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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, für die Kraftstoffeinspritzung in direkt einspritzenden
Dieselmotoren hubgesteuerte Kraftstoffinjektoren einzusetzen. Damit
ist der Vorteil verbunden, dass der Einspritzdruck leicht an Last und
Drehzahl angepasst werden kann. Die Einspritzdüsen des
Injektors können mittels einer Düsennadel oder
dergleichen gesteuert werden, die ihrerseits mittels eines piezoelektrischen
Aktors betätigt wird.
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Die ältere,
nicht vorveröffentlichte
DE 10 2006 062 216.2 zeigt einen
Kraftstoffinjektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1. Dabei wird der Niederdruckraum, welcher dazu dient, die für
den Öffnungshub der Düsennadel oder dergleichen
notwendigen Stellkräfte bzw. den für den Öffnungshub notwendigen
Energiebedarf gering zu halten, dadurch gebildet, dass der Nehmerkolben
als Stufenkolben ausgebildet ist, welcher einen Abschnitt mit geringerem
und einen Abschnitt mit größerem Querschnitt aufweist.
Dieser Stufenkolben ist in einem entsprechend stufenförmigen
Zylinder verschiebbar angeordnet, wobei der den geringeren Querschnitt
aufweisende Zylinderteil einen Teil des Kopplungsraumes bildet und
ein axial zwischen der zylinderseitigen Ringstufe und der kolbenseitigen
Ringstufe gebildeter Ringraum als Niederdruckraum ausgebildet und dementsprechend
mit einem relativ drucklosem Kraftstoffreservoir verbunden ist.
Hier wird ein vergleichsweise hoher konstruktiver Aufwand notwendig,
denn der genannte Ringraum darf nur einen begrenzten Querschnitt
haben, so dass die kolben- und zylinderseitigen Ringstufen geringe
radiale Abmessungen haben müs sen. Dies erfordert einerseits
eine hohe Präzision, wobei andererseits auch ein hoher Aufwand
für die Anordnung der Verbindungsleitung zum relativ drucklosen
Kraftstoffreservoir notwendig wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, einen Kraftstoffinjektor der im Oberbegriff
des Anspruches 1 angegebenen Art mit vergleichsweise geringen Herstellungskosten
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Kraftstoffinjektor der im Oberbegriff des
Anspruchs 1 genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
also zur Realisierung eines nur von Niederdruck beaufschlagtem Teilquerschnittes
am Nehmerkolben ein plungerartiger Fortsatz vorgesehen, dessen Querschnitt
den vom Niederdruck beaufschlagten Teilquerschnitt bestimmt. Da
dieser Teilquerschnitt regelmäßig geringer als
der Querschnitt des düsenseitigen Sitzes der Düsennadel
sein soll, müssen vergleichsweise kleine Querschnitte realisiert
werden. Im Falle des erfindungsgemäß vorgesehenen
plungerartigen Fortsatzes können dabei relativ große
Plungerdurchmesser ermöglicht werden, so dass Toleranzprobleme
vermieden und eine einfache Herstellbarkeit gewährleistet
werden können.
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Durch
den gemäß der Erfindung am Nehmerkolben vorgesehenen
plungerartigen Fortsatz, dessen Querschnitt im Niederdruckraum praktisch nur
von einem verschwindenden Druck beaufschlagt werden kann, wird gewährleistet,
dass im Schließzustand der Düsennadel oder dergleichen
nur ein im Vergleich zum Querschnitt des Dichtsitzes der Düsennadel
verkleinerter Querschnitt von dem hohen Druck der Hochdruckquelle
schließend belastet werden kann. Damit kön nen
die vom Aktor beim Öffnungshub der Düsennadel
aufzubringenden Stellkräfte relativ gering sein, so dass
für den Öffnungshub auch nur wenig Energie benötigt
wird.
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Vorzugsweise
sind weitere Maßnahmen vorgesehen, um auch die beim Schließhub
der Düsennadel notwendigen Aktorkräfte gering
zu halten.
