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Die Erfindung betrifft einen Injektor zur direkten oder indirekten Einblasung eines gasförmigen Mediums in einen Brennraum, wobei der Injektor einen Injektorkörper und einen Düsenschaft mit zumindest einer Spritzöffnung aufweist, wobei in den Injektorkörper und den Düsenschaft eine eine Düsennadel aufnehmende Ausnehmung eingelassen ist, und wobei eine Aktorik zur axialen Verstellung der Düsennadel in Bezug zu einem Dichtsitz und davon abhängig zur Festlegung des durch die Spritzöffnung geblasenen Mediums vorgesehen ist.
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Stand der Technik
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Ein derartiger Injektor ist aus der
CA 2 767 247 A1 bekannt. Dieser Injektor ist zur Einblasung eines gasförmigen Mediums in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgelegt und weist einen Injektorkörper und einen Düsenschaft auf, die miteinander verbunden sind. In dem Injektorkörper und dem Düsenschaft ist eine Ausnehmung zur Führung einer Düsennadel eingelassen, wobei die Düsennadel mit einem Dichtsitz in dem Düsenschaft zusammenwirkt. Die Düsennadel kann von einer Aktorik so in Bezug zu dem Dichtsitz verstellt werden, dass eine Strömungsverbindung zwischen einer dem Dichtsitz vorgelagerten Zuführleitung für das gasförmige Medium und zumindest einer in dem Düsenschaft angeordneten Spritzöffnung gesteuert wird. Dieser Injektor ist zur Einblasung eines gasförmigen Mediums in Form von Brenngas in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgelegt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor bereitzustellen, der hinsichtlich der Einblasung eines gasförmigen Mediums in einen Brennraum verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Injektor ein mit der Spritzöffnung steuerbar verbindbares Frischgasreservoir aufweist. Dieser Ausgestaltung liegt zunächst einmal die Erkenntnis zugrunde, dass unabhängig von dem zuvor diskutierten Stand der Technik Injektoren zur indirekten (beispielsweise über ein Saugrohr) oder direkten Einblasung in einen Brennraum bekannt sind. Bei den Verfahren ist gemeinsam, dass das gasförmige Medium für eine Verbrennung in dem Brennraum gezündet werden muss. Eine Möglichkeit der Zündung eines direkt eingeblasenen Mediums in einen Brennraum ist eine Fremdzündung, die beispielsweise mittels eines Zündstrahlverfahrens oder mittels eines elektrischen Zündverfahrens realisierbar ist. Weiterhin ist bekannt eine Aufteilung der Einblasmenge in eine in eine Vorkammer einzubringenden Zündmenge und eine in eine Hauptkammer einzublasenden Hauptmenge über unterschiedliche Injektoren vorzunehmen. Alle diese Möglichkeiten sind mit unterschiedlichen konstruktiven und steuerungstechnischen Nachteilen verbunden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der steuerbaren Verbindung der zumindest einen Spritzöffnung mit einem Frischgasreservoir werden mehrere Vorteile erzielt. Zunächst lässt sich dadurch eine Spülung des Bereichs zwischen dem Dichtsitz und der zumindest einen Spritzöffnung realisieren. Dadurch ist ausgeschlossen, dass in diesem Bereich des Injektors gasförmiges Medium oder auch nach einer Verbrennung in dem Brennraum zurückströmendes Abgas verbleibt, das die Funktion des Injektors nachteilig beeinflusst. Einerseits enthält der Bereich des Injektors zwischen dem Dichtsitz und der Spritzöffnung nach einem Einblasvorgang noch gasförmiges brennbares Medium, das nach einer Expansionsphase der den Brennraum aufweisenden Maschine sich zu dem Brennraum entleert und dort nicht mehr vollständig verbrannt werden kann, was zu unerwünschten CH4-Emissionen führt. Die Spülung dieses Schadvolumens zu einem möglichst frühen Zeitpunkt ist ein geeigneter Weg, diese Emissionen zu umgehen, da dann noch in dem Brennraum Bedingungen herrschen, die das ausgestoßene brennbare gasförmige Medium sicher verbrennen. Zum anderen wird verhindert, dass sich in diesem Bereich des Schadvolumens Abgase sammeln, die zu unerwünschten Ablagerungen führen können und/oder einen nachfolgenden Einblasvorgang behindern können.