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Brennstoff-Einspritzventil für flüssige
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oder gasförmige Brenn- oder Kraftstoffe an Verbrennungsmaschinen
und Anordnung derselben im Brennstoff-Luft-Mischkanal Die Erfindung betrifft ein
Brennstoff-Einspritzventil für flüssige oder gasförmige Kraftstoffe. Sie gibt ferner
eine bevorzugte Anordnung dieses Brennstoff-Einspritzventils in dem Brennstoff-Luft-Mischkanal
an.
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Bei den bekannten Einspritzventilen von Brenn- oder Kraftstoffen in
einen Gas- bzw. Luftstrom oder -raum mit einem möglichst hohen Sauerstoffanteil
zur Brenngemischbildung wird der flüssige oder bereits gasförmige Brennstoff über
kegelige Sitzventile oder Lochblenden eingespritzt, die einen zur Strömungsachse
des Reaktionspartners bis höchstens nahe 90° kegeligen Nebel- oder Strahlpilz erzeugen.
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Um eine gurte Vermengung der Oxidationspartner vor dem Brenn- oder
Exp losionsraum zu erreichen, wurden zusätzliche komplizierte Wirbelmechanismef
eingesetzt oder vorgeschlagen.
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Da die Bremnstoffmengen, die zur Verspritzung oder Verströmung gelangen,
sehr klein sind, werden auch sehr kleine Blendenquerschnitte oder Abströmquerschnitts-Längen
eingesetzt. Mit den üblichen Ventilsitz-Eiementen wären sonst die entstehenden kleinen
Spalte nicht mehr so beherrschbar, daß die kleinen Durchflußmengen unter konstantem
Druck und stetig gleichmäßig abgespritzt würden. Dadurch wird aber der flüssige
Brennstoff nicht genügend mechanisch zerkieinert und muß verhältnismäßig gering
aufgeschlossen für die chemische Reaktion vermischt werden.
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Wird der Brennstoff vorher z.B. entsprechend aufgeheizt, so daß er
bei seiner Entspannung im Abströmbereich vergasen könnte, sind weder die kleinen
Lochblenden noch die kurzen Abströmquerschnitts-Längen der Ventile in der Lage,
der Volumen-Vermehrung um das 300 - 1500-fache beim Übergang in den gasförmigen
Zustand Rechnung zu tragen. Sie verhindern oder erschweren die Vergasung durch entsprechenden
Druckanstieg oder weil sie sich sozusagen "von hinten" selbst wieder versperren.
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Die möglichst weitgehende Aufsch ließung der Brennstoff-Flüssigkeit
ist für die Energie-Ausbeute der Oxidation ein wesentlicher Faktor,
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die Vermengung der Oxidationspartner im gleichen Aggregatzustand, also der Brennstoff
ebenfalls gasförmig, wäre geradezu ideal, insbesondere für Saugrohr- oder Saugraum-Einspritzungen
bei Verbrennungsmasch i nen.
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Die kleinen Maße führen auch zu kleinen Gegenkräften (Feder-, magnetische,
pneumatische oder Piezo-Kräfte) für die Veritil-Steuerung.
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Da sich die Reibungen der Mechanismen nicht in dem selben Verhältnis
verringern, leiden die bekannten Ventile an zu großer Hysteresis . Die dadurch entstehenden
Druckschwankungen bedeuten auch zusätzliche Durchfl ußschwankungen, die den Brennstoffverbrauch
erhöhen und den Absichten der die Soflclurchflüsse bestimmenden Steuerschlitzeinstel
lungen zuwiderlaufen.
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Vor allem bei Verbrennungsmaschinen ist der Gemisch-Ansaug-Raum, je
nach Belastung der Maschine ,starken Druckschwankungen unterworfen (Unterdruckbereich
und mit ATL-Einrichtung bis in den Überdruckbereich hinüber). Da bislang auch aus
Gründen der Nicht-Beherrschbarkeit die Abspritzdrücke bei Saugrohr-Einspritzungen
nur 4 - 8mal höher liegen, als die genannten Druckschwankungen $ und der Ansaugraum
notwendigerweise seither als Referenzdruck dienen muß, überlagern diese Druckschwankungen
die Abspri tzdruck-Einstellung in direkter Größenordnung. Sie verursachen damit
ebenfalls einen zwar I astschwankungsabhängigen, aber erheblichen Mehrverbrauch.
