EP0718550B1 - Einspritzdüse - Google Patents

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EP0718550B1
EP0718550B1 EP95810745A EP95810745A EP0718550B1 EP 0718550 B1 EP0718550 B1 EP 0718550B1 EP 95810745 A EP95810745 A EP 95810745A EP 95810745 A EP95810745 A EP 95810745A EP 0718550 B1 EP0718550 B1 EP 0718550B1
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EP
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injection nozzle
fuel
passage
gaseous media
nozzle according
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EP95810745A
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Robin T.D. Mcmillan
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ABB AG Germany
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Asea Brown Boveri AB
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D11/00—Burners using a direct spraying action of liquid droplets or vaporised liquid into the combustion space
    • F23D11/36—Details, e.g. burner cooling means, noise reduction means
    • F23D11/40—Mixing tubes or chambers; Burner heads
    • F23D11/402—Mixing chambers downstream of the nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C7/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply
    • F23C7/002—Combustion apparatus characterised by arrangements for air supply the air being submitted to a rotary or spinning motion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C2900/00—Special features of, or arrangements for combustion apparatus using fluid fuels or solid fuels suspended in air; Combustion processes therefor
    • F23C2900/07002—Premix burners with air inlet slots obtained between offset curved wall surfaces, e.g. double cone burners

Definitions

  • the invention relates to an injection nozzle for injecting Fuels in compressed gaseous media, the Injector essentially from a fuel line and there is a channel branching off the fuel line, the fuel line being substantially vertical extends longitudinally to the direction of injection of the fuel, and the channel, which is in the injection direction of the Fuel extends essentially by two Distribution plates are formed, and being a fuel through openings in the fuel line and the channel atomizing edges located downstream of the injection direction the distribution plates can be fed.
  • Such injection nozzles are known from EP-A1-0 433 790. They are used there for premix burners, the so-called Double cone burner conical from several bowls are built up.
  • the injectors make the Use a medium calorific gas as a fuel Early ignition of the mixture and allow stabilization of the mixing process. Liquid fuel is fed into a the nozzle of the premix burner in the combustion chamber injected. The atomizing power of this However, nozzles are generally insufficient.
  • one good mixing of combustion air and fuel before Ignition is usually not achieved because of atomized fuel does not come into contact with all combustion air is coming. This results in more fluid use
  • the invention has for its object in an injection nozzle of the type mentioned at the beginning manage to mix the liquid fuel with the Combustion air to improve the ignition beforehand and thereby reducing exhaust emissions.
  • the injector is simple and robust. It can be operated with a low fuel pressure because the momentum of the air flow is used to atomize.
  • the Fuel is distributed along the air inlet slots. Thereby creates a uniform and good mixture with the Combustion air before ignition. This results in one low pollutant emissions.
  • a coated plenum which usually that of a compressor, not shown conveyed combustion air and a combustion chamber 60 feeds. It can be a single combustion chamber or trade an annular combustion chamber.
  • the combustion chamber with a combustion chamber wall 63 is encased and by a front plate 54 is limited, a dome 55 is placed.
  • a burner 10 is arranged such that the burner outlet 18 is at least approximately flush with the front plate 54 the dome wall, perforated at its outer end, flows through the Combustion air from the plenum 50 into the interior of the cathedral and acts on the burners.
  • the fuel becomes the burner supplied via a fuel lance 20 which the dome and penetrates the plenum.
  • the schematically shown premix burner 10 is concerned a so-called double-cone burner, such as that used for example known from the aforementioned EP-A1-0 433 790 is.
  • a so-called double-cone burner such as that used for example known from the aforementioned EP-A1-0 433 790 is.
  • it consists in essentially of two hollow, conical partial bodies 11, 12, which are nested in the direction of flow.
  • the respective central axes 13, 14 of the two Partial body offset from each other.
  • the neighboring walls of the two partial bodies form tangential lines in their longitudinal extent Slots 19 for the combustion air on this Way into the interior of the burner.
  • the burner is powered by liquid fuel operated.
  • injection nozzles 1 running along these slots.
  • the injector extends essentially over the full length of the tangential slot 19 (Fig. 1).
  • the Exit plane of the fuel from the injector 1 is Usually located in the area where the highest combustion air speeds prevail, in the embodiment shown in the middle of the tangential slot 19.
  • the injection nozzles 1 are aerodynamic, drop-shaped on the outside designed to control the flow of combustion air so to disturb as little as possible.
  • the injection nozzle 1 consists of a Fuel line 2, which has a slot 6 along its length. From the slot 6 branches off a channel 7, which up to one Atomizing edge 5 leads.
