EP1927748A2 - Kraftstoffinjektor - Google Patents
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- F02M63/0015—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid
- F02M63/0026—Valves characterised by the valve actuating means electrical, e.g. using solenoid using piezoelectric or magnetostrictive actuators
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- F02M47/00—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure
- F02M47/02—Fuel-injection apparatus operated cyclically with fuel-injection valves actuated by fluid pressure of accumulator-injector type, i.e. having fuel pressure of accumulator tending to open, and fuel pressure in other chamber tending to close, injection valves and having means for periodically releasing that closing pressure
- F02M47/027—Electrically actuated valves draining the chamber to release the closing pressure
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- F02M63/0031—Valves characterized by the type of valves, e.g. special valve member details, valve seat details, valve housing details
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- F02M63/0078—Valve member details, e.g. special shape, hollow or fuel passages in the valve member
- F02M63/008—Hollow valve members, e.g. members internally guided
Definitions
- the invention relates to a fuel injector according to the preamble of patent claim 1.
- the in Fig. 1 shown fuel injector 1 is commonly used in an internal combustion engine having a plurality of cylinders, wherein each of these cylinders associated with such an injector (fuel injection valve).
- the injector has a known manner in a cylinder combustion chamber of the internal combustion engine projecting, not shown here injector and the injector depending on the pressure in a control chamber 2 opening and closing, here indicated only to a small extent nozzle needle 3.
- the control chamber 2 can optionally be connected via an inlet throttle (Z throttle) 4 permanently to a high-pressure inlet line (high pressure side) 5 of the fuel.
- a control valve 6 in the form of a 2/2-way valve is provided, which opens or blocks the connection of the control chamber 2 with a low-pressure chamber (low-pressure side) 7.
- the high-pressure feed line 5 is connected to a high-pressure accumulator (common rail), not shown, and the low-pressure chamber 7 with a leak oil drain.
- the nozzle needle 3 is guided to form the control chamber 2 in a valve piece 8 , in which the Z-throttle 4 is provided.
- the control valve 6 has a guide piece 9 with a through-hole 9a and a control sleeve 10 displaceably guided therein between two valve positions.
- the valve and guide pieces 8, 9 are clamped in a bore of an injector body 11 by means of a valve clamping screw 12 .
- In the valve and guide pieces 8, 9 extending from the control chamber 2 connecting channel 13 which opens via an annular pressure chamber 14 in the through hole 9a of the guide piece 9 and an outlet throttle (A-throttle) 15 has.
- A-throttle outlet throttle
- an upper conical valve seat 16 connects at the top of the pressure chamber 14.
- the control sleeve 10 has at its upper end a conical sealing surface which cooperates with the upper valve seat 16.
- the lower sleeve end of the control sleeve 10 is guided on the free upper end of a valve pin 17 of the valve member 8 and has a conical sealing surface, which cooperates with a lower flat valve seat 18 on the valve pin 17 and the valve piece 8.
- a high-pressure side inner valve chamber (annular groove) 19 of the valve pin 17 connects at the top, which is connected via a transverse and longitudinal channel 20 of the valve pin 17 to the high-pressure inlet line 5.
- the lower valve seat 18 is surrounded by a low-pressure side annular outer valve chamber 21 which is connected via a channel 22 in the guide piece 9 with the connecting channel 13.
- the control sleeve 10 is supported by a valve pin 17 supported on the inner closing spring 23 in their in Fig.
- the control valve 6 is a double seat valve.
- the closing spring 23 is disposed within the control sleeve 10 in a spring chamber 26 which is connected via a connecting channel 27 to the low-pressure chamber 7.
- the piezoelectric actuator 24 may be hydraulically translated or have a temperature compensation via its housing.
- valve position In her in Fig.1 shown upper (closed) valve position, the control sleeve 10 is located at the top of the conical valve seat 16 sealingly and is at the bottom of the flat valve seat 18 lifted.
