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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Kraftstoff-Injektor, insbesondere einen
Common-RailInjektor, zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bekannte
Kraftstoff-Injektoren weisen eine Düsennadel zum Zusammenwirken
mit einem Düsennadelsitz auf. Die Düsennadel bekannter
Kraftstoff-Injektoren ist entweder direkt oder indirekt über einen
Servokreislauf mittels eines Aktuators zwischen einer Schließstellung
und einer Öffnungsstellung verstellbar, wobei die Düsennadel
in der Schließstellung am Düsennadelsitz dichtend
anliegt und dadurch den Kraftstoffaustritt aus einer Anzahl von
Einspritzlöchern verhindert. Sobald die Düsennadel
von ihrem Düsennadelsitz weg bewegt wird, kann Kraftstoff
am Düsennadelsitz vorbei durch die Einspritzlöcher
hindurch in den Brennraum der Brennkraftmaschine strömen.
Bekannte Düsennadeln sind in einem axial von dem Sitzbereich
der Düsennadel beabstandeten Bereich unmittelbar am Innenumfang
eines Düsenkörpers geführt. Zu diesem Zweck
sind an der Düsennadel über den Umfang gleichmäßig
verteilt angeordnete Führungsflächen ausgebildet,
mit denen sich die Düsennadel bei ihrer axialen Verstellbewegung
in radialer Richtung am Innenumfang einer Führungsbohrung
im Düsenkörper abstützen kann. Wie sich
beispielsweise aus der
DE 197
06 661 A1 ergibt, ist es bekannt, die Düsennadel in
ihrem oberen Führungsbereich mit seitlichen Anschliffen
zu versehen, um hierdurch die in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten,
eckseitigen Führungsflächen zu erzeugen. Dabei
wird von jedem seitlichen Anschliff ein Strömungskanal
zum axialen Zuführen von Kraftstoff zu den Einspritzlöchern
gebildet bzw. begrenzt. Beim Betrieb der bekannten Kraftstoff-Injektoren
kommt es zu einem Verdrehen der Düsennadel innerhalb des
Düsenkörpers, wodurch sich die relative Lage zwischen
den Einspritzlöchern und den Strömungskanälen ändert.
Zudem werden Düsennadelschwingungen in den Kraftstoff induziert. Resultat
kann eine ungleiche Massenstrom- und Sekundärgeschwindigkeitsverteilung
auf die Einspritzlöcher und damit eine Filamentbildung
beim Einspritzvorgang sowie ein Desachsieren der Düsennadel
sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoff-Injektor
mit einer optimierten Düsennadelführung vorzuschlagen.
Bevorzugt sollen ungleiche Massen- und Sekundärgeschwindigkeitsverteilungen
an den Einspritzlöchern vermieden werden. Ganz besonders
bevorzugt soll die Düsennadelführung fertigungstechnisch
einfach realisierbar sein.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Kraftstoff-Injektor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen
sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der
Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den
Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Führung der Düsennadel
eine Führungshülse vorzusehen und diese radial
zwischen der Düsennadel und dem Düsenkörper
anzuordnen, so dass die in axialer Richtung verlaufenden Strömungskanäle
zum Vorbeiführen von Kraftstoff an der Düsennadel
von der Führungshülse begrenzt werden. Ganz besonders
bevorzugt ist es dabei, wenn die Strömungskanäle
in die Führungshülse eingebracht sind, so dass die
Düsennadel sowie der Innenumfang einer Aufnahmebohrung
im Düsenkörper nicht spanend bearbeitet werden
müssen. Das Vorsehen eines zusätzlichen Bauteils
in Form einer Führungshülse scheint zwar zunächst
den Fertigungsaufwand zu erhöhen – im Ergebnis
wird dieser jedoch aufgrund der Möglichkeit zur vereinfachten
Ausbildung der Strömungskanäle reduziert, insbesondere
dann, wenn die Düsennadel und/oder der Düsenkörper
vollständig rotationssymmetrisch ausgebildet werden/wird.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der die Strömungskanäle als Axialnuten ausgebildet
sind, die in der Führungshülse vorgesehen, vorzugsweise
in diese durch spanende Bearbeitung eingebracht, sind. In Bezug
auf die Anordnung der Axialnuten gibt es unterschiedliche Möglichkeiten.