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Frischgasreservoir über eine Frischgasleitung mit einer Spritzleitung stromabwärts des Dichtsitzes und/oder der Spritzöffnung verbunden. Insbesondere, wenn zwischen dem Dichtsitz und der Spritzöffnung eine Spritzleitung vorgesehen ist, ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung besonders sinnvoll umsetzbar, da dann ein nicht unbeträchtliches Schadvolumen vorhanden ist, das zu den zuvor geschilderten Nachteilen führen kann. Andererseits bietet die Verlagerung des Dichtsitzes weg von Spritzöffnung den Vorteil eines sicheren Betriebs des Injektors, indem eine geringere Temperaturbelastung des Dichtsitzes, der damit zusammenwirkenden Düsennadel und gegebenenfalls auch der Aktorik erzielt ist. Dadurch ist der Injektor auch dazu geeignet, im Bereich nahe der zumindest einen Spritzöffnung hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt zu sein.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Frischgasleitung ein Ventil auf, das wiederum in weiterer Ausgestaltung ein in Richtung zu der Spritzleitung und/oder der Spritzöffnung öffnendes Rückschlagventil ist. Zur Ausgestaltung eines solchen Rückschlagventils liegen aus anderen technischen Bereichen hinreichende Erfahrungen vor, so dass ein solches Rückschlagventil an einem erfindungsgemäßen Injektor problemlos umsetzbar ist. Die Einrichtung, bestehend aus dem Frischgasreservoir, der Frischgasleitung und dem mit der Spritzleitung und/oder der Spritzöffnung verbundenen Ventil funktioniert folgendermaßen: Das als Rückschlagventil wirkende Ventil, das beispielsweise aus einer Ventilfeder, einem Ventilelement und einem Ventilsitz besteht, ist so ausgebildet beziehungsweise eingestellt, dass die während einer Kompressionsphase der Maschine, während in den Brennraum komprimiertes Frischgas, insbesondere Verbrennungsluft, eingeführt wird, geöffnet ist und folglich über die Spritzöffnung und die Spritzleitung durch die Frischgasleitung in das Frischgasreservoir Frischluft in Form von Spülgas eingebracht wird. Öffnet nun die Düsennadel, steigt der Druck in dem Schadvolumen, das insbesondere von der Spritzleitung gebildet wird, rapide an und das Ventil schließt. Somit ist während des Einblasvorgangs beziehungsweise des Eindüsvorgangs das Ventil geschlossen, so dass weder brennbares Medium noch Verbrennungsprodukte in das Frischgasreservoir gelangen können. Erst bei Erreichen einer Expansionsphase öffnet das Ventil bei Unterschreiten einer voreingestellten Druckdifferenz und die in dem Frischgasreservoir gespeicherte Menge von Spülgas leert sich durch das Schadvolumen in Form der Spritzleitung und der Spritzöffnung hindurch in den Brennraum. Dabei wird ein vorgegebenes Volumenverhältnis Frischgasreservoir größer Schadvolumen genutzt, um das in der Spritzleitung noch vorhandene brennbare gasförmige Medium zügig auszutreiben. Damit gelangt diese Restmenge zuverlässig und vollständig zu einem deutlich früheren Zeitpunkt als bei einer reinen Expansion des Schadvolumens in den Brennraum und kann insbesondere dort noch zuverlässig verbrannt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist ein von dem Ventil unabhängiges Füllventil zur Befüllung des Frischgasreservoirs mit Frischgas vorgesehen. Dieses Füllventil ermöglicht unabhängig von dem Ventil eine Befüllung des Frischgasreservoirs. Dabei ist in weiterer Ausgestaltung das Füllventil zwischen dem Ventil und dem Frischgasreservoir in der Frischgasleitung angeordnet und das Füllventil ist eingangsseitig mit einer von der Spritzleitung und/oder Spritzöffnung unabhängigen Füllleitung verbunden. Die Füllleitung ist folglich über das Füllventil und das Ventil auch mit dem Schadvolumen in Form insbesondere der Spritzleitung verbunden. Während der Kompressionsphase öffnet das Füllventil und erlaubt die Befüllung des Frischgasreservoirs mit Frischgas. Das Ventil ist in dieser Phase indifferent beziehungsweise öffnet oder schließt je nach gewählten Querschnittsverhältnissen, was aber auf die bestimmungsgemäße Funktion keinen Einfluss hat. Sobald die Einblasung des Brenngases (per Definition bei einem Druck größer als der Druck in dem Brennraum) beginnt, schließt das Ventil und verhindert das Eindringen von brennbarem flüssigem Medium in das Frischgasreservoir. Der Ausgang der Füllleitung ist zum Brennraum so positioniert, dass weder nennenswerte Mengen von brennbarem gasförmigen Medium noch Abgase bis zu dem Moment des maximalen Brennraumdrucks dort vorhanden sind. Nach Erreichen des maximalen Brennraumdrucks und dem Ende der Einblasung sinkt der Druck in dem Schadvolumen und dem Brennraum gegenüber dem Druck in dem Frischgasreservoir ab. Dadurch öffnet das Ventil, wodurch sich das Frischgasreservoir bereits ab diesem Zeitpunkt in das Schadvolumen entleert und durch das gewählte Volumenverhältnis eine schnelle Frischgas-Durchspülung des Schadvolumens einleitet. Diese Ausgestaltung hat gegenüber der Variante mit nur dem Ventil den Vorteil, dass das in dem Schadvolumen befindliche Medium deutlich früher in den Brennraum gespült wird und dort noch drehmomentwirksam umgesetzt werden kann. Je nach Ausgestaltung hat dies auch noch einen positiven Einfluss auf die Gesamteffizienz des Systems.