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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor für eine Kraftstoffeinspritzanlage
einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 10 2005 024 721.0 vom 30.05.2005
ist ein Injektor bekannt, der einen Injektorkörper mit wenigstens einem Spritzloch
aufweist. Im Injektorkörper
ist eine Düsennadel
zum Steuern der Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens eine
Spritzloch hubverstellbar gelagert. Ein Kopplerkolben, der mit einem
Aktor antriebsgekoppelt ist, weist eine dem wenigstens einen Spritzloch
zugewandte erste Kopplerfläche
auf, die einen ersten Kopplerraum begrenzt. Der erste Kopplerraum
wird außerdem
von einer an der Düsennadel
bzw. an einem die Düsennadel
umfassenden Nadelverband ausgebildeten, vom wenigstens einen Spritzloch
abgewandten ersten Steuerfläche
begrenzt. Der erste Kopplerraum ist mit einem zweiten Kopplerraum
hydraulisch gekoppelt, der von einer an der Düsennadel oder am Nadelverband
ausgebildeten, dem wenigstens einen Spritzloch zugewandten zweiten
Steuerfläche
begrenzt ist. Durch die bekannte Bauweise ist es möglich, den
vorzugsweise als Piezoaktuator ausgestalteten Aktor normal, also
nicht invers, zu betreiben, das bedeutet, dass der Aktor nur zum Öffnen der
Düsennadel
bestromt wird. Während
der zeitlich überwiegenden
Ausgangsstellung, in welcher die Düsennadel geschlossen ist, muss
der Aktor somit nicht bestromt werden, was sich positiv auf die
Lebensdauer des Aktors sowie eines entsprechenden Steuergeräts auswirkt.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Injektor
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass die zum Öffnen der
Düsennadel
erforderliche Druckerhöhung
in den Kopplerräumen
reduziert ist, wodurch sich Übertragungsverluste
und Schaltverluste durch Bauteilverformungen und Spaltströmungen verkleinern
lassen. Gleichzeitig baut der Injektor kompakt, was bei den üblichen,
räumlich stark
begrenzten Einbausituationen erforderlich ist. Durch die Verkleinerung
der Verluste, insbesondere beim Öffnen
der Düsennadel,
kann die Präzision
der Nadelansteuerung verbessert werden, was vor allem bei kurzen
Einspritzzeiten und für
kleine Einspritzmengen vorteilhaft ist.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird eine Ringplatte vorgeschlagen, die relativ zum Injektorkörper in
Richtung zum wenigstens einen Spritzloch ortsfest angeordnet ist,
die eine zum ersten Kopplerraum bin offene Durchgangsöffnung aufweist
und die eine vom wenigstens einen Spritzloch abgewandte, den ersten
Kopplerraum begrenzende Differenzfläche aufweist. Die Düsennadel bzw.
der Nadelverband weist dann einen vom wenigstens einen Spritzloch
entfernten Endabschnitt auf, der in besagter Durchgangsöffnung hubverstellbar
gelagert ist und der die erste Steuerfläche der Düsennadel bzw. des Nadelverbands
aufweist. Durch die ortsfeste Differenzfläche wird ein vorbestimmter
Anteil der über
die erste Kopplerfläche
in den ersten Kopplerraum eingeleiteten Druckkraft am Injektorkörper abgestützt, wodurch
die Düsennadel beim Öffnen nur
gegen eine entsprechend reduzierte, an der ersten Steuerfläche angreifende
hydraulische Schließkraft
bewegt werden muss.
