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Die
Erfindung betrifft ein Einspritzventil, insbesondere ein Einspritzventil
zum Zumessen von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine.
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Immer
strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoff-Emissionen
von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind,
machen es erforderlich diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch
die die Schadstoff-Emissionen
gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine
erzeugten Schadstoff-Emissionen zu senken. Insbesondere die Bildung
von Ruß ist
stark abhängig
von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoffgemisches in dem jeweiligen Zylinder
der Brennkraftmaschine. Um eine sehr gute Gemischaufbereitung zu
erreichen, wird Kraftstoff zunehmend unter sehr hohem Druck zugemessen.
Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen
betragen die Kraftstoffdrücke
bis zu 2000 bar. Für
derartige Anwendungen setzen sich zunehmend Einspritzventile durch
mit einem Piezo-Aktuator. Derartige Einspritzventile zeichnen sich
aus durch sehr kurze Ansprechzeiten des als Stellantrieb ausgebildeten
Piezo-Aktuators. Sie ermöglichen
so gegebenenfalls auch mehrfache Einspritzungen während eines
Arbeitszyklusses eines Zylinders der Brennkraftmaschine.
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Aus
der
EP 1 111 230 A ist
ein Einspritzventil bekannt mit einem Injektorgehäuse, das
eine Ausnehmung aufweist. Dem Einspritzventil ist ferner ein Piezo-Aktuator
zugeordnet, der in der Ausnehmung des Injektorgehäuses angeordnet
ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente umfasst. Der
Piezo- Aktuator ist
in eine Rohrfeder eingebracht, die an ihren axialen Enden mit Kappen
fest verbunden ist, über
die eine Vorspannungskraft hervorgerufen durch die Rohrfeder in
den Stapel piezoelektrischer Elemente eingeleitet wird. In der Ausnehmung
des Injektorgehäuses
sind zwei Faltenbalge angeordnet, die gewährleisten, dass der piezoelektrische
Aktuator nicht mit Kraftstoff in Kontakt kommt.
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Das
Injektorgehäuse,
das regelmäßig aus Stahl
hergestellt ist und der Stapel piezoelektrischer Elemente weisen
erheblich unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf.
Bei einem Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine muss
das Einspritzventil bei sehr unterschiedlichen Temperaturen betrieben
werden können
und während
des Betriebs können
auch relativ schnelle Änderungen
der Temperatur auftreten.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Einspritzventil zu schaffen, bei
dem in einem weiten Temperaturbereich ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet
ist.
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Aus
der
DE 10233906 A1 ist
ein Einspritzmodul mit einem Gehäuse
bekannt, in dem ein Aktorelement und ein Einspritzventil angeordnet
sind. Das Aktorelement ist so gestaltet, dass das Einspritzventil durch
einen Stellhub gesteuert wird. Es ist ein Ausgleichselement vorgesehen,
das mit dem Aktorelement so verbunden ist, dass eine Längsänderung des
Gehäuses
durch thermische Ausdehnung kompensiert wird.
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Aus
der
DE 10244614 A1 ist
ein Einspritzventil bekannt mit einem Piezo-Aktuator, wobei in Hohlräume zwischen
dem Piezo-Aktuator
und einem Einspritzventilgehäuse
eine inerte elekt risch nicht leitfähige und mit hoher Wärmeleitfähigkeit
versehene Flüssigkeit
eingebracht ist.
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Aus
der
DE 19946841 A1 ist
ein Ventil zum Steuern von Flüssigkeiten
bekannt mit einem piezoelektrischen Aktor und einem Toleranzausgleichselement,
wobei der diese umgebende Innenraum des Umlenkelements mit einem
Wärmeleitmedium
befüllt ist,
welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Das Umlenkelement gilt gleichsam als Behälter für das Wärmeleitmedium.
Das Wärmeleitmedium
ist eine Wärmeleitpaste
aus Silikonöl.