Die dagegen möglichen Kompensationen über zusätzliche Steuerdrücke am Schlitzkolben
oder eine entsprechende Steuerdruckrückführung auf das Druckhalteventil vor den
Steuerschlitzen sind nicht sehr wirksam, kompliziert und störanfällig. Die eine
Methode kann nur annähernd der notwendigen Kompensationskennlinie folgen, und die
andere Methode ist viel zu träge und beansprucht die Brennstoff-Förderpumpe ungünstig.
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Die vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, die o.
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g. Nachteile zu vermeiden und ein Einspritzventil der eingangs genannten
Art zu schaffen, welches hinsichtlich seiner Wirksamkeit und der damit erzielten
Brennstoff-Einsparung erhebliche Vorteile aufweist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird ein Brennstoff-£inspritzventil
für flüssige oder gasförmige Brenn- oder Kraftstoffe an Verbrennungsmasch i nen
vorgeschlagen, welches gekennzeichnet ist durch einen hohlzylinderförmigen Längenteil
El und einen daran angesetzten, fortführenden, hohlzylinderförmigen Längenteil E2,
wobei in dem mit radialen Bohrungen versehenen Innenraum von El ein durch eine Feder
abgestützter Trennkolben oder eine federnde Kolbenmembran mit möglichst großer Querschnittsfläche
dem atmosphärischen Druck ausgesetzt angeordnet ist, der mit einer abgedichteten
Bohrung zurnDurchfluß des Kraftstoffes versehen ist und eine einstellbare Lagerung
für ein Zugelement, z.B. einen Federdraht, bildet, das durch den Innenraum des angesetzten
Längenteils E2 läuft und mit einem Trägerbolzen mit einer planen Abströmfläche verbunden
ist, die gegen eine ringförmige Schneidkante am vorderen Ende des Längenteils E2
durch die Kraft der Feder anliegt.
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Weitere Ausbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoff-Einspri tzventils
sowie seine bevorzugte Anordnung in dem Brennstoff-Luft-Mischkanal bzw. -raum sind
in den Unteransprüchen enthalten.
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Mit dem Brennstoff-Einspritzventil gemäß der Erfindung wird der wesentliche
Vorteil erreicht, daß nicht nur eine bessere Verströmung des Brennstoffes erzielt
wird, wodurch eine Brennstoff-Ersparnis resultiert, sondern daß durch die erfindungsgemäße
Anordnung des Einspritzventils auch eine wesentlich bessere Vermengung mit der Luft
bzw. dem Sauerstoff als Reaktionspartner zur nachfolgenden Verbrennung erzielt wird.
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Anhand der Zeichnungen soll am Beispiel bevorzugter Ausführungsformen
das erfindungsgemäße Brennstoff-Einspritzventil und seine Anordnung in dem Brennstoff-Luft-Mischkanal
bzw. -raum näher erläutert werden.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung des
Einspritzventils gemäß der Erfindung in Anordnung in einem Ansaugrohr.
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Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des vorderen Endes der
Einspritzdüse gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 * zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform des vorderen
Teiles der Einspritzdüse gemäß der Erfindung.
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch den hinteren Teil der Einspritzdüse
gemäß der Erfindung.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit des vorderen Teiles
der Einspritzdüse gemäß der Erfindung im Schnitt.
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Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit des hinteren Teils
der Einspritzdüse gemäß der Erfindung.
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Fig. 7 zeigt noch eine weitere Ausführungsmöglichkeit des hinteren
Teils der Einspritzdüse gemäß der Erfindung.
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Fig. 8 zeigt eine weitere Ausführungsmöglichkeit des vorderen Teils
der Einspritzdüse gemäß der Erfindung im Schnitt.
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Wie sich aus Fig. 1 ergibt, besteht das Ventil gemäß der Erfindung
grundsätzlich aus dem Längenteil El und dem angesetzten, beispielsweise angeschraubten,
fortführenden Längenteil E2, die als Hohlzy-In ender verschiedenen Durchmessers
ausgeführt sind.
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Das Ventil ist mittels einer Dichtung Di so in das Ansaugrohr Ar,
welches den Vermischungs- oder Ansaugraum L umschließt, eingesetzt, daß der Längenteil
El immer aus dem genannten Raum L herausragt und sich in atmosphärischer Druckumgebung
At befindet. Der weiterführende Längenteil E2 mit kleinerem Durchmesser ragt immer
in den genannten Raum L hinein und befindet sich unter den dort gegebenen Druckverhältnissen.
