen
abgewandt ist, an ein Abstandsstück 20,
welches einen vorstehenden Bereich 20a mit verringertem
Durchmesser aufweist. Das Abstandsstück 20 ist mit einer
durchgehenden Bohrung 22 versehen, in welcher ein Steuerkolben-Element 24 von
allgemein rohrförmiger
Gestalt verschieblich angeordnet ist, wobei die Bohrung 22 an
ihrem obersten Ende einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser besitzt.
Das Kolbenelement 24 besitzt eine gestufte Gestalt und
umfasst einen vergrößerten oberen
Endbereich 24a, der innerhalb des vergrößerten Bereichs der Bohrung 22 gleiten
kann, und einen Bereich 24b mit geringerem Durchmesser.
Das Kolbenelement 24 ist außerdem mit einer Kolbenbohrung
und einem lastübertragenden
Element 28 versehen, welches eine obere teilkugelförmige Außenfläche und
einen unteren Bereich besitzt, der innerhalb eines vergrößerten Bereichs
der Kolbenbohrung in Eingriff steht. Das lastübertragende Element 28 besitzt
eine Sackbohrung, die zusammen mit einem Bereich der Kolbenbohrung
mit verringertem Durchmesser eine Federkammer 29 bildet,
in der eine Druckfeder 30 untergebracht ist. Die Feder 30 greift an
ihrem untersten Ende an einem Stiftelement 32 an, das mit
dem vergrößerten Bereich 12a der
Ventilnadel 12 zusammenwirkt, während das andere Ende der Feder 30 an
dem Sackende der in dem lastübertragenden
Element 28 vorhandenen Bohrung anliegt, so dass die Feder 30 dazu
dient, die Ventilnadel 12 in Abwärtsrichtung gegen ihren Sitz
zu drücken.
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Die äußere Oberfläche des
Kolbenelements 24 bildet in dem Bereich des Übergangs
zwischen seinen Bereichen 24a, 24b zusammen mit
der Bohrung 22 eine Kammer 34 für Kraftstoff.
Der vorstehende Bereich 20a des Abstandsstücks 20 ist
mit einer verengten Drillbohrung 37 versehen, wobei ein Ende
der Drillbohrung 37 mit der Kammer 34 in Verbindung
steht und das andere Ende mit einem Speichervolumen 36 in
Verbindung steht, welches innerhalb eines Betätigungsorgan-Gehäuses 38 ausgebildet
ist. Das Gehäuse 38 liegt
an seinem untersten Ende an einer Außenfläche des Abstandsstücks 20 an,
wobei der Düsenkörper 10,
das Abstandsstück 20 und
der untere Teil des Gehäuses 38 in
einer Hutmutter 70 aufgenommen und durch diese gesichert
sind. Während
des Betriebs ermöglicht
die Drillbohrung 37, dass Kraftstoff in beschränkter Menge
vom Speichervolumen 36 zu der Kammer 34 fließen kann.
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Die
Kammer 34 ist mit einem ringförmigen Ventilelement 59 versehen,
welches an einem Sitz zur Anlage gelangen kann, der von der oberen
Außenfläche des
vorstehenden Bereichs 20a gebildet wird, um die direkte
Verbindung zwischen der Kammer 34 und dem Speichervolumen 36 zu
steuern. Das ringförmige
Ventilelement 59 ist mit Hilfe einer im Speichervolumen 36 befindlichen
Feder 57 in Richtung seiner geschlossenen Stellung vorgespannt. Während des
Betriebs, wenn der Kraftstoffdruck innerhalb der Kammer 34 den
Kraftstoffdruck innerhalb des Speichervolumens 36 übersteigt,
wird das ringförmige
Ventilelement 59 gegen die Wirkung der Feder 57 weg
von seinem Sitz gedrückt,
so dass es möglich
wird, dass Kraftstoff direkt von der Kammer 34 zu dem Speichervolumen 36 fließt.
