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Die
Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe und
insbesondere ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, in
dem eine Düsenbaugruppe
angeordnet ist. Die Düsenbaugruppe
hat einen Düsenkörper, in
dem mindestens ein Einspritzloch ausgebildet ist, und eine Düsennadel,
die in ihrer Schließposition
einen Fluidfluss durch das Einspritzloch verhindert und in sonstigen
Positionen den Fluidfluss durch das Einspritzloch frei gibt.
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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 Schadstoff-Emissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei
ist, die von der Brennkraftmaschine bei dem Verbrennungsprozess
erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Wesentlich hierfür ist, dass
die der Brennkraftmaschine zugeordneten Kraftstoff-Einspritzventile
den Kraftstoff sehr präzise
zumessen können.
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Aus
der
DE 102 45 573
A1 ist ein Kraftstoff-Einspritzventil mit einem Ventilkörper bekannt, in
dem eine Bohrung ausgebildet ist, die an ihrem brennraumseitigen
Ende von einem konischen Ventilsitz begrenzt wird. Das Kraftstoff-Einspritzventil umfasst
ferner eine kolbenförmige
Ventilnadel, die in der Bohrung des Ventilkörpers längs verschiebbar angeordnet
ist und die an ihrem brennraumseitigen Ende eine Ventildichtfläche aufweist,
die zwei Konusflächen
umfasst. Die zweite Konusfläche
ist brennraumseitig zur ersten Konusfläche angeordnet. Zwischen den
Konusflächen
verläuft
eine Ringnut, deren brennraumabgewandte Kante bei Anlage der Ventildichtfläche an dem
Ventilsitz als Dichtkante wirkt. An der Ventildichtfläche sind
Ausnehmungen ausgebildet, die die Ringnut mit einem brennraumseitig
zur Ringnut gelegenen Abschnitt der zweiten Konusfläche hydraulisch
verbinden.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe zu schaffen, bei
der einfach ein gleich bleibendes Schaltverhalten über eine
lange Betriebszeitdauer ermöglicht
ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten
Aspekts aus durch eine Düsenbaugruppe
mit einem Düsenkörper, der
eine Düsennadelausnehmung
umfasst, mindestens eine Einspritzlochreihe mit mindestens einem
Einspritzloch und einen Sitzbereich, der in einer Wandung der Düsennadelausnehmung
ausgebildet ist. Ferner ist eine Düsennadel vorgesehen, die axial
beweglich in der Düsennadelausnehmung
angeordnet ist und die eine Dichtgeometrie in einem Spitzenbereich
der Düsennadel
hat, die in einer Schließposition
der Düsennadel
radial außerhalb
der Einspritzlochreihe mit dem Sitzbereich dichtend koppelt. Die
Düsennadel
unterbindet in der Schließposition
einen Fluidfluss durch die Einspritzlochreihe und gibt diesen ansonsten
frei. Radial nach innen beabstandet zu der Dichtgeometrie ist mit
vorgegebenem axialen Abstand zu der Dichtgeometrie mindestens eine
Druckentlastungsausnehmung in dem Spitzenbereich ausgebildet, die
auch in der Schließposition
mit der Einspritzlochreihe kommuniziert.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Düsenkörper in
der Schließposition
der Düsennadel
tatsächlich
elastisch verformt ist. Dies hat zur Folge, dass bei einem Herausbewegen
der Düsennadel
aus ihrer Schließposition
zunächst
diese elastische Verformung abgebaut wird, bevor sich die Düsennadel
mit ihrer Dichtgeometrie von dem Sitzbereich entfernt. Mit einer
zunehmenden Betriebszeitdauer der Düsenbaugruppe verändert sich
regelmäßig die
Kontur der Teile der Düsennadel
und/oder des Sitzbereichs, die in der Schließposition dichtend aneinander
liegen, hervorgerufen durch Verschleiß. Mit fortschreitendem Verschleiß kann während des elastischen
Entformvorgangs beim Herausbewegen der Düsennadel aus ihrer Schließposition
aufgrund von Unregelmäßigkeiten
in der Kontur schon Fluid radial nach innen in Bezug auf die Dichtgeometrie
einströmen
und zu einem unerwünschten
Druckanstieg führen,
der in einer Kraft resultiert, die entgegen der Schließrichtung
der Düsennadel
wirkt.
