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Die Erfindung befasst sich mit einer Einspritzvorrichtung für ein Raketentriebwerk.
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Eine herkömmliche Einspritzvorrichtung für ein Raketentriebwerk umfasst einen Einspritzkopf, welcher eine Brennkammer des Triebwerks stromaufwärts begrenzt und eine Einspritzplatte aufweist, in welcher eine Mehrzahl Einspritzelemente angeordnet sind. Eine herkömmliche Bauform für die Einspritzelemente ist eine Koaxial-Bauform, bei welcher eine erste Treibstoffkomponente (z. B. ein Oxidator) durch eine zentrale (innere) Auslassöffnung aus dem betreffenden Einspritzelement in die Brennkammer ausgestoßen wird. Eine zweite Treibstoffkomponente (z. B. ein Brennstoff) wird durch eine äußere Auslassöffnung ausgestoßen, die sich ringförmig um die zentrale Auslassöffnung erstreckt und koaxial zu dieser angeordnet ist. Mit einer derartigen Koaxial-Bauform kann die erste Treibstoffkomponente in Form eines Zentralstrahls und die zweite Treibstoffkomponente z. B. in Form eines den Zentralstrahl umgebenden Ringstrahls in die Brennkammer eingespritzt werden. Zum Stand der Technik hinsichtlich derartiger Einspritzelemente in Koaxial-Bauweise kann beispielsweise auf die
EP 1 780 395 A1 und die
US 6,244,041 B1 verwiesen werden.
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Je nach Bauform des Triebwerks und je nach verwendeter Treibstoffkombination können in der Brennkammer mehr oder weniger starke spontane Verbrennungsinstabilitäten auftreten. Zur Reduzierung oder Unterdrückung der damit einhergehenden Schwingungen ist es im Stand der Technik bekannt, einerseits akustische Absorber und andererseits Leitbleche vorzusehen, welche von dem Einspritzkopf in die Brennkammer ragen und darauf abzielen, die Brennkammer in kleinere geometrische Einheiten zu unterteilen, um so andere Eigenfrequenzen zu erzeugen. Hinsichtlich der Verwendung akustischer Absorber kann beispielsweise auf die
DE 10 2004 018 725 B4 verwiesen werden; hinsichtlich der Anbringung von Leitblechen (”baffle” in der englischen Fachsprache) kann beispielsweise auf die
US 2005/0097883 A1 , die
US 3,200,589 und die
US 3,342,668 verwiesen werden.
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Bei derartigen Leitblechen ergibt sich die Notwendigkeit einer zuverlässigen Kühlung der in die Brennkammer hineinschauenden Leitblechteile, die zum Teil sehr hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Hierzu ist es bekannt, aktiv gekühlte Leitbleche zu verwenden. Statt mit Leitblechen kann den erwähnten Verbrennungsschwingungen auch dadurch entgegengewirkt werden, dass einzelne der Einspritzelemente so an dem Einspritzkopf montiert werden, dass sie in die Brennkammer hineinragen, siehe
US 6,244,041 B1 . Hierbei ist darauf zu achten, dass die betreffenden Einspritzelemente möglichst lückenlos angeordnet sind, um die gewünschte räumliche Unterteilung des Verbrennungsraums zu schaffen.
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Die Erfindung stellt vor dem Hintergrund dieses Stands der Technik eine Einspritzvorrichtung für ein Raketentriebwerk bereit, umfassend eine Einspritzplatte, welche eine Brennkammer stromaufwärts begrenzt, und eine Mehrzahl in der Einspritzplatte verteilt angeordneter Koaxial-Einspritzelemente, deren jedes eine von einem zentralen Hülsenkörper begrenzte innere Auslassöffnung für eine erste Treibstoffkomponente sowie eine äußere Auslassöffnung für eine zweite Treibstoffkomponente bildet, wobei die äußere Auslassöffnung zwischen dem zentralen Hülsenkörper und einem den zentralen Hülsenkörper ringartig umschließenden Wandstück gebildet ist. Erfindungsgemäß überragt zumindest bei einer Teilanzahl der Einspritzelemente der zentrale Hülsenkörper das Wandstück in Richtung zur Brennkammer. Durch den axialen (bezogen auf eine Hülsenachse des zentralen Hülsenkörpers) Überstand des zentralen Hülsenkörpers über die äußere Auslassöffnung kann eine axiale Staffelung der Flammenfront in der Brennkammer erreicht werden. Zugleich kann der aus der äußeren Auslassöffnung austretende Strom der zweiten Treibstoffkomponente einen Kühleffekt auf den überstehenden Teil des zentralen Hülsenkörpers ausüben. Dies ist insbesondere dann nützlich, wenn die Einspritzplatte auf ihrer brennkammerzugewandten Seite zumindest im Bereich der Einspritzelemente eben ausgebildet ist und zumindest bei einer Teilanzahl der Einspritzelemente der zentrale Hülsenkörper über die Einspritzplatte auf deren brennkammerzugewandter Plattenseite übersteht. Ein derartiger Überstand des zentralen Hülsenkörpers über die Einspritzplatte kann eine Heterogenität der Flammenfront und damit zu einer Reduzierung gefährlicher Verbrennungsschwingungen führen.
