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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei der Kraftstoffinjektor Kühlkanäle aufweist.
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Ein Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der
EP1781931 B1 bekannt. Der bekannte Kraftstoffinjektor umfasst einen Haltekörper, einen Ventilkörper mit Drosselplatte und einen Düsenkörper. Der Haltekörper und der Düsenkörper sind durch eine Düsenspannmutter miteinander verspannt. In dem Düsenkörper ist ein Druckraum ausgebildet, der über eine Zulaufbohrung mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgbar ist. Eine zumindest eine Einspritzöffnung freigebende oder verschließende längsbewegliche Düsennadel ist in dem Druckraum längsbeweglich angeordnet.
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Weiterhin weist der bekannte Kraftstoffinjektor in dem Düsenkörper ausgebildete Kühlkanäle auf. Diese Kühlkanäle dienen der Kühlung von Düsenkörper und Düsennadel, speziell in den dem Brennraum zugewandten Bereichen.
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Die Ausbildung der Kühlkanäle in dem Düsenkörper erfordert eine konstruktive Änderung der Bauteile des Kraftstoffinjektors. Bei Beibehaltung der Grundabmessungen ist der hydraulische Durchflussquerschnitt durch die Kühlkanäle stark beschränkt, was nachteilig für die Kühlwirkung ist. Wenn größere Durchflussquerschnitte durch die Kühlkanäle erforderlich sind, bedeutet dies somit eine starke Änderung der Innenbauteile des Kraftstoffinjektors bei gleichzeitig deutlich größeren Abmessungen. Je nach Ausführung kann dies auch eine Anpassung des Designs der Brennkraftmaschine zur Folge haben.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgegenüber ist bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor ein hoher Durchflussquerschnitt für das Kühlmedium realisiert, ohne dabei die radialen Abmessungen des Kraftstoffinjektors wesentlich erhöhen zu müssen. Außerdem können die Bauteile Haltekörper und optional auch Ventilkörper und Drosselplatte unverändert bzw. nur leicht modifiziert verwendet werden. Durch dieses Gleichteilkonzept verringern sich die Entwicklungs- und Fertigungskosten sehr stark.
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Dazu umfasst der Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine einen Haltekörper und einen Düsenkörper. Der Haltekörper und der Düsenkörper sind durch eine Düsenspannmutter miteinander verspannt, gegebenenfalls unter Zwischenlage weiterer Bauteile. In dem Düsenkörper ist ein Druckraum ausgebildet, der über eine Zulaufbohrung mit unter Druck stehendem Kraftstoff versorgbar ist. Eine zumindest eine Einspritzöffnung freigebende oder verschließende Düsennadel ist in dem Druckraum längsbeweglich angeordnet. Eine Kühlkappe ist den Düsenkörper radial umgebend angeordnet. Zwischen dem Düsenkörper und der Kühlkappe ist ein mit Kühlmedium durchströmbarer Kühlraum ausgebildet. In radialer Richtung zwischen dem Haltekörper und dem Düsenkörper einerseits und der Düsenspannmutter andererseits ist eine Führungshülse angeordnet. Zwischen der Führungshülse und der Düsenspannmutter ist ein Anströmkanal zur Zufuhr des Kühlmediums ausgebildet, wobei der Anströmkanal mit dem Kühlraum hydraulisch verbunden ist.
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Vorzugsweise umgibt die Kühlkappe den Düsenkörper in radialer Richtung zumindest an seinem dem Brennraum zugewandten Ende. Dadurch erfolgt die Kühlung des Düsenkörpers über den Kühlraum sehr brennraumnah, also sehr effizient nahe im Bereich des größten Wärmeeintrags. Durch die Ausbildung des Anströmkanals zwischen der Kühlkappe und dem Düsenkörper wird die Festigkeit des Düsenkörpers nicht durch den Anströmkanal verringert. Bestehende Kraftstoffinjektoren können somit durch Nachrüsten von Führungshülse und Kühlkappe auf eine Aktivkühlung nachgerüstet werden. Der Anströmkanal kann dabei vorzugsweise ringförmig über den gesamten Umfang der Führungshülse ausgeführt werden. Dies hat einen hohen Durchflussquerschnitt bei nur geringem zusätzlichem radialem Bauraum zur Folge. Die zusätzlichen erforderlichen Abmessungen sind somit sehr gering. Das weitere Design des Kraftstoffinjektors muss dabei nicht bzw. nicht wesentlich geändert werden.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Kühlraum ringförmig gestaltet. Dadurch erfolgt die Kühlung des Düsenkörpers über seinen gesamten Umfang an seinem dem Brennraum zugewandten Ende. Diese Kühlung ist besonders effektiv, da brennraumseitig der heißeste Bereich des Düsenkörpers ist. Weil so eine verhältnismäßig große Wärmemenge von der Spitze des Düsenkörpers abgeführt wird, wird dadurch auch mittelbar die Spitze der Düsennadel wirkungsvoll gekühlt.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Kühlraum über einen in dem Düsenkörper ausgebildeten Kühlkanal hydraulisch mit dem Anströmkanal verbunden. Dadurch kann die Kühlkappe besonders in radialer Richtung sehr klein ausgeführt werden.
