CN105392982A - 喷射器装置 - Google Patents

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Abstract

用于内燃机发动的燃料喷射器(100),燃料喷射器包括:包括孔(11)的喷射器主体(10);喷射器针(12),位于孔内且可接合针座以控制燃料喷射通过喷射器出口(15);电枢构件(106),电枢构件可接合喷射器针(12)上的电枢座(105),喷射器针(12)部分地和电枢构件(106)部分地限定控制腔(104);致动器装置(44),用于控制控制腔(104)内的燃料压力,使控制腔内的燃料压力变化控制喷射器针相对针座的运动,其中致动器装置(44)用于使电枢构件(106)从其接合电枢座(105)的落座位置移到电枢构件(106)已相对电枢座移动使控制腔(104)与低压排放装置(118)流体连通的未落座位置。

Description

喷射器装置
技术领域
本发明涉及一种喷射器装置。特别地,本发明涉及用在内燃发动机中的燃料喷射器。
背景技术
本发明涉及用于把燃料输送给柴油内燃发动机气缸的燃料喷射器,在这类发动机中,燃料通过合适的泵被供应给高压蓄压器(以下简称“共轨”)并且从这个蓄压器被输送到发动机的燃料喷射器,该喷射器的喷嘴被布置成按顺序致动以将燃料输送到发动机的各个气缸内。
这种燃料喷射器通常包括针,其在主体内滑动并且可接合针阀座,以控制燃料从高压燃料供给管线通过主体的流动。
燃料喷射器内的最大喷射压力可约为1800巴或更高,并且作为结果,为了提起喷射器针所要克服的力是大的。因此,不可能使用电磁致动器直接控制喷射器,除非使用非常高的电流。因此通过阀装置间接控制喷射器,该阀装置控制位于喷射器针上方的控制腔的增压或卸压。
这样的喷射器的例子在EP0647780中公开了,其中,针的远离阀座的那端在腔内延伸,该腔被布置成通过节流器接收来自供给管线的燃料。在使用中,通过改变控制腔内的压力来控制喷射。螺线管致动器作用在阀装置上,促使控制腔与低压排放装置之间的流动路径开放。随着控制腔内的压力下降,由于相对于针邻近阀座的一部分作用的力,针离开针阀座。在共轨喷射系统内,两种类型的阀装置是已知的,压力平衡阀装置(有时被称为平衡阀)和非压力平衡阀装置。
在压力平衡阀装置中,位于孔中的阀杆在电磁致动器的作用下可滑动以打开和关闭控制腔的高压区域与低压排放装置的低压区域之间的流动路径。在关闭​​配置中,阀装置与阀座接触,并且基本上处于液压平衡,阀装置由阀装置上的弹簧的作用而保持在关闭位置。一旦致动该电磁致动器,弹簧力就被克服,并且阀装置移离其阀座从而允许燃料在杆与孔之间移动到低压排放装置。基于平衡的阀装置倾向于表现出一定程度的静态泄漏。换句话说,即使是在关闭位置,​​高压燃料将沿着阀装置的孔与阀杆之间限定出的流动路径泄漏到低压排放装置。
在非压力平衡阀装置中,阀被该系统内的高压燃料的压力保持在其就座关闭位置。这样的阀装置因此在关闭位置上基本上不处于液压平衡,因此,需要更大的激活力来打开。然而,这种非压力平衡阀装置内的静态泄漏程度比压力平衡阀装置中的更低。
上面描述的这两种类型的阀装置因此要么是具有伴随相对高的静态泄漏程度(压力平衡阀装置)的低致动力需求,要么是具有伴随相对低的静态泄漏程度(非压力平衡阀装置)的高致动力需求。
本发明的一个目的是提供一种改进的喷射器装置,其通过直接作用在针上,具有低致动力需求,但具有改进的静态泄漏性能。
发明内容
根据本发明的第一个方面,提供一种用在内燃发动机中的燃料喷射器,该燃料喷射器包括:包含孔的喷射器主体;喷射器针,其位于该孔内并且可接合针座,以控制燃料喷射通过喷射器出口;电枢构件,该电枢构件可接合喷射器针上的电枢座,喷射器针部分地和电枢构件部分地限定出控制腔;致动器装置,其布置成控制该控制腔中的燃料压力,使得控制腔内的燃料压力变化控制着喷射器针相对于针座的运动,其中,致动器装置被布置成能够使电枢构件从落座位置移动到未落座位置,在落座位置处,电枢构件接合电枢座,而在未落座位置处,电枢构件已经相对于电枢座移动,从而使控制腔与低压排放装置流体连通。
