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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft Einspritzventile zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Verbrennungsmotor und insbesondere ein Einspritzventil
mit Dralldüse zur
Ausgabe des Kraftstoffs in einem kegelförmigen Wirbelmuster mit einer
Achse, die in Relation zur Achse des Kraftstoff-Einspritzventils
versetzt oder abgewinkelt ist, um das kegelförmige Wirbelmuster in eine
gewünschte
Richtung strömen
zu lassen.
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STAND DER
TECHNIK
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Kraftstoff-Einspritzventile
werden bereits seit langem zum Einspritzen von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren
benutzt. Derartige Kraftstoff-Einspritzventile beinhalten typischerweise
einen länglichen Körper, der
eine Armatur besitzt, die ein Ventil und eine Nadel bzw. einen Stift
trägt,
der – da
er federbelastet ist – normalerweise
an einem Ende des Einspritzventils eine Düse durch einen Sitz schließt. Durch
periodische Beaufschlagung einer Spule im Körpers des Einspritzventils
mit Impulsen wird das Ventil periodisch geöffnet und geschlossen, um Kraftstoff
durch die Düse
in den Motorzylinder zu speisen. Typischerweise handelt es sich
bei dem Sprühnebelmuster,
das aus dem Einspritzventil strömt,
um ein kegelförmiges
Wirbelmuster. Es wird quantitativ durch einen äußeren kegelförmigen Sprühnebelmantel
dominiert, während
erheblich geringere Kraftstoffmengen im Innern des kegelförmigen Sprühnebelmusters
aus dem Einspritzventil strömen.
Die Achse des kegelförmigen
Musters ist in der Regel auf einen optimalen Teil des Motors oder
des Einspritzsystems gerichtet, und das Einspritzventil ist normalerweise so
ausgerichtet, dass die Achse des Einspritzventils und die Achse
des kegelförmigen
Sprühnebelmusters
zusammenfallen.
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In
bestimmten Motoren haben jedoch Einschränkungen, denen die Befestigung
der Einspritzventile unterliegen, die Notwendigkeit ergeben, den kegelförmigen Sprühnebel auf
den optimalen Teil des Motors oder des Einspritzsystems zu richten,
während
das Einspritzventil zugleich an einem Ort und in einer Position
befestigt ist, bei denen die Achse des Einspritzventils nicht mit
der Achse des kegelförmigen
Sprühnebelmusters
zusammenfällt.
Folglich entsteht ein Problem in Bezug darauf, wie ein wirbelndes,
kegelförmiges
Sprühnebelmuster
auf den optimalen Teil des Motors oder des Einspritzsystems gerichtet
und zugleich erreicht werden kann, dass das Einspritzventil in einem
von der Achse des kegelförmigen
Sprühnebelmusters
versetzten Winkel befestigt werden kann.
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Eine
Anstrengung, ein kegelförmiges
Sprühnebelmuster
zu lenken, das einen mit dem Muster zusammenhängenden Wirbel aufweist, wird
in einem Artikel dargestellt, der in der SAE-Publikation Nr. 970540
unter dem Titel „Entwicklung
eines Ottomotors mit Direkteinspritzung" veröffentlicht
wurde. Das in diesem Artikel beschriebene Einspritzventil hat etwas,
das ein Sprühnebelmuster
zu sein scheint, das im Winkel zur Achse des Einspritzventils liegt,
sowie einen stromaufwärts
liegenden Drallkörper
und eine stromabwärts
liegende Düse,
die offensichtlich von der Längsachse
des Einspritzventils abgewinkelt ist. Zwischen dem Drallkörper und
der abgewinkelten Düse
dieses Einspritzventils liegt jedoch eine Zwischenkammer oder -tasche,
wobei diese Kammer in Relation zur Düse vergrößert ist. Die Tasche reduziert
jedoch das Wirbelmuster in einem solchen Maße, dass der Kraftstoff – wenn er
das Einspritzventil verlässt – nicht
mehr in signifikanter Weise wirbelt. Dies bedeutet, dass das Wirbelmuster,
das vom stromaufwärts
vom Ventilsitz liegenden Drallkörper bewirkt
wird, erheblich reduziert wird, wenn der Kraftstoff den Ventilsitz
verlässt
und in die Tasche eintritt und wieder aus ihr austritt. Wegen der
vielen winkligen Oberflächen,
die die Tasche beschreiben, reduziert diese in nachteiliger Weise
die Wirkung des Wirbelmusters, das vom stromaufwärts von der Tasche liegenden
Drallkörper
bewirkt wird, und zwar in dem Maße, dass der vom Einspritzventil
ausgegebene kegelförmige
Sprühnebel – wenn überhaupt – nur sehr wenig
Wirbelwirkung aufweist.