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Dies
kann beispielsweise gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung dadurch erreicht werden, dass innerhalb eines den
Hochdruckraum mit der Eingangsseite der Einspritzdüsen verbindenden
Strömungspfades des Kraftstoffes eine Drossel angeordnet
ist. Während der Einspritzphase tritt an dieser Drossel
eine Druckdifferenz auf, wobei eingangsseitig der Drossel im Wesentlichen ein
dem Druck im Hochdruckraum entsprechender Eingangsdruck und ausgangsseitig
ein dem vergleichsweise geringen Brennraumdruck angenäherter
Ausgangsdruck vorliegt, so dass der Schließhub der Düsennadel
gegen einen relativ geringen Widerstand ausführbar ist.
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Der
Niederdruckraum kann gemäß einer ersten vorteilhaften
Ausführungsform in einen stationären Teil am Injektorkörper
angeordnet und über eine Bohrung im Injektorkörper
mit dem relativ drucklosen Reservoir kommunizierend verbunden sein.
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Bei
dieser Ausführungsform kann der plungerförmige
Fortsatz an der Düsennadel gegebenenfalls ein zusätzliches
Führungselement für die Düsennadel bilden,
indem der plungerartige Fortsatz in einer Bohrung des Injektorkörpers
geführt ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen
sein, dass der Niederdruckraum im Geberkolben angeordnet und über
eine den Aktor durchsetzende Bohrung mit dem relativ drucklosen
Reservoir kommunizie rend verbunden ist. Diese Ausführungsform
kann vorteilhafter Weise so ausgebildet sein, dass die zum relativ drucklosen
Reservoir führende Leitung am Aktor in unmittelbarer Nähe
von elektrischen Anschlüssen zur Energieversorgung des
Aktors angeordnet bzw. zugänglich sein kann. Insbesondere
wird die Möglichkeit geboten, alle vorgenannten Leitungen
am düsenfernen Ende des Injektorkörpers anzubringen,
so dass eine weitgehend rotationssymmetrische Anordnung mit einfacher
Leitungsmontage gewährt wird.
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Vorzugsweise
kann ein piezoelektrischer Aktor vorgesehen sein, wobei eine Ausbildung
zweckmäßig ist, bei der der Aktor unter elektrischer
Beströmung seinen expandierten Zustand einnimmt und den
Geberkolben in seiner der Schließlage der Düsennadel
zugeordneten Totpunktlage hält. Sobald die elektrische
Beströmung abgeschaltet und der Aktor entladen wird, nimmt
er dann seinen kontrahierten Zustand ein, bei der der Geberkolben
die der Offenlage der Düsennadel zugeordnete Totpunktlage
hat.
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Im Übrigen
wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche
und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand
der die Erfindung einschließlich besonders bevorzugter
Merkmale näher beschrieben wird.
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Schutz
wird nicht nur für ausdrücklich angegebene oder
dargestellte Merkmalskombinationen, sondern prinzipiell auch für
beliebige Kombinationen der angegebenen oder dargestellten Einzelmerkmale beansprucht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
der Zeichnung zeigt
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1 einen
Axialschnitt einer ersten vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung, und
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2 einen
Axialschnitt einer abgewandelten Ausführungsform.
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Beschreibung vorteilhafter
Ausführungsformen
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Der
in 1 dargestellte Kraftstoffinjektor 1 besitzt
einen Injektorkörper 2, welcher einen ersten Druckraum 3,
einen zweiten Druckraum 4 sowie einen daran anschließenden
dritten Druckraum 5 aufnimmt. Die Druckräume 3–5 sind
miteinander kommunizierend verbunden, indem ein zwischen den Druckräumen 3 und 4 angeordneter
Zwischenboden 6 des Injektorkörpers 2 von
einer die vorgenannten Druckräume 3 und 4 verbindenden
Axialbohrung 7 durchsetzt wird. Der Druckraum 5 dient
als Axialführung einer Düsennadel 8,
die am in der Zeichnung unteren Ende des Druckraumes 5 angeordnete
Einspritzdüsen 9 steuert, über die der
Druckraum 5 mit einem nicht dargestellten Brennraum eines
Verbrennungsmotors verbindbar ist. In der Zeichnung nimmt die Düsennadel 8 ihre
die Düsen 9 absperrende Schließlage ein,
in der das düsenseitige Ende der Düsennadel 8 mit
einer düsenseitigen Ringkante dicht auf einem die Eingänge
der Düsen 9 mit radialem Abstand umschließenden
ringförmigen Düsennadelsitz aufsitzt, so dass
innerhalb des Druckraumes 5 ein Düseneingangsraum 10 von
einem zwischen der axialen Innenwand des Druckraumes 5 und
dem Außenumfang der Düsennadel 8 verbleibenden
Ringraum abgetrennt wird.