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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 und 2 jeweils
einen stark vereinfachten, prinzipiellen Längsschnitt durch einen Injektor
bei verschiedenen Ausführungsformen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Entsprechend
den 1 und 2 umfasst ein Injektor 1 einen
Injektorkörper 2,
der aus mehreren Körperabschnitten 3 zusammengesetzt
bzw. zusammengebaut sein kann. Die einzelnen Körperabschnitte 3 können dabei
auf beliebige, geeignete Weise aneinander befestigt sein, beispielsweise
können
einzelne oder mehrere Körperabschnitte 3 miteinander
verschweißt
oder durch eine Überwurfhülse miteinander
verschraubt sein. Der Injektor 1 ist ebenso wie eine Kraftstoffhochdruckleitung 4 Bestandteil einer
im übrigen
nicht gezeigten Kraftstoffeinspritzanlage einer Brennkraftmaschine,
die vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist. Bei einem
Common-Rail-System sind mehrere derartige Injektoren 1 an
die gleiche Kraftstoffhochdruckleitung 4 angeschlossen.
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Der
Injektorkörper 2 enthält zumindest
ein Spritzloch 5, durch das unter Einspritzdruck stehender
Kraftstoff in einen Einspritzraum 6 einspritzbar ist. Üblicherweise
sind mehrere Spritzlöcher 5 vorhanden,
die insbesondere bezüglich
einer Längsmittelachse 7 des
Injektorkörpers 2 sternförmig verteilt
angeordnet sind. Der Injektorkörper 2 enthält eine
Düsennadel 8,
die im Injektorkörper 2 hubverstellbar
gelagert ist. Eine radial zwischen der Düsennadel 8 und dem
Injektorkörper 2 ausgebildete
Führung
und/oder Lagerung ist dabei mit 9 bezeichnet. Die Düsennadel 8 dient
zum Steuern der Einspritzung von Kraftstoff durch das wenigstens
eine Spritzloch 5. Hierzu wirkt die Düsennadel 8 an einem
dem wenigstens einen Spritzloch 5 zugewandten Spitzenabschnitt 10 mit dem
Düsenkörper 2 zur
Bildung eines Dichtsitzes 11 zusammen, wenn sich die Düsennadel 8 in
ihrer Schließstellung
befindet. In ihrer Schließstellung sperrt
die Düsennadel 8 das
wenigstens eine Spritzloch 5. Bei geöffneter Düsennadel 8 findet
eine Einspritzung durch das wenigstens eine Spritzloch 5 statt.
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Der
Injektor 1 enthält
in seinem Injektorkörper 2 außerdem einen
Kopplerkolben 12, der mit einem Aktor 13 antriebsverbunden
ist. Hierzu ist der Kopplerkolben 12 beispielsweise an
einem Aktorkopf 14 auf geeignete Weise befestigt. Der Aktor 13 ist vorzugsweise
als Piezoaktuator ausgestaltet, der beispielsweise über elektrische
Steuerleitungen 15 ansteuerbar bzw. betätigbar ist. Der Aktor 13 ist
mit seinem Aktorfuß 16 am
Injektorkörper 2 abgestützt. Grundsätzlich sind
die Steuerleitungen 15 auch durch den Aktorfuß 16 hindurch
an den Aktor 13 anschließbar, vergleiche z. B. 2.
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Sofern
der Aktor 13 ein Piezoaktuator ist, weist er im entspannten
oder entstromten bzw. entladenen Zustand parallel zur Längsmittelachse 7 seine kleinste
Länge auf.
Beim Bestromen bzw. beim Spannen bzw. Aufladen des Aktors 13 dehnt
er sich aus und vergrößert dabei
seine axiale Länge.
Bei diesen Betätigungen
des Aktors 13 führt
dieser einen axialen Hub aus, den der damit gekoppelte Kopplerkolben 12 ebenfalls
identisch durchführt.
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Der
Kopplerkolben 12 weist eine erste Kopplerfläche 17 auf,
die dem wenigstens einen ersten Spritzloch 5 zugewandt
ist und die einen ersten Kopplerraum 18 axial begrenzt.
Gegenüber
der ersten Kopplerfläche 17 ist
eine vom wenigstens einen Spritzloch 5 abgewandte erste
Steuerfläche 19 vorgesehen,
die ebenfalls eine axiale Begrenzung des ersten Kopplerraums 18 bildet.
