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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Anspruchs 1.
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Aus
der
DE 38 08 635 C2 ist
ein Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen von Brennstoff in
den Brennraum einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine bekannt,
welches eine magnetbetätigte
Ventilnadel mit schraubenförmigen
Drallnuten zum Erzeugen einer Drallströmung des Einspritzstrahls aufweist,
wobei die Gesamtquerschnittsfläche der
Drallnuten um mindestens die Hälfte
kleiner ist als die Querschnittsfläche der Ausgangsöffnung.
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Weiterhin
wird in der
DE 31 21
572 A1 ein Brennstoffeinspritzventil vorgeschlagen, das
insbesondere für
Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen dient. Das Brennstoffeinspritzventil umfaßt ein bewegliches
Ventilteil, das mit einem in einem Düsenkörper vorgesehenen Ventilsitz
zusammenwirkt, stromabwärts
dessen eine Aufbereitungsbohrung angeordnet ist. In die Aufbereitungsbohrung ist
ein Dralleinsatz teilweise eingepreßt, der zu seinem Umfang hin
offene Drallkanäle
hat. Die Drallkanäle
verlaufen in axialer Richtung von einem zum anderen Ende des Dralleinsatzes
gegenüber
der Brennstoffeinspritzventillängsachse
geneigt und münden
tangential in die Aufbereitungsbohrung. Die Drallkanäle dienen
gleichzeitig als Zumeßkanäle, deren
drosselnde Länge
durch Verschieben des Dralleinsatzes in der Aufbereitungsbohrung änderbar
ist.
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Die
Patentschrift
DE 197
12 589 C1 betrifft ein Brennstoffeinspritzventil mit einer
axial beweglichen Ventilnadel, welche wenigstens einen Schließkörperträger und
einen kugelförmigen
Ventilschließkörper umfasst.
Der Schließkörperträger nimmt
den Ventilschließkörper in
einer unteren Ausnehmung auf, wobei ein Endbereich des Schließkörperträgers den
Ventilschließkörper in
stromabwärtiger
Richtung über
einen Äquator
des Ventilschließkörpers hinaus umgreift.
Die feste Verbindung von Ventilschließkörper und Schließkörperträger wird
mittels Bördeln
erzielt.
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Die
Druckschrift
DE 34
39 892 A1 geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung
zur Bildung eines Gasgemisches für
einen Direkteinspritzungs-Verbrennungsmotor mit einem Kolben, welcher
mit einer Ausnehmung versehen ist, die einen Verbrennungsraum bildet.
Ferner weist der Verbrennungsmotor eine Dralleinspritzdüse und Lufteinlassvorrichtung
auf, die mit einer Verwirbelungseinrichtung versehen ist, damit
die dem Verbrennungsmotor zugeführte
Einlassluft verwirbelt wird. Die Dralleinspritzdüse enthält zumindest einen tangentialen
Kanal, der dazu dient, Kraftstoff, der durch eine Kraftstoffzuführungseinrichtung
zugeführt
ist, der Verbrennungskammer zuzuleiten, und zwar derart, dass der
Kraftstoff in konischer Form in die wirbelnde Einlassluft eingespritzt
wird, so dass ein Gasgemisch entsteht.
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Nachteilig
an den aus den oben genannten Druckschriften bekannten Brennstoffeinspritzventilen ist
insbesondere der hohe Fertigungsaufwand der Dralleinsätze, der
mit einer hohen Fertigungsungenauigkeit einhergeht. Durch ungleichmäßig geformte Drallnuten
treten Inhomogenitäten
im Strahlbild und in der Folge Mängel
bei der Verbrennung, erhöhte Abgaswerte
und ein erhöhter
Brennstoffverbrauch auf.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, daß einerseits
der Drall der in den Brennraum eingespritzten Gemischwolke so aufbereitet
ist, daß er
durch entsprechend geformte Drallkanäle dem Betriebszustand des
Brennstoffeinspritzventils angepaßt werden kann und andererseits,
daß die
Herstellung der drallaufbereitenden Komponenten durch den Einsatz von
computergesteuerten Laserverfahren kostengünstig und hochflexibel erfolgen
kann.
