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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2008 001 330 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor wird die Bewegung einer in einem Düsenkörper angeordneten Düsennadel über ein Steuerventil erzeugt, das ein Ventilelement aufweist, das wiederum über einen Magnetaktor oder einen Piezoaktor, zumindest mittelbar, angesteuert wird. Bei einer Bewegung des Ventilelements, die erforderlich ist, um ein Abheben der Düsennadel von ihrem Dichtsitz zu ermöglichen, wird eine Steuermenge in den Aufnahmeraum des Magnetaktors bzw. des Piezoaktors abgeleitet, welcher wiederum Verbindung zu einem Rücklaufanschluss am Kraftstoffinjektor hat. Das Abströmen des Kraftstoffes über Drosseln und den Ventilsitz des Ventilelements ist mit einer starken Druckverminderung des ursprünglich unter Hochdruck befindlichen Kraftstoffs verbunden. Eine derartige Druckverminderung ist physikalisch mit einer Temperaturerhöhung des Kraftstoffs verbunden.
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Derzeitige Kraftstoffeinspritzsysteme bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen arbeiten mit einem Systemdruck von etwa 1500 bar bis maximal etwa 2000 bar. Für zukünftige Entwicklungen ist es aus Gründen der Kraftstoffeffizienz geplant, den Systemdruck auf deutlich mehr als 2000 bar zu erhöhen. Das bedeutet, dass bei dem angesprochenen Abströmen der Steuermenge im Bereich des Steuerventils eine noch stärkere Druckreduzierung mit einer damit verbundenen noch stärkeren Erhöhung der Kraftstofftemperatur verbunden ist. Insbesondere bei Piezoaktoren gibt es eine Temperaturobergrenze, bis zu der die Piezoaktoren zuverlässig arbeiten, ohne dass hierzu zusätzliche konstruktive Maßnahmen bzw. Piezoaktoren aus temperaturbeständigeren Materialien erforderlich sind. Bei der angesprochenen geplanten Systemdruckerhöhung gelangt man jedoch in einen Temperaturbereich des Kraftstoffs, bei dem bei herkömmlichen Piezoaktoren ein zuverlässiger Betrieb nicht mehr gewährleistet ist. Aus diesem Grund ist es beispielsweise aus der nachveröffentlichten
DE 10 2010 040 381 A1 der Anmelderin bekannt, den Raum, in dem sich der Piezoaktor befindet, mittels eines zusätzlichen Kraftstoffzuflusses mit kühlerem bzw. vorab nicht durch den Hochdruckkreislauf geflossenem Kraftstoff zu kühlen. Eine derartige Maßnahme ist jedoch konstruktiv relativ aufwändig und erzeugt folglich unerwünschte Zusatzkosten.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass der in den Aufnahmeraum für den Piezoaktor als auch in die Rücklaufbohrung einströmende Kraftstoff mit gegenüber dem Stand der Technik reduzierter Temperatur eintritt, ohne dass hierzu zusätzliche (externe) Kraftstoffzuführungen aus einem Bereich außerhalb des Kraftstoffinjektors erforderlich sind. Diese Aufgabe wird bei einem Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die beim Schalten des Steuerventils abströmende Steuermenge über einen Strömungsweg in einen ringförmigen Zwischenbereich zwischen der Düsenspannmutter und dem Düsenkörper und/oder der Ventilplatte und/oder der Drosselplatte gelangt. Dort kann der Kraftstoff abgekühlt werden, bevor er in die unmittelbare Umgebung temperaturempfindlicher Bauteile gelangt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in den Ansprüchen, der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In einer konstruktiven bevorzugten Umsetzung der Verbindung zum bzw. vom ringförmigen Zwischenbereich wird vorgeschlagen, dass die weitere Verbindung einen Ausleitkanal in den Ringraum und einen Rückleitkanal aus dem Ringraum umfasst, wobei der Rückleitkanal zumindest mittelbar in der Rücklaufbohrung mündet.
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Ganz besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass der Ausleitkanal und der Rückleitkanal zumindest im Wesentlichen als radial zur Längsachse der Ventilplatte angeordnete Kanäle ausgebildet sind.
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Um einen möglichst langen Strömungsweg bzw. eine möglichst lange Verweilzeit des heißen Kraftstoffs in dem ringförmigen Zwischenbereich zu ermöglichen, ist es in einer weiteren Variante der Erfindung vorgesehen, dass der Ausleitkanal und der Rücklaufkanal auf einander gegenüberliegenden Seiten des aus der Ventilplatte, der Drosselplatte und des Düsenkörpers bestehenden Verbunds angeordnet sind.
