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Die Erfindung betrifft ein Einspritzventil, das einen Körper mit einer Ausnehmung umfasst. In der Ausnehmung ist axial beweglich ein Steuerkörper angeordnet. Der Steuerkörper grenzt an einen Steuerraum. Die Position des Steuerkörpers hängt von einem Fluiddruck in dem Steuerraum ab. Der Steuerkörper ist mit einem axial beweglichen Nadelkörper gekoppelt, durch den in einer Schließposition des Nadelkörpers ein Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung in dem Körper unterbunden und ansonsten freigegeben ist.
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Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch die die Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die während des Verbrennungsprozesses des Luft/Kraftstoff-Gemisches erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar.
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Aus der
DE 44 27 378 A1 ist ein magnetventilgesteuerter Injektor zur Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum einer Dieselbrennkraftmaschine bekannt. Dieser umfasst einen beidseitig mit Hochdruck beaufschlagten Steuerkolben, der ventilsitzseitig einen die Rückstellfeder enthaltenden Speicherraum und magnetventilseitig einen Steuerraum begrenzt, welcher mit dem Speicherraum leitungsverbunden und zur magnetventilseitigen Druckentlastung mit einer Niederdruckleitung verbindbar ist. Ferner umfasst er einen mit einer gegen die Kraft einer Rückstellfeder von ihrem Ventilsitz abhebenden langgestreckten Düsennadel, wobei Düsennadel und Steuerkolben zwei getrennte Teile bilden, welche zumindest in Schließrichtung der Düsennadel formschlüssig miteinander verbunden sind.
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In der
FR 1 242 368 A ist eine Ventilnadel zu erkennen, die über eine formschlüssige Verbindung mit einem Steuerkörper verbunden ist.
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Aus der
EP 0 262 539 A1 ist eine Kraftstoffinjektoreinheit bekannt. Hier wird die Bewegung eines Einspritzventilglieds, das Austrittsöffnungen schließt und vorübergehend öffnet, die mit der Brennkammer einer Brennkraftmaschine in Verbindung stehen, gesteuert durch den Kraftstoffdruck in einer Steuerkammer und durch die Differenz der Druckkräfte, die auf einen Kolben wirken, der zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, der an einem Ende des Ventilelements angeordnet ist. Der Druck in der Steuerkammer zum Steuern der Bewegung des Ventilelements wird mittels zwei axial ausgerichteten Öffnungen und mittels eines Magnetventils zum Schließen und vorübergehenden Öffnen eines der Öffnungen gesteuert. Ein Element und das obere Ende des dickeren Abschnitts des Kolbens legen die Steuerkammer fest. Der dickere Abschnitt führt das Element in seinem Inneren, während Letzteres nicht an seinem Umfang geführt ist. Der dünnere Abschnitt des Kolbens ist im Injektorgehäuse geführt. Der Kolben ist mit einer Bohrung versehen, die eine Kammer, die mit den Austrittsöffnungen in Verbindung ist, über die andere Öffnung mit der Steuerkammer verbindet. Der Kolben ist dabei über eine Pressverbindung mit der Düsennadel verbunden.
