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Die Erfindung betrifft einen Düsenkörper, insbesondere für einen Kraftstoffinjektor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein gattungsgemäßer Düsenkörper hat eine um eine Längsachse angeordneten Düsennadelausnehmung, umfassend einen konischen Düsennadelsitz und ein Sackloch, von dem aus sich mindestens ein Einspritzloch zu einer Außenoberfläche des Düsenkörpers erstreckt.
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Derartige Düsenkörper kommen beispielsweise bei Dieselinjektoren zum Einsatz. Der Düsenkörper bildet eine Spitze des Kraftstoffinjektors, welche im eingebauten Zustand in den Brennraum einer Brennkraftmaschine ragt. Für eine Einspritzung wird Kraftstoff im Inneren des Düsenkörpers zu den Einspritzlöchern geleitet und durch diese in den Brennraum eingespritzt. Der Düsenkörper ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine zentrale Längsachse des Injektors ausgebildet. Im Inneren des Düsenkörpers befindet sich eine Düsennadelausnehmung. Diese mündet am brennraumseitigen Ende in ein Sackloch. An ihrem dem Brennraum abgewandten Ende ist sie mit einer unter Hochdruck stehenden Kraftstoffzuleitung (z. B. Common Rail) verbunden. In der Düsennadelausnehmung ist eine Düsennadel in axialer Richtung beweglich gelagert.
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Zum öffnen und Schließen des Kraftstoffinjektors wird die Düsennadel durch einen Aktor direkt oder indirekt angesteuert zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung bewegt. Die Düsennadelausnehmung weist einen konischen Düsennadelsitz mit einer Dichtfläche auf. Im geschlossenen Zustand des Ventils wird die Düsennadel mit einer Dichtkante auf die Dichtfläche des Düsennadelsitzes unter Bildung eins Dichtsitzes gepresst. Zum öffnen des Kraftstoffinjektors wird die Düsennadel durch den Aktor angesteuert vom Düsennadelsitz abgehoben. Sobald die Düsennadel in eine Offenstellung bewegt wird und von dem Dichtsitz abhebt, kann Kraftstoff unter Druck in das darunterliegende Sackloch und zu den Einspritzlöchern strömen und in den Brennraum eingespritzt werden.
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Wenn die Ventilnadel in eine Schließstellung bewegt wird und einen Dichtsitz mit dem Düsennadelsitz bildet, wird das Volumen im Sackloch von der unter Druck stehenden Kraftstoffzuleitung getrennt. Der Druck im Sackloch entspannt sich durch die Einspritzung durch die Einspritzlöcher und der Druck im Sackloch sinkt. Trotzdem verbleibt ein Rest Kraftstoff in dem Volumen zwischen der Spitze der Düsennadel und dem Sackloch. Durch die Einspritzlöcher besteht dabei weiterhin eine direkte Verbindung zum Brennraum. Daher können auch bei geschlossenem Einspritzventil geringe Mengen an Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine gelangen, beispielsweise durch Ausgasung. Dies wirkt sich negativ auf die Emissionen der Brennkraftmaschine aus.
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Zukünftige Dieselmotorenkonzepte haben bedingt durch die Abgasgesetzgebung und modernes Motorenlayout höhere Anforderungen an die Reduzierung von Kohlenwasserstoff-(HC) und Kohlenmonoxid-(CO)Rohgasemissionen. Hierdurch steigen die Anforderungen an alle Komponenten, welche die HC- und CO-Rohgasemissionen direkt oder indirekt beeinflussen. Bei Dieseleinspritzdüsen sind dies üblicherweise die Volumina, welche während der Einspritzung von Kraftstoff durchströmt und außerdem nach Ende der Einspritzung (bei geschlossenem Einspritzventil) mit dem Brennraum in direktem Kontakt stehen. Dies sind das unterhalb des Dichtsitzes zwischen Düsennadel und Düsenkörper im Sackloch eingeschlossene Volumen und zusätzlich das Volumen der Einspritzlöcher.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen verbesserten Düsenkörper anzugeben, mit dem sich die Emissionen reduzieren lassen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Düsenkörper gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, durch eine Anordnung aus einem Düsenkörper und einer Düsennadel gemäß Anspruch 8, sowie durch einen Kraftstoffinjektor gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßer Düsenkörper hat eine zentrale Längsachse. Um diese herum ist eine Düsennadelausnehmung angeordnet, welche einen konischen Düsennadelsitz umfasst. Der Düsennadelsitz mündet in ein Sackloch, von welchem sich mindestens ein Einspritzloch zu einer Außenoberfläche des Düsenkörpers erstreckt. Am Übergang zum konischen Düsennadelsitz weist das Sackloch einen Sacklochdurchmesser auf und es erstreckt sich von dem Übergang in Achsrichtung bis zu einer Sacklochtiefe. Erfindungsgemäß ist das Verhältnis von Sacklochdurchmesser (17) zu Sacklochtiefe (18) größer oder gleich 1,5 ist.
