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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zur Kraftstoffversorgung
einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Stand der
Technik
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Injektoren
dieser Art sind beispielsweise aus der
DE 10 2004 027 824 A1 und
aus der
EP 1 174 615
A2 bekannt und umfassen jeweils einen Piezoaktor zum Ansteuern
bzw. Betätigen
wenigstens einer Düsennadel,
mit deren Hilfe eine Einspritzung von unter Hochdruck stehendem
Kraftstoff durch wenigstens ein Spritzloch steuerbar ist. Der Piezoaktor
weist einen Schaft auf, der sich bei seiner „Bestromung" in seiner Längsrichtung
ausdehnt und der bei einer „Entstromung" wieder seine ursprüngliche,
verkürzte Länge einnimmt.
Ein Injektorkörper
des Injektors enthält
einen Aktorraum, in dem der Piezoaktor mit dessen Schaft angeordnet
ist. Bei den bekannten Injektoren ist außerdem vorgesehen, dass ein
Hochdruckpfad, der den unter Hochdruck stehenden Kraftstoff zum
wenigstens einen Spritzloch führt,
durch besagten Aktorraum hindurchgeführt ist. In der Folge ist der Piezoaktor
von dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff umgeben; der Piezoaktor
ist „nass" oder „schwimmend" angeordnet.
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Bei
den bekannten Injektoren kann durch Bestromen und Entstromen des
Piezoaktors ein Steuerkolben angetrieben werden, um in einem Steuerraum zum Öffnen der
Düsennadel
den Druck abzusenken. Hierbei handelt es sich um eine direkte, druckgesteuerte Nadelsteuerung.
Bei einem invers betriebenen Piezoaktor wird er zum Öffnen der
Düsennadel
entstromt, während
er bei geschlossener Düsennadel bestromt
ist.
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Bei
anderen Bauformen von Injektoren ist es ebenso möglich, den Piezoaktor direkt
zum Antreiben der Düsennadel
oder eines die Düsennadel
umfassenden Nadelverbands zu verwenden oder beispielsweise um ein
Servoventil anzusteuern. Des Weiteren sind auch andere Bauformen
für Injektoren mit
Piezoaktor denkbar.
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Bei
der oben erwähnten
direkten Nadelsteuerung ist es zur Reduzierung von hydraulischen Übersetzungseinrichtungen
erforderlich, den Piezoaktor mit einem relativ langen Schaft zu
versehen, um die erforderlichen Hübe realisieren zu können. Bei
der Herstellung des Piezoaktors und des Injektorkörpers lassen
sich jedoch aufgrund von Herstellungstoleranzen Plan- und Rundlaufabweichungen nicht
vermeiden, die zu einem Achs- und Winkelversatz der miteinander
zusammenwirkenden Komponenten führen
können.
Zur Erzielung einer effektiven Abdichtung des Aktorraums nach außen, ist
jedoch eine möglichst
exakte Winkelausrichtung des Piezoaktors innerhalb des Injektorkörpers erforderlich.
Diese Anforderung wird immer wichtiger, je höher der Hochdruck zur Beaufschlagung
des Kraftstoffs gewählt
wird. Zwischenzeitlich kann der Kraftstoff bei modernen Einspritzanlagen
mit einem Hochdruck von 2.000 bar beaufschlagt werden. Für den Injektor wird
dann beispielsweise eine Druckdichtheit nach außen bis ca. 2.400 bar erwünscht, um
auch bei im Betrieb auftretenden, dynamischen Druckspitzen Leckagen
vermeiden zu können.
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Vorteile der
Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Injektor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass über das
Zusammenwirken einer an einem Aktorfuss ausgebildeten Dichtkontur
mit einem am Injektorkörper
ausgebildeten Dichtsitz die Ausrichtbarkeit des Piezoaktors gegenüber dem
Injektorkörper
während der
Montage des Injektors verbessert ist. Dabei ist von besonderer Bedeutung,
dass die Dichtkontur des Aktorfusses der Düsennadel zugewandt ist und
axial in Richtung zur Düsennadel
im Dichtsitz sitzt. Insbesondere ist es dadurch möglich, Dichtkontur
und Dichtsitz so aufeinander abzustimmen, dass der Aktorfuss mit
seiner im Dichtsitz anliegenden Dichtkontur eine den Aktorraum verschließende Aktorraumdichtung
bildet. Je nachdem mit welcher Axialkraft die Dichtkontur im Dichtsitz
sitzt, lässt
sich eine mehr oder weniger effektive Abdichtung des Aktorraums nach
außen
erzielen.
