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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Demnach umfasst ein solcher Kraftstoffinjektor eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt und vorzugsweise in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist, sowie einen Magnetaktor zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Der Magnetaktor umfasst hierzu eine ringförmige Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden, als Tauchanker ausgebildeten Anker.
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Stand der Technik
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Die Verwendung von Magnetaktoren zur Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel eines Kraftstoffinjektors ist allgemein bekannt. Dabei kann der Magnetaktor als Magnetventil ausgelegt sein und die Hubbewegung der Düsennadel indirekt über einen Servo-Steuerraum steuern. Darüber hinaus ist die direkte Betätigung der Düsennadel über einen Magnetaktor möglich. Bei direkter Betätigung ist jedoch sicherzustellen, dass über den Magnetaktor eine ausreichende Kraft zum Öffnen der Düsennadel bereitgestellt werden kann. Denn bei den derzeit geforderten Systemdrücken von bis zu 3000 bar treten bei Kraftstoffinjektoren sehr hohe Schaltkräfte an der Düsennadel auf. Zur Vergrößerung der Magnetkraft eines Magnetaktors kann dieser nach dem Tauchankerprinzip aufgebaut sein, wobei der Injektorkörper einen Teil des Magnetkreises bildet. Die Einbeziehung des Injektorkörpers in den Magnetkreis des Magnetaktors erfordert die Verwendung eines Werkstoffs, welcher gute magnetische Eigenschaften aufweist. Nachteil dieser Werkstoffe ist jedoch, dass diese regelmäßig keine ausreichende mechanische Festigkeit besitzen. Hinzu kommt, dass zur Aufnahme einer Magnetspule des Magnetaktors die Wandstärke des Injektorkörpers stark verringert werden muss und damit die Hochdruckfestigkeit des Injektorkörpers weiter eingeschränkt wird. Es gilt demnach die Hochdruckfestigkeit des Injektorkörpers zu verbessern.
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In der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 002 646 A1 wird daher ein Kraftstoffinjektor mit einem Magnetaktor zur direkten Steuerung der Hubbewegung einer Düsennadel vorgeschlagen, wobei der Magnetaktor eine im Injektorkörper zumindest teilweise aufgenommene, ringförmige Magnetspule sowie einen als Tauchanker ausgebildeten ringförmigen Anker umfasst. Um die Robustheit des Injektors zu erhöhen, ist zwischen dem Anker und der Spule ein Dichtkörper angeordnet, welcher verhindert, dass der Injektorkörper von Hochdruck beaufschlagt wird. Dadurch sinkt die Beanspruchung des Injektorkörpers, so dass die Wandungen relativ dünnwandig ausgeführt werden können. Beispielsweise kann in dem Injektorkörper ein weiterer Körper eingesetzt sein, welcher als Innenpol dient. Vorliegend besitzt der in den Injektorkörper eingesetzte weitere Körper einen Außendurchmesser, welcher weitgehend dem Außendurchmesser des Ankers entspricht, so dass einerseits zwar die Wandungsstärke des Injektorkörpers stark verringert wird, andererseits der in den Injektorkörper eingesetzte weitere Körper jedoch zugleich als Trennkörper dient, welcher ebenfalls eine Hochdruckbeaufschlagung des Injektorkörpers verhindert.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kraftstoffinjektor anzugeben, dessen Hochdruckfestigkeit weiter gesteigert ist. Insbesondere soll der angegebene Kraftstoffinjektor für Einspritzdrücke bis 3000 bar einsetzbar sein. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Der zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine vorgeschlagene Kraftstoffinjektor umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung hubbeweglich geführt und vorzugsweise in Richtung eines Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist, sowie einen Magnetaktor zur direkten oder indirekten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel. Der Magnetaktor umfasst hierzu eine ringförmige Magnetspule sowie einen mit der Magnetspule zusammenwirkenden, als Tauchanker ausgebildeten Anker. Erfindungsgemäß umgibt zumindest ein Abschnitt der ringförmigen Magnetspule einen Injektorkörper, der zur Aufnahme der Magnetspule einen Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser aufweist. Der Injektorkörper ist ferner von einer Zulaufbohrung durchsetzt, die sich im Bereich des Abschnitts mit verringertem Außendurchmesser in Richtung des Dichtsitzes erweitert und einen Innenpolkörper aufnimmt.