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Ein
piezoelektrischer Stapel 40, von dem nur die obersten und
untersten Teile in 1 gezeigt sind, ist innerhalb
eines Hülsenelements 35 aufgenommen,
welches innerhalb des Speichervolumens 36 angeordnet ist.
Das Betätigungsorgan-Gehäuse 38 ist
mit einem Einlassbereich 42 versehen, der so ausgebildet
ist, dass er mit einer Hochdruck-Kraftstoffleitung verbunden werden
kann, um die Verbindung des Kraftstoff-Einspritzventils mit der Quelle für unter
hohem Druck stehenden Kraftstoff zu ermöglichen. Der Einlassbereich 42 beherbergt
ein Spaltfilterelement 44, um während des Betriebs teilchenförmige Begleitstoffe
(Verunreinigungen) aus dem Kraftstoffstrom zum Einspritzventil zu
entfernen, wodurch das Risiko einer Beschädigung der verschiedenen Bestandteile
des Einspritzventils verringert wird. Die Reinseite des durch das
Spaltfilterelement 44 gebildeten Filters steht über eine
im Gehäuse 38 vorhandene
Drillbohrung 46 mit dem Speichervolumen 36 in Verbindung,
wobei die Drillbohrung 46 einen Teil des Versorgungskanals 14 für Kraftstoff
darstellt, der sich vom Einlassbereich 42 bis zum Düsenkörper 10 erstreckt.
Das unterste Ende des piezoelektrischen Stapels 40 ist
mit einem Element 48 verbunden, dessen untere Außenfläche teilweise
teilkugelförmig
ist und an der teilkugelförmigen
oberen Außenfläche des
lastübertragenden
Elements 28 anliegt oder angreift. Die untere Außenfläche des
Endelements 48 ist außerdem
mit einer Vertiefung oder Ausnehmung versehen, die zusammen mit
einem Teil der oberen Außenfläche des
lastübertragenden
Elements 28 ein Volumen 50 umgrenzt. Das Zusammenwirken
zwischen dem Endelement 48 und dem lastübertragenden Element 28 ist
so, dass eine Dichtung zwischen diesen beiden Bestandteilen gebildet
wird, wobei diese Dichtung ausreicht, um den Fluß von Kraftstoff in das Volumen 50 hinein
vom Speichervolumen 36 her zu beschränken.
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Das
obere Ende des piezoelektrischen Stapels 40 ist an einem
ersten Pol- oder Anschlusselement 52 befestigt, wobei ein
zweites, äußeres Pol- oder Anschlusselement 54 einen
(Elektroden-)Fuß des
ersten Pol- oder Anschlusselements 52 umgibt und ein isolierendes
Abstandshalter-Element 56 zwischen dem ersten und dem zweiten
Pol- oder Anschlusselement 52, 54 angeordnet ist.
Es ist günstig, einen
geeigneten Kleber zu benutzen, um das erste und das zweite Pol-
oder Anschlusselement 52, 54 und das isolierende
Abstandshalter-Element 56 aneinander zu befestigen. Das
erste und das zweite Pol- oder Anschlusselement 52, 54 sind
mit einem elektrischen Verbinder oder Stecker 60 verbunden,
der an eine Spannungsquelle (nicht gezeigt) angeschlossen ist, um
es zu ermöglichen,
dass eine geeignete Spannung quer über den piezoelektrischen Stapel 40 angelegt
wird, um dessen energetisches Niveau und damit seine axiale Länge zu verändern. Ein
Dichtungselement 58 liegt rund um einen Teil des zweiten Pol-
oder Anschlusselements 54 an diesem an, wobei ein weiteres
isolierendes Abstandshalter-Element 57a zwischen dem Dichtungselement 58 und
dem zweiten Pol- oder Anschlusselement 54 angeordnet ist.
Das Dichtungselement 58 umfasst eine Außenfläche mit Teilkugelgestalt oder
teilweise sphäroidaler Gestalt,
die vorgesehen ist, um einen Sitz gegen eine entsprechend geformte
Oberfläche
des Speichervolumens 36 einzunehmen, um damit im wesentlichen zu
verhindern, dass Kraftstoff an seinem obersten Ende aus dem Speichervolumen 36 entweichen kann.
