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Die Erfindung betrifft einen Injektor zum Dosieren eines flüssigen und eines gasförmigen Kraftstoffs in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2014 225 167 A1 ist ein Injektor bekannt, mit dem sowohl flüssiger als auch gasförmiger Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine eindosiert werden kann. Der Injektor weist eine äußere Düsennadel auf, die mit einem äußeren Düsensitz zum Öffnen und Schließen von Eindüsöffnungen zusammenwirkt. Weiterhin weist der Injektor eine innere Düsennadel auf, die mit einem inneren Dichtsitz zum Öffnen und Schließen von Einspritzöffnungen zusammenwirkt. Dabei ist die innere Düsennadel in der äußeren Düsennadel aufgenommen. Flüssiger und gasförmiger Kraftstoff können so unabhängig voneinander in den Brennraum der Brennkraftmaschine eindosiert werden.
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Die äußere Düsennadel ist in einer Längsbohrung des Injektorkörpers geführt, so dass zwischen der äußeren Düsennadel und der Längsbohrung ein Drosselspalt gebildet wird. Dieser ist notwendig, um eine Längsbewegung der äußeren Düsennadel zu gewährleisten. Dabei mündet der Drosselspalt an einem Ende in den mit Gas gefüllten Druckraum und mit dem anderen Ende ist er dem Druck des flüssigen Kraftstoffs ausgesetzt, da der flüssige Kraftstoff durch die äußere Düsennadel hindurch geleitet werden muss, in der die innere Düsennadel angeordnet ist. Somit entsteht über den Drosselspalt eine Verbindung zwischen dem gasförmigen und dem flüssigen Kraftstoff. Solange beide Kraftstoffe mit annäherungsweise demselben Druck im Injektor anstehen, findet praktisch kein Fluss über den Drosselspalt statt, so dass eine Vermischung der beiden Kraftstoffe nicht stattfindet. Eine nur geringfügige Durchmischung ist in aller Regel für den Betrieb des Injektors unerheblich.
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Ist jedoch ein Betrieb des Injektors mit ausschließlich flüssigem Kraftstoff erwünscht, kann der flüssige Kraftstoff über den Drosselspalt in den Druckraum des gasförmigen Kraftstoffs eindringen, da der nötige Gegendruck für den flüssigen Kraftstoff nicht mehr vorhanden ist. Durch die Befüllung dieses Druckraums mit flüssigem Kraftstoff kann es bei Wiederstart der Gaseindüsung zu unkontrollierten Verbrennungen im Brennraum und darüber hinaus zu Motorschäden oder der Emission von Schadstoffen führen.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor weist demgegenüber den Vorteil auf, dass ein Betrieb des Injektors mit ausschließlich flüssigem Kraftstoff auch über einen längeren Zeitraum möglich ist, ohne dass ein Wiederstart der Gaseindüsung erschwert wird.
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Dabei weist der Injektor zum Dosieren eines flüssigen und eines gasförmigen Kraftstoffs einen Injektorkörper auf, in dem eine äußere Düsennadel längsbewegbar angeordnet ist. Die äußere Düsennadel öffnet und schließt durch ihre axiale Bewegung mindestens eine Eindüsöffnung zur Dosierung eines gasförmigen Kraftstoffs und ist in einem Führungsabschnitt einer Führungsbohrung des Injektorkörpers geführt ist. Weiterhin verbleibt zwischen dem Führungsabschnitt und der Führungsbohrung ein Drosselspalt. In der äußeren Düsennadel ist eine Längsbohrung ausgebildet, die mit Kraftstoff unter einem Einspritzdruck befüllbar ist und in der eine innere Düsennadel längsbewegbar angeordnet ist. Die innere Düsennadel wirkt zum Öffnen und Schließen mindestens einer Einspritzöffnung mit einem inneren Düsensitz zusammen. Außerdem ist in dem Injektorkörper ein Gasraum ausgebildet, der mit gasförmigem Kraftstoff unter einem Eindüsdruck befüllbar ist und der die äußere Düsennadel angrenzend an die Führungsbohrung umgibt. Der Drosselspalt mündet in den Gasraum. Darüber hinaus ist in dem Injektorkörper eine Druckkammer ausgebildet, welche über einen Fluidkanal mit flüssigem Kraftstoff befüllbar ist und welche mit einer Wandung an den Drosselspalt angrenzt.
