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Die Erfindung betrifft einen Zweistoffinjektor für zwei Medien, aufweisend einen Injektorkörper mit einem auslassseitigen Endbereich, mit einer in dem Injektorkörper ausgebildeten Injektorkörperausnehmung, wobei in der Injektorkörperausnehmung eine zumindest eine Injektorkörperaustrittsöffnung für ein zweites Medium in dem Endbereich steuernde äußere Injektornadel längsbeweglich angeordnet ist, und wobei in der äußeren Injektornadel eine Injektornadelausnehmung angeordnet ist, in der zumindest eine Injektornadelaustrittsöffnung für ein erstes Medium in der äußeren Injektornadel steuernde innere Injektornadel längsbeweglich angeordnet ist.
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Stand der Technik
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Eine derartiger Zweistoffinjektor ist aus der
DE 10 2005 037 954 A1 bekannt. Dieser Zweistoffinjektor ist für ein flüssiges Medium und ein gasförmiges Medium ausgelegt und weist einen Injektorkörper mit einer Injektorkörperausnehmung auf, in der eine zumindest eine Injektorkörperaustrittsöffnung in dem Injektorkörper steuernde äußere Injektornadel längsbeweglich angeordnet ist. In dieser äußeren Injektornadel ist eine Injektornadelausnehmung angeordnet, in der eine innere Injektornadel längsbeweglich angeordnet ist. Diese innere Injektornadel beherrscht eine Anzahl von Injektornadelaustrittsöffnungen, die in der äußeren Injektornadel angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zweistoffinjektor bereitzustellen, der hinsichtlich seiner Funktion gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Injektorkörperaustrittsöffnung in einer Schließstellung der äußeren Injektornadel in Verlängerung der Injektornadelaustrittsöffnung angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, dass das von der inneren Injektornadel gesteuerte erste Medium ohne Umlenkung durch die zumindest eine Injektornadelaustrittsöffnung und weiter durch die Injektorkörperaustrittsöffnung in einen Arbeitsraum, in den der auslassseitige Endbereich des Zweistoffinjektors hineinragt, gelangt. Diese Ausgestaltung vermeidet Störungen in der Ausbreitung des ersten Mediums beziehungsweise der Einbringung des ersten Mediums in den Arbeitsraum. Beispielsweise bildet das erste Medium einen Zündstrahl für das nachfolgend in den Arbeitsraum einzubringende zweite Medium.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Injektorkörperaustrittsöffnung koaxial zu der Injektornadelaustrittsöffnung angeordnet. Somit gelangt der von der inneren Injektornadel gesteuerte Strahl des ersten Mediums zuerst durch die Injektornadelaustrittsöffnung und dann zu der koaxial angeordneten Injektorkörperaustrittsöffnung. Dabei ist ein von der Injektornadelaustrittsöffnung festgelegter Strahlkegelwinkel α des ersten Mediums kleiner als ein Strahlwinkel, der von der Injektorkörperaustrittsöffnung bestimmt ist. Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass der durch die Injektornadelaustrittsöffnung hindurch tretende Strahl des ersten Mediums ohne eine Auftreffen oder einen Kontakt mit der Injektorkörperaustrittsöffnung durch diese hindurch tritt. Dadurch wird eine Ablenkung des Strahls des ersten Mediums vermieden. Außerdem wird dadurch vermieden, dass eine Ablagerung oder Streuung des Mediums, das von der inneren Injektornadel gesteuert wird, an der Wand der Injektorkörperaustrittsöffnung auftritt. Eine solche Ablagerung oder Streuung könnte als Tropfen oder Ligamente auftreten. Dadurch würde die Funktion des Zweistoffinjektors nachteilig beeinflusst. Beispielsweise ist das von der inneren Injektornadel gesteuerte Medium ein flüssiges Medium und das der äußeren Injektornadel gesteuerte Medium ein gasförmiges Medium. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird nun erreicht, dass das flüssige Medium weitestgehend ohne Beeinflussung des Bereichs in dem Zweistoffinjektor, in dem das gasförmige Medium geführt wird, erfolgt. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass bei der Schließstellung der äußeren Injektornadel der entsprechende auslassseitige Endbereich des Injektorkörpers von einer Befüllung mit gasförmigem Medium abgesperrt ist. Dadurch wird dem flüssigen Medium kein relevanter den entsprechenden Strahl beeinflussender Störparameter aufgedrängt. Idealerweise ist der durch die Injektornadelaustrittsöffnung hindurch tretende Strahl so in Bezug zu der Injektorkörperaustrittsöffnung ausgebildet beziehungsweise geformt, dass dieser beim Eintritt in die Injektorkörperaustrittsöffnung einen deutlichen Abstand zu der die Injektorkörperaustrittsöffnung bildenden Wand hat und auf der Austrittsseite aus der Injektorkörperaustrittsöffnung einen geringen Abstand zu der Wand hat, ohne diese aber in diesem Bereich zu benetzen.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die äußere Injektornadel drehfixiert zu dem Injektorkörper. Diese Drehfixierung ist für die erfindungsgemäße Funktion des Zweistoffinjektors wichtig, indem dadurch die die Koaxialität der Injektorkörperaustrittsöffnung zu der Injektornadelaustrittsöffnung mit hoher Sicherheit in engen Toleranzgrenzen von beispielsweise 1° sichergestellt ist. Dabei kann die Drehfixierung grundsätzlich beliebig ausgebildet und angeordnet sein.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die äußere Injektornadel kuppenseitig eine mit einer Injektorkörperführungsfläche zusammenwirkende verdrehsichernde Injektornadelführungsfläche auf. Dies ist eine Alternative beispielsweise zu einer Führung der äußeren Injektornadel in einem entfernten Bereich zu dem kuppenseitigen Endbereich. Beispielsweise sind die Injektorkörperführungsfläche und Injektornadelführungsfläche als Dreiflach in einem einen Teil eines Gasraums bildenden Sacklochs ausgebildet, wobei die dadurch gebildete Injektornadelführung den Fluidaustausch zwischen den beiden Seiten der Sacklochführung ermöglicht und zudem eine hydraulisch dämpfende Wirkung beim Aufprall der äußeren Injektornadel in den Endlagen aufweist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Injektornadelaustrittsöffnung zumindest über eine äußere Teillänge konisch sich nach außen erweiternd ausgebildet. In einer alternativen Ausgestaltung ist die Injektornadelaustrittsöffnung eine Stufenbohrung, wobei der größere Durchmesser der Stufenbohrung außen an dem Injektorkörper angeordnet ist. In einer weiteren Ausgestaltung ist die Injektornadelaustrittsöffnung als Lavaldüse ausgebildet. Alle Ausgestaltungen stellen sicher, dass der Sprühstrahl des flüssigen Mediums so durch die Injektornadelaustrittsöffnung hindurchgeleitet wird, dass er anschließend ungehindert durch die Injektorkörperaustrittsöffnung hindurch tritt. Es wird darauf hingewiesen, dass für die Injektorkörperaustrittsöffnung grundsätzlich die beschriebenen Ausgestaltungen sinngemäß angewendet werden können.