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Vorzugsweise ist radial zwischen dem Düsenkörper und der Kühlkappe eine Zuführnut ausgebildet. Die Zuführnut liegt in Flussrichtung des Kühlmediums zwischen dem Anströmkanal und dem Kühlraum. Die Zuführnut kann dabei vorteilhafterweise als Innengeometrie der Kühlkappe ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer Abflachung. Dadurch erfolgt an der Spitze des Düsenkörpers keine Strukturschwächung durch Kühlkanäle mehr.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Kühlzulauf in den Anströmkanal in dem Haltekörper ausgebildet. Dadurch kann die Versorgung des Kühlraums mit Kühlmedium über Kühlzulauf und Anströmkanal vorwiegend in axialer Richtung des Kraftstoffinjektors erfolgen. Der Bauraumbedarf in radialer Richtung ist minimiert. Der Anschluss an den Kühlzulauf kann dabei ebenfalls in axialer Richtung erfolgen.
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In einer alternativen Ausführung ist ein Kühlzulauf in den Anströmkanal in der Düsenspannmutter ausgebildet. Vorzugsweise ist der Kühlzulauf dabei in radialer Richtung ausgebildet. Dies kann bei in radialer Richtung entsprechend vorhandenem Bauraum vorteilhaft sein, um die axialen Abmaße des Kraftstoffinjektors nicht zu erhöhen.
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In vorteilhaften Ausführungen ist in dem Düsenkörper ein Abströmkanal zum Abführen des Kühlmediums ausgebildet. Der Abströmkanal ist hydraulisch mit dem Kühlraum verbunden. Dadurch kann die Kühlkappe besonders in radialer Richtung sehr klein ausgeführt werden.
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Durch den Anströmkanal und den Abströmkanal kann das Kühlmedium besonders kontrolliert geführt werden. Diese beiden Kühlkanäle können erforderlichenfalls auch als Drossel verwendet werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen mündet der Abströmkanal in einen von der Führungshülse begrenzten Sammelraum. Dadurch wird die Führungshülse funktional nicht nur zur Ausbildung von zuführenden Kühlkanälen verwendet, sondern auch zur Ausbildung von abführenden Kühlkanälen.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Sammelraum hydraulisch mit einem in dem Haltekörper ausgebildeten Kühlablauf verbunden. Dadurch kann die Abführung des Kühlmediums aus dem Kühlraum über Abströmkanal und Kühlablauf vorwiegend in axialer Richtung des Kraftstoffinjektors erfolgen. Der Bauraumbedarf in radialer Richtung ist minimiert. Der Anschluss an den Kühlablauf kann dabei ebenfalls in axialer Richtung erfolgen.
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In vorteilhaften Weiterbildungen weist der Kraftstoffinjektor ein Steuerventil auf, wobei das Steuerventil die Längsbewegung der Düsennadel steuert. Das Steuerventil benötigt für Steuervorgänge eine Absteuermenge an Kraftstoff. Die Absteuermenge ist dabei über den Kühlablauf abführbar. Vorzugsweise ist das Kühlmedium dabei Kraftstoff, so dass Absteuermenge und Kühlmenge problemlos gemischt werden können.
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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:
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1 einen Längsschnitt durch einen Kraftstoffinjektor gemäß dem Stand der Technik,
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2 schematisch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
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3 schematisch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor in einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind,
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4 schematisch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor in noch einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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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 ist ein Kraftstoffinjektor 100 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine im Längsschnitt dargestellt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist.