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Spritzleitung über zumindest einen Teilabschnitt von einer Heizeinrichtung umgeben, die wiederum in weiterer Ausgestaltung in ein hülsenförmiges Element integriert ist. Bei dieser Ausgestaltung fungiert die Spritzleitung wiederum in weiterer Ausgestaltung als Vorkammer, in der eine kleine in die Spritzleitung eingeblasene Menge des brennbaren gasförmigen Mediums zusammen mit einer durch die Kompression der Maschine eingetragenen Menge an Frischgas ein zündfähiges Gemisch bildet, das lokal gezündet wird. Sobald das zündfähige Gemisch vorliegt, genügt ein geringer und lokaler Energieeintrag zur Entflammung der gesamten in der Spritzleitung befindlichen Menge an zündfähigem Gemisch, wobei die Spritzleitung dann als Vorkammer fungiert. Durch die Expansion der Verbrennung wird das brennende Gemisch aus der als Vorkammer fungierenden Spritzleitung durch die zumindest eine Spritzöffnung in den Brennraum ausgetragen und bildet dort das Zünddepot für die nachfolgende Haupteinblasung durch den Injektor. Nach erfolgter Haupteinblasung wird dann die Spritzleitung, die dann das (nachteilige) Schadvolumen bildet, wie zuvor beschrieben mit Frischgas gespült.
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Neben dem Vorteil der geringeren Temperaturbelastung durch Zurückverlegung des Ventilsitzes der Düsennadel sind zwei weitere gewichtige Vorteile:
- Monofluid-Injektoren können kein konventionelles Servoventil zur Ansteuerung nutzen und müssen daher idealerweise als Direktschalter ausgeführt werden.
- Dafür gibt es unterschiedliche Konzepte, einige davon benötigen einen großen Dichtsitzdurchmesser, der vorteilhaft oberhalb des Düsenschafts zuzuordnen ist.
- Dabei entsteht dann ein großes Schadvolumen, das durch die beschriebene Spüleinrichtung „entschärft“ werden kann.
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Bei Vorkammerkonzepten, allgemein aber bei allen Konzepten mit integrierter Zündeinrichtung, ist aufgrund des Bauraums (z. B. Kabelführung) und des zusätzlichen Wärmeeintrags ein zurückversetzter Dichtsitz sinnvollerweise einsetzbar. Auch hier ist das Spülkonzept zur Umsetzung vorteilhaft einsetzbar.
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In Weiterbildung der Erfindung wird der Injektor bei einer gasbetriebenen Brennkraftmaschine eingesetzt, die mit einem gasförmigen brennbaren Medium in Form von Brenngas, beispielsweise Methan, betrieben wird. Das Methan bildet mit in den Brennraum eingebrachten Brenngas ein brennbares Gemisch, das nach der Entzündung unter Abgabe von Arbeitsleitung verbrennt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch einen Injektor in einer ersten Ausführungsform,
- 2 einen Längsschnitt durch einen Injektor in einer zweiten Ausführungsform,
- 3 einen Längsschnitt durch einen Injektor in einer dritten Ausführungsform und
- 4 eine Detailansicht einer Heizeinrichtung ähnlich der 3.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Injektor 1. Der Injektor 1 ist zur Einblasung eines gasförmigen Mediums in Form von einem Brenngas, beispielsweise Methan, in einen Brennraum 2 einer Brennkraftmaschine ausgelegt. Die Brennkraftmaschine weist unter anderem einen Zylinderkopf 3 auf, der einen Zylinder mit einer Zylinderbohrung abdeckt, wobei in der Zylinderbohrung ein Kolben 4 auf- und abbewegbar ist und insbesondere bei einer Abwärtsbewegung von dem entzündeten Gemisch aus Brenngas und Brennluft an eine Kurbelwelle Arbeitsleistung abgibt. In den Brennraum 2 wird die Brennluft beispielsweise durch eine in den Zylinderkopf 3 eingelassene Einlassventileinrichtung eingelassen und das verbrannte Gemisch durch eine Auslassventileinrichtung abgeführt. Der Brennraum 2 erstreckt sich bei dem Ausführungsbeispiel von der Zylinderbohrung oberhalb des Kolbens 4 bis in eine Kolbenausnehmung in dem Kolben 4 unterhalb des Injektors 1.