So können diese beispielsweise am Innenumfang der Führungshülse ausgebildet,
also nach radial innen offen, sein, wobei in diesem Fall die Strömungskanäle
radial außen sowie in Umfangsrichtung von den Axialnuten
und radial innen unmittelbar von der Düsennadel begrenzt bzw.
geschlossen werden. Im Falle der Ausbildung der die Strömungskanäle
bildenden Axialnuten am Innenumfang der Führungshülse
bilden jeweils zwei Axialnuten in Umfangsrichtung begrenzende Axialstege
bevorzugt mit ihrem jeweiligen radial inneren Umfang eine Führungsfläche
zur Führung der Düsennadel bei ihrer Verstellbewegung.
Auch ist es möglich, die Axialnuten am Außenumfang
der Führungshülse auszubilden, so dass die Axialnuten
nach radial außen offen bzw. vom Düsenkörper
verschlossen sind. Bei dieser Ausführungsform werden die Strömungskanäle
radial innen sowie in den Umfangsrichtungen von der Führungshülse
und radial außen vom Düsenkörper begrenzt.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Axialnuten entweder am Innenumfang
oder alternativ am Außenumfang der Führungshülse
angeordnet sind, wobei jedoch auch eine Ausführungsform
realisierbar ist, bei der sowohl am Außenumfang als auch
am Innenumfang der Führungshülse jeweils mindestens
eine Axialnut vorgesehen ist.
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Besonders
zweckmäßig ist es, die Anzahl der Strömungskanäle
an die Anzahl der in den Düsenkörper eingebrachten
Einspritzlöcher anzupassen, d. h. die gleiche Anzahl von
sich in axialer Richtung erstreckenden Strömungskanälen
und Einspritzlöchern vorzusehen. Bereits durch diese Maßnahme – selbst
bei sich in Umfangsrichtung verdrehender Führungshülse – kann
die Massenstrom- und Sekundärgeschwindigkeitsverteilung
an den Einspritzlöchern ausgeglichen und die Filamentbildung beim
Einspritzvorgang zumindest reduziert werden.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der eine feste Zuordnung zwischen den Strömungskanälen
und den Einspritzlöchern realisiert ist. Anders ausgedrückt
wird eine Relativbewegung zwischen den Strömungskanälen
und den Einspritzlöchern verhindert. Dies kann, wie später
noch erläutert werden wird, beispielsweise dadurch erreicht
werden, dass die Führungshülse drehfest innerhalb
des Düsenkörpers festgelegt ist. Dies kann beispielsweise
durch Einspressen der Führungshülse, vorzugsweise
nach vorherigem Ausrichten, realisiert werden. Zusätzlich oder
alternativ kann ein Verdreh sicherungsmechanismus vorgesehen werden,
der die Führungshülse, bevorzugt formschlüssig,
in der einmal eingenommenen Umfangsposition hält. Durch
die eindeutige Zuordnung der Strömungskanäle zu
den Einspritzlöchern und der daraus resultierenden eindeutigen
Zuteilung der Fluidströmungen durch die in Umfangsrichtung
beabstandeten Strömungskanäle zu den Einspritzlöchern
kann eine Ungleichheit der Massenstrom- und Sekundärgeschwindigkeitsverteilung
auf die Einspritzlöcher auf ein Minimum reduziert werden.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der sich
der einem Einspritzloch zugeordnete Strömungskanal nicht
unmittelbar oberhalb des Einspritzloches befindet, sondern stattdessen ein
den Strömungskanal in Umfangsrichtung begrenzender Axialsteg.
Anders ausgedrückt befinden sich der Axialsteg und das
Einspritzloch, bevorzugt die in Umfangsrichtung betrachteten Mittelpunkte des
Einspritzloches und des Axialsteges, auf dem selben Umfangswinkel.
Da sich in Kraftstoffströmungsrichtung hinter jedem Axialsteg
ein Unterdruckgebiet bildet, welches die Strömung hinter
den Axialsteg zieht, kann durch eine zuvor beschriebene feste Zuordnung
zwischen dem Einspritzloch und dem Axialsteg eine Fokussierung der
Strömung auf die stromabwärts gelegenen Einspritzlöcher
erreicht werden. Hierdurch können Schwingungen des Kraftstoffs
unterdrückt werden, was zu einer optimalen Minimierung
der Massenstrom- und Sekundärgeschwindigkeitsschwankungen
an den Einspritzlochaustritten führt. Zusätzlich
werden auf die Düsennadel wirkende Querkräfte
ausgeschlossen, wodurch eine Desachsierung verringert wird.