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Das
Dichtungselement 58 ist mit einer Drillbohrung 61 ausgestattet,
wobei ein rohrförmiges
Element 63 innerhalb des Speichervolumens 36 angeordnet
ist, derart, dass dessen eines Ende mit der Drillbohrung 61 in
Verbindung steht und dessen anderes Ende mit dem Volumen 50,
das zwischen dem Endelement 48 und dem lastübertragenden
Element 28 ausgebildet ist, in Verbindung steht. Die Drillbohrung 61 steht
mit einer vom Gehäuse 38 umgrenzten ringförmigen Kammer 65 in
Verbindung, wobei die ringförmige
Kammer 65 in Verbindung mit einem Kanal oder einer anderen
Kammer steht, die ihrerseits mit einem Niederdruck-Abfluss verbunden
ist. Das rohrförmige
Element 63 bildet deshalb einen Durchflusskanal für Kraftstoff,
der es ermöglicht,
dass während
des Betriebs das Volumen 50 zu niedrigem Druck hin entlastet
wird. Um zu verhindern, dass möglicherweise
Kraftstoff im Speichervolumen 36 den elektrischen Verbinder
oder Stecker 60 verschmutzt, ist ein ringförmiges Dichtungselement 62 zwischen
dem isolierenden Abstandshalter 57a und der Entlastungskammer 65 vorgesehen.
Zusätzlich kann
beim Zusammenbau das Hülsenelement 35,
in welchem der piezoelektrische Stapel angeordnet werden soll, auf
eine solche Weise geformt werden, dass ein Lippenteil oder Ansatz 35a davon eingeschlossen
oder eingezwängt
wird, derart, dass die Dichtung zwischen dem Speichervolumen 36 und dem
elektrischen Verbinder oder Stecker 60 verbessert wird.
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Während des
Betriebs, wenn das Einspritzventil mit Kraftstoff aus der Quelle
für unter
Druck stehenden Kraftstoff versorgt wird und wenn der piezoelektrische
Stapel 40 ein energetisches Niveau aufweist, bei dem die
axiale Länge
des Stapels relativ groß ist,
nimmt das Kolbenelement 24 eine Stellung ein, in welcher
in der Steuerkammer 18 befindlicher Kraftstoff in ausreichendem
Maße unter
Druck gesetzt ist, dass sichergestellt ist, dass die Kraft, die durch
unter Druck befindlichen Kraftstoff innerhalb der Steuerkammer 18 auf
die Ventilnadel 12 aufgebracht ist, zusammen mit der Wirkung
der Feder 30 ausreicht, um die Ventilnadel 12 in
Anlage mit ihrem Sitz zu halten. Unter diesen Umständen ist
der unter Druck stehende Kraftstoff innerhalb der Abgabekammer 15,
der auf die Druckfläche
der Ventilnadel 12 wirkt, nicht ausreichend, um die auf
der Ventilnadel 12 ruhende, nach unten gerichtete Kraft
zu überkompensieren,
so dass es keine Verbindung zwischen der Abgabekammer 15 und
den im Düsenkörper 10 vorhandenen
Auslassöffnungen
gibt. Während
dieses Betriebsstadiums wird bzw. ist das Speichervolumen 36 ebenfalls
mit unter hohem Druck stehendem Kraftstoff gefüllt, so dass Kraftstoff in
der Lage ist, über
die Drillbohrung 37 in die Kammer 34 zu fließen, die
zwischen dem vorstehenden Bereich 20a des Abstandsstücks und
dem vergrößerten Bereich 24a des Kolbenelements 24 ausgebildet
ist.
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Um
mit der Einspritzung zu beginnen, wird der piezoelektrische Stapel 40 mit
Energie beaufschlagt, so dass er ein zweites energetisches Niveau erreicht,
was bewirkt, dass sich die axiale Länge des piezoelektrischen Stapels 40 verringert.