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Aus der
DE 100 20 867 A1 ist ein Common Rail Injektor bekannt. Dieser Common Rail Injektor ist zur Einspritzung von Kraftstoff in einem Common Rail Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine mit einem Injektorgehäuse vorgesehen, das mit einem zentralen Hochdruckspeicher in Verbindung steht und in dem eine Düsennadel axial verschiebbar ist, die mit einem Ventilkolben zusammen wirkt, der in einem Ventilstück geführt ist. Um die Lebensdauer des Injektors zu erhöhen, wird das zur Düsennadel gewandte Ende des Ventilkolbens bzw. einer durch den Ventilkolben angesteuerte Druckstange koaxial zur Symmetrieachse der Düsennadel geführt. Auch hier sind Ventilnadel und Steuerkörper über eine Pressverbindung miteinander verbunden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, das einfach ein präzises Zumessen von Fluid ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Einspritzventil, das einen Körper mit einer Ausnehmung umfasst. In der Ausnehmung ist axial beweglich ein Steuerkörper angeordnet, der an einen Steuerraum grenzt und dessen Position von einem Fluiddruck in dem Steuerraum abhängt. Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelkörper, durch den in einer Schließposition des Nadelkörpers ein Fluidfluss durch eine Einspritzöffnung in dem Körper unterbunden und ansonsten freigegeben ist. Der Nadelkörper ist mit dem Steuerkörper in einem Kopplungsbereich gekoppelt, der zwischen einem von dem Steuerraum abgewandten axialen Endbereich des Steuerkörpers und einem dem Steuerkörper zugewandten axialen Endbereich des Nadelkörpers ausgebildet ist. An dem Steuerkörper und dem Nadelkörper ist ein Dichtelement so angeordnet und ausgebildet, dass der Kopplungsbereich dichtend abgetrennt ist gegenüber der Ausnehmung in dem Körper.
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Falls während des Betriebs des Einspritzventils Fluid in den Kopplungsbereich eindringt, so kann das Fluid ein Entkoppeln des Steuerkörpers von dem Nadelkörper bewirken. Das Entkoppeln führt zu einem Einspritzverhalten, das von einem vorgegebenen Einspritzverhalten abweicht und trägt zu einem unpräzisen Zumessen von Fluid durch das Einspritzventil bei. Das Dichtelement verhindert einfach ein Eindringen von Fluid in den Kopplungsbereich und trägt so zur wirkungsvollen Kopplung des Steuerkörpers mit dem Nadelkörper und zu einem präzisen Zumessen von Fluid bei.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils umfasst das Dichtelement eine Dichthülse und eine Stützhülse, die so ausgebildet und angeordnet sind, dass die Stützhülse gegenüber dem Bereich außerhalb der Dichthülse abgedichtet ist und dass der Kopplungsbereich durch die Stützhülse gegenüber der Dichthülse abgetrennt ist. Die Stützhülse verhindert einfach, dass die Dichthülse unter hohem Fluiddruck in den Kopplungsbereich gedrückt wird und trägt so zu einer wirkungsvollen Kopplung des Steuerkörpers und des Nadelkörpers bei.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils umfasst die Dichthülse ein Material, das elastischer ist als das Material der Stützhülse. Dies trägt einfach zum Verhindern des Eindringens der Dichthülse in den Kopplungsbereich bei. Die Dichthülse kann beispielsweise aus einem weichen Kunststoff, beispielsweise Polyamid gebildet sein. Die Stützhülse umfasst beispielsweise Blech oder Stahl, kann aber beispielsweise auch einen harten Kunststoff umfassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils weisen der Steuerkörper und der Nadelkörper an ihren einander zugewandten axialen Endbereichen eine oder zwei Verjüngungen auf, die so ausgebildet sind, dass die Dichthülse und/oder die Stützhülse in axialer Richtung zwischen den Absätzen festgelegt sind, die auf Grund der Verjüngungen an dem Steuerkörper und dem Nadelkörper gebildet sind. Die Absätze sind an den Übergängen von der äußeren Mantelfläche des Steuerkörpers und des Nadelkörper zu den Verjüngungen bzw. von den Übergängen von der ersten zu der zweiten Verjüngung ausgebildet. Die Dichthülse und/oder die Stützhülse grenzen an ihren axialen Enden so an die Absätze, dass sie in axialer Richtung zwischen den Absätzen festgelegt sind. Dies verhindert