- this upper valve position on the one hand the connection of the control chamber 2 to the low pressure chamber 7 is closed by the closed pressure chamber 14 and on the other hand, the valve chamber 21 - and thus the control chamber 2 - connected via the channel 20 with the high pressure supply line 5, so that the nozzle needle. 3 is closed by the pressure prevailing in the control chamber 2 high pressure.
- the piezoelectric actuator 24 If the piezoelectric actuator 24 is energized, it presses the control sleeve 10 down into its lower valve position, in which the control sleeve 10 is lifted off the top of the conical valve seat 16 and sealingly abuts the flat valve seat 18 below.
- the control chamber 2 In this lower (open) valve position on the one hand, the control chamber 2 is connected to the low pressure chamber 7 through the now open pressure chamber 14 and on the other hand, the connection of the valve chamber 21 - and thus the control chamber 2 - locked to the high-pressure inlet line 5, so that the pressure reduced in the control room 2 and the nozzle needle 3 opens. If the energization is canceled, the control sleeve 10 is pushed back over the closing spring 23 in the upper valve position. When the lower valve seat 18 is open, the control chamber 2 is filled via the inlet and connecting lines 13, 20, 22 and the optional Z-throttle 4 and the nozzle needle 3 is closed by the high pressure prevailing in the control chamber 2 again.
- the upper valve seat 16 are formed as a flat seat on a valve plate 30 and the connecting channel 13 as a longitudinal bore in the valve pin 17 and that the pressure chamber 14 is provided within the control sleeve 10.
- the connecting channel 13 is connected via the flat lower valve seat 18 and via the longitudinal channel 20 with the interposition of a throttle 31 (for tolerance narrowing) and to the high-pressure inlet line 5. More specifically, the longitudinal channel 20 opens into the outer valve space (annular groove) 19, which is separated by the lower valve seat 18 from the inner valve space (annular space) 21, which is connected to the connecting channel 13.
- the piezoelectric actuator 24 is biased by a tubular spring 32 and acts on the control sleeve 10 via bolts 33 which pass through the valve plate 30.
- the closing spring 23 is arranged in the low-pressure space 7 surrounding the control sleeve 10.
- the actuator housing 34 is made of a material that has the same or a very similar coefficient of thermal expansion as the piezoelectric actuator 24.
- the piezoelectric actuator 24 is decoupled via a diaphragm 35 from the low-pressure chamber 7, ie from the fuel. Furthermore, there is shown a drain 7a departing from the low-pressure space 7.
- Fig. 2 is different in the Fig. 3 shown fuel injector 1 in that here the control sleeve 10 is not formed on a valve pin and the connecting channel 13 both in the valve piece 8 and in the control sleeve (longitudinal and transverse channel 40 ) and the upper valve seat 16 as in Fig. 1 at the Guide piece 9 is provided.
- the closing spring 23 is arranged in the inner valve chamber 21.
- control chamber 2 In the lower (open) valve position on the one hand, the control chamber 2 is connected to the low pressure chamber 7 through the now open pressure chamber 14 and on the other hand, the compound of Valve chamber 21 - and thus also of the control chamber 2 - locked to the high pressure supply line 5, so that the pressure in the control chamber 2 is reduced and the nozzle needle 3 opens. If no Z-throttle 4 is used, the control sleeve 10 can allow extremely fast speeds of the nozzle needle 2.
- the double seat valve 6 with almost balanced force control sleeve 10 thus allows an extremely fast opening and closing of the nozzle needle.
- Fig. 4 shows the force F acting on the control sleeve 10 when opening and closing as a function of the stroke h of the control sleeve 10.