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Die Spritzlochauslegung der Injektornadelaustrittsöffnung kann bei einer Ausführungsform des Zweistoffinjektors mit einem Spritzlochdurchmesser von 100 µm bis 160 µm mit einem konischen Sacklochtyp gewählt werden. Dazu wird die Spritzlochlänge der Injektornadelaustrittsöffnung auf beispielsweise zwischen 1mm und 1,3 mm maximiert. Der Lochkreisdurchmesser der (mehreren) Injektornadelaustrittsöffnung(en) wird minimiert auf beispielsweise zwischen 0,60 mm und 0,9 mm. Dabei wird jede Injektornadelaustrittsöffnung so tief wie möglich in das Injektornadelsackloch, das innerhalb der Injektornadelkuppe gebildet ist, eingebracht. Die Kuppenwandstärke im Bereich der Injektornadelaustrittsöffnung wird auf beispielsweise zwischen 0,6 mm und 0,9 mm minimiert. Die Konizität der Injektornadelaustrittsöffnung wird negativ gewählt (beispielsweise mit einem Außendurchmesser von 50 µm größer als der theoretische Wert des Innendurchmessers, wobei ein zylindrischer oder leicht konischer Teil der Spritzlochkontur bis zu etwa 50 % der Spritzlochlänge wünschenswert ist). Eine fertigungstechnisch aufwändige Ausgestaltung ist die Wahl einer Stufenbohrung und eine Idealform ist die Ausbildung als Lavaldüse.
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Um das Verhältnis der Dichte der Flüssigkeit zu der Dichte des Gases bei einer Einspritzung zu maximieren, sollte die Dichte des Gases im Sackloch des Gaspfades minimiert werden. Ein Beitragsleister hierzu ist die Molmasse des Gases (bei gleichen Druck- und Temperaturbedingungen). Dazu sollte eine frühe Piloteinspritzung des Gasstrahls erfolgen, so dass zum Zeitpunkt der Flüssigkeitseinspritzung im Gassackloch und eventuell der näheren Umgebung der Düse eine hohe Konzentration beispielsweise an Methan herrscht. Dieser letztgenannte Beitrag ist aber bei Wahl einer geringen Spritzlochlänge (z.B. zwischen 0,6 mm und 0,9 mm) und deren Durchmesser > 0,5 mm (z.B. 0,75 mm) der Injektornadelaustrittsöffnung nicht erforderlich. Auch ist es gegebenenfalls möglich, den Strahlkegelwinkel auf unter 10° zu reduzieren, falls ein Durchmesser der Injektornadelaustrittsöffnung kleiner 0,5 mm gewählt wird (und alle andere Maßnahmen nicht ausreichen). Falls trotzdem ein geringfügiger Anteil des Flüssigkeitsstrahls an der Wand der Injektorkörperaustrittsöffnung abgelagert wird, ist davon auszugehen, dass die reguläre Einblasung von gasförmigem Medium unter einem Druck von größer 300 bar Flüssigkeitstropfen von der Wand der Injektorkörperaustrittsöffnung mit sich reißt und sie in den Arbeitsraum befördert, ohne dass ein nennenswerter Schaden durch eine strömungstechnisch relevante Ablagerung an der Wand der Injektorkörperaustrittsöffnung (Verkokung) entsteht.
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Wenn auch der Gegenstand des erfindungsgemäßen Zweistoffinjektors bei einer beliebigen Anwendung umgesetzt werden kann, ist eine bevorzugte Verwendung in einem Kraftstoffeinspritzsystem an einer Brennkraftmaschine gegeben, wobei die Medien ein flüssiger Kraftstoff und ein gasförmiger Kraftstoff sind. Der flüssige Kraftstoff ist beispielsweise Dieselkraftstoff und der gasförmige Kraftstoff beispielsweise Methan. Der Dieselkraftstoff wird insbesondere bei einem Start der Brennkraftmaschine in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt, wobei während dieser Einspritzung kein Methan eingespritzt wird. Erst wenn die Brennkraftmaschine in Betrieb gesetzt worden ist, wird Methan in den Brennraum eingespritzt und gleichzeitig die Einspritzung von Dieselkraftstoff beendet. Eine solche gesteuerte Einspritzung ist mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Injektor umsetzbar, wobei durch den so ausgebildeten Injektor der Betrieb der entsprechenden Brennkraftmaschine verbessert wird. Dies äußert sich durch eine Verringerung des Brennstoffverbrauchs bei einer gleichzeitigen Reduzierung der (schädlichen) Abgasemissionen. Dabei ist der erfindungsgemäß ausgestaltete Zweistoffinjektor kostenneutral oder sogar günstiger als ein herkömmlich ausgebildeter Zweistoffinjektor herstellbar.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Zweistoffinjektors,
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2 eine perspektivische Detailansicht eines spritzseitigen Endbereichs eines Zweistoffinjektors gemäß 1,
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3 eine Schnittdarstellung durch einen spritzseitigen Endbereich gemäß 2,
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4 eine Schnittdarstellung durch eine Injektornadelaustrittsöffnung,
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5 eine Schnittdarstellung eines Zweistoffinjektors in einer alternativen Ausgestaltung und
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6 eine Detailansicht eines Zweistoffinjektors gemäß 5.