Da das oberste Ende des piezoelektrischen Stapels 40 relativ
zu dem Gehäuse 38 in
fixierter Stellung gehalten wird, führt die Veränderung des energetischen Niveaus
des Stapels 40 mit der Folge einer Verringerung von dessen
Länge dazu,
dass sich das untere Ende des Stapels 40 nach oben bewegt.
Die Bewegung des unteren Endes des Stapels 40 wird auf
das Endelement 48 übertragen.
Weil Kraftstoff innerhalb des Volumens 50 durch das rohrförmige Element 63 zu
dem Niederdruck-Abfluss entweichen kann, bewirkt die Drucklast,
die in Folge des Kraftstoffdrucks innerhalb des Speichervolumens 36 auf
das Endelement 48 und das lastübertragende Element 28 aufgebracht
ist, dass diese Komponenten gegeneinander gedrückt werden. Demzufolge ist
immer dann, wenn das Endelement 48 eine zurückziehende
Kraft auf das lastübertragende
Element 28 ausübt,
das Risiko verringert, dass sich die Bestandteile voneinander trennen.
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Weil
das Kolbenelement 24 am lastübertragenden Element 28 befestigt
ist, bewirkt die Veränderung
des energetischen Niveaus des Stapels 40 und die sich daran
anschließende
Aufwärtsbewegung des
lastübertragenden
Elements 28, dass sich das Kolbenelement 24 in
Aufwärtsrichtung
bewegt. Während
sich die Aufwärtsbewegung
des Kolbenelements 24 fortsetzt, nimmt die Wirkung des
unter Druck stehenden Kraftstoffs innerhalb der Steuerkammer 18 daher
bis zu einem Punkt ab, jenseits dessen die Ventilnadel 12 nicht
länger
in Anlage mit ihrem Sitz gehalten wird, sondern aufgrund der vom Kraftstoffdruck
innerhalb der Abgabekammer 15 auf die Druckfläche der
Ventilnadel 12 ausgeübten
Kraft davon abgehoben wird. Unter diesen Umständen, wenn die Ventilnadel 12 weg
von ihrem Sitz gehoben ist, kann Kraftstoff aus der Abgabekammer 15 durch die
Auslassöffnungen
fließen,
und die Einspritzung von Kraftstoff beginnt.
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Wenn
die Einspritzung beendet werden soll, wird der piezoelektrische
Stapel 40 auf sein ursprüngliches energetisches Niveau
zurückgeführt, was
bewirkt, dass sich das Endelement 48 und das lastübertragende
Element 28 in Abwärtsrichtung
bewegen, wodurch das Kolbenelement 24 in die in 1 gezeigte
Stellung zurückgeführt wird.
Dies hat zur Folge, dass der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 18 ansteigt,
wodurch die absolute Größe der Kraft
anwächst,
die auf die Ventilnadel 12 einwirkt. Ein Punkt wird erreicht,
jenseits dessen der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 18 zusammen
mit der von der Feder 30 ausgehenden Kraft in der Lage
ist, die Ventilnadel 12 zurück in Anlage mit ihrem Sitz
zu führen,
an welchem Punkt die Einspritzung von Kraftstoff endet.
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Folgend
auf eine Verringerung der axialen Länge des piezoelektrischen Stapels 40 mit
der Folge der Aufwärtsbewegung
des Kolbenelements 24 und einer Verringerung des Kraftstoffdrucks
innerhalb der Kammer 18 wird Kraftstoff vom Speichervolumen 36 durch
die Drillbohrung 37 in die Kammer 34 gesaugt.
