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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Es
ist schon ein Brennstoffeinspritzventil in der deutschen Patentanmeldung
103 60 449 vorgeschlagen worden mit einem Ventilgehäuse, in
dem ein piezoelektrischer Aktor und ein hydraulischer Koppler angeordnet
sind, wobei der piezoelektrische Aktor einen Pluspol und einen Massepol
aufweist und wobei am Ventilgehäuse
ein elektrischer Stecker mit einem Plusanschluss und einem Masseanschluss zur
Kontaktierung mit einer Spannungsquelle vorgesehen ist. Der Pluspol
des piezoelektrischen Aktors ist mit dem Plusanschluss des Steckers
und der Massepol des piezoelektrischen Aktors mit dem Masseanschluss
des Steckers über
jeweils ein Kabel verbunden. Da der hydraulische Koppler zwischen
dem Ventilgehäuse
und dem Aktor in einem dem Stecker zugewandten Abschnitt des Brennstoffeinspritzventils
angeordnet ist, müssen
die Kabel vom Stecker ausgehend um den Koppler herum zum Aktor geführt werden.
Da der hydraulische Koppler thermisch bedingte Ausgleichsbewegungen
ausführt,
können
die Kabel nicht straff gespannt sein, sondern müssen durch Vorsehen einer zusätzlichen
Länge zugentlastet
sein. Dabei dürfen
die Kabel keine benachbarten Teile berühren, da sie ansonsten durch
die vielen Ausgleichbewegungen mit der Zeit durchgescheuert werden
könnten.
Nachteilig ist, dass die Kabel durch die Ausgleichsbewegungen mechanisch
stark belastet sind, so dass nach einer vorbestimmten Lebensdauer
des Brennstoffeinspritzventils ein Kabelbruch durch Materialermüdung auftritt
oder die Löt-
oder Schweißstellen
der Kabel reißen.
Dies führt
zu einem Ausfall des Brennstoffeinspritzventils.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine Verbesserung dahingehend
erzielt wird, dass die Lebensdauer des Brennstoffeinspritzventils
erhöht
wird, indem der Massepol des Aktors mit dem Masseanschluss des Steckers
und der Pluspol des Aktors mit dem Plusanschluss kabellos elektrisch
verbunden sind. Auf diese Weise wird das kabelbruchbedingte Ausfallen
des Brennstoffeinspritzventils verhindert. Durch das Entfallen der
zwei Kabel wird Bauraum eingespart, so dass das Brennstoffeinspritzventil
kleiner ausgeführt werden
kann.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn der Massepol des Aktors über das Ventilgehäuse und/oder
ein Aktorgehäuse
mit dem Masseanschluss des Steckers elektrisch verbunden ist, da
auf diese Weise eine im Brennstoffeinspritzventil bereits bestehende
elektrisch leitende Verbindung genutzt wird. Außerdem wird durch die Massekontaktierung
des Aktors die elektromagnetische Störabstrahlung des Aktors verringert.
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Weiterhin
vorteilhaft ist, wenn der Pluspol des Aktors über den hydraulischen Koppler
mit dem Plusanschluss elektrisch verbunden ist, da auf diese Weise
die Stromzuführung
zum Aktor über
eine bestehende elektrisch leitende Verbindung erfolgt.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Aktor
in einer Aktorhülse
zwischen einem Aktorkopf und einem Aktorfuß auf Druck vorgespannt ist
und der Massepol des Aktors mit dem Aktorkopf elektrisch kontaktiert
ist, wobei der Aktorkopf über
die Aktorhülse
mit dem Aktorfuß elektrisch
verbunden ist. Der Aktorfuß ist über eine
Ventilnadel, eine Schulter der Ventilnadel und eine mit der Ventilnadel
zusammenwirkende Rückstellfeder mit
dem Ventilgehäuse
und/oder dem Aktorgehäuse elektrisch
verbunden.
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Des
weiteren vorteilhaft ist, wenn der Plusanschluss des Steckers mit
einem Kopfteil des hydraulischen Kopplers und der Pluspol des Aktors
mit einem Fußteil
des hydraulischen Kopplers elektrisch verbunden ist, wobei das Kopfteil
und das Fußteil
des hydraulischen Kopplers wiederum über ein elastisches Dichtelement
elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird
die Stromzuführung über den
hydraulischen Koppler ermöglicht.
