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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit einem axial verschiebbar gelagerten Ventilglied sowie einem Gehäusekörper, welcher eine Ventilgliedführung aufweist, in der das Ventilglied zumindest teilweise aufgenommen ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine, welches einen solchen Kraftstoffinjektor aufweist.
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Mithilfe eines Dichtfluids (auch Sperrfluid genannt), welches unter hohem Druck in den Gehäusekörper eines solchen Kraftstoffinjektors eingebracht wird, kann die Ventilgliedführung des Kraftstoffinjektors abgedichtet werden.
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Durch das Abdichten der Ventilgliedführung mittels des Dichtfluids kann zum Beispiel verhindert werden, dass Kraftstoff aus einer mit der Ventilgliedführung verbundenen Kraftstoffkammer des Kraftstoffinjektors über die Ventilgliedführung in andere Bereiche des Kraftstoffinjektors eindringen kann, in welchen eine Anwesenheit des Kraftstoffs die Funktionsfähigkeit des Kraftstoffinjektors beeinträchtigen könnte. Hierzu muss der Dichtfluiddruck jedoch oberhalb des Kraftstoffdrucks liegen.
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Zwischen dem Ventilglied und einer Wandung der Ventilgliedführung kann sich eine ungewollte Dichtfluidströmung ausbilden (nachfolgend als Leckageströmung bezeichnet). Durch den hohen Druck des Dichtfluids im Vergleich zum Kraftstoffdruck kann es infolge einer solchen Leckageströmung zu einem ungewollten Eintrag des Dichtfluids in die Kraftstoffkammer kommen, sodass sich in der Kraftstoffkammer der Kraftstoff mit dem Dichtfluid vermischt. Erfolgt längere Zeit keine Einspritzung des Kraftstoffs in ein Einspritzvolumen, wie zum Beispiel einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, kann sich die Kraftstoffkammer so sehr mit dem Dichtfluid füllen, dass beim nächsten Einspritzvorgang hauptsächlich oder ausschließlich das Dichtfluid aus der Kraftstoffkammer ausgespritzt wird.
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Ferner kann das Dichtfluid infolge einer Leckageströmung gegebenenfalls in andere Bereiche des Kraftstoffinjektors eindringen, in welchen die Anwesenheit des Dichtfluid negative Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit des Kraftstoffinjektors haben kann.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, nachteilige Auswirkungen der Verwendung eines Dichtfluids auf eine Kraftstoffeinspritzung zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kraftstoffinjektor nach Anspruch 1 sowie durch ein Einspritzsystem nach Anspruch 12.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor weist ein axial verschiebbar gelagertes Ventilglied sowie einen Gehäusekörper auf. Der Gehäusekörper umfasst eine Ventilgliedführung, in welcher das Ventilglied zumindest teilweise aufgenommen ist. Außerdem umfasst der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mindestens ein Verwirbelungsmittel zum Verwirbeln einer durch die Ventilgliedführung strömenden Leckageströmung eines Dichtfluids zum Abdichten der Ventilgliedführung.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch eine Verwirbelung der durch die Ventilgliedführung strömenden Leckageströmung deren Massenstrom verringert werden kann. Auf diese Weise kann die Menge an Dichtfluid verringert werden, die infolge der Leckageströmung innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne in einen Bereich des Kraftstoffinjektors einströmt, in welchem das Dichtfluid gegebenenfalls die Funktionsfähigkeit des Kraftstoffinjektors beeinträchtigen kann. Die Verringerung des Massenstroms der durch die Ventilgliedführung strömenden Leckageströmung als Folge der Verwirbelung der Leckageströmung beruht darauf, dass die Verwirbelung den Strömungswiderstand für die Leckageströmung erhöht.
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Bei dem Kraftstoffinjektor kann es sich insbesondere um einen Brenngasinjektor handeln. Entsprechend kann der vom Kraftstoffinjektor in ein Einspritzvolumen einzuspritzende Kraftstoff ein gasförmiger Kraftstoff (Brenngas) sein. Beispielsweise kann der Kraftstoff Erdgas, Wasserstoff oder ein anderes brennbares Gas sein oder mindestens eins dieser Gase enthalten.
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Alternativ kann der Kraftstoffinjektor ein Flüssigkraftstoffinjektor sein. Entsprechend kann der vom Kraftstoffinjektor in das Einspritzvolumen einzuspritzende Kraftstoff ein flüssiger Kraftstoff sein. Als Flüssigkraftstoff kann beispielsweise Methanol oder ein Methanol enthaltendes Gemisch verwendet werden.
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Ferner kann der Kraftstoffinjektor als sogenannter Single-Fuel-Injektor ausgebildet sein. Alternativ kann der Kraftstoffinjektor ein Element einer sogenannten Dual-Fuel-Injektoreinheit sein.
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Des Weiteren ist das Verwirbelungsmittel vorzugsweise dazu eingerichtet, einen effektiven Strömungsquerschnitt der Leckageströmung zu verringern. Durch eine Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts der Leckageströmung kann das Verwirbelungsmittel eine Erhöhung des Strömungswiderstands für die Leckageströmung bewirken.