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Bei herkömmlichen Sacklöchern sind Sacklochdurchmesser und Sacklochtiefe üblicherweise in etwa gleich groß, so dass ein Verhältnis von ca. 1 bzw. 1:1 gegeben ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sackloches als besonders flaches Sackloch kann das Volumen des Sackloches reduziert werden.
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Vorzugsweise erstrecken sich mehrere Einspritzlöcher von dem Sackloch zur Außenoberfläche des Düsenkörpers. Beispielsweise sind 4, 6 oder 8 Einspritzlöcher vorgesehen. Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Verhältnis von Sacklochdurchmesser zu Sacklochtiefe, von mindestens 1,5 kann das Sacklochvolumen besonders klein gehalten werden. Die Mehrzahl der Einspritzlöcher sind typischerweise symmetrisch um die Längsachse des Düsenkörpers verteilt und weisen von einer Umfangswand des Sackloches radial nach außen. Der Sacklochdurchmesser ist daher auch durch die Anzahl, Größe und Anordnung der Einspritzlöcher beeinflusst. Das erfindungsgemäße Verhältnis von Sacklochdurchmesser zu Sacklochtiefe lässt sich demnach durch eine besonders flache Ausgestaltung des Sackloches erreichen.
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Der Sacklochdurchmesser wird bestimmt am Übergang zwischen konischem Düsennadelsitz zum Sackloch. Dieser Übergang bildet beispielsweise eine Kante. Als Bezugspunkt dient dabei beispielsweise die axiale Position der Kante, bei welcher sich die Umfangswand der Düsennadelausnehmung von der konischen Form des Düsennadelsitzes zum Sackloch hin öffnet, bzw. an welcher die Umfangswand des Sackloches und die Umfangswand des Düsennadelsitzes aufeinandertreffen. Diese axiale Position dient als Bezugspunkt für die Bestimmung des Sacklochdurchmessers und auch für die Bestimmung der Sacklochtiefe. Die größte Sacklochtiefe liegt üblicherweise in der Mitte auf der Längsachse des Düsenkörpers. Beispielsweise endet das Sackloch in einer hohlkegelförmigen Spitze. Als Sacklochtiefe wird dann der axiale Abstand zwischen dem tiefsten Punkt des Sackloches in Brennraumrichtung zu dem wie oben bestimmten Bezugspunkt am Übergang zum konischen Düsennadelsitz bezeichnet.
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Bei dem Volumen der einzelnen Einspritzlöcher besteht wenig Gestaltungsspielraum. Somit kann durch das geringe Sacklochvolumen des erfindungsgemäßen Düsenkörpers das Austreten von Kraftstoff bei geschlossenem Einspritzventil reduziert werden. Dies führt zu einer Reduktion der Emissionen.
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Dieser Vorteil lässt sich bereits ab einem Verhältnis von Sacklochdurchmesser zu Sacklochtiefe von 1,5 erreichen. Vorteilhaft sind jedoch insbesondere noch größere Verhältnisse, die vor Allem durch eine weiter reduzierte Sacklochtiefe erreichbar sind. Gemäß bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung beträgt daher das Verhältnis von Sacklochdurchmesser zu Sacklochtiefe mindestens 1,7, mindestens 2 oder, besonders bevorzugt, mindestens 2,3. Möglich und vorteilhaft ist auch ein Verhältnis größer oder gleich 3.