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Durch den Drosselspalt ist eine unvermeidliche Verbindung zwischen dem mit Gas gefüllten Gasraum und dem flüssigen Kraftstoff innerhalb des Injektors gegeben. Entsteht beispielsweise ein Druckgefälle von dem mit flüssigem Kraftstoff gefüllten Bereich in den Gasraum, so tritt flüssiger Kraftstoff in den mit Gas gefüllten Gasraum ein. Dadurch wird der Drosselspalt zusätzlich aufgeweitet. Durch Ausbildung einer Druckkammer in dem Injektorkörper kann diese Aufweitung verhindert werden. Die Druckkammer füllt sich über die mindestens eine Zulauföffnung ebenfalls mit flüssigem Kraftstoff, wodurch der Drosselspalt verringert und so eine Vermischung von flüssigem und gasförmigem Kraftstoff minimiert wird.
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In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Wandung der Druckkammer durch den Druck des flüssigen Kraftstoffs elastisch verformbar ist. Vorteilhafterweise verschließt die Aufweitung der Wandung der Druckkammer in Richtung der äußeren Düsennadel bei maximalem Einspritzdruck in der Längsbohrung und bei Umgebungsdruck im Gasraum den Drosselspalt vollständig und fixiert die äußere Düsennadel mittels der Wandung in der Führungsbohrung. So wird die Verbindung, nämlich der Drosselspalt, zwischen dem flüssigem und dem gasförmigem Kraftstoff vollständig geschlossen, so dass der Gasraum auch bei längerem Betrieb mit ausschließlich flüssigem Kraftstoff vollständig abgedichtet ist. Darüber hinaus ist in einfacher Weise eine Fixierung der äußeren Düsennadel in der Führungsbohrung möglich, wobei die innere Düsennadel ohne Probleme weiterbetrieben werden kann. So kann die Funktionsweise des Injektors zum Dosieren von flüssigem Kraftstoff ohne große konstruktive Umgestaltungen intakt gehalten werden, auch wenn der Gasdruck des gasförmigem Kraftstoffs unerwartet zusammenbricht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Druckkammer torusförmig ausgebildet ist und vorteilhafterweise mittels Additivem Manufacturing in dem Injektorkörper hergestellt ist. So kann in einfacher konstruktiver Weise die Wandung der Druckkammer Einfluss auf die Größe des Drosselspalts nehmen und diese beeinflussen.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Injektorkörper hohlzylinderförmig ausgebildet ist und an deren Umfang eine gleichmäßige Anzahl an Zulauföffnungen der Druckkammer angeordnet ist. So kann eine gleichmäßige Füllung und Entleerung der Druckkammer mit flüssigem Kraftstoff erzielt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Druckkammer bezüglich der axialen Erstreckung des Drosselspalts in dem Injektorkörper in einem der mindestens einen Eindüsöffnung abgewandten Bereich des Drosselspalts ausgebildet. So kann der Eintritt des flüssigen Kraftstoffs unmittelbar nach Eintritt in den Drosselspalt minimiert werden.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die äußere Düsennadel mit ihrem der mindestens einen Eindüsöffnung abgewandten Ende einen äußeren Steuerraum begrenzt, der mit flüssigem Kraftstoff befüllbar ist, so dass eine hydraulische Schließkraft auf die äußere Düsennadel in axialer Richtung ausübbar ist. Damit ist die Schließkraft auf bekannte und einfache Weise hydraulisch steuerbar und so die Längsbewegung der äußeren Düsennadel. In gleicher Weise begrenzt vorteilhafterweise die innere Düsennadel mit ihrem der mindestens einen Einspritzöffnung abgewandten Ende einen inneren Steuerraum, der mit flüssigem Kraftstoff befüllbar ist, so dass eine hydraulische Schließkraft auf die innere Düsennadel ausübbar ist.
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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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Diese zeigen in:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Injektors zum Dosieren eines flüssigen und eines gasförmigen Kraftstoffs im Längsschnitt,
- 2 ein vergrößerter Ausschnitt des erfindungsgemäßen Injektors aus der 1 im Bereich I im Längsschnitt,
- 3a ein vergrößerter Ausschnitt II aus der 2 vor der Füllung der Druckkammer mit flüssigem Kraftstoff im Längsschnitt,
- 3b der vergrößerte Ausschnitt II aus der 2 im Längsschnitt nach der Füllung der Druckkammer mit flüssigem Kraftstoff im Längsschnitt,
- 4 ein vergrößerter Ausschnitt des erfindungsgemäßen Injektors aus der 2 im Bereich III im Längsschnitt.