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Das Verwirbelungsmittel kann ferner dazu eingerichtet sein, einen Teil der Leckageströmung in einen Dichtfluid-Wirbel mit einer radialen Strömungskomponente umzuformen. Ein solcher Dichtfluid-Wirbel kann eine Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts der Leckageströmung bewirken, insbesondere durch eine Überlagerung des Dichtfluid-Wirbels mit einem nachfolgenden Teil der Leckageströmung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventilglied ein fluidbetätigtes Ventilglied. Ferner kann der Gehäusekörper des Kraftstoffinjektors eine Steuerkammer zur Aufnahme eines Steuerfluids zum Steuern einer Stellung des Ventilglieds aufweisen.
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Das Steuerfluid, das zum Steuern der Stellung des Ventilglieds verwendet wird, kann beispielsweise ein Flüssigkraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, sein oder einen Flüssigkraftstoff enthalten. Das Dichtfluid, das zum Abdichten der Ventilgliedführung verwendet wird, kann zum Beispiel Öl sein oder Öl enthalten. Darüber hinaus kann als Dichtfluid ein Flüssigkraftstoff oder ein Gemisch, welches einen Flüssigkraftstoff enthält, verwendet werden. Insbesondere kann es sich bei dem Steuerfluid und dem Dichtfluid um das gleiche Fluid handeln.
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In bevorzugter Weise ist das Ventilglied als Düsennadel ausgebildet. Ferner kann vorgesehen sein, dass das Ventilglied einen Kolbenabschnitt aufweist. Der Kolbenabschnitt des Ventilglieds ist vorzugsweise in der Steuerkammer angeordnet und unterteilt die Steuerkammer volumenvariabel in zwei Steuerräume.
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Der Kraftstoffinjektor kann eine Dichtkammer zur Aufnahme des Dichtfluids aufweisen. Vorzugsweise ist die Dichtkammer mit der Ventilgliedführung verbunden. Insbesondere kann die Dichtkammer in die Ventilgliedführung münden. Die Dichtkammer ist vorzugsweise ein Bestandteil des Gehäusekörpers. Alternativ kann die Dichtkammer ein Bestandteil des Ventilglieds sein.
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Weiterhin kann der Gehäusekörper eine Kraftstoffkammer zur Aufnahme eines aus dem Gehäusekörper auszuspritzenden Kraftstoffs aufweisen. In bevorzugter Weise ist die Kraftstoffkammer mit der Ventilgliedführung verbunden. Die Kraftstoffkammer kann insbesondere in die Ventilgliedführung münden. Des Weiteren kann der Gehäusekörper eine oder mehrere Düsenöffnungen aufweisen, über welche die Kraftstoffkammer mit der Umgebung des Kraftstoffinjektors verbunden ist.
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Es bevorzugt, wenn die Dichtkammer zwischen der Kraftstoffkammer und der Steuerkammer angeordnet ist. Weiter ist es bevorzugt, wenn das Verwirbelungsmittel zwischen der Kraftstoffkammer und der Steuerkammer angeordnet ist.
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Das Verwirbelungsmittel kann zum Beispiel zwischen der Dichtkammer und der Steuerkammer angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Menge an Dichtfluid, die innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne in die Steuerkammer einströmt, verringert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Verwirbelungsmittel zwischen der Dichtkammer und der Kraftstoffkammer angeordnet. Dadurch kann die Menge an Dichtfluid, die innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne in die Kraftstoffkammer einströmt, verringert werden, wodurch innerhalb der vorgegebenen Zeitspanne eine geringere Verunreinigung des in der Kraftstoffkammer befindlichen Kraftstoffs mit dem Dichtfluid erfolgt. Dies ermöglicht längere Phasen ohne eine Kraftstoffeinspritzung in ein Einspritzvolumen, ohne dass beim nächsten Einspritzvorgang eine nennenswerte Menge des Dichtfluids in das Einspritzvolumen eingespritzt wird.
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Bei dem Ventilglied muss es sich nicht notwendigerweise um ein fluidbetätigtes Ventilglied handeln. So kann das Ventilglied zum Beispiel ein elektromagnetisch betätigtes Ventilglied sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist das Ventilglied das Verwirbelungsmittel auf. Alternativ kann die Ventilgliedführung das Verwirbelungsmittel aufweisen.
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Vorzugsweise ist das Verwirbelungsmittel als Aussparung, insbesondere als ringförmige Aussparung, ausgebildet. Eine solche Ausgestaltung des Verwirbelungsmittels ist fertigungstechnisch aufwandsgünstig zu realisieren und ermöglicht eine effektive Verwirbelung der Leckageströmung. Es ist außerdem bevorzugt, wenn die Aussparung eine Axialsymmetrie bezüglich der Längsachse des Ventilglieds aufweist. Als Längsachse des Ventilglieds kann vorliegend eine in Längsrichtung des Ventilglieds durch dessen Massenmittelpunkt verlaufende Achse verstanden werden.