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Der in 1 dargestellte Zweistoffinjektor 1 ist Teil eines Kraftstoffeinspritzsystems einer Brennkraftmaschine, wobei mit dem Zweistoffinjektor 1 zum Betrieb der Brennkraftmaschine zwei unterschiedliche Medien, nämlich ein erster flüssiger Kraftstoff, vorzugsweise Dieselkraftstoff, und ein zweiter gasförmiger Kraftstoff, vorzugsweise Brenngas in Form von Methan, wechselweise oder additiv in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden.
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Der Zweistoffinjektor 1 weist einen Injektorkörper 2 auf, in den eine Injektorkörperausnehmung 3 für eine äußere Injektornadel 4 eingelassen ist. Die äußere Injektornadel 4 weist eine innere Injektornadelausnehmung 5 für eine innere Injektornadel 6 auf. Die äußere Injektornadel 4 weist einen Injektornadelsitz 7 auf, der in einem Ventilsitz 8 des Injektorkörpers 2 einwirkt. An den Injektornadelsitz 7 schließt endseitig eine Injektornadelkuppe 9 an, in die im Bereich vor dem Injektornadelsitz 7 zumindest eine Injektornadelaustrittsöffnung 19 eingelassen ist. Zu dieser Injektornadelaustrittsöffnung 19 ist in einer Schließstellung der äußeren Injektornadel 4, in der der Injektornadelsitz 7 in einem Ventilsitz 8 einwirkt, koaxial in dem Injektorkörper 2 eine Injektorkörperaustrittsöffnung 10 angeordnet. Diese Ausgestaltung bildet den Kern der Erfindung und wird nachfolgend noch detailliert erläutert.
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Die Injektorkörperaustrittsöffnung 10 ist dauernd mit einem Gasraum 12 verbunden, der zwischen der Injektornadelkuppe 9 und dem Injektorkörper 2 endseitig vor dem Ventilsitz 8 angeordnet ist.
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Beim von einer gegenüberliegend zu der Injektornadelkuppe 9 angeordneten Injektornadelfeder 11 eingestellten beziehungsweise bewirkten Aufsitzen des Injektornadelsitzes 7 in den Ventilsitz 8 ist eine Verbindung des Gasraums 12 mit einem in dem Injektorkörper 2 eingelassenen Gaskanal 13 unterbunden. Der Gaskanal 13 ist mit einer an dem Injektorkörper 2 befestigten Gasleitung 14 verbunden, über die in den Gaskanal 13 Brenngas eingeführt wird, das bei geöffneter äußerer Injektornadel 4, wenn also der Injektornadelsitz 7 von dem Ventilsitz 8 abgehoben ist, in den Gasraum 12 gelangt und durch die Injektorkörperaustrittsöffnung 10 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt beziehungsweise eingeblasen wird.