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Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Injektor 1 im Längsschnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche des Injektors 1 gezeigt sind. Der Injektor 1 findet Anwendung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zum Betrieb von zwei unterschiedlichen Kraftstoffen, einerseits flüssiger Kraftstoff, vorzugsweise Diesel, und andererseits gasförmiger Kraftstoff, welche abwechselnd oder additiv in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespeist werden.
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Der Injektor 1 weist einen Injektorkörper 2 mit einem Ventilsitzkörper 9 auf, wobei in dem Injektorkörper 2 eine Führungsbohrung 3 ausgebildet ist. In dieser Führungsbohrung 3 ist eine kolbenförmige äußere Düsennadel 4 längsbewegbar angeordnet. Die äußere Düsennadel 4 ist in einem Führungsabschnitt 30 in der Führungsbohrung 3 geführt, wobei in diesem Führungsabschnitt 30 ein Drosselspalt 28 ausgebildet ist. Weiterhin weist die äußere Düsennadel 4 eine äußere Düsennadelspitze 7 auf, die mit einem äußeren Düsensitz 8 zum Öffnen und Schließen mehrerer in dem Ventilsitzkörper 9 angeordneten Eindüsöffnungen 10 zusammenwirkt. Der Injektorkörper 2 begrenzt zusammen mit einem den Eindüsöffnungen 10 gegenüberliegenden Ende 36 der äußeren Düsennadel 4 einen äußeren Steuerraum 25 an, in dem eine äußere Düsennadelfeder 11 angeordnet ist. Diese äußere Düsennadelfeder 11 beaufschlagt die äußere Düsennadel 4 mit einer Kraft in Richtung des äußeren Düsensitzes 8.
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Die äußere Düsennadel 4 weist eine im Wesentlichen zylinderförmige Längsbohrung 5 auf, in der eine kolbenförmige innere Düsennadel 6 längsbewegbar angeordnet ist. Mit einer inneren Düsennadelspitze 15 wirkt die innere Düsennadel 6 einem an der äußeren Düsennadel 4 ausgebildeten inneren Düsensitz 16 zum Öffnen und Schließen mehrerer Einspritzöffnungen 17 zusammen. Die Einspritzöffnungen 17 sind stromabwärts des inneren Düsensitzes 16 ebenfalls in der äußeren Düsennadel 4 ausgebildet. Der Injektorkörper 2 begrenzt zusammen mit einem den Einspritzöffnungen 10 gegenüberliegenden Ende 37 der inneren Düsennadel 6 einen inneren Steuerraum 35, in dem eine innere Düsennadelfeder 18 angeordnet ist. Die innere Düsennadelfeder 18 beaufschlagt die innere Düsennadel 6 mit einer Kraft in Richtung der Einspritzöffnungen 17.
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In dem Injektorkörper 2 ist ein Gasraum 12 ausgebildet, welcher über einen in dem Ventilkörper 2 schräg ausgebildeten Gaskanal 13 mittels einer Gasleitung 14 mit gasförmigem Kraftstoff befüllbar ist. Weiterhin begrenzt die Längsbohrung 5 in der äußeren Düsennadel 4 einen inneren Druckraum 19. Dieser innere Druckraum 19 ist über eine in der äußeren Düsennadel 4 und dem Injektorkörper 2 ausgebildeten Querbohrung 38 mit einem Fluidkanal 20 verbunden. Der Fluidkanal 20 ist mit einer Fluidleitung 21 verbunden, so dass der innere Druckraum 19 mit flüssigem Kraftstoff befüllbar ist.