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Durch
die mindestens eine Druckentlastungsausnehmung in dem Spitzenbereich
kann jedoch dieser Druckanstieg einfach maximal auf den Bereich
begrenzt werden, der zwischen der Dichtgeometrie und in etwa dem
Beginn der Druckentlastungsausnehmung liegt. Durch den vorgegebenen axialen
Abstand der Druckentlastungsausnehmung zu der Dichtgeometrie kann
zum einen bei geeigneter Wahl dieses Abstands einfach zuverlässig gewährleistet
werden, dass in der Schließposition
der Düsennadel
eine dichtende Kopplung mit dem Düsenkörper über eine sehr lange Betriebszeitdauer
gewährleistet
werden kann und zum anderen, dass sich das Schaltverhalten der Düsenbaugruppe
nur geringfügig ändert. Dabei
ist diese Änderung
des Schaltverhaltens abhängig
von dem axialen Abstand der Druckentlastungsausnehmung von der Dichtgeometrie. Auf
diese Weise kann somit ein sehr gleich bleibendes Schaltverhalten über die
ge samte Lebenszeitdauer der Düsenbaugruppe
einfach dadurch gewährleistet
werden, dass die Druckentlastungsausnehmung in dem Bereich ihrer
Erstreckung einen relevanten Druckanstieg entlang ihrer Erstreckung
im Wesentlichen verhindert.
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Gemäß eines
zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus, im Unterschied
zu dem ersten Aspekt, durch einen Düsenkörper, bei dem eine Dichtgeometrie
in einer Wandung der Düsennadelausnehmung
ausgebildet ist und bei dem die Düsennadel einen Sitzbereich
in dem Spitzenbereich der Düsennadel
hat. Gemäß des zweiten
Aspekts der Erfindung ist radial nach innen beabstandet zu der Dichtgeometrie
mit vorgegebenem axialen Abstand zu der Dichtgeometrie mindestens
eine Druckentlastungsausnehmung in der Wandung der Düsennadelausnehmung
ausgebildet, die auch in der Schließposition mit der Einspritzlochreihe
kommuniziert. Dem zweiten Aspekt liegen die gleichen Erkenntnisse
zugrunde wie dem ersten Aspekt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere um den Umfang
verteilte Druckentlastungsausnehmungen vorgesehen, die sich in axialer
Richtung erstrecken. Derartige Druckentlastungsausnehmungen können besonders
gut mittels Laserbearbeitung hergestellt werden und ermöglichen
einfach das Erstellen geeigneter Geometrien der Druckentlastungsausnehmungen
im Hinblick auf ein gewünschtes
Druckentlastungsverhalten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Druckentlastungsausnehmung eine
Ringnut. Dies hat den Vorteil, dass so der Abstand zwischen der
Dichtgeometrie und der Druckentlastungsausnehmung technologisch
einfach und genau herstellbar ist. Ferner kann so eine günstige Verteilung
des Fluids in der Druckentlastungsausnehmung gewährleistet werden.
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In
diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn die Druckentlastungsausnehmung mindestens
eine Druckentlastungsfläche
umfasst, die sich in axialer Richtung erstreckt. Eine derartige Druckentlastungsfläche ist
besonders einfach, so z.B. durch Fräsen, herstellbar.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Druckentlastungsausnehmung
eine Bohrung, die im Zusammenwirken mit einer weiteren Bohrung die
Kommunikation mit der Einspritzlochreihe sicher stellt. Derartige
Bohrungen sind besonders einfach herstellbar. In diesem Zusammenhang
ist es besonders vorteilhaft, wenn mehrere Bohrungen um den Umfang
herum verteilt sind.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt der vorgegebene
axiale Abstand in der Größenordnung
um 0,1 mm bezogen auf die Mittelachse der Düsennadel. So kann ein besonders
guter Ausgleich zwischen einer über
die gesamte Lebenszeitdauer der Düsenbaugruppe gewünschten
hohen Dichtheit in der Schließposition zum
einen und zum anderen zu einem sehr gleich bleibenden Schaltverhalten
der Düsenbaugruppe hergestellt
werden.