Dies bewirkt, dass die Bewegung des Kolbenelements 24 gedämpft wird,
mit der Folge, dass auch die Öffnungsbewegung
der Ventilnadel 12 gedämpft
wird. Es ist möglich,
die Öffnungsbewegung der
Ventilnadel 12 zu dämpfen,
weil das Volumen 50 einen Entlastungskanal besitzt ("entlüftet wird"), und dies ermöglicht es,
dass über
einen längeren
Zeitraum hinweg eine größere zurückziehende
Kraft auf das Kolbenelement 24 aufgebracht wird, ohne dass das
Risiko besteht, dass sich das Endelement 48 und das lastübertragende
Element 28 voneinander trennen. Auf eine nach unten gerichtete
Bewegung des Kolbenelements 24 hin, mit der der Kraftstoffdruck
innerhalb der Steuerkammer 18 erhöht wird, steigt der Kraftstoffdruck
innerhalb der Kammer 34 an, was bewirkt, dass sich das
ringförmige
Ventilelement 59 gegen die Wirkung der Feder 57 weg
von seinem Sitz abhebt. Unter solchen Umständen wird der Kraftstoffdruck
innerhalb der Kammer 34 entlastet, so dass die Schließbewegung
der Ventilnadel 12 nicht gedämpft wird. Dies stellt sicher,
dass die Einspritzung von Kraftstoff schnell beendet werden kann.
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Die
Wirksamkeit der Dämpfungsbewegung des
Kolbens 24 wird auch dadurch verbessert, dass die Feder 30 innerhalb
der im Kolbenelement 24 und im lastübertragenden Element 28 ausgebildeten
Federkammer 29 angeordnet ist. Normalerweise befindet sich
die Feder 30 innerhalb der Steuerkammer 18. Durch
ein Verschieben des Ortes, an dem sich das Federelement 30 befindet,
kann das Volumen der Steuerkammer 18 daher verringert werden.
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Unter
Bezugnahme auf 2 sei angemerkt, dass in einer
alternativen Ausführungsform der
Erfindung das Dichtungselement 58 aus einem elektrisch
nicht-leitenden Material, beispielsweise einem keramischen Material,
gebildet ist, so dass weniger isolierende Abstandshalter-Elemente
benötigt werden.
Wie in der in 1 gezeigten Ausführungsform
ist ein ringförmiges
Dichtungselement 62 in der Kammer 65 angeordnet,
um sicherzustellen, dass Kraftstoff innerhalb der Kammer 65 nicht
den elektrischen Verbinder 60 kontaminieren kann.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform
der Erfindung (,die nicht gezeigt ist) kann das rohrförmige Element 63 durch
eine Bohrung hindurchreichen, die durch den piezoelektrischen Stapel 40 hindurch
vorhanden ist. Solche piezoelektrischen Stapel sind jedoch teuer
in der Herstellung. In jedem beliebigen der vorliegend beschriebenen
Ausführungsformen
kann das rohrförmige
Element 63 in günstiger
Weise die Gestalt eines für
subkutane Injektionen vorgesehenen Nadelgehäuses annehmen. Ein solches
Gehäuse
ist insbesondere geeignet, weil es einen relativ geringen Durchmesser
besitzt, den relativ großen
Kräften,
die von dem innerhalb des Speichervolumens 36 herrschenden
Kraftstoffdruck aufgebracht werden, widerstehen kann, und eine gute Korrosionsbeständigkeit
besitzt. Da während des
Betriebs nur eine relativ kleine Menge an Kraftstoff durch das rohrförmige Element 63 fließt, kann die
Bohrung des rohrförmigen
Elements teilweise mit einem Draht oder einer anderen Verstärkung gefüllt sein,
um das Risiko zu verringern, dass das rohrförmige Element durch unter hohem
Druck stehenden Kraftstoff innerhalb des Speichervolumens 36 zusammengedrückt wird.
