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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DE 10 2013 224 404 A1 der Anmelderin bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor zeichnet sich durch ein Einspritzglied in Form einer Düsennadel aus, deren Bewegung über den Abfluss von Kraftstoff aus einem mit einem Hochdruckraum und einem Niederdruckbereich verbundenen Steuerraum in einem Niederdruckbereich gesteuert wird. Hierzu weist der bekannte Kraftstoffinjektor wenigstens eine senkrecht zur Längsachse der Düsennadel verlaufende, mit dem Hochdruckraum hydraulisch verbundenen Zuströmkanal als Verbindung in den Steuerraum auf, oder aber - alternativ - sind an dem in den Steuerraum eintauchenden axialen Endbereich der Düsennadel längliche Zuströmkanäle in Form von Nuten oder Bohrungen als Verbindung ausgebildet, die ebenfalls mit dem Hochdruckraum hydraulisch verbunden sind. Die aus der genannten Schrift bekannten Zuströmkanäle bzw. Verbindungen zeichnen sich alle dadurch aus, dass durch diese eine laminare Zuströmung von Kraftstoff in den Steuerraum ermöglicht wird. Die laminare Zuströmung hat den Vorteil, dass die Zuströmmenge des Kraftstoffs in den Steuerraum viskoseabhängig erfolgt. Dadurch lässt sich auch bei relativ tiefen Temperaturen bzw. nach einem Kaltstart eine genügend hohe Einspritzmenge des Kraftstoffinjektor erzielen, da stets gleichen Zu- und Abströmmengen des Kraftstoffs von und aus dem Steuerraum vorhanden sind. Insbesondere sind dadurch keine anderen Maßnahmen, wie beispielsweise eine Verlängerung der Einspritzzeit oder ähnliches erforderlich.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass er bei temperatur- bzw. viskoseunabhängigem Einspritzverhalten eine besonders einfache und fertigungsgünstige Realisierung der die laminare Zuströmung in den Steuerraum ermöglichenden Verbindung ermöglicht. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass zusätzlich zu der wenigstens einen, die laminare Zuströmung von Kraftstoff in den Steuerraum ermöglichende Verbindung eine strömungstechnisch als Drossel ausgebildete Zulaufbohrung in den Steuerraum vorgesehen ist. Hintergrund hierfür ist, dass die die laminare Zuströmung ermöglichende Verbindung hinsichtlich des Betriebsverhaltens des Kraftstoffinjektors insbesondere bei sich ändernden Temperaturen bzw. Viskositäten des Kraftstoffs zwar optimal ist, jedoch aus fertigungstechnischer Sicht relativ aufwendig mit der dafür benötigenden Genauigkeit herstellbar ist. Dies resultiert aus der im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt relativ großen Länge der Verbindung. Will man eine derartige Verbindung relativ kostengünstig fertigen, so resultieren daraus relativ große Toleranzschwankungen an den Bauteilen, die relativ große Schwankungen der Zuströmmenge von Kraftstoff in den Steuerraum, und somit unterschiedliche Schließ- und Öffnungscharakteristika der Düsennadel, zur Folge haben. Die erfindungsgemäße Lösung überwindet diesen Nachteil, indem sie eine einfache und kostengünstige Möglichkeit aufzeigt, fertigungsbedingte Toleranzen der Verbindung in den Steuerraum auszugleichen bzw. die gewünschte Zuströmmenge von Kraftstoff in den Steuerraum relativ einfach mit hoher Genauigkeit einzustellen.
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Hierzu schlägt es die Lehre des Anspruchs 1 vor, dass zusätzlich zu der wenigstens einen, die laminare Zuströmung von Kraftstoff in den Steuerraum ermöglichenden Verbindung wenigstens eine in den Steuerraum mündende Zulaufbohrung vorgesehen ist, die strömungstechnisch als Zulaufdrossel ausgebildet ist.