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Zusätzlich kann es weiterhin vorgesehen sein, dass ein Teil der Steuermenge aus dem Steuerventilraum in den Aktorraum abströmt. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass lediglich ein Teil der Steuermenge über den ringförmigen Zwischenbereich geführt wird, während ein anderer Teil der Steuermenge unmittelbar in den Aktorraum abgeleitet wird.
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Aus der eingangs erwähnten
DE 10 2008 001 330 A1 ist es bekannt, das Steuerventil mit einer Dichthülse auszubilden, in der der Steuerbolzen längsverschiebbar angeordnet ist. Über den Ringspalt zwischen dem Ventilbolzen und der Dichthülse gelangt unter Hochdruck stehender Kraftstoff in einen Leckage- bzw. Niederdruckraum bzw. eine Ablaufbohrung. Da der in den Ringspalt einströmende Kraftstoff bereits zuvor ggf. durch das Durchströmen der Drosseln erwärmt und anschließend durch das Schließen des Steuerventils erneut komprimiert wurde, kann hier durch eine nochmalige Erwärmung des bereits erhitzten Kraftstoffs eine besonders hohe Kraftstofftemperatur entstehen. Daher wird in einer weiteren Variante vorgeschlagen, dass eine zusätzliche Verbindung zwischen dem Leckage- bzw. Niederdruckraum und der Rücklaufbohrung vorgesehen ist, die mit dem Ringraum verbunden ist.
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In einer Variante der letztgenannten Ausführung ist es möglich, dass die Verbindung einen Ablauf aufweist, der in einen Ausleitkanal mündet. Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der Ausleitkanal über den Ringraum und einen Rückleitkanal in eine Steigleitung mündet, die mit der Rücklaufleitung verbunden ist. Eine soweit beschriebene Ausgestaltung lässt sich konstruktiv relativ einfach und kompakt ausbilden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt in:
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1 einen Teilbereich eines Kraftstoffinjektors gemäß dem Stand der Technik in einem Längsschnitt,
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2 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, bei der eine Steuermenge an Kraftstoff aus einem Steuerraum erfindungsgemäß über einen Ringraum geführt, als auch erneut in den Verbund der im konkreten Fall zwischen einem Haltekörper und einer Düsenspannmutter verspannten Platten eingeleitet wird, wobei die Steuermenge über einen Rücklaufpfad aus dem Injektor ausgeleitet werden kann, in einem geknickten Längsschnitt und
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3 und 4 einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, bei dem eine Leckagemenge aus einem Niederdruckraum in einem Ringraum gekühlt wird, ebenfalls in geknickten Längsschnitten.
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Gleiche Bauteile bzw. Bauteile mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 ist ein Kraftstoffinjektor 1 nach dem Stand der Technik im Längsschnitt dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 1 weist einen Haltekörper 2, eine Ventilplatte 4, eine Drosselplatte 6 und einen Düsenkörper 8 auf, die in dieser Reihenfolge aneinander anliegen. Die Bauteile werden durch eine (Düsen-)Spannmutter 9 gegeneinander gepresst, die sich an einer Schulter des Düsenkörpers 8 abstützt und durch ein Gewinde am Haltekörper 2 gehalten wird. Zwischen der Spannmutter 9 und einem Teilbereich des Düsenkörpers 8 sowie über die gesamte Höhe der Ventilplatte 4 und der Drosselplatte 6 ist ein Ringraum 5 ausgebildet, in dessen Bereich zumindest die Ventilplatte 4 und die Drosselplatte 6 beabstandet zur Spannmutter 9 angeordnet sind. Im Düsenkörper 8 ist ein Druckraum 14 ausgebildet, in dem eine kolbenförmige Düsennadel 10 längsverschiebbar angeordnet ist. Die Düsennadel 10 weist an ihrem dem Brennraum zugewandten Ende eine Dichtfläche 11 auf, mit der sie mit einem Düsensitz 13 zusammenwirkt, der am brennraumseitigen Ende des Druckraums 14 ausgebildet ist. Vom Düsensitz 13 gehen eine oder mehrere Einspritzöffnungen 12 ab, die in Einbaulage des Kraftstoffinjektors 1 direkt in einen Brennraum der Brennkraftmaschine münden. Die Düsennadel 10 wird in einem mittleren Abschnitt im Druckraum 14 geführt, wobei der Kraftstoff durch mehrere Anschliffe 15 zu den Einspritzöffnungen 12 geleitet wird.