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Besonders
vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei welcher der Aktorfuss mittels
einer Vorspanneinrichtung in Richtung auf die Düsennadel vorgespannt ist, derart,
dass die Dichtkontur unter Vorspannung im Dichtsitz anliegt. Durch
Auswahl dieser axialen Vorspannung lässt sich die Dichtigkeit der
Aktorraumdichtung auf den jeweils gewünschten Druckwert einstellen.
Insbesondere kann die Vorspanneinrichtung auch so ausgestaltet sein,
dass sie zur Einleitung einer Vorspannung ausgestaltet ist, die
so groß ist,
dass sie zu plastischen Verformungen am Dichtsitz und/oder an der
Dichtkontur führt.
Bei einer derartigen Ausführungsform
lassen sich durch die Verformung auch kleinste Formabweichungen
ausgleichen, um die Effektivität
der Aktorraumdichtung zu verbessern.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Injektors ergeben sich
aus den Unteransprüchen,
aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Injektors
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert, wobei
sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche
Komponenten beziehen. Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
vereinfachten Längsschnitt durch
einen Injektor,
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2 eine
vergrößerte Darstellung
im Halbschnitt eines Ausschnitts II aus 1,
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3 eine
weiter vereinfachte Darstellung im Längsschnitt eines Injektors,
jedoch bei einer anderen Ausführungsform.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend
den 1 bis 3 umfasst ein Injektor 1 einer
Einspritzeinrichtung, die zur Versorgung einer Brennkraftmaschine,
insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit Kraftstoff dient, einen
Injektorkörper 2,
in dem zumindest eine Düsennadel 3 bzw.
ein die Düsennadel 3 umfassender
Düsenkörper 4 angeordnet
ist. Der Düsenkörper 4 ist
dabei mittels einer übergeworfenen
Düsenspannmutter 46 am übrigen Injektorkörper 2 festgelegt.
Des Weiteren umfasst der Injektor 1 einen Piezoaktor 5 mit
einem Aktorfuss 6, einem Aktorschaft 7 und einem
Aktorkopf 8. Der Injektorkörper 2 enthält einen
Aktorraum 9, in dem der Piezoaktor 5 zumindest
mit seinem Schaft 7 angeordnet ist.
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Im
Injektorkörper 2 ist
außerdem
ein Hochdruckpfad 10 ausgebildet, der von einem am Injektorkörper 2 ausgebildeten
Hochdruckanschluss 11 des Injektors 1 bis zu wenigstens
einem ebenfalls am Düsenkörper 4 ausgebildeten
Spritzloch 12 des Injektors 1 führt und
im Betrieb des Injektors 1 unter Hochdruck stehenden Kraftstoff
zum wenigstens einen Spritzloch 12 führt. Der Hochdruckpfad 10 ist
durch den Aktorraum 9 hindurch geführt, das heißt, der
Aktorraum 9 bildet einen Bestandteil des Hochdruckpfads 10 und
ist von dem unter Hochdruck stehenden Kraftstoff durchströmt.
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Der
Piezoaktor 5 dient zum Ansteuern bzw. zum Betätigen der
Düsennadel 3,
derart, dass mit der Düsennadel 3 die
Einspritzung des unter Hochdruck stehenden Kraftstoffs durch das
wenigstens eine Spritzloch 12 in einen dem jeweiligen Injektor 1 zugeordneten
Einspritzraum 13 steuerbar ist. Zum Steuern der Einspritzung
durch das wenigstens eine Spritzloch 12 wirkt die Düsennadel 3 mit
einem Nadelsitz 14 in bekannter Weise zusammen. Um die Düsennadel 3 aus
dem Nadelsitz 14 herauszufahren, muss sie einen Öffnungshub
parallel zu einer Längsachse 15 des
Injektors 1 bzw. des Injektorkörpers 2 durchführen. Hierzu
wird in einem Steuerraum 16 durch eine entsprechende Betätigung des
Piezoaktors 5 der Druck abgesenkt. Besagter Steuerraum 16 ist
in radialer Richtung von einer Steuerhülse 17 begrenzt. In
axialer Richtung ist der Steuerraum 16 zur Düsennadel 3 hin
durch eine Zwischenplatte 18 und zum Piezoaktor 5 hin
durch einen Steuerkolben 19 begrenzt. Der Steuerkolben 19 ist
mit dem Aktorkopf 8 fest verbunden und taucht in die Steuerhülse 17 ein.