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Abstract
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Kraftstoffinjektor nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
- Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit seiner kraftausgeglichenen Steuerhülse hat je nach Bauart einen oder mehrere der folgenden Vorteile:
- Schnelles Servoventil für einen Piezoinjektor, der energieoptimiert funktioniert;
- CR-Injektor mit Piezo- und kraftausgeglichenem 3/2 Ventil;
- Kraftausgeglichene Schaltventile als 3/2 Ventile ermöglichen es, hohe Dynamik zu erzeugen bei relativ kleinen Kräften. Dadurch kann der Aktorquerschnitt reduziert und das Spannungsniveau abgesenkt werden;
- sowohl als Inline als auch als Kopfvariante einsetzbar;
- Wenn keine Z-Drossel verwendet wird, kann das Steuerventil extrem schnelle Geschwindigkeiten der Düsennadel zulassen;
- Ein Steuerventil mit fast kraftausgeglichenem 3/2 Ventil ermöglicht extrem schnelles Öffnen und Schließen der Düsennadel;
- Ein als Flachsitzventil ausgeführtes Steuerventil ermöglicht eine sehr kompakte Lösung mit einer sehr steilen Durchflusskennlinie.
- Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
- Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren sind teilweise abgebrochen, schematisch und nicht maßstäblich. Es zeigen:
- Fign. 1 bis 3
- drei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors;
- Fig. 4
- die beim Öffnen und Schließen auf die Steuerhülse wirkenden Kräfte in Abhängigkeit vom Hub der Steuerhülse bei dem in
Fig. 3 gezeigten Kraftstoffinjektor. - Der in
Fig. 1 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 wird üblicherweise bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren Zylindern verwendet, wobei jedem dieser Zylinder ein solcher Injektor (Kraftstoffeinspritzventil) zugeordnet ist. Der Injektor weist in an sich bekannter Weise eine in einen Zylinderbrennraum der Brennkraftmaschine ragende, hier nicht näher dargestellte Einspritzdüse sowie eine die Einspritzdüse abhängig vom Druck in einem Steuerraum 2 öffnende und schließende, hier nur zu einem kleinen Teil angedeutete Düsennadel 3 auf. Der Steuerraum 2 kann optional über eine Zulaufdrossel (Z-Drossel) 4 dauerhaft an eine Hochdruck-Zulaufleitung (Hochdruckseite) 5 des Kraftstoffs angeschlossen sein. Zum Steuern des Einspritzvorgangs ist ein Steuerventil 6 in Form eines 2/2-Wegeventils vorgesehen, das die Verbindung des Steuerraums 2 mit einem Niederdruckraum (Niederdruckseite) 7 öffnet oder sperrt. Die Hochdruck-Zulaufleitung 5 ist mit einem nicht gezeigten Hochdruckspeicher (Common Rail) und der Niederdruckraum 7 mit einem Leckölablauf verbunden. Die Düsennadel 3 ist unter Ausbildung des Steuerraums 2 in einem Ventilstück 8 geführt, in dem auch die Z-Drossel 4 vorgesehen ist. - Das Steuerventil 6 weist ein Führungsstück 9 mit einer Durchgangsbohrung 9a und eine darin zwischen zwei Ventilstellungen verschiebbar geführte Steuerhülse 10 auf. Die Ventil- und Führungsstücke 8, 9 sind in einer Bohrung eines Injektorkörpers 11 mittels einer Ventilspannschraube 12 festgespannt. In den Ventil- und Führungsstücken 8, 9 verläuft ein vom Steuerraum 2 abgehender Verbindungskanal 13, der über einen ringförmigen Druckraum 14 in die Durchgangsbohrung 9a des Führungsstücks 9 mündet und eine Ablaufdrossel (A-Drossel) 15 aufweist. In der Bohrung 9a des Führungsstücks 9 schließt sich oben an den Druckraum 14 ein oberer konischer