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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein solcher Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt und vorzugsweise in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Zur direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel ist ein Aktor vorgesehen. Der Aktor wirkt dabei mit einer mechanischen und/oder hydraulischen Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung zur Verstärkung der Kraft und/oder des Hubes des Aktors zusammen.
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Direkt gesteuerte Injektoren weisen gegenüber indirekt über ein Servoventil gesteuerten Injektoren den Vorteil auf, dass sie schneller reagieren. Der Entfall eines Servo- bzw. Steuerventils bewirkt ferner, dass die Effektivität der Einspritzung erhöht wird, da keine Absteuermenge anfällt.
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Stand der Technik
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Ein Kraftstoffinjektor der vorstehend genannten Art mit direkt gesteuerter Düsennadel sowie einer Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung geht beispielsweise aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 043 085 A1 hervor. Zur direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel wird insbesondere ein Piezoaktor vorgeschlagen. Da jedoch die Längenänderungen derartiger Aktoren relativ gering sind und demzufolge nur kleine Hübe der Düsennadel bewirken, wird ferner eine mechanische Kraft- und/oder Hubübertragung vorgeschlagen, um die vollständige Entdrosselung der Düsennadel zu bewirken. Die hierzu vorgesehene Einrichtung umfasst mindestens ein Hubübertragungsglied zur Übertragung des Hubes des Aktors auf die Düsennadel sowie mindestens ein Hebelelement. Das Hebelelement ist dabei als Umlenkhebel ausgestaltet, so dass sich Aktor und Düsennadel in entgegengesetzter Richtung bewegen.
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Kraftstoffinjektoren mit einer mechanischen Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung sind in der Regel besonders sensibel gegenüber Fertigungstoleranzen. Zudem können Temperatur- und/oder Druckänderungen im Betrieb des Injektors Verformungen bewirken, welche die Funktionalität beeinflussen. Die Funktionalität kann ferner durch Verschleiß an der Düsennadel beeinträchtigt sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor der eingangs genannten Art anzugeben, der gegenüber Toleranzen und/oder Verschleiß weniger empfindlich ist. Auf diese Weise soll ein besonders robuster Kraftstoffinjektor geschaffen werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt und in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Ferner umfasst der Kraftstoffinjektor einen Aktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Der Aktor wirkt dabei mit einer mechanischen und/oder hydraulischen Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung zusammen. Erfindungsgemäß ist der Aktor ein Magnetaktor mit einer hubbeweglichen Ankeranordnung, wobei die Ankeranordnung mit der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung verbunden und die Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung über ein hydraulisches Kopplervolumen mit der Düsennadel zumindest zeitweise gekoppelt ist, so dass die Düsennadel bei Bestromung des Aktors aus dem Dichtsitz gehoben wird.
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Die Verwendung eines Magnetaktors verringert die Kosten, da ein Magnetaktor im Vergleich zu einem Piezoaktor kostengünstiger ist. Um über den Magnetaktor eine ausreichende Öffnungskraft bereitstellen zu können, ist ferner eine mechanische und/oder hydraulische Kraft- und/oder Hubübersetzungseinrichtung vorgesehen, die vorzugsweise zu Beginn des Öffnungshubes der Düsennadel eine Verstärkung der Aktorkraft bewirkt. Weiterhin vorzugsweise ist der Aktor dabei derart ausgelegt, dass die Bewegungsrichtung der Ankeranordnung der Bewegungsrichtung der Düsennadel entspricht, so dass keine Umlenkung der Aktorkraft erforderlich ist. In diesem Fall kann eine zur Rückstellung der Düsennadel vorgesehene Feder ferner zur Rückstellung der Ankeranordnung eingesetzt werden, wodurch das Konzept weiter vereinfacht wird.
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Das zur Kopplung der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung mit der Düsennadel vorgeschlagene hydraulische Kopplervolumen vermag zudem etwaige Fertigungstoleranzen und/oder Verschleiß an der Düsennadel auszugleichen. Damit steigt die Robustheit des Injektors gegenüber Toleranzen und/oder Verschleiß.
