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Die
Erfindung geht aus von einem Speichereinspritzsystem zur Dämpfung von
Druckwellen, insbesondere bei einem Common Rail Einspritzsystem, bei
dem Kraftstoff mit hohem Druck während
eines Einspritzzyklus mit mehreren Einspritzimpulsen in kurzen Zeitabständen eingespritzt
wird, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon bekannt, dass
bei einem Common Rail Einspritzsystem der gewünschte Betriebsdruck für den einzuspritzenden Kraftstoff
in einem Speichersystem bereitgestellt wird. Dabei werden die Druckwellen,
die bei jedem kurzen Einspritzimpuls entstehen, durch die Leitungen
(Common Rail) mehr oder weniger schnell gedämpft. Dennoch können Druckwellen
entstehen, deren Amplituden mehrere Hundert bar betragen können. Diese
Druckwellen breiten sich mit der dem Kraftstoff entsprechenden Schallgeschwindigkeit
aus und werden an den Wandungen der Kraftstoffleitung, den Übergängen zum
Rail, an den Ventilen, Kanten usw. reflektiert. Durch die Überlagerung
von Druckwellen entsteht ein komplexes Schwingungssystem, das die
einzuspritzende Kraftstoffmenge in ungünstiger Weise beeinflussen
kann. Insbesondere bei mehreren aufeinander folgenden Einspritzungen
mit sehr kurzen zeitlichen Abständen
(bis zu 100 μs)
können die
Druckwellen des vorausgegangenen Einspritzimpulses den nachfolgenden
Einspritzimpuls in unerwünschter
Weise beeinflussen, da die Druckwellen erst nach mehreren Schwingungen
und in Abhängigkeit
von der Wellenlänge
abklingen.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wurde bisher der zeitliche Abstand zwischen zwei Einspritzimpulsen
fest vorgegeben. Er wurde so gewählt,
dass der zeitliche Druckgradient minimal wurde, um eine möglichst
geringe Streuung der Einspritzmenge der einzelnen Einspritzimpulse
zu erhalten. In vielen Fällen war
dieses Vorgehen ausreichend, da bei der Pilot- oder Vor einspritzung
nur eine geringe Menge Kraftstoff und bei der zweiten Einspritzung
die vorgesehene Haupteinspritzmenge eingespritzt wurde. Durch die
geringe Voreinspritzmenge kommt es in der Regel zu nur geringen
Druckeinbrüchen,
die die nachfolgende Haupteinspritzung auch nur geringfügig negativ
beeinflusst.
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Bei
den neuen Anforderungen an das Einspritzsystem mit mehreren, beispielsweise
n=5, n=8... Einspritzungen pro Zyklus und Zylinder verschärft sich
die oben beschriebene Problematik massiv. Insbesondere können die
zeitlichen Abstände zwischen
zwei Einspritzimpulsen nicht mehr fest vorgegeben werden, da beispielsweise
auch nach einer großen
Einspritzmenge (Split Main-Injection) noch weitere Einspritzimpulse
(Post-Injection)
exakt dosiert werden müssen.
Die bisherige Methode, das Rail mit seinem relativ großen Volumen
als Dämpfer für die Druckwellen
zu verwenden, ist nicht mehr ausreichend.
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Prinzipiell
ist aus physikalischen Überlegungen
bekannt, Druckwellen durch Reflexion und Absorption zu dämpfen. Während die
Reflexionen an Wandungen entstehen, erfolgt bei der Absorption der Druckwelle
eine Dissipation in Wärme.
Meistens werden bei per se bekannten Pulsationsdämpfern beide Methoden angewandt.
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Eine
alternative Möglichkeit
besteht in der Vergrößerung des
Speichervolumens unter Ausnutzung des Elastizitätsmoduls (E-Moduls) des Kraftstoffs. Diese Möglichkeit
erscheint jedoch weniger gut geeignet, da das Einspritzsystem durch
das große
Volumen zu träge
wird und auf gewünschte Druckänderungen
nicht schnell genug reagieren kann.