einfach ein Verrutschen der Dichthülsen und/oder der Stützhülse in axialer Richtung. Ferner kann dadurch ein zusätzlicher Platzbedarf durch Anordnen der Dichthülse und/oder der Stützhülse vermieden werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Einspritzventils umfasst der Nadelkörper eine Düsennadel mit einem Zapfen und/oder der Steuerkörper eine Steuernadel und einen Steuerkolben. Der Zapfen der Düsennadel ist an dem axialen Endbereich des Nadelkörpers ausgebildet. Der Steuerkolben koppelt in axialer Richtung die Steuernadel mit dem Nadelkörper. Das Dichtelement ist an dem Zapfen und dem Steuerkolben angeordnet bzw. ist mindestens ein weiteres Dichtelement an der Steuernadel und dem Steuerkolben angeordnet. Ein mehrstöckiges Ausbilden des Steuerkörpers und des Nadelkörpers trägt zu einer einfachen Montage des Einspritzventils bei. Das mindestens eine weitere oder mehrere weitere Dichtelemente sind entsprechend dem Dichtelement an dem Steuerkörper und dem Nadelkörper ausgebildet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Einspritzventil,
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2 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform des Einspritzventils gemäß 1 mit einer ersten Ausführungsform eines Dichtelements,
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3 eine zweite Ausführungsform des Einspritzventils,
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4 eine zweite Ausführungsform des Einspritzventils,
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5 eine dritte Ausführungsform des Einspritzventils,
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6 eine Anordnungsmöglichkeit für ein weiteres Dichtelement.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein Einspritzventil (1) umfasst ein Injektorgehäuse 1, eine Zwischenplatte 2, einen Düsenkörper 3 und ein Aktorgehäuse 4. Das Einspritzventil eignet sich zum Zumessen von Fluid in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine. Die Zwischenplatte 2 und der Düsenkörper 3 sind mittels einer Düsenspannmutter 6 an dem Injektorgehäuse 1 festgelegt. Die Zwischenplatte 2 kann auch einstückig mit dem Düsenkörper 3 und/oder dem Injektorgehäuse ausgebildet sein. Das Injektorgehäuse 1 und/oder die Zwischenplatte 2 können mehrstückig beispielsweise aus mehreren Platten ausgebildet sein.
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In dem Aktorgehäuse 4 ist ein Aktor angeordnet. Der Aktor kann beispielsweise ein Piezo-Aktuator sein. Der Aktor ist mit einer Steuereinrichtung gekoppelt.
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Eine Hochdruckzuführung 8 führt von einem Hochdruckanschluss 9 in axialer Richtung durch das Injektorgehäuse 1 und die Zwischenplatte 2. Die Hochdruckzuführung 8 mündet in eine Ausnehmung 10 des Düsenkörpers 3, die sich in eine Ausnehmung 12 der Zwischenplatte 2 fortsetzt. In der Ausnehmung 10 des Düsenkörpers 3 ist axial beweglich eine Düsennadel 14 angeordnet. Ein Zapfen 16 der Düsennadel 14 ragt in die Ausnehmung 12 der Zwischenplatte 2. In einer Ausnehmung 18 des Injektorgehäuses 1 sind axial beweglich ein Steuerkolben 20 und eine Steuernadel 22 angeordnet. Die Düsennadel 14 ist an dem Zapfen 16 mit dem Steuerkolben 20 gekoppelt, der an seinem der Düsennadel 14 abgewandten Ende an die Steuernadel 22 grenzt. An dem Ende der Steuernadel 22, das von dem Steuerkolben 20 abgewandt ist, grenzt die Steuernadel 22 an einen Steuerraum 24. Der Steuerraum 24 kommuniziert über eine Zulaufdrossel 26 mit der Hochdruckzuführung 8. Abhängig von einer Stellung eines Schaltventils 30 kommuniziert der Steuerraum 24 über eine Ablaufdrossel 28 mit einem Niederdruckabfluss 32. In einem Bereich, der ebenfalls mit dem Niederdruckabfluss 32 hydraulisch gekoppelt ist, ist eine Düsenfeder 34 angeordnet, die den Steuerkolben 20 mit einer Kraft in Richtung weg von dem Steuerraum 24 hin zu einer Düsenkuppe 36 beaufschlagt. In der Düsenkuppe 36 ist eine Einspritzöffnung ausgebildet. Die Einspritzöffnung umfasst ein, bevorzugt mehrere Einspritzlöcher. Bei einem nach außen öffnenden Einspritzventil kann die Einspritzöffnung auch durch einen Spalt zwischen der Düsennadel 14 und dem Düsenkörper 3 gebildet sein.