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Die
Vorteile der Erfindung und ihre vorteilhaften Ausgestaltungen kommen
auch zur Geltung bei einem Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, mit einem
Aktuator zum Beeinflussen einer Position einer Düsennadel und der Düsenbaugruppe.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe,
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2 eine
Ausschnittvergrößerung einer ersten
Ausführungsform
der Düsenbaugruppe
im Bereich ihrer Düsenkuppe,
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3 eine
Ausschnittvergrößerung einer zweiten
Ausführungsform
der Düsenbaugruppe
im Bereich ihrer Düsenkuppe,
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4 eine
Ausschnittvergrößerung einer dritten
Ausführungsform
der Düsenbaugruppe
im Bereich ihrer Düsenkuppe
und
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5 eine
Ausschnittvergrößerung der
ersten Ausführungsform
der Düsenbaugruppe
im Bereich ihrer Düsenkuppe,
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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,
das eine Düsenbaugruppe
mit einem Injektorkörper 4 koppelt.
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Ein
Düsenkörper 2 hat
eine Düsennadelausnehmung 8,
in der eine Düsennadel 6 axial
beweglich angeordnet ist. Ein Hubaktuator, der beispielsweise als
Piezoaktuator 10 ausgebildet ist, ist in dem Injektorkörper 4 angeordnet
und über
einen Übertrager 12 mit
einem Schaltventil 14 gekoppelt.
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Abhängig von
der Schaltstellung des Schaltventils 14 ist ein Leckageraum 16 mit
einem Steuerraum 18 hydraulisch gekoppelt oder auch nicht.
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In
einer Schließposition
der Düsennadel 6 unterbindet
diese einen Fluidfluss durch eine erste Einspritzlochreihe, von
der in dem Schnitt des Einspritzventils gemäß der 1 ein Einspritzloch 26 dargestellt
ist. Bewegt sich die Düsennadel 6 axial aus
ihrer Schließposition
heraus, so gibt sie einen Fluidfluss durch die erste Einspritzlochreihe
frei. Die erste Einspritzlochreihe kommuniziert dann direkt mit einer
Hochdruckbohrung 22, die mit einer Kraftstoffversorgung
koppelbar ist. Die Hochdruckbohrung 22 ist während des
Betriebs des Einspritzventils bevorzugt mit einem Hochdruck-Kraftstoffspeichers
eines Common-Rail-Systems hydraulisch gekoppelt. Sie kann jedoch
auch beispielsweise mit einem System gekoppelt sein, das nur zeitnah
zu einem gewünschten
Einspritzvorgang den geeigneten hohen Druck erzeugt, wie dies beispielsweise
der Fall ist bei einer Pumpe-Düse-Vorrichtung.
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Die
Position der Düsennadel 6 hängt ab von einer
Bilanz aus Kräften,
die einerseits hervorgerufen sind durch eine Feder 20,
die eine Kraft in Richtung der Schließposition auf die Düsennadel 6 ausübt, und andererseits
der Summe hydraulischer, durch den Fluiddruck hervorgerufener Kräfte, die
auf die Düsennadel 6 einwirken.
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Über eine
Kontaktfläche
der Düsennadel 6, die
dem Steuerraum 18 zugewandt ist, wird abhängig von
dem Druck in dem Steuerraum 18 eine in Richtung hin zu
der Schließposition – in Schließrichtung – wirkende
Kraft auf die Düsennadel 6 ausgeübt. Dem entgegen
wirken Kräfte,
die durch den Fluiddruck entgegen der Schließrichtung über einen Hochdruckabsatz und
auch über
den dem ersten Einspritzloch 24 zugewandten Endbereich
der Düsennadel 6 hervorgerufen
werden. In dem Bereich des Hochdruckabsatzes ist die Düsennadel 6 hydraulisch
gekoppelt mit der Hochdruckbohrung 22. Der Steuerraum 18 ist
eben falls mit der Hochdruckbohrung 22, bevorzugt über eine
Zulaufdrossel, gekoppelt.
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In
dem Bereich einer Wandung 52 der Düsennadelausnehmung 8 ist
ein Sitzbereich 28 ausgebildet. Ferner ist in einem Spitzenbereich 24a der
Düsennadel 6 eine
Dichtgeometrie 24 ausgebildet, und zwar derart, dass die
Düsennadel 6 in
ihrer Schließposition
mit der Dichtgeometrie 24 dichtend an dem Sitzbereich 28 aufliegt.
Bevorzugt ist die Dichtgeometrie 24 als radial umlaufende
Dichtkante ausgebildet. Sie kann jedoch auch von der Kantenform
abweichen und beispielsweise in Form einer Dichtfläche ausgebildet
sein. Mit SDG ist in der 2 ein Radius eines geometrischen
Sitzdurchmessers bezogen auf eine Mittelachse 30 der Düsennadel 6 bezeichnet.
