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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil, in dem die Führung der Düsennadel weitgehend unabhängig von dem Druck in dem Hochdruckkreis des Einspritzventils gewährleistet ist, mit einem Düsenkörper, mit einer Düsennadel, die in einer Ausnehmung des Düsenkörpers so angeordnet ist dass sie in einer Schließposition einen Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzdüse verhindert und in einer Offenposition einen Fluidfluss durch die Einspritzdüse frei gibt, wobei die Düsennadel eine der Einspritzdüse abgewandte Stirnseite und einen Führungsabschnitt aufweist, und zwischen dem Führungsabschnitt der Düsennadel und dem Düsenkörper ein Spalt ausgebildet ist, der mit einem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch koppelbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Einspritzventil mit einem Injektorkörper und einer Düsenbaugruppe, wobei der Injektorkörper und die Düsenbaugruppe miteinander verbunden sind.
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Aus der
DE 41 26 698 A1 ist eine Kraftstoffeinspritzdüse für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der ein von der Düsennadel getrennt ausgebildeter Druckzapfen zwischen einem Dämpfungsraum und einem Federraum mit darin ausgebildeten Ausnehmungen vorgesehen ist, welche durch bereitstellen einer Strömungsverbindung eine Dämpfung der Düsennadel beim Öffnen derselben sicherstellen.
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Immer strengere gesetzliche Vorschriften bezüglich der zulässigen Schadstoffemission von Brennkraftmaschinen, die in Kraftfahrzeugen angeordnet sind, machen es erforderlich, diverse Maßnahmen vorzunehmen, durch welche die Schadstoffemissionen gesenkt werden. Ein Ansatzpunkt hierbei ist, die von der Brennkraftmaschine erzeugten Schadstoffemissionen zu senken. Die Bildung von Ruß ist stark abhängig von der Aufbereitung des Luft/Kraftstoff-Gemisches in dem jeweiligen Zylinder der Brennkraftmaschine.
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Eine entsprechend verbesserte Gemischaufbereitung kann erreicht werden, wenn der Kraftstoff unter sehr hohem Druck zugemessen wird. Im Falle von Diesel-Brennkraftmaschinen betragen die Kraftstoffdrücke bis zu 2000 bar. Derart hohe Drücke stellen sowohl hohe Anforderungen an das Material der Düsenbaugruppe als auch an deren Konstruktion. Gleichzeitig müssen größere Kräfte von der Düsenbaugruppe aufgenommen werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe und ein Einspritzventil zu schaffen, die einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ermöglichen, insbesondere einen Druckausgleich und somit eine verbesserte Führung der Düsennadel unabhängig vom Druck im Hockdruckkreis gewährleisten.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß eines ersten Aspekts zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Düsenbaugruppe für ein Einspritzventil, mit einem Düsenkörper, mit einer Düsennadel, die in einer Ausnehmung des Düsenkörpers so angeordnet ist, dass sie in einer Schließposition einen Fluidfluss durch mindestens eine Einspritzdüse verhindert und in einer Offenposition einen Fluidfluss durch die Einspritzdüse frei gibt. Die Düsennadel weist eine der Einspritzdüse abgewandte Stirnseite und einen Führungsabschnitt auf. Zwischen dem Führungsabschnitt der Düsennadel und dem Düsenkörper ist ein Spalt ausgebildet, der mit einem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch koppelbar ist. Die Düsennadel weist mindestens eine Ausnehmung mit einem Druckraum mit einem Durchmesser D auf, die mit dem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch koppelbar ist, um nach außen gerichtete Kräfte, die mit steigendem Druck in dem Hochdruckkreis zunehmen, auf den Führungsabschnitt der Düsennadel zu bewirken. Mindestens ein Abschnitt der Ausnehmung der Düsennadel ist sacklochförmig und erstreckt sich axial zumindest über einen Teilbereich des Führungsabschnitts erstreckt. Die axiale Erstreckung der Ausnehmung der Düsennadel endet vor der der Einspritzdüse abgewandten Stirnseite der Düsennadel.
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Somit hat die Düsennadel die Ausnehmung, die mindestens teilweise sacklochförmig ist und sich axial im Führungsabschnitt der Düsennadel erstreckt. Die Ausnehmung reicht jedoch nicht bis zu der der Einspritzdüse abgewandten Stirnseite des Führungsabschnitts der Düsennadel. Diese Ausnehmung der Düsennadel kann mit dem Hochdruckkreis des Fluids hydraulisch gekoppelt sein.