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Die in der inneren Injektornadelausnehmung 5 geführte innere Injektornadel 6 weist ebenfalls eine Injektornadelspitze 15 auf, die in einen Ventilsitz 16, der in die äußere Injektornadel 4 eingearbeitet ist, einwirkt. In der dargestellten geschlossenen Stellung der inneren Injektornadel 6 beziehungsweise deren Injektornadelspitze 15 ist die zumindest eine in die äußere Injektornadel 4 eingelassene Injektornadelaustrittsöffnung 19 verschlossen. Ist die innere Injektornadel 6 und damit deren Injektornadelspitze 15 gegen eine Nadelfeder 18 axial nach oben verschoben, ist die zumindest eine Injektornadelaustrittsöffnung 19 über einen Fluidraum 17 und weiter über die Injektornadelausnehmung 5 mit einem Fluidkanal 20 sowie einer an dem Injektorkörper 2 befestigten Fluidleitung 21 verbunden. Durch die Fluidleitung 21 wird dem Zweistoffinjektor 1 Dieselkraftstoff zugeleitet, der bei geöffneter innerer Injektornadel 6 durch die zumindest eine Injektornadelaustrittsöffnung 19 durch den Fluidraum 17 hindurch und weiter durch die Injektorkörperaustrittsöffnung 10 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Um eine ungehinderte Einspritzung zu gewährleisten, ist die äußere Injektornadel 4 gegenüber dem Injektorkörper 2 drehfixiert, das heißt, sie kann zwar axial bewegt, nicht aber verdreht werden.
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Dadurch ist die dauerhafte koaxiale Anordnung der Injektorkörperaustrittsöffnung 10 zu der Injektornadelaustrittsöffnung 19 sichergestellt. Die Drehfixierung erfolgt bei der Ausgestaltung gemäß 1 beispielsweise im oberen Bereich der äußeren Injektornadel 4 gegenüber dem Injektorkörper 2.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verstellung der äußeren Injektornadel 4 und der inneren Injektornadel 6 von zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren Ventilelementen 22a, 22b gesteuert. Die Ventilelemente 22a, 22b werden beispielsweise von elektromagnetischen, hydraulischen oder mechanischen Betätigungsorganen 23a, 23b angesteuert. Das Ventilelement 22a wirkt mit einer ersten Steuerleitung 24a zusammen, die die Fluidleitung 21 mit einem die Injektornadelfeder 11 aufnehmenden Injektornadelfederraum 25 und dem Ventilelement 22a verbindet. Ist das erste Ventilelement 22a in der dargestellten geschlossenen Position, ist eine Verbindung zwischen der ersten Steuerleitung 24a und einer ebenfalls an dem Injektorkörper 2 befestigten Rücklaufleitung 26 unterbrochen. Dadurch baut sich in dem Injektornadelfederraum 25 ein Fluiddruck auf, der zusammen mit der Injektornadelfeder 11 die äußere Injektornadel 4 in der geschlossenen Position hält. Wird dagegen die Strömungsverbindung zwischen der ersten Steuerleitung 24a und der Rücklaufleitung 26 von dem Ventilelement 22a freigegeben, erfolgt ein Druckabbau in dem Injektornadelfederraum 25 und die äußere Injektornadel 4 wird durch den an einer in dem Gasraum 12 angeordneten Druckschulter anliegenden Gasdruck axial verschoben, so dass durch die zumindest eine Injektorkörperaustrittsöffnung 10 Brenngas in den Brennraum eingeblasen wird. Die gleiche Funktionsweise gilt sinngemäß für die innere Injektornadel 6, die von dem Ventilelement 22b und eine zweite Steuerleitung 24b angesteuert wird. In die beiden Steuerleitungen 24a, 24b sind Steuerleitungsdrosseln 26a, 26b eingesetzt, die den Zufluss von Dieselkraftstoff in die Steuerleitungen 24a, 24b begrenzen beziehungsweise eine gegenseitige Beeinflussung der Steuerfunktion durch die beiden Ventilelemente 22a, 22b verhindern. Die beschriebene Ansteuerung ist beispielhaft und es sind auch andere Ausgestaltungen möglich.