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Der Kraftstoff wird in Richtung des Pfeiles Kr durch die Leitung dem
hinteren Teil El zugeführt.
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Die beiden Druckräume L und At sind voneinander durch die Dichtung
Di getrennt.
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Wie sich insbesondere aus Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 4 ergibt,
reichen in den Innenraum des Längenteils El radiale Bohrungen 3, die mit der atmosphärischen
Druckumgebung At in Verbindung stehen.
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In dem genannten Innenraum ist ein mit einer Feder 7 belasteter Trennkolben
4 angeordnet, der auch durch eine entsprechende, federnde Kolbenmembran ersetzt
sein kann. Die Querschnittsfläche 4a des Trennkolbens 4, die dem atmosphärischen
Druck ausgesetzt ist, ist möglichst groß gewählt und zieht diesen Druck im wesentlichen
als Referenzdruck zum Brennstoffdruck auf die Gegenflächen 5 (Fig. 4) für die Ventilsteuerung
heran. Der Druckkolben 4 ist mit einer abgedichtegen Bohrung 4' und Querbohrungen
4" zum Durchfluß des Kraftstoffes versehen.
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Der federbelastete Trennkolben 4 bildet ferner am hinteren Ende eine
einstellbare Lagerung für ein Zugelement, z.B. einen Federdraht 11, das durch den
Innenraum des angesetzten Längenraums E2 läuft (Fig. 4 bzw. Fig. 5) und mit einem
Trägerbolzen 12 mit einer planen Abströmfläche 6 verbunden ist, die gegen eine ringförmige
Schneidkante K am vorderen Ende des Längenteils E2 durch die Kraft der Feder 7 anliegt.
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Die wirksame Querschnittsfläche des Trennkolbens 4 ist vorzugsweise
4mal größer als die plane Abstrahlfläche 6, die mit Kraftstoff beaufschlagt ist
(Fig. 2), wobei der Abströmkolben 2 im Raum L den dortigen Gegendruckschwankungen
ausgesetzt ist.
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Der zugfeste Federdraht 11 ist am vorderen Ende mit dem Trägerbolzen
12 und am hinteren Ende mit einer Schraube 10 dauerfest durch Verschweißen, Verlöten
oder Verklemmen verbunden, wobei die Einstellung der Spannung mittels einer auf
die Schraube 10 aufgeschraubten Mutter 9 erfolgt, die gegen die Rückwand 5 des Kolbens
4 festgeschraubt ist. Der beim Abströmen des Brennstoffes zu haltende Druck P (Fig.
2) wird durch die Feder 7 oder die Federung der Kolbenmembran bestimmt. Diese Federung
wird auf die Abströmfläche 6 übertragen und kann mittels der Mutter 9 eingestellt
werden.
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Das Zugelement 11 muß sehr zugfest sein, hat jedoch eine möglichst
kräftekleine Flexibilität aufzubringen, damit die Strömungsfläche 6 sich gut an
die Schneidkante K angleichen kann und das Ventil fast ohne Rückwirkung auf seine
Drucksteuerung Mikro-spalte zwischen Kante K und Fläche 6 einstellen kann.
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Während normalerweise der Querschnitt W des vorderen Teiles E2 das
Maß für die Federkräfte F (Fig. 2), die den Druckkräften P das Gleichgewicht halten,
wäre, bietet die vorgeschlagene Anordnung
die wesentli,ch größer
gestaltbaren Flächen 5 an (Fig. 4), so daß die Steuerkräfte um ein Mehrfaches größer
sind, als dem Abströmquerschnitt eigen wäre. Sowohl die Rückwirkungen der-dynamischen
Abström-Störkräfte als auch die Reibungen des Systems werden infolge dieser Maßnahme
unbedeutend. Da der mehrfach größere Flächenanteii des Trennkolbens 4 dem atmosphärischen
Bezugspunkt ausgesetzt ist und nur die kleine Fläche des Abströmelementes 2 die
Druckschwankungen des Raumes L in die Ventilsteuerung einspielt, ist auch dieses
Problem bis auf einen akzeptablen Prozentsatz (80 - 95 %) eliminiert, und zwar auf
direktem Wege mit übereinstimmender Kennlinie und mit der ummittelbarer; Wirksamkeit
der Ventildynamik selbst.