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Bevorzugt begrenzen die Düsennadel und ein Kopplerkolben das hydraulische Kopplervolumen. Der Kopplerkolben ist vorzugsweise von der Federkraft einer Feder in Richtung des Dichtsitzes beaufschlagt. Der Kopplerkolben ist weiterhin vorzugsweise Bestandteil der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung oder zumindest mit dieser wirkverbunden, so dass bei Betätigung des Aktors die Aktorkraft und/oder der Aktorhub über die Kraft- und/oder Hubbertragungseinrichtung und den Kopplerkolben auf die Düsennadel übertragen wird.
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Zur Verbindung mit der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung ist der Kopplerkolben weiterhin bevorzugt durch ein Körperbauteil des Kraftstoffinjektors hindurch geführt. Das Körperbauteil kann beispielsweise plattenförmig ausgebildet sein und eine Bohrung zur Aufnahme des Kopplerkolbens besitzen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Düsennadel eine Ausnehmung zur Ausbildung des hydraulischen Kopplervolumens. Beispielsweise kann die Düsennadel an einer Stirnfläche, die der wenigstens einen Einspritzöffnung abgewandt ist, eine Sacklochbohrung aufweisen, in welche ein Ende des Kopplerkolbens zur Begrenzung des hydraulischen Kopplervolumens aufgenommen ist. Die Ausnehmung bzw. Bohrung ist vorzugsweise zentral angeordnet, um eine koaxiale Anordnung von Kopplerkolben und Düsennadel zu ermöglichen.
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Vorzugsweise weist die Kraft- und/oder Hubübersetzungseinrichtung ein über den Hub variables Übersetzungsverhältnis auf. Die Kraft- und/oder Hubverstärkung kann auf diese Weise den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden. Denn zu Beginn des Öffnungshubes der Düsennadel ist eine große Öffnungskraft erforderlich, die mit zunehmendem Hub der Düsennadel geringer wird.
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Weiterhin vorzugsweise ist eine mechanische Kraft- und/oder Hubübersetzungseinrichtung vorgesehen. Hier kommen die Vorteile der Erfindung besonders gut zum Tragen, da die hydraulische Kopplung der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung mit der Düsennadel den Ausgleich von fertigungs- und/oder verschleißbedingten Toleranzen ermöglicht. Die Sensibilität der mechanischen Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung an gegenüber derartigen Toleranzen kann auf diese Weise deutlich reduziert werden, so dass ein robuster Injektor geschaffen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kraft- und/oder Hubübersetzungseinrichtung ein hubbewegliches Kraft- und/oder Hubübertragungsglied sowie ein hierüber betätigbares Hebelelement. Das hubbewegliche Kraft- und/oder Hubübertragungsglied ist vorzugsweise mit der Ankeranordnung verbunden, so dass das Kraft- und/oder Hubübertragungsglied der Ankerbewegung folgt.
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Weiterhin bevorzugt besitzt das Kraft- und/oder Hubübertragungsglied einen exzentrisch angeordneten Bügel. Über den Bügel ist das Kraft- und/oder Hubübertragungsglied an das Hebelelement anlegbar, so dass eine Hubbewegung des Kraft- und/oder Hubübertragungsgliedes bzw. des Bügels ein Verschwenken des Hebelelementes bewirkt. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass das Hebelelement als einseitiger Hebel ausgebildet ist. Kraftarm und Lastarm des Hebelelementes befinden sich demnach auf derselben Seite. Dadurch wird der Bauraumbedarf des Hebelelementes verringert bzw. der Hebelarm kann entsprechend lang ausgebildet werden.