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Eine derartige Zulaufbohrung in Form der Zulaufdrossel kann beispielsweise durch hydroerosives Verrunden in einem Blendenbereich auf einen gewünschten Durchfluss in den Steuerraum relativ einfach und genau eingestellt werden, sodass die fertigungsbedingten Toleranzen der wenigstens einen (laminaren) Verbindung ausgeglichen werden können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Zur Ausbildung der hinsichtlich des Durchflusses einstellbaren Zulaufdrossel in der Zulaufbohrung ist es vorgesehen, dass die Zulaufbohrung eine Querschnittsverengung zur Ausbildung der Zulaufdrossel aufweist.
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Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Zulaufbohrung in einer den Steuerraum begrenzenden, radial um die Längsachse umlaufenden Wand des Bauteils (Ventilstück oder Steuerraumhülse) ausgebildet ist und senkrecht zur Längsachse verläuft.
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Hinsichtlich der Ausbildung der die laminare Zuströmung in den Steuerraum sicherstellenden Verbindung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten: In einer ersten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Verbindung als Radialspalt zwischen einem einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Bohrungsabschnitt für das Einspritzglied bzw. die Düsennadel und dem einen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Endabschnitt des Einspritzglieds bzw. der Düsennadel ausgebildet ist. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass die Fertigung des die Düsennadel radial umfassenden Bohrungsabschnitts im Bereich der die Düsennadel und/oder die Fertigung der Düsennadel lediglich derart geändert werden muss/müssen, dass gegenüber dem Stand der Technik ein (geringfügig) vergrößerter Radialspalt zwischen den genannten Bauteilen ausgebildet ist, der das Überströmen von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum über den Radialspalt in den Steuerraum ermöglicht. Sollte hierbei die gewünschte Radialführung der Düsennadel kritisch sein, so muss dies ggf. durch zusätzliche Maßnahmen bzw. verringerte Toleranzen an anderen, der Radialführung der Düsennadel in dem Ventilgehäuse dienenden Bereichen ausgeglichen bzw. kompensiert werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung zur Ausbildung der Verbindung ist es vorgesehen, dass der Zulaufkanal in Form wenigstens einer Abflachung am Außenumfang des in den Bohrungsabschnitt des Bauteils (Ventilstück oder Steuerraumhülse) eintauchenden Endbereichs des Einspritzglieds bzw. der Düsennadel ausgebildet ist. Eine derartige Abflachung hat den Vorteil, dass sie sich fertigungstechnisch relativ einfach herstellen lässt und das Radialspiel an den anderen Bereichen, an denen keine Abflachung vorgesehen ist, nicht vergrößert. Somit wird weiterhin eine besonders gute bzw. sichere radiale Führung der Düsennadel in dem die Düsennadel umgebenden Bauteil ermöglicht. Ergänzend wird erwähnt, dass beim Vorsehen mehrerer Abflachungen diese vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen um die Längsachse der Düsennadel angeordnet sind und dieselbe Dimension aufweisen. Dadurch werden Querkräfte beim Umströmen der Düsennadel vermieden.
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In Weiterbildung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, dass die Abflachung lediglich über einen Teilbereich der axialen Länge des von dem Bauteil (Ventilstück oder Steuerraumhülse) radial umfassten Endbereichs der Düsennadel ausgebildet ist. Dadurch lässt sich die radiale Führung der Düsennadel weiter verbessern und ggf. die Einstellung der Überströmmenge in den Steuerraum besonders einfach einstellen bzw. reduzieren.
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Alternativ zu einer Abflachung ist es auch möglich, dass die Verbindung in Form wenigstens einer am Außenumfang des Endbereichs des Einspritzglieds (Düsennadel) ausgebildeten Nut ausgebildet ist. Derartige Nuten lassen sich beispielsweise in vorteilhafter Art und Weise wirtschaftlich und genau durch eine Laserbearbeitungsanlage ausbilden bzw. erzielen.
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Weiterhin ist es vorgesehen, dass die wenigstens eine Abflachung bzw. die wenigstens eine Nut in Richtung der Längsachse des Einspritzglieds bzw. der Düsennadel verläuft.