本发明提供了一种燃料喷射器,其中,喷射器针提起以及喷射器针的开闭动作直接由电枢的运动来控制,电枢又由致动器装置驱动。
已知的喷射器是通过一系列的事件来管理的,例如控制阀的开闭(其涉及在能够克服弹簧力之前的一段时间内建立的磁力);控制阀内的溢出孔与阀座之间的压力的释放(或建立);通过固定入口的针控制腔内的压力的释放(或建立),从而在针上形成不平衡压力;以及,响应于不平衡力的喷射器针的运动。
与此相反,根据本发明的喷射器,喷射器针的运动是由电枢构件的位置控制的,其直接接触喷射器针的顶部。本发明省去了或至少基本上避免了对喷射器主体内的溢出控制孔或喷嘴路径孔的需要。根据本发明实施例的喷射器可以比已知的喷射器装置更快地工作,并且可以提供更有效的操作,尤其是在多喷射模式中。
便利地,喷射器主体内的孔可包括环形通道。该通道可以经由高压钻孔与蓄压器体积流体连通。喷射器针可以包括轴向钻孔,并且该轴向钻孔可以在第一端与高压燃料源流体连通,并且在第二端与控制腔流体连通。
便利地,该轴向钻孔可包括控制腔填充孔,以控制燃料从高压燃料源到控制腔的流动。
该轴向钻孔可以与喷射器主体的孔内的环形通道流体连通,该环形通道经由高压钻孔与蓄压器体积流体连通。
该喷射器可进一步包括电枢弹簧构件,其布置成把电枢构件偏压向电枢座。该喷射器还可以进一步包括喷射器针弹簧构件,其布置成把喷射器针偏压向阀座。
电枢座可位于喷射器针的一端,并且便利地,喷射器针的包含电枢座的这端可基本上是截头圆锥形的,限定出喷射器针端部型面(profile),该电枢座位于该端部型面。喷射器针的包含电枢座的这端可包括一个以上的端部型面。
便利地,喷射器针的第二端可被布置成接合阀座。
优选的是,致动器装置可被布置成使电枢构件从落座位置移动到先导喷射位置和主喷射位置,在落座位置上,电枢构件接合电枢座,主喷射位置中从控制腔到低压排放装置的燃料流速大于先导喷射位置的。
在一个具体实施方案中,致动器装置被布置在与喷射器出口相反的喷射器末端。这使得能够布置能承受高压燃料的超过10cm3的内部储存器。
附图说明
为了使本发明可以更容易理解,通过举例的方式,现在将参考附图,其中:
图1示出已知的压力平衡阀装置;
图2至3示出典型的喷射器的燃料喷射过程;
图4示出了根据本发明实施例的喷射器/阀装置;
图5至7示出图4的喷射器的燃料喷射过程;
图8和9示出了根据本发明实施例的喷射器装置的两个例子;
图10示出了根据本发明实施例的喷射器装置的更多例子。
图11是按照本发明的喷射的另一实施例的轴向截面。
图12是图11的喷射器的细节。
具体实施方式
一种已知的燃料喷射器1,在图1、图2和图3中示出,包括喷射器/阀主体10,其包括具有相对窄直径的第一区域(喷射器喷嘴8)和第二扩大区域。喷射器主体10(有时被称为喷嘴保持体)设置有孔11,它延伸通过第一(喷嘴8)和第二区域,该孔终止于与第一区域的自由端隔开的位置。细长的喷射器针12在该孔内可滑动,该喷射器针12包括顶端区域14,其被布置成接合由喷射器主体10的邻近该孔的盲端的内表面所限定出的喷射器针座。喷射器主体10的喷射器喷嘴8设置有与该孔连通的一个或多个孔口15,这些孔口被安置成使得顶端14与喷射器针座的接合阻止流体通过这些孔口从喷射器主体10逸出,并且当顶端14从针座提起时,流体可以通过这些孔口进行输送。
如图1所示,喷射器针12被成形为使得其在喷射器主体10的喷射器喷嘴8内延伸的区域具有比该孔更小的直径,以允许流体在喷射器针12与喷射器主体10的内表面之间流动。在喷射器主体10的第二区域内,喷射器针12具有更大的直径,基本上防止流体在喷射器针12与喷射器主体10之间流动。
