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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil für Brennkraftmaschinen,
wie es vorzugsweise für die Einspritzung von Kraftstoff
direkt in einen Brennraum einer schnelllaufenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine
verwendet wird.
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Stand der Technik
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Kraftstoffeinspritzventile,
die zur Einspritzung von Kraftstoff unter hohem Druck direkt in
einen Brennraum einer Brennkraftmaschine dienen, werden mit immer
höherem Druck betrieben. Teilweise werden schon heute Einspritzdrücke
von über 2000 bar erreicht. Der Kraftstoffdruck wird hierbei
durch eine Hochdruckpumpe erzeugt, die den verdichteten Kraftstoff
in einen Hochdruckspeicher fördert, das sogenannte Rail.
Aus diesem Rail werden meist mehrere Injektoren gespeist, die eine
bewegliche Ventilnadel aufweisen, mittels der Einspritzöffnungen
gesteuert durch ein elektrisches Steuerventil geöffnet
und zugesteuert werden, so dass Kraftstoff zum gewünschten
Zeitpunkt und in der gewünschten Dosierung in den Brennraum
ausgespritzt wird. Durch den hohen Kraftstoffdruck, der die Ventilnadel
umgibt, wirken auf die Ventilnadel große hydraulische Kräfte, die
zunehmend schwerer zu beherrschen sind.
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Für
eine exakte Einspritzung und gute Zerstäubung des Kraftstoffs
ist es insbesondere wichtig, dass die Ventilnadel schnell schließt.
Bei den bisher bekannten Einspritzventilen wird dies dadurch erreicht,
dass eine Niederdruckstufe vorgesehen ist, so dass der hydraulische
Druck in einem Steuerraum, der die Ventilnadel beaufschlagt und
mittels dem die Schließkraft auf die Ventilnadel ausgeübt wird,
größer ist als die Kräfte, die in Öffnungsrichtung
auf die Ventilnadel wirken. Durch diesen Überschuss an
hydraulischer Schließkraft lässt sich die Ventilnadel schnell
schließen und damit eine saubere Einspritzung erreichen.
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Mit
zunehmendem Druck tritt jedoch das Problem auf, dass es zu vermehrter
Leckage hin zum Niederdruckraum kommt, was durch zusätzliche Pumpleistung
kompensiert werden muss und letztendlich zu einem Kraftstoffmehrverbrauch
des Fahrzeugs führt. Lässt man die Niederdruckstufe
jedoch einfach weg, so ist die Ventilnadel dann, wenn sie zum Ende
der Einspritzung das Steuerventil schließt, indem sich
der hohe Kraftstoffdruck im Steuerraum wieder aufbaut, weitgehend
druckausgeglichen. Die Schließkraft könnte in
diesem Fall nur auf andere Weise, beispielsweise durch eine Feder
aufgebracht werden. Da das Einspritzventil jedoch auch bei geringen
Drücken öffnen muss, darf die Feder nicht zu stark
sein, so dass nur eine geringe Kraft auf die Ventilnadel ausgeübt
wird, was ein schnelles Schließen allein durch die Federkraft
unmöglich macht.
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Zur
Lösung dieses Problems ist aus der
DE 10 2007 032 741 A1 ein
Kraftstoffeinspritzventil bekannt, das einen Drosselbund aufweist.
Der Drosselbund ist nahe dem Ventilsitz angeordnet, von dem die Einspritzöffnungen
ausgehen, so dass zwischen dem Bund und der Wand des Druckraums,
in dem die Ventilnadel angeordnet ist, ein Drosselspalt gebildet wird.