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Die Funktion des Innenpols wird vorliegend demnach nicht von dem Injektorkörper, sondern von einem in die Zulaufbohrung des Injektorkörpers eingesetzten Innenpolkörper übernommen. Dies hat den Vorteil, dass die jeweiligen Materialeigenschaften den jeweiligen Funktionen der Körper angepasst werden können. So kann beispielsweise für den Injektorkörper ein Werkstoff mit hoher mechanischer Festigkeit gewählt werden, während der Werkstoff des Innenpolkörpers derart gewählt wird, dass der Innenpolkörper gute magnetische Eigenschaften aufweist. Die Festigkeit des Injektorkörpers wird erfindungsgemäß ferner dadurch erhöht, dass die ihn durchsetzende Zusatzbohrung derart gestaltet ist, dass hierin der Innenpolkörper eingesetzt werden kann. Die Zulaufbohrung bildet demnach zugleich einen Aufnahmeraum für den Innenpolkörper aus. Dabei ist die Innenkontur der den Aufnahmeraum begrenzenden Bohrungswandung derart gewählt, dass sich der Aufnahmeraum zum Anker hin erweitert. Der Aufnahmeraum kann somit einen Innenpolkörper aufnehmen, welcher zum Anker hin eine großflächige Oberfläche bzw. Polfläche besitzt, so dass eine ausreichend hohe Magnetkraft gewährleistet ist, wohingegen die Querschnittsfläche des Innenpolkörpers mit Entfernung zum Anker abnimmt, um eine Zunahme der Wandstärken des Injektorkörpers zu ermöglichen. Durch die Bereiche mit erhöhter Wandstärke wird die mechanische Festigkeit des Injektorkörpers erhöht, so dass der Injektor für höhere Systemdrücke ausgelegt ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Zulaufbohrung zur Erweiterung in Richtung des Dichtsitzes zumindest teilweise konisch ausgebildet. Der konische Verlauf kann stetig oder unstetig sein, so dass die Zulaufbohrung im Bereich der Erweiterung auch gewölbte Wandungsflächen besitzen kann. Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass zur Erweiterung in Richtung des Dichtsitzes die Zulaufbohrung zumindest teilweise gestuft ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Zulaufbohrung über eine Stufe in einen konischen Abschnitt übergehen oder mehrfach gestuft sein, d.h. mehrere in axialer Richtung aufeinanderfolgende Stufen aufweisen. Darüber hinaus sind weitere Ausgestaltungen der Zulaufbohrung möglich, welche wenigstens einen konischen Abschnitt und/oder eine Stufe umfassen. Indem sich die Zulaufbohrung nach außen hin erweitert, sind derartige Ausgestaltungen der Innenkontur in einfacher Weise durch spannabtragende Verfahren herstellbar. Um dies zu gewährleisten, wird weiterhin bevorzugt auf eine Innenkontur der Zulaufbohrung verzichtet, welche Hinterschneidungen aufweist.
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Vorteilhafterweise besitzt der in der Zulaufbohrung aufgenommene Innenpolkörper eine an die Innenkontur der Zulaufbohrung angepasste Außenkontur. D.h., dass auch der Innenpolkörper zumindest teilweise konisch und/oder gestuft ausgebildet ist, so dass der Innenpolkörper möglichst spaltfrei in den Injektorkörper einsetzbar ist. Dadurch ist über den in den Injektorkörper eingesetzten Innenpolkörper ferner eine Abdichtung gewährleistet, welche eine Hochdruckbeaufschlagung des Injektorkörpers im Bereich der Spulenaufnahme wirksam verhindert.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung besitzt der Innenpolkörper wenigstens einen zylinderförmigen Abschnitt, welcher in die Zulaufbohrung eingepresst ist. D.h., dass vor der Montage der zylinderförmige Abschnitt des Innenpolkörpers zumindest ein geringfügiges Übermaß gegenüber dem Innendurchmesser der Zulaufbohrung des Injektorkörpers besitzt. Die Presspassung ist in einfacher Weise realisierbar und daher die bevorzugte Verbindungsart. Darüber hinaus sind aber auch weitere Verbindungsmethoden ergänzend oder alternativ einsetzbar.
