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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einspritzen eines unter Druck stehenden Brennstofffluids in einen Brennraum nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise bei Verbrennungsmotoren verwendet, in denen unter hohem Druck stehender Brennstoff getaktet und dosiert in den Brennraum einzelner Zylinder eingespritzt wird. Insbesondere bei dieser Anwendung sind sehr kurze Schaltzeiten der Injektoren und eine genaue Volumendosierung des Brennstoffs von Vorteil.
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Durch das Schalten der Injektoren werden Druckpulse erzeugt, die zu unerwünschten Schwingungen im Brennstoff in der Brennstoffleitung führen und die die Dosierung des Brennstoffs sowohl im Zeitablauf als auch im Hinblick auf die zu dosierenden Mengen stören können.
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Zu diesem Zweck sind bereits Pulsationsdämpfer für Kraftstoff in Kraftstoffversorgungssystemen einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, wie sie beispielsweise in der
DE 195 16 358 C1 beschrieben sind.
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Die bekannten Pulsationsdämpfer arbeiten mit Drosseleinrichtungen, die hintereinander in Strömungsrichtung angeordnet werden. Die Dämpfungswirkung derartiger Drosselöffnungen, die den Querschnitt der Brennstoffleitung über eine vergleichsweise kurze Strömungslänge verengen, ist jedoch sehr begrenzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einer verbesserten Dämpfung zu schaffen.
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Dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Ausführen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass ein Dämpfungselement zwischen dem Druckerzeuger und der Einspritzöffnung eines Injektors vorgesehen ist, wobei das Dämpfungselement ein porenbildendes Material umfasst.
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Durch die Verwendung eines porenbildenden Materials ergibt sich in der Strömung des Brennstofffluids eine Energiedissipation, die auf unterschiedlichen Effekten, z. B. auf Reibung, Drosselung usw. basiert. Porenbildendes Material vergrößert beispielsweise die Kontaktfläche des Brennstofffluids mit dem umgebenden Material, sodass eine deutlich vergrößerte Reibung erzeugt wird. Darüber hinaus wird durch eine Querschnittsverminderung auch ein Drosseleffekt und Verwirbelungen erzielt. Diese und andere Vorgänge sorgen für die gewünschte Energiedissipation, die in einem schwingenden System dämpfend wirkt.
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Ein derartiges erfindungsgemäßes Dämpfungselement kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden. So kann beispielsweise eine Kammer vorgesehen werden, die mit porenbildenden Material gefüllt ist, das durch geeignete Rückhalteelemente, beispielsweise durch Siebe oder dergleichen in der Kammer zusammengehalten wird.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, aus dem porenbildenden Material einen Körper herzustellen, indem das Material gebunden ist, sodass keine äußere Wandung erforderlich ist, um das porenbildende Material in Form zu halten.
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In der ersten Variante eines Dämpfungselementes kann beispielsweise eine Kammer mit Schüttmaterial gefüllt werden, wodurch ein Dämpfungselement auf einfache Weise verwirklicht werden kann. Als Schüttmaterial kommt beispielsweise ein Fasermaterial oder dergleichen in Frage. Dabei kann eine einzige Materialsorte oder auch ein Gemisch unterschiedlicher Materialien verwendet werden. Auch unterschiedliche Korngrößen können je nach Anwendungsfall in einem Gemisch von Schüttmaterial zum Einsatz kommen.
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Als Fasermaterial zum Füllen einer Kammer sind beispielsweise auch Gebilde aus Metallfasern, wie Stahlwolle oder der gleichen denkbar, die die gewünschte Energiedissipation bewirken können und darüber hinaus auch in einer Umgebung mit sehr rauen Einsatzbedingungen im Hinblick auf die Temperatur, Druck oder der gleichen verwendbar sind.