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Weiterhin bevorzugt besitzt das Hebelelement an einem Ende eine konvex gekrümmte Stützfläche zur Abstützung an einem Gehäuseteil des Kraftstoffinjektors, vorzugsweise am Körperbauteil. Die Abstützung über eine konvex gekrümmte Stützfläche bewirkt eine variable Übersetzung, die an die Kraftanforderungen der Düsennadel optimal angepasst ist. Denn mit jeder Drehbewegung des Hebelelementes verlagert sich ein Drehpunkt P auf der konvex gekrümmten Stützfläche, über welche das Hebelelement am Gehäuseteil bzw. am Körperbauteil abgestützt ist, nach radial innen oder nach radial außen. D. h., dass der Drehpunkt P, um welchen das Hebelelement verschwenkt wird, variabel ist. Dabei ändern sich die Hebelverhältnisse, so dass auf diese Weise eine variable Übersetzung erzielt wird. Während zu Beginn der Öffnungsbewegung der Düsennadel regelmäßig hohe Kräfte erforderlich sind, um die Düsennadel aus ihrem Sitz zu heben, sinkt im weiteren Verlauf der Öffnungsbewegung der Düsennadel die erforderliche Öffnungskraft. Das vollständige Öffnen der Düsennadel kann daher mit einer geringeren Aktorkraft bewirkt werden. Zugleich wird der Aktorhub verstärkt, so dass das vollständige Öffnen der Düsennadel sichergestellt ist. Die vorgeschlagene variable Übersetzung ermöglicht auf diese Weise eine optimale Injektorabstimmung. Ferner kann der Einspritzdruck erhöht werden. Beispielsweise können Einspritzdrücke bis 3000 bar realisiert werden.
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An seinem anderen Ende besitzt das Hebelelement bevorzugt eine Anlagefläche zur Anlage des Kraft- und/oder Hubübertragungsgliedes. Auf diese Weise kann die gesamte Länge des Hebelelementes als Hebelarm genutzt werden.
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Über eine weitere Stützfläche ist das Hebelelement bevorzugt an dem Kopplerkolben abgestützt. Der Abstand dieser Stützfläche zum jeweiligen Drehpunkt P bestimmt den Lastarm, und ist entsprechend den Erfordernissen zu wählen. Vorzugsweise wirken die Stützfläche und eine als Widerlager am Kopplerkolben ausgebildete Fläche als Drehlager zusammen. Hierzu kann die am Hebelarm vorgesehene Stützfläche beispielsweise konvex ausgebildet sein.
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Vorteilhafterweise ist die Ankeranordnung als Tauchanker ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der Magnetkreis auf ein Gehäuseteil erstreckt werden kann, in welchem der Magnetaktor einschließlich der Ankeranordnung angeordnet ist.
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Die Ankeranordnung und die Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung sind weiterhin vorzugsweise hochdruckbeaufschlagt. Das heißt, dass die Ankeranordnung und die Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung in Druckräumen angeordnet sind, welche in hydraulischer Verbindung mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers stehen. Die Druckräume können somit der Zuführung des unter hohem Druck stehenden Kraftstoffs dienen. Dadurch wird der Aufbau des Injektors vereinfacht.
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Weiterhin bevorzugt ist der Aktor konzentrisch zur Düsennadel angeordnet, wodurch der Aufbau des Injektors weiter vereinfacht wird, da auch der den Aktor aufnehmende Körper rotationssymmetrisch gestaltet und demzufolge einfacher herzustellen ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der dargestellte Kraftstoffinjektor weist eine in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 hubbeweglich geführte Düsennadel 1 auf, über deren Hubbewegung wenigstens eine im Düsenkörper 3 ausgebildete Einspritzöffnung 4 freigebbar und verschließbar ist. Zum Freigeben der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 muss die Düsennadel 1 von einem Dichtsitz 5 gehoben werden, der vorliegend kegelförmig ausgebildet ist und mit einer an der Düsennadel 1 ausgebildeten kegelförmigen Dichtfläche dichtend zusammenwirkt. Die Hubbewegung der Düsennadel 1 wird jeweils mittels eines Aktors 7 in Form eines Magnetaktors direkt gesteuert. Die direkte Steuerung weist gegenüber der indirekten Steuerung mittels eines Servoventils den Vorteil auf, dass die Düsennadel 1 schneller öffnet und schließt. Ferner entfällt die Notwendigkeit, eine Absteuermenge des Servoventils einem Rücklauf zuführen zu müssen, so dass die Effizienz des Systems gesteigert wird.