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OE-A-195
18 950 (Nissan Motor) behandelt die Düse eines Kraftstoff-Einspritzventils,
die eine Sprühachse
hat, die von der Achse des Einspritzventilkörpers abgewinkelt ist; eine
Düsenauslass-Stirnfläche liegt
im Winkel zu einer Ebene, die senkrecht zur Sprühachse liegt.
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JP-A-07
119584 (Toyota) stellt einen Wirbel/eine Düse in einem Kraftstoff-Einspritzventil
dar.
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GB-A-2.170.269
(Daimler Benz) stellt ein Verbrennungsmotor-Kraftstoff-Einspritzventil dar, das
winklige Einsatznuten aufweist.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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In
einer ersten Ausführungsform
dieser Erfindung wird ein Einspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Verbrennungsmotor dargestellt, das Folgendes beinhaltet:
einen Einspritzventilkörper mit
einer Längsachse,
einem Kanal und einer Düse; ein
Ventil, das von besagtem Körper
getragen wird und zwischen einer offenen und einer geschlossenen Position
bewegbar und periodisch so steuerbar ist, dass ein Kraftstoffstrom
durch besagte Düse
in den Motor ermöglicht
wird; ein Drallkörper
stromaufwärts von
besagter Düse,
der so steuerbar ist, dass der Kraftstoff verwirbelt wird, der durch
besagte Düse strömt, wenn
besagtes Ventil in Position „offen" ist; dadurch gekennzeichnet,
dass besagtes Einspritzventil eine Endplatte beinhaltet, die besagte
Düse definiert,
und mit einer Aussenkung um die Außenfläche besagter Endplatte und
einem Rohr, das fest von besagter Aussenkung aufgenommen wird, wobei
besagtes Rohr eine Achse auf seinem stromabwärts liegenden Anteil hat; wobei
die Achse besagten Rohranteils einen eingeschlossenen stumpfen Winkel
in Relation zur Längachse
des Einspritzventilkörpers hat
und das Rohr so positioniert ist, dass es Kraftstoff durch die Düse aufnimmt,
und so konfiguriert ist, dass es den Kraftstoff stromabwärts von
der Düse
in einem kegelförmigen
Wirbelmuster strömen
lässt, das
eine Strömungsachse
hat, die winklig zu besagter Längsachse
liegt.
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Das
Rohr kann direkt winklig zur Achse der Öffnung versetzt gerichtet werden,
oder alternativ kann das Rohr einen ersten stromaufwärts liegenden Anteil
haben, der mit der Achse der Öffnung
zusammenfällt,
und einen zweiten stromabwärts
liegenden Anteil, der winklig in Relation zur Achse der Öffnung liegt.
Auf diese Weise führt
der Kraftstoff, der in einem wirbelnden Muster durch die Öffnung strömt, dieses
Muster fort, wenn er durch das Rohr strömt und seinen Winkel in Relation
zur Längsachse
des Einspritzventils ändert
und dadurch ein achsenversetztes, wirbelndes, kegelförmiges Sprühnebelmuster
produziert. Auf diese Weise strömt
der dem Kraftstoff vom Drallkörper
verliehene Wirbel im Betrieb reibungslos um die stumpfkeglige Oberfläche des
Ventilsitzes herum und bewirkt einen reibungslosen Übergang
zur Düse,
ohne um scharfe Kanten oder in ein vergrößertes Volumen oder eine vergrößerte Tasche
zu fließen.