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Der Injektor 1 umfasst weiterhin zwei voneinander unabhängig ansteuerbare Ventilelemente 22a, 22b, die beispielsweise elektromagnetische, hydraulische oder mechanische Betätigungsvorrichtungen 23a, 23b umfassen. Das erste Ventilelement 22a ist mittels einer ersten Steuerleitung 24a mit der Fluidleitung 21 und dem äußeren Steuerraum 25 verbunden. Das zweite Ventilelement 22b ist mittels einer zweiten Steuerleitung 24b mit der Fluidleitung 21 und dem inneren Steuerraum 35 verbunden. Die zweite Steuerleitung 24b ist dabei über eine weitere in der äußeren Düsennadel 4 und dem Injektorkörper 2 ausgebildeten Querbohrung 39 mit der Fluidleitung 21 verbunden. In der ersten Steuerleitung 24a sind darüber hinaus eine erste Steuerleitungsdrossel 27a und eine zweite Steuerleitungsdrossel 27b angeordnet, die den Zufluss von flüssigem Kraftstoff in den Steuerleitungen 24a, 24b limitieren bzw. eine gegenseitige Beeinflussung der Steuerfunktion durch die beiden Ventilelemente 42a, 42b verhindern. Die beiden Ventilelemente 42a, 22b sind zu dem mit einer Rücklaufleitung 26 verbunden.
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Weiterhin ist in dem Injektorkörper 2 eine torusförmige Druckkammer 33 ausgebildet, welche über mindestens eine Zulauföffnung 32 mit der Querbohrung 38 verbunden ist. Die Druckkammer 33 weist mit einem dem Drosselspalt 28 zugewandten Rand eine elastisch verformbare Wandung 34 auf.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Injektors 1 aus der 1 im Bereich I im Längsschnitt. Die Druckkammer 33 ist dabei in einem Bereich A angeordnet, der sich in einem oberen den Ventilelementen 22a, 22b zugewandten Bereich des Drosselspalts 28 befindet.
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Die Funktionsweise des Injektors 1 ist wie folgt:
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1 zeigt den Injektor 1 in einer geschlossenen Position. Die Ventilelemente 22a, 22b mit ihren Betätigungsvorrichtungen 23a, 23b sind geschlossen, so dass bedingt durch den Zulauf an flüssigem Kraftstoff aus der Fluidleitung 21 in den Steuerleitungen 24a, 24b ein hoher Kraftstoffdruck an flüssigem Kraftstoff herrscht. Der innere Düsensitz 16 und der äußere Düsensitz 8 sind jeweils verschlossen, so dass kein flüssiger Kraftstoff bzw. gasförmiger Kraftstoff über die Einspritzöffnungen 17 bzw. die Eindüsöffnungen 10 in den Brennraum der Brennkraftmaschine austreten kann.
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Wird die erste Betätigungsvorrichtung 23a des ersten Ventilelements 22a betätigt, so kann flüssiger Kraftstoff aus dem äußeren Steuerraum 25 über die erste Steuerleitung 24a und das Ventilelement 22a in die Rückführleitung 26 entweichen. Somit wird der hydraulische Druck in dem äußeren Steuerraum 25 auf die äußere Düsennadel 4 vermindert, so dass sich die äußere Düsennadel 4 entgegen der Kraft der äußeren Düsennadelfeder 11 in Richtung des ersten Ventilelements 22a bewegt. Die äußere Düsennadelspitze 7 hebt von dem äußeren Düsensitz 8 ab und gibt die Eindüsöffnungen 10 frei, so dass gasförmiger Kraftstoff aus dem Gasraum 12 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eintreten kann. Auf dieselbe Weise kann auch die zweite Düsennadel 6 gesteuert werden, so dass der innere Düsensitz 16 freigegeben wird und flüssiger Kraftstoff aus dem inneren Druckraum über die Einspritzöffnungen 17 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann. Je nach Ansteuerung des ersten Ventilelements 22a bzw. des zweiten Ventilelements 22b kann so der Kraftstoffdruck und damit auch die hydraulische Schließkraft sowohl im inneren Steuerraum 35 als auch im äußeren Steuerraum 25 eingestellt werden, wobei der Druck in beiden Steuerräumen 25, 35 unabhängig voneinander einstellbar ist.