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Des Weiteren kann die Aussparung eine eckige Querschnittsfläche, insbesondere eine dreieckige Querschnittsfläche oder eine rechteckige Querschnittsfläche, aufweisen. Alternativ kann die Aussparung eine abgerundete Querschnittsfläche aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der Kraftstoffinjektor mehrere Verwirbelungsmittel der zuvor beschrieben Art, welche jeweils dazu dienen, die durch die Ventilgliedführung strömende Leckageströmung des Dichtfluids zu verwirbeln. Da mit zunehmender Anzahl von Verwirbelungsmitteln der Strömungswiderstand für die Leckageströmung zunimmt, kann auf diese Weise - verglichen mit dem Fall, dass der Kraftstoffinjektor ein einziges solches Verwirbelungsmittel aufweist - der Strömungswiderstand für die Leckageströmung weiter verringert werden. Der Kraftstoffinjektor kann zum Beispiel mindestens drei Verwirbelungsmittel, vorzugsweise mindestens fünf Verwirbelungsmittel, besonders bevorzugt mindestens acht Verwirbelungsmittel, aufweisen.
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Weiter ist es bevorzugt, wenn die Verwirbelungsmittel in Axialrichtung der Ventilgliedführung hintereinander angeordnet sind. Ferner können die Verwirbelungsmittel äquidistant oder in unterschiedlichen Abständen zueinander angeordnet sein.
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Die mehreren Verwirbelungsmittel können Elemente der Ventilgliedführung oder des Ventilglieds sein. Anders ausgedrückt, die Ventilgliedführung des Gehäusekörpers oder das Ventilglied kann die mehreren Verwirbelungsmittel aufweisen. Grundsätzlich ist es möglich, dass sowohl das Ventilglied als auch die Ventilgliedführung jeweils mindestens eins der Verwirbelungsmittel aufweist.
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In bevorzugter Weise ist jedes der Verwirbelungsmittel als eine Aussparung ausgebildet. Des Weiteren können die Verwirbelungsmittel hinsichtlich ihrer Form und/oder Größe gleichartig ausgebildet sein. Das heißt, die Verwirbelungsmittel können die gleiche Form und/oder die gleiche Größe aufweisen.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn benachbarte Verwirbelungsmittel solch einen Abstand zueinander aufweisen, dass eine Teilströmung der Leckageströmung, die an einer Kante eines der Verwirbelungsmittel in eine schräg zur Axialrichtung der Ventilgliedführung orientierte Richtung umgelenkt wird, bei ihrer Überlagerung mit einem von dem nächstfolgenden Verwirbelungsmittel erzeugten Dichtfluid-Wirbel immer noch schräg zur Axialrichtung der Ventilgliedführung orientiert ist. Mit anderen Worten, der Abstand benachbarter Verwirbelungsmittel ist vorzugsweise derart gewählt, dass eine Teilströmung der Leckageströmung, die an einer Kante eines der Verwirbelungsmittel umgelenkt wird und durch diese Umlenkung schräg zur Axialrichtung orientiert ist, immer noch schräg zur Axialrichtung orientiert ist, wenn ein von dem nächstfolgenden Verwirbelungsmittel erzeugter Dichtfluid-Wirbel auf die umgelenkte Teilströmung trifft. Auf diese Weise kann durch die Verwirbelungsmittel eine stärkere Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts Leckageströmung bewirkt werden - verglichen mit dem Fall, dass benachbarte Verwirbelungsmittel solch einen großen Abstand zueinander aufweisen, dass die umgelenkte Teilströmung es schafft eine axiale Ausrichtung anzunehmen, bevor auf sie ein von dem nächstfolgenden Verwirbelungsmittel erzeugter Dichtfluid-Wirbel trifft.
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Vorzugsweise ist der Abstand, den benachbarte Verwirbelungsmittel zueinander aufweisen, kleiner als die Hälfte, insbesondere kleiner als ein Viertel, der maximalen Axialerstreckung des jeweiligen Verwirbelungsmittels. Unter der maximalen Axialerstreckung eines Verwirbelungsmittel ist dessen maximale Erstreckung in Axialrichtung der Ventilgliedführung zu verstehen. Zum Beispiel kann der Abstand benachbarter Verwirbelungsmittel kleiner als 0,5 mm sein.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass der Kraftstoffinjektor sowohl zwischen der Steuerkammer und der Dichtkammer mindestens ein Verwirbelungsmittel der zuvor beschriebenen Art, insbesondere mehrere in Axialrichtung der Ventilgliedführung hintereinander angeordnete Verwirbelungsmittel der zuvor beschriebenen Art, als auch zwischen der Kraftstoffkammer und der Dichtkammer mindestens ein Verwirbelungsmittel der zuvor beschriebenen Art, insbesondere mehrere in Axialrichtung der Ventilgliedführung hintereinander angeordnete Verwirbelungsmittel der zuvor beschriebenen Art, aufweist.
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Wie eingangs erwähnt, betrifft die Erfindung auch ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine. Das erfindungsgemäße Einspritzsystem umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen Krafts toffinjektor.
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In bevorzugter Weise umfasst das Einspritzsystem mehrere Kraftstoffinjektoren, insbesondere mehrere erfindungsgemäße Kraftstoffinjektoren. Diese können insbesondere an eine gemeinsame Kraftstoffverteilleitung des Einspritzsystems angeschlossen sein.
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Ferner kann das Einspritzsystem ein oder mehrere weitere Elemente, wie zum Beispiel ein Steuergerät zum Steuern des Kraftstoffinjektors bzw. der Kraftstoffinjektoren, aufweisen.
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Die bisher gegebene Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen abhängigen Ansprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammengefasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor und dem erfindungsgemäßen Einspritzsystem kombinierbar. Ferner können Verfahrensmerkmale auch als Eigenschaft der entsprechenden Vorrichtungseinheit gesehen werden.