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In einer Schließposition der Düsennadel 14 sitzt die Düsennadel 14 an ihrem axialen Endbereich, der der Düsenkuppe 36 zugewandt ist, auf der Wandung der Ausnehmung 10 des Düsenkörpers 3 auf und unterbindet einen Fluidfluss durch die Einspritzlöcher. Außerhalb der Schließposition gibt die Düsennadel 14 den Fluidfluss durch die Einspritzlöcher frei. Die Position der Düsennadel 14 hängt ab von den Kräften, die auf sie wirken. Eine in Schließrichtung der Düsennadel 14 wirkende Kraft wird von dem Steuerkolben 20 auf die Düsennadel 14 ausgeübt. Eine entgegen der Schließrichtung wirkende Kraft wirkt auf einen ersten und einen zweiten Absatz der Düsennadel 14. Der erste Absatz ist im Bereich der Mündung der Hochdruckzuführung 8 in die Ausnehmung 10 des Düsenkörpers 3 ausgebildet. Der zweite Absatz ist axial zwischen dem ersten Absatz und dem axialen Endbereich der Düsennadel angrenzend an den axialen Endbereich ausgebildet. Eine weitere Kraft wirkt entgegen der Schließrichtung in dem axialen Endbereich auf die Düsennadel 14, wenn die Düsennadel 14 von der Wandung der Ausnehmung 10 abhebt, da dann das Fluid den gesamten axialen Endbereich der Düsennadel 14 umspülen kann, der der Düsenkuppe 36 zugewandt ist.
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Die Position des Steuerkolbens 20 hängt ebenfalls ab von den Kräften, die auf ihn wirken. Die Düsennadel 14 kann eine Kraft in Richtung hin zu dem Steuerraum 24 auf den Steuerkolben 20 ausüben. Eine entgegengesetzte Kraft in Richtung hin zu der Düsenkuppe 36 wirkt auf den Steuerkolben 20 und wird hervorgerufen durch die Düsenfeder 34. Eine weitere Kraft in Richtung hin zu der Düsenkuppe 36 kann durch die Steuernadel 22 auf den Steuerkolben 20 ausgeübt werden.
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Die Position der Steuernadel 22 hängt ab von der Kraft, die der Steuerkolben 20 in Richtung hin zu dem Steuerraum 24 auf die Steuernadel 22 ausübt und von der Kraft, die das Fluid in dem Steuerraum 24 auf die Steuernadel 22 in Richtung hin zu der Düsenkuppe 36 ausübt.
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Der Aktor in dem Aktorgehäuse 4 kann abhängig von einem Schaltsignal aus der Steuereinrichtung so auf das Schaltventil 30 einwirken, dass das Schaltventil 30 einen Fluidfluss aus dem Steuerraum 24 über die Ablaufdrossel 28 in den Niederdruckabfluss 32 freigibt oder unterbindet. Die Ablaufdrossel 28 und die Zulaufdrossel 26 sind so zueinander dimensioniert, dass das Fluid schneller über die Ablaufdrossel 28 abfließen kann, als es über die Zulaufdrossel 26 nachfließen kann. Dadurch entsteht ein Unterdruck in dem Steuerraum 24 gegenüber dem Druck in der Hochdruckzuführung 8. Die Düsennadel 14 gibt einen Fluidfluss durch die Einspritzlöcher frei, sobald die Kräfte, die entgegen der Schließrichtung auf die Düsennadel 14 wirken, größer sind als die Kräfte, die in Schließrichtung auf die Düsennadel wirken und die hervorgerufen werden durch die Düsenfeder 34 und den Fluiddruck in dem Steuerraum 24 und die über die Steuernadel 22 und den Steuerkolben 20 auf die Düsennadel 14 wirken. Nach dem Schließen des Schaltventils 30 füllt sich der Steuerraum 24 mit Fluid, so lange bis der Druck in dem Steuerraum 24 dem Druck in der Hochdruckzuführung 8 entspricht. Die Düsennadel 14 unterbindet den Fluidfluss durch die Einspritzlöcher, sobald die Kraft auf die Düsennadel 14 in Schließrichtung größer ist als die Kraft entgegen der Schließrichtung.