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Um den Zulauf von Kraftstoff zu gewährleisten, wird ferner vorgeschlagen, dass der Innenpolkörper von einer Bohrung durchsetzt ist, über welche zumindest mittelbar die Zulaufbohrung mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers verbindbar ist. Vorzugsweise ist die Bohrung des Innenpolkörpers konzentrisch zur Zulaufbohrung ausgebildet. Vorzugsweise wird daher der Innenpolkörper mittig von einer Bohrung durchsetzt.
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Weiterhin bevorzugt weist auch der Anker eine Bohrung auf, über welche zumindest mittelbar die Zulaufbohrung mit der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers verbindbar ist. Die Bohrung des Ankers ist vorzugsweise schräg verlaufend durch den Anker geführt. Die Einlassöffnung kann beispielsweise mittig in Bezug auf die Ankeroberfläche angeordnet sein, welche der Polfläche des Innenpolkörpers gegenüber liegt, während die Austrittsöffnung weiter radial außen liegt, um beispielsweise einen mit dem Anker verbundenen Bolzen oder Kolben zu umgehen. Ein in den Anker eingesetzter Bolzen kann zum Beispiel als Druckstift und ein mit dem Anker verbundener Kolben als Kopplerkolben dienen. Der Kopplerkolben kann zudem ein Kopplervolumen begrenzen und somit eine Kraft- und/oder Hubverstärkung des Magnetaktors bewirken. Ferner können mechanische Kopplungselemente zur Kraft- und/oder Hubverstärkung mit dem Anker verbunden sein, welche ebenfalls eine Umlenkung des Kraftstoffzulaufs erfordern.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Anker in einer Hochdruckbohrung eines Magnetkörpers hubbeweglich aufgenommen ist, wobei die Hochdruckbohrung vorzugsweise zugleich der Führung des Ankers dient. Der Kraftstoffzulauf kann in diesem Fall über wenigstens eine Bohrung und/oder außenumfangseitig angeordnete Längsnut gesichert sein. Weiterhin bevorzugt ist der den Anker aufnehmende Magnetkörper durch einen ringförmigen Trennkörper aus einem nicht magnetischen Werkstoff von der Magnetspule getrennt.
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Um einen schnell schaltenden Kraftstoffinjektor bereitzustellen, der zudem wenig Bauraum bedarf, wird ferner vorgeschlagen, dass der Magnetaktor der direkten Steuerung der Hubbewegung der Düsennadel dient. Zur Kraft- und/oder Hubverstärkung wirkt der Magnetaktor vorzugsweise mit hydraulischen und/oder mechanischen Mitteln zur Kraft- und/oder Hubverstärkung zusammen. Die Kraftund/oder Hubverstärkung ermöglicht den Einsatz kleinvolumiger Aktoren mit vergleichsweise geringer Leistung. Dadurch kann der Bauraumbedarf weiter reduziert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind hydraulische Mittel zur Kraft- und/oder Hubverstärkung vorgesehen, welche ein hydraulisches Kopplervolumen und einen das Kopplervolumen begrenzenden Kopplerkolben umfassen. Der Kopplerkolben ist dabei mit dem Anker verbunden und in Richtung des Dichtsitzes von der Federkraft einer Feder beaufschlagt. Hydraulische Kraft- und/oder Hubverstärkungsmittel weisen gegenüber mechanischen den Vorteil auf, dass verschleißbedingte Toleranzen keine Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit der Einrichtung haben. Insofern ist eine ausreichende Kraft- und/oder Hubverstärkung über die gesamte Lebensdauer des Kraftstoffinjektors sichergestellt. Die den Kopplerkolben beaufschlagende Feder dient vorzugsweise der Rückstellung des Kopplerkolbens sowie des hiermit verbundenen Ankers.