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Alternativ
ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der sich der
einem Einspritzloch zugeordnete Strömungskanal oberhalb
dieses Einspritzloches befindet. Anders ausgedrückt befinden
sich der Strömungskanal und das Einspritzloch, bevorzugt
die in Umfangsrichtung betrachteten Mittelpunkte bzw. Mittellinien
des Einspritzloches und des Strömungskanals, auf dem selben
Umfangswinkel.
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Um
eine feste Zuordnung zwischen den Einspritzlöchern und
den Strömungskanälen zu erzielen ist es, wie zuvor
bereits erläutern, bevorzugt, die Führungshülse
drehfest innerhalb einer Aufnahmebohrung des Düsenkörpers
anzuordnen. Im Hinblick auf die konkrete Ausbildung der drehfesten
Anordnung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Ganz
besonders bevorzugt ist es, wenn die Führungshülse
nach einem vorherigen Ausrichten in den Düsenkörper bzw.
in eine Aufnahmebohrung des Düsenkörpers eingepresst,
also in radialer Richtung nach außen kraftbeaufschlagt,
wird, wobei bevorzugt in diesem Fall am Außenumfang der
Führungshülse vorgesehene, die Strömungskanäle
begrenzende Axialnuten die feste Umfangsposition innerhalb der Aufnahmebohrung
sichern.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass die
Düsennadel, zumindest in einem mit der Führungshülse
zusammenwirkenden Führungsbereich, rotationssymmetrisch,
d. h. zylindrisch, konturiert ist, um hierdurch den Fertigungsaufwand
zu minimieren. Dies ist möglich, da die Strömungskanäle,
vorzugsweise am Innen- und/oder Außenumfang vorgesehene
Axialnuten, unmittelbar in der Führungshülse eingebracht
sind. Weiter bevorzugt ist es, wenn nicht nur die Düsennadel,
sondern zusätzlich der Innenumfang einer Aufnahmebohrung im
Düsenkörper, an dem die Führungshülse
anliegt, rotationssymmetrisch konturiert ist.
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Weiter
bevorzugt ist eine Ausführungsform des Kraftstoff-Injektors,
bei der die zwischen den Axialstegen gebildeten, nutartigen Strömungskanäle
jeweils zwei parallel zueinander verlaufende Seitenflächen
aufweisen. Auf diese Weise kann zum einen die Fertigung der Strömungskanäle
weiter erleichtert und zum anderen der Strömungskanalquerschnitt
optimiert werden. Ganz besonders bevorzugt – insbesondere
im Hinblick auf eine vereinfachte Fertigung – ist eine
Ausführungsform, bei der die Bodenfläche jeder
Axialnut rechtwinklig zu den jeweiligen parallelen Seitenflächen
orientiert ist.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass zwischen
den axialen Strömungskanälen und dem Sitzbereich
der Düsennadel nicht, wie im Stand der Technik, ein Mischungsbereich
zum Durchmischen des Kraftstoffs mit einer großen Axialerstreckung
vorgesehen ist, sondern dass die Strömungskanäle
sich bis in einen unteren, den Einspritzlöchern zugewandten
Axialbereich erstrecken, so dass eine Führung der Düsennadel
in unmittelbarer Nähe zu den Einspritzlöchern
gegeben ist, was zu einer weiteren Schwingungsreduzierung führt.
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Besonders
bevorzugt ist es dabei, wenn die Axialerstreckung der Strömungskanäle
und damit der Führungsflächen zur Führung
der Düsennadel größer ist als die halbe
Axialerstreckung der Düsennadel, um somit eine optimale
Führungswirkung zu erzielen und die Verkippneigung der
Düsennadel zu minimieren.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen.
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Diese
zeigen in:
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1 in
einer Explosionsdarstellung zwei unterschiedliche Möglichkeiten
zur Realisierung einer Düsennadelführung,
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2 eine
Schnittansicht einer ersten möglichen Ausführungsform
einer Führungshülse mit am Innenumfang ausgebildeten
Strömungskanälen,
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3 eine
alternative Ausführungsform der Führungshülse
mit am Außenumfang angeordneten Strömungskanälen,
und
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4 in
einer schematischen, abgewickelten Darstellung eine bevorzugte relative
Anordnung von Strömungskanälen zu Einspritzlöchern.