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Auch wenn in der Beschreibung bzw. in den Ansprüchen einige Begriffe jeweils im Singular oder in Verbindung mit einem Zahlwort verwendet werden, soll der Umfang der Erfindung für diese Begriffe nicht auf den Singular oder das jeweilige Zahlwort eingeschränkt sein.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebenen Kombinationen von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
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Werden in verschiedenen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese im Wesentlichen gleiche oder einander entsprechende Elemente.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines mehrere Kraftstoffinjektoren umfassenden Einspritzsystems für eine Brennkraftmaschine;
- 2 eine Längsschnittdarstellung eines der Kraftstoffinjektoren aus 1;
- 3a - 3e Schnittdarstellungen verschiedener Ausgestaltungsvarianten von Verwirbelungsmitteln des Kraftstoffinjektors aus 2;
- 4a - 4e Darstellungen der Wirkungsweise der Verwirbelungsmittel aus den 3a - 3e;
- 5 eine Darstellung der Wirkungsweise zweier benachbarter Verwirbelungsmittel, die einen großen Abstand zueinander aufweisen;
- 6 eine Darstellung der Wirkungsweise zweier benachbarter Verwirbelungsmittel, die einen geringen Abstand zueinander aufweisen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Einspritzsystems 2, welches mehrere baugleiche Kraftstoffinjektoren 4 umfasst, die jeweils dazu genutzt werden, einen Kraftstoff in denselben Brennraum oder in unterschiedliche Brennräume einer Brennkraftmaschine einzuspritzen.
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Weiter umfasst das Einspritzsystem 2 eine Kraftstoffförderpumpe 6 sowie einen Kraftstoffspeicher 8, in welchem der von den Kraftstoffinjektoren 4 in den Brennraum bzw. in die Brennräume einzuspritzende Kraftstoff gespeichert ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Kraftstoff um einen gasförmigen Kraftstoff.
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Ferner umfasst das Einspritzsystem 2 eine Kraftstoffverteilleitung 10, an welche die Kraftstoffinjektoren 4 jeweils mittels einer Kraftstoffversorgungsleitung 12 angeschlossen sind. Die Kraftstoffverteilleitung 10 ist insbesondere ein sogenanntes Common-Rail. Besagte Kraftstoffförderpumpe 6 ist ausgangsseitig über eine erste Verbindungsleitung 14 mit der Kraftstoffverteilleitung 10 verbunden. Eingangsseitig ist die Kraftstoffförderpumpe 6 über eine zweite Verbindungsleitung 16 mit dem Kraftstoffspeicher 8 verbunden.
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Außerdem umfasst das Einspritzsystem 2 ein Steuergerät 18 zum Steuern der Kraftstoffinjektoren 4 sowie zum Steuern der Kraftstoffförderpumpe 6. Jeder der Kraftstoffinjektoren 4 sowie die Kraftstoffförderpumpe 6 sind jeweils über eine elektrische Steuerleitung 20 mit dem Steuergerät 18 verbunden.
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Im Betrieb des Einspritzsystems 2 fördert die Kraftstoffförderpumpe 6 den Kraftstoff aus dem Kraftstoffspeicher 8 zur Kraftstoffverteilleitung 10. Das Steuergerät 18 steuert die Kraftstoffinjektoren 4 derart an, dass die Kraftstoffinjektoren 4 zu vorgegebenen Einspritzzeitpunkten den Kraftstoff in den Brennraum bzw. in die Brennräume einspritzen.
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2 zeigt exemplarisch eine Längsschnittdarstellung eines der Kraftstoffinjektoren 4 aus 1.
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Der Kraftstoffinjektor 4 umfasst ein als Düsennadel ausgebildetes Ventilglied 22 (auch Absperrkörper genannt) sowie einen Gehäusekörper 24. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Gehäusekörper 24 zweiteilig ausgeführt und umfasst ein erstes Gehäuseelement 24a sowie ein zweites Gehäuseelement 24b.
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Der Gehäusekörper 24, genauer gesagt dessen erstes Gehäuseelement 24a, umfasst eine Ventilgliedführung 26. Das Ventilglied 22 ist mit radialem Spiel in der Ventilgliedführung 26 aufgenommen. Zudem ist das Ventilglied 22 in der Ventilgliedführung 26 axial verschiebbar gelagert. Das heißt, das Ventilglied 22 ist längs seiner Längsachse 28 verschiebbar in der Ventilgliedführung 26 angeordnet. Im vorliegenden Fall ist das Ventilglied 22 somit in und entgegengesetzt zur Axialrichtung 30 der Ventilgliedführung 26 verschiebbar. Ferner ist das Ventilglied 22 mit einem Steuerfluid betätigbar. Das heißt, die Stellung des Ventilglieds 22 ist mithilfe eines Steuerfluids steuerbar. Als Steuerfluid wird im vorliegenden Beispiel Dieselkraftstoff verwendet.