Diese erste Steuerfläche 19 kann
grundsätzlich
an der Düsennadel 8 ausgebildet
sein. Im vorliegenden Fall ist die erste Steuerfläche 19 jedoch
an einem Nadelverband 20 ausgebildet, der als einen seiner
Bestandteile die Düsennadel 8 umfasst.
Der Nadelverband 20 bildet eine zusammenhängende,
gemeinsam hubverstellbare Einheit, die aus mehreren Bestandteilen
besteht. Neben der Düsennadel 8 umfasst
der Nadelverband 20 hier noch einen kolben- oder stangenförmigen,
vom wenigstens einen Spritzloch 5 entfernten Endabschnitt 21 sowie
einen Stufenkolben 22, der zwischen der Düsennadel 8 und
dem Endabschnitt 21 angeordnet ist. Grundsätzlich können die
einzelnen Bestandteile 8, 21, 22 des
Nadelverbands 20 in axialer Richtung lose aneinander anliegen.
Ebenso ist es möglich, dass
zumindest zwei dieser Bestandteile 8, 21, 22 fest
miteinander verbunden sind oder integral aus einem Stück hergestellt
sind.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist somit die erste Steuerfläche 19 am
Nadelverband 20, nämlich
an dessen Endabschnitt 21, ausgebildet. Die Düsennadel 8 bzw.
der Nadelverband 20 weist außerdem eine dem wenigstens
einen Spritzloch 5 zugewandte zweite Steuerfläche 23 auf,
die einen zweiten Kopplerraum 24 axial begrenzt. Die beiden
Kopplerräume 18 sind über einen
hydraulischen Kopplerpfad 25 hydraulisch miteinander gekoppelt.
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Wie
den 1 und 2 deutlich zu entnehmen ist,
ist die erste Steuerfläche 19 kleiner
als die erste Kopplerfläche 17 ausgestaltet.
Hierdurch kann eine Druckerhöhung
in den Kopplerräumen 18, 24 kleiner
ausfallen, wenn die Düsennadel 8 zum Öffnen angesteuert
werden soll. Damit sich die Düsennadel 8 aus
ihrer Schließstellung
in Öffnungsrichtung
bewegt, müssen
die über
die zweite Steuerfläche 23 in die
Düsennadel 8 bzw.
in den Nadelverband 20 eingeleiteten hydraulischen Öffnungskräfte die über die erste
Steuerfläche 19 in
die Düsennadel 8 bzw.
in den Nadelverband 20 eingeleiteten hydraulischen Schließkräfte um ein
vorbestimmtes Maß übersteigen.
Da die an den Steuerflächen 19, 23 aufgrund der
hydraulischen Kopplung der beiden Kopplerräume 18, 24 angreifenden
Drücke
gleich groß sind,
ist die erzielbare Kraftdifferenz durch die Größe der Steuerflächen 19, 23 definiert.
Je größer die
verbundene Flächendifferenz,
desto größer ist
die erzielbare Kraftdifferenz. Da im erfindungsgemäßen Injektor 1 die
erste Steuerfläche 19 kleiner
ausgelegt ist als die erste Kopplerfläche 17, kann auch
die zweite Steuerfläche 23 vergleichsweise
klein ausgelegt werden, um die erforderliche Kraftdifferenz zwischen
den Steuerflächen 19, 23 zum Öffnen der
Düsennadel 8 erzielen
zu können.
Hierdurch baut der Injektor 1 zumindest in radialer Richtung
vergleichsweise kompakt. Darüber
hinaus kommt der Kopplerkolben 12 aufgrund der relativ
zur ersten Steuerfläche 19 großen ersten
Kopplerfläche 17 mit
einem vergleichsweise kleinen Axialhub aus, um die gewünschte Druckerhöhung in
den Kopplerräumen 18, 24 zu
erzeugen. In der Folge kann der Aktor 13 in axialer Richtung
vergleichsweise kurz ausgelegt werden, wodurch der Injektor 1 auch
in axialer Richtung vergleichsweise kurz bauen kann.
