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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßer Kraftstoffinjektor ist aus der
DE 10 2005 045 001 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich des Dichtsitzes zwischen einer Düsennadel und der mit der Düsennadel zusammenwirkenden Ventildichtfläche im Injektorgehäuse im abgesenkten Zustand der Düsennadel, bei der diese wenigstens eine im Injektorgehäuse ausgebildete Einspritzöffnung zumindest mittelbar verschließt, unterschiedliche Flächenpressungen herrschen. Die unterschiedlichen Flächenpressungen werden durch eine Geometrie an der Düsennadel bzw. an der Ventilsitzfläche erzeugt, bei der die Oberflächenstruktur mehrere radiale Ausbuchtungen bzw. Erhebungen aufweist. Insbesondere ist dabei an eine wellenförmige Oberflächenstruktur gedacht, wobei die Oberflächenstruktur bzw. die Erhebungen und Vertiefungen und somit die unterschiedlichen Flächenpressungen zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit dienen.
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Aus der
DE 100 00 501 A1 der Anmelderin ist darüber hinaus eine Düsennadel bekannt, bei der ein mit einer Ventildichtfläche zusammenwirkender, um eine Längsachse der Düsennadel radial umlaufender Bereich der Düsennadel elastisch deformierbar ausgebildet ist, indem der Bereich in Form eines Ringkragens geformt ist. Auch hier dient die Ausbildung der Düsennadel bzw. des elastischen Ringkragens zur Verringerung des Verschleißes während der Lebensdauer des Kraftstoffinjektors.
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Offenbarung der Erfindung
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Kraftstoffinjektoren sollten einen Dichtsitz aufweisen, der einen sehr engen Spalt hat. Diese sehr engen, näherungsweise parallelen Spalte im Bereich des Dichtsitzes sind dadurch begründet, dass durch die verhältnismäßig große tragende Länge eine geringe Flächenlast und damit ein geringer Verschleiß resultiert. Ein geringer Verschleiß wiederum begünstigt eine geringe Veränderung der Spaltgeometrie über die Lebensdauer und damit stabile Einspritzverhältnisse bzw. eine hohe Einspritzgenauigkeit. Aufgrund der engen Spaltmaße im Bereich des Dichtsitzes tritt jedoch beim Öffnen des Kraftstoffeinspritzventils bzw. beim Abheben der Düsennadel von ihrem Sitz an dem Ventilgehäuse der Effekt des hydraulischen Klebens verstärkt in Erscheinung. Das hydraulische Kleben behindert infolge der Viskosität des Kraftstoffs ein Nachströmen des Kraftstoffs in den Spalt zwischen der Düsennadel und dem Injektorgehäuse und verursacht dadurch verzögerte, entgegen in Öffnungsrichtung wirkende Kräfte auf die Düsennadel. Damit öffnet je nach Viskosität des Kraftstoffes die Düsennadel mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Dies führt zu Abhängigkeiten des Einspritzbeginns von der Kraftstoffviskosität und der Temperatur. Insbesondere bei kleinen Einspritzdrücken, die gleichbedeutend sind mit geringen hydraulischen Öffnungskräften und tiefen Temperaturen bzw. hoher Viskosität kann dieser Effekt sich störend auswirken, d.h. zu Mengenabweichungen der eingespritzten Kraftstoffmenge oder aber einem instabilen Verhalten führen.
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass bei minimiertem Verschleiß das hydraulische Kleben bzw. Anhaften der Düsennadel beim Öffnen bzw. Freigeben der wenigstens einen Einspritzöffnung minimiert und dadurch die Mengenabweichungen verringert werden.