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Bei bestimmten Ausführungsformen ist bei zumindest einer Teilanzahl der Einspritzelemente mit über die Einspritzplatte überstehendem zentralen Hülsenkörper das Wandstück jeweils überstandsfrei zu der brennkammerzugewandten Plattenseite der Einspritzplatte. Mit anderen Worten ist bei diesen Ausführungsformen die äußere Auslassöffnung nicht gegenüber der brennkammerzugewandten Oberfläche der Einspritzplatte in die Brennkammer hinein versetzt.
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Bei bestimmten Ausführungsformen ist bei einer verbleibenden Teilanzahl der Einspritzelemente der zentrale Hülsenkörper überstandsfrei zu der brennkammerzugewandten Plattenseite der Einspritzplatte. Insbesondere ist die überwiegende Anzahl der Einspritzelemente in dieser Weise überstandsfrei gegenüber der Einspritzplatte. Diejenigen Einspritzelemente, deren zentraler Hülsenkörper gegenüber der Einspritzplatte übersteht, können bei Betrachtung in einer Draufsicht auf die Einspritzplatte beispielsweise auf mindestens einen Kreis oder/und mindestens eine Radialspeiche (radial bezogen auf ein Plattenzentrum der Einspritzplatte) verteilt sein. Mit einem solchen Anordnungsbild der überstehenden Einspritzelemente (d. h. derjenigen Einspritzelemente, deren zentraler Hülsenkörper über die Einspritzplatte übersteht) ist es möglich, die Funktion herkömmlicher Leitbleche nachzubilden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es stellen dar:
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1a und 1b Schnittansichten eines Einspritzelements mit verlängerter Zentralhülse gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei 1a einen Schnitt längs der Linie I-I der 1b zeigt und 1b einen Schnitt längs der Linie II-II der 1a zeigt,
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2 eine der Schnittansicht der 1a entsprechende Schnittansicht eines Einspritzelements mit verlängerter Zentralhülse gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
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3 und 4 zwei Ausführungsbeispiele eines Einspritzelements ohne verlängerte Zentralhülse, und
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5a bis 5d verschiedene beispielhafte Verteilungsmuster von Einspritzelementen mit verlängerter Zentralhülse und Einspritzelementen ohne verlängerte Zentralhülse in einer Einspritzplatte eines Einspritzkopfs eines Raketentriebwerks.
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Es wird zunächst auf die 1a und 1b verwiesen. Das dort dargestellte Einspritzelement, bezeichnet mit 10, ist Teil eines der Einspritzung von Treibstoff in eine Brennkammer 12 eines Raketentriebwerks dienenden Einspritzkopfs. Das Einspritzelement 10 sitzt in einer die Brennkammer 12 stromaufwärts begrenzenden Einspritzplatte 14, die mit einer Vielzahl (beispielsweise mehreren Hundert) von Treibstoff-Einspritzelementen bestückt ist. Die Einspritzplatte 14 ist im gezeigten Beispielfall als ebene Platte ausgeführt; die brennkammerzugewandte Plattenseite der Einspritzplatte 14 ist mit 16 bezeichnet.
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Das Einspritzelement 10 dient zur Einspritzung zweier verschiedener Treibstoffkomponenten in die Brennkammer 12. Hierzu weist das Einspritzelement 10 eine zentrale (innere) Auslassöffnung 18 auf, durch welche eine erste Treibstoffkomponente, z. B. ein Oxidator, in die Brennkammer 12 eingespritzt wird. Die zweite Treibstoffkomponente, z. B. ein Brennstoff, wird durch eine äußere Auslassöffnung 20 in die Brennkammer 12 eingespritzt. Die äußere Auslassöffnung 20 ist als Ringöffnung ausgebildet, welche bei einer Draufsicht auf die Einspritzplatte 14 von der Brennkammer 12 her die zentrale Auslassöffnung 18 ringartig umschließt. Man spricht von einer koaxialen Bauform des Einspritzelements 10.