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Das erste Gehäuseelement 24a des Gehäusekörpers 24 umfasst ferner eine Steuerkammer 32 zur Aufnahme eines zum Steuern der Stellung des Ventilglieds 22 vorgesehenen Steuerfluids sowie eine Kraftstoffkammer 34 zur Aufnahme des Kraftstoffs. Ferner umfasst das erste Gehäuseelement 24a eine zwischen der Kraftstoffkammer 34 und der Steuerkammer 32 angeordnete erste Dichtkammer 36 zur Aufnahme eines Dichtfluids. Die Steuerkammer 32, die Kraftstoffkammer 34 und die erste Dichtkammer 36 sind durch die Ventilgliedführung 26 miteinander verbunden. Außerdem weist das erste Gehäuseelement 24a des Gehäusekörpers 24 mehrere Düsenöffnungen 38 auf (auch Einspritzöffnungen genannt), durch welche der Kraftstoff aus der Kraftstoffkammer 34 in einen Brennraum eingespritzt werden kann.
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Des Weiteren weist das Ventilglied 22 einen Schaftabschnitt 40 sowie einen einstückig mit dem Schaftabschnitt 40 ausgebildeten Kolbenabschnitt 42 auf. Der Kolbenabschnitt 42 des Ventilglieds 22 ist in der Steuerkammer 32 angeordnet und unterteilt diese volumenvariabel in einen den Düsenöffnungen 38 näheren ersten Steuerraum 44 und einen den Düsenöffnungen 38 ferneren zweiten Steuerraum 46, wobei die beiden Steuerräume 44, 46 mithilfe eines Dichtelements 48, das in eine Nut des Kolbenabschnitts 42 eingesetzt ist, gegeneinander abgedichtet sind.
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Das zweite Gehäuseelement 24b deckelt partiell die Steuerkammer 32 und weist eine zweite Dichtkammer 52 zur Aufnahme eines Dichtfluids auf.
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Weiter umfasst der Kraftstoffinjektor 4 eine Vorspanneinrichtung 54, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Druckfeder ausgebildet ist, sowie eine Stelze 56 mit einem Kragen 58. Die Vorspanneinrichtung 54 liegt am Kragen 58 der Stelze 56 an und drückt die Stelze 56 gegen das Ventilglied 22. Außerdem umfasst der Kraftstoffinjektor 4 ein Anschlagelement 60 zur Begrenzung einer Bewegung der Stelze 56.
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Ferner ist der Kraftstoffinjektor 4 mit einem elektrisch steuerbaren Steuerventil 62 ausgestattet, welches vom Steuergerät 18 des Einspritzsystems 2 (siehe 1) gesteuert werden kann, wobei das Steuerventil 62 über seinen elektrischen Anschluss 64 mit einer der elektrischen Steuerleitungen 20 aus 1 verbindbar ist. Die beiden Steuerräume 44, 46, in die die Steuerkammer 32 von dem Kolbenabschnitt 42 des Ventilglieds 22 unterteilt wird, sind jeweils über eine Steuerfluidleitung 66 mit dem Steuerventil 62 verbunden.
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Das Steuerventil 62 verfügt außerdem über einen hochdruckseitigen Steuerfluidanschluss 68 und einen niederdruckseitigen Steuerfluidanschluss 70, wobei das Steuerventil 62 über seinen hochdruckseitigen Steuerfluidanschluss 68 mit einer Hochdruckseite eines figürlich nicht dargestellten Steuerfluidkreislaufs des Einspritzsystems 2 verbindbar ist und über seinen niederdruckseitigen Steuerfluidanschluss 70 mit einer Niederdruckseite des Steuerfluidkreislaufs des Einspritzsystems 2 verbindbar ist.
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Des Weiteren verfügt der Kraftstoffinjektor 4 über einen Kraftstoffanschluss 72, durch welchen die Kraftstoffkammer 34 mit einer der Kraftstoffversorgungsleitungen 12 aus 1 verbindbar ist, und einen Dichtfluidanschluss 74, durch welchen die beiden Dichtkammern 36, 52 mit einer figürlich nicht dargestellten Dichtfluidquelle des Einspritzsystems 2 verbindbar sind, wobei die beiden Dichtkammern 36, 52 jeweils mittels einer Dichtfluidleitung 76 mit dem Dichtfluidanschluss 74 verbunden sind.
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Über den Kraftstoffanschluss 72 wird der Kraftstoff in die Kraftstoffkammer 34 eingebracht. Um zu verhindern, dass der gasförmige Kraftstoff über die Ventilgliedführung 26 in die Steuerkammer 32 gelangt, wird über den Dichtfluidanschluss 74 ein Dichtfluid in die erste Dichtkammer 36 eingebracht und der Dichtfluiddruck in der ersten Dichtkammer 36 oberhalb des Kraftstoffdrucks in der Kraftstoffkammer 34 gehalten. Der höhere Dichtfluiddruck im Vergleich zum Kraftstoffdruck bewirkt jedoch einen ungewollten Eintrag an Dichtfluid in die Kraftstoffkammer 34.
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Der jeweilige Steuerraum 44, 46 wird je nach Stellung des Steuerventils 62 mit einem unter hohem Druck stehenden Steuerfluid versorgt oder zur Niederdruckseite des Steuerfluidkreislaufs entlastet. Mithilfe des Steuerventils 62, das vom Steuergerät 18 des Einspritzsystems 2 angesteuert wird, wird die Stellung des Ventilglieds 22 beeinflusst, und zwar über eine Steuerung des Steuerfluiddrucks im jeweiligen Steuerraum 44, 46.
