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Die Erfindung betrifft eine Düsenbaugruppe für einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen Kraftstoffinjektor mit einer solchen Düsenbaugruppe.
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Stand der Technik
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 032 741 A1 ist ein gattungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen bekannt. Es umfasst einen Ventilkörper, in dem ein Druckraum ausgebildet ist, in dem eine Ventilnadel längsverschiebbar angeordnet ist, welche mit einer an der Ventilnadel ausgebildeten Dichtfläche mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Der Ventilsitz begrenzt den Druckraum, wobei durch das Zusammenwirken der Ventilnadel mit dem Ventilsitz ein Kraftstoffstrom zu wenigstens einer Einspritzöffnung ermöglicht oder unterbrochen wird. Der Kraftstoffstrom zu den Einspritzöffnungen fließt zwischen der Ventilnadel und der Wand des Druckraums hindurch. Um ein schnell schließendes und damit kleinstmengenfähiges Einspritzventil zu schaffen, wird die Ausbildung einer definierten Drosselstelle zwischen der Ventilnadel und der Wand des Druckraums vorgeschlagen. Durch die Drosselwirkung wird eine permanente und konstante Schließkraft auf die Ventilnadel erreicht, die ein schnelles Nadelschließen und damit eine gute Kleinstmengenfähigkeit des Kraftstoffeinspritzventils sicherstellt. Vorzugsweise ist hierzu an der Ventilnadel ein Bund ausgebildet, der an seinem äußeren Rand eine scharfe Kante aufweist, so dass zwischen der Kante des Bundes und der Wand des Druckraums eine scharfkantige Spaltdrossel ausgebildet wird. Ferner kann der Bund mit Anschliffen zur Durchleitung des Kraftstoffs versehen sein, die vorzugsweise ebenfalls eine scharfe Kante aufweisen. Über die Anzahl und Größe der Anschliffe kann der Durchfluss und damit die Drosselwirkung bzw. die auf die Ventilnadel wirkende Schließkraft bestimmt werden.
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Da der mit der Drosselwirkung einhergehende Druckverlust ungefähr proportional zum Systemdruck ist, ist der Druckverlust bei relativ kleinen Drücken, beispielsweise bei Leerlauf- oder Teillastbetrieb, gering und bei großen Drücken, beispielsweise im Volllastbetrieb bei etwa 2000 bar, entsprechend höher. Gerade im emissionsrelevanten Teillastbereich ist jedoch ein schnelles Nadelschließen erwünscht, so dass ein größerer Druckverlust und damit eine größere auf die Düsennadel wirkende Schließkraft von Vorteil wären. Im Volllastbereich dagegen sollte der Druckverlust möglichst gering sein, um einen maximalen Einspritzdruck zu gewährleisten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Düsenbaugruppe der eingangs genannten Art anzugeben, welche diesen Anforderungen Rechnung trägt.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Düsenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Kraftstoffinjektor mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorgeschlagene Düsenbaugruppe umfasst eine Düsennadel, die in einer Hochdruckbohrung eines Düsenkörpers zum Freigeben und Verschließen wenigstens einer Einspritzöffnung über wenigstens einen Führungsabschnitt hubbeweglich geführt ist, wobei die Düsennadel einen mit dem Führungsabschnitt zusammenwirkenden Abschnitt zur Ausbildung einer Spaltdrossel zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel besitzt. Erfindungsgemäß besitzt die Düsennadel wenigstens einen weiteren mit einem Führungsabschnitt zusammenwirkenden Abschnitt zur Ausbildung einer Spaltdrossel zwischen dem Düsenkörper und der Düsennadel. Ferner erfindungsgemäß ist die Ausbildung wenigstens einer Spaltdrossel vom Hub der Düsennadel abhängig. Das heißt, dass in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel bzw. ihrer jeweiligen axialen Lage in Bezug auf den oder die Führungsabschnitte der Hochdruckbohrung eine Spaltdrossel, zwei oder mehr Spaltdrosseln oder gar keine Spaltdrossel ausgebildet werden. Die Drosselfunktion kann somit im Betrieb des Injektors auf eine oder mehrere Spaltdrosseln aufgeteilt werden. Über die Anzahl der jeweils wirksamen Spaltdrosseln kann demnach die gewünschte Drosselwirkung eingestellt werden.