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Dies hat den Vorteil, dass einem unerwünschten Aufweiten des Spalts entgegengewirkt wird und so eine gute Führung der Düsennadel weitgehend unabhängig von dem Druck in dem Hochdruckkreis gewährleistet sein kann. Die Größe des Spalts zwischen dem Führungsabschnitt der Düsennadel und dem Düsenkörper beeinflusst ferner das Ausmaß der Leckmenge des Fluids aus dem Hochdruckkreis in den Niederdruckkreis. Diese Leckmenge kann möglichst klein gehalten werden, was von Vorteil ist, da der Leckstrom zusätzlich Pumpenenergie kostet und das Fluid unnötig erwärmt wird. Durch ein hydraulisches Koppeln der sacklochförmigen Ausnehmung im Führungsabschnitt der Düsennadel mit dem Hochdruckkreis des Fluids wirken radial nach außen gerichtete Kräfte auf den Führungsabschnitt der Düsennadel, die mit steigendem Druck in dem Hochdruckkreis zunehmen, wodurch einer Aufweitung des Spalts zwischen dem Führungsabschnitt der Düsennadel und dem Düsenkörper entgegengewirkt wird. Vorteilhaft ist hierbei besonders, dass ein durch den Hochdruckkreis hervorgerufener zunehmender Druck in der sacklochförmigen Ausnehmung im Führungsabschnitt der Düsennadel auch zu zunehmenden radial nach außen gerichteten Kräften auf den Führungsabschnitt der Düsennadel führt und damit der bei zunehmenden Druck im Hochdruckkreis üblicherweise entstehenden Vergrößerung des Spalts entgegenwirkt. Es handelt sich also um ein selbstregelndes System in Bezug auf die Konstanz der Größe des Spalts. Einerseits wird der Spalt immer so klein gehalten, dass die Leckagemenge an Fluid gering ist, die über den Spalt zwischen dem Düsenkörper und dem Führungsabschnitt der Düsennadel auftritt. Andererseits wird durch die Selbstregelung auch verhindert, dass sich der Führungsabschnitt der Düsennadel zu stark aufweitet und die Düsennadel dann im Düsenkörper festsitzt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abschnitt der Ausnehmung der Düsennadel eine axiale Bohrung. Dadurch ist dieser Abschnitt der Ausnehmung der Düsennadel besonders einfach zu fertigen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Ausnehmung der Düsennadel einen zweiten Abschnitt auf, wobei dieser eine radiale Bohrung ist. Damit kann auch der zweite Abschnitt der Ausnehmung der Düsennadel besonders einfach hergestellt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Düsennadel mindesten zwei miteinander verbindbare Düsennadelabschnitte auf. Dadurch wird die Herstellung der Ausnehmung der Düsennadel erleichtert.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Düsennadelabschnitt mindestens einen Teilabschnitt des ersten Abschnitts der Ausnehmung der Düsennadel und der zweite Düsennadelabschnitt mindestens den zweiten Abschnitt der Ausnehmung der Düsennadel auf. Weist ein Düsennadelabschnitt mindestens einen Teilabschnitt eines Abschnitts der Ausnehmung der Düsennadel auf, so können die einzelnen Abschnitte der Düsennadel besonders einfach mit Abschnitten der Ausnehmung der Düsennadel versehen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist einer der zwei miteinander verbindbaren Düsennadelabschnitte eine Aussparung und der andere der zwei miteinander verbindbaren Düsennadelabschnitte einen in die Aussparung passenden Zapfen auf. Bei der Endmontage der Düsennadel können so die beiden miteinander verbindbaren Düsennadelabschnitte besonders einfach zusammengesetzt werden.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Aussparung und der Zapfen zylindrisch, und die Aussparung und der Zapfen sind durch eine Gewindeverschraubung miteinander verbunden. Die beiden miteinander verbindbaren Düsennadelabschnitte können so die Montage der beiden miteinander verbindbaren Düsennadelabschnitte vereinfachen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die zwei Düsennadelabschnitte durch Aufschrumpfen, Fügen, Schweißen oder Hartlöten miteinander verbunden. Diese vier Arten der Verbindung der beiden Düsennadelabschnitte sind besonders einfach auszuführen, und die Sicherheit dieser Art von Verbindung ist besonders hoch.