在喷射器主体10的第二区域中,设有环形通道16,该环形通道16与燃料供给管线18连通,该管线18被布置成从相关联的燃料输送系统的蓄压器接收高压燃料。为了允许燃料从通道16流到喷射器主体10的第一区域,喷射器针12设有带凹槽的区域,其允许燃料从环形通道16流到喷射器主体10的喷射器喷嘴部8,并还用于限制喷射器针12在喷射器主体10内的横向运动,但不限制其轴向运动。
控制腔22设在喷射器主体10的第二区域内,在远离其第一区域的位置处,压缩弹簧30(图1中未示出,见图2、3)设置在控制腔22中,用于把针12偏压向由喷射器主体10的邻近孔11的盲端的内表面限定出的针座。
图1中的喷射器还包括电磁致动器装置44,安置在阀装置50的上方。间隔件部件52位于阀装置50的下方以及针12的上方。间隔件52集成了控制腔22和三个校准孔(54,56,58),它们允许喷射器的工作。
阀装置50包括阀杆部60,其在杆部的一端带有电枢62。杆部在孔64内可滑动。阀杆部带有许多减压槽,并且,在杆部的电枢端,有密封面66,它在该孔的一端可接合座68。当该密封面接触到该座时,得到了实现压力密封的接触。阀弹簧46被安置在电枢的上方并且用作促使密封面接合其座。
在间隔件部件52内,有喷射供给孔58(也称为喷嘴路径孔或NPO)、控制腔排放孔54(也被称为溢出孔或SPO)和控制腔填充孔56(也被称为入口孔或INO)。
控制腔22通过控制腔填充孔56与高压燃料管线18连通。
如图1所示,螺线管致动器44包括大体圆柱形的包括轴向盲孔44b的芯构件44a,缠绕在芯构件44a上并且连接到合适的控制器的线圈(图1中未示出),和围绕芯构件44a和线圈44b延伸的圆柱形磁轭(图1中未示出)。芯构件44a的面和面向阀装置50的磁轭限定出极表面。
应当指出,阀弹簧46为阀装置50提供关闭力,并且在阀关闭时也保持在阀座上的接触压力。
燃料供给管线18从高压燃料泵(未示出)向喷射器喷嘴8和弹簧腔22供给燃料。阀装置50经由INO和SPO孔也与燃料供给管线18流体连通。
当阀装置50关闭时,弹簧腔22与低压燃料回流管线27之间没有流体连通。因此,喷射器喷嘴8和弹簧腔22中的燃料压力平衡,并且,弹簧30把喷射器针12偏压向落座位置,在该位置喷嘴孔关闭。
相反,当阀装置50打开时,形成路径,使弹簧腔22与低压燃料回流管线27流体连通,引起弹簧腔室22中的燃料压力下降。喷射器喷嘴8中的燃料压力高于弹簧腔22中的燃料压力,并且,施加给喷射器针12的压力克服弹簧30的偏压。喷射器针12从其落座位置提起并且打开喷嘴孔,允许燃料喷入燃烧室中,如图3所示。
在螺线管共轨喷射器上,阀装置50在控制燃料泄漏中起重要作用。泄漏导致能量损失,并且这对使用喷射器1的车辆的二氧化碳排放量有直接影响。在使用中,燃料喷射器1将经历两种形式的泄漏:
(a)动态泄漏—这些是在喷射期间由控制阀装置50的打开所引起的泄漏;和
(b)静态泄漏—这些是在控制阀装置50关闭且燃料喷射器1没有喷射时控制阀构件60与阀孔64之间的泄漏。
静态泄漏更显著,因为控制阀关闭所花费的时间比其打开所花费的更多。静态泄漏的影响因素包括:导轨间隙;导轨长度;用于喷射器和发动机组件的增大间隙;以及由压力引起的增大间隙。
从喷入燃烧室的燃料朝着更高工作压力(例如2200至3000巴)的不断趋势来看,控制阀装置50内的由压力引起的静态泄漏是特别相关的。阀装置内的高压燃料可以向阀装置50内的各个部件施加径向载荷,这可能导致它们变形。这些部件的变形能够增大控制阀装置50内的间隙,这可导致静态泄漏的增加。
图2和图3示出图1的已知喷射器的喷射过程。图1和2之间的相同特征由相同的附图标记表示。
现在将参照图2和图3简要描述喷射器的工作。