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Um
die erste Steuerfläche 19 kleiner
als die erste Kopplerfläche 17 ausgestalten
zu können,
ist der Injektor 1 hier mit einer Ringplatte 26 ausgestattet.
Diese Ringplatte 26 ist relativ zum Injektorkörper 2 zumindest
in Richtung zum wenigstens einen Spritzloch 5 hin ortsfest
angeordnet und weist eine vom wenigstens einen Spritzloch 5 abgewandte,
den ersten Kopplerraum 18 axial begrenzende Differenzfläche 27 auf.
Des Weiteren enthält
die Ringplatte 26 vorzugsweise konzentrisch zur Längsmittelachse 7 eine
Durchgangsöffnung 28,
in welcher der Endabschnitt 21 des Nadelverbands 20 hubverstellbar gelagert
ist. Eine radial zwischen der Ringplatte 26 und dem Endabschnitt 21 ausgebildete
Führung und/oder
Lagerung ist hier mit 29 bezeichnet. Die zuletzt genannte
Führung/Lagerung 29 zeichnet
sich durch eine vergleichsweise hohe hydraulische Dichtigkeit aus,
was beispielsweise durch entsprechend geringes Radialspiel erreicht
wird. Somit umschließt die
Differenzfläche 27 den
Endabschnitt 21 quasi ringförmig und ist der ersten Kopplerfläche 17 gegenüberliegend
angeordnet. Die Differenzfläche 27 bildet
die Flächendifferenz
zwischen der ersten Kopplerfläche 17 und der
ersten Steuerfläche 19.
Da die Ringplatte 26 ortsfest im Injektorkörper 2 angeordnet ist,
werden die an der Differenzfläche 27 angreifenden
hydraulischen Druckkräfte
letztlich am Injektorkörper 2 abgestützt.
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Der
Kopplerkolben 12 ist in einer Dichthülse 30 hubverstellbar
gelagert. Eine entsprechende Lagerung/Führung ist hier mit 31 bezeichnet
und ist vorzugsweise ebenfalls relativ dicht ausgestaltet. Die Dichthülse 30 umschließt den ersten
Kopplerraum 18 radial bzw. in Umfangsrichtung und liegt
axial an der Ringplatte 26 an. Mit Hilfe einer Rückstellfeder 32 ist die
Dichthülse 30 axial
gegen die Ringplatte 26 vorgespannt. Die Rückstellfeder 32 stützt sich
hierbei einerseits am Kopplerkolben 12 bzw. am Aktor 13 respektive
an dessen Aktorkopf 14 ab. Andererseits ist die Rückstellfeder 32 an
der Dichthülse 30 axial
abgestützt,
wozu diese mit einem umlaufenden Bund 33 versehen sein
kann.
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Um
die Schließbewegung
der Düsennadel 8 bzw.
des Nadelverbands 20 zu unterstützen, ist entsprechend der
in 1 gezeigten Ausführungsform vorzugsweise eine
Schließdruckfeder 34 vorgesehen.
Die Schließdruckfeder 34 stützt sich
hier einerseits an der Ringplatte 26 und andererseits an
der Düsennadel 8 bzw.
am Nadelverband 20 ab. Im Beispiel stützt sich die Schließdruckfeder 34 am
Stufenkolben 22 des Nadelverbands 20 ab. In dem
in 1 gezeigten Beispiel ist die Schließdruckfeder 34 in
einem Ringraum 35 angeordnet, der in axialer Richtung einerseits
von der Ringplatte 26 an einer dem wenigstens einen Spritzloch 5 zugewandten
Seite und andererseits von der Düsennadel 8 bzw.
vom Nadelverband 8 mittels einer Schließdruckfläche 36 begrenzt ist.