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Gemäß eines zweiten Aspekts zeichnet sich die Erfindung durch ein Einspritzventil mit einem Injektorkörper und einer Düsenbaugruppe aus, wobei der Injektorkörper und die Düsenbaugruppe miteinander verbunden sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Einspritzventil mit einer Düsenbaugruppe,
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2 eine Detailansicht einer ersten Ausführungsform einer Düsennadel der Düsenbaugruppe gemäß 1.
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Ein Einspritzventil 10 umfasst einen Injektorkörper 12 und eine Düsenbaugruppe 14.
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In dem Injektorkörper 12 ist ein Hubaktuator 16 angeordnet, der als Piezoaktuator mit einem Stapel von Piezoelementen ausgebildet sein kann und seine axiale Ausdehnung abhängig von der angelegten elektrischen Spannung ändert. Die elektrische Spannung wird über eine Anschlussbuchse 18 an den Hubaktuator 16 angelegt. Der Hubaktuator 16 ist mit einem Übertrager 20 verbunden, der ebenfalls im Injektorkörper 12 angeordnet ist. Der Hubaktuator 16 und der Übertrager 20 bilden einen Stellantrieb.
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Der Injektorkörper 12 umfasst ferner einen Hochdruckanschluss 26, der mit einer Hochdruckleitung 28 hydraulisch verbunden ist. Über den Hochdruckanschluss 26 ist das Einspritzventil 10 im montierten Zustand mit einem nicht dargestellten Hochdruckfluidkreis verbunden.
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In einer Ausnehmung des Injektorkörpers 12 ist ein Steuerraum 22 und ein Hohlraum 24 angeordnet. Die Verbindung zwischen der Hochdruckleitung 28 und dem Hohlraum 24 erfolgt über eine hier nicht dargestellte Druckleitung. Abhängig von der Stellung eines mit dem Übertrager 20 gekoppelten Dichtkörpers 25 ist der Hohlraum 24 mit dem Steuerraum 22 hydraulisch gekoppelt oder von diesem hydraulisch entkoppelt.
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Die Düsenbaugruppe 14 umfasst einen Düsenkörper 30 mit einer Ausnehmung 32, in der eine mehrteilig ausgebildete Düsennadel 34 angeordnet ist. Die Düsenbaugruppe 14 ist mittels einer Düsenspannmutter 36 an dem Injektorgehäuse 12 befestigt.
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Die Düsennadel 34 besteht aus mehreren Abschnitten und hat einen ersten Führungsabschnitt 40 und einen zweiten Führungsabschnitt 42, durch die die Düsennadel 34 im Düsenkörper 30 sicher geführt wird. Die Düsennadel kann einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein.
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Ferner ist im Düsenkörper 30 als Teil der Ausnehmung 32 ein Hohlraum 47 ausgebildet, der eine Düsenfeder 48 aufnimmt, die sich einerseits an einem Absatz 50 des Hohlraums 47 abstützt und andererseits einen in dem Düsenkörper 30 geführten Stiftabschnitt 51 der Düsennadel auf eine Kontaktfläche der Düsennadel 34 drückt. Die Düsenfeder 48 spannt die Düsennadel 34 in eine dieser zugeordneten Schließposition vor, in der sie den Fluidfluss durch mindestens eine im Düsenkörper 30 angeordnete Einspritzdüse 70 unterbindet.
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In dem dem Injektorkörper 12 zugewandten Bereich hat die Düsennadel 34 eine Stirnseite 38. In ihrem der Einspritzdüse 70 zugewandten Bereich weist die Düsennadel 34 einen Schaftabschnitt 44 auf. Zwischen dem Schaftabschnitt 44 und dem ersten Führungsabschnitt 40 weist die Düsennadel 34 einen Düselnadelabsatz 45 auf, der mit Fluid in Kontakt steht, das in etwa den Druck hat, den das Fluid in der Hochdruckleitung 28 hat. Der Düselnadelabsatz 45 ist so ausgebildet, dass die durch den Druck des Fluids hervorgerufene Kraft öffnend auf die Düsennadel 34 wirkt. Die Position der Düsennadel 34 hängt von der Kräftebilanz der Kräfte ab, die hervorgerufen durch den Druck des Fluids auf den Düselnadelabsatz 45 und auf die Spitze der Düsennadel 34 wirken, und andererseits der Federkraft der Düsenfeder 48 und der Kraft, die durch den Druck des Fluids, das sich in dem Hohlraum 24 befindet, und die dadurch hervorgerufene Kraft über die Stirnseite 38 der Düsennadel 34 und den Düselnadelabsatz 45 der Düsennadel 34 in Schließrichtung der Düsennadel 34 eingeleitet wird.