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Dieser
Ringraum kommuniziert ständig mit dem Druckraum 4.
Zu diesem Zweck ist die Düsennadel 8 in einem
an den Druckraum 4 angrenzenden erweiterten oberen Axialbereich
des Druckraumes 5 mit an der Düsennadel angeordneten
Axialstegen oder dergleichen axial verschiebbar geführt,
wobei zwischen den Axialstegen den vorgenannten Ringraum mit dem
Druckraum 4 verbindende Frei räume verbleiben.
Wenn die Düsennadel 8 ihre vom Sitz an den Einspritzdüsen 9 abgehobene
Offenlage einnimmt, ist der Düseneingangsraum 10 über
die Druckräume 5 und 4 sowie die Axialbohrung 7 im Zwischenboden 6 und
dem Druckraum 3 mit einem unter Hochdruck stehenden Kraftstoffspeicher 11 verbunden,
der typischerweise als „Common Rail” ausgebildet
ist und über eine Anschlussleitung 12 mit dem
ersten Druckraum 3 kommuniziert. Damit kann unter Hochdruck
stehender Kraftstoff über die Einspritzdüsen 9 in
den Brennraum des Verbrennungsmotors eingespritzt werden.
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Zur
Betätigung der Ventilnadel 8 dient ein im dargestellten
Beispiel als piezoelektrisches Element ausgebildeter Aktor 13,
der über elektrische Leitungen 14 mit einer elektrischen
Spannungsquelle verbunden und mit der Ventilnadel 8 in
der nachfolgend dargestellten Weise hydraulisch gekoppelt ist. Die hydraulische
Kopplung erfolgt dadurch, dass ein mittels des Aktors 13 hubbeweglicher
Geberkolber 15 in einem geberseitigen Kopplungsraum 16 verdrängerwirksam
arbeitet. Der geberseitige Kopplungsraum 16 ist über
eine den Zwischenboden 6 durchsetzende Leitung 17 mit
einem nehmerseitigen Kopplungsraum 18 verbunden, in welchem
ein an der Düsennadel 8 angeordneter Nehmerkolben 19 verdrängerwirksam
arbeitet. Wenn also der Geberkolben 15 eine den Kopplungsraum 16 verkleinernde
Abwärtsbewegung ausführt, wird Fluid aus dem Kopplungsraum 16 über
die Leitung 17 in den Kopplungsraum 18 ausgeschoben,
so dass der Nehmerkolben 19 mit der Düsennadel 8 eine
Abwärtsbewegung in Richtung der Schließlage der
Düsennadel 8 ausführt. Umgekehrt nimmt
der Kopplungsraum 16 bei Aufwärtsbewegung des
Geberkolbens 15 Fluid aus dem Kopplungsraum 18 auf,
wobei sich der Nehmerkolben 19 mit der Ventilnadel 8 in
Aufwärtsrichtung, das heißt in eine Offenlage
der Ventilnadel 8 bewegt. Da die verdrängerwirksamen
Kolbenquerschnitte vom Geber- und Nehmerkolben 15 und 19 unterschiedlich sind,
wird eine entsprechende Hubübersetzung bewirkt, wobei das Übersetzungsverhältnis
invers zum Verhältnis der Querschnitte ist.
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Der
Kopplungsraum 16 wird vom Druckraum 3 durch eine
Dichthülse 20 abgetrennt, die auf dem Geberkolben 15 verschiebbar
geführt und mittels einer Schraubendruckfeder 21,
welche zwischen einem am Geberkolben 15 angeordneten Ringbund und
dem zugewandten Stirnrand der Dichthülse 20 eingespannt
ist, gegen die dem Geberkolben 15 zugewandte Stirnseite
des Zwischenbodens 6 gespannt wird, derart, dass die Dichthülse 20 mit
einer scharfen Ringkante auf einer Ringlinienzone des Zwischenbodens 6 dicht
aufsitzt.