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Weiterhin
ist von Vorteil, daß sich
die Drallkanäle
ausschließlich
auf den von der Führungsscheibe umschlossenen
Bereich beschränken,
da dadurch über
den Hub der Ventilnadel eine weitere Einflußnahme auf die drosselnde Länge der
Drallkanäle
und somit auf die Brennstoffströmung
möglich
ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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Von
Vorteil ist insbesondere die Vielfalt von möglichen Formen für die Drallkanäle, die
eine sehr gute Sprayaufbereitung unter Berücksichtigung des Betriebszustandes
und der Stöchiometrie
erlauben.
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Vorteilhaft
sind dabei vor allem Formen, die sich in Abspritzrichtung entweder
in radialer oder in axialer Richtung oder in einer Kombination von
beiden Richtungen verjüngen,
wodurch die Brennstoffströmung
durch die Drallkanäle
beschleunigt werden kann.
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Auch
asymmetrische Formen der Drallkanäle sind durch die gleichmäßigere Überlappung
der einzelnen Brennstoffstrahlen insbesondere im Teillastbetrieb
des Brennstoffeinspritzventils von Vorteil.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
axialen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils,
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus dem erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventil
in 1,
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3 einen
schematischen Schnitt entlang der Linie III-III in 2,
und
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4A-4E Ausführungsbeispiele
von mittels eines Verfahrens hergestellten Drallkanälen.
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Bevor
anhand der 2 bis 4 Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen Brennstoffeinspritzventils 1 mit
einer erfindungsgemäß hergestellten
Ventilnadel 3 näher
beschrieben werden, soll zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst anhand
von 1 das erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil 1 in
einer Gesamtdarstellung bezüglich seiner
wesentlichen Bauteile kurz erläutert
werden.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 ist in der Form eines Brennstoffeinspritzventils
für Brennstoffeinspritzanlagen
von gemischverdichtenden, fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
ausgeführt.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 eignet sich insbesondere zum
direkten Einspritzen von Brennstoff in einen nicht dargestellten
Brennraum einer Brennkraftmaschine.
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Das
Brennstoffeinspritzventil 1 umfaßt einen Düsenkörper 2, in welchem
die Ventilnadel 3 angeordnet ist. Die Ventilnadel 3 steht
mit einem Ventilschließkörper 4 in
Wirkverbindung, der mit einer auf einem Ventilsitzkörper 5 angeordneten
Ventilsitzfläche 6 zu
einem Dichtsitz zusammenwirkt. Bei dem Brennstoffeinspritzventil 1 handelt
es sich im Ausführungsbeispiel
um ein nach innen öffnendes
Brennstoffeinspritzventil 1, welches über mindestens eine Abspritzöffnung 7 verfügt. Der
Düsenkörper 2 ist durch
eine Dichtung 8 gegen den Außenpol 9 einer Magnetspule 10 abgedichtet.
Die Magnetspule 10 ist in einem Spulengehäuse 11 gekapselt
und auf einen Spulenträger 12 gewickelt,
welcher an einem Innenpol 13 der Magnetspule 10 anliegt.
Der Innenpol 13 und der Außenpol 9 sind durch
einen Spalt 26 voneinander getrennt und stützen sich
auf einem Verbindungsbauteil 29 ab. Die Magnetspule 10 wird über eine
Leitung 19 von einem über
einen elektrischen Steckkontakt 17 zuführbaren elektrischen Strom
erregt. Der Steckkontakt 17 ist von einer Kunststoffummantelung 18 umgeben,
die am Innenpol 13 angespritzt sein kann.
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Die
Ventilnadel 3 ist in einer Ventilnadelführung 14 geführt, welche
scheibenförmig
ausgeführt ist.
Zur Hubeinstellung dient eine zugepaarte Einstellscheibe 15.
An der anderen Seite der Einstellscheibe 15 befindet sich
ein Anker 20. Dieser steht über einen ersten Flansch 21 kraftschlüssig mit
der Ventilnadel 3 in Verbindung, welche durch eine Schweißnaht 22 mit
dem ersten Flansch 21 verbunden ist. Auf dem ersten Flansch 21 stützt sich
eine Rückstellfeder 23 ab,
welche in der vorliegenden Bauform des Brennstoffeinspritzventils 1 durch
eine Hülse 24 auf
Vorspannung gebracht wird.