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Folglich
wird das wirbelnde Muster beim Übergang
von der stumpfkegligen Oberfläche
in die abgewinkelte Öffnung
und außerhalb
davon so aufrecht erhalten, dass es das wirbelnde, kegelförmige Sprühnebelmuster
bildet. Es wird davon ausgegangen, dass der reibungslose Übergang
des wirbelnden Kraftstoffs vom Drallkörper zum Auslass der Düse ohne
wesentliche Strömungsturbulenzen,
die z. B. durch scharfe Kanten oder Krümmungen verursacht werden,
die Wirksamkeit des Drallkörpers
aufrecht erhält,
wenn der Kraftstoff vom Einspritzventil im wirbelnden, kegelförmigen Sprühnebelmuster ausgegeben
wird.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird ein Verfahren zum Einspritzen von Kraftstoff in einen
Verbrennungsmotor bereitgestellt; unter Verwendung eines Kraftstoff-Einspritzventils entsprechend
der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
beinhalten die Verfahrensschritte Folgendes: das Ventil zwischen
den Positionen „offen" und „geschlossen" periodisch bewegen,
um periodisch Kraftstoff durch besagte Düse in den Motor strömen zu lassen;
wenn dabei das Ventil in Position „offen" ist; stromaufwärts von besagter Düse den Kraftstoff
mittels des Drallkörpers
zum Wirbeln bringen, während
er durch besagte Düse
strömt;
stromabwärts
von besagter Düse
den Kraftstoff dazu bringen, durch einen Auslass in einem kegelförmigen Wirbelmuster
zu strömen,
das eine Achse hat, die von der Achse besagten Einspritzventilkörpers abgewinkelt
ist, so dass der Kraftstoff in einem kegelförmigen Wirbelmuster verwirbelt
werden kann, wenn er aus der Düse
tritt, und zwar in einem eingeschlossenen stumpfen Winkel in Relation
zu besagter Achse besagten Einspritzventilkörpers.
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Hauptzweck
dieser Erfindung ist es daher, eine neuartiges und verbessertes
Kraftstoff-Einspritzventil bereitzustellen, um ein kegelförmiges, wirbelndes
Sprühnebelmuster
aus Kraftstoff auf eine optimale Stelle im Motor oder Kraftstoff-Einspritzsystem
und versetzt zur Achse des Einspritzventils zu richten.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Längsschnittzeichnung
eines herkömmlichen
Einspritzventils;
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2 ist eine vergrößerte Querschnittzeichnung
der Spitze eines Einspritzventils, die den Drallkörper und
die Düse
zur Ausbildung eines kegelförmigen,
wirbelnden Sprühnebelmusters
enthält, das
eine Achse hat, die winklig zur Achse des erfindungsgemäßen Einspritzventils
liegt; Einspritzventil gemäß 3 im Schnitt 2-2;
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3 ist eine Querschnittzeichnung
dieses Einspritzventils, im Allgemeinen gemäß 2 bei Punkt 25 im Schnitt 3-3;
und
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4, 5 und 6 stellen
verschiedene Formen eines erfindungsgemäß gestalteten Einspritzventils dar,
die ein gekrümmtes
Rohr haben, um das winklige wirbelnde Sprühnebelmuster zu bewirken.
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GEWERBLICHE
VERWERTUNG DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen, insbesondere 1,
wird ein Kraftstoff-Einspritzventil veranschaulicht, das dem Einspeisen
von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor dient. Das Kraftstoff-Einspritzventil – im Allgemeinen
mit „10" bezeichnet, beinhaltet
einen Einspritzventilkörper 12, einen
zentralen Längskanal
zur Aufnahme des mit Druck stehenden Kraftstoffs, der vorn Einlass 16 an einem
Ende des Einspritzventils kommt, sowie eine Ventilbaugruppe am anderen
Ende, einschließlich
einer Endplatte 18 und eines Ventilstiftes bzw. einer Ventilnadel 20.