Die Schließdruckfläche 36 ist
hierbei am Nadelverband 20 bzw. an dessen Stufenkolben 22 ausgebildet.
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Der
Injektorkörper 2 enthält einen
Aktorraum 37, in dem der Aktor 13 und insbesondere
der Kopplerkolben 12 mit Dichthülse 30 angeordnet
sind. Durch den Injektorkörper 2 ist
ein Zuführpfad 38 hindurchgeführt. Der
Zuführpfad 38 ist
im Einbauzustand des Injektors 1 an die Kraftstoffhochdruckleitung 4 angeschlossen
und führt
dem wenigstens einen Spritzloch 5 den unter Einspritzdruck
stehenden Kraftstoff zu. Der Aktorraum 37 ist an diesen
Zuführpfad 38 angeschlossen
bzw. bildet der Aktorraum 37 einen Bestandteil dieses Zuführpfads 38.
Hierzu ist der Zuführpfad 38 durch
den Aktorraum 37 hindurchgeführt. In der Folge ist der Aktor 13 von
dem unter Einspritzdruck stehenden Kraftstoff umgeben. Der Ringraum 35 ist über wenigstens
eine geeignete, im Injektorkörper
(2) und/oder in der Ringplatte 26 (1)
ausgebildete Öffnung 39 mit
dem Aktorraum 37 hydraulisch gekoppelt. Dementsprechend
ist der Ringraum 35 an den Zuführpfad 38 angeschlossen.
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Der
die beiden Kopplerräume 18, 24 miteinander
hydraulisch verbindende Kopplerpfad 25 ist vorzugsweise
durch die Düsennadel 8 bzw.
durch den Nadelverband 20 hindurchgeführt. Im Beispiel umfasst der
Kopplerpfad 25 eine im Endabschnitt 21 ausgebildete
Axialbohrung 40, die zum ersten Kopplerraum 18 hin
offen ist, und zumindest eine Diagonalbohrung 41, die mit
der Axialbohrung 40 kommuniziert und zum zweiten Kopplerraum 24 offen
ist.
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Der
zweite Kopplerraum 24 ist von einer zweiten Kopplerfläche 42 begrenzt,
die vom wenigstens einen Spritzloch 5 abgewandt ist und
die gemäß 2 direkt
am Injektorkörper 2 ausgebildet
sein kann oder die gemäß 1 an
einer Stufenhülse 43 ausgebildet
sein kann. Entsprechend 1 ist die Stufenhülse 43 koaxial
zur Düsennadel 8 bzw.
zum Nadelverband 20 angeordnet, wobei in der Stufenhülse 43 der
Stufenkolben 22 hubverstellbar gelagert ist. Eine entsprechende
Führung
bzw. Lagerung ist mit 44 bezeichnet. Die Stufenhülse 43 ist
an einer dem wenigstens einen Spritzloch 5 zugewandten Seite
axial am Injektorkörper 2 abgestützt. Die
Ringplatte 26 ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise an
der Stufenhülse 43 axial
abgestützt,
wodurch die Ringplatte 26 ortsfest am Injektorkörper 2 abgestützt ist.
Im Unterschied dazu ist die Ringplatte 26 bei der in 2 gezeigten
Ausführungsform
unmittelbar am Injektorkörper 2 axial
abgestützt.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
ist mit 44 die radial zwischen Stufenkolben 22 und
Injektorkörper 2 ausgebildete
Lagerung/Führung
bezeichnet.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist der Zuführpfad 38 radial
zwischen der Stufenhülse 43 und
dem Injektorkörper 2 hindurchgeführt. Hierzu kann
zwischen Stufenhülse 43 und
Injektorkörper 2 ein
entsprechendes Radialspiel ausgebildet sein, wodurch zwischen Injektorkörper 2 und
Stufenhülse 43 ein
Außenringraum 45 entsteht.