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Aus
der
DE 10245109 A1 ist
ein Injektor bekannt mit einem in einem flüssigkeitsdichten Metallbalg
eingeschweißtem
Aktorkörper,
wobei der Aktoraußenraum
zwischen dem Metallbalg und einem Injektorgehäuse mit einem Wärme koppelnden
Fluid gefüllt
ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich gemäß eines ersten
Aspekts aus durch ein Einspritzventil mit einem Injektorgehäuse, das
eine Ausnehmung aufweist, mit einem Piezo-Aktuator, der in der Ausnehmung
des Injektorgehäuses
angeordnet ist und der einen Stapel piezoelektrischer Elemente und
ein thermisches Ausgleichselement umfasst. Ein Fluid ist während des
Betriebs des Einspritzventils derart in die Ausnehmung des Injektorgehäuses einbringbar, dass
das thermische Ausgleichselement thermisch mit dem Injektorgehäuse gekoppelt
ist. Zu diesem Zweck ist das Injektorgehäuse entsprechend ausgebildet.
Das thermische Ausgleichselement kann so einfach ausgebildet sein.
Es kann zum Beispiel einfach ein Block sein, dessen Länge und
thermischer Ausdehnungskoeffizient abhängig von der Länge des Stapels
der Piezoelemente und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des
Injektorgehäuses
gewählt
ist. Besonders geeignet besteht der Block aus Aluminium oder einer
Aluminiumlegierung. Durch das Fluid ist dann während des Betriebs des Einspritzventils
gewährleistet,
dass Temperaturunterschiede zwischen dem thermischen Ausgleichselement
und dem Injektorgehäuse
minimiert sind.
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Das
Einspritzventil hat ein Schaltventil, das durch den Piezo-Aktuator
angetrieben wird. Ferner ist ein Leckageraum vorgesehen, in den
das Schaltventil abhängig
von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid absteuert. Der Leckageraum
ist hydraulisch gekoppelt mit einem Spalt zwischen dem Ausgleichselement
und einer Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses. Auf diese Weise kann
besonders einfach ein Fluid, also das Leckagefluid, während des Betriebs
des Einspritzventils so in die Ausnehmung eingebracht werden, dass
das Ausgleichselement thermisch mit dem Injektorgehäuse gekoppelt
ist. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass das
Leckagefluid in dem Leckageraum nur unter einem geringen Druck steht.
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Ferner
ist eine Leckagebohrung hydraulisch koppelbar mit einem Niederdruckkreislauf.
Die Leckagebohrung mündet
in den Leckageraum. Auf diese Weise entsteht ein so genanntes Totvolumen
im Bereich des Spaltes, das heißt
das Leckagefluid dringt hier ein. Es herrscht jedoch nur eine geringe Strömungsbewegung.
Auf diese Weise ist dann ein sehr guter Wärmeausgleich zwischen dem thermischen
Ausgleichselement und dem Injektorgehäuse gewährleistet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Leckagebohrung in dem Injektorgehäuse vorgesehen, die hydraulisch
koppelbar ist mit einem Niederdruckkreislauf und die in den Spalt
mündet.
Die Leckagebohrung kann auf diese Weise kurz ausgebildet sein und
ist so günstig
herzustellen. Darüber
hinaus kann so der Spalt gleichzeitig die Leckagebohrung zumindest
in einem Teilbereich seiner axialen Ausnehmung ersetzen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in
dem Injektorgehäuse
eine Hochdruckbohrung zum Zuführen
von Kraftstoff vorgesehen, die mit dem Spalt zwischen dem thermischen Ausgleichselement
und der Wandung der Ausnehmung des Injektorgehäuses hydraulisch koppelbar ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines Einspritzventils,
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2 eine
zweite Ausführungsform
eines Einspritzventils und
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3 eine
dritte Ausführungsform
des Einspritzventils.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind mit den gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
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Ein
Einspritzventil (1) hat ein Injektorgehäuse 1,
das eine Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 aufweist. In
die Ausnehmung 2 ist ein Piezo-Aktuator 4 eingesetzt,
der mit einem Übertrager 6 gekoppelt
ist. Der Übertrager 6 ist
in einem Leckageraum 8 angeordnet. Ein Schaltventil 10,
das bevorzugt als Servoventil ausgebildet ist, ist so angeordnet,
dass es abhängig
von seiner Schaltstellung ein Leckagefluid, das in dieser Ausführungsform
bevorzugt der Kraftstoff ist, absteuert. Das Schaltventil ist über den Übertrager 6 mit
dem Piezo-Aktuator 4 gekoppelt und wird von ihm angetrieben,
das heißt
die Schaltstellung des Schaltventils 10 wird mittels des Piezo-Aktuators 4 eingestellt.