在图2中,阀装置50关闭,并且密封面66接合座68。因此,控制腔22受到共轨内的压力。高压燃料在针12的顶部施力,这个力大于作用在针12的压力面上的燃料压力(压力面70在图中示出。燃料的压力也可作用在最大针直径与针12的座/顶端区域14的直径之间的环形压力面上)。因此,针保持关闭,从而,没有喷射通过孔15。
在图3中,致动器44通电并提起电枢62,使得阀装置50处于其打开位置,其中,密封面66从其座68提起。现在,控制腔22内所含的燃料具有穿过溢出控制孔54(SPO)到低压排放装置的流动路径,并且燃料因此从控制腔22流出。最初由控制腔22内的燃料和喷射器弹簧30施加在针12的顶部的压力大于施加在压力面70上的压力。
然而,一旦燃料施加在压力面70上的压力超过弹簧力和控制腔22内的燃料所施加的力,针12就提起,并且随着燃料从共轨流过喷嘴路径孔58,开始了燃料通过孔15的喷射,如图3中所示。
为了停止喷射,电磁致动器44被断电,并且阀弹簧46(图2中未示出)关闭阀装置50。高压燃料从供给管线18流过控制腔填充孔56(INO),并且控制腔22内的压力升高,直到喷射停止(此时,喷射器已返回到图2中所示的位置)。
转到图4,根据本发明实施例的燃料喷射器100被示出。附图中同样的特征标以相同的附图标记表示。
与图1、2和3中的一样,喷射器包括喷射器主体10,其限定出孔11,喷射器针12在该孔内可滑动。喷射器主体10内的环形通道16与高压燃料供给管线18流体连通,该管线18被布置成从蓄压器体积(图4中未示出)接收高压燃料。
喷射器针12的远离顶端14的端部102是大体截头圆锥形的形状。控制腔104部分地由喷射器针的截头圆锥形端部102的表面且由位于喷射器针12与螺线管致动器44之间的电枢构件106所限定。控制腔104因此位于针12的端部102的上方。如图4中所示,电枢构件106已经接合喷射器针的截头圆锥形端部102的表面上的电枢座105。
图4的喷射器针12包括轴向钻孔108,其第一端110通向控制腔104。钻孔108的第二端112通过一个或多个横向钻孔114(为清楚起见,图4中仅示出其中的一个)与环形通道16流体连通。
控制腔填充孔116(也被称为入口孔或INO)位于轴向钻孔108内。值得注意的是,在有单个横向钻孔114的情形中,那么孔116可位于钻孔114中。
控制腔内的流体的压力可以通过通电/断电致动器装置44进行控制。螺线管致动器44一通电,电枢构件106就被提起,从而,电枢构件106脱离电枢座105,并且控制腔104与低压体积/低压排放装置118流体连通。当致动器44通电时,电枢构件106与电枢座105之间展开的间隙起到图1、图2和3中的控制腔排放孔54(溢出孔或SPO)的作用。
电枢构件106包括圆柱形部分120和电枢突出部分122,圆柱形部分120的内表面部分地限定出控制腔106,电枢突出部分122基本上垂直于圆柱形部分的长轴线突出(并且也基本上垂直于燃料喷射器的长轴线124)。
致动器44一断电,螺线管​​44的孔内的电枢弹簧126就使电枢构件106返回接合电枢座105。位于螺线管的孔内的另一压缩弹簧128把喷射器针12偏压向其阀座。在图4的装置中,电枢弹簧126和压缩弹簧128彼此同心地布置。
现在参照图4至7描述根据本发明实施例的燃料喷射器的工作。
在图4中,喷射器关闭,并且喷射器针接合阀座,从而,燃料不能流过在喷射器主体10中的孔15。针12的顶部和针12的底部处的燃料压力基本上相同。针的顶部的表面面积比针的底部更大,产生朝向顶端14的力。这个力与由电枢弹簧126和压缩弹簧128产生的力一起作用,以保持喷射器针12在其阀座上。
在图5中,已经从控制系统(未示出)向螺线管致动器44发送喷射器打开命令。随着螺线管致动器通电,电枢构件106从电枢座105提起,从而,控制腔104与低压区域118之间的流体路径140打开。控制腔104内的高压流体开始排出到低压区域。供给通路18和通道16内的高压燃料通过轴向钻孔108被提取到控制腔104中。然而,高压燃料的流动受到控制腔填充孔116的限制。