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Von der Brennkammer 12 aus gesehen befindet sich im Abstand hinter der Einspritzplatte 14 eine Trennwand 22, welche einen ersten Zufuhrraum 24 von einem zweiten Zufuhrraum 26 abtrennt. Aus einem nicht näher dargestellten Treibstoffversorgungssystem gelangt die erste Treibstoffkomponente in den ersten Zufuhrraum 24 und tritt dort über eine zentrale Zulauföffnung 28 in das Einspritzelement 10 ein. Die zweite Treibstoffkomponente hingegen wird von dem Treibstoffversorgungssystem in den zweiten Zufuhrraum 26 geleitet, wo sie über mehrere am Umfang des Einspritzelements 10 verteilt angeordnete Zulaufbohrungen 30 in das Einspritzelement 10 eintritt. Die zentrale Zulauföffnung steht in Strömungsverbindung mit der zentralen Auslassöffnung 18, die Zulaufbohrungen 30 stehen in Strömungsverbindung mit der äußeren Auslassöffnung 20.
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Das Einspritzelement 10 umfasst einen zentralen Hülsenkörper 32, welcher eine Hülsenachse 34 definiert und einen axialen Hülsenabschnitt 36 größeren Innendurchmessers sowie axial hieran anschließend einen axialen Hülsenabschnitt 38 kleineren Innendurchmessers aufweist. Ferner umfasst das Einspritzelement 10 eine Koaxialhülse 40, welche den Hülsenabschnitt 38 kleineren Innendurchmessers des zentralen Hülsenkörpers 32 in radialem Abstand umschließt und fest mit dem zentralen Hülsenkörper 36 verbunden ist, typischerweise durch Verschweißen. Zwischen der Koaxialhülse 40 und dem Hülsenabschnitt 38 kleineren Innendurchmessers ist ein Ringraum 42 gebildet. Die Zulaufbohrungen 30 sind in der Koaxialhülse 40 gebildet und münden in den Ringraum 42. Die Koaxialhülse 40 bildet ein Ring-Wandstück, welches die äußere Auslassöffnung 20 radial außen begrenzt.
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Ein ringscheibenförmiger Schlitzkörper 44, welcher eine Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilt angeordneter Radialschlitze 46 aufweist, ist in den Ringraum 42 eingesetzt. Die durch die Zulaufbohrungen 30 in den Ringraum 42 einströmende zweite Treibstoffkomponente wird durch die Radialschlitze 46 in eine Mehrzahl streifenartiger Teilströme aufgeteilt, die an der äußeren Auslassöffnung 20 in die Brennkammer 12 austreten.
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Die erste Treibstoffkomponente gelangt von der am stromaufwärtigen Hülsenende des zentralen Hülsenkörpers 32 gebildeten Zulauföffnung 28 durch den Hülseninnenraum zu der am stromabwärtigen Hülsenende gebildeten zentralen Auslassöffnung 18. In den Hülsenabschnitt 36 größeren Innendurchmessers des zentralen Hülsenkörpers 32 ist ein Drallkörper 48 eingesetzt, welcher eine Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilt angeordneter Verwirbelungsnuten 50 aufweist, die jeweils von einer axialen Endfläche des Drallkörpers 48 bis zur gegenüberliegenden axialen Endfläche des Drallkörpers 48 durchgehen und auf ihrem Weg von der einen axialen Endfläche zur anderen axialen Endfläche des Drallkörpers 48 einen Winkelversatz in Umfangsrichtung erfahren. Die durch die Zulauföffnung 28 in den zentralen Hülsenkörper 32 einströmende erste Treibstoffkomponente muss durch die Verwirbelungsnuten 50 strömen, um in den Bereich des Hülsenabschnitts 38 kleineren Innendurchmessers und von dort zur inneren Auslassöffnung 18 zu gelangen. Aufgrund des Verlaufs der Verwirbelungsnuten 50 mit einer Komponente in Umfangsrichtung erfährt die erste Treibstoffkomponente bei Durchfluss durch den Drallkörper 48 eine Verwirbelung.
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In 1a ist zu erkennen, dass der Hülsenabschnitt 38 kleineren Innendurchmessers axial über die brennkammerzugewandte Plattenseite 16 der Einspritzplatte 14 um ein mit I bezeichnetes Maß vorsteht. Die Koaxialhülse 40 hingegen schließt im Bereich ihrer brennkammerzugewandten axialen Stirnfläche bündig mit der brennkammerzugewandten Plattenseite 16 der Einspritzplatte 14 ab. Dementsprechend ist die zentrale Auslassöffnung 18 in Richtung zur Brennkammer 12 axial gegenüber der äußeren Auslassöffnung 20 versetzt.