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In der angeführten weiteren Ausführungsform mit gebundenem porösem Material sind ebenfalls unterschiedliche Körper verwendbar. So kann beispielsweise ein poröser Sinterkörper eingesetzt werden, bei dem ein körniges Material oder Granulat unter hohem Druck und unter hoher Temperatur zu einem Körper gebunden wird. Eine andere Variante besteht darin, entsprechende Partikel oder Körner miteinander zu verkleben, indem ein entsprechender Klebstoff als Bindemittel bei der Formung des Körpers eingebracht wird. Es lässt sich auch mit Fasermaterial ein Filzkörper herstellen, der ebenfalls für die erfindungsgemäße Dissipation sorgen kann. Auch ein offenporiger Schaum kann beispielsweise als erfindungsgemäßer Dämpfungskörper zum Einsatz kommen. Insbesondere kommen hierbei auch Metallschäume in Frage, die ähnliche Eigenschaften wie Sinterkörper aufweisen.
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Vorteilhafterweise werden wenigstens zwei von einander beabstandete Dämpfungselemente vorgesehen, wobei sich dazwischen eine Strömungszone ohne porenbildendes Material befindet. Im Praxistest hat es sich bereits überraschenderweise gezeigt, dass die Dämpfungswirkung einer solchen Anordnung besser ist als die reine Kumulation der Dämpfungswirkung beider einzelnen Dämpfungselemente. Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform kann auch drei oder noch mehr Dämpfungselemente mit einer entsprechenden freien Strömungszone dazwischen vorsehen, um diesen Effekt weiter zu nutzen.
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Grundsätzlich ist eine Anordnung eines erfindungsgemäßen Dämpfungselementes in der Nähe eines Injektors oder gar in dem Injektor durchaus sinnvoll, um in unmittelbarer Nähe des Entstehungsortes der Pulsation die dämpfende Wirkung einzubringen. Konstruktiv ist jedoch von Vorteil, das Dämpfungselement an vorgeordneter Position in Bezug auf die Strömungsrichtung des Brennstofffluids anzuordnen, da im Bereich der Injektoren häufig ein extremer Platzmangel, eine schwere Zugänglichkeit und/oder weitere ungünstige Bedingungen herrschen.
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Darüber hinaus werden insbesondere bei Verbrennungsmotoren in der Regel mehrere Injektoren eingesetzt, um unterschiedliche Zylinder mit Brennstoff zu versorgen. Häufig wird dabei eine gemeinsame Brennstoffleitung verwendet, die Verzweigungen zur Versorgung mehrerer Injektoren aufweist. Weiterhin wird bei derartigen Vorrichtungen häufig eine Hauptleitung vorgesehen, von der aus in bestimmten Abständen Zweigleitungen zu verschiedenen Injektoren abzweigen. Diese Anordnung entspricht beispielsweise dem Aufbau von sogenannten Common Rail Einspritzanlagen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können dabei ein oder mehrere Dämpfungselemente in einem unverzweigten Bereich der Brennstoffleitung hinter dem Druckerzeuger angeordnet werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass mit den gleichen Dämpfungselementen die Druckpulsationen, die durch alle Injektoren verursacht werden, erfindungsgemäß gedämpft werden können. Darüber hinaus ist die Brennstoffleitung in diesem Bereich in der Regel besser zugänglich und weist in diesem Bereich in der Regel auch einen größeren Querschnitt auf. Demnach können ein oder mehrere Dämpfungselemente in diesem Bereich der Brennstoffleitung einfacher untergebracht werden.
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Dabei kann aus einem oder mehreren Dämpfungselementen eine Dämpfungseinheit gebildet werden, die als ganzes, beispielsweise über endseitige Anschlusselemente, wie Anschlussflansche oder dergleichen in die Brennstoffleitung eingesetzt wird. Eine solche Dämpfungseinheit kann aber auch als Einsatz ausgebildet werden, der in die Brennstoffleitung eingeschoben werden kann.
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Die Ausgestaltung derartiger Dämpfungseinheiten ist grundsätzlich auch im Bereich von Zweigleitungen der Brennstoffzufuhr von Vorteil, wobei im Bereich der Zweigleitungen aufgrund der äußeren Bedingungen sowie der Dimensionierung der Einbau schwieriger zu realisieren ist und zudem die Dämpfung unmittelbar auf alle Injektoren wirkt.
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Im Falle einer Hauptleitung wie oben angeführt kann eine Dämpfungseinheit auch in diese Hauptleitung integriert werden, wobei wiederum eine Dämpfungseinheit denkbar ist, die über endseitige Anschlusselemente in die Brennstoffleitung eingebracht oder als Einschub in die Hauptleitung eingelegt wird.