  • the liquid fuel is from the fuel lance 20 via feed lines, not shown the fuel line 2 of the injector 1 out.
  • By the fuel line 2 becomes the fuel through the slots 6 passed to distribution plates 3, which form the channel 7.
  • the arrangement and size of these distribution plates 3 can be adjusted by spacers 8. this happens by including the flow of combustion air through the tangential slots 19 and the respective burner 10th be adjusted. In extreme cases, the distribution plate 3 extend over the entire length of the injector 1.
  • Rhombus-shaped distribution pins are on the distribution plate 4 arranged.
  • the thickness of the fuel film so produced is determined by the gap width t of the channel 7 of the injection nozzle 1 determined at the atomizing edge 5.
  • the liquid fuel can therefore introduced into the injection nozzle with relatively low pressure become. Due to the gap width t and thus the thickness the fuel film can be the size of the fuel droplets can be discontinued after atomization.
  • the gap width t becomes less than half a millimeter chosen to optimal mixing between fuel and To reach combustion air.
  • the invention is not as shown and described embodiment limited.
  • the shape and The number of distribution pins is essentially arbitrary, the only decisive factor is the regular distribution of the fuel.
  • the extension of the injection nozzles in the tangential The slot and location of the spacers must allow air flow through the tangential slot.
  • the burner can also use gaseous fuel operate. For this purpose are then in the area of the tangential Slots in the walls of the two partial bodies in Gas inlet openings distributed in the longitudinal direction in the form of nozzles intended. This begins in such a gas operation Mixture formation with the combustion air also in the zone the tangential entry slots.
  • FIG. 5 shows a conventional burner with swirl body 30, consisting essentially of a tube 32, a plurality of deflecting bodies 31 with a wing profile and a fuel lance 34 arranged in the middle.
  • the injection nozzles 1 described above can of course also be installed in the swirl body 30 between the deflection bodies 31. This ensures that the fuel and combustion air are optimally mixed prior to ignition.
  • the number of injection nozzles 1 can of course differ from FIG. 6 as desired and be adapted to the respective circumstances.
  • the injection nozzles 1 can be supplied with fuel directly from the fuel lance 34 via lines, not shown. 7 there is the possibility of integrating the injection nozzle directly into the deflection body 31a.
  • This integrated nozzle la is functionally identical to the injection nozzle 1.
  • the fuel line 2a is simply adapted to the spatial conditions in the deflection body 31a.
  • the fuel supply can of course also take place here through the fuel lance 34.
  • the shape and number of the distribution pins is essentially arbitrary.
  • the injectors can also be in other arrangements be used. Sufficiently high energies are essential gaseous media into which the liquid working fluid is injected becomes. So the injector can be used in any type of premix burner come into use.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Einspritzdüse zur Eindüsung von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien, wobei die Einspritzdüse wesentlich aus einer Brennstoffleitung und einem von der Brennstoffleitung abzweigenden Kanal besteht, wobei sich die Brennstoffleitung im wesentlichen senkrecht zur Eindüsungsrichtung des Brennstoffes längsförmig ausdehnt, und der Kanal, welcher sich in der Eindüsungsrichtung des Brennstoffes erstreckt, im wesentlichen durch zwei Verteilungsplatten gebildet ist, und wobei ein Brennstoff durch Öffnungen in der Brennstoffleitung und den Kanal zu stromab der Eindüsungsrichtung gelegenen Zerstäubungskanten der Verteilungsplatten zuleitbar ist.
Stand der Technik
Derartige Einspritzdüsen sind aus EP-A1-0 433 790 bekannt. Sie werden dort bei Vormischbrennern verwendet, die als sogenannte Doppelkegelbrenner kegelförmig aus mehreren Schalen aufgebaut sind. Die Einspritzdüsen verunmöglichen bei der Verwendung eines mittelkalorischen Gases als Brennstoff ein Frühzündung des Gemisches und ermöglichen eine Stabilisierung des Mischvorganges. Flüssiger Brennstoff wird über eine in der Spitze des Vormischbrenners angeordnete Düse in den Verbrennungsraum eingespritzt. Die Zerstäubungsleistung dieser Düsen ist im allgemeinen jedoch ungenügend. Zudem kann eine gute Vermischung von Verbrennungsluft und Brennstoff vor der Zündung dadurch üblicherweise nicht erreicht werden, da der zerstäubte Brennstoff nicht in Kontakt mit der gesamten Verbrennungsluft kommt. Dies führt bei der Verwendung flüssiger Brennstoffe zu relativ hohen Abgasemissionen, im speziellen zu hohen Stickoxydemission. Zur Senkung der Stickoxydemission ist die Einspritzung von demineralisiertem Wasser in den Brennraum nötig.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Einspritzdüse der eingangs genannten Art eine Möglichkeit zu schaffen, um die Vermischung von flüssigem Brennstoff mit der Verbrennungsluft vorgängig der Zündung zu verbessern und damit die Abgasemissionen zu senken.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Öffnungen der Brennstoffleitung schlitzförmig sind, und, dass zwischen den Verteilungsplatten Verteilungsstifte angeordnet sind.
Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass die Einspritzdüse einfach und robust konstruiert ist. Es kann mit einem geringen Brennstoffdruck gearbeitet werden, da zur Zerstäubung der Impuls des Luftstromes verwendet wird.
Bei der Verwendung der Einspritzdüse in einem Vormischbrenner, beispielsweise in einem Doppelkegelbrenner, wird der Brennstoff entlang der Lufteintrittschlitze verteilt. Dadurch entsteht eine gleichmässige und gute Vermischung mit der Verbrennungsluft vor der Zündung. Daraus resultiert eine geringe Schadstoffemission.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Vormischbrenners der Doppelkegelbauart schematisch dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1
einen Teillängsschnitt einer Brennkammer;
Fig. 2
einen Querschnitt durch einen Vormischbrenner der Doppelkegel-Bauart im Bereich seines Austritts;
Fig. 3
einen Teillängsschnitt durch eine Einspritzdüse;
Fig. 4
einen Querschnitt durch eine Einspritzdüse;
Fig. 5
einen Querschnitt durch einen Drallkörper;
Fig. 6
eine Draufsicht auf einen Drallkörper entgegen der Strömungsrichtung;
Fig. 7
eine teilweise Abwicklung des Drallkörpers.
Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt. Nicht dargestellt sind beispielsweise die Zu- und Anordnung des Brenners in der Brennkammer, die Brennstoffbereitstellung, die Regeleinrichtungen und dergleichen. Die Strömungsrichtung der Arbeitsmittel ist mit Pfeilen bezeichnet.
Weg zur Ausführung der Erfindung
In Fig. 1 ist mit 50 ein ummanteltes Plenum bezeichnet, welches in der Regel die von einem nicht dargestellten Verdichter geförderte Verbrennungsluft aufnimmt und einer Brennkammer 60 zuführt. Es kann sich dabei um eine Einzelbrennkammer oder eine Ringbrennkammer handeln.
Am Kopfende der Brennkammer, deren Brennraum mit einer Brennkammerwand 63 ummantelt ist und durch eine Frontplatte 54 begrenzt ist, ist ein Dom 55 aufgesetzt. In diesem Dom ist ein Brenner 10 so angeordnet, dass der Brenneraustritt 18 zumindest annähernd bündig ist mit der Frontplatte 54. Über die an ihrem äusseren Ende gelochte Domwandung strömt die Verbrennungsluft aus dem Plenum 50 in das Dominnere und beaufschlagt die Brenner. Der Brennstoff wird dem Brenner über eine Brennstofflanze 20 zugeführt, welche die Dom- und die Plenumwand durchdringt.
Beim schematisch dargestellten Vormischbrenner 10 handelt es sich um einen sogenannten Doppelkegelbrenner, wie er beispielsweise aus der eingangs genannten EP-A1-0 433 790 bekannt ist. Wie auch aus Fig. 2 ersichtlich, besteht er im wesentlichen aus zwei hohlen, kegelförmigen Teilkörpern 11, 12, die in Strömungsrichtung ineinandergeschachtelt sind. Dabei sind die jeweiligen Mittelachsen 13, 14 der beiden Teilkörper gegeneinander versetzt. Die benachbarten Wandungen der beiden Teilkörper bilden in deren Längserstreckung tangentiale Schlitze 19 für die Verbrennungsluft, die auf diese Weise in das Brennerinnere gelangt.
Der Brenner wird im Beispielsfall mit flüssigem Brennstoff betrieben. Hierzu sind im Bereich der tangentialen Schlitze 19 entlang dieser Schlitze verlaufende Einspritzdüsen 1 angeordnet. Die Einspritzdüse reicht im wesentlichen über die ganze Länge des tangentialen Schlitzes 19 (Fig. 1). Die Austrittsebene des Brennstoffes aus der Einspritzdüse 1 ist üblicherweise im Bereich angeordnet, wo die höchsten Verbrennungsluftgeschwindigkeiten vorherrschen, im gezeigten Ausführungsbeispiel in der Mitte des tangentialen Schlitzes 19. Weiter sind die Einspritzdüsen 1 aussen aerodynamisch, tropfenförmig ausgestaltet, um den Fluss der Verbrennungsluft so wenig wie möglich zu stören.