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Der Magnetaktor der dargestellten bevorzugten Ausführungsform umfasst eine ringförmige Spule 21 und eine hubbewegliche Ankeranordnung 9, welche als Tauchankeranordnung ausgebildet ist. Dadurch können hohe Schaltwege zur Verfügung gestellt werden. Bei Bestromung der ringförmigen Spule 21, die auf einen als Innenpol 22 dienenden Abschnitt eines Injektorkörpers 23 aufgesetzt ist, wird die Ankeranordnung 9 in Richtung der Spule 21 gezogen, d.h. vom Dichtsitz 5 weg. Der Hub der Ankeranordnung 9 wird über eine mit der Ankeranordnung 9 verbundene mechanische Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung 8, umfassend ein hubbewegliches Kraft- und/oder Hubübertragungsglied 15 sowie ein Hebelelement 16, auf die Düsennadel 1 übertragen. Dabei wird eine Verstärkung der Aktorkraft bewirkt. Idealerweise kann eine Übersetzung zwischen 4 und 8 realisiert werden. Das Anheben der Düsennadel 1 vom Dichtsitz 5 kann demnach mit relativ geringen Aktorkräften bewirkt werden.
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Um dies zu erreichen, weist das Kraft- und/oder Hubübertragungsglied 15 der Kraft- und/oder Hubübertragungseinrichtung 8 einen exzentrisch in Bezug auf eine Längsachse des Kraftstoffinjektors angeordneten und über eine Platte mit der Ankeranordnung 9 verbundenen Bügel 17 auf, welcher an einem Ende des Hebelelementes 16 in der Weise an einer Anlagefläche 19 anliegt, dass bei einem Hub der Ankeranordnung 9 das Hebelelement 16 um einen Drehpunkt P bewegt wird. Der Drehpunkt P wird durch eine konvex geformte Stützfläche 18 bestimmt, über welche das Hebelelement 16 an einem plattenförmigen Körperbauteil 13 abgestützt ist, das zwischen dem Düsenkörper 3 und einem Magnetkörper 24 angeordnet ist. Die konvex geformte Stützfläche 18 bewirkt, dass sich bei einer Drehbewegung des Hebelelementes 16 der Drehpunkt P in radialer Richtung verlagert, so dass eine variable Kraft- und/oder Hubübersetzung realisierbar ist. Ausgehend von einer anfänglich hohen Übersetzung wird vorliegend die Kraft mit zunehmendem Nadelhub reduziert, so dass bei gleichem Aktorhub ein größerer Nadelhub bewirkbar ist.
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Die Stützfläche 18 ist zur Ausbildung eines einseitigen Hebels an dem der Anlagefläche 19 gegenüberliegenden Ende des Hebelelementes 16 ausgebildet und zwar – wie auch die Anlagefläche 19 – an der dem Dichtsitz 5 zugewandten Seite des Hebelelementes 16. An der dem Dichtsitz 5 abgewandten Seite des Hebelelementes 16 ist etwa mittig eine weitere konvex geformte Stützfläche 20 ausgebildet, mittels welcher das Hebelelement 16 an einem Kopplerkolben 11 abgestützt ist. Die Abstützung am Kopplerkolben 11 hält das Hebelelement 16 in Anlage mit dem Körperbauteil 13, wenn die Spule 21 bestromt, die Ankeranordnung 9 einschließlich des Kraft- und/oder Hubübertragungsgliedes 15 in Richtung der Spule 21 gezogen und das Hebelelement 16 verschwenkt werden. Das Hebelelement 16 führt dabei eine Drehbewegung um den Drehpunkt P aus, der sich dabei nach radial außen verlagert.