Die Steuerhülse 17 ist
am Steuerkolben 19 hubverstellbar gelagert und über eine
Schließdruckfeder 20 am
Aktorkopf 8 abgestützt. Über die
Schließdruckfeder 20 ist
die Steuerhülse 17 gegen
die Zwischenplatte 18 axial vorgespannt.
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Der
Piezoaktor 5 kann beispielsweise invers betrieben sein.
Das heißt,
im gezeigten Ausgangszustand, bei dem die Düsennadel 3 im Nadelsitz 14 sitzt und
ihre Schließstellung
einnimmt, ist der Piezoaktor 5 bestromt und ist dadurch
axial ausgedehnt. Zum Öffnen
der Düsennadel 3 wird
der Piezoaktor 5 entstromt, wodurch sich seine parallel
zur Längsachse 15 gemessene
Länge reduziert.
Da der Aktorfuss 6 ortsfest am Injektorkörper 2 angeordnet
ist, zieht sich bei der Verkürzung
des Aktorschafts 7 der Aktorkopf 8 von der Düsennadel 3 zurück. Hierdurch
wird der Steuerkolben 19 von der Düsennadel 3 wegbewegt, wodurch
der Druck im Steuerraum 16 abfällt. In der Folge kann die
druckgesteuerte Düsennadel 3 vom Nadelsitz 14 abheben
und der Einspritzvorgang beginnt.
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Um
den Piezoaktor 5 im Bereich seines Aktorfusses 6 am
Injektorkörper 2 ortsfest
abstützen
zu können,
weist der Aktorfuss 6 eine Dichtkontur 21 auf,
die der Düsennadel 3 zugewandt
ist und die in einem Dichtsitz 22 anliegt, der von der
Düsennadel 3 abgewandt
ist und am Injektorkörper 2 ausgebildet ist.
Hierdurch kann sich der Aktorfuss 6 in Richtung zur Düsennadel 3 axial
am Injektorkörper 2 abstützen.
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Vorzugsweise
sind Dichtkontur 21 und Dichtsitz 22 so aufeinander
abgestimmt, dass der Aktorfuss 6 zusammen mit seiner im
Dichtsitz 22 anliegenden Dichtkontur 21 eine Aktorraumdichtung 23 bildet, die
den Aktorraum 9 verschließt. Mit Hilfe dieser Aktorraumdichtung 23 wird
dabei der Aktorraum 9 an seinem von der Düsennadel 3 abgewandten
Ende axial verschlossen. Um die gewünschte Aktorraumdichtung 23 zu
realisieren, sind die Dichtkontur 21 und der Dichtsitz 22 jeweils
ringförmig
geschlossen ausgestaltet, wobei sie bezüglich der Längsachse 15 in Umfangsrichtung
umlaufen. Des Weiteren sind Dichtkontur 21 und Dichtsitz 22 vorzugsweise
konzentrisch zur Längsachse 15 ausgerichtet.
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Neben
der Realisierbarkeit der Aktorraumdichtung 23 lassen sich
Dichtkontur 21 und Dichtsitz 22 auch dazu ausnutzen,
beim Zusammenbau des Injektors 1 den Piezoaktor 5 möglichst
exakt konzentrisch zur Längsmittelachse 15 auszurichten.
Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher die
Dichtkontur 21 kugelförmig
ausgestaltet ist, derart, dass sich die Dichtkontur 21 sphärisch entlang
eines Kugelabschnitts erstreckt. Die zugehörige virtuelle Kugel ist in
den Figuren mit 24 bezeichnet. Vorzugsweise ist ein Mittelpunkt 25 der
Kugel 24 zentrisch im Aktorfuss 6 angeordnet.
Die kugelförmige Dichtkontur 21 vereinfacht
die axiale Ausrichtung des Piezoaktors 5 relativ zum Injektorkörper 2,
wodurch die Funktionsfähigkeit
beim Zusammenspiel zwischen Steuerhülse 17 und Steuerkolben 19 verbessert
ist. Diese Bauweise ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der
Piezoaktor 5 einen vergleichsweise langen Schaft 7 aufweist,
der zum Beispiel in 1 deutlich verkürzt wiedergegeben
ist.