Stift 20 wird periodisch zwischen den Positionen „offen" und „geschlossen" in Relation zum Ventilsitz
und einer Düse 19 verschoben,
die Bestandteil der Endplatte 18 ist. Der Körper 12 beinhaltet
die Wicklungen 22, einen elektrischen Anschluss 24 für die Wicklungen
und eine Armatur 26, die mit dem Stift bzw. der Nadel 20 gekoppelt
ist, so dass die Armatur – wenn
sie mit elektrischen Impulsen beaufschlagt wird – den Stift bzw. die Nadel
dazu bringt, das Ventil periodisch zu öffnen und zu schließen, so dass
Kraftstoff periodisch durch die Düse 19 strömen kann.
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf eine herkömmliche
Einspritzventilkonstruktion.
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen 2 bis 6 wird ein Kraftstoff-Einspritzventil dargestellt,
das am unteren Ende des Ventilkörpers 12 eine
Endplatte 30 beinhaltet, die am Körper 12 befestigt
ist. Die Endplatte 30 beinhaltet eine Düse 32 und eine stromaufwärts von
der Düse 32 liegende
stumpfkeglige Oberfläche 34,
die einen Sitz für
das untere Ende des Ventilstiftes bzw. der Ventilnadel 20 bildet.
Das untere Ende des Körper 12 beinhaltet
einen Hohlraum 36, in dem eine Scheibe 38 angeordnet
ist, die einen axial gedrehten Flansch 40 aufweist. Die
Scheibe 38 hat eine Mehrzahl von Bohrungen 42,
die sich zwischen ihren entgegengesetzten Enden erstrecken und um eine
zentrale Achse der Scheibe 38 herum angeordnet sind. Die
Scheibe 38 beinhaltet zudem eine zentrale Öffnung 44,
durch die die Spitze des Stifts bzw. der Nadel 20 geht.
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Zwischen
der Scheibe 38 und der Endplatte 30 ist eine Drallscheibe 48 vorgesehen.
Die Drallscheibe beinhaltet eine Mehrzahl von Öffnungen 50, die – zusammen
an der Spitze des Einspritzventils – in Eingriff mit den Öffnungen 42 durch
Scheibe 38 liegen. Zusätzlich
beinhaltet die Drallscheibe 48 die Kanäle 52, die sich von
jeder der Öffnungen 50 in
tangentialer Richtung in Relation zum Stift 20 erstrecken und
diskrete Verbindungsgänge
definieren, um Kraftstoff zwischen den Öffnungen 50 und einer
ringförmigen
Kammer 56 um den Stift bzw. die Nadel 20 herum
zu übertragen,
wenn letztgenannte gegen Sitz 34 gedrückt ist. Man wird zu dem Schluss
kommen, dass Kraftstoff unter Druck um den Stift 20 herum
in einem ringförmigen
Kanal 60 zur Kammer 36 strömt. Der Kraftstoff strömt zudem
durch die eingreifenden Öffnungen 42 und 50 der
Scheibe 38 bzw. Drallscheibe 48 und in die Kanäle 52 und
die ringförmige
Kammer 56 um den Stift bzw. die Nadel 20 herum.
Wenn der Stift bzw. die Nadel – wie
in 2 veranschaulicht – in Position „geschlossen" ist, kann der Kraftstoff
nicht vom Einspritzventil durch die Düse 32 strömen.
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Nach
dem Öffnen
des Ventils, d. h., wenn der Stift bzw. die Nadel 20 vom
Sitz 34 entfernt wird, strömt Kraftstoff unter Druck durch
die Verbindungsgänge 52,
die den durch. die Spitze des Einspritzventils strömenden Kraftstoff
in eine wirbelnde Bewegung versetzen. Der wirbelnde Kraftstoff strömt dann zwischen
der Nadel bzw. dem Stift 20 und dem stumpfkegligen Ventilsitz 34 in
die Düse 32.