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Befindet
sich die Düsennadel 6 in
der Schließposition,
so ist aufgrund hoher wirkender Kräfte der Sitzbereich 28 des
Düsenkörpers 2 und/oder
die Düsennadel
leicht elastisch verformt aufgrund der hohen wirkenden Kräfte. Dies
hat zur Folge, dass die Dichtgeometrie 24 beispielsweise leicht
eingedrückt
in dem Sitzbereich 28 angeordnet ist, wenn sich die Düsennadel 6 in
der Schließposition
befindet. Mit zunehmender Betriebsdauer der Düsenbaugruppe kann sich die
Kontur der Dichtgeometrie 24 und/oder die entsprechende
korrespondierende Kontur des Sitzbereichs 28 durch Verschleiß leicht verändern. Dies
kann beispielsweise im Falle der Dichtkante zur Folge haben, dass
die Dichtkante sich abflacht und somit eher die Kontur einer Dichtfläche annimmt.
Auch bei einer derartigen Veränderung
der Kontur der Dichtgeometrie ist aufgrund der elastischen Verformung
des Düsenkörpers 2 und/oder
der Düsennadel 6 in
der Schließposition
der Düsennadel 6 weiterhin
ein dichtender Sitz der Düsennadel 6 in der
Schließposition
gewährleistet.
Allerdings verändert
sich die Summe der Kräfte,
die auf die Düsennadel 6 während des
Herausbewegens der Düsennadel 6 aus
ihrer Schließposition
wirken im Vergleich zu ihrem Neuzustand. So kann beispielsweise
bereits während
oder gegen Ende des elastischen Entformens der beteiligten Teile
früher
als im Neuzustand Fluid entlang der Dichtgeometrie 24 hin
in Richtung zu einem Sacklochbereich 38 Fluid unter hohem Druck
strömen.
Durch dieses unter hohem Druck stehende Fluid können zusätzliche Kräfte auf die Düsennadel 6 ausgeübt werden,
die so das Schaltverhalten der Düsenbaugruppe
verändern.
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Dieser
unerwünschte
Druckaufbau wird jedoch begrenzt durch mindestens eine Druckentlastungsausnehmung,
die in dem Spitzenbereich 24 der Düsennadel 6 ausgebildet
ist oder sind. Die Druckentlastungsausnehmungen sind so ausgebildet,
dass durch sie beim Beginn des Öffnungsvorgangs
in Richtung zu dem Sackloch 38 strömendes Fluid mit vergrößertem Querschnitt
abfließen
kann und somit ein schneller Druckabfall, insbesondere bei den in diesem
Zustand nur sehr geringen Mengen an Fluid, möglich ist. Dazu sind die Druckentlastungsausnehmungen
geeignet ausgebildet und auch in geeigneter Anzahl vorhanden.
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Die
Druckentlastungsausnehmungen sind radial nach innen beabstandet
zu der Dichtgeometrie 24 mit vorgegebenem axialen Abstand
a zu der Dichtgeometrie 24 in dem Spitzenbereich 24a ausgebildet.
Die Druckentlastungsausnehmung oder die Druckentlastungsausnehmungen
reichen somit nicht in den Bereich der Oberfläche der Düsennadel 6 hinein,
der zwischen der Dichtgeometrie 24 und auf der anderen
Seite begrenzt durch den Abstand a zu der Dichtgeometrie 24 liegt.
Der oben genannte Bereich ist frei von der einen oder den mehreren
Druckentlastungsausnehmungen. Bevorzugt ist der Spitzenbereich 24a der
Düsennadel 6 konusförmig ausgebildet
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Der
Abstand a in axialer Richtung in Bezug auf die Mittelachse 30 ist
bevorzugt um die Größenordnung
von 0,1 mm gewählt.