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Um ein besonders einfaches Zuströmen von Kraftstoff in den Bereich der wenigstens einen Abflachung bzw. der wenigstens einen Nut zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass das Einspritzglied (Düsennadel) auf der dem Steuerraum abgewandten Seite einen im Querschnitt reduzierten Bereich aufweist, an den sich in Richtung des Steuerraums die wenigstens eine Abflachung bzw. die wenigstens eine Nut anschließt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Teilbereich eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors im Längsschnitt und
- 2 bis 6 jeweils im Längsschnitt und im Querschnitt einen Teilbereich des Kraftstoffinjektors gemäß der 1 bei unterschiedlich ausgebildeten Zulaufkanälen in den Steuerraum.
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Ausführungsformen der Erfindung
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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 1 sind Teilbereiche eines Kraftstoffinjektors 10 dargestellt, wie er als Bestandteil eines Common-Rail-Einspritzsystems zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum bei selbstzündenden Brennkraftmaschine verwendet wird.
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Der Kraftstoffinjektor 10 weist ein Injektorgehäuse 11 auf, in dem in einer Längsachse 12 ein Einspritzglied in Form einer Düsennadel 15 auf- und abbeweglich angeordnet ist. In der in der 1 dargestellten, abgesenkten Position der Düsennadel 15 sitzt die Düsennadel 15 mit ihrem Sitzbereich an einer Innenwand des Injektorgehäuses 11 unter Ausbildung eines Dichtsitzes 16 auf, um wenigstens eine in dem Injektorgehäuse 11 ausgebildete Einspritzöffnung 17 zumindest mittelbar zu verschließen. Bei angehobener Stellung der Düsennadel 15 wird hingegen die wenigstens eine Einspritzöffnung 17 zum Einspritzen von Kraftstoff in den (nicht gezeigten) Brennraum der Brennkraftmaschine freigegeben, indem in einem Hochdruckraum 18 des Injektorgehäuses 11 unter hohem Druck befindlicher Kraftstoff über die wenigstens eine Einspritzöffnung 17 in den Brennraum eingespritzt wird.
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Der Hochdruckraum 18 ist über eine Versorgungsbohrung 19 mit einem Kraftstoffanschlussstutzen 21 verbunden, der wiederum über eine nicht dargestellte Verbindung insbesondere mit einem Hochdruckspeicher (Rail) für den Kraftstoff verbunden ist.
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Innerhalb des Injektorgehäuses 11 ist eine Stufenbohrung 22 ausgebildet, die im Wesentlichen zwei Bohrungsabschnitte 23, 24 aufweist. Der einen geringeren Bohrungsdurchmesser aufweisende erste Bohrungsabschnitt 23 befindet sich im Bereich des Hochdruckraums 18. In den ersten Bohrungsabschnitt 23 ragt in axialer Richtung betrachtet ein Abschnitt eines Ventilstücks 25 hinein, das seinerseits im Übergangsbereich zwischen den beiden Bohrungsabschnitten 23, 24 axial an einer Stirnseite 26 der Stufenbohrung 22 anliegt. Innerhalb des zweiten Bohrungsabschnitts 24 sind neben einem zweiten Teilbereich des Ventilstücks 25 in axialer Richtung betrachtet ein ringförmiges Abschirmelement 27, ein ebenfalls ringförmiges Gehäuseteil 28 und ein Spannring 29 angeordnet, der mittels einer Gewindeverbindung 30 dazu ausgebildet ist, die angesprochenen Bauteile axial gegen die Stirnseite 26 der Stufenbohrung 22 zu verspannen.