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Eine permanente Grunddrosselung kann beispielsweise durch eine erste hubunabhängige Spaltdrossel erzielt werden, die mit einer zweiten hubabhängigen Spaltdrossel in der Weise kombinierbar ist, dass die weitere Drosselstelle lediglich bei geringem Düsennadelhub wirksam ist und mit zunehmendem Hub der Düsennadel nachlässt. Dies hat den Vorteil, dass der mit der Drosselwirkung einhergehende Druckverlust gezielt zur Steigerung einer auf die Düsennadel wirkenden Schließkraft einsetzbar ist. Im emissionsrelevanten Teillastbereich sind demnach ein größerer Druckverlust und damit eine höhere auf die Düsennadel wirkende Schließkraft erzielbar, die ein schnelles Nadelschließen bewirkt. Im Volllastbetrieb, in welchem der Druckverlust bereits aufgrund der hohen Drücke besonders deutlich spürbar ist, kann dagegen eine Verringerung des Druckverlustes durch die reduzierte Drosselwirkung erzielt werden. Somit bleibt ein hoher Einspritzdruck im Bereich der Einspritzöffnungen erhalten.
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Ferner ist die umgekehrte Konfiguration denkbar. Das heißt, dass bei kleinen Hüben eine geringe Drosselung bewirkt und erst ab einem gewissen Mindesthub der Düsennadel die volle Drosselwirkung erreicht wird. Diese Konfiguration erweist sich insbesondere beim Schließen der Düsennadel als vorteilhaft. Denn mit Annäherung an ihren Sitz nimmt die anfänglich hohe Beschleunigung der Düsennadel ab, so dass die Düsennadel mit verminderter Geschwindigkeit in den Sitz schlägt. Im Zuge der generellen Erhöhung des Systemdrucks auf deutlich über 2000 bar kann eine derart eingestellte Drosselwirkung einen Beitrag zur Reduzierung der Belastung der Düsennadelkuppe leisten.
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Darüber hinaus sind Konfigurationen mit mehreren hubabhängigen Spaltdrosseln realisierbar, die erst ab einem bestimmten Mindesthub der Düsennadel beginnen zu drosseln oder ab einem bestimmten Mindesthub bereits wieder entdrosseln. Das Entdrosseln kann dadurch bewirkt werden, dass ein mit einem Führungsabschnitt der Hochdruckbohrung als Spaltdrossel zusammenwirkender Abschnitt der Düsennadel während einer Hubbewegung der Düsennadel den Führungsabschnitt verlässt. Umgekehrt erfolgt die Ausbildung einer Spaltdrossel, wenn der Düsennadelabschnitt in einen Führungsabschnitt der Hochdruckbohrung eintaucht.
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Bevorzugt sind die an der Düsennadel ausgebildeten Abschnitte zur Ausbildung der Spaltdrosseln in axialem Abstand zueinander angeordnet. Zwischen den Abschnitten kann die Düsennadel Abflachungen in Form von Anschliffen aufweisen, um Strömungskanäle für den Kraftstoff auszubilden. Alternativ oder ergänzend kann die Düsennadel zwischen zwei spaltbildenden Abschnitten auch einen verringerten Außendurchmesser besitzen.
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Die an der Düsennadel zur Ausbildung von Spaltdrosseln vorgesehenen Abschnitte können mit einem oder mehreren Führungsabschnitten der Hochdruckbohrung zusammenwirken. Sofern mehrere Führungsabschnitte innerhalb der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers vorgesehen sind, sind diese bevorzugt in axialem Abstand zueinander angeordnet. Das heißt, das bevorzugt ein Führungsabschnitt sitznah und ein weiterer Führungsabschnitt sitzfern angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine gute Führung der Düsennadel gewährleistet werden.