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Die Düsennadel 10 ist an ihrem vom Brennraum der Brennkraftmaschine abgewandten Ende in einer Hülse 22 geführt, wobei die Hülse 22 durch eine Schließfeder 18, die die Düsennadel 10 umgibt und sich der Hülse 22 abgewandt mittelbar an einem Absatz 16 abstützt, gegen die Drosselplatte 6 drückt. Durch die Hülse 22, die vom Brennraum abgewandten Stirnseite der Düsennadel 10 und die Drosselplatte 6 wird ein Steuerraum 20 begrenzt, der mit Kraftstoff befüllt ist, so dass durch den Druck im Steuerraum 20 eine hydraulische Kraft auf die vom Brennraum abgewandte Stirnseite der Düsennadel 10 ausgeübt wird und eine Kraft in Richtung des Düsensitzes 13 auf die Düsennadel 10 ausübt.
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Im Haltekörper 2, der Ventilplatte 4 und der Drosselplatte 6 ist ein Zulaufkanal 25 ausgebildet, über den verdichteter Kraftstoff unter hohem Druck von einer Kraftstoffhochdruckquelle in den Druckraum 14 geleitet wird. Der Zulaufkanal 25 ist mit dem Steuerraum 20 über eine in der Drosselplatte 6 verlaufende Zulaufdrossel 40 verbunden. Mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung stellt sich so bei geschlossenem Steuerventil 30 stets der gleiche Kraftstoffdruck im Zulaufkanal 25 und im Steuerraum 20 ein.
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Zur Steuerung des Kraftstoffdrucks im Steuerraum 20 ist das zwischen zwei Schaltstellungen schaltbares Steuerventil 30 in der Ventilplatte 4 vorgesehen, wobei das Steuerventil 30 einen Steuerventilraum 31 aufweist, der als Hohlraum in der Ventilplatte 4 ausgebildet ist. Der Steuerventilraum 31 ist über eine Ablaufdrossel 42, die in der Drosselplatte 6 ausgebildet ist, mit dem Steuerraum 20 im Düsenkörper 8 verbunden. Im Steuerventilraum 31 ist ein Steuerventilglied 34 längsverschiebbar angeordnet, wobei das Steuerventilglied 34 eine kolbenförmige Gestalt aufweist und an seinem der Drosselplatte 6 abgewandten Ende eine pilzförmige Erweiterung hat, an der eine Dichtfläche 52 ausgebildet ist, mit der das Steuerventilglied 34 mit einem Steuerventilsitz 37 zusammenwirkt, der an der Innenseite des Steuerventilraums 31 ausgebildet ist.
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Das Steuerventilglied 34 ist an seinem dem Steuerventilsitz 37 abgewandten Ende in einer Hülse 36 geführt, die sich mit einem Ende an der Drosselplatte 6 abstützt, und zwischen der und dem Steuerventilglied 34 eine Feder 38 unter Druckvorspannung angeordnet ist. Durch die Kraft der Feder 38 wird einerseits das Steuerventilglied 34 gegen den Steuerventilsitz 37 gepresst, und andererseits die Hülse 36 gegen die Drosselplatte 6. Die Bewegung des Steuerventilglieds 34 im Steuerventilraum 31 geschieht über einen in einem Kopplergehäuse 33 geführten Kolben 32, der im Haltekörper 2 angeordnet ist, und der durch einen elektrischen Aktor in seiner Längsrichtung bewegbar ist, insbesondere durch einen einzelnen nicht dargestellten Piezoaktor. Der Kolben 32 mit dem Kopplergehäuse 33 befindet sich hierbei in einem als Aktoraufnahmeraum ausgebildeten, stets unter Niederdruck stehenden Aktorraum 23, der stets druckentlastet ist.
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Durch die Hülse 36, das Steuerventilglied 34 und die Drosselplatte 6 wird ein Leckageraum 54 begrenzt, in dem ein Niederdruck vorhanden ist, und der über einen Leckölablauf 45 druckentlastet ist. Der Leckölablauf 45 kann hierbei beispielsweise eine Verbindung mit dem Aktorraum 23 aufweisen.
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Bezüglich der Funktionsweise eines derartigen, aus dem Stand der Technik bekannten Kraftstoffinjektors
1 wird auf die
DE 10 2008 001 330 A1 der Anmelderin verwiesen, die insoweit Bestandteil dieser Anmeldung sein soll.