Der Außenringraum 45 ist
zum Aktorraum 37 hin offen ist und kommuniziert über wenigstens
eine, an der Stufenhülse 43 ausgebildete
Aussparung 46 mit einem Innenringraum 47, der
radial zwischen der Stufenhülse 43 und
der Düsennadel 8 bzw.
dem Nadelverband 20 ausgebildet ist.
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Des
Weiteren ist der Zuführpfad 38 radial zwischen
der Düsennadel 8 und
dem Injektorkörper 2 weitergeführt bis
zu einem Düsenringraum 48,
der radial zwischen dem Injektorkörper 2 und der Düsennadel 8 bzw.
dem Spitzenabschnitt 10 ausgebildet ist. Um die hydraulische
Verbindung zwischen dem Innenringraum 47 und dem Düsenringraum 48 zu
gewährleisten,
kann die Düsennadel 8 an
ihrer Außenseite
mit mehreren, in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Freischliffflächen 49 versehen
sein.
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Die
Düsennadel 8 enthält in ihrem
Spitzenabschnitt 10 einen vorzugsweise zentrisch angeordneten
Axialkanal 50, der an seinem, nahe dem wenigstens einen
Spritzloch 5 angeordneten Ende zu einem Düsenraum 51 offen
ist. Der Düsenraum 51 ist axial
vom Spitzenabschnitt 10 und vom Injektorkörper 2 begrenzt.
Des Weiteren kommuniziert der Axialkanal 50 über wenigstens
einen im Spitzenabschnitt 10 ausgebildeten Querkanal 52 mit
dem Düsenringkanal 48.
Somit ist der Düsenraum 51 mit dem
Düsenringraum 48 hydraulisch
gekoppelt.
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Der
Dichtsitz 11 ist hier als Doppeldichtsitz ausgebildet und
weist dementsprechend einen radial innen liegenden ersten Teildichtsitz 53 sowie
einen radial außen
liegenden zweiten Teildichtsitz 54 auf. In der Schließstellung
der Düsennadel 8 trennt
der erste Teildichtsitz 53 das wenigstens eine Spritzloch 5 vom Düsenraum 51,
während
der zweite Teildichtsitz 54 das wenigstens eine Spritzloch 5 vom
Düsenringraum 48 trennt.
Durch die innen liegende und außen liegende
Versorgung des wenigstens einen Spritzlochs 5 mit Kraftstoff
bei geöffneter
Düsennadel 8 kann
bereits bei einem vergleichsweise kleinen Nadelhub die problematische
Sitzdrosselung überwunden
werden, wodurch sich für
den Injektor 1 besonders kurze Ansprechzeiten ergeben.
Außerdem
lässt sich
dadurch die Dosierung des einzudüsenden Kraftstoffs
mit erhöhter
Genauigkeit steuern.
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Düsenraum 51 und
Düsenringraum 48 sind beide
an den Zuführpfad 38 angeschlossen
bzw. bilden jeweils einen Bestandteil desselben. Während bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform der Düsenraum 51 über den
Axialkanal 50 und den Querkanal 52 an den Düsenringraum 48 und
somit an den Zuführpfad 38 angeschlossen
ist, zeigt 2 eine Ausführungsform, bei welcher der
Axialkanal 50 über wenigstens
eine weitere Diagonalbohrung 55 an den Innenringraum 35 angeschlossen
ist. Auf diese Weise ist der Düsenraum 51 direkt
in den Zuführpfad 38 eingebunden,
während
der Düsenringraum 48 über den
Querkanal 52 und den Axialkanal 50 an den Zuführpfad 38 angeschlossen
ist.
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Wie
aus 2 hervorgeht, kann der Zuführpfad 38 zwischen
dem Injektorkörper 2 und
der Kraftstoffhochdruckleitung 4 optimal mit einer Drosselstelle 56 versehen
sein.