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Nun
sei auf 3 verwiesen. Dort ist ein Kraftstoff-Einspritzventil
vom sich nach außen öffnenden
Typ gezeigt, in welchem Teile, die den in den 1 und 2 gezeigten
vergleichbar sind, mit denselben Bezugsziffern versehen sind. Das
Kraftstoff-Einspritzventil
besitzt eine Ventilnadel, von der nur ein vergrößerter Endbereich 12c in 3 sichtbar
ist. Der vergrößerte Endbereich 12c der
Ventilnadel kann an einem Sitz 72 zur Anlage gelangen,
um die Abgabe von Kraftstoff durch Auslassöffnungen 74 zu steuern,
die in einem innerhalb der Bohrung 11 aufgenommenen Hülsenelement 94 vorhanden
sind. Die Ventilnadel erstreckt sich durch das Hülsenelement 94, wobei
das Hülsenelement 94 einen
vergrößerten Bereich 94b und
einen Bereich 94a mit geringerem Durchmesser besitzt. Der
Bereich 94a hat einen Durchmesser, der im wesentlichen
der selbe wie der Durchmesser des benachbarten Teils der Bohrung 11 ist,
was dazu dient, die Gleitbewegung der Ventilnadel innerhalb der
Bohrung 11 zu führen.
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Das
Hülsenelement 94 wird
durch eine Druckfeder 78 und durch Kraftstoffdruck in Richtung einer
Stellung vorgespannt, in welcher ein Teil der unteren Außenfläche des
Hülsenelements 94 an
dem vergrößerten Endbereich 12c der
Ventilnadel angreift, um eine Dichtung an dem Sitz 72 zu
bilden, wobei die Druckfeder 78 in einer Federkammer 79 untergebracht
ist. Das andere Ende der Feder 78 befindet sich in Anlage
an einem ringförmigen
Anlageelement 80, wobei das Anlageelement 80 an
seinem der Feder 78 abgewandten Ende an einer zweiten Druckfeder 84 angreift.
Die zweite Druckfeder 84 liegt an ihrem dem Anlageelement 80 abgewandten
Ende an einem unteren Bereich 92a eines Kolbenelements 92 an,
wobei das Kolbenelement 92 einen oberen Bereich 92b mit
verringertem Durchmesser aufweist, der sich durch das oberste offene
Ende der Bohrung 11 in die im Kolbenelement 24 ausgebildete
Bohrung 86 erstreckt. Der Bereich 92b des Kolbenelements besitzt
einen Durchmesser, der im Wesentlichen identisch oder geringfügig größer als
der Durchmesser des Bereichs 94a ist. Die Druckfeder 84 ist
vorgespannt, so dass sie den vergrößerten Bereich 12c der
Ventilnadel gegen ihren Sitz 72 drückt, um zu verhindern, dass
Kraftstoff durch die Auslassöffnungen 74 abgegeben
wird. Die äußere Oberfläche der
Ventilnadel und die innere Oberfläche des Hülsenelements 94 bilden
bzw. begrenzen zusammen einen Durchflusskanal für Kraftstoff, der mit den Auslassöffnungen 74 in
Verbindung steht, was es ermöglicht, dass
Kraftstoff von der Kammer 79 während des Betriebs zu den Auslassöffnungen 74 fließen kann.
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Die
in dem Düsenkörper 10 vorhandene Bohrung 11,
das Kolbenelement 92, die Bohrung 22 und das Kolbenelement 24 bilden
zusammen die Steuerkammer 18 für Kraftstoff. Die Steuerkammer 18 steht über Leckage
mit dem Speichervolumen 36 in Verbindung, derart, dass
während
des Betriebs, wenn die Ventilnadel 12 die in 3 gezeigte
Stellung einnimmt, der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 18 im
wesentlichen der selbe Druck wie der Kraftstoffdruck innerhalb des
Speichervolumens 36 ist.
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Das
Kolbenelement 24 ist mit einer Sackbohrung 86 ausgestattet,
die sich im wesentlichen ko-axial zu der Bohrung 11 im
Düsenkörper 10 befindet, wobei
das geschlossene Ende der Bohrung 86 mit einer verengten
Drillbohrung 87 in Verbindung steht, die im Kolbenelement 24 ausgebildet
ist. Die Drillbohrung 87 steht mit dem Volumen 50 in
Verbindung, das zwischen dem Endelement 48 und dem Kolbenelement 24 ausgebildet
ist, so dass während
des Betriebs, in der in 3 gezeigten Stellung, der Kraftstoffdruck
innerhalb der Bohrung 86 im wesentlichen auf demselben
Niveau gehalten wird wie der Kraftstoffdruck innerhalb des Volumens 50.