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In
1 ist
ausschnittsweise, d. h. ein unterer Abschnitt, eines Kraftstoff-Injektors
1 in
zwei alternativen Ausführungsvarianten gezeigt. Von seiner grundsätzlichen
Funktionsweise her kann der Kraftstoff-Injektor
1 beispielsweise
wie in der
DE 197
06 661 A1 beschrieben ausgebildet sein. Der Kraftstoff-Injektor
1 umfasst
einen (unteren) Düsenkörper, der in einer in den
nicht gezeigten Brennraum ragenden Spitze
3 (Endabschnitt)
eine Anzahl von Einspritzlöchern
4 aufweist, durch
die im Wesentlichen unter Rail-Druck stehender Kraftstoff in den
Brennraum strömen kann. In dem Düsenkörper
2 ist
eine als Sacklochstufenbohrung ausgebildete Bohrung eingebracht,
in der eine Führungshülse
5 aufgenommen
werden kann. In
2 sind zwei alternative Möglichkeiten
zur Ausbildung der Führungshülse
5 gezeigt.
Selbstverständlich kann immer nur eine der in
1 gezeigten
Führungshülsen
5 in einem Kraftstoff-Injektor
1 zum
Einsatz kommen. Diese Führungshülse
5 weist
einen Durchgangskanal
6 auf, der im montierten Zustand
von einer Düsennadel
7 durchsetzt ist. Die Führungshülse
5 dient
zur Führung der Düsennadel
7 bei ihrer
axialen Verstellbewegung. Die Düsennadel
7 wird
von einer Schließfeder
8, die sich an der Düsennadel
7 abstützt,
in axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach links unten auf
einen innerhalb des Düsenkörpers
2 ausgebildeten
und daher nicht sichtbaren Düsennadelsitz gepresst. Wenn
die Düsennadel
7 an ihrem Düsennadelsitz
anliegt, d. h. sich in einer Schließstellung befindet,
versperrt die Düsennadel
7 einen Zulauf von unter
Hochdruck stehendem Kraftstoff zu den in dem Düsenkörper
2 eingebrachten
Einspritzlöchern
4, durch die der unter hohem
Druck, von in diesem Ausführungsbeispiel über
2000 bar, stehende Kraftstoff in den nicht gezeigten Brennraum einer
ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine strömen kann. Hierzu
muss die Düsennadel
7 entweder indirekt über
einen Aktuator betätigten Servokreislauf durch Druckabsenkung
in einer Steuerkammer oder direkt über einen Aktuator nach
oben von dem Düsennadelsitz wegbewegt werden.
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Wie
bereits erläutert, dient die Führungshülse 5 zum
Führen der Düsennadel 7, hierzu stützt
sich die Düsennadel 7 in radialer Richtung im
montierten Zustand am Innenumfang der Führungshülse 5 ab. Wie
sich aus 1 weiter ergibt, sind in jede
der möglichen Führungshülsen 5 eine
Vielzahl von gleichmäßig über den Umfang
verteilte Axialnuten 9 eingebracht. Die Axialnuten 9 begrenzen
bei der in 1 oberen Führungshülse 5 zusammen
mit der Düsennadel 7 und bei der in 1 unteren
Führungshülse 5 zusammen mit dem Innenumfang
der Stufenbohrung im Düsenkörper 2 Strömungskanäle 10,
durch die Kraftstoff bei geöffneter, d. h. von ihrem Düsennadelsitz
abgehobener Düsennadel 7 in axialer Richtung zu
den Einspritzlöchern 4 und durch diese hindurch
in den Brennraum strömen kann.
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Die
in 1 obere Führungshülse 5 ist
in 2 in einer Schnittdarstellung gezeigt. Die in 2 untere
alternative Führungshülse 5 ist in einer Schnittdarstellung
in 3 gezeigt.
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Wie
sich aus 2 ergibt, sind die Axialnuten 9 gleichmäßig über
den Innenumfang der Führungshülse 5 verteilt.