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Ist die vom Steuerfluid in Summe auf den Kolbenabschnitt 42 des Ventilglieds 22 ausgebübte Kraft der von der Vorspanneinrichtung 54 mithilfe der Stelze 56 auf das Ventilglied 22 ausgeübten Kraft entgegengerichtet jedoch betragsmäßig geringer als die von der Vorspanneinrichtung 54 mithilfe der Stelze 56 auf das Ventilglied 22 ausgeübten Kraft, wird das Ventilglied 22 gegen eine Dichtfläche 78 des ersten Gehäuseelements 24a gedrückt. Dadurch wird verhindert, dass der Kraftstoff aus der Kraftstoffkammer 34 zu den Düsenöffnungen 38 des ersten Gehäuseelements 24a gelangt.
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Um zu ermöglichen, dass der Kraftstoff aus der Kraftstoffkammer 34 zu den Düsenöffnungen 38 strömen kann, sodass der Kraftstoff in einen Brennraum eingespritzt werden kann, wird mithilfe des Steuerventils 62 der Steuerfluiddruck im ersten Steuerraum 44 erhöht und zugleich der Steuerfluiddruck im zweiten Steuerraum 46 verringert, bis die vom Steuerfluid in Summe auf den Kolbenabschnitt 42 des Ventilglieds 22 ausgebübte Kraft betragsmäßig die von der Vorspanneinrichtung 54 mithilfe der Stelze 56 auf das Ventilglied 22 ausgeübte Kraft übersteigt. Hierbei wird der erste Steuerraum 44 von der Hochdruckseite des Steuerfluidkreislaufs mit unter hohem Druck stehenden Steuerfluid versorgt, während der zweite Steuerraum 46 zur Niederdruckseite des Steuerfluidkreislaufs entlastet wird. Auf diese Weise wird das Ventilglied 22 von der Dichtfläche 78 des ersten Gehäuseelements 24a entfernt, sodass der Kraftstoff aus der Kraftstoffkammer 34 zu den Düsenöffnungen 38 strömen kann.
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Um wieder zu verhindern, dass der Kraftstoff aus der Kraftstoffkammer 34 zu den Düsenöffnungen 38 strömen kann, wird mithilfe des Steuerventils 62 der Steuerfluiddruck im ersten Steuerraum 44 verringert und zugleich der Steuerfluiddruck im zweiten Steuerraum 46 erhöht, sodass das Ventilglied 22 gegen die Dichtfläche 78 des ersten Gehäuseelements 24a gedrückt wird. Hierbei wird der zweite Steuerraum 46 von der Hochdruckseite des Steuerfluidkreislaufs mit unter hohem Druck stehenden Steuerfluid versorgt, während der erste Steuerraum 44 zur Niederdruckseite des Steuerfluidkreislaufs entlastet wird.
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3a zeigt eine Schnittdarstellung einer möglichen Ausgestaltungsvariante des Kraftstoffinjektors 4 aus 2. Bei der in 3a abgebildeten Schnittdarstellung handelt es sich um eine vergrößerte Darstellung der in 2 durch ein gepunktetes Rechteck kenntlichen gemachten Abschnitts 80 des Kraftstoffinjektors 4.
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Bei der Ausgestaltungsvariante aus 3a weist das Ventilglied 22 zwischen der ersten Dichtkammer 36 und der Kraftstoffkammer 34 mehrere Verwirbelungsmittel 82 auf, die in Axialrichtung 30 der Ventilgliedführung 26 äquidistant hintereinander angeordnet sind. Die Verwirbelungsmittel 82 sind jeweils als ringförmig umlaufende Aussparung ausgebildet und haben alle die gleiche Form sowie die gleiche Größe. Ferner weisen die Verwirbelungsmittel 82 eine Axialsymmetrie bezüglich der Längsachse 28 des Ventilglieds 22 auf.
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Die Verwirbelungsmittel 82 dienen jeweils dazu, eine durch die Ventilgliedführung 26 von der ersten Dichtkammer 36 zur Kraftstoffkammer 34 strömende Leckageströmung des Dichtfluids zu verwirbeln, um den Strömungswiderstand für die Leckageströmung zu erhöhen und so den Massenstrom der Leckageströmung zu verringern.
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Im vorliegenden Fall haben die Aussparungen, die die Verwirbelungsmittel 82 ausbilden, jeweils eine dreieckige Querschnittsfläche. Genauer gesagt entspricht die Querschnittsfläche des jeweiligen Verwirbelungsmittels 82 einem gleichschenkligen Dreieck.
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3b bis 3e zeigen Schnittdarstellungen anderer möglicher Ausgestaltungsvarianten der Verwirbelungsmittel 82 des Kraftstoffinjektors 4.
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Die nachfolgenden Ausführungen zu diesen anderen Ausgestaltungsvarianten beschränken sich jeweils auf die Unterschiede zur vorangegangenen, im Zusammenhang mit 3a beschriebenen Ausgestaltungsvariante, auf die bezüglich gleichbleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird.
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Bei der Ausgestaltungsvariante aus 3b weisen die Verwirbelungsmittel 82 jeweils anstatt einer dreieckigen Querschnittsfläche eine rechteckige Querschnittsfläche auf, während die Verwirbelungsmittel 82 bei der Ausgestaltungsvariante aus 3c jeweils anstatt einer dreieckigen Querschnittsfläche eine abgerundete Querschnittsfläche aufweisen.