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Insbesondere bei der Anordnung als Einschub kann die Dämpfungseinheit auch so gebildet werden, dass zwischen zwei oder mehreren Zweigleitungen in der Hauptleitung jeweils ein oder mehrere Dämpfungselemente angeordnet werden, sodass sichergestellt ist, dass zwischen zwei oder mehreren Injektoren jeweils ein Dämpfungselement angeordnet ist und eine direkte Pulsübertragung zwischen Injektoren ohne Dämpfungselement unterbunden ist.
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Eine Dämpfungseinheit mit mehreren Dämpfungselementen wird bevorzugt so ausgebildet, dass sich zwischen den einzelnen Dämpfungselementen eine Strömungszone ergibt, in dem die Teilströme wenigstens teilweise wiedervereint sind.
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Bei Verwendung mehrer Dämpfungselemente können dabei alle Dämpfungselemente vom gleichen Typ sein. Auch der Einsatz unterschiedlich aufgebauter Dämpfungselemente ist jedoch möglich.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird zudem in Strömungsrichtung vor wenigstens einem Dämpfungselement ein Brennstofffilter vorgesehen. Bevorzugt wird der Brennstofffilter vor dem ersten durchströmten Dämpfungselement angebracht, um störende Partikel oder Verunreinigungen vor dem Durchtritt in ein Dämpfungselement zurückzuhalten oder zu entfernen. Hierdurch wird die Gefahr des Verstopfens eines Dämpfungselementes reduziert oder ganz vermieden. Grundsätzlich kann ein solcher Brennstofffilter auch bereits vor dem Druckerzeuger in Strömungsrichtung angeordnet sein.
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Weiterhin kann eine erfindungsgemäße Pulsationsdämpfung vorteilhafterweise mit einem oder mehreren Druckausgleichsbehältern kombiniert werden. Ein oder mehrere Druckausgleichsbehälter die mit der Brennstoffleitung in Verbindung stehen, können für einen möglichst konstanten Druck in der Brennstoffleitung sorgen. Derartige Druckausgleichsbehälter, die in der Regel eine Membran oder einen Kolben aufweisen, der flüssiges und somit weitgehend inkompressibles unter Druck stehendes Brennstofffluid von einer Kammer trennt, in der ein kompressibles Medium, in der Regel ein gasförmiges Fluid, wie Luft oder der gleichen unter Druck stehend angeordnet ist, kann beispielsweise Schwankungen einer Brennstoffpumpe ausgleichen. Darüber hinaus kann ein solcher Druckausgleichsbehälter die Pulsationsdämpfung weiter verbessern.
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Die erfindungsgemäße Dämpfung lässt sich weiterverbessern, indem zum einen der Strömungsweg des Brennstofffluids im Dämpfungskörper verlängert wird und zum anderen die Porengröße verkleinert wird. Hierdurch wird die gewünschte Energiedissipation gesteigert. Vorzugsweise werden dementsprechend mittlere Porengrößer kleiner 80 μm, bevorzugt kleiner 40 μm gewählt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffleitung für einen Verbrennungsmotor,
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2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Dämpfungseinheit mit zwei Dämpfungselementen,
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3 eine schematische Darstellung eines Teilausschnitt eines Dämpfungselementes,
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4 eine weitere Ausführungsvariante eines Dämpfungselementes zur Verwendung in einem Injektor und
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5 eine schematische Darstellung eines Injektors mit Dämpfungselement.
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Die Brennstoffleitung 1 gemäß 1 umfasst eine Hauptleitung 2, von der verschiedene Zweigleitungen 3 abzweigen.
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Jede Zweigleitung 3, 4, 5, 6 dient zur Brennstoffversorgung eines Injektors eines Verbrennungsmotors. Die Hauptleitung 2 kann an ihrem zeichnerisch nicht mehr dargestellten Ende verlängert werden, sodass noch eine beliebige weitere Anzahl von Zweigleitungen folgen können.
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In jede Zweigleitung 3, 4, 5, 6 ist ein Dämpfungselement 7, 8 eingesetzt, das von dem Brennstoffstrom durchströmt wird. Durch den porösen Aufbau der Dämpfungselemente findet die o. a. Energiedissipation und somit auch die Pulsationsdämpfung statt.