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Vorteilhaft
ist, wenn zwischen dem hydraulischen Koppler und dem Aktor eine
erste elektrische Isolierung und zwischen dem hydraulischen Koppler und
dem Ventilgehäuse
eine zweite elektrische Isolierung vorgesehen ist, da auf diese
Weise ein Kurzschluss verhindert wird.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die
Zeichnung zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffeinspritzventil.
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Das
Brennstoffeinspritzventil wird beispielsweise bei der sogenannten
Direkteinspritzung verwendet und dient dazu, Kraftstoff, beispielsweise Benzin
oder Diesel, in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine einzuspritzen.
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Das
Brennstoffeinspritzventil hat ein Ventilgehäuse 1 mit einem Eingangskanal 2 für den Kraftstoff.
Das Ventilgehäuse
weist beispielsweise ein topfförmiges
Gehäuseteil 1.1 und
einen das topfförmige
Gehäuseteil 1.1 verschließenden Gehäusedeckel 1.2 auf.
Der Eingangskanal 2 ist beispielsweise im Gehäusedeckel 1.2 vorgesehen.
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In
dem Ventilgehäuse 1 ist
ein schematisch dargestellter Aktor 3, beispielsweise ein
piezoelektrischer oder magnetostriktiver Aktor, zur axialen Verstellung
einer Ventilnadel 4 angeordnet.
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Die
Ventilnadel 4 ist in dem Ventilgehäuse 1 axial beweglich
vorgesehen und weist beispielsweise einen dem Aktor 3 zugewandten
Nadelschaft 7 und einen dem Aktor 3 abgewandten
Ventilschließkörper 8 auf.
Der Aktor 3 überträgt seine
Bewegung auf den Nadelschaft 7 der Ventilnadel 4,
wodurch der mit einem Ventilsitz 9 zusammenwirkende Ventilschließkörper 8 das
Brennstoffeinspritzventil öffnet
oder schließt.
Das Brennstoffeinspritzventil ist beispielsweise ein sogenanntes
nach außen öffnendes
Ventil, wobei die Ventilnadel 4 einen Hub in Richtung eines Brennraums 10 ausführt. Bei
geschlossenem Brennstoffeinspritzventil liegt der Ventilschließkörper 8 über seinen
gesamten Umfang an dem Ventilsitz 9 mit Linien- oder Flächenberührung dicht
an und bildet einen Dichtsitz 11.
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Der
piezoelektrische Aktor 3 besteht aus einer Vielzahl von
piezokeramischen Schichten, die durch Anlegen einer elektrischen
Spannung eine Dehnung in axialer Richtung ausführen. Dabei wird der sogenannte
inverse piezoelektrische Effekt ausgenutzt, bei dem elektrische
Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Die durch das Anlegen der
elektrischen Spannung erzeugte Dehnung der piezokeramischen Schichten
wird auf die Ventilnadel 4 übertragen, wobei die Ventilnadel 4 beispielsweise einen
Hub von 40 bis 50 Mikrometer ausführt. Nach erfolgter Ventilöffnung verkürzt sich
der Aktor 3 durch Abschalten der elektrischen Spannung
und die Ventilnadel 4 wird mittels einer Rückstellfeder 14 wieder in
Richtung Ventilsitz 9 zurückbewegt und schließt das Brennstoffeinspritzventil.
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Der
piezoelektrische Aktor 3 ist zum Schutz vor Zug- und Biegespannungen
beispielsweise in einer Aktorhülse 12 zwischen
einem Aktorkopf 16 und einem Aktorfuß 17 angeordnet, wobei
die Aktorhülse 12 beispielsweise
als sogenannte Rohrfeder ausgeführt
und aus einem Metall, beispielsweise Stahl, hergestellt ist.
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Der
Aktorkopf 16 ist an einem stirnseitigen, der Ventilnadel 4 abgewandten
Ende der Aktorhülse 12 angeordnet
und mit der Aktorhülse 12 stoffschlüssig und/oder
kraftschlüssig
verbinden, beispielsweise mittels Schweißen. Der Aktorfuß 17 ist
an einem stirnseitigen, der Ventilnadel 4 zugewandten Ende der
Aktorhülse 12 angeordnet
und ebenfalls stoffschlüssig
und/oder kraftschlüssig
mit der Aktorhülse 12 verbunden,
beispielsweise mittels Schweißen.
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Der
Aktor 3 ist zwischen dem Aktorkopf 16 und dem
Aktorfuß 17 mittels
der Aktorhülse 12 auf Druck
vorgespannt.