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Hierzu schlägt es die Erfindung vor, zusätzlich zu den an sich bekannten Erhebungen und Vertiefungen, insbesondere an der Dichtfläche der Düsennadel, ein Spaltmaß zwischen der Dichtfläche der Düsennadel und der Ventildichtfläche am Injektorgehäuse zwischen 0 µm und 5 µm, vorzugsweise zwischen 0 µm und 3 µm vorzusehen, weiterhin die Sitzlänge zwischen der Dichtfläche und der Ventilsitzfläche mehr als 0,5 mm zu wählen, und weiterhin einen Winkel an der Dichtfläche an der Düsennadel zwischen 55°und 65° vorzusehen. Eine derartige geometrische Ausbildung des Dichtsitzes zwischen der Düsennadel und der Ventildichtfläche am Injektorgehäuse bewirkt in Verbindung mit den Erhebungen bzw. Vertiefungen beim Öffnen der Düsennadel einen elastisch wirkenden, asymmetrischen Sitz, der die Öffnungsbewegung der Düsennadel unterstützt. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, im kritischen Moment des Öffnens der Düsennadel bzw. des Abhebens der Düsennadel von der Ventildichtfläche die elastische Verformung zwischen der Düsennadel und dem Ventilgehäuse so zu gestalten, dass die Düsennadel über den Umfang gesehen nicht gleichzeitig den Kontakt zum Injektorgehäuse verliert, sondern zunächst einseitig abhebt und an einer anderen Stelle noch durch elastische Kräfte in ihrer öffnenden Bewegung unterstützt wird. Dabei reicht es aus, dass der zusätzliche elastische Effekt lediglich innerhalb der ersten Ablösung der Düsennadel von der Ventildichtfläche bzw. dem Injektorgehäuse wirksam ist, da die Kräfte des hydraulischen Klebens mit der dritten Potenz des Abstands von der Ventildichtfläche abnehmen. Üblicherweise sind diese hydraulischen Klebekräfte ab einem Nadelhub der Düsennadel von ca. 5 µm nur noch sehr gering wirksam, sodass eine elastische Unterstützung bis zu diesem Hub ausreichend ist. Es hat sich dabei überraschenderweise herausgestellt, dass die aus dem Stand der Technik an sich bekannten Vertiefungen und Erhebungen, insbesondere bei einer angepassten Geometrie derselben, den Öffnungsvorgang bei den engen Spaltmaßen unterstützt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Um einerseits die gewünschten elastischen, in Öffnungsrichtung der Düsennadel wirkenden Effekte zu unterstützen, und andererseits die benötigte Dichtheit trotz der Erhebungen bzw. Vertiefungen sicherzustellen, ist es vorgesehen, dass die Tiefe bzw. Höhe der Vertiefungen bzw. Erhebungen zwischen 1 µm und 3 µm beträgt.
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Hinsichtlich einer konkreten geometrischen Gestaltung der Erhebungen und Vertiefungen im Bereich des Dichtsitzes gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. In einer ersten bevorzugten geometrischen Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Kontur der Dichtfläche der Düsennadel und/oder der Ventilsitzfläche im Injektorgehäuse mehreckig ausgebildet ist. Dies ermöglicht es, die entsprechenden ebenen Flächen durch Schleifvorgänge relativ einfach erzeugen zu können.
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Konkret sieht es eine weitere Ausgestaltung bei einer mehreckigen Kontur vor, dass die Kontur der Dichtfläche bei auf der Ventilsitzfläche abgesenkter Düsennadel, jedoch noch vor Ausbildung des Dichtsitzes, lediglich an einigen der Kanten der Kontur an der Ventilsitzfläche des Injektorgehäuses anliegt, und dass zwischen zwei an der Ventilsitzfläche anliegenden Kanten in Umfangsrichtung betrachtet wenigstens eine nicht an der Ventilsitzfläche anliegende Kante vorgesehen ist. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht in Umfangsrichtung gesehen einen relativ großen Abstand zwischen zwei an der Ventildichtfläche anliegenden Kanten der Düsennadel, sodass die zur elastischen Verformung bzw. zum Anliegen der Düsennadel an der Ventildichtfläche benötigten Kräfte relativ gering sind.
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Eine von einer mehreckigen Kontur abweichende geometrische Ausgestaltung sieht vor, dass die Kontur der Dichtfläche der Düsennadel und/oder der Ventilsitzfläche am Injektorgehäuse aus mehreren gewölbten oder gerundeten, vorzugsweise jeweils gleichen Teilabschnitten zusammengesetzt ist, die in Umfangsrichtung knickfrei aneinander anschließen, und dass die Kontur der Dichtfläche bei auf die Ventilsitzfläche abgesenkter Düsennadel, jedoch noch nicht ausgebildeten Dichtsitz, an mehreren Kanten der Ventilsitzfläche anliegt.
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In bevorzugter geometrischer Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass die Kontur elliptische Teilabschnitte aufweist.