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Ein
zweiter Flansch 31, welcher mit der Ventilnadel 3 über eine
Schweißnaht 33 verbunden
ist, dient als unterer Ankeranschlag. Ein elastischer Zwischenring 32,
welcher auf dem zweiten Flansch 31 aufliegt, vermeidet
Prellen beim Schließen
des Brennstoffeinspritzventils 1.
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Zulaufseitig
des Dichtsitzes ist eine Führungsscheibe 34 ausgebildet,
die für
eine mittige Ausrichtung der Ventilnadel 3 sorgt und somit
einem Verkanten der Ventilnadel 3 und nachfolgenden Ungenauigkeiten
in der zugemessenen Brennstoffmenge entgegenwirkt. Im Bereich der
Führungsscheibe 34 weist
die Ventilnadel 3 bzw. der im vorliegenden Ausführungsbeispiel
einstückig
mit der Ventilnadel 3 ausgebildete Ventilschließkörper 4 Drallkanäle 35 auf,
die durch das weiter unten näher
beschriebene Herstellungsverfahren an einem äußeren Umfang 36 der
Ventilnadel 3 bzw. des Ventilschließkörpers 4 angebracht
sind. Eine genauere Darstellung der Drallkanäle 35 ist den 2 bis 4 zu entnehmen.
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In
der Ventilnadelführung 14 und
im Anker 20 verlaufen Brennstoffkanäle 30a und 30b.
Der Brennstoff wird über
eine zentrale Brennstoffzufuhr 16 zugeführt und durch ein Filterelement 25 gefiltert.
Das Brennstoffeinspritzventil 1 ist durch eine Dichtung 28 gegen
eine nicht weiter dargestellte Brennstoffleitung abgedichtet.
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Im
Ruhezustand des Brennstoffeinspritzventils 1 wird der Anker 20 von
der Rückstellfeder 23 entgegen
seiner Hubrichtung so beaufschlagt, daß der Ventilschließkörper 4 am
Ventilsitz 6 in dichtender Anlage gehalten wird. Bei Erregung
der Magnetspule 10 baut diese ein Magnetfeld auf, welches
den Anker 20 entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 23 in Hubrichtung
bewegt, wobei der Hub durch einen in der Ruhestellung zwischen dem
Innenpol 13 und dem Anker 20 befindlichen Arbeitsspalt 27 vorgegeben
ist. Der Anker 20 nimmt den Flansch 21, welcher mit
der Ventilnadel 3 verschweißt ist, ebenfalls in Hubrichtung
mit. Der mit der Ventilnadel 3 in Wirkverbindung stehende
Ventilschließkörper 4 hebt
von der Ventilsitzfläche 6 ab,
und der Brennstoff wird abgespritzt.
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Wird
der Spulenstrom abgeschaltet, fällt
der Anker 20 nach genügendem
Abbau des Magnetfeldes durch den Druck der Rückstellfeder 23 vom
Innenpol 13 ab, wodurch sich der mit der Ventilnadel 3 in
Wirkverbindung stehende Flansch 21 entgegen der Hubrichtung
bewegt. Die Ventilnadel 3 wird dadurch in die gleiche Richtung
bewegt, wodurch der Ventilschließkörper 4 auf der Ventilsitzfläche 6 aufsetzt
und das Brennstoffeinspritzventil 1 geschlossen wird.
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2 zeigt
in einer auszugsweisen, schematischen axialen Schnittdarstellung
das abströmseitige
Ende des erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffeinspritzventils 1 in 1.
Bereits beschriebene Elemente sind in allen Figuren mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen.
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Wie
bereits bezüglich 1 angesprochen, weist
die Ventilnadel 3 bzw. der Ventilschließkörper 4, der im bevorzugten
Ausführungsbeispiel
einstückig mit
der Ventilnadel 3 ausgebildet ist, mehrere umfänglich angeordnete
Drallkanäle 35 auf.
Die Drallkanäle 35 erstrecken
sich dabei im wesentlichen im Bereich der Führungsscheibe 34 schräg zu einer
Längsachse 37 des
Brennstoffeinspritzventils 1 am Umfang 36 des
Ventilschließkörpers 4.
Dadurch sind die Drallkanäle 35 abgesehen
von einem Zulauf- und Ablauf-Abschnitt nach radial außen abgeschlossen.