Ein ringförmiges
Dichtungselement 88 befindet sich innerhalb der Steuerkammer 18,
wobei die Dichtung 88 dazu dient, die Steuerkammer 18 gegenüber der
Bohrung 86 abzudichten, um es im wesentlichen zu verhindern, dass
innerhalb der Steuerkammer 18 befindlicher, unter hohem
Druck stehender Kraftstoff in die Bohrung 86 fließt. Die
Dichtung 88 gleicht außerdem möglicherweise
vorhandene Exzentrizitäten
(Ungenauigkeiten) zwischen der im Kolbenelement 24 vorhandenen
Bohrung 86 und der Bohrung 11 in dem Düsenkörper 10 aus.
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Während des
Betriebs wird Kraftstoff durch den Versorgungskanal 14 zu
der ringförmigen
Kammer 13 und durch den zwischen der Ventilnadel und dem
Hülsenelement 94 ausgebildeten
Durchflusskanal in Richtung der Auslassöffnungen 74 geführt. Da das
Volumen 50 über
das rohrförmige
Element 63 mit dem Niederdruck-Abfluss in Verbindung steht, wird nur
eine relativ geringe Kraft auf den Bereich 92b des Kolbenelements 92 ausgeübt. Die
Steuerkammer 18 wird durch Leckage mit unter hohem Druck
stehendem Kraftstoff gefüllt.
Weil der Durchmesser des Bereichs 92b des Kolbenelements 92 im
wesentlichen der selbe oder geringfügig größer als der Durchmesser des
Bereichs 94a des Hülsenelements 94 ist,
befindet sich unter solchen Umständen
die Ventilnadel unter im wesentlichen ausgeglichenem Druck, wobei die
von der Feder 84 ausgehende Kraft dazu dient, die Ventilnadel
gegen den Sitz 72 zu drücken,
derart, dass keine Einspritzung von Kraftstoff stattfindet.
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Wenn
eine Kraftstoffeinspritzung beginnen soll, wird der piezoelektrische
Stapel 40 auf ein Niveau mit Energie beaufschlagt, das
bewirkt, dass sich seine axiale Länge vergrößert. Das Endelement 48 wird
deshalb veranlasst, sich in Abwärtsrichtung zu
bewegen, wobei es diese Bewegung auf das Kolbenelement 24 überträgt. Der
Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 18 steigt deshalb
an, so dass die auf das Kolbenelement 92 aufgebrachte,
nach unten gerichtete Kraft ansteigt. Es sollte klar sein, dass
in der Steuerkammer 18 befindlicher Kraftstoff während der
Einwärtsbewegung
des Kolbenelements 24 innerhalb der Bohrung 22 nicht
zu niederem Druck entweichen kann, weil durch das Dichtungselement 88 eine
im wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen der Steuerkammer 18 und
der Bohrung 86 ausgebildet ist. Die erhöhte Kraft, die auf das Kolbenelement 92 einwirkt,
wird auf die Ventilnadel übertragen,
und es wird ein Punkt erreicht, an welchem sich der Endbereich 12c der
Ventilnadel gegen die Federkraft weg von dem Sitz 72 bewegt,
um die Auslassöffnungen 74 freizulegen.
Deshalb findet eine Einspritzung von Kraftstoff statt.
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Die
Bewegung der Ventilnadel nach außen kann Druckwellen in dem
rohrförmigen
Element 63 verursachen, aber solche möglicherweise auftretenden Druckwellen
werden mit Hilfe der im Kolbenelement 24 vorhandenen Drillbohrung 87 gedämpft, die dazu
dient, die Menge zu beschränken,
mit der in der Bohrung 86 befindlicher Kraftstoff in das
Volumen 50 und das rohrförmige Element 63 fließen kann.