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Des Weiteren weisen die Verwirbelungsmittel 82 bei der Ausgestaltungsvariante aus 3d wie bei der Ausgestaltungsvariante aus 3a jeweils eine dreieckige Querschnittsfläche auf. Allerdings entspricht die jeweilige Querschnittsfläche der Verwirbelungsmittel 82 aus 3d nicht einem gleichschenkligen Dreieck, sondern einem unregelmäßigem Dreieck.
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Bei der Ausgestaltungsvariante aus 3e weist nicht das Ventilglied 22, sondern die Ventilgliedführung 26 die Verwirbelungsmittel 82 auf. In 3e haben die Verwirbelungsmittel 82 der Ventilgliedführung 26 exemplarisch jeweils die gleiche Querschnittsfläche wie bei der Ausgestaltungsvariante aus 3a. Grundsätzlich kann die Querschnittsfläche des jeweiligen Verwirbelungsmittels 82 der Ventilgliedführung 26 eine andere der zuvor genannten Formen aufweisen.
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Die Formen der Querschnittsflächen der Verwirbelungsmittel 82 sind nicht auf die beschriebenen bzw. in 3a bis 3e dargestellten Formen beschränkt. Das heißt, die Querschnittsflächen der Verwirbelungsmittel 82 können jeweils auch andere als die beschriebenen bzw. dargestellten Formen aufweisen. Ferner ist es nicht zwingend erforderlich, dass sämtliche Verwirbelungsmittel 82 des Ventilglieds 22 bzw. der Ventilgliedführung 26 die gleiche Form und/oder die gleiche Größe aufweisen.
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4a veranschaulicht exemplarisch für eins der Verwirbelungsmittel 82 aus 3a dessen Wirkungsweise.
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In 4a ist die Leckageströmung 84 des Dichtfluids, die in einem Spalt zwischen dem Ventilglied 22 und einer Wandung der Ventilgliedführung 26 von der ersten Dichtkammer 36 zu der Kraftstoffkammer 34 strömt, symbolisch in Form eines Pfeils dargestellt, der die Strömungsrichtung der Leckageströmung 84 anzeigt. Ferner ist in 4a die Axialrichtung 30 der Ventilgliedführung 26 dargestellt.
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Stromaufwärts dieses Verwirbelungsmittels 82 strömt die Leckageströmung 84 als Axialströmung, also als in Axialrichtung 30 der Ventilgliedführung 26 ausgerichtete Strömung, in Richtung der Kraftstoffkammer 34. Hierbei ist der effektive Strömungsquerschnitt der Leckageströmung 84 durch den Abstand 86 zwischen dem Ventilglied 22 und der Ventilgliedführung 26 vorgegeben. Mit anderen Worten, stromaufwärts des Verwirbelungsmittels 82 entspricht der effektive Strömungsquerschnitt der Leckageströmung 84 dem durch den Abstand 86 zwischen dem Ventilglied 22 und der Ventilgliedführung 26 vorgegeben geometrischen Strömungsquerschnitt.
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Im Bereich des Verwirbelungsmittels 82 strömt ein Teil der Leckageströmung 84 in das Verwirbelungsmittel 82 hinein und wird durch das Verwirbelungsmittel 82 in einen Dichtfluid-Wirbel 88 mit einer radialen Strömungskomponente umgeformt. Der Dichtfluid-Wirbel 88 trifft mit radial nach außen gerichteter Ausrichtung auf einen nachfolgenden Teil der Leckageströmung 84 und überlagert sich mit dem nachfolgenden Teil der Leckageströmung 84. Dadurch wird eine Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts der Leckageströmung 84 bewirkt, welche zu einer Vergrößerung des Strömungswiderstands für die Leckageströmung 84 führt.
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Die Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts wird in 4a durch die Darstellung einer radialen Breite 90 des effektiven Strömungsquerschnitts im Bereich des Verwirbelungsmittels 82 veranschaulicht. Wie aus 4a ersichtlich ist, ist die radiale Breite 90 des effektiven Strömungsquerschnitts im Bereich des Verwirbelungsmittels 82 kleiner als der zuvor erwähnte Abstand 86 zwischen der Ventilgliedführung 26 und dem Ventilglied 22.
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4b bis 4e veranschaulichen jeweils die Wirkungsweise eines der Verwirbelungsmittel 82 der Ausgestaltungsvarianten aus 3b bis 3e.
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Wie aus 4b bis 4e ersichtlich ist, haben die Verwirbelungsmittel 82 der Ausgestaltungsvarianten aus 3b bis 3e die gleiche Wirkungsweise wie das im Zusammenhang mit 4a beschriebene Verwirbelungsmittel 82. Bei dem Verwirbelungsmittel 82 aus 4e trifft der Dichtfluid-Wirbel 88 allerdings mit radial nach innen (statt radial nach außen) gerichteter Ausrichtung auf einen nachfolgenden Teil der Leckageströmung 84.
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5 und 6 veranschaulichen jeweils die Wirkungsweise zweier benachbarter Verwirbelungsmittel 82 des Kraftstoffinjektors 4 bei unterschiedlichen Abständen 92 zwischen den benachbarten Verwirbelungsmitteln 82. Bei 5 und 6 hat die Querschnittsfläche des jeweiligen Verwirbelungsmittels 82 lediglich exemplarisch eine dreieckige Form. Die nachfolgenden Ausführungen gelten auch bei anderen Querschnittflächenformen der Verwirbelungsmittel 82.