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Aus
DE 100 49 285 A1 ist
eine Hochdruckleitung mit wechselndem Innendurchmesser in Strömungsrichtung
bekannt, so dass an den dadurch entstehenden Absätzen eine Teilreflektion von Druckwellen,
welche die Hochdruckleitung bzw, vom Injektor in Richtung eines
Common Rails durchlaufen, reflektiert werden. Durch die Teilreflektion
der Druckwellen werden die von den Druckwellen verursachten zeitlichen
Druckschwankungen am Injektor verringert oder durch Interferenzeffekte
sogar vollständig
ausgelöscht.
Dadurch kann die Kraftstoffzumessung mit größerer Genauigkeit erfolgen,
so dass sich Lauf- und Verbrauchsverhalten der mit der erfindungsgemäßen Hochdruckleitung
ausgestatteten Brennkraftmaschine verbessern.
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Das
erfindungsgemäße Speichereinspritzsystem
(Einspritzsystem) mit einer Dämpfungseinrichtung,
insbesondere für
ein Common Rail Einspritzsystem, bei dem Kraftstoff mit hohem Druck während eines
Einspritzzyklus mit mehreren Einspritzimpulsen in kurzen Zeitabständen eingespritzt wird,
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Haupanspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass die Dämpfungseinrichtung
zur mehrfachen intensiven Reflexion und/oder Absorption ausgebildet
ist und einen so großen
Strömungsquerschnitt
aufweist, dass kein spürbarer
Druckverlust auftritt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise einerseits
der Energieverlust verringert und andererseits eine hohe Flexibilität des Einspritzsystem
erzielt.
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Durch
die in den abhängigen
Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen
Speichereinspritzsystems gegeben. Als eine besonders einfache und
wirkungsvolle Lösung
für die
Dämpfung
der Druckwellen wird ein Sintermetalleinsatz angesehen. Durch den
per se bekannten Sinterprozess kann beispielsweise ein metallischer
Zylinder oder eine zylindrische Scheibe hergestellt werden, die
einen hohen Anteil von kraftstoffdurchlässigen Poren aufweist. Man
erhält
beispielsweise ein Hohlvolumen von 40%. Die relevante freie Querschnittfläche und
somit auch das Verhältnis aus
Strömungs-
zu Gesamtquerschnittsfläche
beträgt
somit etwa 40%. Besonders vorteilhaft ist jedoch, dass bezüglich der
Reflexion das Verhältnis Reflexions-
zu Gesamtquerschnittsfläche
praktisch 100 beträgt.
Im Vergleich dazu würde
eine Lochblende mit vergleichbaren Abmessungen wesentlich schlechtere
Eigenschaften aufweisen. Hier würde das
Verhältnis
aus Strömungs-
zu Gesamtquerschnittsfläche
nur etwa 6% betragen und das Verhältnis Reflexions- zu Gesamtquerschnittsfläche nur etwa
94%. Im Vergleich hierzu weist der Sintermetalleinsatz also wesentlich
bessere Reflexions- und Absorptionseigenschaften sowie einen niedrigeren Strömungswiderstand
auf.
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Eine
weitere Verbesserung wird erreicht, wenn zwei Sintermetalleinsätze seitlich
versetzt angeordnet werden. Mit dieser Anordnung werden insbesondere
stehende Welle (Druckwellen) vorteilhaft vermieden.
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Eine
günstige
alternative Lösung
insbesondere zur Vermeidung stehender Wellen wird auch in einer
Anordnung gesehen, bei der mehrere Sintermetalleinsätze oder
-scheiben in verschiedenen Ebenen mit unregelmäßigen Abständen eingesetzt werden.
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Vorteilhaft
erscheint auch eine Lösung
mit einem (koaxialen) Doppelrohr mit unterschiedlichen Durchmessern,
bei dem der innere Teil des kleineren Rohres mit einer entsprechenden
Perforation ausgebildet ist. Eine derartige Anordnung lässt sich
besonders einfach und kostengünstig
herstellen.
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Günstig erscheint
auch, die Anordnung mit einem Drahtgeflecht zu versehen, bei dem
die Fasern möglichst
chaotisch verteilt sind.
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Durch
die Anordnung von wenigstens zwei Blechen im Strömungskanal mit unterschiedlichen Winkeln
erhält
man eine Dämpfungseinrichtung,
die ähnlich
wie bei einem Stabfilter gute Durchlass- und Reflexionseigenschaften
aufweist.