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In ähnlicher
Weise wird der Kopplungsraum 18 vom Druckraum 4 durch
eine Dichthülse 22 abgetrennt, die auf dem Nehmerkolben 19 verschiebbar geführt
und mittels einer zwischen einem Ringbund am Nehmerkolben und dem
zugewandten Stirnrand der Dichthülse 22 eingespannten
Schraubendruckfeder 23 gegen die dem Nehmerkolben 19 zugewandte Stirnseite
des Zwischenbodens 6 gespannt wird, wobei die Dichthülse 22 mit
einer scharfen Ringkante auf einer entsprechenden Ringlinienzone
auf der in der Zeichnung unteren Stirnseite des Zwischenbodens 6 dicht
aufsitzt. Gleichzeitig spannt die Feder 23 die Düsennadel 8 in
deren Schließlage.
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Am
Nehmerkolben 19 ist ein dazu gleichachsiger plungerartiger
Fortsatz 24 angeordnet, der in einer innerhalb des Zwischenbodens 6 sowie
eines damit verbundenen Zusatzkörpers 25 angeordneten Sackbohrung 26 verdrängerwirksam
arbeitet. Innerhalb der Sackbohrung 26 wird vom Plunger 24 ein Niederdruckraum 27 abgesperrt,
der über eine den Zwischenboden 6 im dargestellten
Beispiel radial durchsetzende Rücklaufleitung 28 mit
einem relativ drucklosen Kraftstoffreservoir verbunden ist.
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Innerhalb
des bei in Offenstellung befindlicher Ventilnadel 8 gebildeten
Strömungspfades vom Druckraum 4 zum Düseneingangsraum 10 ist
eine Drossel 29 angeordnet, die im dargestellten Beispiel als
Ringspaltdrossel zwischen dem Außenumfang eines an der
Düsennadel 8 angeordneten Flansches und dem Innenumfang
des Druckraumes 5 ausgebildet ist. Der Zweck dieser Drossel
wird weiter unten erläutert.
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Der
Kraftstoffinjektor der 1 funktioniert wie folgt: Die
Kopplungsräume 16 und 18 sind beim Betrieb
mit Kraftstoff gefüllt und stehen im Wesentlichen unter
gleichem Druck wie der Kraftstoff in den Druckräumen 3 und 4.
Solange der piezoelektrische Aktor über die elektrischen
Leitungen 14 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt
wird, hält er den Geberkolben 15 in der zeichnerisch
dargestellten unteren Totpunktlage. Gleichzeitig wird die Düsennadel 8 von
der Schraubendruckfeder 23 in die dargestellte Schließlage
gespannt, wobei eine eventuelle Unterfüllung der Kopplungsräume 16 und 18 durch
einen Kraftstoff-Leckagestrom aus den Druckräumen 3 und/oder 4 ausgeglichen
wird. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Kopplungsräume 16 und 18 mit den
Druckräumen 3 und 4 einerseits über
die Ringspalte zwischen den Dichthülsen 20 und 22 sowie
den zugeordneten Kolben 15 und 19 eine stark gedrosselte
Verbindung haben, andererseits ist im Zusatzkörper 25 ein
Radialschlitz 30 angeordnet, der mit dem Ringspalt zwischen
dem Außenumfang des Plungers 24 und dem Innenumfang
der Sackbohrung 26 kommuniziert, wobei durch diesen Ringspalt
eine Leckströmung vom Druckraum 4 in den Kopplungsraum 18 und
damit über die Leitung 17 in den Kopplungsraum 16 ermöglicht
wird. Im Endergebnis stellt sich also im Betriebszustand der 1 Druckgleichheit
zwischen den Druckräumen 3 und 4 und
den Kopplungsräumen 16 und 18 ein, gleichzeitig
nimmt die Düsennadel 8 unabhängig von
temperaturabhängigen Maßänderungen der
miteinander zusammenwirkenden Elemente ihre exakte Schließlage
ein.
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Sobald
der piezoelektrische Aktor 13 von der elektrischen Spannungsquelle
abgekoppelt und entladen wird, geht er in seinen axial kurzen Zustand über,
das heißt der Geberkolben 15 wird in seine obere
Totpunktlage gebracht, wobei der geberseitige Kopplungsraum 16 Fluid
aus dem nehmerseitigen Kopplungsraum 18 über die
Leitung 17 übernimmt und der Nehmerkolben 19 mit
der Düsennadel 8 einen die Einspritzdüsen 9 freigebenden Öffnungshub ausführt.