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Der bekannte Kraftstoffinjektor 100 umfasst einen Haltekörper 1, einen Ventilkörper 3, eine Drosselplatte 5 und einen Düsenkörper 16. Alle diese Bauteile werden durch eine Düsenspannmutter 7 zusammengehalten. Der Düsenkörper 16 enthält hierbei eine Düsennadel 6, welche in einem im Düsenkörper 16 ausgebildeten Druckraum 8 längsverschiebbar angeordnet ist. Bei einer Öffnungsbewegung der Düsennadel 6 wird Kraftstoff über mehrere im Düsenkörper 16 ausgebildete Einspritzöffnungen 60 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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An der Düsennadel 6 ist ein Bund ersichtlich, an welchem eine Druckfeder 61 abgestützt ist. Das andere Ende der Druckfeder 61 ist an einer Steuerhülse 62 abgestützt, welche selbst wiederum an der Unterseite der Drosselplatte 5 anliegt. Die Steuerhülse 62 definiert mit der oberen, den Einspritzöffnungen 60 gegenüberliegenden Stirnfläche der Düsennadel 6 und mit der Unterseite der Drosselplatte 5 einen Steuerraum 63. Der im Steuerraum 63 herrschende Druck ist für die Steuerung der Längsbewegung der Düsennadel 6 maßgeblich.
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Im Kraftstoffinjektor 100 ist eine Zulaufbohrung 64 ausgebildet. Über die Zulaufbohrung 64 wird der Kraftstoffdruck einerseits im Druckraum 8 wirksam, wo er über eine Druckschulter der Düsennadel 6 eine Kraft in Öffnungsrichtung der Düsennadel 6 ausübt. Andererseits wirkt dieser Kraftstoffdruck über eine in der Steuerhülse 62 ausgebildete Zulaufdrossel 65 im Steuerraum 63 und hält, unterstützt von der Kraft der Druckfeder 61, die Düsennadel 6 in ihrer Schließstellung.
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Wenn in der Folge ein Elektromagnet 70 angesteuert wird, wird ein Magnetanker 71 sowie eine mit dem Magnetanker 71 verbundene Ventilnadel 72 von einem an dem Ventilkörper 3 ausgebildeten Ventilsitz 73 abgehoben. Der Kraftstoff aus dem Steuerraum 63 kann auf diese Weise durch eine in der Drosselplatte 5 ausgebildete Ablaufdrossel 75 über den Ventilsitz 73 in einen Ablaufkanal 76 abströmen. Das auf diese Weise bewirkte Absinken der hydraulischen Kraft auf die obere Stirnfläche der Düsennadel 6 führt zu einem Öffnen der Düsennadel 6. Der Kraftstoff aus dem Druckraum 8 gelangt so durch die Einspritzöffnungen 60 in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
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Sobald der Elektromagnet 70 abgeschaltet wird, wird der Magnetanker 71 durch die Kraft einer weiteren Druckfeder 74 in Richtung des Ventilsitzes 73 gedrückt, so dass die Ventilnadel 72 an den Ventilsitz 73 gepresst wird. Auf diese Weise wird der Ablaufweg des Kraftstoffs über die Ablaufdrossel 75 und den Ventilsitz 73 gesperrt. Über die Zulaufdrossel 65 wird im Steuerraum 63 wieder Kraftstoffdruck aufgebaut, wodurch die hydraulische Schließkraft erhöht wird. Dadurch wird die Düsennadel 6 in Richtung der Einspritzöffnungen 60 verschoben und verschließt diese. Der Einspritzvorgang ist dann beendet.
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Um die Bauteile im Bereich des Brennraums zu kühlen, sind Kühlkanäle 30 in Ventilkörper 3, Drosselplatte 5 und Düsenkörper 16 des bekannten Kraftstoffinjektors 100 ausgebildet. So können speziell die Spitze der Düsennadel 6 und der Düsenkörper 16 gekühlt werden. In der Schnittdarstellung der 1 liegen die Kühlkanäle 30 teilweise in der Zulaufbohrung 64. Dies ist jedoch lediglich der Schnittdarstellung geschuldet, in den Ausführungen sind die Kühlkanäle 30 von der Zulaufbohrung 64 getrennt.
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Die Kühlkanäle 30 des bekannten Kraftstoffinjektors 100 erfordern eine aufwändige Umgestaltung von Ventilkörper 3 und Drosselplatte 5 bei zusätzlich sehr beschränktem Potenzial bzgl. des hydraulischen Durchflussquerschnitts der Kühlkanäle 30. Erfindungsgemäß werden daher die Kühlkanäle 30 weitestgehend außerhalb des Düsenkörpers 16, des Ventilkörpers 3 und der Drosselplatte 5 ausgebildet.