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Der
Nadelschaft 7 der Ventilnadel 4 weist eine Schulter 18 auf,
an der die Rückstellfeder 14 mit einem
Ende anliegt, um den Nadelschaft 7 der Ventilnadel 4 an
den Aktorfuß 17 der
Aktorhülse 12 und den
Ventilschließkörper 8 in
Richtung des Ventilsitzes 9 zu drücken.
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Da
sich der Aktor 3 und die übrigen Komponenten des Brennstoffeinspritzventils,
beispielsweise das Ventilgehäuse 1,
wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten bei
Temperaturänderung
unterschiedlich stark ausdehnen, ist ein hydraulischer Koppler 15 vorgesehen,
der die Differenzen in der unterschiedlichen Längenausdehnung ausgleicht,
um zu gewährleisten,
dass das Brennstoffeinspritzventil mit der Ventilnadel 4 unabhängig von
der jeweiligen Temperatur des Brennstoffeinspritzventils jeweils
den gleichen Hub ausführt.
Es dürfen
keine Hubverluste auftreten, bei denen der Hub des Aktors 3 nicht
vollständig
auf die Ventilnadel 4 übertragen
wird, so dass der Hub der Ventilnadel 4 kleiner ist als
der Hub des Aktors 3.
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Der
hydraulische Koppler 15 ist beispielsweise zwischen dem
Gehäusedeckel 1.2 und
dem Aktorkopf 16 der Aktorhülse 12 angeordnet.
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Der
hydraulische Koppler 15 weist beispielsweise einen topfförmigen Zylinder 21 und
einen in dem topfförmigen
Zylinder 21 axial beweglichen Kolben 22 auf. Zwischen
dem topfförmigen
Zylinder 21 und dem Kolben 22 ist ein sogenannter
Kopplerspalt 23 vorgesehen. Von dem topfförmigen Zylinder 21 ausgehend
verläuft
ein elastisches Dichtelement 24, das beispielsweise als
Wellbalg ausgebildet ist und aus Metall hergestellt ist, bis an
den Kolben 22. Das elastische Dichtelement 24 schließt ein Kopplervolumen 25 ein,
das über
ein Drosselelement 28 mit dem Kopplerspalt 23 strömungsverbunden
ist. Das Kopplervolumen 25 und der Kopplerspalt 23 sind
mit einer Flüssigkeit,
beispielsweise mit Kraftstoff oder einem Zweitmedium wie etwa Silikonöl gefüllt. Der
Druck in der Flüssigkeit
des Kopplervolumens 25 wird beispielsweise mittels eines
Federelementes 26 erhöht, indem
das Federelement 26 eine Druckkraft von außen auf
das elastische Dichtelement 24 ausübt oder innerhalb des elastischen
Dichtelementes 24 vorgesehen ist, beispielsweise im Kolben 22,
und eine Druckkraft auf die Flüssigkeit
des Kopplervolumens 25 ausübt. Beispielsweise hat der
Kolben 22 einen Hohlraum, der über das Drosselele ment 28 mit
dem Kopplerspalt 23 und über eine Strömungsöffnung mit dem
Umfang des Kolbens 22 verbunden ist.
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Bei
zeitlich schnellen auf den hydraulischen Koppler 15 wirkenden
Bewegungsvorgängen,
wie beispielsweise der Ausdehnung des Aktors 3 bei Beschalten
mit einer elektrischen Spannung, verhält sich der hydraulische Koppler 15 als
extrem steifes Bauteil, da in der kurzen Zeit fast keine Flüssigkeit aus
dem Kopplerspalt 23 durch das Drosselelement 28 in
das Kopplervolumen 25 fließen kann. Da also der Kopplerspalt 23 in
dieser Situation konstant bleibt, wird der Hub des Aktors 3 vollständig auf
die Ventilnadel 4 übertragen.
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Bei
zeitlich langsamen auf den hydraulischen Koppler 15 wirkenden
Bewegungsvorgängen, wie
beispielsweise der Dehnung aufgrund von Temperaturänderungen,
verkleinert oder vergrößert sich der
Kopplerspalt 23, da die Flüssigkeit genügend Zeit hat, über das
Drosselelement 28 aus dem Kopplerspalt 23 heraus-
oder in den Kopplerspalt 23 hineinzuströmen.