Bei geöffnetem Einspritzventil, also dann, wenn die Ventilnadel
vom Ventilsitz abgehoben hat, ergibt sich dadurch ein Druckverlust,
so dass der Druck stromabwärts dieses Drosselspalts niedriger
ist als stromaufwärts. Dadurch vermindert sich die hydraulische
Kraft auf die Ventildichtfläche der Ventilnadel, so dass
nunmehr die Schließkraft dann, wenn das Steuerventil schließt
und der Kraftstoffdruck im Steuerraum erneut aufgebaut ist, ausreicht,
eine schließende Kraft auf die Ventilnadel aufzubauen,
die zu einem raschen Schließen führt. Die in der
DE 10 2007 032 741 vorgeschlagene
Drossel, die durch einen Bund an der Ventilnadel gebildet wird,
weist jedoch den Nachteil auf, dass die dort beschriebene scharfkantige
Drossel nur mit hohem Aufwand zu fertigen ist. Abweichungen von
der mittigen Lage oder Änderungen der Größe,
der Form oder der Ein- oder Auslaufkanten des Drosselspalts bewirken
eine merkliche Änderung der hydraulischen Eigenschaften
und damit des Drucks stromauf- und stromabwärts der Spaltdrossel.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Kraftstoffeinspritzventil
zur Verfügung zu stellen, bei dem der Drosselspalt durch
einen Bund an der Ventilnadel gebildet wird, der einfach zu fertigen
ist und unempfindlich gegenüber Toleranzabweichungen ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzventil löst
die gestellte Aufgabe, indem die Ventilnadel einen Bund aufweist,
der eine einlaufseitige Fläche und eine auslaufseitige
Fläche aufweist, wobei die einlaufseitige Fläche
verrundet oder konisch ausgebildet ist. Dies hat verschiedene Vorteile:
Zum einen ist eine solche verrundete oder konische einlaufseitige
Fläche kostengünstiger zu fertigen als eine scharfkantige,
also im rechten Winkel zur Ventilnadel abstehende Fläche.
Zum anderen ist eine solchermaßen gestaltete Fläche
stabil gegen Strömungsablösungen, so dass keine
Kavitationserscheinungen entstehen, die den Durchflusswiderstand
an der Spaltdrossel unkontrolliert beeinflussen.
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Besonders
vorteilhaft hat sich erwiesen, die einlaufseitige Fläche
im Querschnitt betrachtet mit einem Radius von 0,2 bis 0,3 mm zu
verrunden. Dies ergibt insbesondere bei Verwendung des Bundes und
des Einspritzventils bei der Einspritzung von Kraftstoff ideale
Verhältnisse am Bund hinsichtlich der Strömungsablösung
und der Fertigungskosten. Bei einer konisch ausgebildeten Einlauffläche
hat sich ein Winkel zur Längsachse der Ventilnadel von 50° bis
80° als besonders vorteilhaft erwiesen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung schließt sich
an die einlaufseitige Fläche ein zylindrischer Abschnitt
an, zwischen dem und der Wand des Druckraums der kleinste Durchflussquerschnitt
ausgebildet ist, der entweder nur über einen Teil des Bundumfangs
gebildet wird oder über den gesamten Umfang des Bundes.
Der zylindrische Abschnitt lässt sich leicht durch Materialabtragung
an der Außenseite auf einen exakten Durchmesser schleifen
bzw. durch Anschliffe entsprechende Durchlässe bilden, so
dass die Größe der gewünschten Spaltdrossel ohne
Weiteres einstellbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die auslaufseitige
Fläche des Bundes durch eine Konusfläche oder
eine gerundete gebildet, die sich unmittelbar an den zylindrischen
Abschnitt anschließt. Durch die zwischen dem zylindrischen
Abschnitt und der auslaufseitigen Fläche gebildeten Kante
ist sichergestellt, dass eine strömungsbedingte Abrisskante
gebildet wird, so dass sich die Strömung immer an diesem
Punkt definiert ablöst. Die Drosselwirkung der Spaltdrossel
wird somit robust gegenüber Einflüssen, wie z.
B. Oberflächenbeschaffenheit oder Kraftstoffeigenschaften.
Besonders vorteilhaft ist hierbei ein Differenzwinkel zwischen den beiden
Konusflächen der auslaufseitigen Fläche von 20° bis
30° vorzusehen.
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Für
eine optimale Drosselung, die unabhängig von der Reynoldszahl
ist, ist ein Verhältnis der Länge der Spaltdrossel
zum hydraulischen Durchmesser von > 2
und < 20 optimal,
da so eine weitgehende Temperaturunabhängigkeit erreicht
wird und die Spaltdrossel noch in einer Größenordnung
ist, die sich fertigungstechnisch mit vertretbarem Aufwand darstellen
lässt.
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Weiter
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung
sind der Beschreibung und der Zeichnungen entnehmbar.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
dargestellt.