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Bevorzugt ist der Hochdruckanschluss 9 mit einem Hochdruckspeicher eines Common-Rail Systems koppelbar, in dem während Betriebszuständen, in denen zumindest zeitweise ein Zumessen von Fluid erfolgen soll, ein Betriebsdruck herrscht, beispielsweise zwischen 1000 und 2000 bar. Der Betriebsdruck kann sich jedoch insbesondere im Falle von Benzin als Fluid in einem Bereich von beispielsweise 80 bis 250 bar bewegen. Der Betriebsdruck muss nicht konstant sein. Er kann beispielsweise abhängen von Lastgrößen der Brennkraftmaschine, in der das Einspritzventil anordenbar ist. Außerhalb der Betriebszuständen, in denen zumindest zeitweise ein Zumessen von Fluid erfolgen soll, die dann als Ruhebetriebszustand bezeichnet sind, sinkt der Druck des Fluids auf einen Ruhedruck ab, der beispielsweise zwischen 1 und 10 bar betragen kann.
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Alternativ ist der Hochdruckanschluss 9 mit einer nicht dargestellten Hochdruckvorrichtung hydraulisch koppelbar, die ausgebildet ist zum Erzeugen des für ein Zumessen von Fluid durch die Einspritzlöcher notwendigen Betriebsdrucks lediglich in einem engen Zeitfenster um das beabsichtigte Zumessen des Fluids. Derartige Hochdruckvorrichtungen finden beispielsweise Einsatz im Zusammenhang mit Pumpe-Düse-Vorrichtungen, bei so genannten Amplified-Common-Rail-Vorrichtungen und bei Verteilerpumpen.
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Das Einspritzventil kann Bestandteil sein der Pumpe-Düse-Vorrichtung, des Amplified-Common-Rails oder auch der Verteilerpumpe. Sie kann jedoch auch Bestandteil sein eines Common-Rail Systems.
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Zwischen dem axialen Endbereich des Steuerkolbens 20, der der Düsennadel 14 zugewandt ist und einer Stirnfläche des Zapfens 16, die dem Steuerkolben 20 zugewandt ist, ist ein Kopplungsbereich 44 (2) ausgebildet. Der Kopplungsbereich 44 ist durch eine Dichthülse 40 gegenüber der Ausnehmung in dem Körper abgedichtet. Die Dichthülse 40 verhindert so ein Eindringen von Fluid in den Kopplungsbereich 44. Falls das Fluid zwischen die Düsennadel 14 und den Steuerkolben 20, also in den Kopplungsbereich 44 eindringt, so kann das Fluid eine Kraft auf den Steuerkolben 20 in Richtung hin zu dem Steuerraum 24 hervorrufen und gleichzeitig eine Kraft auf die Düsennadel in Richtung hin zu der Düsenkuppe 36 hervorrufen. Dies kann zu einer Entkopplung des Steuerkolbens 20 von der Düsennadel 14 führen, wodurch ein Einspritzverhalten des Einspritzventils ungünstig beeinflusst wird. Im Extremfall bleibt die Düsennadel 14 unabhängig von dem Schaltsignal für den Aktor in ihrer Schließposition und unterbindet ständig einen Fluidfluss durch die Einspritzlöcher.