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Typischerweise werden solche Injektoren in der Weise betrieben, dass zuerst eine Zündmenge aus flüssigem Kraftstoff in einen Brennraum eingebracht wird und anschließend eine größere Menge an gasförmigem Kraftstoff, wobei dieser den Großteil der Energie liefert. Bei Betätigung des ersten Ventilelements 22a wird der Kraftstoffdruck im inneren Steuerraum 35 abgesenkt, so dass die innere Düsennadel 6 aufgrund des abgesenkten Kraftstoffdrucks in dem inneren Steuerraum 35 entgegen der Schließkraft der inneren Düsennadelfeder 18 in axialer Richtung von dem inneren Düsensitz 16 abhebt und diesen freigibt. So tritt flüssiger Kraftstoff aus den Einspritzöffnungen 17 in den Brennraum ein. Durch nochmaliges Betätigen des ersten Ventilelements 22a schließt die innere Düsennadel 4 die Einspritzöffnungen 17 wieder. Gleichzeitig oder mit geringem zeitlichem Abstand wird das zweite Ventilelement 22b betätigt, so dass der Kraftstoffdruck im äußeren Steuerraum 25 abnimmt. In gleicher Weise wie zuvor gibt die äußere Düsennadel 4 den äußeren Düsensitz 8 frei. So kann gasförmiger Kraftstoff aus den Eindüsöffnungen 10 austreten. Dieser wird durch die zuvor gezündete flüssige Kraftstoffmenge entflammt, so dass eine Verbrennung im Brennraum stattfindet. Um den Eindüsvorgang zu beenden, wird das zweite Ventilelement 22b erneut betätigt.
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Zwischen der Querbohrung 38 und damit dem Fluidkanal 20 und dem Gasraum 12 ist über den Drosselspalt 28 an dem Führungsabschnitt 30 eine Verbindung gegeben. Somit ist grundsätzlich eine Verbindung zwischen der Querbohrung 38 gefüllt mit flüssigem Kraftstoff und dem Gasraum 12 gefüllt mit gasförmigem Kraftstoff vorhanden. Diese ermöglicht einen Fluss von flüssigem Kraftstoff in den Gasraum 12 oder eine Strömung von gasförmigem Kraftstoff aus dem Gasraum 12 in Richtung der Querbohrung 38. Beide Ströme sind nur in geringem Maße unschädlich für die Funktionsweise des Injektors 1. Solange der Druck im in der Querbohrung 38 und im Gasraum 12 annähernd gleich sind, beispielsweise jeweils 500 bar, ist nur eine geringe Vermischung oder gar keine Vermischung des flüssigen und des gasförmigen Kraftstoffs gegeben.
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Ist jedoch im Gasraum 12 nur ein sehr geringer Druck vorhanden als der des flüssigen Kraftstoffs innerhalb des Injektors 1, so kommt es innerhalb des Drosselspalts 28 zu einem Druckgefälle, d.h. ausgehend von der Querbohrung 38 nimmt der Druck im Drosselspalt 28 kontinuierlich ab, bis zum Druck im Gasraum 12. Somit tritt, wie in 3a als Ausschnitt II aus der 2 gezeigt, über den Drosselspalt 28 flüssiger Kraftstoff in den Gasraum 12 ein und weitet gleichzeitig auch den Drosselspalt 28 auf.
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Über die Zulauföffnung 32 tritt flüssiger Kraftstoff aus der Querbohrung 38 in die Druckkammer 33 ein, so dass diese sich ebenfalls mit flüssigem Kraftstoff füllt und der Druck in der Druckkammer 33 dem in der Querbohrung 38 entspricht. Dadurch wird die Wandung 34 der Druckkammer 33 in Richtung des Drosselspalts 28 elastisch verformt, bis sie bei maximalem Druck in der Querbohrung 38 und Umgebungsdruck im Gasraum 12 den Drosselspalt 28 vollständig verschließt, wie in 3b gezeigt. Es gelangt daher kein flüssiger Kraftstoff aus der Querbohrung 38 über den Drosselspalt 28 in den Gasraum 12. Gleichzeitig wird durch die aufgeweitete Wandung 34 der Druckkammer 33 die äußere Düsennadel 4 in der Führungsbohrung 3 fixiert, wenn keine Eindüsung von gasförmigem Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine erfolgt.
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4 zeigt einen Ausschnitt III aus der 2, wobei sich in dem Injektorkörper 2 an dessen Umfang eine gleichmäßige Anzahl an Zulauföffnungen 32 der Druckkammer 33 angeordnet ist. Die Zulauföffnungen 32 sind vorzugsweise als Bohrungen ausgebildet und haben eine drosselnde Wirkung. Die Druckkammer 33 ist vorzugsweise mit der Fertigungstechnologie Additives Manufacturing hergestellt.
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Bei nicht mit flüssigem Kraftstoff gefüllter Druckkammer 33 liegt die Wanddicke des Injektorkörpers 2 zwischen der Wandung 34 der Druckkammer 33 und dem Drosselspalt 28 in einem Wertebereich zwischen 0,4 mm und 0,8 mm, vorzugsweise 0,6 mm.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014225167 A1 [0002]