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2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektor 100, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der Kraftstoffinjektor 100 ist ähnlich dem der 1 aufgebaut und weist den Haltekörper 1, ein Steuerventil 2 und eine Drosselplatte 5 auf. Das Steuerventil 2 kann elektromagnetisch sein, wie in 1 dargestellt, oder ein anderweitiger Antrieb, beispielsweise piezoelektrisch. Das Steuerventil 2 ist in dem Ventilkörper 3 und einer Ventilplatte 4 angeordnet.
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Der Kraftstoffinjektor 100 kann auch so ausgeführt sein, dass die drei Bauteile Ventilkörper 3, Ventilplatte 4 und Drosselplatte 5 zwei- oder sogar nur einstückig ausgeführt sind. In der Drosselplatte 5 sind die Steuerdrosseln für die Düsennadelbewegung, also Zulauf- und Ablaufdrossel ausgebildet. Haltekörper 1, Ventilkörper 3, Ventilplatte 4, Drosselplatte 5 und eine Düse 80 sind mittels der Düsenspannmutter 7 verbunden. Die Düse 80 umfasst den Düsenkörper 16 mit den nicht dargestellten Einspritzöffnungen 60 und eine Kühlkappe 20.
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Erfindungsgemäß ist in dem Kraftstoffinjektor 100 eine Führungshülse 11 zwischen der außenliegenden Düsenspannmutter 7 und den innenliegenden Haltekörper 1, Ventilkörper 3, Ventilplatte 4, Drosselplatte 5 und Düsenkörper 16 angeordnet. Ein erster O-Ring 12 dichtet die Führungshülse 11 zum Haltekörper 1 ab, und ein zweiter O-Ring 13 dichtet die Führungshülse 11 zum Düsenkörper 16 ab, so dass Strömungskanäle für das Kühlmedium zwischen der Führungshülse 11 und der Düsenspannmutter 7 ausgebildet sind.
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Das Kühlmedium, welches auch Kraftstoff sein kann, wird mit einem ausreichenden Vorlaufdruck dem Haltekörper 1 über einen Kühlzulauf 38 zugeführt. Über eine im Haltekörper 1 ausgebildete Zulaufbohrung 9 gelangt das Kühlmedium in einen ersten Ringraum 10, welcher zwischen der Düsenspannmutter 7 und dem Haltekörper 1 ausgebildet ist. Der erste Ringraum 10 ist hydraulisch mit einem zwischen der Düsenspannmutter 7 und der Führungshülse 11 ausgebildeten Anströmkanal 14 verbunden. Der Anströmkanal 14 verläuft dabei im Wesentlichen in Längsrichtung des Kraftstoffinjektors 100. Der Anströmkanal 14 kann dabei sowohl ringförmig als auch in Form von Führungsnuten ausgebildet sein.
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Zwischen dem Düsenkörper 16 und der Düsenspannmutter 7 ist ein zweiter Ringraum 15 ausgebildet, in welchen der Anströmkanal 14 mündet. Im Düsenkörper 16 ist ein Kühlkanal 17 ausgebildet, welcher beispielsweise mehrere Bohrungen umfassen kann. Der Kühlkanal 17 verbindet den zweiten Ringraum 15 hydraulisch mit einer zwischen dem Düsenkörper 16 und der Kühlkappe 20 ausgebildeten Zuführnut 18.
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An der Spitze der Düse 80, also im den Einspritzöffnungen benachbarten Bereich, ist zwischen dem Düsenkörper 16 und der Kühlkappe 20 ein vorzugsweise ringförmiger Kühlraum 19 ausgebildet. An der Spitze der Düse 80 treten die größten Temperaturen im Betrieb des Kraftstoffinjektors 100 auf, so dass hier über den Kühlraum 19 effektiv sehr nahe des höchsten Temperatureintrags gekühlt wird.
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Eine zwischen dem Düsenkörper 16 und der Kühlkappe 20 ausgebildete Abführnut 21 dient der Rückführung des Kühlmediums vom Kühlraum 19. Weiterhin ist in dem Düsenkörper 16 und in der Drosselplatte 5 ein Abströmkanal 22 ausgebildet. Die Führungshülse 11, die Drosselplatte 5, die Ventilplatte 4 und der Ventilkörper 3 begrenzen einen Sammelraum 24, welcher hydraulisch über den Abströmkanal 22 und die Abführnut 21 mit dem Kühlraum 19 verbunden ist.