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Um auch eine Verbesserung der Brennstoffmischung mit dem Oxidations-Partner
zu erhalten, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, einen ringförmig um das Ventilabspritzelement
2 herum abgesprühten Flüssigkeits-Nebel- oder Gasvorhang zu erzeugen, der in der
Querschnittsebene W liegt (Fig. 1).
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Die Ebene W soll möglichst 900 zu den Strömungsparallelen L' liegen
und eher im Winkelbereich 6 gegen die Strömung LL' von der Senkrechten dazu abweichen,
als im Winkelbereich oc} mit maximal 150.
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Die Mittelachse Ac des Abströmelementes 2 soll symmetrisch in der
Mitte des Strömungsquerschnittes Q liegen, damit der abgeströmte Brennstoffvorhang
diesen gleichmäßig durchsetzen kann. Die Ausdehnung Q (Fig. 1) sollte möglichst
so gewählt werden, daß bei langsamst vorgesehener Strömung L unter dem festgelegten
Abströmdruck P der ringförmig ausgesendete Brennstoffvorhan g mit seiner größten
Ausdehnung gerade eben die Eingrenzung des Strömungsquerschnittes Q erreicht.
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Auf diese Weise muß der Gasstrom L den Brennstoffvorhang flüssig
oder gasförmig auf seinem ganzen Querschnitt druchdringen. Die beiden Strömungen
lenken sich gegenseitig ab und erzeugen hierbei ein Wirbelfeld, das zu einer fast
homogenen Vermengung führt. Die Wirbelbildungsintensität kann durch Bilden eines
stumpfkegel igen Brennstoffvqrhanges im Bereich {ß (Fig. 1), der gegen die Gasströmung
L gerichtet ist, beherrscht werden.
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Damit der Brennstoffvorhang richtig verwirbeln kann, muß er als Flüssigkeitsnebel
genügend aufgeschlossen, d.h. mechanisch in feinste "Tröpfchen" verkleinert, sein.
Dies wird erreicht, indem der Brennstoff unter dem vorgesehenen Druck P (Fig. 2)
zwischen Kante K und Ebene 6 beim Abströmen einen möglichst kleinen Spalt durchströmen
muß, der im Mikronbereich und darunter liegen sollte.
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Kleine Spalte können erhalten werden, wenn der aus dem funktionellen
Zusammenhang zwischen Druckdifferenz P-L (Fig. 1 und 2) und Brennstoffdurchflußmenge
gegebenen Abströmquerschnitt = Abströmspalt x Spaltlänge eine große Spaltlänge erhält.
Deshalb wird durch entsprechende Bemessung von D bzw. der Fläche des Abströmel ementes
2 gemäß der Erfindung der spaltumfang groß genug gewählt. Im praktischen Beispiel
sind Spalte bis 0,5 Mikron bemessen und erreicht worden.
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Um so kleine Spalte in Dichtigkeit und Drosselfunktion beherrschen
zu können, darf der Spalt eigentlich keine Durchströmungslänge im Drosselbereich
aufweisen. Dies ist mit herkömmlichen Kegelsitzen nicht möglich, weil durch die
Keilwirkung des Kegels die Anpreßkräfte hochgesetzt werden und eine Phase am Gegendruck
entstehen lassen und auch der axiale Verschiebeweg des Ventilkegels gegenüber der
Strömungsspaltöffnung noch untersetzt wird. Ferner erzeugen Ventil
kegel
bekannterweise beachtliche Strömungskräfte, die wie eine Hysteresis auf eine Ventilsteuerung
wirken, so daß bei Verkleinerung der Durchflußmenge ein "zu großer" Spalt offen
bleibt und also die Brennstoffaufschließung verschlechtert würde. Zudem gibt es
Schwierigkeiten mit der Herstellung der notwendung Fluchtungsgenauigkeit zwischen
Kegeiführung und zentrierendem Kegelsitz.
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Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, den Abströmspalt zwischen
einer als "Messerkante" bezeichneten Kante und einer planen Fläche zu erzeugen.
Die plane Fläche läßt sich mit wenig Umständen sehr genau eben und mit der notwendigen
hohen Oberflächengüte < 0,5 Mikron herstellen. Auch die "hlesserkante" ist seit
geraumer Zeit mit notwendiger Präzision und Oberflächengüte durch bekannte Schleif-
und Läppterfahren herzustellen.