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Die
Führungsscheibe
ist durch eine Schweißnaht 38 fest
mit dem Ventilsitzkörper 5 verbunden
und stabilisiert dadurch die Ventilnadel 3, so daß Mittenversätzen und
dadurch bedingten Fehlfunktionen des Brennstoffeinspritzventils 1 entgegengewirkt
wird.
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Durch
die spezielle Anordnung der Drallkanäle 35 kann in Verbindung
mit der Form der Drallkanäle 35 eine
beliebige Modellierung der in den Brennraum der Brennkraftmaschine
eingespritzten Gemischwolke erfolgen. Da die Drallkanäle 35 bündig mit
der Führungsscheibe 34 abschließen, ist
der Strömungsweg
des Brennstoffs durch die Drallkanäle 35 bzw. die drosselnde
Länge der
Drallkanäle 35 entlang
des Ventilschließkörpers 4 im
Bereich der Führungsscheibe 34 in geschlossenem
Zustand des Brennstoffeinspritzventils 1 maximal. Wird
das Brennstoffeinspritzventil 1 durch Betätigung der
Magnetspule 10 geöffnet,
hebt der Ventilschließkörper 4 von
der Ventilsitzfläche 6 ab.
Dadurch werden die Drallkanäle 35 relativ
zur Führungsscheibe 34 in
einer Hubrichtung der Ventilnadel 3 verschoben. Der Strömungsweg
des das Brennstoffeinspritzventil 1 durch die Drallkanäle 35 durchströmenden Brennstoffs
wird dadurch axial verschoben, wodurch es bei geeigneter Gestaltung
der Drallkanäle 35 möglich ist, Einfluß auf das
Strahlbild des abgespritzten Brennstoffs zu nehmen. Entsprechende
Formen der Drallkanäle 35 sind
in 4A bis 4E dargestellt.
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3 zeigt
in einer auszugsweisen Schnittdarstellung einen Schnitt entlang
der in 2 mit III-III bezeichneten Linie durch die Führungsscheibe 34 und
den Ventilschließkörper 4.
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Im
vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel
sind acht Drallkanäle 35 in
regelmäßigen Winkelabständen am
Umfang 36 des Ventilschließkörpers 4 vorgesehen.
Als Querschnittsform wurde stellvertretend für eine Vielzahl anderer möglicher Formen
ein asymmetrischer Querschnitt gewählt. Der Querschnitt kann jedoch
auch gleichmäßig rechteckig,
halbrund oder dreieckig sein, auch sektorförmige Abschrägungen sind
denkbar.
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Die
Anzahl der Drallkanäle 35 ist
dabei frei wählbar,
ebenso ihre Neigung relativ zur Längsachse 37 des Brennstoffeinspritzventils 1.
So ist beispielsweise auch ein einzelner Drallkanal 35 vorstellbar, der
sich spiralförmig
um den ganzen Umfang 36 des Ventilschließkörpers 4 erstreckt.
Vorzugsweise wird die Anzahl, Form und Tiefe der Drallkanäle 35 so ausgelegt,
daß keine
unerwünschten
Drosseleffekte auftreten können.
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4A bis 4E zeigen
Ausführungsbeispiele
für bevorzugte
Querschnittsformen der am Ventilschließkörper 4 ausgebildeten
Drallkanäle 35.
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Die
Drallkanäle 35 werden
dabei mittels computerunterstützter
Laserbearbeitung an der Ventilnadel 3 und/oder dem Ventilschließkörper 4 angebracht.
Der besondere Vorteil der Laserbearbeitung liegt dabei in der hohen
Flexibilität.
Sollen Brennstoffeinspritzventile 1 mit verschiedenen Drallscheiben gemäß konventioneller
Drallaufbereitung versehen werden, muß für jede neue Drallscheibenform
eine eigene Stanz- oder Spritzform hergestellt werden. Dabei bleibt
jedoch durch die festgelegte Form der Drallscheibe vor allem die
Notwendigkeit unberücksichtigt,
eine vom Betriebszustand abhängige
Drallaufbereitung mit entsprechender Einflußnahme auf das Strahlbild zu
erreichen. Die Laserbearbeitung erfordert demgegenüber zur
Erzeugung neuer Formen von Drallkanälen 35 lediglich geringfügige Änderungen
in der Steuerungssoftware des Lasers.