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Der
Dichtsitz 22 weist vorzugsweise eine Kegelform auf, wodurch
unabhängig
von Fertigungstoleranzen eine linienförmige Kontaktierung zwischen Dichtkontur 21 und
Dichtsitz 22 erreicht wird. Hierdurch wird eine geschlossene
und somit effektive Aktorraumdichtung 23 realisiert.
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Um
die Effektivität
der Aktoraumdichtung 23 zu steigern, ist der Aktorfuss 6 in
Richtung Düsennadel 3 vorgespannt,
wodurch die Dichtkontur 21 mit axialer Vorspannung im Dichtsitz 22 sitzt.
Die gewählte
axiale Vorspannung kann vergleichsweise groß sein, beispielsweise kann
die eingestellte Vorspannung so groß sein, dass es zu tolerierten
plastischen Verformungen am Dichtsitz 22 und/oder an der Dichtkontur 21 kommt.
Die zuvor genannte linienförmige
Kontaktierung zwischen Dichtkontur 21 und Dichtsitz 22 wird
dadurch quasi streifenförmig.
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Um
die gewünschte
axiale Vorspannung in den Aktorfuss 6 einleiten zu können, ist
der Injektor 1 mit einer Vorspanneinrichtung 26 ausgestattet.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen
umfasst die Vorspanneinrichtung 26 eine Spannschraube 27 und eine
Spannglied 28, wobei es grundsätzlich auch möglich ist,
das hier separat ausgebildete Spannglied 28 integral an
der Spannschraube 27 auszubilden bzw. das Spannglied 28 durch
die Spannschraube 27 zu bilden. Ebenso kann anstelle einer
Spannschraube 27 auch eine Spannmutter verwendet werden.
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Das
Spannglied 28 weist einen Stützsitz 29 auf, der
der Düsennadel 3 zugewandt
ist. Am Aktorfuss 6 ist an einer von der Düsennadel 3 abgewandten
Seite eine Stützkontur 30 ausgebildet,
die im Stützsitz 29 axial
anliegt bzw. abgestützt
ist. Um möglichst
hohe axiale Kräfte
in den Aktorfuss 6 einleiten zu können, ist es zweckmäßig, die
Stützkontur 30 und
den Stützsitz 29 ringförmig geschlossen
auszugestalten und vorzugsweise konzentrisch zur Längsachse 15 anzuordnen.
Des Weiteren kann es auch hier vorteilhaft sein, die Stützkontur 30 kugelförmig auszugestalten.
Die Stützkontur 30 erstreckt
sich dann sphärisch
in einem Kugelabschnitt. Die der Stützkontur 30 zugeordnete
Kugel kann einen anderen Radius aufweisen als die der Dichtkontur 21 zugeordnete
Kugel. Im gezeigten, bevorzugten Beispiel sind zum einen die Kugeln
der beiden Konturen 21, 30 gleich groß und sind
vorzugsweise identisch. Das heißt,
im gezeigten Beispiel liegt die kugelförmige Stützkontur 30 ebenfalls
auf der virtuellen Kugel 24 mit dem Mittelpunkt 25.
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Der
Stützsitz 29 ist
vorzugsweise kegelförmig
ausgestaltet, wodurch auch zwischen Stützkontur 30 und Stützsitz 29 eine
linienförmige
Kontaktierung erreicht wird. Je nach Vorspannkraft kann es auch
am Stützsitz 29 und/oder
an der Stützkontur 30 zu
plastischen Verformungen kommen.
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Die
Spannschraube 27 weist ein Außengewinde 31 auf,
das mit einem komplementären
Innengewinde 32 zusammenwirkt, das am Injektorkörper 2 ausgebildet
ist. Somit ist die Spannschraube 27 in den Injektorkörper 2 axial
einschraubbar. Dabei presst die Spannschraube 27 das Spannglied 28 in axialer
Richtung gegen den Aktorfuss 6.
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Das
Spannglied 28 kann mit Hilfe einer Drehsicherung 33 gegen
eine Drehverstellung um die Längsachse 15 gesichert
sein. Beispielsweise ist die Drehsicherung 33, durch einen
am Injektorkörper 2 abgestützten Sicherungsstift 34 gebildet,
der in einen außen
am Spannglied 28 ausgebildeten Sicherungschlitz 35 radial
eingreift. Des Weiteren ist das Spannglied 28 vorzugsweise
ringförmig
ausgebildet, wodurch es eine zentrale Öffnung 36 enthält. Außerdem kann
die Spannschraube 27 wie hier hülsenförmig ausgestaltet sein, wodurch
sie einen zentralen Durchgang 37 aufweist. Öffnung 36 und
Durchgang 37 bilden einen Anschlusskanal 38, durch
den hindurch elektrische Anschlüsse 39 des
Piezoaktors 5 zum Aktorfuss 6 und durch den Aktorfuss 6 hindurch bis
zu dem mit den Piezoelementen ausgestatteten Aktorschaft 7 geführt sind.