Nach Fig. 3 und Fig. 4 besteht die Einspritzdüse 1 aus einer Brennstoffleitung 2, die über ihre Länge einen Schlitz 6 aufweist. Vom Schlitz 6 zweigt ein Kanal 7 ab, der bis zu einer Zerstäubungskante 5 führt. Der flüssige Brennstoff wird von der Brennstofflanze 20 über nicht dargestellte Zuleitungen zu der Brennstoffleitung 2 der Einspritzdüse 1 geführt. Durch die Brennstoffleitung 2 wird der Brennstoff über die Schlitze 6 zu Verteilungsplatten 3 geleitet, die den Kanal 7 bilden. Die Anordnung und Grösse dieser Verteilungsplatten 3 kann durch Zwischenstücke 8 eingestellt werden. Dies geschieht durch Einbeziehung des Flusses der Verbrennungsluft durch die tangentialen Schlitze 19 und muss dem jeweiligen Brenner 10 angepasst werden. Im Extremfall kann sich die Verteilungsplatte 3 über die ganze Länge der Einspritzdüse 1 erstrecken. Auf der Verteilungsplatte sind rhombusförmige Verteilungsstifte 4 angeordnet. Durch die Verteilungsstifte 4 wird in Strömungsrichtung vor der Zerstäubungskante 5 der Brennstoff gleichmässig verteilt. Die Dicke des so erzeugten Brennstoff-Filmes wird durch die Spaltbreite t des Kanals 7 der Einspritzdüse 1 an der Zerstäubungskante 5 bestimmt. Zur Zerstäubung wird der Impuls der mit hohem Druck einströmenden Verbrennungsluft verwendet. Der flüssige Brennstoff kann deshalb mit relativ geringem Druck in die Einspritzdüse eingebracht werden. Durch die Spaltbreite t und damit der Dicke des Brennstoff-Filmes kann die Grösse der Brennstoff-Tröpfchen nach der Zerstäubung eingestellt werden. Ueblicherweise wird die Spaltbreite t kleiner als ein halber Millimeter gewählt, um eine optimale Vermischung zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft zu erreichen.
Am Brenneraustritt 18 des Brenners 10 stellt sich eine möglichst homogene Brennstoffkonzentration über dem beaufschlagten kreisringförmigen Querschnitt ein. Es entsteht am Brenneraustritt eine definierte kalottenförmige Rezirkulationszone 21, an deren Spitze die Zündung erfolgt. Die Flamme selbst wird durch die Rezirkulationszone vor dem Brenner stabilisiert, ohne einen mechanischen Flammenhalter zu benötigen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das gezeigte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Form und Anzahl der Verteilungsstifte ist im wesentlichen beliebig, entscheidend ist nur die regelmässige Verteilung des Brennstoffes. Die Erstreckung der Einspritzdüsen im tangentialen Schlitz und die Lage der Zwischenstücke muss dem Luftfluss durch den tangentialen Schlitz angepasst werden.
Der Brenner kann auch zusätzlich mit gasförmigem Brennstoff betrieben werden. Hierzu sind dann im Bereich der tangentialen Schlitze in den Wandungen der beiden Teilkörper in Längsrichtung verteilte Gaseinströmöffnungen in Form von Düsen vorgesehen. In einem solchen Gasbetrieb beginnt die Gemischbildung mit der Verbrennungsluft ebenfalls in der Zone der tangentialen Eintrittsschlitze.
Fig. 5 zeigt einen herkömmlichen Brenner mit Drallkörper 30, im wesentlichen bestehend aus einem Rohr 32, mehreren Umlenkkörpern 31 mit Flügelprofil und einer in der Mitte angeordneten Brennstofflanze 34.
Nach Fig. 6 können die oben beschriebenen Einspritzdüsen 1 selbstverständlich auch in den Drallkörper 30 zwischen den Umlenkkörpern 31 eingebaut werden. Dadurch wird eine optimale Vermischung zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft vorgängig der Zündung erreicht. Die Anzahl der Einspritzdüsen 1 kann dabei natürlich von der Fig. 6 beliebig abweichen und den jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden. Die Versorgung der Einspritzdüsen 1 mit Brennstoff kann direkt von der Brennstofflanze 34 über nicht dargestellten Leitungen erfolgen. Gemäss Fig. 7 besteht die Möglichkeit, die Einspritzdüse direkt in den Umlenkkörper 31a zu integrieren. Diese integrierte Düse la ist dabei funktionell gleich aufgebaut wie die Einspritzdüse 1. So wird beispielsweise die Brennstoffleitung 2a einfach den räumlichen Gegebenheiten im Umlenkkörper 31a angepasst. Die Brennstoffversorgung kann hier natürlich auch durch die Brennstofflanze 34 erfolgen. Selbstverständlich ist auch hier die Form und Anzahl der Verteilungsstifte im wesentlichen beliebig.