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In der Hauptleitung 2 befindet sich zusätzlich eine Dämpfungseinheit 11, die in die Hauptleitung 2 eingesetzt ist. Die Dämpfungseinheit 11 umfasst ein axial durchströmbares Rohr, das an verschiedenen Stellen aufgetrennt ist, sodass an diesen Stellen auch eine Radialströmung möglich ist. Dargestellt sind in dem Rohr 12 der Dämpfungseinheit 11 drei Radialöffnungen, die dem Zufluss bzw. Abfluss von Brennstofffluid dienen. Die Radialöffnungen 13, 14 stehen mit den Zweigleitungen 5, 6 in Verbindung, sodass Brennstofffluid aus dem Innern des Rohrs 12 der Dämpfungseinheit 11 in diese Zweigleitungen in radialer Richtung strömen kann.
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Die Radialöffnung 15 steht in Verbindung mit einer Zuführungsleitung 16, die an einen nicht näher dargestellten Druckerzeuger angeschlossen wird.
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In dem Rohr 12 der Dämpfungseinheit 11 befinden sich zwei Dämpfungselemente 17, 18, die wiederum porös aufgebaut sind.
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Die dargestellte Anordnung von Dämpfungselementen kann beispielsweise in einem sogenannten Common Rail System Verwendung finden. Der Brennstoff wird über den Druckerzeuger durch die Zufuhrleitung 16 in die Hauptleitung 2 eingespeist und kann sich dort in beide Axialrichtungen der Hauptleitung 2 ausbreiten. Der Brennstoff durchströmt dabei jeweils ein Dämpfungselement 17, 18, wobei die Energiedissipation auftritt und Pulsationen gedämpft werden.
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Von der Hauptleitung 2 zweigen Zweigleitungen 3, 4, 5, 6 ab, die der Zufuhr von Brennstofffluid zu den einzelnen Injektoren bzw. Zylindern eines Verbrennungsmotors dienen. Die Dämpfungselemente 7, 8, 9, 10 in diesen Zweigleitungen 3, 4, 5, 6 sind wiederum porös aufgebaut, um die Energiedissipation hervorzurufen, die gegenüber Pulsationen dämpfend wirkt.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind sowohl in der Hauptleitung als auch in den Zweigleitungen Dämpfungselemente untergebracht. Da die Brennstoffzufuhr als Gesamtssystem zu betrachten ist, kann je nach Anwendungsfall auch bereits eine ausreichende Dämpfung mit Anordnungen erreicht werden, bei denen nur in der Hauptleitung oder nur in den Zweigleitungen Dämpfungselemente angeordnet sind.
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2 zeigt eine Ausführungsvariante, bei der eine Dämpfungseinheit 21 als Einschub in eine Brennstoffleitung 22 eingesetzt ist, die zwei Dämpfungselemente 23, 24 umfasst, zwischen denen ein Zwischenraum 25 als Strömungszone ohne poröses Material ausgebildet ist. In den Dämpfungselementen 23, 24 ist poröses Material 19, 20 angedeutet, das in dieser Ausführung als gebundenes Material einen porösen Körper bildet. Die Dämpfungselemente 23, 24 sind in einem Trägerrohr 26 angebracht, sodass die Dämpfungseinheit 21 als komplette Baueinheit handhabbar ist.
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Eine Dämpfungseinheit gemäß 2 kann beispielsweise anstelle der Dämpfungselemente in 1 eingesetzt werden. Die Kombination zweier Dämpfungselemente 23, 24 mit dem Zwischenraum 25 hat bereits eine gegenüber der reinen Kumulation der Dämpfungswirkung der einzelnen Dämpfungselemente 23, 24 verbesserte Dämpfungswirkung gezeigt. Die Ausführung gemäß 2 kann dahingehend weiter ausgebaut werden, dass weitere Dämpfungselemente und weitere Zwischenräume in einer Einheit zusammengefasst werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführung für den Aufbau eines Dämpfungselementes. Hier sind Kugeln 27 mit kreisrundem Querschnitt derart aneinandergefügt, dass sich in den Zwischenräumen Poren 28 ausbilden. Die Kugeln können dabei durch ein äußeres Gehäuse zusammengehalten oder aber auch untereinander verbunden, beispielsweise verklebt, verschmolzen oder sonst wie verbunden sein.