Dabei kann der Zusatzkörper 25 mit dem Nehmerkolben 19 zur
Begrenzung des Öffnungshubes anschlagartig zusammenwirken.
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Für
den Öffnungshub wird nur eine relativ geringe Stellkraft
bzw. Energie benötigt, weil der Querschnitt des Plungers 24 nur
vom verschwindenden Druck des Kraftstoffreservoirs beaufschlagt
wird. Vorzugsweise liegt der Querschnitt des Plungers 24 bei etwa
60–80% des Querschnittes des Düsennadelsitzes
an den Einspritzdüsen 9.
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Beim
nachfolgenden Schließhub der Düsennadel 8 genügen
wiederum eine geringe Stellkraft bzw. eine geringe Energie, weil
während der Öffnungsphase, das heißt
während der Einspritzphase, an der Drossel 29 eine
Druckdifferenz auftritt, mit der Folge, dass der Druck im Düseneingangsraum 10 gegenüber
dem Druck im Druckraum 4 vermindert wird und dementsprechend
verminderte hydraulische Kräfte in Öffnungsrichtung
der Düsennadel im Düseneingangsraum 10 wirksam
werden.
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Auf
diese Weise wird der Vorteil gewährleistet, dass ein vergleichsweise
leistungsschwacher piezoelektrischer Aktor eingesetzt werden kann.
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Die
die Kopplungsräume 16 und 18 verbindende
Leitung 17 kann mit einer Drossel versehen bzw. als Drosselleitung
ausgebildet sein. Damit muss beim Fluidaustausch zwischen den Kopplungskammern 16 und 18 ein
entsprechender Drosselwiderstand überwunden werden mit
der Folge, dass die Hübe der Kolben 15 und 19 und
damit auch die Hübe der Ventilnadel 8 entsprechend
gedämpft werden.
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Die
Ausführungsform der 2 unterscheidet
sich von der Ausführungsform der 1 im Wesentlichen
dadurch, dass der plungerartige Fortsatz 24 des Nehmerkolbens 19 eine
die Kopplungskammern 16 und 18 verbindende Bohrung
im Zwischenboden 6 durchsetzt und in eine im Geberkolben 15 angeordnete
Sackbohrung hineinragt und dort einen Niederdruckraum 27' abschließt.
Dieser Niederdruckraum 27' ist über einen den
Aktor 13 durchsetzenden Axialkanal 31 mit einer
oberhalb des Aktors 13 im Injektorkörper 2 ausgebildeten
Anschlusskammer 32 verbunden, die ihrerseits über
die Rücklaufleitung 28' mit dem relativ drucklosen
Kraftstoffreservoir kommuniziert. Der zwischen dem Außenumfang
des Plungers 24 und dem Innenumfang der den Plunger 24 aufnehmenden
Sackbohrung im Geberkolben 15 gebildete Ringspalt kommuniziert über
einen Radialschlitz 30' im Geberkolben 15 mit
dem Druckraum 3. Somit wird ein Fluidaustausch zwischen
dem Druckraum 3 und dem Kopplungsraum 16 und damit über die
Leitung 17' auch mit dem Kopplungsraum 18 ermöglicht,
so dass sich im Ruhezustand der 2 Druckgleichheit
zwischen den Kopplungsräumen 16 und 18 sowie
den Druckräumen 3 und 4 einstellen und
die Düsennadel 8 von der Schraubendruckfeder 23 unabhängig
von eventuellen temperaturabhängigen Maßänderungen
der miteinander zusammenwirkenden Elemente in der exakten Schließlage
gehalten werden kann.
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Im Übrigen
ist bei der Ausführungsform der 2 vorteilhaft,
dass die Rücklaufleitung 28' am düsenfernen
Ende des Injektorkörpers 2 angeschlossen werden
kann bzw. dort zusammen mit den elektrischen Leitungen 14 zugänglich
ist. Dadurch wird der Einbau des Kraftstoffinjektors 1 an
einem Motor vereinfacht. Außerdem ist vorteilhaft, dass
der Zwischenboden 6 im Wesentlichen nur durch axiale Leitungen
durchdrungen wird.
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Im Übrigen
entspricht die Funktion des Kraftstoffinjektors der 2 der
Funktion des Injektors der 1.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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