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Es
zeigt
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1 einen
Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes
Kraftstoffeinspritzventil, wobei nur der brennraumseitige Teil des
Einspritzventils dargestellt ist, das ansonsten hinlänglich
aus dem Stand der Technik bekannt ist,
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2 einen
vergrößerten Ausschnitt von 1 im
Bereich des Bundes eines ersten Ausführungsbeispiels,
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3 denselben
Ausschnitt wie 2 eines zweiten Ausführungsbeispiels
und
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4 einen
Querschnitt durch die Ventilnadel im Bereich des Bundes einer alternativ
ausgestalteten Spaltdrossel.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Kraftstoffeinspritzventil
im Längsschnitt dargestellt, wobei nur der Teil des Einspritzventils
dargestellt ist, der in Einbaulage in einer Brennkraftmaschine dem
Brennraum zugewandt ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 1 weist
einen Ventilkörper 2 auf, in dem ein Druckraum 5 in
Form einer Bohrung ausgebildet ist. Der Druckraum 5 wird
brennraumseitig von einem im Wesentlichen konischen Ventilsitz 9 begrenzt,
von dem mehrere Einspritzöffnungen 7 ausgehen.
Im Druckraum 5 ist eine längsverschiebbare Ventilnadel 3 angeordnet,
die bezüglich der Längsachse des Druckraums 5 rotationssymmetrisch
ausgebildet ist. Die Ventilnadel 3 ist in einem Führungsabschnitt 103 im
Druckraum 5 geführt, wobei der Kraftstofffluss
am Führungsabschnitt 103 vorbei durch mehrere
Anschliffe 14 sichergestellt ist, die an der Außenseite
des Führungsabschnitts 103 ausgebildet sind. Die
Ventilnadel 3 weist an ihrem ventilsitzzugewandten Ende
eine Ventildichtfläche 11 auf, mit der die Ventilnadel 3 zum Öffnen
und Schließen der Einspritzöffnungen 7 mit
dem Ventilsitz 9 zusammenwirkt.
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Ventilsitzabgewandt
zum Führungsabschnitt 103 ist an der Ventilnadel 3 ein
Bund 17 ausgebildet, der an seiner Außenseite
eine Kante 18 aufweist. Zwischen der Kante 18 und
der Wand des Druckraums 5 ist eine Spaltdrossel 15 ausgebildet,
die bezüglich des Kraftstoffstroms durch den Druckraum 5 zu
den Einspritzöffnungen 7 den kleinsten Strömungsquerschnitt
darstellt. Die Spaltdrossel 15 ist hier als Ringspaltdrossel
ausgebildet, die einen Innendurchmesser Di und
einen Außendurchmesser Da aufweist.
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Der
zur Einspritzung bestimmte Kraftstoff wird durch eine in der Zeichnung
nicht dargestellte Hochdruckpumpe verdichtet und einem ebenfalls
in der Zeichnung nicht dargestellten Hochdruckspeicher zugeführt,
mit dem das Einspritzventil verbunden ist. Vom Hochdruckspeicher
wird der verdichtete Kraftstoff in den Druckraum 5 geleitet,
wo er durch den Druckraum 5 und dementsprechend auch durch die
Spaltdrossel 15 und die Anschliffe 14 in Richtung des
Ventilsitzes 9 strömt. Im geschlossenen Zustand des
Einspritzventils, d. h. wenn die Ventilnadel 3 auf dem
Ventilsitz 9 aufsitzt, verschließt die Ventilnadel 3 die
Einspritzöffnungen 7. Wird die Ventilnadel 3 vom Ventilsitz 9 wegbewegt,
was mit Hilfe eines in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten – aus
dem Stand der Technik jedoch hinlänglich bekannten – Steuerventils
durchgeführt wird, werden die Einspritzöffnungen 7 mit
dem Druckraum 5 verbunden, und Kraftstoff wird durch die
Einspritzöffnungen 7 in einen Brennraum der Brennkraftmaschine
ausgespritzt.
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Zur
Erzeugung einer größeren Schließkraft auf
die Ventilnadel 3 muss auf die Ventildichtfläche 11 ein
geringerer Kraftstoffdruck wirken als auf die gegenüberliegende
Stirnseite der Ventilnadel 3, die vom Druck im Steuerraum
beaufschlagt ist. Hierzu dient der Bund 17: Durch die Spaltdrossel 15 kommt es
zu einer Drosselung des Kraftstoffstroms, wenn die Ventilnadel 3 vom
Ventilsitz 9 abgehoben hat, so dass eine Druckdifferenz
zwischen den Bereichen vor und nach dem Bund 17 im Druckraum 5 auftritt. Diese
Druckdifferenz beträgt etwa 50 bis 100 bar bei einem Einspritzdruck
von 1600 bis 2000 bar. Die Form des Bundes 17 mit der Kante 18 bewirkt,
dass die Drosselung an der Spaltdrossel 15 weitgehend unabhängig
von der Reynoldszahl ist. Hierzu müssen folgende Bedingungen
erfüllt sein.