螺线管致动器44施加在电枢构件106上的磁力大于电枢弹簧126的力,并且因此,电枢构件从它的在喷射器针12上的座上提起。在提起电枢构件106之后,控制腔104内的压力低于针的底部上的压力。在喷射器针上产生向上的力,大于压缩弹簧力128,且因此针也开始提起。
图6示出喷射器针12的持续打开阶段和喷射的开始。随着喷射器针12从它的阀座12提起,燃料可以进入喷射器针的下部顶端14附近的区域,并且流过孔15,从而,发生进入燃烧体积(未示出)的喷射。喷射器针将继续提起,直到它再次落座在电枢构件106上。随着喷射器针落座在电枢构件上,控制腔内的压力开始再次升高。当控制腔104内的压力升高到足够的水平,针的顶部和底部的燃料压力达到平衡,从而针弹簧128和压力向下推动喷射器针,并且喷射器针12脱离电枢元件106。
随着喷射器针向下移动,控制腔再次暴露于低压区域,并且燃料从控制腔移向低压排出装置。随着控制腔中的压力再次下降,喷射器针的底部和顶部之间的压力不平衡再次向上推动喷射器针。喷射器针随后进入“平衡状态”,其中,喷射器针“漂浮”在它落座于电枢构件上的位置与它已移离电枢座的位置之间。这种“漂浮”的行为继续进行,直到螺线管致动器断电。
图7示出了喷射器针的关闭。在图7中,螺线管致动器44断电,从而电枢构件106不再被磁性地吸引朝向致动器。致动器弹簧构件126然后起作用,使电枢构件106接合致动器座105。控制腔104然后开始填充,这归因于通过轴向钻孔/孔口108供入的燃料。
随着控制腔104开始增压,针12的顶部和底部之间的压力差下降,直到这样的时刻,当喷射器针12和致动器构件106能够在致动器弹簧构件126和阀弹簧128的作用下移向阀座时。随着喷射器针关闭,喷射孔15关闭,并且这个喷射循环即将结束。控制腔104和环形通道16内的压力回至高压钻孔内的压力。
图8和9示出了针12的截头圆锥形端部102的型面可以如何改变。
在图8中,截头圆锥形部分具有单一型面150。图9示出替代布置,其中,喷射器针12的端部102包括两个不同的型面152、154。喷射器针端部型面具有变化型面,这允许控制腔104以不同的速度排空,取决于电枢构件106相对于电枢座105的提升。
在图9的例子中,初始“先导”喷射命令可以被发送到螺​​线管致动器44,这使电枢构件106提起离开电枢座105一个相对小的量。如果主喷射命令被发送到致动器44,然而之后电枢构件可以进一步从其阀座移动。在某一点,电枢构件将移动高于点156,在这个点处,针顶端的端部102的型面变化。当喷射器针通过这个点时,更大体积的燃料可能会溢出到低压排出装置。以这种方式,相​​对较大量的燃料可以被溢出到低压排出装置,如果螺线管致动器通电到一个足够的水平。这又使更大量的燃料能经由喷嘴孔喷射。
图10示出了本发明的替代实施例,其中,通过增大电枢装置106的圆柱形部分120的截面积,来改变控制腔104的尺寸。图10示出两个不同的装置(标记为“A”和“B”),其中一个装置的横截面面积大于另一个的(A>B)。
在装置A中,当控制腔104被填充并且电枢构件106落座在电枢座105上时,喷射器针12的顶部上的压力将高于装置B中的。这又会影响喷射器针的打开速度(A比B慢),归因于喷射器针的顶部上的增加的燃料压力。
图11和12示出根据本发明的喷射器10的另一实施例。
附图标记一直沿用先前描述的实施例,即使特征具有特定的特性。如图11可见的,致动器装置44被设置在喷射器100的最上方,在与喷嘴8和喷射器出口15相对的端。所述致动器装置44具有与前面的实施例类似的结构,相对平坦的螺线管与电枢106协作,以控制该控制腔104内的压力。如可见的,控制腔104由针12的顶部和电枢106的圆柱形内体积限定出。