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Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 5 und einen Düsenschaft 6 auf, die mittels einer Hülsenmutter 7 miteinander verbunden sind. In den Injektorkörper 5 und in den Düsenschaft 6 ist eine Ausnehmung 8 eingelassen, in der eine Düsennadel 9 geführt ist. Die Düsennadel 9 weist eine Düsennadelspitze 10 auf, die mit einem Dichtsitz 11 in dem Düsenschaft 6 zusammenwirkt. Die Düsennadel 9 ist von einem nicht dargestellten Aktor, der vorzugsweise in beziehungsweise an dem Injektorkörper 5 befestigt ist, axial beweglich verstellbar in der Ausnehmung 8. Ist die Düsennadelspitze 10 axial gegen den Dichtsitz 11 gefahren, ist eine Strömungsverbindung von einer Gasleitung 12 in dem Injektorkörper 5, die sich über zumindest eine an die Ausnehmung 8 angrenzende Nut 13 in dem Düsenschaft 6 bis zu dem Dichtsitz 11 fortsetzt, zu einer weiterführenden Spritzleitung 14, die sich in eine oder mehrere Spritzöffnungen 15 in der in die Zylinderführung hineinragenden Düsenschaftspitze 16 aufteilt, abgesperrt. Ist dagegen die Düsennadel 9 nach oben aus dem Dichtsitz 11 wegbewegt, strömt Brenngas unter einem Druck von beispielsweise 50 bar bis 500 bar von der Gasleitung 12 über die Spritzleitung 14 und die Spritzöffnungen 15 letztendlich in den Brennraum 2 der Brennkraftmaschine beziehungsweise wird in den Brennraum 2 eingeblesen. Wird dann die Düsennadel 9 mit der Düsennadelspitze 10 wieder in den Dichtsitz 11 bewegt, wird die Strömungsverbindung zwischen der Gasleitung 12 über die Nut 13 zu der Spritzleitung 14 abgesperrt. Das dann in der Spritzleitung 14 und den Spritzöffnungen 15 verbleibende Brenngas wird dann durch die erfindungsgemäß ausgebildete Spüleinrichtung in dem Injektor 1 aus der Spritzleitung 14 und den Spritzöffnungen 15 ausgeblasen. Dies wird nachfolgend genauer erläutert.
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Die Verlegung des Dichtsitzes 11 mit der zusammenwirkenden Düsennadelspitze 10 der Düsennadel 9 weg von der Düsenschaftspitze 16 und der Verbindung dieser Komponenten durch die Spritzleitung 14 hat den Vorteil, dass der Dichtsitz 11 und die Düsennadel 9 mit der Düsennadelspitze 10 von dem thermisch hoch belasteten Bereich der an den Brennraum 2 angrenzenden Düsenschaftspitze 16 entfernt ist, um einen sicheren Betrieb des Injektors mit geringer Temperaturbelastung der diesbezüglich empfindlichen Komponenten zu garantieren.
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In den Injektorkörper 5 ist ein Frischgasreservoir 17 eingelassen, das über eine Frischgasleitung 18 und ein Ventil 19 mit der Spritzleitung 14 direkt unterhalb des Dichtsitzes 11 verbunden ist. Das Ventil 19 ist als in Richtung zu der Spritzleitung 14 öffnendes Rückschlagventil ausgebildet und nahe der Einmündung der Frischgasleitung 18 in die Spritzleitung 14 angeordnet. Das Ventil 19 ist so ausgelegt, dass dieses bei einer Kompression der Brennluft durch eine Aufwärtsbewegung des Kolbens 4 zumindest so lange geöffnet ist, bis das Frischgasreservoir 17 vollständig mit unter Druck stehendem Frischgas gefüllt ist. Folglich wird das eingebrachte Frischgas durch die Spritzöffnungen 15 in die Spritzleitung 14 eingeleitet und vorbei an dem geöffneten Ventil 19 durch die Frischgasleitung 18 in das Frischgasreservoir 17 eingefüllt. In diesem Betriebszustand ist der Gasstrom von der Gasleitung 12 durch Sitz der Düselnadelspitze 10 in dem Dichtsitz 11 abgesperrt.