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Beim Betrieb des Kraftstoffinjektors 1 gelangt Kraftstoff beim Öffnen des Steuerventils 30 über den Steuerventilsitz 37 und durch Abströmbohrungen 35 im Kopplergehäuse 33 in den Aktorraum 23, in dem auch der Piezoaktor angeordnet ist. Infolge der Druckreduzierung des Kraftstoffes weist der Kraftstoff dabei eine relativ hohe Temperatur auf. Dabei erwärmt sich der Kraftstoff umso mehr, desto höher der Systemdruck bzw. der Betriebsdruck des Kraftstoffinjektors 1 ist, da in diesem Fall eine besonders große Druckreduzierung mit einer damit verbundenen besonders großen Temperaturerhöhung des Kraftstoffes einhergeht.
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Um die Bauteilebelastung am Piezoaktor im Aktorraum 23 möglichst gering zu halten ist es bei einem in der 2 dargestellten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 100 vorgesehen, dass der über den Steuerventilsitz 37 in Richtung des Kopplerkörpers 33 strömende Kraftstoff zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig über einen oder mehrere Ausleitkanäle 60 in den Ringraum 5 geführt bzw. ausgeleitet wird. Hierbei ist in der 2 lediglich ein einziger Ausleitkanal 60 dargestellt, der radial zur Längsachse der Ventilplatte 4 angeordnet ist. Der Ausleitkanal 60 befindet sich dabei in einem in Bezug auf den Kraftstoffinjektor 100 oberen Endbereich der Ventilplatte 4.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die in der 1 dargestellten Abströmbohrungen 35 entfallen. In diesem Fall wird die komplette, über den geöffneten Ventilsitz 37 abströmende Kraftstoffmenge über den Ausleitkanal 60 in den Ringraum 5 geführt.
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Weiterhin erkennt man in der 2 im mittleren Bereich der Drosselplatte 6 auf der dem Ausleitkanal gegenüberliegenden Seite einen Rückleitkanal 61, der vom Rand der Drosselplatte 6 radial nach innen ragt, und der über einen senkrecht angeordneten Rückleitkanalabschnitt 62 Verbindung mit einer umlaufenden Ringnut 63 hat, die an der der Drosselplatte 6 zugewandten Stirnseite der Ventilplatte 4 ausgebildet ist, und die vorzugsweise auf der dem Rücklaufkanalabschnitt 62 gegenüberliegenden Seite hydraulisch mit einer insbesondere in der 4 erkennbaren Steigleitung 64 Verbindung hat, die im Bereich der Ventilplatte 6 ausgebildet ist. Die Steigleitung 64 hat wiederum hydraulische Verbindung mit einer im Haltekörper 2 ausgebildeten Rücklaufbohrung 65, die mit einem nicht dargestellten Rücklaufanschluss des Kraftstoffinjektors 100 verbunden ist. Ferner erkennt man an der 2 noch, dass der Leckageraum 54 über einen Leckölablauf 45a mit dem Rücklaufkanal 61 verbunden ist.
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Beim Betrieb des Kraftstoffinjektors 100 gelangt über den Steuerventilsitz 37 in Richtung des Kopplerkörpers 33 ausströmender Kraftstoff zunächst über den Ausleitkanal 60 in den Ringraum 5 und von dort über den Rücklaufkanal 61 und den Rücklaufkanalabschnitt 62 in die Ringnut 63, von wo der Kraftstoff über die Steigleitung 64 und die Rücklaufbohrung 65 aus dem Kraftstoffinjektor 100 abgeführt wird. Dadurch, dass der Kraftstoff insbesondere durch den Ringraum 5 strömt, findet eine Abkühlung bzw. Temperaturerniedrigung des Kraftstoffes statt, bevor er in den Bereich des Haltekörpers 2 gelangt. Dasselbe gilt auch für den aus dem Leckageraum 54 ausströmenden Kraftstoff, der sich insbesondere mit dem bereits im Ringraum 5 befindlichen bzw. den Ringraum 5 durchströmenden Kraftstoff mischt.
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Ergänzend wird erwähnt, dass anstelle des Leckölablaufs 45a der Leckageraum 54 auch entsprechend dem Stand der Technik (vgl. 1) über einen Leckölablauf 45 verfügen kann.
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In der 3 ist eine alternative Strömungsführung zum Abführen von Kraftstoff aus dem Leckageraum 54 dargestellt.