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Unabhängig von der konkreten geometrischen Ausgestaltung der Kontur am Dichtsitz ist es von Vorteil, wenn die Umfangslänge der Kontur der Dichtfläche zwischen zwei Kanten bzw. Bereichen, an denen die Kontur der Dichtfläche bei abgesenkter Düsennadel vor Ausbildung des Dichtsitzes an der Ventilsitzfläche anliegt, wenigstens 10 % der Umfangslänge der Kontur der Dichtfläche beträgt. Dadurch ist sichergestellt, dass die zur elastischen Verformung und somit zur Sicherstellung der Dichtheit benötigten Schließkräfte auf die Düsennadel relativ gering sind.
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Als besonders vorteilhaft hat sich eine Kontur herausgestellt, bei der die Dichtfläche und/oder die Ventilsitzfläche aus zwei Halbellipsen gebildet ist.
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Ein bevorzugter Anwendungsbereich des Kraftstoffinjektors besteht bei sogenannten Common-Rail-Injektoren, bei denen der Rail- bzw. Betriebsdruck und somit der im Hochdruckraum des Kraftstoffinjektors herrschende maximale Druck mehr als 2000 bar beträgt.
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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:
- 1a den stirnseitigen Endbereich eines Kraftstoffinjektors bei von einem Dichtsitz abgehobener Düsennadel in einem Längsschnitt, wobei die linke Hälfte der Düsennadel in einer Schließposition und die rechte Hälfte in einer geöffneten Position dargestellt ist,
- 1b einen Halblängsschnitt entsprechend der 1a, wobei die Düsennadel eine Stellung einnimmt, in der diese auf eine Ventilsitzfläche eines Düsenkörpers auftrifft, der Dichtsitz jedoch noch nicht ausgebildet ist,
- 2 bis 4 jeweils Querschnitte durch die Düsennadel gemäß der 1 in der Ebene A-A der 1 bei unterschiedlichen geometrischen Querschnittsformen der Düsennadel und
- 5 einen Querschnitt durch die Ebene A-A bei der Ausbildung eines Dichtsitzes zwischen der elastisch verformten Düsennadel gemäß 3 und einer elastisch verformten Ventilsitzfläche im Düsenkörper zur Ausbildung eines Dichtsitzes.
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1a ist der in einem nicht gezeigten Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine zugewandte axiale Endbereich eines Kraftstoffinjektors 10 dargestellt. Der Kraftstoffinjektor 10 ist als sogenannter Common-Rail-Injektor ausgebildet, der über einen nicht gezeigten Kraftstoffspeicher (Rail) mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgbar ist, wobei der (maximale) System- bzw. Kraftstoffdruck vorzugsweise mehr als 2000 bar beträgt.
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Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein mehrteilig ausgebildetes Injektorgehäuse 12 mit einem Düsenkörper 14 auf, in dem ein Hochdruckraum 16 ausgebildet ist, der mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgbar ist. In dem Hochdruckraum 16 ist darüber hinaus eine entlang einer Längsachse 18 hubbeweglich angeordnete Düsennadel 20 vorgesehen. Die Düsennadel 20 wird mittels eines nicht dargestellten Aktors, beispielsweise mittels eines Magnetaktors oder eines Piezoaktors, in an sich bekannter Art und Weise bewegt.
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Im Innenraum des Injektorgehäuses 12 bzw. des Düsenkörpers 14 ist auf der dem Brennraum der Brennkraftmaschine zugewandten Seite ein Sackloch 22 ausgebildet, in dessen Bereich der Düsenkörper 14 wenigstens eine Einspritzöffnung 24 hat. Über die Einspritzöffnung 24 wird bei aus einer Schließposition in Richtung einer Öffnungsposition bewegten Düsennadel 20 Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 16 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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Axial oberhalb der wenigstens einen Einspritzöffnung 24 und oberhalb des Sacklochs 22 weist das Injektorgehäuse 12 bzw. der Düsenkörper 14 einen kegelstumpfförmig um die Längsachse 18 umlaufenden Düsennadelsitz mit einer Ventilsitzfläche 26 auf. Gegengleich zur Ventilsitzfläche 26 weist die Düsennadel 20 eine mit der Ventilsitzfläche 26 zusammenwirkende Dichtfläche 28 auf. Die ebenfalls kegelstumpfförmige Dichtfläche 28 weist einen Öffnungswinkel α zwischen 55° und 65° auf.