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Die Verschwenkung des Hebelelementes 16 bewirkt ein Heben des Kopplerkolbens 11, der mit der Düsennadel 1 über ein hydraulisches Kopplervolumen 10 gekoppelt ist. In der Folge wird die Düsennadel 1 aus ihrem Dichtsitz 5 gehoben und die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 wird freigegeben. Die hydraulische Kopplung des Kopplerkolbens 11 mit der Düsennadel 1 weist den Vorteil auf, dass Fertigungstoleranzen und/oder Verschleiß an der Düsennadel 1 über das Kopplervolumen ausgleichbar sind. Zur Ausbildung des Kopplervolumens 10 weist die Düsennadel 1 eine zentrale Ausnehmung 14 in Form einer Sacklochbohrung auf, in welche der Kopplerkolben 11 eingreift.
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Über die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 wird der in der Hochdruckbohrung 2 vorhandene Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingespritzt. Die Befüllung der Hochdruckbohrung 2 mit Kraftstoff erfolgt über eine im Injektorkörper 23 ausgebildete zentrale Zulaufbohrung 25, welche in hydraulischer Verbindung mit der Hochdruckbohrung 2 steht.
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Wird zum Schließen der Düsennadel 1 die Bestromung der Spule 21 beendet, stellt die Federkraft einer Feder 6, welche die Düsennadel 1 in Richtung des Dichtsitzes 5 beaufschlagt, die Rückstellung der Düsennadel 1 sicher. Über die hydraulische Kopplung des Kopplerkolbens 11 mit der Düsennadel 1 wird auf diesem Wege ferner die Rückstellung des Kopplerkolbens 11 bewirkt. Vorliegend wird die Rückstellung des Kopplerkolbens 11 durch die Federkraft einer Feder 12 unterstützt.
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Die Rückstellung des Kopplerkolbens 11 wiederum bewirkt ein Zurückschwenken des Hebelelementes 16, wobei das über den Bügel 17 am Hebelelement 16 anliegende Kraft- und/oder Hubübertragungsglied 15 ebenfalls in Richtung des Dichtsitzes 5 gezogen wird. Aufgrund der Verbindung des Kraft- und/oder Hubübertragungsglieds 15 mit der Ankeranordnung 9 wird diese dabei mitgeführt.
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In dem dargestellen Ausführungsbeispiel ist die Ankeranordnung 9 im Magnetkörper 24 aufgenommen und umfasst ein als Tauchanker ausgebildetes Ankerelement. Die Ankeranordnung 9 ist vorliegend von Hochdruck beaufschlagt. Zum Ausgleich der auf die Ankeranordnung 9 wirkenden hydraulischen Kräfte ist eine Feder 26 vorgesehen, welche die Ankeranordnung 9 mit einer Federkraft in Richtung der Spule 21 beaufschlagt. Um das Schließverhalten der Düsennadel 1 nicht negativ zu beeinflussen, ist die Federkraft der Feder 26 deutlich geringer als die der Feder 6 und der Feder 12 gewählt. Die Anordnung der Feder 26 ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Die Spule 21 ist vorliegend derart angeordnet, dass sie den Injektorkörper 23 vom Magnetkörper 24 trennt. Ferner ist zwischen dem Injektorkörper 23 und dem Magnetkörper 24 ein ringförmiger Trennkörper 27 angeordnet, und zwar unterhalb des als Innenpol 22 dienenden Bereichs des Injektorkörpers 23. Hierzu ist der Trennkörper 27 innerhalb des Durchmessers der ringförmigen Spule 21 angeordnet. Alternativ kann der Trennkörper 27 auch unterhalb der Spule 21 angeordnet sein und sich ggf. über den gesamten Außendurchmesser des Injektorkörpers 23 erstrecken. Der Trennkörper 27 besteht vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Werkstoff.
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Der Injektorkörper 23, die Spule 21, der Trennkörper 27, der Magnetkörper 24, das Körperbauteil 13 und der Düsenkörper 3 sind vorliegend über eine Spannmutter 28 axial verspannt. Durch den Injektorkörper 23 ist ferner wenigstens eine elektrische Leitung 29 für den elektrischen Anschluss der Spule 21 geführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008043085 A1 [0004]