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Weiterhin bevorzugt ist die axiale Lage der an der Düsennadel ausgebildeten Abschnitte zur Ausbildung der Spaltdrosseln auf die axiale Lage der Führungsabschnitte abgestimmt ist, so dass während eines Düsennadelhubes die Ausbildung der Spaltdrosseln in einem zeitlichen Abstand nacheinander oder über einen begrenzten Zeitraum gleichzeitig erfolgt. Beispielsweise kann die Abstimmung in der Weise erfolgen, dass ab einem Mindesthub der Düsennadel eine erste hubabhängige Spaltdrossel entdrosselt und mit fortschreitendem Hub eine zweite hubabhängige Spaltdrossel erst beginnt zu drosseln. Dies hat den Vorteil, dass beide Spaltdrosseln unabhängig voneinander wirken. Das heißt, es gibt einen Überlappungsbereich, während dessen beide Spaltdrosseln gleichzeitig entdrosseln. Es kann aber auch ein Überlappungsbereich vorgesehen sein, während dessen beide Spaltdrosseln gleichzeitig drosseln. Dabei entstehen Hubbereiche mit verminderter oder erhöhter Drosselung, die für den jeweiligen Lastpunkt, zum Beispiel Teillast, von Vorteil sein können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Düsennadel in wenigstens einem Abschnitt einen vergrößerten Außendurchmesser auf. Der vergrößerte Außendurchmesser der Düsennadel wirkt mit einem Führungsabschnitt der Hochdruckbohrung spaltbildend zusammen. Beispielsweise kann der Spalt zwischen Düsennadel und Führungsabschnitt als über den Umfang gleich bleibender Ringspalt ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Düsennadel bevorzugt zumindest über einen Teilumfangsbereich scharfkantig ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schließt sich an wenigstens einen Führungsabschnitt der Hochdruckbohrung des Düsenkörpers ein Bereich mit vergrößertem Innendurchmesser an. Der Führungsabschnitt wird demnach bevorzugt von einer Ringkante begrenzt. Bereits fertigungsbedingt ist die Ringkante nicht schaftkantig ausgeführt. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die Ringkante gerundet ist. Überfährt der mit dem Führungsabschnitt spaltbildend zusammenwirkende Abschnitt der Düsennadel diese Ringkante und taucht in den Bereich der Hochdruckbohrung mit vergrößertem Innendurchmesser ein, wird eine Entdrosselung bewirkt. Das Überfahren der Ringkante in umgekehrter Richtung bewirkt dementsprechend die erneute Ausbildung der Spaltdrossel. Der Übergang zwischen den verschiedenen Innendurchmessern der Hochdruckbohrung kann weiterhin konusförmig ausgebildet sein, so dass die Durchmesservergrößerung bzw. -verkleinerung allmählich erfolgt. In gleicher Weise verändert sich dann die Drosselwirkung.
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Weiterhin bevorzugt schließt sich an wenigstens einen mit einem Führungsabschnitt zusammenwirkenden Abschnitt der Düsennadel ein Bereich an, der eine oder mehrere über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Abflachungen und/oder Nuten besitzt. Die Abflachungen können beispielsweise in Form von Anschliffen ausgebildet sein. Die Stärke des Anschliffs bzw. die Tiefe der Nuten bestimmt die Drosselwirkung. Diese kann daher über die Größe und Form der Abflachungen bzw. Nuten für jede Spaltdrossel individuell eingestellt werden.
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Der ferner vorgeschlagene Kraftstoffinjektor zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer Brennkraftmaschine umfasst eine erfindungsgemäße Düsenbaugruppe sowie eine Aktorbaugruppe zur Betätigung der Düsennadel. Die Aktorbaugruppe kann einen Magnetaktor oder einen Piezoaktor aufweisen. Demzufolge ist die erfindungsgemäße Düsenbaugruppe in einer Vielzahl von Kraftstoffinjektoren einsetzbar. Sie hilft den Injektor im Hinblick auf Emissionen und Volllastleistung zu verbessern. Die Aufteilung der Drosselwirkung auf mehrere Drosselstellen sowie deren Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel kann frei auf die Bedürfnisse des Injektors abgestimmt werden.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
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1a, b jeweils einen Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Düsenbaugruppe,
- a) im geschlossen Zustand und
- b) im geöffneten Zustand,
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2a, b jeweils ein Diagramm zur Darstellung des Druckverlustes über den Raildruck,
- a) bei zwei nacheinander einsetzenden hubabhängigen Spaltdrosseln und
- b) bei zwei teilweise zeitgleich wirksamen hubabhängigen Spaltdrosseln,
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3a, b jeweils einen Längsschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Düsenbaugruppe,
- a) im geschlossen Zustand und
- b) im geöffneten Zustand,
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4a, b jeweils einen Längsschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße.