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Hierbei weist die Strömungsführung entsprechend der 2 einen Leckölablauf 45a auf, der über einen in der Drosselplatte 6 radial angeordneten Ausleitkanal 71 Verbindung mit dem Ringraum 5 hat. In der Ventilplatte 4 ist in einem oberen axialen Bereich ein radial angeordneter Rückleitkanal 72 ausgebildet, der ebenfalls Verbindung mit dem Ringraum 5 hat, und der in die Steigleitung 64 mündet. Somit kann im Leckageraum 54 vorhandener, aufgrund der Druckreduzierung eine relativ hohe Temperatur aufweisender Kraftstoff über den Ausleitkanal 71 und dem Ringraum 5 in den Rückleitkanal 72 gelangen, wobei durch die Strömungsführung in dem Ringraum 5 eine Abkühlung des Kraftstoffs stattfindet. Über den Rückleitkanal 72 gelangt der Kraftstoff anschließend über die Rücklaufbohrung 65 in den Kraftstoffrücklauf der Brennkraftmaschine.
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Zusätzlich wird erwähnt, dass in der 3 im Bereich des Haltekörpers 2 noch ein Flächenfreilegungsbereich 73 ausgebildet ist, der eine hydraulische Verbindung zwischen dem Aktorraum 23 und der Rücklaufbohrung 65 ausbildet.
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In der 4 ist eine gegenüber der 3 modifizierte Strömungsführung für den Kraftstoff aus dem Leckageraum 54 dargestellt. Hierbei gelangt der Kraftstoff über den Leckölablauf 45a und den Ausleitkanal 71 ebenfalls in den Ringraum 5. Im Unterschied zur 3 ist in der 4 der Rückleitkanal 75, bestehend aus den Teilkanalabschnitten 76, 77 in der Drosselplatte 6 ausgebildet, der ebenso Verbindung mit dem Ringraum 5 hat, und der in der Steigleitung 64 mündet. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der vertikale Teilkanalabschnitt 76 des Rückleitkanals 75 nicht konzentrisch zur Steigleitung 64 ist, sondern in einem gewissen Versatz hierzu angeordnet ist. Im Bereich der Ringnut 63 kann ein (nicht dargestellter) Trennsteg in dem vorzugsweise kürzerem Abstand zwischen dem vertikalen Teilkanalabschnitt 76 und der Steigleitung 64 vorhanden sein, so dass der Kraftstoff einen möglichst langen Strömungsweg bis zum Eintritt in die Steigleitung 64 hat.
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Der soweit beschriebene erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor 100 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Dieser besteht darin, zum Schutz des in dem Aktorraum 23 befindlichen Piezoaktors aus dem Bereich des Steuerventils 30 abströmenden, eine relativ hohe Temperatur aufweisenden Kraftstoff zumindest teilweise, vorzugsweise jedoch vollständig über einen insbesondere zwischen der Ventilplatte 4, der Drosselplatte 6, dem Düsenkörper 8 und der Spannmutter 9 ausgebildeten Ringraum 5 zu führen, damit der Kraftstoff dort abgekühlt wird. Denkbare Modifikationen des Kraftstoffinjektors 100 können z. B. derart sein, dass lediglich der in dem Leckageraum 54 befindliche Kraftstoff über den Ringraum 5 geführt wird. Auch ist es denkbar, dass lediglich der über den Steuerventilsitz 37 abströmende Kraftstoff über den Ringraum 5 geführt ist bzw. dass ein Teil des über den Steuerventilsitz 37 abströmenden Kraftstoffes direkt in den Aktorraum 23, und von dort über den Flächenfreilegungsbereich 73 in die Rücklaufbohrung 65 gelangt. Ebenso sind beliebige Kombinationen der beschriebenen Lösungen zur Führung des aus dem Ventilsitz 37 und/oder des aus dem Leckageraum 54 abströmenden Kraftstoffs über den Ringraum 5 zum unter Niederdruck stehenden Aktorraum 23 bzw. zur Rücklaufbohrung 65 Bestandteil dieser Erfindung. Zuletzt ist es auch denkbar, die Ableitung des Kraftstoffes aus dem Ringraum 5 über eine in dem Haltekörper 2 ausgebildete Radialbohrung oder eine in einer Stirnfläche des Haltekörpers 2 ausgebildete, radial verlaufende Nut direkt in die Rücklaufbohrung 65 auszubilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008001330 A1 [0002, 0010, 0024]
- DE 102010040381 A1 [0003]