Für diesen
Anschlusskanal 38 kann der Aktorfuss 6 zusammen
mit seiner am Stützsitz 29 anliegenden
Stützkontur 30 eine
Anschlusskanaldichtung 45 ausbilden, die den Anschlusskanal 38 am
Aktorfuss 6 nach außen
verschließt.
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Der
erfindungsgemäße Injektor 1 zeichnet sich
insbesondere dadurch aus, dass sein Piezoaktor 5 während der
Montage relativ genau achsparallel zur Längsachse 15 ausgerichtet
werden kann, was durch die gezielte Formgebung und das Zusammenspielen
von Dichtkontur 21 und Dichtsitz 22 erreicht wird.
Des Weiteren wird mit Hilfe des Spannglieds 28, das drehfest
am Injektorkörper 2 gesichert
ist, die Einleitung sehr hoher Vorspannkräfte über die Spannschraube 27 ermöglicht,
ohne dass es dabei zu einer Änderung
der eingestellten Ausrichtung zwischen Piezoaktor 5 und
Injektorkörper 2 kommt. Denn
die Drehbewegung der Spannschraube 27 wird über das
drehfeste Spannglied 28 nicht auf den Aktorfuss 6 übertragen.
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Über den
Hochdruckanschluss 11 kann der Injektor 1 an eine
Hochdruckquelle angeschlossen werden, die den unter Hochdruck stehenden
Kraftstoff bereitstellt. Beispielsweise ist der Hochdruckanschluss 11 an
eine Hochdruckleitung angeschlossen, die ihrerseits mit einer Hochdruckpumpe
verbunden ist. Sofern mehrere Injektoren 1 an eine gemeinsame Hochdruckleitung
angeschlossen ist, handelt es sich um ein sogenanntes „Common-Rail-System".
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Bei
der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
ist der Injektorkörper 2 in
dem den Aktorraum 9 enthaltenden Bereich aus einem Stück hergestellt.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform
ist der Injektorkörper 2 in
dem den Aktorraum 9 umfassenden Bereich zumindest zweiteilig hergestellt
bzw. aus zwei Teilen, nämlich
aus einem ersten Injektorkörperteil 40 und
aus einem zweiten Injektorkörperteil 41 zusammengebaut.
Das erste Injektorkörperteil 40 enthält den Aktorfuss 6.
Das zweite Injektorkörperteil 41 grenzt
in Richtung zur Düsennadel 3 hin
an das erste Injektorkörperteil 40 an.
Das zweite Injektorkörperteil 41 enthält den gesamten oder
zumindest einen wesentlichen Anteil des Aktorraums 9. Das
erste Injektorkörperteil 40 kann
einen vergleichsweise kleinen Anteil des Aktorraums 9 enthalten.
Im vorliegenden Fall ist der Hochdruckanschluss 11 am ersten
Injektorkörperteil 40 ausgebildet.
Die beiden Injektorkörperteile 40, 41 sind über ein
Verbindungselement 42 aneinander befestigt, das insbesondere
hülsenförmige ausgestaltet
sein kann. Um die gewünschte
Druckdichtigkeit an der mit 43 bezeichneten Verbindungsstelle
zwischen den beiden Injektorkörperteilen 40, 41 erzielen
zu können,
ist hier zusätzlich
eine Ringdichtung 44 vorgesehen.
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Durch
die in 3 gezeigte mehrteilige Bauweise des Injektorkörpers 2 ist
es beispielsweise möglich,
das zweite Injektorkörperteil 41 als
Standard-Bauteil auszubilden, das bei verschiedenen Varianten des
Injektors 1 identisch zur Anwendung kommt. Das erste Injektorkörperteil 40 kann
dann für verschiedene
Varianten des Injektors 1 unterschiedlich ausgestaltet
sein. Durch das Montieren unterschiedlicher erster Injektorkörperteile 40 am
standardisierten zweiten Injektorkörperteil 41 lassen
sich dann verschiedene Varianten des Injektors 1 vergleichsweise
preiswert realisieren.