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Die
Wirkung einer Spaltdrossel wird durch zwei Größen
bestimmt: Zum einen durch den hydraulisch wirksamen Durchmesser
D
Hyd und zum anderen durch die Länge
der Spaltdrossel L. Der hydraulisch wirksame Durchmesser D
Hyd berechnet sich aus dem Quotienten von
durchströmtem Querschnitt und durchströmter Berandungslänge,
so dass allgemein gilt:
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Ist
die Spaltdrossel 15 durch einen Ringspalt gebildet, wie
in 1 dargestellt, so wird der durchströmte
Querschnitt und die Berandungslänge durch die Durchmesser
Da und Di gegeben,
also durch den Außendurchmesser des Bundes 17 und
durch den Durchmesser des Druckraums 5, wie in 1 dargestellt.
Setzt man die entsprechenden Formeln in die obige Gleichung ein,
so ergibt sich DHyd =
Da – Di.
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Die
Länge L der Kante 18 ist definiert durch die Länge
der Spaltdrossel 15, bei der der durchströmte
Querschnitt kleiner ist als das 1,2-fache des minimal durchströmten
Querschnitts. Damit die Unabhängigkeit von der Reynoldszahl
in dem Maße ist, wie für die Funktion des Einspritzventils
notwendig, muss das Verhältnis L zu DHyd < 20 sein. Die Unabhängigkeit
von der Reynoldszahl und damit von der Temperatur des Kraftstoffs
ist zwar dann nicht vollständig erfüllt, jedoch
für die Zwecke des Einspritzventils hinreichend.
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Um
die Fertigungstoleranzen einhalten zu können ist es ausreichend,
wenn das Verhältnis L zu DHyd > 2 eingehalten wird.
Vom physikalischen Standpunkt her ist zwar ein Verhältnis
L zu DHyd < 2
und damit scharfkantig vorteilhaft und führt zu einer absoluten
Temperaturunabhängigkeit, jedoch ist eine solche Kante
praktisch nicht zu fertigen, und bereits minimale Abweichungen von
den Maßen führt zu einem stark veränderten
Drosselverhalten der Spaltdrossel. Aus diesen Gründen ist
es ausreichend, wenn das Verhältnis L zu DHyd > 2 eingehalten wird.
Es gilt dann also: 2 < L/DHyd < 20
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Eine
solche Spaltdrossel wird auch als hydraulisch kurz bezeichnet.
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2 zeigt
eine vergrößerte Darstellung des Bundes 17 und
der Ventilnadel 3 eines ersten Ausführungsbeispiels,
wobei dieser Bereich in 1 mit II gekennzeichnet ist.
Der Bund 17 kann in drei Abschnitte unterteilt werden:
Eine einlaufseitige Fläche 20, einen zylindrischen
Abschnitt 22 und eine auslaufseitige Fläche 24.
Die einlaufseitige Fläche 20 ist gerundet ausgebildet
und in dem Bereich, in dem sie in den zylindrischen Abschnitt 22 übergeht,
mit einem Radius R gerundet. Der Radius R ist vorteilhafterweise
etwa 0,2 bis 0,3 mm. Durch die Rundung der einlaufseitigen Fläche 20 kann
der Bund 17 leichter und damit kostengünstiger
gefertigt werden und darüber hinaus ergibt sich der Vorteil,
dass die Strömung beim Einlauf in die Spaltdrossel 15 stabil
gegen Strömungsablösungen ist, so dass es unabhängig
von der Strömungsgeschwindigkeit zu keinen Instabilitäten
im Bereich der Spaltdrossel 15 kommt.
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Der
zylindrische Abschnitt 22 gibt im Wesentlichen die Länge
L des Drosselspalts wieder, jedoch ist – wie schon oben
erwähnt – die Länge L der Spaltdrossel
definiert als die Länge, in der der durchströmte
Querschnitt kleiner ist als das 1,2-fache des minimal durchströmten
Querschnitts. Dies ist in 2 dadurch
angedeutet, dass die Länge L etwas größer
ist als die Dicke des zylindrischen Abschnitts 22.