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Das
Schaltventil 10 ist in einer Ventilplatte 12 angeordnet.
Das Einspritzventil umfasst ferner einen Nadelführungskörper 14 und einen
Düsenkörper 16. Die
Ventilplatte 12, der Nadelführungskörper 14 und der Düsenkörper 16 bilden
eine Düsen baugruppe, die
mittels einer Düsenspannmutter 18 an
dem Injektorgehäuse 1 befestigt
ist.
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Der
Nadelführungskörper 14 hat
eine Ausnehmung 20, die als Ausnehmung 22 des
Düsenkörpers 16 in
dem Düsenkörper 16 fortgesetzt
ist und in der eine Düsennadel 24 angeordnet
ist. Die Düsennadel 24 ist
in den Nadelführungskörper 14 geführt. Eine
Düsenfeder 26 spannt
die Düsennadel 24 in eine
Schließposition
vor, in der sie einen Kraftstofffluss durch eine Einspritzdüse 28 unterbindet.
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An
dem axialen Ende der Düsennadel 24, das
hingewandt ist zu der Ventilplatte 12, ist ein Steuerraum 30 ausgebildet,
der über
eine Zulaufdrossel mit einer Hochdruckbohrung 32 (2)
hydraulisch gekoppelt ist. Befindet sich das Schaltventil 10 in
seiner Schließstellung,
so ist der Steuerraum 30 hydraulisch entkoppelt von dem
Leckageraum 8. Dies hat zur Folge, dass sich nach einem
Schließen
des Schaltventils 10 der Druck in dem Steuerraum 30 im wesentlichen
dem Druck in der Hochdruckbohrung 32 angleicht. Die Hochdruckbohrung 32 ist
beim Einsatz des Einspritzventils in einer Brennkraftmaschine mit
einem Kraftstoffhochdruckspeicher hydraulisch gekoppelt und wird
so mit Kraftstoff unter einem Druck von beispielsweise bis zu 2000
bar versorgt. Über
den Steuerraum 30 wird aufgrund des Fluiddrucks in dem
Steuerraum 30 auf eine Stirnfläche der Düsennadel 24 ein Druck
in Schließrichtung
der Düsennadel 24 ausgeübt. Die
Düsennadel 24 weist
ferner axial beabstandet zu ihrer Stirnfläche einen Absatz auf, der mit
Fluid, das durch die Hochdruckbohrung 32 strömt, derart
beaufschlagt wird, dass eine öffnend
wirkende Kraft auf die Düsennadel 24 wirkt. In
ihrer Offenstellung gibt die Düsennadel 24 einen den
Kraftstofffluss durch die Einspritzdüse 28 frei. Ob die
Düsennadel 24 sich
in ihrer Offenstellung oder in ih rer Schließstellung befindet hängt davon
ab, ob die Kraft, die an dem Absatz der Düsennadel 24 durch den
dort herrschenden Druck des Fluids hervorgerufen wird größer oder
kleiner ist als die Kraft, die durch die Düsenfeder 26 und den
auf die Stirnfläche
der Düsennadel 24 einwirkenden
Druck hervorgerufen wird.
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Befindet
sich das Schaltventil 10 in seiner Offenstellung so strömt Fluid
von dem Steuerraum 30 durch das Schaltventil 10 hinein
in den Leckageraum 8. Bei geeigneter Dimensionierung der
Zulaufdrossel sinkt dann der Druck in dem Steuerraum 30,
was schließlich
zu einer Bewegung der Düsennadel
in ihre Offenstellung führt.
Der Druck des Fluids in dem Leckageraum 8 ist deutlich
geringer als der Druck des Fluids in der Hochdruckbohrung.