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Die Wand des Hohlraums 47, zumindest im Bereich, in dem der Stiftabschnitt 51 geführt ist, und die äußere Wand des Stiftabschnitts 51 sowie die Wand der Ausnehmung 32 des Düsenkörpers 30, zumindest in dem Bereich, in dem die Führungsabschnitte 40, 42 geführt sind, und die Führungsabschnitte 40, 42 der Düsennadel 34 sind bezüglich ihrer Ausmaße sehr präzise gefertigt, um so sicher zu stellen, dass ein möglichst geringer Fluidleckstrom zwischen der Wandung der Ausnehmung 32 und dem äußeren Umfang des Stiftabschnitts bzw. der Führungsabschnitte 40, 42 auftritt. Ein Spalt 46 zwischen Düsenkörper 30 und dem ersten Führungsabschnitt 40 hat deshalb bevorzugt nur eine Größe von ein bis vier Mikrometer.
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In 2 ist ein Abschnitt der Düsennadel 34 in vergrößerter Darstellung gezeigt. Die Düsennadel 34 hat eine Ausnehmung 52 mit einem ersten axial ausgerichteten Ausnehmungsabschnitt 54 und einem zweiten radial ausgerichteten Ausnehmungsabschnitt 56. Die Düsennadel 34 weist einen ersten Düsennadelabschnitt 58 und einen zweiten Düsennadelabschnitt 60 auf, die miteinander verbunden sind. Der erste Düsennadelabschnitt 58 hat eine Aussparung 62, während der zweite Düsennadelabschnitt 60 einen Zapfen 64 aufweist, der genau in die Aussparung 62 des ersten Düsennadelabschnitts 58 hineinpasst. In der hier vorliegenden Ausführungsform weisen Aussparung 62 und Zapfen 64 jeweils Gewinde auf, durch die eine Gewindeverschraubung 66 zwischen dem ersten Düsennadelabschnitt 58 und dem zweiten Düsennadelabschnitt 60 ausgebildet ist. Der erste Düsennadelabschnitt 58 nimmt einen Teilabschnitt 54a des ersten Ausnehmungsabschnitts 54 und der zweite Düsennadelabschnitt 60 einen zweiten Teilabschnitt 54b des ersten Ausnehmungsabschnitts 54 und den zweiten radial ausgerichteten Ausnehmungsabschnitt 56 auf.
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Bevorzugt weist der als axiale Bohrung ausgeführte erste Ausnehmungsabschnitt 54 des ersten Führungsabschnitts 40 der Düsennadel 34 einen Durchmesser D auf, der das 0,5-fache bis 0,75-fache des Durchmessers des ersten Führungsabschnitts 40 der Düsennadel 34 beträgt. Damit wird zum einen sichergestellt, dass bei Kopplung des ersten Ausnehmungsabschnitts 54 mit dem Hochdruckkreis des Fluids tatsächlich radial nach außen wirkende Kräfte auf den ersten Führungsabschnitt 40 der Düsennadel 34 wirken können, zum anderen aber der erste Führungsabschnitt 40 der Düsennadel 34 noch eine Wandstärke d aufweist, die sowohl fertigungstechnisch gut realisierbar ist als auch eine lange Betriebsdauer der Düsenbaugruppe sicherstellt.