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Der
Zylinder 21 des hydraulischen Kopplers 15 ist
beispielsweise dem Aktor 3 und der Kolben 22 des
hydraulischen Kopplers 15 dem Gehäusedeckel 1.1 zugewandt
oder umgekehrt. Der dem Gehäusedeckel 1.1 zugewandte
Teil des hydraulischen Kopplers 15 bildet ein Kopfteil 29 und
der dem Aktor 3 zugewandte Teil ein Fußteil 30 des hydraulischen
Kopplers 15.
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Der
hydraulische Koppler 15, der Aktor 3 mit der Aktorhülse 12 und
die Ventilnadel 4 sind beispielsweise konzentrisch zu einer
Ventilachse 27 angeordnet.
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Die
Aktorhülse 12 und
der hydraulische Koppler 15 sind beispielsweise zueinander
zentriert und fixiert, beispielsweise mittels einer Umspritzung 36,
die vom Aktorkopf 16 ausgehend bis an das Fußteil 30 des
hydraulischen Kopplers 15 reicht.
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Um
den Aktor 3 und den hydraulischen Koppler 15 gegenüber dem
Kraftstoff zu kapseln, ist im Ventilgehäuse 1 ein Aktorgehäuse 31 vorgesehen,
das den Aktor 3 und den hydraulischen Koppler 15 hermetisch
umschließt
und gegenüber
dem Kraftstoff abdichtet. Das Aktorgehäuse 31 ist beispielsweise
zylinderförmig
ausgeführt
und teilt den Innenraum des Ventilgehäuses 1 in einen mit
Kraftstoff beladenen und mit dem Eingangskanal 2 strömungsverbundenen
Druckraum 32 und einen den Aktor 3 und den hydraulischen
Koppler 21 aufweisenden Aktorraum 33. Das Aktorgehäuse 31 ist
beispielsweise konzentrisch im Ventilgehäuse 1 angeordnet und
an den stirnseitigen Enden am Ventilgehäuse 1 abgestützt. Beispielsweise
ist das Aktorgehäuse 31 auf
der dem Gehäusedeckel 1.2 zugewandten
Stirnseite stoffschlüssig
und/oder kraftschlüssig
mit dem Gehäusedeckel 1.2 verbunden,
beispielsweise verschweißt. Der
Nadelschaft 7 der Ventilnadel 4 verläuft im Aktorraum 33 vom
Aktorfuß 17 ausgehend
in vom Aktor 3 abgewandter Richtung und durchragt das Aktorgehäuse 31 durch
eine Öffnung 34 bis
in den Druckraum 32, wobei die Öffnung 34 mittels
einer elastischen Dichtung 35 abgedichtet ist, so dass
kein Kraftstoff aus dem Druckraum 32 in den Aktorraum 33 gelangt.
Die Dichtung 35 ist beispielsweise als elastischer Wellbalg
ausgebildet, der zum Beispiel aus Metall hergestellt ist, und verläuft von
dem Nadelschaft 7 ausgehend ringförmig bis an das Aktorgehäuse 31.
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Die
Rückstellfeder 14 liegt
mit ihrem einen Ende an der Schulter 18 der Ventilnadel 4 und
mit dem anderen Ende an dem Aktorgehäuse 31 an.
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Der
Aktor 3 weist einen Pluspol 38 und einen Massepol 39,
der der elektrische Minuspol ist, auf. Am Ventilgehäuse 1,
beispielsweise am Gehäusedeckel 1.2,
ist ein beispielsweise zweipoliger elektrischer Stecker 40 mit
einem Plusanschluss 41 und einem Masseanschluss 42 zur
Kontaktierung mit einer externen Spannungsquelle 43 vorgesehen.
Am Stecker 40 liegt abhängig
von der Stellung eines Hochleistungsschalters 44 entweder
eine Hochspannung der Spannungsquelle 43 oder keine Spannung
an. Der Hochleistungsschalter 44 ist mit einem Pluspol der
Spannungsquelle 43 verbunden. Die Spannungsquelle 43 ist
beispielsweise ein Transformator, der beispielsweise eine 12V-Bordspannung eines
Fahrzeugs auf eine Hochspannung erhöht.