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Der
Piezo-Aktuator 4 umfasst einen Stapel 34 piezoelektrischer
Elemente und ein Ausgleichselement 36, das bevorzugt als
ein Block aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ausgebildet
ist. Der Stapel piezoelektrischer Elemente 34 und das Ausgleichselement 36 sind
in eine Rohrfeder 40 eingebracht. Die Rohrfeder 40 ist
an ihrem einen axialen Ende mit einer ersten Kappe verschweißt, die
gegebenenfalls als der Übertrager 6 ausgebildet
sein kann. An ihrem anderen axialen Ende ist die Rohrfeder 40 mit
einem Fixierelement 38 verschweißt. Die Rohrfeder 40 steht
unter einer vorgegebenen Vorspannung und spannt so den Stapel der
piezoelektrischen Elemente mit einer vorgebbaren Kraft vor. Das Fixierelement 38 ist
bevorzugt mit dem Injektorgehäuse 1 formschlüssig verbunden,
insbesondere verstemmt.
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Zwischen
der Oberfläche
der Rohrfeder 40 und der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 befindet
sich ein Spalt 41. Der Spalt 41 ist hydraulisch mit
dem Leckageraum 8 gekoppelt. Das Fluid, das sich in dem
Leckageraum 8 befindet, strömt so in den Spalt 41 und
füllt den
Zwischenraum zwischen dem Piezo-Aktuator 4,
insbesondere zwischen der Rohrfeder 40, und der Wandung
der Ausnehmung 2 des Injektorgehäuses 1 aus. Maßgeblich
ist, dass durch das Fluid das thermische Ausgleichselement 36 thermisch
gut mit dem Injektorgehäuse 1 gekoppelt
ist.
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Die
Rohrfeder 40 kann unterschiedlich ausgebildet sein. So
kann sie zum Beispiel im Bereich des thermischen Ausgleichselements 36 größere Ausnehmungen
aufweisen. Das in dem Spalt 41 befindliche Fluid strömt dann
auch in diese Ausnehmungen und kann entweder direkt in Kontakt sein
mit dem thermischen Ausgleichselement 36 oder auch mittelbar
mit dem thermischen Ausgleichselement 36 in Kontakt sein,
wenn dieses beispielsweise mit einer Schutzschicht überzogen
ist. Bevorzugt ist zumindest der Stapel 34 piezoelektrischer
Elemente mit einer Schutzschicht überzogen, die die piezoelektrischen
Elemente schützt
vor chemischen Beschädigungen,
die durch ein chemisch aggressives Fluid hervorgerufen werden können. Dies
ist insbesondere wesentlich, wenn das Einspritzventil zum Zumessen von
Kraftstoff eingesetzt wird und das Fluid Kraftstoff, so zum Beispiel
Diesel-Kraftstoff oder Benzin-Kraftstoff ist. Diesel- und Benzin-Kraftstoffe
sind chemische aggressive Medien. Es kann in diesem Zusammenhang
für die
Herstellung des Piezo-Aktuators vorteilhaft sein, wenn sowohl der
Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente als auch das thermische
Ausgleichselement 36 mit der Schutzschicht überzogen sind.
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Das
thermische Ausgleichselement hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
und eine axiale Länge,
die so gewählt
sind, dass bei einer gleichen Temperatur des thermischen Aus gleichselements 36 und
des Injektorgehäuses 1 sich
die axiale Ausdehnung des Piezo-Aktuators 4 bei Temperaturänderungen
genauso verändert
wie die axiale Ausdehnung des Injektorgehäuses 1.
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Für ein gleichbleibendes
Schaltverhalten des Piezo-Aktuators 4 muss somit zusätzlich gewährleistet
sein, dass Temperaturunterschiede zwischen dem thermischen Ausgleichselement 36 und
dem Injektorgehäuse 1 minimiert
sind. Dies wird äußerst wirkungsvoll
erreicht durch das Fluid, das den Spalt 41 ausfüllt und
so das Ausgleichselement 36 thermisch mit dem Injektorgehäuse 1 koppelt.
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Wenn
das Fluid sich auch in dem Bereich des Spalts 41 befindet,
der sich axial entlang des Bereichs erstreckt, in dem der Stapel 34 der
piezoelektrischen Elemente angeordnet ist kann auch hier eine gute
thermische Kopplung zwischen dem Stapel 34 der piezoelektrischen
Elemente und dem Injektorgehäuse 1 hergestellt
werden und so das thermische Ausdehnungsverhalten des Piezo-Aktuators 4 noch präziser an
das thermische Ausdehnungsverhalten des Injektorgehäuses 1 angepasst
werden.