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Eine solche, erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sackloches ist insbesondere vorteilhaft für direkt angetriebene Kraftstoffinjektoren. Bei herkömmlichen indirekt betätigten Kraftstoffinjektoren wird ein von einem Aktor bereitgestellter Betätigungshub über ein Servoventil auf die Düsennadel übertragen. Als Aktor kommt beispielsweise ein Piezoaktor zum Einsatz. Solche Piezoaktoren können jedoch nur einen begrenzten Hub zur Verfügung stellen. Durch das dazwischen geschaltete Servoventil kann der Betriebshub hydraulisch vergrößert werden.
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Bei direkt angetriebenen Kraftstoffinjektoren ist kein Servoventil zur Übertragung des Arbeitshubs auf die Düsennadel zwischengeschaltet. Der Hub des Aktors wird direkt oder gegebenenfalls durch eine mechanische Übersetzung auf die Düsennadel übertragen. Daher ist der maximale Nadelhub zur Öffnung des Kraftstoffeinspritzventils auch durch den vom Aktor bereitgestellten Hub vorgegeben bzw. durch diesen begrenzt. Um auch mit einem geringen Nadelhub ein schnelles öffnen des Nadelventils mit einem ausreichenden Strömungsquerschnitt erreichen zu können, sind daher der konusförmige Düsennadelsitz und die damit zusammenwirkende Düsennadelspitze mit einem großen Konuswinkel ausgestaltet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der erfindungsgemäße Düsenkörper daher einen konischen Düsennadelsitz mit einem Öffnungswinkel größer als 100°, vorzugsweise größer als 105° und besonders bevorzugt von größer als 110° auf. Vorzugsweise ist der Öffnungswinkel kleiner als 120° und besonders bevorzugt, kleiner als 115°.
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Als Öffnungs-Konus- oder Kegelwinkel wird in dieser Anmeldung der von einer konischen Fläche insgesamt eingeschlossene Winkel bezeichnet. Ein Öffnungswinkel von 100° entspricht damit einem Neigungswinkel von 50° zwischen der konischen Fläche und einer zentralen Längsachse.
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Ein Höhenwinkel der Einspritzlöcher gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers ist durch die Brennraumgeometrie und Einbausituation des Inkjektors in den Brennraum vorgegeben. Bei einem für einen Schrägeinbau vorgesehenen Injektor mit mehreren Einspritzlöchern im Düsenkörper weisen diese typischerweise jeweils unterschiedliche Höhenwinkel gegenüber der Längsachse auf. Die Einspritzlöcher untereinander können beispielsweise einen Kegelwinkel von bis zu 160° oder 165° oder mehr einschließen. Der Höhenwinkel einzelner Einspritzlöcher gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers kann dabei deutlich größer als 75° oder 80° werden.
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Bei derart großen Höhenwinkeln der Einspritzlöcher gegenüber der Längsachse des Düsenkörpers und gleichzeitig einem großen Öffnungswinkel des Düsennadelsitzes besteht zwischen dem Düsennadelsitz und dem Einspritzlöchern nur ein relativ kleiner, spitzer Winkel. Damit verbunden ist eine relativ dünne Wandstärke des Düsenkörpers zwischen Düsennadelsitz und Einspritzloch. Dies führt einerseits bei geöffnetem Ventil zu scharfen Umlenkungen des Kraftstoffs in diesem Bereich. Andererseits ist der zwischen dem Düsennadelsitz und dem Einspritzloch gebildete spitze Winkel besonders anfällig für Abnutzung durch häufiges öffnen und Schließen beim Betrieb des Kraftstoffeinspritzventils. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Stabilität ist daher eine gewisse Mindesttiefe des Sacklochs vorteilhaft, damit der Abstand zwischen Düsennadelsitz und Einspritzloch ausreichend groß gestaltet werden kann. Um dabei gleichzeitig ein möglichst geringes Schadvolumen in dem Sackloch zu erreichen, hat sich dabei das erfindungsgemäße Verhältnis von Sacklochdurchmesser zu Sacklochtiefe von mindestens 1,5, vorzugsweise größer oder gleich als 1,7, besonders bevorzugt größer oder gleich 2, und insbesondere größer oder gleich 2,3 oder auch größer oder gleich 3 als vorteilhaft herausgestellt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Düsenkörpers weist das Sackloch zwei in Achsrichtung aneinander angrenzende konische Bereiche und einen kegelförmigen Bereich an der Spitze auf, wobei die beiden konischen Bereiche und der kegelförmige Bereich jeweils unterschiedliche Öffnungswinkel aufweisen. Von dem Übergang von dem Düsennadelsitz zu Sackloch besteht somit ein erster konischer Bereich mit einem kleinen Konuswinkel. Anschließend an diesen in Richtung zur Injektorspitze hin schließt sich ein zweiter konusförmiger Abschnitt mit einem größeren Konuswinkel an. Das Sackloch endet in einem kegelförmigen Abschnitt mit einem Kegelwinkel, welcher größer ist als der erste und der zweite Konuswinkel. Durch diese Ausgestaltung des Sackloches mit drei verschiedenen Konus- beziehungsweise Kegelwinkeln kann das Schadvolumen des Sackloches weiter reduziert werden.