Ventilsitz 16 an. Die Steuerhülse 10 hat an ihrem oberen Ende eine konische Dichtfläche, die mit dem oberen Ventilsitz 16 zusammenwirkt. Das untere Hülsenende der Steuerhülse 10 ist auf dem freien oberen Ende eines Ventilbolzens 17 des Ventilstücks 8 geführt und hat eine konische Dichtfläche, die mit einem unteren flachen Ventilsitz 18 am Ventilbolzen 17 bzw. am Ventilstück 8 zusammenwirkt. An den unteren Ventilsitz 18 schließt sich oben ein hochdruckseitiger inneren Ventilraum (Ringnut) 19 des Ventilbolzens 17 an, der über ein Quer- und Längskanal 20 des Ventilbolzens 17 an die Hochdruck-Zulaufleitung 5 angeschlossen ist. Der untere Ventilsitz 18 ist von einem niederdruckseitigen ringförmigen äußeren Ventilraum 21 umgeben, der über einen Kanal 22 im Führungsstück 9 mit dem Verbindungskanal 13 verbunden ist. Die Steuerhülse 10 ist durch eine am Ventilbolzen 17 abgestützte innere Schließfeder 23 in ihre in
Fig. 1 gezeigte obere Ventilstellung vorgespannt und mittels eines Piezoaktors 24, der auf einen stangenförmigen Fortsatz 25 der Steuerhülse 10 wirkt, in ihre nicht gezeigte untere Ventilstellung verschiebbar. Mit anderen Worten ist das Steuerventil 6 ein Doppelsitzventil. Die Schließfeder 23 ist innerhalb der Steuerhülse 10 in einem Federraum 26 angeordnet, der über einen Verbindungskanal 27 an den Niederdruckraum 7 angeschlossen ist. Der Piezoaktor 24 kann hydraulisch übersetzt sein oder über sein Gehäuse einen Temperaturausgleich haben. - In ihrer in
Fig.1 gezeigten oberen (geschlossenen) Ventilstellung liegt die Steuerhülse 10 oben am konischen Ventilsitz 16 dichtend an und ist unten vom flachen Ventilsitz 18 abgehoben. In dieser oberen Ventilstellung ist einerseits die Verbindung des Steuerraums 2 zum Niederdruckraum 7 durch den geschlossenen Druckraum 14 gesperrt und andererseits der Ventilraum 21 - und damit auch der Steuerraum 2 - über den Kanal 20 mit der Hochdruck-Zulaufleitung 5 verbunden, so dass die Düsennadel 3 durch den im Steuerraum 2 herrschenden Hochdruck geschlossen ist. Wird der Piezoaktor 24 bestromt, drückt er die Steuerhülse 10 nach unten in ihre untere Ventilstellung, in der die Steuerhülse 10 oben vom konischen Ventilsitz 16 abgehoben ist und unten am flachen Ventilsitz 18 dichtend anliegt. In dieser unteren (geöffneten) Ventilstellung ist einerseits der Steuerraum 2 mit dem Niederdruckraum 7 durch den nun geöffneten Druckraum 14 verbunden und andererseits die Verbindung des Ventilraums 21 - und damit auch des Steuerraums 2 - zur Hochdruck-Zulaufleitung 5 gesperrt, so dass sich der Druck im Steuerraum 2 reduziert und die Düsennadel 3 öffnet. Wird die Bestromung aufgehoben, wird die Steuerhülse 10 über die Schließfeder 23 zurück in die obere Ventilstellung geschoben. Bei geöffnetem unterem Ventilsitz 18 wird der Steuerraum 2 über die Zulauf- und Verbindungsleitungen 13, 20, 22 und die optionale Z-Drossel 4 befüllt und die Düsennadel 3 durch den im Steuerraum 2 wieder herrschenden Hochdruck geschlossen. - Bei den nachfolgend beschriebenen weiteren Ausführungsformen von Kraftstoffinjektoren sind all diejenigen Elemente, die mit der in
Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform identisch sind, mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass hinsichtlich deren Beschreibung vollinhaltlich auf die Ausführungen zur ersten Ausführungsform Bezug genommen wird. - Vom Injektor der
