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Die Erfindung bezieht sich auf einen Kraftstoff-Einspritzinjektor, insbesondere einen Dual-Fuel-Kraftstoff-Einspritzinjektor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In der
WO 2014/063819 A1 wird ein Kraftstoff-Einspritzinjektor für Brennkraftmaschinen beschrieben, bei dem über ein Steuerventil, welches von einem elektromagnetischen Aktor angesteuert wird, ein Steuerraum mit einem Systemdruck beaufschlagt wird. Die Übertragung von dem Steuerventil zum Steuerraum erfolgt über ein Kapillarrohr mit kleiner Querschnittsfläche, in dem nur ein verhältnismäßig kleines Steuerfluidvolumen aufgenommen ist, wodurch die Ansprechzeiten des Injektors verbessert werden sollen. Das Kapillarrohr ist mit Wandabstand in einer im Durchmesser größeren Bohrung eines Gehäusebauteils des Kraftstoff-Einspritzinjektors aufgenommen.
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Bei kleinen Querschnittsflächen von Rohrleitungen in Kraftstoff-Einspritzinjektoren müssen Reibungsverluste berücksichtigt werden, die durch die Reibung zwischen dem durch das Kapillarrohr hindurchströmenden Steuerfluid und der Rohrinnenwand entstehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen einen Kraftstoff-Einspritzinjektor mit schnellem Ansprechverhalten zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 11 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der erfindungsgemäße Kraftstoff-Einspritzinjektor kann in Kraftstoff-Einspritzsystemen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden. Der Kraftstoff-Einspritzinjektor kann gegebenenfalls als Dual-Fuel-Kraftstoff-Einspritzinjektor ausgebildet sein, der die Brennkraftmaschine sowohl mit Brenngas, beispielsweise im Zündstrahlverfahren, als auch mit Flüssigkraftstoff versorgt, insbesondere mit Diesel-Kraftstoff, Bio-Kraftstoff oder Schweröl. Der Kraftstoff-Einspritzinjektor kann aber auch ausschließlich zur Einspritzung von Flüssigkraftstoff ausgebildet sein.
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In den Kraftstoff-Einspritzinjektor sind verschiedene Leitungen zum Transport von Steuerfluid oder Kraftstoff integriert. Über derartige Leitungen wird beispielsweise ein Steuerfluid von einem Pilotventil zu einem Steuerraum übertragen, in welchem sich eine Düsennadel des Kraftstoff-Einspritzinjektors bewegt. Insbesondere bei Dual-Fuel-Kraftstoff-Einspritzinjektoren, die sowohl für den Flüssigkraftstoff als auch für den gasförmigen Kraftstoff jeweils ein Pilotventil benötigen, kann eines der Pilotventile in einem verhältnismäßig großen Abstand zur zugeordneten Düsennadel angeordnet sein, so dass auch die zugeordnete Leitung eine entsprechende Länge aufweist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftstoff-Einspritzinjektor ist mindestens eine Leitung als eine Bohrung in einem Gehäusebauteil des Injektors ausgebildet, wobei in die Bohrung ein Einsteckelement eingesetzt ist. Das Einsteckelement reduziert den freien Querschnitt in der Bohrung, der für den Fluidtransport zur Verfügung steht. Diese Ausführung ermöglicht es, in an sich bekannter Weise eine oder mehrere Bohrungen in das Gehäusebauteil einzubringen, die als Leitung genutzt werden, wobei über die Querschnittsflächenreduzierung mithilfe des in die Bohrung eingesetzten Einsteckelementes auch das in der Bohrung aufgenommene Fluidvolumen reduziert ist.