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Der zweiteilige Aufbau der Düsennadel 34 erlaubt es, die Ausnehmungsabschnitte 54, 56 besonders einfach herzustellen. Der erste Düsennadelabschnitt 58 wird, beispielsweise durch Bohren, mit dem ersten Teilabschnitt 54a des ersten Ausnehmungsabschnitts 54 versehen. In den zweiten Düsennadelabschnitt 60 wird, beispielsweise ebenfalls durch Bohren, der zweite Teilabschnitt 54b des ersten Ausnehmungsabschnitts 54 und der zweite radial ausgerichtete Ausnehmungsabschnitt 56 eingebracht. Anschließend werden erster und zweiter Düsennadelabschnitt 58, 60 miteinander verschraubt, um so einen Teil der Düsennadel 34 mit der einzigen Ausnehmung 52 zu bilden.
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Die beiden Düsennadelabschnitte 58, 60 können neben der hier gezeigten Verbindung durch eine Gewindeverschraubung auch durch Aufschrumpfen, Fügen, Schweißen, Hartlöten oder andere Verbindungstechniken miteinander verbunden sein.
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Im Folgenden soll nun die Funktionsweise des Einspritzventils 10 in detaillierter Form dargestellt werden:
In einer Ruhestellung liegt der Dichtkörper 25 dicht am oberen Ende des Hohlraums 24 an und unterbricht die hydraulische Kopplung zwischen dem Hohlraum 24 und dem Steuerraum 22. Der hohe Fluiddruck im Hohlraum 24 oberhalb der Düsennadel 34 wirkt unmittelbar auf die Stirnseite 38 der Düsennadel 34, wodurch diese mit ihrem Schaftabschnitt 44 gegen das Einspritzdüse 70 gedrückt wird und ein Fluidfluss durch das Einspritzdüse 70 verhindert wird.
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Wird der Hubaktuator 16 ausgehend von der Ruhestellung derart angesteuert, dass der Übertrager 20 in axialer Richtung hin zu der Düsennadel 34 verschoben wird, so löst sich der Dichtkörper 25 vom oberen Ende des Hohlraums 24. Dies hat zur Folge, dass Fluid aus dem Hohlraum 24 in den Steuerraum 22 strömen kann, wodurch es zu einem Druckabfall im Hohlraum 24 kommt. Der Hohlraum 24 ist nun also hydraulisch mit dem Steuerraum 22 gekoppelt.
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Über die Hochdruckleitung 28 liegt weiter Druck in der Ausnehmung 32 des Düsenkörpers 30 an. Dieser Druck übt eine nach oben gerichtete Kraft auf den Düsennadelabsatz 45 zwischen dem Schaftabschnitt 44 und dem ersten Führungsabschnitt 40 aus. Sinkt nun der Druck im Hohlraum 24 ab und nimmt damit die Schließkraft auf der Stirnseite 38 der Düsennadel 34 ab, so gelangt die Düsennadel 34 durch die nach oben gerichtete Kraft auf den Düsennadelabsatz 45 in eine Offenposition und Brennstoff wird über das Einspritzdüse 70 aus dem Einspritzventil 10 ausgebracht.
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Durch die Ausnehmung 52 der Düsennadel liegt bei steigendem Druck in der Hochdruckleitung 28 innerhalb des ersten Führungsabschnitts 40 der Düsennadel 34 ebenfalls ein hoher Druck an, wodurch radial nach außen Kräfte auf den ersten Führungsabschnitt 40 der Düsennadel 34 wirken. Diese radial nach außen auf den ersten Führungsabschnitt 40 der Düsennadel 34 wirkenden Kräfte führen dazu, dass eine Ausdehnung des Spalts 46 zwischen dem Führungsabschnitt 40 und dem Düsenkörper 30 nicht mehr oder zumindest in geringerem Maße auftritt wie bei Düsennadeln 34 nach dem Stand der Technik. Bei hydraulischer Kopplung der Ausnehmung 52 der Düsennadel 34 mit dem Hochdruckkreis des Fluids wirken also radial nach außen wirkende Kräfte so auf den ersten Führungsabschnitt 40 der Düsennadel 34, dass radial nach innen wirkenden Kräften, wie sie bei hydraulischer Kopplung des Spalts 46 mit dem Hochdruckkreis des Fluids auftreten, gerade entgegengewirkt wird. Damit ist sichergestellt, dass die Größe des Spalts 46 über einen weiten Druckbereich konstant bleibt, wodurch einerseits eine Verringerung des Fluidleckstroms über den Spalt 46 erreicht wird, andererseits ein Verklemmen des Führungsabschnitts 40 der Düsennadel 34 im Düsenkörper 30 verhindert wird.