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In der 1a ist die rechte Hälfte der Düsennadel 20 in einem Zustand dargestellt, bei der die Düsennadel 20 durch eine Bestromung des Aktors in eine zumindest teilweise geöffnete Position bewegt ist, bei der zwischen der Ventilsitzfläche 26 und der Dichtfläche 28 ein Durchflussspalt 30 ausgebildet ist.
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Demgegenüber ist im nicht bestromten Kraftstoffinjektor 10 bzw. Aktor und somit bei nicht in Richtung ihrer Öffnungsstellung betätigter Düsennadel 20 entsprechend der linken Hälfte der Düsennadel 20 diese mittels einer nicht dargestellten Schließfeder durch Federkraft in der unteren Endposition mit der Dichtfläche 28 gegen den Ventildichtsitz 26 gedrückt, um dadurch einen Abfluss von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 16 in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 24 zu verhindern, wobei zwischen der Ventilsitzfläche 26 und der Dichtfläche 28 in der unteren Position der Düsennadel 20 ein Dichtsitz 31 ausgebildet ist.
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Zur Unterstützung der Öffnungsbewegung der Düsennadel 20 zum Öffnen des Dichtsitzes 31 weist beispielhaft die Düsennadel 20 im Bereich zumindest des Dichtsitzes 31, d.h. im Anlagebereich zwischen der Düsennadel 20 und dem Düsenkörper 14 eine spezielle Geometrie auf. Weiterhin beträgt zur Minimierung des Verschleißes eine Sitzlänge L bei Ausbildung des Dichtsitzes 31 zwischen der Dichtfläche 28 und der Ventilsitzfläche 26 mehr als 0,5 mm, vorzugsweise etwa 1 mm.
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In 1b ist die Position der Düsennadel 20 dargestellt, bei der deren Dichtfläche 28 gerade an der Ventilsitzfläche 26 des Düsenkörpers 14 im Bereich einer Sitzkante 33 aufsitzt, beispielweise beim Absenken der Düsennadel 20 aus einer geöffneten Position in Richtung ihrer Schließstellung. Der Dichtsitz 31 ist jedoch noch nicht ausgebildet, da sich die Düsennadel 20 noch nicht in der unmittelbaren Nähe ihrer unteren Position befindet. Dabei erkennt man, dass die Ventilsitzfläche 26 des Düsenkörpers 14 einen Öffnungswinkel β aufweist, der etwas kleiner ist als der Öffnungswinkel α der Düsennadel 20 im Bereich der Dichtfläche 28. Dadurch ist zwischen der Dichtfläche 28 und der Ventilsitzfläche 26, beginnend ab der Sitzkante 33 in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 24, ein sich in der Breite vergrößernder Ringspalt 35 ausgebildet, dessen Spaltmaß S typischerweise im Bereich einer Sackeinlaufkante 35 erzielt wird, wobei die Sackeinlaufkante 35 den Übergang von der Ventilsitzfläche 26 zum Sackloch 22 kennzeichnet und wobei das Spaltmaß 5 µm, vorzugsweise maximal 3 µm beträgt. Die Geometrie zwischen der Ventilsitzfläche 26 und der Dichtfläche 28 soll jedoch auch Fälle umfassen, bei denen die beiden Öffnungswinkel α und β gleich groß sind. Dies hat zur Folge, dass das Spaltmaß S zwischen 0 µm und 5 µm, vorzugsweise zwischen 0 µm und 3 µm beträgt.
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In der 2 ist eine erste Geometrie der Dichtfläche 28 der Düsennadel 20 im Querschnitt dargestellt, wobei zwischen der Düsennadel 20 und dem Düsenkörper 14 kein Dichtsitz 31 ausgebildet ist, d.h. die Dichtfläche 28 nicht gegen die Ventilsitzfläche 26 bis in die untere Endposition der Düsennadel 20 gedrückt ist. Somit entspricht die Darstellung der 2 dem Zustand der Düsennadel 20 entsprechend der Darstellung der 1b. Hierbei ist zur Verdeutlichung der Kontur 32 der Düsennadel 20 im Bereich der Dichtfläche 28 auch eine Kreiskontur 34 um die Längsachse 18 eingezeichnet, die der Sitzkante 33 entspricht. Anhand der 2 ist erkennbar, dass die Kontur 32 der Düsennadel 20 im Bereich der Dichtfläche 28 aus zwei Teilabschnitten 36, 38 besteht, die jeweils in Form einer Halbellipse ausgebildet sind. Im Übergangsbereich zwischen den beiden Teilabschnitten 36, 38 weist die Kontur 32 zwei, um 180° in Bezug zur Längsachse 18 zueinander versetzt angeordnete Dichtkanten 40, 42 auf. Der Übergang zwischen den beiden Teilabschnitten 36, 38 ist dabei stetig und knickfrei. Zwischen der Kontur 32 und der Kreiskontur 34 ergibt sich eine maximale geometrische Abweichung bzw. eine Höhe W eines Spalts 39 im Verglich zur Kreiskontur 34 zwischen 1 µm und 3 µm. Die Kontur 32 bildet somit im Vergleich zur Kreiskontur 34 zum Bereich der Spalte 39 Vertiefungen 41 aus, oder aber im Vergleich zum Bereich Spalte 39 bildet die Kontur 32 der Düsennadel 20 im Bereich der Dichtkanten 40, 42 Erhebungen 43 aus.