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Das Einsteckelement ist gemäß eines erfinderischen Aspekts bei dem Kraftstoff-Einspritzinjektor entlang der Längsachse der Bohrung, also in Achsrichtung der Bohrung, verschieblich angeordnet. Diese Ausführung ermöglicht es, einen Fluidtransport in Richtung der Düsennadel dadurch zu bewirken, dass das Einsteckelement in der Bohrung zur Durchführung eines Einspritzvorganges axial verschoben wird, wodurch Fluid, das sich auf der der Düsennadel zugewandten Seite der Bohrung befindet, in Richtung der Düsennadel verdrängt wird. Es ist somit für den Einspritzvorgang kein oder nur ein minimaler Strömungsfluss durch die Bohrung erforderlich. Das benötigte Fluidvolumen wird durch die axiale Vorwärtsbewegung des Einsteckelementes in der Bohrung bewirkt.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass auch im Fall von kleinen freien Strömungsquerschnitten, die für den Fluidtransport in der Bohrung zur Verfügung stehen, keine oder nur geringe Rohrreibungsverluste entstehen. Auch spielt die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids in der Bohrung keine entscheidende Rolle. Der Transport des Fluids in Richtung Düsennadel wird zur Durchführung eines Einspritzvorgangs über die axiale Relativbewegung des Einsteckelementes gegenüber der aufnehmenden Bohrung erreicht. Diese Relativbewegung des Einsteckelementes kann ruckartig erfolgen, so dass auch eine entsprechend schnelle Verdrängung von Fluid in Richtung Düsennadel erfolgt. Das Ansprechverhalten wird auf diese Weise auch im Fall von langen Bohrungen signifikant verbessert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist das Einsteckelement als ein Rohrelement ausgebildet, durch das das Fluid hindurchgeleitet wird. Das Rohrelement ist vorzugsweise hohlzylindrisch ausgebildet. Auch die Bohrung weist zweckmäßigerweise eine runde Querschnittsfläche auf. Das Rohrelement ist konzentrisch zu der Bohrung angeordnet, wobei der Außendurchmesser des Rohrelementes und der Innendurchmesser der Bohrung in der Weise aufeinander angepasst sein können, dass entweder ein kleiner Ringspalt zwischen Rohrelement und Bohrung besteht, um die axiale Verschiebung des Rohrelementes zu erleichtern, oder das Rohrelement an seiner Außenfläche auf Kontakt zur Bohrung liegt. Im letztgenannten Fall ist es jedoch zweckmäßig, nur eine geringe Reibung zwischen Rohrelement und Bohrung vorzusehen, um die gewünschte Relativbewegung des Rohrelementes gegenüber der Bohrung mit geringen Kräften durchführen zu können.
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In einer alternativen Ausführung ist das Einlageelement als ein Querschnittsflächenreduzierungselement ausgebildet, dessen Querschnittsfläche geringer ist als die Querschnittsfläche der Bohrung, so dass eine freie Strömungsquerschnittsfläche in der Bohrung für die Aufnahme des Fluids verbleibt. Das Querschnittsflächenreduzierungselement besitzt eine geringere Querschnittsfläche als die Bohrung, die Querschnittsform ist beispielsweise rechteckförmig, insbesondere quadratisch, teilkreisförmig oder auch rund, jedoch mit kleinerem Durchmesser als die Bohrung. Das Querschnittsflächenreduzierungselement bildet selbst keine Rohrleitung, sondern reduziert nur die freie Strömungsquerschnittsfläche in der Bohrung, die für den Fluidtransport zur Verfügung steht. Das Querschnittsflächenreduzierungselement kann, gemäß eines Aspektes der Erfindung, axial in der Bohrung verschoben werden.
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Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung ist das Einsteckelement dagegen fest und unbeweglich in der Bohrung aufgenommen. Auch diese Ausführung zeichnet sich aufgrund des reduzierten Volumens durch ein rasches Ansprechverhalten aus.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das axial verschiebbare Einsteckelement über mindestens ein Federelement in einer Ausgangs-Sollposition in der Bohrung gehalten. Dem Federelement kann gegebenenfalls ein Dämpferelement zugeordnet sein bzw. das Federelement kann zusätzlich eine Dämpferwirkung entfalten, um Schwingungen, die bei der axialen Bewegung des Einsteckelementes entstehen, zu dämpfen.
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Es kommen sowohl Ausführungen mit genau einem Federelement als auch Ausführungen mit mehreren Federelementen, insbesondere zwei Federelementen an gegenüberliegenden Stirnseiten des Einsteckelementes in Betracht. Bei nur einem Federelement ist es zweckmäßig, dass die axiale Ausgangs-Sollposition, in die das Einsteckelement von dem Federelement beaufschlagt ist, eine von der Düsennadel entfernte Position des Einsteckelementes in der Bohrung ist. Aus dieser von der Düsennadel entfernten Position wird das Einsteckelement durch den Druck des Steuerfluids oder Kraftstoffs, das bzw. der durch die Leitung transportiert wird, axial ausgelenkt, wodurch die gewünschte Fluidverdrängung bewirkt wird. Nimmt der Druck des Steuerfluids bzw. Kraftstoffs wieder ab, wird das Einsteckelement durch die Kraft des auf ihn wirkenden Federelementes wieder in die Ausgangs-Sollposition zurückverstellt.