Jeweils zwei in Umfangsrichtung nebeneinan der angeordnete Axialnuten 9 sind voneinander
getrennt von einem sich in axialer Richtung erstreckenden Axialsteg 11.
Die Axialstege 11 bilden an ihrem Innenumfang jeweils eine
konkav gewölbte an die Außenkontur der Düsennadel 7 angepasste
Führungsfläche 12 zum Führen
der Düsennadel 7 bei ihrer axialen Verstellbewegung.
Die Düsennadel 7 ist, wie sich insbesondere aus 1 ergibt, in
einem mit der Führungshülse 5 zusammenwirkenden
Führungsbereich 13 rotationssymmetrisch (zylindrisch)
konturiert.
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Weiterhin
ergibt sich aus 2, dass die Führungshülse 5 an
ihrem Außenumfang rotationssymmetrisch (zylindrisch) konturiert
ist und mit ihrem Außenumfang am Innenumfang einer Aufnahmebohrung 14 im
Düsenkörper 2 anliegt. Die Düsennadel 7 ist
relativ zu der Führungshülse 5 verdrehbar
angeordnet, was jedoch keinen Einfluss auf die Position der von
den Axialnuten 9 gebildeten Strömungskanäle 10 hat,
da die Führungshülse 5 drehfest innerhalb der
Aufnahmebohrung 14 sitzt. Die Führungshülse 5 ist
hierzu in die Aufnahmebohrung 14 eingepresst.
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform einer Führungshülse 5.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind
die Axialnuten 9 nicht am Innenumfang sondern am Außenumfang
der Führungshülse 5 angeordnet und begrenzen
zusammen mit dem Düsenkörper 2 die Strömungskanäle 10.
Anders ausgedrückt sind die Strömungskanäle 10 mit
Radialabstand zur Düsennadel 7 angeordnet. Die
jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Axialnuten 9 voneinander
trennenden Axialstege 11 dienen bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
nicht zur Führung der Düsennadel 7, sondern
zum Kontaktieren des Innenumfangs der Aufnahmebohrung 14 im
Düsenkörper 2. Wie bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2 ist die Führungshülse 5 in
diese Aufnahmebohrung 14 eingepresst. An ihrem Innenumfang
ist die Führungshülse 5 zylindrisch konturiert,
ebenso wie die Düsennadel 7 in ihrem axialen Führungsbereich 13 (Außenumfang).
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Wie
zu den 2 und 3 bereits erwähnt wurde,
hat die Führungshülse 5 innerhalb des
die Einspritzlöcher 4 aufweisenden Düsenkörpers 2 eine feste
Umfangsposition. Hieraus resultiert, dass die von der Führungshülse 5 begrenzten
Strömungskanäle 10 eine feste Zuordnung
zu den Einspritzlöchern 4 aufweisen. Eine mögliche
Relativposition der Strömungskanäle 10 zu
den Einspritzlöchern 4 ergibt sich aus 4.
Zu erkennen ist, dass die Anzahl der Strömungskanäle 10 der
Anzahl der Einspritzlöcher 4 entspricht. Die feste
Zuordnung der Einspritzlöcher 4 zu den sich in
axialer Richtung erstreckenden Axialnuten 9 und damit der
Strömungskanäle 10 wird besonders aus 5 deutlich, die eine schematisch abgewickelte
Darstellung der Ausführungsbeispiele gemäß den 2 und 3 zeigt.
Zu erkennen ist, dass jedem Einspritzloch 4 unmittelbar
ein Axialsteg 11 zugeordnet ist, wobei sich die Axialstege 11 sowie die
zugehörigen Einspritzlöcher 4 jeweils
aus demselben Umfangswinkel befinden. Wie sich weiter aus 5 ergibt, wird der Kraftstoffstrom 15 durch
Strömen der Strömungskanäle 10 abgelenkt
in Richtung der Einspritzlöcher 4. Dies ist auf
einen resultierenden Unterdruckstrom abwärts der Axialstege 11 zurückzuführen.
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Alternativ
zu der in 4 dargestellten Ausführungsform
ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der sich unmittelbar
unterhalb jedes Strömungskanals 10 ein Einspritzloch 4 befindet.
Der Kraftstoff kann dann unmittelbar aus dem Strömungskanal
in axialer Richtung gerade weiter zu dem zugehörigen Einspritzloch
strömen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19706661
A1 [0002, 0023]