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In der 3 ist eine Düsennadel 20a mit einer Dichtfläche 28a bzw. einer Kontur 32a gezeigt, bei der die Kontur 32a aus vier, jeweils identisch ausgebildeten Teilabschnitten 44 gebildet ist, die ebenfalls in Umfangsrichtung um die Längsachse 18 betrachtet stetig und knickfrei aneinander anschließen. Bei einer derartigen Ausbildung der Kontur 32a werden vier Dichtkanten 46 bis 49 ausgebildet, wobei ein Spaltmaß bzw. eine Höhe W im Bereich der Spalte 39 im Vergleich zur Kreiskontur 34 ebenfalls zwischen 1 µm und 3 µm beträgt.
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In der 4 ist eine Düsennadel 20b mit einer Dichtfläche 28b sowie einer Kontur 32b gezeigt, die mehreckig, im dargestellten Ausführungsbeispiel achteckig ausgebildet ist. Wesentlich dabei ist, dass ebenfalls (lediglich) vier Dichtkanten 50 bis 53 ausgebildet werden, und dass zwischen jeweils zwei der Dichtkanten 50 bis 53 in Umfangsrichtung um die Längsachse 18 betrachtet eine weitere Kante 56 ausgebildet ist, in deren Bereich das Spaltmaß bzw. die Höhe W des Spalts 39 zur Kreiskontur 34 zwischen 1 µm und 3 µm beträgt.
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Zur Ausbildung des Dichtsitzes zwischen der Dichtfläche 28, 28a, 28b und der Ventilsitzfläche 26 wird die Düsennadel 20, 20a, 20b durch Federkraft in ihre Schließstellung gedrückt. Dabei wird zum einen hauptsächlich die Ventilsitzfläche 26 im Anlagebereich der Düsennadel 20, 20a, 20b und zum anderen, in geringerem Ausmaß, die Kontur 32, 32a, 32b elastisch verformt, sodass die Kontur 32, 32a, 32b in Umfangsrichtung betrachtet vollflächig an der entsprechenden Gegenkontur der Ventildichtfläche 26 anliegt und somit den Dichtsitz ausbildet. Dies ist in der 5 beispielhaft bei der Düsennadel 20a dargestellt. Beim Öffnen der Düsennadel 20, 20a, 20b, also beim Abheben der Düsennadel 20, 20a, 20b von der Ventilsitzfläche 26, erfolgt die Ausbildung der in Längsrichtung verlaufenden Spalte 39, die ein hydraulisches Kleben der Düsennadel 20, 20a, 20b an der Ventilsitzfläche 26 minimieren bzw. ein Nachströmen von Kraftstoff in den Spalt zwischen der Ventilsitzfläche 26 und der Dichtfläche 28, 28a, 28b begünstigen.
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Die Erfindung wurde anhand der Ausbildung der Geometrie der Düsennadel 20, 20a, 20b im Bereich der Dichtfläche 28, 28a, 28b beschrieben. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die entsprechende Geometrie nicht an der Düsennadel 20, 20a, 20b, sondern an der Ventilsitzfläche 26 auszubilden. Auch ist es denkbar, sowohl an der Düsennadel 20, 20a, 20b, als auch an der Ventilsitzfläche 26 entsprechende Geometrien vorzusehen, wobei in diesem Fall bevorzugt sichergestellt sein muss, dass die Düsennadel 20, 20a, 20b in einer definierten Drehwinkellage zur Ventilsitzfläche 26 angeordnet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005045001 A1 [0002]
- DE 10000501 A1 [0003]