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In der Ausführung mit zwei an gegenüberliegenden Stirnseiten angeordneten Federelementen wird das Einsteckelement in der Ausgangs-Sollposition in einer axialen Lage gehalten, die durch das Kräftegleichgewicht der beiden Federelemente unter Berücksichtigung des aktuellen Drucks des Steuerfluids bzw. Kraftstoffs bestimmt ist. Zweckmäßigerweise ist die Ausgangs-Sollposition auch bei zwei auf das Einsteckelement wirkenden Federelementen die von der Düsennadel entfernt liegende Lage in der Bohrung.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist das Federelement bzw. sind die Federelemente axial innerhalb der Bohrung angeordnet. Die Federelemente benötigen somit keinen zusätzlichen Bauraum.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist das Einsteckelement eine geringere axiale Länge als die Bohrung auf, in der das Einsteckelement aufgenommen ist. Die Längendifferenz zwischen Einsteckelement und Bohrung kann insbesondere so gewählt werden, dass das Einsteckelement in allen seinen Positionen während der axialen Verschiebung sich innerhalb der Bohrung befindet. Somit steht das Einsteckelement zu keinem Zeitpunkt über die axialen Stirnseiten der Bohrung über.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weist das rohrförmige Einsteckelement an mindestens einer Stirnseite radial innenliegend eine axial zurückversetzte Ringschulter auf. Die Ringschulter befindet sich insbesondere auf der der Düsennadel axial abgewandten Seite des Einsteckelementes und bildet eine mit dem Druck des Steuerfluids oder Kraftstoffs beaufschlagte Fläche. Nimmt der Druck zu, wird das Einsteckelement in Richtung der Düsennadel in der Bohrung axial verschoben.
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An der Ringschulter stützt sich vorteilhafterweise auch ein Federelement ab. Es kann zweckmäßig sein, an beiden gegenüberliegenden, axialen Stirnseiten jeweils eine radial innenliegende, axial zurückversetzte Ringschulter an dem Einsteckelement anzuordnen, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, dass sich jeweils ein Federelement an der Ringschulter abstützen kann.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung bewirkt das Einsteckelement eine Reduzierung der freien Strömungsquerschnittsfläche gegenüber der Querschnittsfläche der Bohrung von mindestens 30 %, insbesondere um mindestens 50 %. Es können gegebenenfalls mithilfe des Einsteckelementes kapillare Rohrquerschnitte in der Bohrung realisiert werden, ohne dass die Gefahr erhöhter Rohrreibungsverluste besteht.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Dual-Fuel-Kraftstoff-Einspritzinjektor, mit einem düsennahen und einem düsenfernen Pilotventil zur Steuerung der Einspritzung flüssigen und gasförmigen Kraftstoffes,
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2 einen Schnitt längs durch eine Leitung in einem Gehäusebauteil des Kraftstoff-Einspritzinjektors, mit einer Bohrung in dem Gehäusebauteil und einem in die Bohrung eingesetzten rohrförmigen Einsteckelement, das von zwei Federelementen in einer axialen Gleichgewichtslage gehalten ist, dargestellt in der Ausgangs-Sollposition,
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3 eine 2 entsprechende Darstellung, mit dem rohrförmigen Einsteckelement in einer nach unten ausgelenkten Position,
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4 einen Schnitt quer durch eine Bohrung mit einem rohrförmigen Einsteckelement,
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5 einen Schnitt quer durch eine Bohrung mit einem teilkreisförmigen Einsteckelement,
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6 einen Schnitt quer durch eine Bohrung mit einem quadratischen Einsteckelement.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Dual-Fuel-Kraftstoff-Einspritzinjektor 1 dargestellt, der für den Betrieb sowohl mit Flüssigkraftstoff, beispielsweise Dieselkraftstoff, Schweröl oder Bioöl, als auch für den Betrieb mit Brenngas, zum Beispiel Erdgas oder Biogas eingerichtet ist. Der Kraftstoff-Einspritzinjektor 1 weist an seiner Spitze ein Düsennadelsystem 2 auf, das vorteilhafterweise mehrere Düsennadeln umfasst, die in einem Gehäuse 3 des Injektors verstellbar angeordnet und zwischen einer Schließposition und einer angehobenen Öffnungsposition axial verstellbar sind, in der der flüssige bzw. gasförmige Kraftstoff unter Hochdruck austreten kann.