这个顶部安装装置使得螺线管装置44能直接控制针12的位移,从而喷射或不喷射燃料通过喷嘴8的出口15。这样的顶部安装装置实现了在喷射器主体10的内部保留大的储存器130,针12轴向延伸通过这个储存器。所述储存器130可保持超过10cm3
在操作中,高压燃料完全填满储存器130,实现了燃料喷射设备的结构的更多灵活性。例如,设备的每个喷射器10都配有其自己的高压储存器130,该设备可以是无轨式的,其中,高压储存器不是被集中在共轨中,而是分布在喷射器上。
应该理解的是,上述实施例仅仅是以举例的方式给出,并且不旨在限制本发明,其范围在所附权利要求中定义。还应当理解的是,描述的实施例可以单独使用或组合使用。

Claims (15)

1.一种用在内燃发动机中的燃料喷射器(100),该燃料喷射器包括:
喷射器主体(10),其包括孔(11);
喷射器针(12),其位于该孔内并且可接合针座以控制通过喷射器出口(15)的燃料喷射;
电枢构件(106),该电枢构件可接合该喷射器针(12)上的电枢座(105),该喷射器针(12)部分地和该电枢构件(106)部分地限定出控制腔(104);
致动器装置(44),其布置成控制该控制腔(104)内的燃料压力,使得该控制腔内的燃料压力变化控制着该喷射器针相对于该针座的运动,
其中,该致动器装置(44)被布置成能够使该电枢构件(106)从落座位置移动到未落座位置,在落座位置处,该电枢构件接合该电枢座(105),在未落座位置处,该电枢构件(106)已经相对于该电枢座移动以使该控制腔(104)与低压排放装置(118)流体连通。
2.如权利要求1所述的燃料喷射器,其中,该喷射器主体内的孔包括环形通道(16)。
3.如权利要求2所述的燃料喷射器,其中,该通道(16)经由高压钻孔(18)与蓄压器体积流体连通。
4.如权利要求1所述的燃料喷射器,其中,该喷射器针包括轴向钻孔(108)。
5.如权利要求4所述的燃料喷射器,其中,该轴向钻孔在第一端与高压燃料源流体连通,并且在第二端与该控制腔流体连通。
6.如权利要求5所述的燃料喷射器,其中,该轴向钻孔包括控制腔填充孔(116),以控制燃料从高压燃料源进入该控制腔(104)的流动。
7.如权利要求4至6任一项所述的燃料喷射器,其中,该轴向钻孔与该喷射器主体的该孔内的环形通道(16)流体连通,该通道经由高压钻孔(18)与蓄压器体积流体连通。
8.如在前任一项权利要求所述的燃料喷射器,进一步包括电枢弹簧构件(126),其布置成把该电枢构件(106)偏压向该电枢座(105)。
9.如在前任一项权利要求所述的燃料喷射器,进一步包括喷射器针弹簧构件(128),其布置成把该喷射器针(12)偏压向该阀座。
10.如在前任一项权利要求所述的燃料喷射器,其中,该电枢座(105)位于该喷射器针的一端。
11.如权利要求10所述的燃料喷射器,其中,该喷射器针的包含该电枢座(105)的端部基本上是截头圆锥形的,限定出喷射器针端部型面(150、152、154),该电枢座(105)位于该端部型面上。
12.如权利要求11所述的燃料喷射器,其中,该喷射器针的包含该电枢座(105)的端部包括一个以上的端部型面。
13.如权利要求10至12任一项所述的燃料喷射器,其中,该喷射器针(16)的第二端(14)被布置成接合该阀座。
14.如权利要求13所述的燃料喷射器,其中,该致动器装置被布置成使该电枢构件(106)从落座位置移动到先导喷射位置和主喷射位置,在落座位置处,该电枢构件接合该电枢座(105),主喷射位置中从该控制腔(104)到低压排放装置的燃料流速大于先导喷射位置的。
15.一种如在前任一项权利要求所述的燃料喷射器(100),其中,该致动器装置(44)被布置喷射器(100)的与该喷射器出口(15)相反的末端。
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