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Sowohl bei 5 als auch bei 6 ist jeweils auf der linken Seite dasjenige Verwirbelungsmittel 82 dargestellt, welches der ersten Dichtkammer 36 am nächsten ist. Nachfolgend wird das Verwirbelungsmittel 82, das dieser Dichtkammer 36 am nächsten ist, als erstes Verwirbelungsmittel 82 bezeichnet, während das nächstfolgende Verwirbelungsmittel 82 als zweites Verwirbelungsmittel 82 bezeichnet wird.
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In 5 weisen die beiden benachbarten Verwirbelungsmittel 82 zueinander einen größeren Abstand 92 auf als in 6. Bei jeder dieser beiden Ausführungsvarianten wird eine Teilströmung 94 der Leckageströmung 84 an einer Kante 96 des ersten Verwirbelungsmittels 82 in eine schräg zur Axialrichtung 30 der Ventilgliedführung 26 orientierte Richtung umgelenkt.
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Bei der Variante aus 5 ist der Abstand 92 der benachbarten Verwirbelungsmittel 82 so groß, dass die an der Kante des ersten Verwirbelungsmittels 82 umgelenkte Teilströmung 94 noch stromaufwärts des zweiten Verwirbelungsmittels 82 im Spalt zwischen dem Ventilglied 22 und der Ventilgliedführung 26 eine axiale Ausrichtung annimmt, sodass die Teilströmung 94 in Axialrichtung 30 der Ventilgliedführung 26 ausgerichtet ist, wenn ein im zweiten Verwirbelungsmittel 82 erzeugter Dichtfluid-Wirbel 88 auf die Teilströmung 94 trifft. Beide Verwirbelungsmittel 82 bewirken hierbei die gleiche Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts der Leckageströmung 84.
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Bei der Variante aus 6 hingen weisen die benachbarten Verwirbelungsmittel 82 solch einen Abstand 92 zueinander auf, dass die an der Kante 96 des ersten Verwirbelungsmittels 82 umgelenkte Teilströmung 94 es nicht schafft, stromaufwärts des zweiten Verwirbelungsmittels 82 eine axiale Ausrichtung anzunehmen, sodass die Teilströmung 94 schräg zur Axialrichtung 30 der Ventilgliedführung 26 ausgerichtet ist, wenn ein im zweiten Verwirbelungsmittel 82 erzeugter Dichtfluid-Wirbel 88 auf die Teilströmung 94 trifft. Hierbei wird durch das zweite Verwirbelungsmittel 38 (und die nachfolgenden Verwirbelungsmittel 82) eine stärkere Verringerung des effektiven Strömungsquerschnitts bewirkt als durch das erste Verwirbelungsmittel 82. Dies ist in 6 dadurch veranschaulicht, dass die radiale Breite 90 des effektiven Strömungsquerschnitts der Leckageströmung 84 im Bereich des zweiten Verwirbelungsmittels 82 kleiner ist als die radiale Breite 90 des effektiven Strömungsquerschnitts der Leckageströmung 84 im Bereich des ersten Verwirbelungsmittels 82. Die stärkere Strömungsquerschnittsverringerung im Bereich des zweiten Verwirbelungsmittels 82 (sowie im Bereich der nachfolgenden Verwirbelungsmittel 82) führt im Bereich des zweiten Verwirbelungsmittels 82 (und der nachfolgenden Verwirbelungsmittel 82) zu einem größeren Strömungswiderstand für die Leckageströmung 84.
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Der Abstand 92 benachbarter Verwirbelungsmittel 82 entspricht bei der Ausführungsvariante aus 6 circa 10 % der maximalen Axialerstreckung 98 des jeweiligen Verwirbelungsmittels 82.
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Ferner kann die Ventilgliedführung 26 oder das Ventilglied 22 des Kraftstoffinjektors 4 aus 2 zwischen der Steuerkammer 32 und der ersten Dichtkammer 36 mehrere in Axialrichtung 30 der Ventilgliedführung 26 hintereinander angeordnete Verwirbelungsmittel 82 aufweisen. Diese Verwirbelungsmittel 82 dienen dazu, eine durch die Ventilgliedführung 26 von der ersten Dichtkammer 36 zur Steuerkammer 32 strömende Leckageströmung zu verwirbeln, um den Strömungswiderstand für diese Leckageströmung zu erhöhen und so den Massenstrom dieser Leckageströmung zu verringern. Diese Verwirbelungsmittel 82 können zum Beispiel wie bei einer beliebigen der im Zusammenhang mit 3a bis 6 beschriebenen Ausführungsvarianten ausgebildet sein. Die in 3a bis 3e abgebildeten Schnittdarstellungen können somit auch als vergrößerte Darstellungen möglicher Ausgestaltungsvarianten des in 2 durch ein gepunktetes Rechteck kenntlichen gemachten Abschnitts 100 des Kraftstoffinjektors 4 angesehen werden.
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Die Erfindung wurde anhand der dargestellten Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf oder durch die offenbarten Beispiele beschränkt. Andere Varianten können vom Fachmann aus diesen Ausführungsbeispielen abgeleitet werden, ohne von den der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken abzuweichen.