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Erfindungsgemäß sind der
Massepol 39 des Aktors 3 mit dem Masseanschluss 42 des
Steckers 40 und der Pluspol 38 des Aktors 3 mit
dem Plusanschluss 41 des Steckers 40 jeweils kabellos
elektrisch verbunden. Durch die kabellose Verbindung werden Kabelbrüche vermieden,
die zu einem Ausfallen des Brennstoffeinspritzventils führen würden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführung
ist der Massepol 39 des Aktors 3 über das
Aktorgehäuse 31 und/oder
das Ventilgehäuse 1 mit
dem Masseanschluss 42 des Steckers 40 e lektrisch
verbunden. Auf diese Weise wird die elektromagnetische Störabstrahlung
des Aktors 3 verringert.
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Der
Pluspol 38 des Aktors 3 ist beispielsweise über den
hydraulischen Koppler 15 mit dem Plusanschluss 41 elektrisch
kontaktiert. Gemäß dieser Schaltung
wird der Strom vom Stecker 40 über den hydraulischen Koppler 15 zum
Aktor 3 geleitet.
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Beispielsweise
ist der Massepol 39 des Aktors 3 mit dem Aktorkopf 16 elektrisch
kontaktiert, wobei der Aktorkopf 16 über die Aktorhülse 12 mit
dem Aktorfuß 17 verbunden
ist. Der Aktorfuß 17 wiederum ist über den
Nadelschaft 7 der Ventilnadel 4, die Schulter 18 der
Ventilnadel 4 und die an der Schulter 18 anliegende
Rückstellfeder 14 mit
dem Aktorgehäuse 31 elektrisch
verbunden.
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Der
Plusanschluss 41 des Steckers 30 ist beispielsweise
mit dem Kopfteil 29 des hydraulischen Kopplers 15 und
der Pluspol 38 des Aktors 3 mit einem Fußteil 30 des
hydraulischen Kopplers 15 elektrisch verbunden.
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Das
Kopfteil 29 und das Fußteil 30 des
hydraulischen Kopplers 15 sind über das elastische Dichtelement 24 elektrisch
leitend miteinander verbunden.
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Zwischen
dem hydraulischen Koppler 15 und dem Aktor 3 ist
eine erste elektrische Isolierung 46 und zwischen dem hydraulischen
Koppler 15 und dem Ventilgehäuse 1 eine zweite
elektrische Isolierung 47 vorgesehen, um einen Kurzschluss
zwischen dem Pluspol 38 und dem Massepol 39 des
Aktors 3 beziehungsweise zwischen dem Plusanschluss 41 und
dem Masseanschluss 42 des Steckers 40 zu verhindern.
Die Isolierungen 46, 47 sind beispielsweise scheibenförmig ausgebildet
und aus Keramik oder einem anderen elektrisch isolierenden Stoff
hergestellt.
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Der
Pluspol 38 des Aktors 3 verläuft beispielsweise durch eine
Durchgangsöffnung 50 im
Aktorkopf 16 und durchragt die erste elektrische Isolierung 46 durch
eine erste Öffnung 48,
um eine Kontaktierung mit dem Fußteil 30 des hydraulischen Kopplers 15 zu
erreichen. Der Plusanschluss 41 des Steckers 40 verläuft durch
einen Anschlusskanal 51 im Gehäusedeckel 1.2 und
durchragt die zweite elektrische Isolierung 47 beispielsweise
durch eine zweite Öffnung 49,
um eine Kontaktierung mit dem Kopfteil 29 des hydraulischen
Kopplers 15 zu erreichen.
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Die
zweite Isolierung 47 kann auch als Piezokeramik ausgeführt sein,
um den Kraftverlauf des Aktors 3 auszuwerten und zur Regelung
der Einspritzung zu verwenden.
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Der
Kraftstoff wird im Ventilgehäuse 1 ausgehend
vom Eingangskanal 2 in den Druckraum 32 bis an
den Ventilschließkörper 8 stromauf
des Dichtsitzes 11 geleitet. Beim Öffnen des Brennstoffeinspritzventils
hebt der Ventilschließkörper 8 von
dem Dichtsitz 11 ab, wodurch eine Verbindung zu dem Brennraum 10 der
Brennkraftmaschine geöffnet
wird, so dass Kraftstoff über
einen zwischen dem Ventilschließkörper 8 und
dem Ventilsitz 9 gebildeten ringförmigen Ausgangsspalt 52 in
den Brennraum 10 ausströmt.
Je größer der
Hub der Ventilnadel 4 in Öffnungsrichtung ist, desto
größer ist
der Ausgangsspalt 52 und desto mehr Kraftstoff wird in
den Brennraum 10 pro Zeiteinheit eingespritzt.