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Da das Einspritzventil zur Aufnahme von Fluid unter sehr hohem Druck geeignet ist, ist es vorteilhaft, wenn zwischen der Dichthülse 40 und dem Kopplungsbereich 44 eine Stützhülse 42 (3) angeordnet ist. Die Stützhülse 42 kann wie die Dichthülse 40 auf den Zapfen 16 und den Steuerkolben 20 aufgesteckt werden. Die Stützhülse 42 umfasst dabei vorzugsweise ein Material, das weniger elastisch ist als das der Dichthülse 40. Die Dichthülse 40 kann beispielsweise Polyamid umfassen. Die Stützhülse 42 umfasst vorzugsweise Blech oder Stahl. Dies verhindert, dass unter hohem Druck die Dichthülse 40 in den Kopplungsbereich 44 gedrückt wird und so den Steuerkolben 20 von der Düsennadel 14 entkoppelt.
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An ihren einander zugewandten axialen Endbereichen können an dem Steuerkolben 20 und dem Zapfen 16 erste Verjüngungen 48 (4) ausgebildet sein. Die ersten Verjüngungen 48 an dem Zapfen 16 und dem Steuerkolben 20 sind bezüglich ihrer axialen Länge vorzugsweise so ausgebildet, dass sie zusammen der axialen Länge der Stützhülse 42 entsprechen. Dadurch ist die Stützhülse 42 in axialer Richtung festgelegt. Die ersten Verjüngungen 48 können so ausgebildet sein, dass die äußere Mantelfläche der Stützhülse 42 bündig ist mit der äußeren Mantelfläche des Steuerkolbens 20 und/oder des Zapfens 16. Dies ermöglicht eine Platz sparende Anordnung der Stützhülse 42 und kann ein Reiben der Dichthülse 40 an der Wandung der Ausnehmung des Körpers verhindern. Alternativ kann abhängig von dem Durchmesser des Zapfens 16 und dem Durchmesser des Steuerkolbens 20 lediglich an dem Zapfen 16 oder dem Steuerkolben 20 eine erste Verjüngung 48 ausgebildet sein.
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Zusätzlich zu den ersten Verjüngungen 48 können zweite Verjüngungen 50 (5) an den axialen Endbereichen des Zapfens 16 und des Steuerkolbens 20 ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die axiale Länge der zweiten Verjüngungen 50 so gewählt, dass die Dichthülse 40 in axialer Richtung zwischen den Absätzen festgelegt ist, die an den Übergängen von den ersten Verjüngungen 48 zu den zweiten Verjüngungen 50 ausgebildet sind. Dies ermöglicht einfach das Festlegen der Dichthülse 40 in axialer Richtung und gleichzeitig eine platzsparende Anordnung der Dichthülse 40.
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Der Steuerkolben 20 und die Steuernadel 22 können so ausgebildet sein, dass sie an ihren einander zugewandten axialen Endbereichen einen Kontaktbereich 46 (6) bilden, der durch eine weitere Dichthülse und vorzugsweise durch eine weitere Stützhülse gegenüber der Ausnehmung des Körpers abgedichtet ist. Dabei kann beispielsweise eine der beiden einander zugewandten Stirnflächen des Steuerkolbens 20 und der Steuernadel 22 sphärisch ausgebildet sein.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann der Zapfen 16 und/oder der Steuerkolben 20 an ihren einander zugewandten Enden eine Rundung aufweisen, konisch oder im Schnitt trapezförmig ausgebildet sein. Auch die Düsennadel 14 kann bei einer alternativen Ausführungsform mehrstückig ausgebildet sein, wobei dann an den Übergängen von einem Element der Düsennadel 14 zu einem anderen Element der Düsennadel 14 weitere Dichthülsen und vorzugsweise weitere Stützhülsen angeordnet sind. Die weiteren Dichthülsen und die weiteren Stützhülsen entsprechen in ihrer Ausbildung und Funktion der Dichthülse 40 bzw. der Stützhülse 42.