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Eine
günstige
alternative Lösung
stellt auch die Anordnung mit seitlich oder zahnartig versetzten Lamellen
dar. Auch in diesem Fall sind der Strömungswiderstand relativ gering
und die Dämpfungseigenschaften
recht günstig.
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Die
Ausbildung der Dämpfungseinrichtung mit
verschiedenen Querschnittssprüngen
bewirkt ebenfalls eine starke Dämpfungswirkung,
da sowohl sehr viele Reflexionen an den Wandungen als auch Absorptionen
auftreten.
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Die
Ausbildung der Dämpfungseinrichtung mit
Bögen,
einer Wendel oder einem Trichter bewirkt ein häufiges Umlenken der Druckwellen,
so dass entsprechende Reflexionen entstehen, die ein rasches Abklingen
der Amplituden der Druckwellen bewirken.
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Die
Dämpfungseinrichtung
wird möglichst am
Ort der Entstehung der Druckwellen angeordnet, um die bestmögliche Wirkung
zu erzielen. Dies ist vorzugsweise zwischen der Hochdruckleitung (Druckleitung)
und dem Injektor beziehungsweise innerhalb des Injektors zwischen
dem Aktor und der Einspritzdüse
vorgesehen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Speichereinspritzsystem
mit einer Dämpfungseinrichtung
so auszubilden, dass die entstehenden Druckwellen möglichst
schnell gedämpft
werden, wobei kein spürbarer
Druckverlust auftreten soll. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
des Hauptanspruchs gelöst.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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1 zeigt
in schematischer Darstellung einen Injektor eines Speichereinspritzsystems,
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die 2a-2c zeigen
verschiedene Diagramme,
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
Erfindung mit einem Sintermetalleinsatz,
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4 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel mit
zwei versetzt angeordneten Sintermetalleinsätzen,
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit
einer Anordnung von drei Sintermetalleinsätzen,
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit
einem Drahtgeflecht,
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7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
mit einem Doppelrohr, die 8 und 9 zeigen
Ausführungsbeispiele
mit eingesetzten Blechen beziehungsweise Lamellen,
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die 10 und 11 zeigen
Ausführungsbeispiele
mit unterschiedlichen Querschnittsprüngen,
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die 12 und 13 zeigen
Ausführungsbeispiele
mit Rohrbogen beziehungsweise mit einer Wendel,
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14 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
mit einer trichterförmigen
Anordnung und
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15 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
mit einem Rohrbündel
als Strömungsgleichrichter.
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Bezüglich der
Figurenbeschreibung zeigt 1 in schematischer
Darstellung einen handelsüblichen
Injektor 1, wie er beispielsweise bei einem Kraftstoff-Einspritzsystem
für die
Dieseleinspritzung Verwendung findet. Der Injektor 1 weist
einen elektrischen Anschluss 10 beispielsweise für einen
piezoelektrischen Aktor 11 auf, der im Innern des Injektors 1 angeordnet
ist. Der piezoelektrische Aktor 11 steht mit einer Düsennadel
einer Einspritzdüse
in Verbindung, die sich im unteren Teil des Injektors befindet und
im Ruhezustand eine mit Kraftstoff gefüllte Hochdruckleitung geschlossen
hält. Werden
an den piezoelektrischen Aktor 11 entsprechende Spannungsimpulse
angelegt, dann wird die Einspritzdüse bei jedem Impuls etwas geöffnet, so
dass an der Einspritzdüse
eine bestimmte Kraftstoffmenge möglichst
stark vernebelt austreten kann. Im rechten Teil der 1 ist
ein Druckanschlussstutzen 3 mit einem Druckrohrstutzen 2 dargestellt.
Im Innern des Druckrohrstutzens 2 ist eine Filtervorrichtung
mit einem Stabfilter eingesetzt, um im Kraftstoff enthaltene feste
Partikel herauszufiltern. Am äußeren Ende
des Druckrohrstutzens 2 ist ein Leitungsanschluss 4 vorgesehen, an
dem die mit Kraftstoff gefüllte
Hochdruckleitung anschließbar
ist.