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Die Steuerung des Düsennadelsystems erfolgt über ein düsenfernes Pilotventil 4 und ein zweites, düsennahes Pilotventil 5, die zueinander axial – bezogen auf die Längsachse des Injektors – beabstandet im Gehäuse 3 angeordnet sind. Das düsenferne Pilotventil 4 dient beispielsweise zur Steuerung der Einspritzung gasförmigen Kraftstoffes und das düsennahe Pilotventil 5 zur Steuerung der Einspritzung flüssigen Kraftstoffes. Exemplarisch ist in 1 eine Leitung 6, beispielsweise eine Steuerleitung dargestellt, die von dem düsenfernen Pilotventil 4 ausgeht und bis zum Düsennadelsystem 2 reicht.
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Die 2 und 3 zeigen einen Schnitt längs durch die Leitung 6, die als Bohrung 7 in einem Gehäusebauteil 3a des Gehäuses 3 mit eingesetztem Einsteckteil 8 ausgebildet ist. Die Durchströmungsrichtung der Leitung 6 ist mit den Pfeilen 9 angegeben und erfolgt in der Ansicht gemäß 2 und 3 von oben nach unten.
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Das Einsteckelement 8 ist axial – bezogen auf die Längsachse der geradlinigen Bohrung 7 – verschieblich in der Bohrung 7 aufgenommen und wird von zwei Federelementen 10, 11 in einer axialen Ausgangs-Sollposition gehalten. Die Federelemente 10 und 11 befinden sich an gegenüberliegenden Stirnseiten des rohrförmigen Einsteckelementes 8 und stützen sich jeweils einenends an dem Einsteckelement 8 und anderenends an dem Gehäusebauteil 3a ab. Beide Federelemente 10, 11 befinden sich axial innerhalb der Bohrung 7. An jeder Stirnseite besitzt das Einsteckelement 8 eine radial nach innen und axial zurückgesetzte Ringschulter 12 bzw. 13, an der sich das zugeordnete Federelement 10 bzw. 11 abstützt. In der Ausgangs-Sollposition befindet sich das Einsteckelement 8, dessen axiale Länge geringer ist als die axiale Länge der Bohrung 7, an der oberen Stirnseite der Bohrung 7, so dass die gegenüberliegende Stirnseite des Einsteckelementes 8 axial auf Abstand zur unteren Stirnseite der Bohrung 7 liegt. Dies ermöglicht die in 3 dargestellte, axiale Verschiebung des Einsteckelementes 8 aus der Ausgangs-Sollposition in die axial ausgelenkte Position nach unten, in der die untere Stirnseite des Einsteckelementes 8 an oder benachbart zu der unteren Stirnseite der Bohrung 7 liegt. Die axiale Verschiebung des Einsteckelementes 8 axial nach unten ist in 3 mit dem Pfeil 14 gekennzeichnet.
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Die axiale Länge des rohrförmigen Einsteckelementes 8 ist geringer als die axiale Länge der Bohrung 7. Das Einsteckelement 8 befindet sich in jeder Position innerhalb der Bohrung 7, ohne axial über die Enden der Bohrung 7 hinauszuragen. Die axiale Verschieblichkeit des Einsteckelementes 8 in der Bohrung 7 erfolgt zumindest weitgehend reibungsfrei. Der Außendurchmesser des Einsteckelementes 8 ist entweder geringfügig kleiner oder gleich groß bzw. annähernd gleich groß wie der Innendurchmesser der Bohrung 7. Die Querschnittsformen der Bohrung 7 und des Einsteckelementes 8 sind aneinander angepasst. Vorteilhafterweise besitzt die Bohrung 7 eine runde Querschnittsfläche und das Einsteckelement 8 die Form eines Hohlzylinders. Die freie Strömungsquerschnittsfläche im Inneren des Einsteckelementes 8 wird durch die Wandung des Einsteckelementes 8 gegenüber der Querschnittsfläche der Bohrung 7 reduziert. Es kann zweckmäßig sein, die Wandung des Einsteckelementes 8 so auszubilden, dass die freie Strömungsquerschnittsfläche, die für die Durchströmung zur Verfügung steht, um mindestens 30 % oder um mindestens 50 % gegenüber der Querschnittsfläche der Bohrung 7 reduziert ist.