Typischerweise fällt
die Düse 32 zusammen
mit der Längsachse 64 des
Einspritzventils. Erfindungsgemäß hat die
Düse 32 jedoch
einen durch sie führenden
Strömungskanal,
der eine Mittelachse hat, die einen eingeschlossenen stumpfen Winkel
von weniger als 180° mit
der Achse 64 des Einspritzventils bildet. Auf diese Weise
bildet die Achse 66 der Düse 32 auch die Achse
eines kegelförmigen,
wirbelnden Sprühnebelmusters
(im Allgemeinen mit „68" bezeichnet), das
aus der Düse 32 herausströmt. Das kegelförmige Sprühnebelmuster
ist durch einen kegelförmigen
Mantel aus wirbelndem Kraftstoff um die Achse 66 herum
gekennzeichnet, wobei im Wesentlichen nur eine geringere Menge Kraftstoff
im Innern des kegelförmigen
Mantels des kegelförmigen Sprühnebelmusters
vorhanden ist. Die Wirbelwirkung wird durch die in den 2 und 3 festgelegte Struktur nicht signifikant
reduziert, da es reibungslose Übergangsbereiche
zwischen der Drallscheibe, die das wirbelnde Strömungsmuster erzeugt, und der abgewinkelten
Düse 32 gibt.
So gibt es – wie
in 2 veranschaulicht – einen
sehr flachen Winkel am Rand der stumpfkegligen Oberfläche 34,
der dem reibungslosen Übergang
des im Allgemeinen radial wirbelnden Kraftstoffs in ein im Allgemeinen
kegelförmiges
Wirbelmuster um den Sitz 34 herum dient. Der wirbelnde
Kraftstoff strömt
dann unter Druck durch die Düse 32,
wobei das Wirbelmuster weiter bestehen bleibt. Während der Winkel auf einer
Seite der Düse 32 groß ist, d.
h. auf der linken Seite der Düse 32 in 2, bleibt der Winkel auf
der entgegengesetzten Seite sehr flach. Natürlich variieren die Winkel
um Düse 32 herum
zwischen großen
und sehr flachen Winkeln. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass
der große
Winkel keine schädliche
Wirkung auf das Wirbelmuster des Kraftstroffstroms hat, da der mittlere
Winkel flach ist und einen reibungslosen Übergang ermöglicht, der den Wirbelstrom
aufrecht erhält.
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Bezugnehmend
auf 4 wird eine besonders
wirksame Struktur zur Ermöglichung
eines winkligen, kegelförmigen
Sprühnebelmusters
veranschaulicht. Die durch die Endplatte führende Düse beinhaltet eine Öffnung 70 und
ein Rohr 72, das mit der Endplatte 30a verbunden
ist. Die Achse der Öffnung 70 liegt
beispielsweise auf der Längsachse 64 des
Einspritzventils. Das Rohr 72 hat einen Durchgangskanal,
der einen stromaufwärts
liegenden Anteil 74 mit einer Achse hat, die im Allgemeinen
mit der Längsachse
des Einspritzventils zusammenfällt. Rohr 72 beinhaltet
außerdem
einen stromabwärts
liegenden Anteil 76, der eine Achse in seinem Durchgangskanal
hat, die winklig in Relation zur Achse des stromaufwärts liegenden
Anteil und zur Achse des Einspritzventils liegt. Das Rohr 72 ist
im Wesentlichen gekrümmt,
um das winklige, kegelförmige Sprühnebelmuster
zu bilden. Wichtig ist dabei, dass die Innenflächen des Rohrs gerundet sind
und reibungslose Übergänge zwischen
axialen und winklig dazu verlaufenden Strömen dergestalt bilden, dass die
Wirbelaktivität
des Kraftstoffs, der durch die Düse strömt, nicht
wesentlich reduziert wird, wenn sich der Strömungswinkel ändert. Die
Düse hat
eine Aussenkung bei 78, und das Rohr 72 ist an
der Endplatte 30a in der Aussenkung festgeschweißt. Eine
Aussenkung in der Endplatte erleichtert einen reibungslosen Übergang
an der Grenzfläche
zwischen dem Ende des Rohrs 72 und den Wänden der
Düse.