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Durch
eine präzise
Anpassung des thermischen Ausdehnungsverhaltens des Piezo-Aktuators 4 an
das des Injektorgehäuses 1 kann
gewährleistet werden,
dass ein Leerhub des Piezo-Aktuators 4 unabhängig von
der Temperatur gleich bleibt. Der Leerhub ist der Hub, den der Piezo-Aktuator 4 vollbringen muss
bevor er mit seinem Übertrager 6 eine
Kontaktfläche
des Schaltventils 10 kontaktiert und zwar heraus aus einem
vorgebbaren Initialisierungszustand des Piezo-Aktuators 4,
der dadurch gekennzeichnet sein kann, dass dem Stapel 36 piezo elektrischer
Elemente zum Beispiel keine elektrische Ladung zugeführt ist.
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Eine
Leckagebohrung 42, die hydraulisch koppelbar ist mit einem
Niederdruckkreislauf der Brennkraftmaschine mündet in den Spalt 41.
Sie mündet
in der Ausführungsform
des Einspritzventils gemäß 1 bevorzugt
relativ weit axial beabstandet zu dem Leckageraum 8 in
den Spalt 41. Sie kann beispielsweise im Bereich des axial
am weitesten beabstandeten Endes des thermischen Ausgleichselement 36 in
den Spalt 41 münden.
Auf diese Weise übernimmt
der Spalt 41 dann in dem Bereich zwischen dem Leckageraum 8 und
der Mündung
der Leckagebohrung 42 auch die Funktion der Leckagebohrung 42,
also das Fluid vom Leckageraum 8 hin zu dem Niederdruckkreis
der Brennkraftmaschine zu leiten.
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Die
zweite Ausführungsform
des Einspritzventils (2) unterscheidet sich von der
ersten Ausführungsform
dadurch, dass die Leckagebohrung 42 in den Leckageraum 8 mündet. Der
Spalt 41 bildet so ein Totvolumen für das Fluid, das aus dem Leckageraum 8 in
den Spalt 41 strömt.
Dies hat zur Folge, dass die Strömungsgeschwindigkeit
des Fluids in dem Leckageraum 8 sehr gering ist und somit
ein sehr guter Temperaturausgleich zwischen dem Piezo-Aktuator 4,
insbesondere dem thermischen Ausgleichselement und dem Injektorgehäuse 1 gewährleistet
werden kann.
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Die
dritte Ausführungsform
des Injektors unterscheidet sich von der ersten und zweiten Ausführungsform
dadurch, dass der Spalt 41 durch ein Füllmaterial 44 ausgefüllt ist,
das sich in einem festen oder zumindest gelartigen Zustand befindet
und gute Wärmeleiteigenschaften
hat. Darüber
hinaus ist es wesentlich, dass das Füllmaterial eine erforderliche Elasti zität aufweist,
um Längenausdehnungen
des Piezo-Aktuators zu kompensieren.
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Bei
der dritten Ausführungsform
des Einspritzventils ist der Übertrager 6 bevorzugt
dicht mit einem axialen Ende eines Faltenbalgs verbunden der an
seinem anderen axialen Ende mit einem Dichtring verbunden ist und
so den Leckageraum 8 hydraulisch von dem Piezo-Aktuator 4,
insbesondere dem Stapel 34 der piezoelektrischen Elemente
entkoppeln. In diesem Fall kann somit eine Schutzschicht entfallen, die
den Stapel 34 piezoelektrischer Elemente vor chemisch aggressiven
Medien schützt.
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Alternativ
kann der Spalt 41 auch hydraulisch mit der Hochdruckbohrung 32 gekoppelt
sein, was dann zur Folge hat das das Fluid aus der Hochdruckbohrung 32 in
den Spalt 41 strömt
und auf diese Weise eine thermische Kopplung des Piezo-Aktuators 4, insbesondere
des thermischen Ausgleichselement 36 mit dem Injektorgehäuse 1 gewährleistet.