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in den 1 und 2 dargestellten Kraftstoffinjektoren weisen die Gemeinsamkeit auf, dass die Hubbewegung einer in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 hubbeweglich aufgenommenen Düsennadel 1 jeweils über einen Magnetaktor 7 direkt gesteuert wird. Der Magnetaktor 7 weist hierzu jeweils eine Magnetspule 8 sowie einen mit der Magnetspule 8 zusammenwirkenden Anker 9 auf, welcher als Tauchanker ausgebildet ist. Bei einer Bestromung der Magnetspule 8 wird der Anker 9 in Richtung der Spule 8 gezogen, wobei er sich von einem Dichtsitz 5 der Düsennadel 1 wegbewegt. Ein mit dem Anker 9 verbundener Kopplerkolben 21 wird dabei entgegen der Federkraft einer Feder 22 mitgeführt, wobei ein von dem Kopplerkolben 21 begrenztes hydraulisches Kopplervolumen 20 eine Volumenvergrößerung erfährt. Die Volumenvergrößerung hat zur Folge, dass der Druck im hydraulischen Kopplervolumen 20 abfällt, so dass ein auf die Düsennadel 1 wirkender Schließdruck verringert wird und die Düsennadel 1 vom Dichtsitz 5 abhebt. Denn neben dem Kopplerkolben 21 wird das hydraulische Kopplervolumen 20 von einer Stirnfläche der Düsennadel 1 sowie einer die Düsennadel 1 umgebenden Dichthülse 23 begrenzt. Die hydraulischen Wirkflächen an der Düsennadel 1 und am Kopplerkolben 21 sind dabei derart gewählt, dass über das Größenverhältnis eine Kraftverstärkung bewirkt wird. Mit vergleichsweise geringer Aktorkraft kann demnach das Anheben der Düsennadel 1 vom Dichtsitz 4 bewirkt werden. Die Hubbewegung der Düsennadel 1 gibt wenigstens eine Einspritzöffnung 4 frei, welche stromabwärts des Dichtsitzes 5 ausgebildet ist. Über die wenigstens eine Einspritzöffnung 4 wird dann unter hohem Druck stehender Kraftstoff in den Brennraum der Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingespritzt.
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Um den Einspritzvorgang zu beenden, wird die Bestromung des Magnetaktors 7 bzw. der Magnetspule 8 beendet, so dass die Federkraft der Feder 22 die Rückstellung des Kopplerkolbens 21 einschließlich des Ankers 9 bewirkt. Das hydraulische Kopplervolumen 20 erfährt dabei eine Volumenverkleinerung, wobei ferner der Druck im hydraulischen Kopplervolumen 20 ansteigt und die Düsennadel 1 in Richtung des Dichtsitzes 5 mit einer Schließkraft beaufschlagt. Das Schließen der Düsennadel 1 wird von einer Feder 6 unterstützt, welche einerseits an einem Bund der Düsennadel 1 und andererseits an der Dichthülse 23 abgestützt ist. Über die Federkraft der Feder 6 wird insbesondere die Düsennadel 1 in Anlage mit dem Dichtsitz 5 gehalten.