Die Einspritzdüsen können auch noch in anderen Anordnungen verwendet werden. Wesentlich sind genügend hohe Energien der gasförmigen Medien, in die das flüssige Arbeitsmittel eingedüst wird. So kann die Einspritzdüse in jeder Art von Vormischbrenner zur Anwendung kommen.
Bezugszeichenliste
1
Einspritzdüse
1a
Einspritzdüse im Umlenkkörper
2
Brennstoffleitung
2a
Brennstoffleitung in Umlenkkörper
3
Verteilungsplatte
4
Verteilungsstifte
5
Zerstäubungskante
6
Schlitz
7
Kanal
8
Zwischenstück
10
Doppelkegelbrenner
11
Teilkörper
12
Teilkörper
13
Mittelachse
14
Mittelachse
18
Brenneraustritt
19
tangentialer Schlitz
20
Brennstofflanze
21
Rückstromkalotte
30
Drallkörper
31
Umlenkkörper
31a
Umlenkkörper mit Einspritzdüse
32
Rohr
34
Brennstoflanze
50
Plenum
54
Frontplatte
55
Dom
60
Brennkammer
63
Brennkammerwand
t
Spaltbreite Einspritzdüse

Claims (7)

  1. Einspritzdüse zur Eindüsung von Brennstoffen in komprimierte gasförmige Medien, wobei die Einspritzdüse (1) wesentlich aus einer Brennstoffleitung (2) und einem von der Brennstoffleitung abzweigenden Kanal (7) besteht, wobei sich die Brennstoffleitung (2) im wesentlichen senkrecht zur Eindüsungsrichtung des Brennstoffes längsförmig ausdehnt, und der Kanal (7), welcher sich in der Eindüsungsrichtung des Brennstoffes erstreckt, im wesentlichen durch zwei Verteilungsplatten (3) gebildet ist, und wobei ein Brennstoff durch Öffnungen (6) in der Brennstoffleitung (2) und den Kanal (7) zu stromab der Eindüsungsrichtung gelegenen Zerstäubungskanten (5) der Verteilungsplatten (3) zuleitbar ist
       dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (6) der Brennstoffleitung (2) schlitzförmig sind, und, dass zwischen den Verteilungsplatten (3) Verteilungsstifte (4) angeordnet sind.
  2. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    im Kanal (7) mindestens ein Zwischenstück (8) angeordnet ist, wodurch mehrere Verteilungsplatten (3) gebildet werden.
  3. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einspritzdüse (1) auf der Aussenseite aerodynamisch ausgestaltet ist.
  4. Einspritzdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Spaltbreite (t) des Kanals (7) bei der Zerstäubungskante (5) höchstens einen halben Millimeter beträgt.
  5. Verwendung einer Einspritzdüse nach Anspruch 1 in einem Vormischbrenner der Doppelkegelbauweise, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Einspritzdüse (1) in den tangentialen Lufteintrittschlitzen (19) des Vormischbrenners der Doppelkegelbauart angeordnet ist.
  6. Verwendung einer Einspritzdüse nach Anspruch 1 mit einem von komprimierten gasförmigen Medien durchströmten Drallkörper (30), dadurch gekennzeichnet, dass in dem von komprimierten gasförmigen Medien durchströmten Drallkörper (30) mindestens eine Einspritzdüse (1) zwischen zwei benachbarten Umlenkkörpern (31), angeordnet ist.
  7. Verwendung einer Einspritzdüse nach Anspruch 1 mit einem von komprimierten gasförmigen Medien durchströmten Drallkörper (30), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens innerhalb eines Umlenkkörpers (31) des von komprimierten gasförmigen Medien durchströmten Drallkörpers(30) eine Einspritzdüse (la) angeordnet ist.
EP95810745A 1994-12-19 1995-11-29 Einspritzdüse Expired - Lifetime EP0718550B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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DE4445279A DE4445279A1 (de) 1994-12-19 1994-12-19 Einspritzdüse
DE4445279 1994-12-19

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EP0718550A1 EP0718550A1 (de) 1996-06-26
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