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Um
die Einspritzung von Kraftstoff zu beenden, wird Energie vom piezoelektrischen
Stapel 40 genommen, bis dieser wieder sein ursprüngliches energetisches
Niveau erreicht hat, was bewirkt, dass sich die axiale Länge des
piezoelektrischen Stapels 40 verringert. Die zwischen dem
Endelement 48 des piezoelektrischen Stapels 40 und
dem Kolbenelement 24 ausgebildete Dichtung bewirkt, dass
das Endelement 48 das Kolbenelement 24 in Aufwärtsrichtung
zieht. Weil das Volumen 50 über das rohrförmige Element 63 mit
der Niederdruck-Kammer 65 in Verbindung steht, werden das
Endelement 48 und das Kolbenelement 24 fest gegeneinander
gedrückt, und
zwar aufgrund der Druckkraft, die infolge des unter hohem Druck
stehenden Kraftstoffs innerhalb des Speichervolumens 36 auf
diese Komponenten einwirkt. Die durch das Endelement 48 auf
das Kolbenelement 24 aufgebrachte Rückstellkraft bewirkt, dass sich
das Kolbenelement 24 innerhalb der Bohrung 22 aufwärts bewegt,
und damit wird das Volumen der Steuerkammer 18 vergrößert. Der
Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 18 wird deshalb
verringert, und es wird ein Punkt erreicht, an welchem die Kraft
ausreichend stark verringert ist, dass die Ventilnadel dazu veranlasst
wird, in Anlage gegen ihren Sitz 72 zurückzukehren. Wenn sich die Ventilnadel
in Anlage an ihrem Sitz 72 befindet, sind die Auslassöffnungen 74 verschlossen,
und die Kraftstoff-Einspritzung hört auf. Weil das Risiko einer
Trennung des Endelements 48 und des Kolbenelements 24 geringer
ist, wenn das Kolbenelement 24 vom Endelement 48 nach
oben gezogen wird, ist das Risiko einer Leckage aus dem Einspritzventil
zum Zeitpunkt der Beendigung der Einspritzung verringert.
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Es
sollte klar sein, dass zum Zwecke der Einspritzung von Kraftstoff
der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 18 auf eine
Betrag angehoben werden muß,
der größer als
der Kraftstoffdruck innerhalb des Speichervolumens 36 ist,
während
der Kraftstoffdruck innerhalb der Steuerkammer 18 im wesentlichen
auf dem selben Druck wie der Kraftstoffdruck innerhalb des Speichervolumens 36 zwischen
den Einspritzungen von Kraftstoff gehalten wird. In üblichen
Kraftstoff-Einspritzventilen vom sich nach außen öffnenden Typ befindet sich
die Steuerkammer zwischen den Einspritzungen von Kraftstoff unter
einem relativ geringen Kraftstoffdruck, so dass für den Fall,
dass Kraftstoff in die Steuerkammer eindringt und einen Druckanstieg
darin verursacht, die Ventilnadel für einen längeren Zeitraum als erwünscht weg
von dem Sitz gehalten werden kann, was den Betrieb des Kraftstoff-Einspritzventils
nachteilig beeinflusst. Dieses Problem wird von dem Kraftstoff-Einspritzventil
der 3 vermieden.
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Das
Aufrechterhalten eines hohen Drucks des in der Steuerkammer 18 befindlichen
Kraftstoffs zwischen den Einspritzungen hat den weiteren Vorteil,
dass das Volumenelastizitätsmodul
des Kraftstoffs größer ist
und das Risiko eines Hohlsogs oder einer Hohlraumbildung beseitigt
ist, was die Steuerung der Ventilnadelbewegung verbessert.
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Es
sollte klar sein, dass die vorliegend beschriebenen Kraftstoff-Einspritzventile
mit einer anderen Anzahl von Auslassöffnungen versehen sein können als
den beschriebenen. Insbesondere können die Kraftstoff-Einspritzventile
vom Typ mit zweistufiger Anhebung sein, wobei die Einspritz-Charakteristik
des Kraftstoffs während
des Betriebs in Abhängigkeit
vom Ausmaß der
Bewegung der Ventilnadel weg von ihrem Sitz variiert werden kann.