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Nach abgeschlossenem Einlass und nach erfolgter Kompression der Brennluft in dem Brennraum 2 wird die Einblasung von Brenngas - wie zuvor schon beschrieben - eingeleitet und durch den rapide ansteigenden Druck in der Spritzleitung 14 das Ventil 19 geschlossen. Somit gelangt kein Brenngas in das Frischgasreservoir 17. Nach Beendigung der Einblasung von Brenngas in den Brennraum 2 (und Verbrennung zusammen mit der Brennluft) fällt der Druck in der Spritzleitung 14 wieder ab, das Ventil 19 öffnet und die in dem Frischgasreservoir 17 gespeicherte Frischgasmenge strömt entlang des Ventils 19 in die Spritzleitung 14 und treibt das dort noch befindliche Brenngas durch die Spritzöffnungen 16 in den Brennraum 2, in dem noch (in dieser frühen Phase der Einleitung der Beendigung der Verbrennung) die Voraussetzungen für eine Vermischung mit Brennluft und anschließende Verbrennung bestehen. Dadurch wird letztendlich der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine bei gleichzeitiger Verringerung der Abgasemission verbessert.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet von dem der 1 dadurch, dass hier neben dem Ventil 19 ein (reines) Füllventil 20 vorgesehen ist, dass über eine Füllleitung 21 direkt letztendlich mit dem Brennraum 2 verbunden ist. Das in diesem Ausführungsbeispiel nur als Auslassventil wirkende Ventil 19 ist bezüglich seiner Verbindung mit dem Frischgasreservoir 17 von dem Füllventil 20 nicht beeinflusst, so dass bezüglich der Ausspülung von Brenngas aus der Spritzleitung 14 die entsprechende Funktionsbeschreibung zu 1 zutreffend ist. Das separate Füllventil 20 ermöglicht eine Befüllung des Frischgasreservoirs 17 unabhängig von der Spritzleitung 14, so dass eine vollkommen unabhängige Befüllung des Frischgasreservoirs 17 ermöglicht ist. Diese Ausgestaltung hat im Ergebnis den Vorteil, dass das in der Spritzleitung 14 befindliche Brenngas deutlich früher in den Brennraum 2 gespült wird. Die Füllleitung 21 kann beispielsweise als außen in die Düsenschaftspitze 16 eingelassene Nut ausgebildet sein.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht im Wesentlichen dem der 2, wobei hier zusätzlich eine Heizeinrichtung 22 in Form einer Glühhülse vorgesehen ist, die in die Düsenschaftspitze 16 direkt umfassend die Spritzleitung 14 eingesetzt ist. Eine elektrische Anschlussleitung 23 ist durch den Düsenschaft 6 und den Injektorkörper 5 beispielsweise parallel zu der Gasleitung 12 aus dem Injektor 1 herausgeführt. Mittels der Heizeinrichtung 22 kann eine kleine in die dann (zusätzlich) als Vorkammer fungierende Spritzleitung 14 eingeblasene Gasmenge, die mit dort vorhandenem Frischgas ein zündfähiges Gemisch bildet, lokal gezündet werden. Sobald ein zündfähiges Gemisch vorliegt, genügt ein geringer und lokaler Energieeintrag zur Entflammung der gesamten in der als Vorkammer fungierenden Spritzleitung 14 befindlichen Menge an brennbaren Gemisch. Dieser lokale Energieeintrag erfolgt durch die Heizeinrichtung 22. Durch die Expansion der Verbrennung wird das brennende Gemisch durch die Spritzöffnungen 15 in den Brennraum 2 ausgetragen und bildet dort das Zünddepot für die nachfolgende Haupteinblasung durch den Injektor 1. Nach erfolgter Haupteinblasung wird (werden) die Spritzleitung 14 (und die Spritzöffnungen 15) wie bereits beschrieben mit Frischgas gespült.
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4 zeigt eine Ansicht einer in ein hülsenförmiges Element 24 integrierte Heizeinrichtung 22, die außen um die Düsenschaftspitze 16 angeordnet werden kann beziehungsweise auf die Düsenschaftspitze 16 aufgeschoben werden kann. Dadurch ist beispielsweise kein direkter Eingriff in den Düsenschaft 6 nötig. Die Funktion ist die gleiche wie unter 3 beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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