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Die
Entstehung von Druckwellen und insbesondere deren Einfluss bei der
Mehrfacheinspritzung mit sehr kurzen zeitlichen Abständen bis
ca. 100 μs wird
an Hand der Diagramme der 2a bis 2c erläutert. Beispielsweise
wird entsprechend 2a ein kurzer erster Einspritzimpuls
I und im zeitlichen Abstand dt ein zweiter Einspritzimpuls II gestartet. Durch
den ersten Einspritzimpuls I entsteht als Folge des plötzlichen
Druckabfalls im System eine Druckwelle, deren Verlauf beispielhaft
in 2b auf der Zeitachse t dargestellt ist. In der
Praxis entstehen durch die Reflexionen sehr viele Druckwellen, die sich überlagern
und ein sehr komplexes Schwingungsmodell bilden.
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Die
eingespritzte Kraftstoffmenge ist von verschiedenen Faktoren wie
der Einspritzdauer, dem hydraulischen Durchfluss, Temperatur und
E-Modul des Krafftstoffs und insbesondere vom vorherrschenden Druck
im System zum Zeitpunkt der Einspritzung abhängig. Da der Druck im System
jedoch sehr stark schwanken kann, wie der 2b entnehmbar
ist, ändert
sich auch für
den nachfolgenden zweiten Einspritzimpuls II seine Einspritzmenge
druckabhängig. Dieses
Verhalten trifft natürlich
auf alle gegebenenfalls weitere Einspritzimpulse zu.
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2c zeigt
die Änderung
der eingespritzten Kraftstoffmengen in Abhängigkeit von den Druckschwankungen,
wie sie in 2b dargestellt wurden. Als weitere
Problematik kommt hinzu, dass bei einer Mehrfacheinspritzung mit
bis zu fünf
Einspritzimpulsen sehr genau auf die zeitlichen Abstände dt geachtet
werden muss, damit auch wirklich die gewünschte Kraftstoffmenge eingespritzt
werden kann. Feste zeitliche Abstände dt – wie beim bekannte Stand der Technik üblich – sind nicht
mehr zulässig,
da der gesamte Einspritzzyklus innerhalb eines fest vorgegebenen
Zeitfensters abgelaufen sein muss. Die einzelnen Zeitabstände dt zwischen
jeweils zwei Einspritzimpulsen werden daher unter Berücksichtigung
weiterer Parameter variabel gestaltet, wobei die erfindungsgemäßen Dämpfungsmaß nahmen
dafür sorgen
sollen, dass die entstehenden Druckwellen möglichst geringe Amplituden
aufweisen und schnell abklingen, damit zum Zeitpunkt des nächsten Einspritzimpulses
die Druckverhältnisse
definierbar sind.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
eine Dämpfungseinrichtung
zeigt 3. Sie zeigt einen Sintermetalleinsatz 6,
der als Zylinder oder zylindrische Scheibe ausgebildet ist. Es hat
beispielsweise einen Durchmesser von 2-3 mm. Wie bereits erläutert wurde,
ist sein Druckabfall sehr viel kleiner als bei einer vergleichbar
großen
Lochblende mit einem Lochdurchmesser von 0,5 mm. Gleichzeitig wird
seine Reflexionsfläche
gesteigert. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, dass keine
Reflexionsebene (wie bei der Lochblende) besteht. Dadurch werden
die Druckwellen phasenverschoben reflektiert und dämpfen sich
gegenseitig. Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, dass die Druckwellen
nicht (wie bei der Lochblende) entgegen ihrer Ausbreitungsrichtung
reflektiert werden, sondern wegen der Kugelform der einzelnen Metallteilchen
des Sintermetalleinsatzes diffus gestreut werden. Eine unerwünschte Überlagerung
von reflektierten Druckwellen wird somit wirkungsvoll vermieden.
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In 4 sind
zwei Sintermetalleinsätze 6 vorgesehen,
die in einer Druckleitung 5 der Dämpfungseinrichtung 7 versetzt
angeordnet sind.
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In 5 wird
vorgeschlagen, mehrere Sintermetalleinsätze 6, die beispielsweise
scheibenförmig
ausgebildet sind, in verschiedenen Ebenen der Dämpfungseinrichtung 7 anzuordnen.