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Als Schadvolumen wird das Volumen des Sackloches bei geschlossenem Einspritzventil bezeichnet, wobei die Volumina der Einspritzlöcher nicht mitgerechnet werden. Das Schadvolumen ist also das zwischen Düsennadelspitze und Sacklochwand eingeschlossene Volumen.
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Die Einlassöffnungen der Einspritlöcher oder des Einspritzlochs sind dabei zwischen dem ersten konischen Bereich und dem zweiten konischen Bereich angeordnet. Auf diese Weise kann eine ausreichende Wandstärke des Düsenkörpers zwischen dem Düsennadelsitz und dem Einspritzloch am Übergangsbereich gewährleistet werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Düsenkörpers weist das Sackloch die Form eines Teil-Ellipsoids auf. Dies ermöglicht, ähnlich wie die Ausgestaltung mit drei verschiedenen Konus- beziehungsweise Kegelwinkeln, eine flache Ausgestaltung des Sackloches und eine ausreichende Wandstärke zwischen Düsennadelsitz und Einspritzloch.
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Bei einem Höhenwinkel der Einspritzlöcher gegenüber der Injektorachse von größer als 75° zusammen mit einem großen Öffnungswinkel im Düsennadelsitz zwischen 100° und 120° erstrecken sich die Einspritzlöcher schräg durch die Wand des Düsenkörpers. Als Wand wird hierbei das Material des Düsenkörpers zwischen dem Sackloch und der Außenoberfläche des Düsenkörpers bezeichnet. Der schräge Verlauf der Einspritzlöcher durch diese Wand bewirkt eine große Länge und somit ein großes Volumen der Einspritzlöcher, was sich ebenfalls ungünstig auf die Emissionen auswirkt.
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Daher ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Düsenkörpers an der Außenoberfläche des Düsenkörpers im Austrittsbereich der Einspritzlöcher eine Ausnehmung vorgesehen. Durch die Ausnehmung wird die Wandstärke des Düsenkörpers in diesem Bereich reduziert und die Länge der Einspritzlöcher wird verkürzt. Vorzugsweise wird die Länge der Einspritzlöcher verkürzt auf maximal 1,2 mm, besonders bevorzugt unter 1 mm und insbesondere bevorzugt unter 0,8 mm. Im umliegenden Bereich bleibt die Wandstärke des Düsenkörpers für eine ausreichende Hochdruckfestigkeit hoch. Die Ausnehmung kann beispielsweise als ringförmige Nut an der Außenoberfläche des Düsenkörpers ausgebildet sein. Alternativ kann für jedes Einspritzloch eine gesonderte, beispielsweise konusförmige Ausnehmung vorgesehen sein.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Sackloches kann in einer Anordnung aus einem erfindungsgemäßen Düsenkörper mit einer darin axial zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung beweglich gelagerten Düsennadel ein kleines Schadvolumen im Sackloch erreicht werden. Insbesondere kann durch die Erfindung ein Schadvolumen von weniger als 0,15 mm3, besonders bevorzugt von weniger als 0,1 mm3 eingeschlossen sein. Eine derartige Anordnung ist ein unabhängiger Gegenstand der Erfindung. Die Düsennadel weist dabei vorzugsweise eine kegelförmige oder eine kegelstumpfförmige Spitze auf.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist ein Kraftstoffinjektor mit einem oben beschriebenen erfindungsgemäßen Düsenkörper oder mit einer Anordnung aus einem erfindungsgemäßen Düsenkörper und einer Düsennadel, wie oben beschrieben. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird die Düsennadel in dem Kraftstoffinjektor durch einen Piezoaktor direkt angetrieben.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der in den 1 bis 3 dargstellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