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Innerhalb des Gehäuseteils 28 ist ein Aktuator 32 zur zumindest mittelbaren Betätigung der Düsennadel 15 angeordnet, der einen Magnetanker 33 aufweist. Der Magnetanker 33 wirkt mit einer Magnetspule 34 zusammen, die in einer ringförmigen Ausnehmung eines Magnetkerns 35 eingesetzt ist. Der Magnetkern 35 ist wiederum unter Zwischenlage einer Auflageplatte 36 zwischen einer Stufe 37 am Gehäuseteil 28 und dem Spannring 29 angeordnet.
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Der Magnetanker 33 weist fluchtend zur Längsachse 12 eine Durchgangsbohrung 38 auf, in der ein Führungsstift 39 angeordnet ist. Der Führungsstift 39 dient der Führung des Magnetankers 33 und stützt sich auf der dem Ventilstück 25 abgewandeten Seite axial gegen die Auflageplatte 36 ab. Der Magnetanker 33 ist mittels einer Druckfeder 41 in Richtung einer Stirnfläche 42 des Ventilstücks 25 kraftbeaufschlagt und bildet in der in der 1 dargestellten, abgesenkten Stellung des Magnetankers 33 mit einer Dichtfläche 43 des Magnetankers 33 einen Dichtsitz aus.
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Der in den ersten Bohrungsabschnitt 23 der Stufenbohrung 22 hineinragende Abschnitt des Ventilstücks 25 weist eine aus mehreren Bohrungsabschnitten ausgebildete Durchgangsbohrung auf, die auf der der Düsennadel 15 zugewandten Seite einen Führungsabschnitt 44 ausbildet. Innerhalb des Führungsabschnitts 44 taucht ein der wenigstens einen Einspritzöffnung 17 abgewandte axiale Endbereich 40 der Düsennadel 15 in den Führungsabschnitt 44 ein und ist von diesem radial geführt.
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Innerhalb des Ventilstücks 25 ist ein Steuerraum 45 ausgebildet, der über eine Ablaufbohrung 46 mit integrierter Abströmdrossel 47 in Abhängigkeit von der Bestromung des Aktuators 32 in einen Niederdruckraum 50 druckentlastbar ist, um die Bewegung der Düsennadel 15 zu steuern. Hierzu mündet die Ablaufbohrung 46 in der Stirnfläche 42 des Ventilstücks 25 und ist radial von der Dichtfläche 43 des Magnetankers 33 umgeben.
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In den Steuerraum 45 mündet in einer senkrecht zur Längsachse 12 verlaufenden Richtung eine Zulaufbohrung 52. Die Zulaufbohrung 52 ist in Form einer Zulaufdrossel 54 mit einer Blende 56 als Querschnittsverengung in der radial umlaufenden Wand des Ventilstücks 25 im Bereich des Steuerraums 40 ausgebildet. Der radial um die Längsachse der Zulaufbohrung 52 ausgebildete Übergangsbereich in die Blende 56 ist zur Einstellung der Drosselwirkung mit einer HE (Hydroerosion) - Verrundung 57 ausgebildet. Die Zulaufbohrung 52 ist mit dem Hochdruckraum 18 hydraulisch verbunden, sodass über die Zulaufbohrung 52 der Steuerraum 45 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgbar ist.
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Zusätzlich ist der Steuerraum 45 über eine zwischen dem Führungsabschnitt 44 des Ventilstücks 25 und dem Endabschnitt 40 der Düsennadel 15 ausgebildeten Verbindung 60 mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgbar, wobei über die Verbindung 60 die Hauptmenge des Kraftstoffs in den Steuerraum 45 einströmt.
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Entsprechend einer ersten Ausführungsform der Verbindung 60 gemäß einer Zusammenschau der 1 und 2 ist die Verbindung 60 durch einen Zulaufspalt 62 gebildet, der als Radialspalt 63 zwischen dem Außenumfang des Endabschnitts 40 der Düsennadel 15 und dem Führungsabschnitt 44 im Ventilstück 25 ausgebildet ist. Dabei ist sowohl der Führungsabschnitt 44 als auch der Querschnitt des Endabschnitts 40 jeweils kreisförmig ausgebildet, derart, dass der Radialspalt 63 beispielsweise eine Zuströmmenge in Richtung des Steuerraums 45 in Höhe von 300cm3 pro Minute ermöglicht ist. In der Praxis lässt sich ein derartiger Radialspalt 63 durch eine Vergrößerung des radialen Führungsspiels zwischen den Bauteilen um wenige µm erzielen.