Auf diese Weise kann einfach sicher gestellt werden, dass über die
gesamte Lebenszeitdauer der Düsenbaugruppe
in der Schließposition
die gewünschte
Dichtwirkung zuverlässig
erreicht wird. Andererseits kann so mit zunehmenden Verschleiß der Dichtgeometrie 24 sichergestellt
werden, dass bei Beginn des Öffnungsvorgangs der
Düsennadel 6 lediglich
in dem Bereich des Spitzenbereichs 24 der Düsennadel 6 innerhalb
des axialen Abstands a Fluid nicht entdrosselt abfließen kann
hin zu dem Sacklochbereich 38. Dies kann jedoch nicht zu
einem nennenswerten Druckaufbau führen, da durch die Druckentlastungsausnehmungen
das Fluid mit geringen hydraulischem Widerstand abfließen kann
und somit auch in dem axialen Bereich a kein nennenswerter Druckaufbau
erfolgt. Dies hat dann zur Folge, dass sich bei nahezu unveränderter
Ansteuerenergie des Hubaktuators im Vergleich zum Neuzustand der
Düsenbaugruppe
ein im Wesentlichen unverändertes
Schaltverhalten ergibt.
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Eine
erste Ausführungsform
der Düsenbaugruppe
ist anhand der 2 und 5 näher dargestellt.
In diesem Fall sind mehrere Druckentlastungsausnehmungen vorgesehen
und zwar in Form von Nuten 32, 34, 36,
die um den Umfang der Düsennadel
verteilt sind und sich in axialer Richtung hin zu dem Sackloch 38 in
dem Spitzenbereich 24 erstrecken. Die Tiefe, die Anzahl
und die Länge
der axialen Erstreckung der Nuten 32 bis 36 ist
so vorgegeben, dass sich das gewünschte
gleich bleibende Schaltverhalten der Düsenbaugruppe ergibt. Dies kann
beispielsweise durch Versuche oder Simulationen ermittelt werden.
Besonders günstig
ist es, wenn die Nuten beispielsweise als so genannte Mikronuten
ausgebildet sind, deren Tiefen beispielsweise in der Größenordnung
von 50 μm
liegen können.
Bevorzugt sind die Nuten 32 bis 36 durch Laserbearbeitung
hergestellt. Auf diese Weise lassen sie sich besonders präzise fertigen.
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In
der Darstellung der 2 ist die Düsenbaugruppe in der Schließposition
der Düsennadel 6 dargestellt,
während
sie in der 5 außerhalb der Schließposition
dargestellt ist.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
der Düsenbaugruppe
(3) ist die Druckentlastungsausnehmung in Form
einer Ringnut 40 ausgebildet, deren von dem Sackloch 38 abgewandte
Kante in axialer Richtung mit dem Abstand a von der Dichtgeometrie 24 beabstandet
ist. Ferner umfasst bei dieser Ausführungsform die Druckentlastungsausnehmung auch
noch eine Druckentlastungsfläche
oder bevorzugt auch mehrere um den Umfang verteilte Druckentlastungsflächen, die
beispielsweise einfach durch entsprechendes Anfräsen des konusförmig ausgebildeten
Spitzenbereichs 24 hergestellt werden können. So ist die Druckentlastungsausnehmung
besonders einfach herstellbar.
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Gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Düsenbaugruppe
(4) umfasst die mindestens eine Düsennadelausnehmung
eine Radialbohrung 44 und eine mit dieser kommunizierende
Axialbohrung 46. Sowohl die Radialbohrung 44 als
auch die Axialbohrung 46 können auch eine axiale Komponente
bzw. eine radiale Komponente aufweisen. Die Anzahl und der Durchmesser
insbesondere der Radialbohrungen 44 ist geeignet so gewählt, dass
das gewünschte
Schaltverhalten der Düsenbaugruppe
sichergestellt ist. Beispielsweise können um den Umfang 20 bis 25 Bohrungen
verteilt sein. Es kann für alle
oder einen Teil dieser Bohrungen auch nur eine gemeinsame Axialbohrung 46 vorgesehen
sein.
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Selbstverständlich kann
auch eine Kombination von Nuten 32 bis 34 und/oder
der Ringnut 40 und/oder der Druckentlastungsfläche 42 und/oder der
Axialbohrung 46 und/oder der Radialbohrung 44 vorhanden
sein.
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Die
Düsenbaugruppe
umfasst bevorzugt den Düsenkörper (2)
und die Düsennadel
(6).
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Selbstverständlich kann
der Sitzbereich auch in dem Spitzenbereich 24a der Düsennadel ausgebildet
sein und dann die Dichtgeometrie 24 entsprechend an der
Wandung 52 der Düsennadelausnehmung 8 ausgebildet
sein. Entsprechend ist die Druckentlastungsausnehmung dann auch
in dem Düsenkörper 2 entsprechend
zu den oben beschriebenen Ausführungsformen
ausgebildet.