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Düsenbaugruppe,
- a) im geschlossen Zustand und
- b) im geöffneten Zustand,
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5a, b jeweils einen Längsschnitt durch eine vierte erfindungsgemäße Düsenbaugruppe,
- a) im geschlossen Zustand und
- b) im geöffneten Zustand und
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6a, b jeweils einen Längsschnitt durch eine fünfte erfindungsgemäße Düsenbaugruppe,
- a) im geschlossen Zustand und
- b) im geöffneten Zustand.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in den 1a und b dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe umfasst eine Düsennadel 1, welche in einer Hochdruckbohrung 2 eines Düsenkörpers 3 hubbeweglich geführt ist. Über die Hubbewegung der Düsennadel 1 ist wenigstens eine Einspritzöffnung 4 freigebbar oder verschließbar. Über die Hochdruckbohrung 2 wird der Kraftstoff der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 zugeführt. Dementsprechend ist zwischen der Düsennadel 1 und dem Düsenkörper 3 ein Ringspalt 17 als Strömungskanal ausgebildet. Der Ringspalt 17 wird jedoch über zwei an der Düsennadel 1 ausgebildete Abschnitte 7, 9, welche einen vergrößerten Außendurchmesser aufweisen und der Führung der Düsennadel 1 dienen, verengt. Die Abschnitte 7, 9 der Düsennadel 1 wirken dabei mit Führungsabschnitten 5, 6 der Hochdruckbohrung 2 in der Weise zusammen, dass ein enger Ringspalt ausgebildet wird. Um weiterhin eine Kraftstoffströmung in Richtung der wenigstens einen Einspritzöffnung 4 zu ermöglichen, sind die Abschnitte 7, 9 der Düsennadel 1 mit Abflachungen 16 in Form von Anschliffen versehen. An die Abschnitte 7, 9 schließen sich beidseits Bereiche 15 mit weiteren Abflachungen 16 an. Somit werden Strömungskanäle für den Kraftstoff ausgebildet. Im Bereich der Abschnitte 7, 9 sind die Abflachungen jedoch derart gestaltet, dass in Abhängigkeit vom Hub der Düsennadel 1 Spaltdrosseln 8, 10 ausgebildet werden. Die Abschnitte 7, 9 der Düsennadel 1 sind axial beabstandet zueinander angeordnet. Gleiches gilt für die Führungsabschnitte 5, 6 der Hochdruckbohrung 2, wobei die axiale Lage der Abschnitte 7, 9 der Düsennadel 1 derart auf die jeweilige axiale Lage der Führungsabschnitte 5, 6 abgestimmt ist, dass abhängig vom Hub der Düsennadel 1 der Abschnitt 9 der Düsennadel 1 auf gleicher Höhe mit dem Führungsabschnitt 6 (1a) oder außerhalb dessen (1b) liegt. Die über den Abschnitt 9 ausgebildete Spaltdrossel 10 ist somit hubabhängig. Das heißt, dass der Abschnitt 9 der Düsennadel 1 mit zunehmendem Hub aus der sitznahen Führung fährt und entdrosselt. Der Abschnitt 7 dagegen bleibt – unabhängig vom Hub der Düsennadel 1 – immer innerhalb des Führungsabschnitts 5 liegen. Die Spaltdrossel 8 ist somit hubunabhängig. In Kombination ermöglichen die beiden Spaltdrosseln 8, 10 der Ausführungsform der 1a, b eine mit zunehmendem Hub der Düsennadel 1 abnehmende Drosselwirkung. Dadurch ist während einer zweiten Phase des Öffnungshubes der Düsennadel 1 ein verminderter Druckverlust und demzufolge ein maximaler Einspritzdruck vor den Einspritzöffnungen sichergestellt. Im Teillastbereich dagegen erfolgt eine Drosselung des Kraftstoffstroms über beide Spaltdrosseln 8, 10, wobei der hohe Druckverlust eine Schließkraft auf die Düsennadel 1 bewirkt, die ein schnelles Schließen gewährleistet.