Fig. 1 unterscheidet sich der inFig. 2 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier der obere Ventilsitz 16 als Flachsitz an einer Ventilplatte 30 und der Verbindungskanal 13 als Längsbohrung im Ventilbolzen 17 ausgebildet sind und dass der Druckraum 14 innerhalb der Steuerhülse 10 vorgesehen ist. Der Verbindungskanal 13 ist über den flachen unteren Ventilsitz 18 und über den Längskanal 20 unter Zwischenschaltung einer Drossel 31 (zur Toleranzeinengung) auch an die Hochdruck-Zulaufleitung 5 angeschlossen. Genauer gesagt mündet der Längskanal 20 in den äußeren Ventilraum (Ringnut)19, der durch den unteren Ventilsitz 18 vom inneren Ventilraum (Ringraum) 21 getrennt ist, welcher mit dem Verbindungskanal 13 verbunden ist. Der Piezoaktor 24 ist über eine Rohrfeder 32 vorgespannt und wirkt über Bolzen 33, die die Ventilplatte 30 durchgreifen, auf die Steuerhülse 10. Die Schließfeder 23 ist in dem die Steuerhülse 10 umgebenden Niederdruckraum 7 angeordnet. Das Aktorgehäuse 34 ist aus einem Stoff, der den gleichen oder einen sehr ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie der Piezoaktor 24. Der Piezoaktor 24 ist über eine Membran 35 vom Niederdruckraum 7, d.h. vom Kraftstoff, abgekoppelt. Weiterhin ist noch ein vom Niederdruckraum 7 abgehender Leckölablauf 7a gezeigt. - In der in
Fig. 2 gezeigten oberen (geschlossenen) Ventilstellung der Steuerhülse 10 ist einerseits die Verbindung des Steuerraums 2 zum Niederdruckraum 7 durch den geschlossenen Druckraum 14 gesperrt und andererseits der Ventilraum 21 - und damit auch der Steuerraum 2 - mit der Hochdruck-Zulaufleitung 5 verbunden, so dass die Düsennadel 3 durch den im Steuerraum 2 herrschenden Hochdruck geschlossen ist. In der unteren (geöffneten) Ventilstellung ist einerseits der Steuerraum 2 mit dem Niederdruckraum 7 durch den nun geöffneten Druckraum 14 verbunden und andererseits die Verbindung des Ventilraums 21 - und damit auch des Steuerraums 2 - zur Hochdruck-Zulaufleitung 5 gesperrt, so dass sich der Druck im Steuerraum 2 reduziert und die Düsennadel 3 öffnet. - Vom Injektor der
Fig. 2 unterscheidet sich der inFig. 3 gezeigte Kraftstoffinjektor 1 dadurch, dass hier die Steuerhülse 10 nicht auf einem Ventilbolzen und der Verbindungskanal 13 sowohl im Ventilstück 8 als auch in der Steuerhülse (Längs- und Querkanal 40) ausgebildet ist und der obere Ventilsitz 16 wie inFig. 1 am Führungsstück 9 vorgesehen ist. Die Schließfeder 23 ist im inneren Ventilraum 21 angeordnet. - In der in
Fig. 3 gezeigten oberen (geschlossenen) Ventilstellung der Steuerhülse 10 ist einerseits die Verbindung des Steuerraums 2 zum Niederdruckraum 7 durch den geschlossenen Druckraum 14 gesperrt und andererseits der Ventilraum 21 - und damit auch der Steuerraum 2 - mit der Hochdruck-Zulaufleitung 5 verbunden, so dass die Düsennadel 3 durch den im Steuerraum 2 herrschenden Hochdruck geschlossen ist. Mit anderen Worten ist der untere Ventilsitz 18 geöffnet und befüllt über die A-Drossel 15 rückwärts den Steuerraum 2. In der unteren (geöffneten) Ventilstellung ist einerseits der Steuerraum 2 mit dem Niederdruckraum 7 durch den nun geöffneten Druckraum 14 verbunden und andererseits die Verbindung des Ventilraums 21 - und damit auch des Steuerraums 2 - zur Hochdruck-Zulaufleitung 5 gesperrt, so dass sich der Druck im Steuerraum 2 reduziert und die Düsennadel 3 öffnet. Wenn keine Z-Drossel 4 verwendet wird, kann die Steuerhülse 10 extrem schnelle Geschwindigkeiten der Düsennadel 2 zulassen. Das Doppelsitzventil 6 mit fast kraftausgeglichener Steuerhülse 10 ermöglicht somit ein extrem schnelles Öffnen und Schließen der Düsennadel 3. -