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Durch die axiale Verschiebung des Einsteckelementes 8 gemäß Pfeil 14 nach unten wird Fluid, das sich an der unteren Stirnseite des Einsteckelementes 8 befindet, gemäß Pfeil 9 in Richtung des Düsennadelsystems verdrängt. Das in Pfeilrichtung 9 von der unteren Stirnseite, insbesondere der Ringschulter 13 verdrängte Fluid wird verzögerungsfrei im Wesentlichen durch die Axialbewegung des Einsteckelementes 8 in Pfeilrichtung 14 in Richtung des Düsennadelsystems transportiert.
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Die axiale Verschiebung des Einsteckelementes 8 wird durch den Druck des Fluids an der oben liegenden Stirnseite, insbesondere an der oben liegenden Ringschulter 12 des Einsteckelementes 8 bewirkt. Sobald durch Schaltung des zugeordneten Pilotventils Druck in der Leitung von oben herkommend aufgebaut wird, wirkt die axiale Kraft des Fluids auf das Einsteckelement 8 und verschiebt dieses axial aus der Ausgangs-Sollposition nach unten.
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Nach Durchführung des Einspritzvorgangs kehrt das Einsteckelement 8 durch die Kraft eines oder beider Federelemente 10, 11 in seine axial oben liegende Ausgangs-Sollposition zurück. Das durch die Axialverschiebung nach unten verdrängte Fluidvolumen kann noch während der axial nach unten ausgelenkten Position des Einsteckelementes 8 und/oder während der axialen Rückkehrbewegung in die Ausgangs-Sollposition und/oder nach dem Erreichen der oben liegenden Ausgangs-Sollposition des Einsteckelementes 8 in Richtung der Pfeile 9 nachströmen. Da das Nachströmen des Fluids weniger zeitkritisch ist als der Fluidtransport beim Einspritzvorgang in Richtung Düsennadelsystem, spielen Verzögerungen und Rohrreibungsverluste während des Nachströmvorgangs eine untergeordnete Rolle.
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In den 4 bis 6 ist jeweils ein Schnitt quer zur Längsachse durch die Leitung 6 mit der Bohrung 7 und dem eingeführten Einsteckelement 8 in verschiedenen Ausführungsvarianten dargestellt. Gemäß 4 ist das Einsteckelement 8 – analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3 – rohrförmig ausgebildet und die Querschnittsform von Bohrung 7 und rohrförmigem Einsteckelement 8 aneinander angepasst. Der Außendurchmesser des Einsteckelementes 8 kann geringfügig kleiner sein als der Innendurchmesser der Bohrung 7, so dass ein das Einsteckelement 8 umgreifender Ringspalt gebildet ist, der zur Verringerung der Reibung bei der axialen Relativbewegung von Einsteckelement und Bohrung 7 beiträgt.
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In den 5 und 6 ist das Einsteckelement 8 jeweils als ein Querschnittsflächenreduzierungselement ausgebildet, dessen Querschnittsfläche geringer ist als die Querschnittsfläche der Bohrung 7. Das Einsteckelement 8 hat die Aufgabe, die freie Strömungsquerschnittsfläche in der Bohrung 7 zu reduzieren, so dass auch das Fluidvolumen in der Leitung 6 reduziert ist und Verzögerungen beim Durchfluss verringert werden, die ansonsten bei großen Leitungsvolumen vorhanden sind.
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In 5 weist das Einsteckelement 8 eine teilkreisförmige, insbesondere eine teilkreisförmige Querschnittsfläche auf. Die freie Strömungsquerschnittsfläche in der Bohrung 7 wird von dem frei bleibenden Querschnitt gebildet, durch den das Fluid hindurchströmen kann.
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In 6 besitzt das Einsteckelement 8 eine quadratische Querschnittsfläche, wobei die Außenkanten des Einsteckelementes 8 an der Innenwand der Bohrung 7 anliegen.
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In den Ausführungen gemäß den 5 und 6 kommt eine feste Verankerung des Einsteckelementes 8 in der Bohrung 7 ohne axiale Relativbewegung in Betracht. Das verbesserte Ansprechverhalten wird in diesem Fall allein durch die Reduzierung der freien Strömungsquerschnittsfläche erreicht.
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In einer alternativen Ausführung kann das Einsteckelement 8 auch in den Ausführungen gemäß den 5 und 6 mit nicht-runder Querschnittsfläche in der Bohrung 7 analog zu Ausführungen gemäß den 2 und 3 axial verschoben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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