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Das
Verfahren der Laserbearbeitung sorgt also in Verbindung mit den
nachfolgend beschriebenen, beispielhaften Querschnittsformen für eine einfache,
genaue und produktionstechnisch günstige Herstellung der Drallkanäle 35,
die zudem noch den Vorteil der betriebszustandsabhängigen Strahlbildbeeinflussung
aufweist.
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4A zeigt
einen Drallkanal 35, welcher in Abströmrichtung einen sich verjüngenden
Querschnitt aufweist. Die Grundform ist dabei rechteckig. Ein gleicher
Effekt der Querschnittsverringerung kann beispielsweise auch durch
eine quadratische Form erzielt werden.
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Der
Vorteil dieser Form der Drallkanäle 35 liegt
in der gemäß der Kontinuitätsgleichung
erzielten Beschleunigung des Brennstoffs durch die Verringerung
des durchflossenen Querschnitts. Die Drallkanäle 35 wirken somit
wie ein Konvektor.
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4B stellt
einen Drallkanal 35 dar, der in Abströmrichtung aufgeweitet ist.
Der Vorteil dieser Form liegt insbesondere in einer Homogenisierung des
eingespritzten Strahls, da sich die einzelnen Strahlen des durch
die Drallkanäle 35 strömenden Brennstoffs überlappen
und dadurch ein geschlossener Einspritzkegel erzeugt wird.
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In 4C ist
außerhalb
der Erfindung ein gebogener Drallkanal 35 dargestellt.
Dieser weist einen konstanten Querschnitt auf, ist jedoch unter
einem frei wählbaren
Krümmungsradius
gebogen. Durch die Biegung kann die Richtung der einzelnen Brennstoffstrahlen
beliebig modelliert werden, wodurch die eingespritzte Gemischwolke
der Brennraumgeometrie angepaßt
werden kann.
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4D zeigt
einen Drallkanal 35, dessen radiale Tiefe über die
Länge des
Drallkanals 35 variabel ist und in Abströmrichtung
abnimmt. Diese Querschnittsform ähnelt
der in 4A dargestellten und wirkt ebenfalls
wie ein Konvektor.
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Die
Tiefe kann dabei auch, wie nicht weiter dargestellt, in Abströmrichtung
zunehmen, was insbesondere für
den Teillastbetrieb von Vorteil ist, da die Gemischwolke aus einem
Hohlkegel in einen zumindest teilweise gefüllten Einspritzkegel mit einem fetten
Kern, der durch die sich nach radial innen überlappenden Einzelstrahlen
erzeugt wird, übergeht.
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4E stellt
die bereits in 3 beschriebene asymmetrische
Querschnittsform dar. Bei dieser Form variiert die Tiefe der Drallkanäle 35 in
einer Umfangsrichtung der Ventilnadel 3 bzw. des Ventilschließkörpers 4.
Dabei entspricht der in 4E dargestellte
Drallkanal lediglich einem Beispiel, welches nicht vom Anspruchswortlaut
umfasst ist.
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Der
besondere Vorteil dieser Querschnittsform liegt in der Homogenisierung
der Gemischwolke, da es möglich
ist, die Brennstoffstrahlen keilig zu gestalten und damit den Überlappungsbereich
der einzelnen Strahlen stöchiometrisch
zu halten, da bei einer symmetrischen Strahlform das Gemisch im Überlappungsbereich
dazu tendiert, zu fett zu werden.
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Neben
den beschriebenen Querschnittsformen sind eine Vielzahl weiterer
Formen denkbar. Insbesondere ist es vorteilhaft, verschiedene Formen
zu kombinieren, um die Vorteile der einzelnen Querschnittsformen
zu vereinen. So ist beispielsweise eine Kombination aus den Formen
in 4A und 4C oder
der Formen aus 4A und 4D vorteilhaft.
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Die
Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt und
insbesondere bei Brennstoffeinspritzventilen 1 mit piezoelektrischen
oder magnetostriktiven Aktoren, für beliebige Formen von Drallkanälen 35 und
bei beliebigen Konstruktionsvarianten von Brennstoffeinspritzventilen 1 anwendbar.