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Aus den Sammelraum 24 kann das Kühlmedium auf verschiedene Weise abgeführt werden:
Bei Verwendung von Kraftstoff als Kühlmedium kann die Kühlmenge von dem Sammelraum 24 über einen vorhandenen Steuermengenrücklauf 25 des Steuerventils 2 des Kraftstoffinjektors 100 wieder aus dem Kraftstoffinjektor 100 abgeführt werden. Ein Kühlablauf 26 ist in dieser Ausführung auch ein Steuermengenablauf bzw. ein Leckageablauf.
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Falls andere Medien als Kühlmedium verwendet werden – beispielsweise Motoröl oder Kühlwasser – muss der Rücklauf des Kühlmediums getrennt vom Rücklauf des Kraftstoffs geführt werden. Eine derartige Ausführung des Kraftstoffinjektors 100 zeigt die 3.
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Der Kühlzulauf 38 des Kühlmediums zum Kühlraum 19 und weiter bis zum Sammelraum 24 erfolgt wie bei der Ausführungsform der 1. Von dem Sammelraum 24 erfolgt der weitere Rückfluss des Kühlmediums nicht über den Steuermengenrücklauf 25 des Steuerventils 2, sondern über einen ringförmigen Abflusskanal 34, welcher zwischen dem Außendurchmesser des Ventilkörpers 3 und dem Innendurchmesser der Führungshülse 11 ausgebildet ist. Im Haltekörper 1 ist eine Freistellung 32 in der Dichtfläche zum Ventilkörper 3 ausgebildet. Der Kühlablauf 26 ist in der Ausführung der 3 in dem Haltekörper 1 ausgebildet und über den Abflusskanal 34 und die Freistellung 32 hydraulisch mit dem Sammelraum 24 verbunden.
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In der Ausführung der 3 können auch andere Kühlmedien als Kraftstoff verwendet werden, da es keine Vermischung mit dem Steuermengenrücklauf 25 des Steuerventils 2 gibt. Weiterhin kann bei dieser Variante auch die Durchflussrichtung des Kühlmediums gewechselt werden, so dass Kühlmedium über den Kühlablauf 26 zu dem Kühlraum 19 geführt wird und über den Kühlzulauf 38 anschließend wieder aus dem Kraftstoffinjektor 100 abgeführt wird.
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Je nach Ausführung des Steuermengenrücklaufs 25 kann eine Bohrung des Steuermengenrücklaufs 25 in den Sammelraum 24 münden. Diese wird dann durch einen Stopfen 37 mediendicht verschlossen, um eine Vermengung des Kühlmediums mit Kraftstoff zu vermeiden.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftstoffinjektors 100. Anders als in der Ausführung der 2 erfolgt der Kühlzulauf 38 nicht über eine Zulaufbohrung 9 im Haltekörper 1, sondern über eine in der Düsenspannmutter 7 ausgebildete Zulaufbohrung 9. Die Zulaufbohrung 9 ist dabei über an der Düsenspannmutter 7 angeordnete O-Ringe 27, 28 zur Umgebung abgedichtet. Die Zulaufbohrung 9 mündet direkt in den Anströmkanal 14 und ist weiter über den Ringraum 15, den Kühlkanal 17 und die Zuführnut 18 mit dem Kühlraum 19 verbunden.
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In Weiterführungen der Erfindung kann auch die Abführung des Kühlmediums in dieser Art und Weise erfolgen. Der Kühlablauf 26 wäre demzufolge dann ebenfalls in der Düsenspannmutter 7 ausgebildet. In dieser Ausführung könnte der Anströmkanal 14 dann jedoch nicht über den gesamten Umfang der Führungshülse ausgeführt sein, sondern wäre beispielsweise in Form einer Längsnut ausgestaltet.
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In allen Ausführungsformen kann die Führungshülse 11 sehr dünnwandig ausgeführt werden. Außerdem wird durch den vorzugsweise kreisringförmigen Querschnitt des Anströmkanals 14 ein sehr großer Querschnitt bei geringem radialen Platzbedarf dargestellt. Diese beiden Merkmale ermöglichen einen großen Durchsatz von Kühlmedium und daher hohe potentielle Kühlleistung bei sehr geringem Platzbedarf im Durchmesser des Kraftstoffinjektors 100.
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Die Führungshülse 11 eignet sich aufgrund ihres geringen Platzbedarfs bei entsprechenden Ausgestaltungen des Kraftstoffinjektors 100 auch als Nachrüstsatz für bestehende Kraftstoffinjektoren 100 ohne Aktivkühlung bzw. mit anderweitiger Aktivkühlung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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