Fig. 4 zeigt die beim Öffnen und Schließen auf die Steuerhülse 10 wirkende Kraft F in Abhängigkeit vom Hub h der Steuerhülse 10. Die Steuerhülse 10 dichtet bei nicht angesteuertem Piezoaktor 24 am oberen Ventilsitz 16 (h = 0). Wird der Piezoaktor 24 betätigt, muss er über den Ventilhub die Steuerhülse 10 gegen den im inneren Ventilraum 21 herrschenden Hochdruck am unteren Ventilsitz 18 schließen (Kurve a inFig. 4 ). Liegt die Steuerhülse 10 am unteren Ventilsitz 18 an (h = H), ist sie kraftausgeglichen, so dass weniger Kraft erforderlich ist, um die Steuerhülse 10 zurück in ihre obere Ventilstellung zu bewegen (Kurve b inFig. 4 ).
Claims (11)
- Kraftstoffinjektor (1) für Brennkraftmaschinen, mit einem an eine Hochdruckseite (5) angeschlossenen Steuerraum (2), über dessen Druck die Bewegung einer Düsennadel (3) gesteuert wird, und mit einem Steuerventil (6), das die Verbindung des Steuerraums (2) zu einer Niederdruckseite (7) entweder sperrt oder öffnet,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Steuerventil (6) als Doppelsitzventil mit einer Steuerhülse (10) ausgebildet ist, die zwischen einer geschlossenen und einer geöffneten Ventilstellung verschiebbar geführt ist, und dass das Steuerventil (6) einen Druckraum (14), der über einen Verbindungskanal (13) mit dem Steuerraum (2) verbunden ist und durch den ersten Ventilsitz (16) des Steuerventils (6) mit der Niederdruckseite (7) verbindbar ist, und zwei durch den zweiten Ventilsitz (18) des Steuerventils (6) miteinander verbindbare Ventilräume (19, 21) aufweist, wobei der eine Ventilraum (19) mit der Hochdruckseite (5) und der andere Ventilraum (21) mit dem Verbindungskanal (13) verbunden ist. - Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (10) in einer Führungsbohrung (9a) eine Führungsstücks (9) geführt ist.
- Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (10) auf dem freien Ende eines Ventilbolzens (17) geführt ist.
- Kraftstoffinjektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilbolzen (9) sich mit seinem freien Ende in Richtung fort von der Düsennadel (3) erstreckt.
- Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (14) außerhalb der Steuerhülse (10) vorgesehen ist.
- Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (14) innerhalb der Steuerhülse (10) zwischen Steuerhülse (10) und Ventilbolzen (17) vorgesehen ist und der Verbindungskanal (13) im Ventilbolzen (17) verläuft.
- Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Hochdruckseite (5) verbundene Ventilraum (19) zwischen Steuerhülse (10) und Ventilbolzen (17) vorgesehen ist.
- Kraftstoffinjektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Hochdruckseite (5) verbundene Ventilraum (19) zwischen Steuerhülse (10) und Führungsstück (9) vorgesehen ist.
- Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (10) zumindest bei geschlossenem zweiten Ventilsitz (18) kraftausgeglichen oder nahezu kraftausgeglichen ist.
- Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerraum (2) zusätzlich über eine Zulaufdrossel (4) an die Hochdruckseite (5) angeschlossen ist.
- Kraftstoffinjektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerhülse (10) mittels eines Piezoaktors (24) verschiebbar ist.
Applications Claiming Priority (1)
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