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In den weiteren Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in den Figuren 1a, 1b, jedoch ergänzt um einen Kleinbuchstaben. Soweit sich nachstehend nichts anderes ergibt, wird zur Erläuterung der betreffenden Komponenten auf die vorstehenden Ausführungen zu den 1a, 1b verwiesen.
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Bei dem Einspritzelement 10a gemäß 2 erfolgt die Verwirbelung der in den zentralen Hülsenkörper 32a eingeleiteten und darin bis zur inneren Auslassöffnung 18a transportierten ersten Treibstoffkomponente nicht durch einen gesonderten Drallkörper, sondern durch tangentiale Einspritzung der ersten Treibstoffkomponente in den Innenraum des zentralen Hülsenkörpers 32a. Hierzu ist der Hülsenabschnitt 36a größeren Innendurchmessers im Bereich des stromaufwärtigen Hülsenendes mit einer Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilt angeordneter Tangentialbohrungen 52a ausgeführt, durch welche die erste Treibstoffkomponente aus dem Zufuhrraum 24a in den zentralen Hülsenkörper 32a eingeleitet wird.
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Ein weiterer Unterschied des Einspritzelements 10a gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1a, 1b besteht in der Verwirbelung auch der zweiten Treibstoffkomponente. Hierzu sind in der Koaxialhülse 40a in Umfangsrichtung verteilt mehrere Tangentialbohrungen 54a vorgesehen, durch welche die zweite Treibstoffkomponente aus dem Zufuhrraum 26a mit tangentialer Strömungskomponente in den Ringraum 42a eingeleitet wird. Eine Aufspaltung des Stroms der zweiten Treibstoffkomponente in mehrere Teilströme mittels eines geschlitzten Drallkörpers (wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 1a, 1b) ist bei dem Einspritzelement 10a nicht vorgesehen. Stattdessen wird die zweite Treibstoffkomponente als in sich verwirbelter Ringstrahl aus der äußeren Auslassöffnung 20a ausgestoßen.
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Für die Größe des Überstandsmaßes I des zentralen Hülsenkörpers 32a gegenüber der Einspritzplatte 14a gelten dieselben Angaben wie zuvor im Zusammenhang mit dem Einspritzelement 10 der 1a, 1b.
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3 zeigt ein Einspritzelement 10b derselben Bauart wie das Einspritzelement 10 der 1a, 1b mit dem Unterschied, dass der zentrale Hülsenkörper 32b keinen axialen Überstand gegenüber der Einspritzplatte 14b aufweist. Stattdessen schließt die brennkammerzugewandte axiale Stirnseite des zentralen Hülsenkörpers 32b im gezeigten Beispielfall bündig mit der brennkammerzugewandten Plattenseite 16b der Einspritzplatte 14b ab. Die innere Auslassöffnung 18b und die äußere Auslassöffnung 20b haben dementsprechend gleiche Axialposition. Es ist freilich nicht ausgeschlossen, den zentralen Hülsenkörper 32b axial gegenüber der brennkammerzugewandten Plattenseite 16b der Einspritzplatte 14b zurückzuversetzen, sodass die innere Auslassöffnung 18b in diesem Fall axial gegenüber der äußeren Auslassöffnung 20b von der Brennkammer 12b weg zurückversetzt wäre.
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Das Einspritzelement 10c gemäß 4 entspricht hinsichtlich seiner Bauweise dem Einspritzelement 10a der 2; allerdings ist – wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 – der zentrale Hülsenkörper 32c ohne axialen Überstand gegenüber der brennkammerzugewandten Plattenseite 16c der Einspritzplatte 14c. Die brennkammerzugewandte axiale Stirnseite des zentralen Hülsenkörpers 32c kann demnach entweder bündig zur brennkammerzugewandten Plattenseite 16c der Einspritzplatte 14c liegen oder gegenüber dieser einen axialen Versatz in Richtung von der Brennkammer 12c weg aufweisen.
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Hinzuzufügen ist, dass der zentrale Hülsenkörper 32c im Bereich seines stromaufwärtigen Hülsenendes durch eine Abdeckkappe 56c verschlossen ist. Eine entsprechende Abdeckkappe ist auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 vorgesehen und dort mit 56a bezeichnet.