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Bezugnehmend
auf 5 – in der
identische Referenznummern für
gleiche Bauteile wie in der vorhergehenden Ausführungsbeispielen gelten, jedoch
gefolgt vom Suffix „b" – beinhaltet die Endplatte 30b in ähnlicher
Weise eine Öffnung 70b,
deren Achse auf der Achse des Einspritzventils liegt. Außerdem ist
ein Rohr 72b an der Endplatte 30b in einer Aussenkung 78b befestigt.
Das Rohr 72b hat einen stromaufwärts liegenden Anteil 74b und
einen stromabwärts
liegenden Anteil 76b, die auf der Achse bzw. winklig zur
Achse des Einspritzventils liegen. Eine Kappe 80, die vorzugsweise
aus Sintermetall gebildet ist, kann auf der Stirnfläche der
Endplatte 30b um das Rohr 72b herum ausgeformt
werden. Die Stirnfläche
der Kappe 80 kann winklig sein, um dem Winkel der Ausgangsöffnung des
Rohrs 72b zu entsprechen. Auf diese Weise ist das vorspringende Rohr
gut durch die Kappe 80 geschützt.
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Bezugnehmend
auf 6 – in der
identische Referenznummern für
gleiche Bauteile wie in der vorhergehenden Ausführungsbeispielen gelten, jedoch
gefolgt vom Suffix „c" – kann die Endplatte, die in 6 nicht dargestellt ist,
in ähnlicher
Weise wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen der 4 und 5 ausgeformt werden. In dieser Form kann
die Kappe 80c jedoch eine axiale Öffnung 82 zur Aufnahme
des stromaufwärts
liegenden Anteils 74c des Rohrs 72c haben, und
zwar zusammen mit einer achsenversetzten Aussparung oder Aussenkung 84,
die in der Kappenöffnung
durch ihre Unterseite führend
ausgeformt ist. Durch Einsetzen des gekrümmten Rohrs 72c in
die Öffnung 82 und
dessen Befestigung an der Endplatte, die in 6 nicht dargestellt ist, erstreckt sich
der untere, stromabwärts liegende
Anteil 76c des Rohrs vollständig durch die Aussparung 84.
Die Aussparung kann mit Schweißmaterial
ausgefüllt
werden, z. B. mittels Silberschweißen, was eine Schutzabdeckung
für das
Rohr 72c ermöglicht.
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Bei
allen diesen Ausführungsbeispielen
wird man zu dem Schluss kommen, dass das Wirbelmuster in 5, das durch die Drallscheibe
ermöglicht wird,
durch den stumpfkegligen Sitz fortgeführt wird, wenn das Ventil offen
ist, sowie durch die Düse
in allen ihren verschiedenen Formen, einschließlich der gekrümmten Rohre.
Dies ist das Ergebnis der reibungslosen Übergänge, die zwischen einem tangential
strömenden
Kraftstoff gebildet werden, der sein Wirbelmuster fortsetzt, wenn
er axial weiterströmt und
dann in winkliger Richtung umgelenkt wird. Das Fehlen scharfer Kanten
und Vorsprünge
verhindert Strömungsturbulenzen,
und die reibungslosen Übergangsflächen ermöglichen
eine Weiterführung
des durch die Drallscheibe bewirkten starken Wirbels, wenn der Kraftstoff
durch das offene Ventil strömt.
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Obwohl
die Erfindung in Zusammenhang mit dem, was derzeit als das ausführbarste
und bevorzugte Ausführungsbeispiel
gilt, beschrieben wurde, ist zu beachten, dass die Erfindung nicht
auf das dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt
ist, sondern im Gegenteil verschiedene Modifikationen und gleichwertige
Anordnungen abdeckt, die in den Schutzbereich der nachstehenden
Ansprüche
mit einbezogen werden.