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Es zeigen schematisch:
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1 einen erfindungsgemäßen Düsenkörper gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 eine Detailansicht des Düsenkörpers aus 1; und
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3 eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Düsenkörpers gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Der erfindungsgemäße Düsenkörper 10 weist eine zentrale Längsachse 22 auf. Symmetrisch um diese ist eine Düsennadelausnehmung 11 angeordnet. An dem zum Brennraum (nicht dargestellt) weisenden Ende der Düsennadelausnehmung 11 weist diese einen konischen Düsennadelsitz 12 mit einem Konuswinkel von 112° auf. In Brennraumrichtung schließt sich an den Düsennadelsitz 12 ein Sackloch 13 an. Davon ausgehend erstrecken sich Einspritzlöcher 14 mit einer Achse 23 zu einer Außenoberfläche 15 des Düsenkörpers. Im Bereich der Austrittsöffnungen der Einspritzlöcher 14 weist die Außenoberfläche 15 des Düsenkörpers 10 konusförmige Ausnehmungen 24 auf. Im Inneren der Düsennadelausnehmung 11 ist die Düsennadel 25 angeordnet. Diese weist einen schaftförmigen Bereich 26 und eine kegelstumpfförmige Spitze 27 auf. Oberhalb der kegelstumpfförmigen Spitze 27 bildet die Düsennadel 25 einen Dichtsitz mit dem Düsennadelsitz 12.
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Vom Düsennadelsitz in Brennraumrichtung (in der Zeichnung nach unten) schließt sich das Sackloch 13 an. Das Sackloch 13 weist einen ersten konischen Bereich 19 (siehe 2) mit einem ersten Konuswinkel auf. Daran anschließend in Brennraumrichtung ist ein zweiter konischer Bereich 20 mit einem zweiten, größeren Konuswinkel angeordnet. Der zweite Konus Winkel entspricht beispielsweise dem Konuswinkel des Düsennadelsitzes. Das Sackloch endet in Richtung des Brennraums mit einem kegelförmigen Bereich 21, der einen Öffnungswinkel aufweist, welcher größer ist als die Konuswinkel der ersten und zweiten konischen Bereiche des Sacklochs. Am Übergang 16 zwischen Düsennadelsitz und dem erstem konischen Bereich des Sackloches weist das Sackloch einen Sacklochdurchmesser 17 auf. Zur besseren Übersichtlichkeit ist in 2 die Düsennadel 25 in einem vom Düsennadelsitz abgehobenen Zustand dargestellt. Ausgehend von der axialen Position des Übergangs 16 wird die Sacklochtiefe 18 bestimmt.
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An der Außenoberfläche 15 des Düsenkörpers 10 ist eine ringförmig umlaufende Nut 24 vorgesehen, durch welche die Länge 28 der Einspritzlöcher 14 verkürzt ist. Die Länge 28 ist vorzugsweise kürzer als 1 mm.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Düsenkörpers. Bei dieser zweiten Ausführungsvariante ist das Sackloch in Form eines Teil-Ellipsoids ausgebildet. Sowohl bei der ersten, als auch bei der zweiten Ausführungsvariante weist das Sackloch 13 am Übergangsbereich 16 den Sacklochdurchmesser 17 auf. Ausgehend von diesem Übergangsbereich erstreckt sich das Sackloch 13 in eine Sacklochtiefe 18 in axialer Richtung zum Brennraum hin. Die Tiefe 18 des Sackloches beträgt beispielsweise unter 0,4 mm während der Durchmesser 17 größer als 0,8 mm ist.
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Alle vorstehend beschriebenen Aspekte und Merkmale der Erfindung können in Kombination miteinander für die Realisierung der Erfindung zum Einsatz kommen.