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Bei dem in der 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verbindung 60 in Form wenigstens einer Abflachung 65 ausgebildet, die an der Außenfläche des Endabschnitts 40 der Düsennadel 15 ausgebildet ist. Die Abflachung 65 reicht in axialer Richtung bis zu einem kegelförmigen Abschnitt 48 der Düsennadel 15, der außerhalb des Führungsabschnitts 44 in dem Ventilstück 25 angeordnet ist. Auf der dem Endabschnitt 40 abgewandten Seite des Abschnitts 48 weist die Düsennadel einen im Durchmesser verkleinerten Abschnitt 49 auf.
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Gemäß der 4 kann auch eine Abflachung 66 vorgesehen sein, die in axialer Richtung nicht bis zum Steuerraum 45 reicht. Der Übergang in den Steuerraum 45 von der Abflachung 66 wird durch eine gerundete Einlaufkante 68 ermöglicht, die eine besonders einfache Einstellung des Temperaturverhaltens des in den Steuerraum 45 einströmenden Kraftstoffs ermöglicht.
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Bei der Ausführungsform gemäß der 5 ist anstelle wenigstens einer Abflachung 63, 65 eine Nut 70 als Verbindung 60 vorgesehen, die in Form einer Vertiefung an der Außenfläche des Endabschnitts 40 der Düsennadel 15 ausgebildet ist. Die Nut 70 weist zur Sicherstellung der erforderlichen Zuströmmenge in den Steuerraum 45 beispielsweise eine Nuttiefe bzw. Nutbreite von jeweils 0,17mm auf.
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Ergänzend wird erwähnt, dass es auch möglich ist, nicht nur eine Abflachung 63, 65 bzw. eine Nut 70 vorzusehen, sondern mehrere Abflachungen 63, 65 bzw. Nuten 70, die dann vorzugsweise in gleichmäßigen Winkelabständen um die Längsachse 12 angeordnet sind. Weiterhin verlaufen die Abflachungen 63, 65 bzw. die Nuten 70 in Längsrichtung der Düsennadel 15 bzw. parallel zur Längsachse 12.
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Zuletzt ist in der 6 ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Verbindung 60 in Form mehrerer, in Umfangsrichtung des Endabschnitts 40 der Düsennadel 15 angeordneter Nuten 72 ausgebildet sind. Diese Nuten 72 weisen beispielsweise jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt mit einer Tiefe und einer Breite von 0,02mm auf, wobei beispielsweise siebzig Nuten 72 vorgesehen sind. Die Nuten 72 werden insbesondere durch eine Laserbearbeitungsanlage (nicht gezeigt) hergestellt.
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Wesentlich ist, dass über die Verbindung 60, unabhängig von der genauen konstruktiven Ausgestaltung, jeweils eine laminare Zuströmung von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 18 in den Steuerraum 45 ermöglicht wird. Dadurch wird der Steuerraum 45 temperaturabhängig bzw. abhängig von der Viskosität des Kraftstoffs mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff befüllt, wobei zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen beim Ausbilden der Verbindung 60 die Zulaufbohrung 52 bzw. die Blende 56 so gefertigt wird, dass insgesamt gesehen die gewünschte Zuströmmenge von Kraftstoff aus dem Hochdruckraum 18 in den Steuerraum 45 erzielbar ist.
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Der soweit beschriebene Kraftstoffinjektor 10 kann in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen. Insbesondere ist es möglich, dass anstelle des Ventilstücks 25 eine sogenannte Steuerraumhülse zur Ausbildung des Steuerraums 45 und zur Radialführung des Endbereichs 40 der Düsennadel 15 Verwendung findet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013224404 A1 [0002]