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Die
auslaufseitige Fläche 24 wird durch eine erste
Konusfläche 124, die sich direkt an den zylindrischen
Abschnitt 22 anschließt, und durch eine zweite
Konusfläche 224 gebildet, die den Abschluss des Bundes 17 bildet.
Durch die Ausformung der ersten Konusfläche 124 ist
am Übergang von der zylindrischen Fläche 22 eine
Kante 26 ausgebildet, durch die erreicht wird, dass sich
die Strömung des Kraftstoffs durch die Spaltdrossel 15 immer
an der gleichen Stelle, nämlich an der Kante 26,
ablöst. Dadurch wird die Drosselwirkung der Spaltdrossel 15 robust
gegenüber Einflüssen wie Oberflächenbeschaffenheit
und Kraftstoffeigenschaften. Vorteilhaft ist hierbei eine Winkeldifferenz
zwischen der ersten Konusfläche 124 und der zylindrischen
Fläche 22 von 20° bis 30°.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel des Bundes 17 dargestellt.
Die einlaufseitige Fläche 20' ist hier als Konusfläche
ausgebildet, die mit der Längsachse der Ventilnadel 3 einen
Winkel α einschließt. Dieser Winkel α liegt
bevorzugt im Bereich von 60° bis 80°. Die auslaufseitige
Fläche 24' ist hier ebenfalls als einfache Konusfläche
ausgeführt. Der Konus der einlaufseitigen Fläche 20' bewirkt ähnliche Vorteile
wie die verrundete einlaufseitige Fläche 20 in 2,
insbesondere ist eine solche Fläche leichter herstellbar
als eine exakt senkrecht zur Ventilnadel ausgerichtete einlaufseitige
Fläche.
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4 zeigt
eine weitere Ausbildung der erfindungsgemäßen
Spaltdrossel 15 und des Bundes 17 in einem Querschnitt.
Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispielen ist
hier die Spaltdrossel 15 nur über Teilbereiche
des Umfangs ausgebildet, die durch seitliche Anschliffe 28 gebildet
werden, so dass der Bund 17 im Querschnitt eine im Wesentlichen
dreieckförmige Gestalt aufweist. Dort wo keine Anschliffe 28 vorhanden
sind, ist der Spalt zwischen dem Bund 28 und der Wand des
Druckraums 5 so klein, dass praktisch eine Dichtung erreicht
wird. Die Anschliffe 28 sind hier der Deutlichkeit halber übertrieben
groß dargestellt, wobei sich die Länge K dieser
Anschliffe 25 natürlich nach der Länge
L des Bundes 17 richtet, um den gewünschten hydraulischen Durchmesser
zu erhalten. Es kann statt dreier Anschliffe 28, wie in 4 dargestellt,
auch eine größere oder kleinere Zahl von Anschliffen 28 vorgesehen sein,
beispielsweise 1, 2, 4, 5 oder 6.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel nach
4 muss der
hydraulische Durchmesser D
Hyd anders berechnet
werden als bei den Ausführungsbeispielen nach
2 und
3.
Ist S die Bogenlänge des Anschliffs
28, K die
Kantenlänge des Anschliffs
28 und A die Fläche,
die durch einen der Anschliffe
28 zwischen dem Anschliff
25 und
der Wand des Druckraums
5 gebildet wird, so ergibt sich
D
Hyd zu
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Statt
der Anschliffe 28 ist es auch möglich, andere
Ausnehmungen am Bund 17 vorzusehen, die die Spaltdrossel 15 bilden,
beispielsweise Nuten.
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Die
hier vorgeschlagene Spaltdrossel 15, die durch den Bund 17 und
die Wand des Druckraums 5 gebildet wird, ergibt also eine
Drosselung, die weitgehend unabhängig von der Reynoldszahl
ist und damit auch weitgehend unabhängig von der Temperatur. Durch
die gewählten Maße wird ein ausreichender Kompromiss
zwischen erreichbaren Fertigungstoleranzen und der Wirkung einer
Spaltdrossel, die durch eine scharfe Kante gebildet wird, erreicht.
Eine absolute Unabhängigkeit von der Reynoldszahl ließe
sich nur erreichen, wenn die Kante 18 des Bundes 17 ideal
scharfkantig wäre, was jedoch fertigungstechnisch nicht
darstellbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007032741
A1 [0005]
- - DE 102007032741 [0005]