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Die Ausführungsform der 1 ist in der Weise abwandelbar, dass der Abschnitt 7 der Düsennadel 1 alternativ oder ergänzend zum Abschnitt 9 ab einem Mindesthub der Düsennadel 1 aus dem Führungsabschnitt 5 läuft. Dabei überfährt der Abschnitt 7 eine den Führungsabschnitt 5 begrenzende Ringkante 14 und taucht in einen Bereich 13 der Hochdruckbohrung 2 ein, der einen vergrößerten Innendurchmesser besitzt. Die Spaltdrossel 8 entdrosselt. Die Drosselwirkung kann dabei vollständig aufgehoben oder allmählich gemindert werden, wenn sich beispielsweise der Innendurchmesser der Hochdruckbohrung 2 nur allmählich und/oder geringfügig erweitert, so dass eine verminderte Drosselwirkung erhalten bleibt.
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Weitere Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Düsenbaugruppe sind in den 3a, b bis 6a, b dargestellt. Den Ausführungsbeispielen ist gemein, dass jeweils maximal zwei Spaltdrosseln 8, 10 ausgebildet werden. Gleichwohl nicht dargestellt, sind jedoch auch Ausführungen mit mehr als zwei Spaltdrosseln 8, 10 denkbar.
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Bei den Ausführungsbeispielen der 3a, b und 4a, b wirken jeweils zwei Abschnitte 7, 9 der Düsennadel 1 mit einem sitzfernen Führungsabschnitt 5 der Hochdruckbohrung 2 des Düsenkörpers 3 zusammen. Während bei dem Beispiels der 3a, b der Abschnitt 7 der Ausbildung einer hubunabhängigen Spaltdrossel 8 und der Abschnitt 9 der Ausbildung einer hubabhängigen Spaltdrossel 10 dient, verhält es sich bei dem Beispiel der 4a, b genau umgekehrt. Somit kann eine verminderte Drosselwirkung und dementsprechend eine Reduzierung der Geschwindigkeit der Düsennadel 1 beim Schließen entsprechend dem Beispiel der 3a, b oder ein schnelles Nadelschließen entsprechend dem Beispiel der 4a, b bewirkt werden. Zugleich wird durch die Entdrosselung der Spaltdrossel 8 beim vollständigen Öffnen der Düsennadel 1 ein verminderter Druckverlust, das heißt ein höherer Einspritzdruck sichergestellt (siehe 4b).
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Die Ausführungsbeispiele der 5a, b und 6a, b weisen jeweils eine Hochdruckbohrung 2 mit einem sitzfernen Führungsabschnitt 5 und einem sitznahen Führungsabschnitt 6 auf. Jeder Führungsabschnitt 5, 6 wirkt mit einem Abschnitt 7, 9 der Düsennadel 1 zusammen. Während bei dem Beispiel der 5a, b der Abschnitt 7 gemeinsam mit dem Führungsabschnitt 5 die Ausbildung einer hubabhängigen Spaltdrossel 8 und der Abschnitt 9 gemeinsam mit dem Führungsabschnitt 6 die Ausbildung einer hubunabhängigen Spaltdrossel 10 bewirken, verhält es sich bei dem Beispiel der 6a, b wiederum umgekehrt. Das in den 6a, b dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht daher im Wesentlichen der in den 1a, b dargestellten Ausführungsform. Allen Ausführungsbeispielen gemein ist, dass der zur Ausbildung der hubabhängigen Spaltdrossel vorgesehene Abschnitt der Düsennadel 1 ab einem bestimmten Nadelhub aus der Führung läuft und nur noch gering bis gar nicht drosselt oder hinein fährt und seinen Betrag zur Gesamtdrosselung leistet.
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Nicht dargestellt, jedoch ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Ausführungsbeispiele mit zwei oder mehr hubabhängigen Spaltdrosseln. Eine hubunabhängige Spaltdrossel kann dann entfallen. In Ermangelung einer hubunabhängigen Drossel erfolgt keine permanente Grunddrosselung entsprechend den Ausführungsbeispielen der 3a, b bis 6a, b, sondern mehrere zeitlich versetzte Drosselungen, welche einen unterschiedlich hohen Druckverlust bewirken. Der Zusammenhang ist in den 2a, b dargestellt. Diese mehreren Drosselungen können in einem zeitlichen Abstand 11 nacheinander folgen (siehe 2a) oder über einen Zeitraum 12 gleichzeitig wirken (siehe 2b). Letzteres bewirkt im Zeitraum 12 eine erhöhte Drosselung, die dann jedoch wieder abnimmt, wenn die zweite hubabhängige Spaltdrossel entdrosselt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007032741 A1 [0002]