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Die beiden in den 1 und 2 dargestellten Kraftstoffinjektoren unterscheiden sich lediglich in Bezug auf die konkrete Ausgestaltung eines Innenpolkörpers 13, welcher in eine Zulaufbohrung 12 eines Injektorkörpers 10 eingesetzt ist. Da im Bereich des eingesetzten Innenpolkörpers 13 der Injektorkörper 10 einen Abschnitt mit verringertem Außendurchmesser 11 aufweist, um einen Aufnahmeraum für die Magnetspule 8 auszubilden, ist zur Erhöhung der Hochdruckfestigkeit des Injektorkörpers 10 die Zulaufbohrung 12 derart gestaltet, dass sie sich zum Anker 9 hin erweitert. Gleiches gilt in Bezug auf den in die Zulaufbohrung 12 eingesetzten Innenpolkörper 13, dessen Außenkontur an die Innenkontur der Zulaufbohrung 12 angepasst ist. Die Querschnittsfläche des Innenpolkörpers 13 ist demnach zum Anker 9 hin am größten, so dass sich eine möglichst große Polfläche ergibt, welche dem Anker 9 gegenüberliegt. Das der Polfläche gegenüberliegende Ende des Innenpolkörpers 13 ist vorzugsweise als zylinderförmiger Abschnitt 14 ausgebildet, über welchen der Innenpolkörper 13 in die Zulaufbohrung 12 eingepresst ist. Um weiterhin den Zulauf von Kraftstoff zu gewährleisten, ist der Innenpolkörper 13 von einer zentralen Bohrung 15 durchsetzt, welche über eine schräg durch den Anker 9 verlaufende Bohrung 16 sowie wenigstens eine Hochdruckbohrung 17 in einem den Anker 9 aufnehmenden Magnetkörper 18 mit der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 verbunden ist. Der schräge Verlauf der Bohrung 16 durch den Anker 9 ermöglicht den Kraftstoff seitlich an dem Kopplerkolben 21 vorbei zu führen.
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Während die Außenkontur des Innenpolkörpers 13 bei dem in der 1 dargestellten erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor an eine sich konisch erweiternde Zulaufbohrung 12 angepasst ist, ist der Innenpolkörper 13 entsprechend der Zulaufborhung 12 des in der 2 dargestellten Kraftstoffinjektors gestuft ausgeführt. Der Innenpolkörper 13 des in der 2 dargestellten Kraftstoffinjektors weist drei umlaufende Stufen auf, so dass insgesamt drei Abschnitte mit unterschiedlichen Außendurchmessern ausgebildet werden. Der Abschnitt mit dem geringsten Außendurchmesser kann als zylinderförmiger Abschnitt 14 dienen, über welchen der Innenpolkörper 13 in die Zulaufbohrung 12 des Injektorkörpers 10 eingepresst ist. Zugleich ist der Innenpolkörper 13 des Injektors der 2 von einer Bohrung 15 durchsetzt, welche denselben Durchmesser wie die Zulaufbohrung 12 besitzt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 dagegen ist der zylinderförmige Abschnitt 14 des Innenpolkörpers 13 derart in die Zulaufbohrung 12 eingepresst, dass der Querschnitt des Kraftstoffzulaufs verringert wird. Eine Verringerung des Querschnitts ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da auch in dem Ausführungsbeispiel der 1 durch Ausbildung einer einzigen Stufe ein Aufnahmebereich für den Zylinderförmigen Abschnitt 14 des Innenpolkörpers 13 geschaffen werden kann, welcher einen Durchmesser der Bohrung 15 ermöglicht, der gleichgroß dem Durchmesser der Zulaufbohrung 12 ist.
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Insofern machen die beiden in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele deutlich, dass weitere Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors möglich sind, indem die Außenkontur des Innenpolkörpers 13 bzw. der Innenkontur der Zulaufbohrung 12 im Bereich des Abschnitts 11 des Injektorkörpers 10 variiert werden kann.
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Um den Magnetkörper 18, welcher den Anker 9 aufnimmt, von der Magnetspule 8 zu trennen, ist zwischen der Spule 8 und dem Magnetkörper 18 ein ringförmiger Trennkörper 19 angeordnet, welcher aus einem nicht magnetischen Werkstoff besteht. Die Ringform des Trennkörpers 19 gewährleistet, dass der Bewegungsraum des Ankers 9 nicht eingeschränkt wird. Ferner ermöglicht die Ringform des Trennkörpers 19 die Ausbildung eines Arbeitsluftspalts 26 zwischen dem Anker 9 und dem Innenpolkörper 13.
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Der Injektorkörper 10, der ringförmige Trennkörper 19, der Magnetkörper 18 sowie der Düsenkörper 3, sind vorliegend konzentrisch zueinander angeordnet und mittels einer Spannmutter 24 gegeneinander in axialer Richtung verspannt. Der elektrische Anschluss 25 erfolgt jeweils über das dem Düsenkörper 3 abgewandte Ende des Injektorkörpers 10.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010002646 A1 [0004]