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2 zeigt eine perspektivische Detailansicht eines spritzseitigen Endbereichs eines Zweistoffinjektors 1 gemäß 1. Dargestellt ist konkret der spritzseitige Endbereich des Injektorkörpers 2 mit dem eingelassenen und über den Umfang verteilt angeordneten Injektorkörperaustrittsöffnungen 10 mit angedeuteten Dieselstrahlen 27, die durch die Injektorkörperaustrittsöffnungen 10 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Beispielsweise sind sieben bis zehn Injektorkörperaustrittsöffnungen 10 auf dem Umfang des Injektorkörpers 2 verteilt angeordnet und die Dieselstrahlen 27 werden mit einem Dieseleinspritzdruck von beispielsweise 300 bar bis 600 bar in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen spritzseitigen Endbereich des Injektorkörpers 2 gemäß 2 mit einer geschnittenen Injektorkörperaustrittsöffnung 10, durch die ein Dieselstahl 27 hindurch tritt. Dahinter ist eine angrenzende Injektorkörperaustrittsöffnung 10 mit einem durch diese durchtretenden Dieselstrahl 27 dargestellt. Die Dieselstrahlen 27 werden durch die hier nicht dargestellten Injektornadelaustrittsöffnungen 19 geformt und durchqueren den Gasraum 12, bevor sie in die jeweilige Injektorkörperaustrittsöffnung 10 eintreten. Dabei ist der Stahlkegelwinkel α durch entsprechende Ausgestaltung der Injektornadelaustrittsöffnung 19 (siehe 1) so geformt beziehungsweise so klein, dass eine Ablagerung oder Streuung der Dieselflüssigkeit an der Wand der Injektorkörperaustrittsöffnungen 10 vermieden ist. Beispielsweise erfolgt die Auslegung der passenden Öffnungsgeometrieparameter und der vorteilhaften Betriebsrandbedingungen für eine solche Einspritzung iterativ zwischen einer Simulation und einer Konstruktion. Der aus den Injektorkörperaustrittsöffnungen 10 austretende Dieselstrahl 27 passiert die Injektorkörperaustrittsöffnungen 10 an der äußeren Kante in einem knapp ausreichenden Abstand zur Wand. Die Injektorkörperaustrittsöffnungen 10 sind beispielsweise zylindrisch ausgebildet, wobei dies die am einfachsten durch eine entsprechende Bohrung umsetzbare Ausgestaltung ist. Die Injektorkörperaustrittsöffnungen 10 können aber auch zumindest über eine Teillänge insbesondere im äußeren Bereich eine konische sich ausweitende Kontur aufweisen. Auch ist die Ausgestaltung der Injektorkörperaustrittsöffnungen 10 in Form einer Lavaldüse im Rahmen der Erfindung denkbar beziehungsweise möglich.
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In der Schnittdarstellung gemäß 4 durch eine Injektornadelaustrittsöffnung 19 ist diese als Stufenbohrung ausgebildet, bei der der größere Durchmesser der Stufenbohrung außen an der äußeren Injektornadel 4 angeordnet ist. Eine solche Stufenbohrung kann beispielsweise erodiert werden.
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Die Schnittdarstellung und die Detailansicht gemäß den 5 und 6 zeigen eine konstruktiv alternative Ausgestaltung zu einem Zweistoffinjektor 1 gemäß 1, wobei aber bezüglich der grundsätzlichen Beschreibung auf die Figurenbeschreibung zu 1 verwiesen wird. Bei dieser Ausgestaltung weist die äußere Injektornadel 4 kuppenseitig eine mit einer Injektorkörperführungsfläche 28 zusammenwirkende Injektornadelführungsfläche 29 auf, die eine Verdrehung der äußeren Injektornadel 4 gegenüber dem Injektorkörper 2 verhindert. Beispielsweise sind die Injektorkörperführungsfläche 28 und Injektornadelführungsfläche 29 als Dreiflach in dem einen Teil des Gasraums 12 bildenden Sackloch ausgebildet, wobei die dadurch gebildete Injektornadelführung den Fluidaustausch zwischen den beiden Seiten der Sacklochführung ermöglicht und zudem eine hydraulisch dämpfende Wirkung beim Aufprall der äußeren Injektornadel 4 in den Endlagen aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005037954 A1 [0002]