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Die plane Fläche 6 des Abströmelementes 2 läßt radiale Fluchtungsfehler
ihrer Führung 13 (Fig. 3 und 5) im normalen Toleranzbereich zu, da sie trotzdem
zur dichten Anlage an der Kante K kommen kann.
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Es ist lediglich eine Ausgleichsmöglichkeit in der' quer zur Radialführung
liegenden Ebene erforderlich, die sogar eine gewisse "Lose" der Radialführung, durch
deren Länge und Passungsspiel bestimmbar, fordert und durch die Flexibilität des
Zugelementes 11 erfindungsgemäß gegeben ist.
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Wie sich aus Fig. 5 ergibt, kann der vordere Längenteil E2 mit dem
hinteren Längenteil El durch Schraubverbindung verbunden werden.
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Zur Führung des Zugelementes 11 können an der Vorderseite noch besondere
Einsätze vorgesehen sein, die aber den Durchtritt des Kraftstoffes- ermöglichen.
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hm Umfang des vorderen Längenteils El ist eine Riffelung oder ein
Gewinde vorgesehen, um eine gute Wärmeaustauschmöglichkeit zu gewährleisten. An
der Vorderseite ist die Spitze 16 verjüngt, um eine Wärmeübertragung nach dem "Löt
lelbenprinzip" nach vorne. für eine bessere Vergasung zu ermöglichen. Ferner soll
durch diese Maßnahme ein Schwingen der Spitze eintreten, damit die Gefahr von Verschmutzungen
an der Spitze vermieden wird und auch bei geringer Verschmutzung eine einwandfreie
Vernebelung des Kraftstoffes gewährleistet ist.
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Um ein freies Schwingen zu gewährleisten, ist das Führungsrohr 1,7
erst außerhalb des Schw i ngungsbereiches abgestützt.
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Wie strichpunktiert in der Mitte dargestellt ist, kann der vordere
Längenteil E2 in der in Fig. 5 wie auch in den folgenden Figuren dargestellten Form
mit einer Spule 18 versehen sein, die entweder als Heizspirale dient oder als induktive
Spule, um durch induktive Erhitzung den vorderen Teil zu erhitzen und gegebenenfalls
einen kleinen Magnetkörper 19 magnetisch zu mechanischen Schwingungen zu erregen,
der mit dem Zugelement 11 oder einem vorderen Teil des Trägerblockes 12 verbunden
ist.
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In Fig. 3 ist eine abgewandelte Ausführungsform von Fig. 5 gezeigt.
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Dort sind auf dem äußeren Umfang des Teiles E2 große Lamellen 15 vorgesehen,
die auch in gleicher Weise wie am hinteren Teil El zu Zwecken des besseren Wärmeaustausches
dienen.
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In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform des hinteren Längenteils
El dargestellt, bei welchem der Trennkolben 4 durch eine federnde Kolbenmembran
20 ersetzt ist,die, wie bei 21 dargestellt, auch noch mit einem Balg kleineren Durchmessers
versehen sein
kann. Die Rolbenmembran 20, 21 kann beispielsweise
aus einem Stufenbalg gebildet werden.
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In den Fig. 7 und 8 sind weitere Ausführungsmöglichkeiten des hinteren
Längenteils El und des vorderen Längenteils E2 im Schnitt dargestellt, wobei das
hintere Längenteil El etwa dem in Fig. 4 dargestellten entspricht. Lediglich an
der Vorderseite von El ist eine Umhüllung 22 vorgesehen, die über das vordere Längenteil
E2 läuft und einen Mantel zur Bildung eines Hohl raumes darstellt, um über die Einströmöffnungen
23 ein Wärmemedium, wie beispielsweise erwärmte Luft oder Wasser, einströmen zu
lassen.
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Wie sich insbesondere aus Fig. 8 ergibt, ist am vorderen Längenteil
ein Ventil 24 vorgesehen, welches bei Verwendung von erwärmter Luft geöffnet ist
und bei ; usströmen des zerstäubten Brennstoffes zusammen mit der Luft eine bessere
Verwirbelung ermöglicht. Bei Verwendung von Wasser wird das Ventil geschlossen oder
mit einer besonderen Dichtung verstehen, damit dieses Wärmemedium nicht aus dem
Hohlraum zwischen dem äußeren Mantel 22 und dem inneren Längenteil E2 austreten
kann.
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