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4 zeigt eine im Prinzip der Ausführung gemäß 2 entsprechende Variante eines Dämpfungselementes 29 mit porenbildenden Material 20, das zu einem porösen Körper gebunden ist. Das Dämpfungselement 29 unmittelbar in einem Injektor verwendbar ist. Hierzu ist eine große Zentralbohrung 30, die von einer Nadel eines Nadelventils eines Injektors durchsetzt werden kann.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Injektors 31. Der Injektor 31 zeigt ein Düsengehäuse 32 mit einer Düsenöffnung 33. Im Innern des Düsengehäuses 32 befindet sich eine Brennstoffleitung 34, in die ein Dämpfungselement 29 gemäß 4 eingesetzt ist. Das Dämpfungselement 29 wird von einer Düsennadel 35 durchsetzt, die mit ihrer Spitze 36 gegenüber einem Ventilsitz 37 dichten kann und dabei die Düsenöffnung 33 verschließt bzw. öffnet. Der Injektor kann durch axiale Bewegung der Düsennadel 35 den Einspritzvorgang sowohl hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs und dadurch auch im Hinblick auf das eingespritzte Brennstoffvolumen steuern.
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Auch in der Ausführung gemäß den 4 und 5 erfährt der Brennstoffstrom durch das Dämpfungselement 29 eine Energiedissipation. Die Zentralbohrung 30 des ringförmigen Dämpfungselements 29 wird dabei von der Düsennadel 35 verschlossen, sodass für das Brennstofffluid nur der Weg durch das porenbildende Material 20 verbleibt. Hierdurch wird die erfindungsgemäße Dämpfungswirkung unmittelbar am Entstehungsort der Pulsation in der Nähe der Düsenöffnung 33 erzeugt.
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Auch derartige ringförmige Dämpfungselemente 29 können in mehrfacher Ausführung mit Zwischenräumen entsprechend dem Zwischenraum 25 nach der Ausführung gemäß 3 eingesetzt werden, um die Dämpfungswirkung weiter zu erhöhen.
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Neben den beschriebenen Ausführungsvarianten sind noch vielfältige weitere Ausführungen erfindungsgemäßer Dämpfungselemente und Dämpfungsanordnungen möglich. Ein Aufbau gemäß 3 kann auch mit flexiblen Fasern erzielt werden, wobei sowohl Varianten mit Fasern aus Vollmaterial als auch aus Hohlfasern denkbar sind.
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Weiterhin können sowohl gleichartige als auch verschiedene Dämpfungselemente in einer Vorrichtung kombiniert werden.
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Wesentlich für die Erfindung ist der erfindungsgemäße Aufbau mit porenbildenden Material des Dämpfungselementes, wodurch die Dämpfungswirkung maßgeblich gegenüber bisherigen Drosseleinrichtungen verbessert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffleitung
- 2
- Hauptleitung
- 3
- Zweigleitung
- 4
- Zweigleitung
- 5
- Zweigleitung
- 6
- Zweigleitung
- 7
- Dämpfungselement
- 8
- Dämpfungselement
- 9
- Dämpfungselement
- 10
- Dämpfungselement
- 11
- Dämpfungseinheit
- 12
- Rohr
- 13
- Radialöffnung
- 14
- Radialöffnung
- 15
- Radialöffnung
- 16
- Zuführungsleitung
- 17
- Dämpfungselement
- 18
- Dämpfungselement
- 19
- porenbildendes Material
- 20
- porenbildendes Material
- 21
- Dämpfungseinheit
- 22
- Brennstoffleitung
- 23
- Dämpfungselement
- 24
- Dämpfungselement
- 25
- Zwischenraum
- 26
- Trägerrohr
- 27
- Kugeln
- 28
- Poren
- 29
- Dämpfungselement
- 30
- Zentralbohrung
- 31
- Injektor
- 32
- Düsengehäuse
- 33
- Düsenöffnung
- 34
- Brennstoffleitung
- 35
- Düsennadel
- 36
- Nadelspitze
- 37
- Ventilsitz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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