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Es wurde werter oben erwähnt, dass in einem Einspritzkopf die Einspritzplatte mit einer beträchtlichen Anzahl von Einspritzelementen bestückt sein kann. Dabei setzen bestimmte Ausführungsformen der Erfindung für eine erste Teilanzahl der Einspritzelemente solche mit verlängerter Zentralhülse entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 1a, 1b oder dem Ausführungsbeispiel der 2 und für eine zweite Teilanzahl der Einspritzelemente solche ohne verlängerte Zentralhülse ein. Für die Einspritzelemente ohne verlängerte Zentralhülse kann beispielsweise die Bauweise gemäß 3 oder die Bauweise gemäß 4 gewählt werden. Insbesondere ist die erste Teilanzahl kleiner als die zweite Teilanzahl, d. h. die Anzahl der Einspritzelemente mit verlängerter Zentralhülse ist kleiner als die Anzahl der Einspritzelemente ohne verlängerte Zentralhülse. Die 5a bis 5d zeigen beispielhafte Anordnungsmuster, wie Einspritzelemente mit verlängerter Zentralhülse und Einspritzelemente ohne verlängerte Zentralhülse auf eine Einspritzplatte 14 verteilt werden können. Die Einspritzelemente ohne verlängerte Zentralhülse sind in den Darstellungen der 5a bis 5d durch kleine Kreise ohne schwarze Ausfüllung veranschaulicht, die Einspritzelemente mit verlängerter Zentralhülse sind dagegen durch kleine Kreise mit einem schwarz gefärbten 180°-Sektor veranschaulicht. Die Einspritzelemente ohne verlängerte Zentralhülse sind in den 5a bis 5d mit E1 bezeichnet, die Einspritzelemente mit verlängerter Zentralhülse hingegen mit E2.
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Man erkennt, dass die Einspritzelemente E2 (mit verlängerter Zentralhülse) zu einem oder mehreren Kreisen oder/und zu einer oder mehreren Radialspeichen gruppiert sein können. Als Radialspeiche wird hier ein Anordnungsmuster bezeichnet, bei dem mehrere Einspritzelemente E2 längs einer – bezogen auf ein Plattenzentrum der Einspritzplatte 14 – radial verlaufenden Linie hintereinander verteilt sind. Eine derartige Radialspeiche kann sich über die gesamte radiale Länge vom Plattenzentrum bis zum Plattenrand oder nur über einen Teil dieser Länge erstrecken. Insbesondere sind die Einspritzelemente E2 zu mindestens einem zum Plattenzentrum konzentrischen Kreis und darüber hinaus zu einer Mehrzahl in Umfangsrichtung regelmäßig verteilter Radialspeichen gruppiert.
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Mit Verteilungsbildern, wie sie in den 5a bis 5d gezeigt sind, ist es möglich, ähnlich wie mit herkömmlichen Leitblechen eine Unterteilung des einspritzkopfnahen Bereichs der Brennkammer eines Raketentriebwerks in kleinere geometrische Einheiten zu erzielen. Dabei ist es unumgänglich, dass Einspritzelemente E2 benachbart zu Einspritzelementen E1 angeordnet sind. Weil die Einspritzelemente E2 nur mit ihrer Zentralhülse in die Brennkammer ragen und die Zentralhülse von dem Strom der zweiten Treibstoffkomponente umgeben ist, bewirkt dieser Strom der zweiten Treibstoffkomponente einen Schutz des in die Brennkammer ragenden Teils der Zentralhülse vor der Flammenhitze benachbarter Einspritzelemente E1. Der Strom der zweiten Treibstoffkomponente hat bei den Einspritzelemente E2 dementsprechend eine Kühlwirkung auf den in die Brennkammer ragenden Teil der Zentralhülse.
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Das Überstandsmaß der Zentralhülse der Einspritzelemente E2 über die Einspritzplatte 14 (in den 1a und 2 ist dieses Überstandsmaß jeweils mit I bezeichnet) wird abhängig von der allgemeinen Lage der Flammenfront sowie der notwendigen Trimmung derselben festgelegt. In der Praxis kann von einem Wert des Überstandsmaßes I ausgegangen werden, der mindestens etwa dem Durchmesser der Auslassöffnung 18 (beim Ausführungsbeispiel der Figuren 1a, 1b) bzw. der Auslassöffnung 18a (beim Ausführungsbeispiel der 2) entspricht. Mit anderen Worten beträgt bei bestimmten Ausführungsformen das Überstandsmaß 1 der Einspritzelemente E2 etwa dem Innendurchmesser der Zentralhülse im Bereich der Auslassöffnung 18, 18a oder ist größer als dieser Innendurchmesser. Hinzuzufügen ist, dass das Überstandsmaß I für alle Einspritzelemente E2 gleich sein kann oder zumindest für einige der Einspritzelemente E2 unterschiedlich sein kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1780395 A1 [0002]
- US 6244041 B1 [0002, 0004]
- DE 102004018725 B4 [0003]
- US 2005/0097883 A1 [0003]
- US 3200589 [0003]
- US 3342668 [0003]