In diesem Ausführungsbeispiel
wurden drei Sintermetalleinsätze 6 hintereinander
angeordnet, wobei deren Abstände
a,b unterschiedlich groß gewählt sind.
Dadurch werden insbesondere stehende Druckwellen und Resonanzen
vermieden. Diese Anordnung ist ebenfalls in der Druckleitung 5 angebracht.
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6 zeigt
eine Dämpfungseinrichtung 7, bei
der ein Drahtgeflecht 8 angeordnet ist. Das Drahtgeflecht 8 weist
Fasern auf, die möglichst
chaotisch verteilt sind, so dass Reflexionen in alle Richtungen gestreut
werden. Dadurch können
sich beispielsweise keine stehenden Wellen aufbauen, da sich die
reflektierten Druckwellen weitgehend selbst dämpfen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 7 ist die Dämpfungseinrichtung 7 mit
einem koaxialen Doppelrohr 9 ausgebildet, wobei das kleinere
Innenrohr ein Stück
in das größere Außenrohr
hineinragt. In dem überlappenden
Bereich weist das Innenrohr eine Perforation 12 auf, durch
die der Kraftstoff strömt.
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Die
beiden Ausführungsbeispiele
der 8 und 9 weisen Dämpfungseinrichtungen 7 auf, bei
denen Blechstreifen 14, 15 eingesetzt sind. Im Fall
der 8 sind die Blechstreifen 14 unregelmäßig geformt
und mit unterschiedlichen Winkeln im Strömungskanal angeordnet. Diese
Anordnung kann auch als Stabfilter ausgebildet sein, wobei neben
der Dämpfung
auch eine Filterwirkung für
feste Partikel im Kraftstoff bewirkt werden kann. Dieses trifft
natürlich
auch auf die anderen Ausführungsbeispiele
zu.
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Bei
der 9 sind die Bleche in Form von Lamellen 15 im
Strömungskanal
der Dämpfungseinrichtung 7 seitlich
versetzt angeordnet. Sie können dabei
zahnförmig
strukturiert sein, um einen möglichst
geringen Druckwiderstand zu bilden.
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Bei
den beiden Ausführungsbeispielen
der 10 und 11 wird
die Dämpfung
dadurch erzielt, dass der Kraftstoff durch eine Dämpfungseinrichtung 7 strömt, die
mit unterschiedlichen Querschnittsprüngen ausgebildet ist. Dadurch
werden die Amplituden der Druckwellen variiert, d.h. bei dieser Anwendung
wird in erster Linie eine Dämpfung
vorgenommen.
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Die
Ausführungsbeispiele
der 12 und 13 zeigen
eine Dämpfungseinrichtung 7 mit mehreren
Bogen beziehungsweise ei ne Wendel, so dass die Druckwellen an den
Wandungen ständig
gebrochen und reflektiert werden. Durch diese intensive Reflexion
werden die Druckwellen stark gedämpft und
ihre Energie absorbiert.
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Eine
weitere alternative Lösung
wird gemäß 14 bei
einer Dämpfungseinrichtung 7 mit
Einsätzen
gesehen, die als Trichter 16 ausgebildet ist. Der Trichter 16 ist
so gestaltet, dass die Druckwellen möglichst oft innerhalb des Trichters 16 reflektieren, bis
sie in Wärme
dissipieren.
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15 zeigt
schließlich
ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei der die Dämpfungseinrichtung 7 mit
einem Rohrbündel
ausgebildet ist, das als Strömungsgleichrichter
wirkt. Bei diesem Rohrbündel werden
viele enge Rohrstücke
nebeneinander im Strömungskanal
angeordnet. Bei dieser Lösung
ist der Druckwiderstand sehr klein, so dass der Energieverlust entsprechend
gering ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist auch vorgesehen, die vorgeschlagenen
Lösungen miteinander
zu kombinieren.
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Die
Dämpfungseinrichtung 7 wird
vorzugsweise am Ort der Entstehung der Druckwellen eingesetzt. Dies
kann beispielsweise zwischen der Hochdruckleitung und dem Injektor 1 beziehungsweise
innerhalb des Injektors 1 zwischen dem Hochdruckanschluss
und der Einspritzdüse
sein.