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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Brennstoffs, z.B. Wasserstoff oder Methan oder dergleichen, direkt in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einer verbesserten Nadelführung.
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Gasinjektoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Im Vergleich mit Kraftstoffinjektoren für flüssige Kraftstoffe sind die technischen Anforderungen an Gasinjektoren deutlich unterschiedlich. Problematisch ist hierbei insbesondere neben einer fehlenden Schmierung durch einen flüssigen Kraftstoff auch ein deutlich größeres Volumen des gasförmigen Mediums. Hierdurch können sich Probleme bei der exakten Zumessung für einen Einblasvorgang ergeben. Weiterhin entstehen im Betrieb hohe Temperaturen, insbesondere im Bereich eines Dichtbereichs zwischen einem Schließelement und einem Ventilsitz des Gasinjektors. Durch die Verbrennungsgase im Betrieb, welche bis zum Dichtbereich zwischen Schließelement und Ventilsitz reichen, können sich erhöhte Temperaturen am Dichtbereich ergeben, was zu einem erhöhten Verschleiß und einem möglichen erhöhten Verzug der Bauteile führt. Hierdurch können sich insbesondere Undichtheiten am Sitzbereich ergeben.
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Aus der
DE 10 2020 201 973 A1 ist z.B. ein Gasdosierventil für eine Brennkraftmaschine bekannt, das ein Gehäuse, in dem ein Gasraum ausgebildet ist, besitzt. Im Gasraum ist ein bewegliches Ventilelement angeordnet, das durch einen elektrischen Aktor entgegen der Kraft einer Rückstellfeder bewegbar ist und das mit einem Ventilsitz zum Öffnen und Schließen des Ventils zusammenwirkt. Eine Ventilnadel, die zusammen mit einem Schließglied ausgeführt ist, besitzt wenigstens einen Führungsbereich. Die Ventilnadel öffnet mit dem Schließglied zum Brennraum hin, so dass es sich um ein nach außen öffnendes Gasdosierventil handelt.
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Die Führungen der Ventilnadel sind aufgrund ihrer essenziellen Zentrierfunktion des Dichtsitzes als auch zur Vermeidung von Lagerverkippungen mit entsprechender Verschleißneigung grundsätzlich mit sehr kleinen Führungsspielen auszulegen. Für eine gute Zentrierung der Ventilnadel und eine möglichst große Anlagefläche zur Reduzierung des Verschleißes ist eine Führungsfläche üblicherweise umlaufend gestaltet.
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Nachteilig bei einer derartigen Gestaltung der Nadelführung kann sein, dass durch die umlaufend geschlossene Führungsfläche Partikel im gasförmigen Brennstoff, die von stromaufwärts im Gasinjektor hin zum Führungsbereich gelangen, in den engen Führungsspalt gedrückt werden und eingeklemmt werden. Die Folge können mechanische Klemmer durch Verkanten und/oder adhäsive und abrasive Verschleißerscheinungsformen bis zur Fressneigung sein. Insbesondere bei trocken laufenden Führungen ist dies besonders kritisch.
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Unterbrochene Führungen, bei denen Flächenanschliffe oder Aussparungen im Führungsbereich die Durchströmung realisieren, sind alternativ zu geschlossenen Führungen bekannt. Diese Art der Führungsgestaltung bietet zwar die Möglichkeit, dass Partikel im Gas durch aufgrund der Anschliffe gebildete Strömungstaschen hindurchströmen, weshalb hier ein Klemmen weitgehend ausgeschlossen ist. Nachteilig ist allerdings bei einer solchen Lösung, dass die Mantelfläche, die zur Darstellung der Führungseigenschaften bleibt, deutlich verkleinert wird und Verkippungen auftreten können.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasinjektor zum Einblasen eines gasförmigen Mediums, insbesondere zum Einblasen von gasförmigem Wasserstoff, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass bei einer großen umlaufenden Führungsfläche trotzdem zugleich ein Abtransport von Partikeln im Gas ermöglicht ist. Die Führungsfläche ist in vorteilhafter Weise vor Partikeln in der Fluidströmung geschützt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass dem wenigstens einem Führungselement an der Ventilnadel ein Partikelabweiser strömungstechnisch vorgeschaltet ist, der dafür sorgt, dass Partikel von der umfänglichen Führungsfläche des Führungselements ferngehalten werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung auf.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass der Partikelabweiser eine innere Öffnung für die Strömung des gasförmigen Brennstoffs besitzt, der konisch verjüngend in Strömungsrichtung verläuft. Auf diese Weise wird die Fluidströmung zur Ventilachse nach radial innen hin geleitet und damit vom weiter radial außen liegenden Führungsbereich weg. Des Weiteren werden durch den Aufbau eines radialen Druckgefälles infolge der Beschleunigung des Fluids durch die düsenartige Verengung des Partikelabweisers die Partikel tendenziell in Richtung zu nadelseitigen Durchströmöffnungen des Führungselements ausgelenkt, da im Führungsbereich der Führungsfläche ein höherer statischer Druck vorherrscht als im Hauptströmungsfeld (Bernoulli-Effekt).
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Zur weiteren Verstärkung dieses Effektes ist es vorteilhaft, wenigstens einen sehr kleinen Druckausgleichspfad vorzusehen, der kleiner als die abzuhaltenden Partikel mit ihren entsprechenden Partikelgrößen ist. Dieser Druckausgleichspfad liegt dabei radial weiter außen als die innere Öffnung des Partikelabweisers. Der Druckausgleichspfad kann am Strömungsbeginn des Partikelabweisers den höheren statischen Druck oberhalb stromaufwärts des Partikelabweisers „anzapfen“. Im Bereich zwischen dem Partikelabweiser und dem Führungselement herrscht damit dann ein höherer Druck als im radial inneren Bereich des Übergangs der durchmesserverkleinerten Öffnung des Partikelabweisers zu den Durchströmöffnungen hin, so dass ein Abströmen von Partikeln nach radial außen zum Führungsbereich hin ausgeschlossen werden kann.
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In vorteilhafter Weise können der Partikelabweiser und das Führungselement mit dünnwandigen Ringkragen bzw. Fortsätzen ausgeführt sein, die ineinander eintauchen, so dass eine Hubüberdeckung vorliegt, die in der Art einer Labyrinthdichtung den Führungsbereich besonders wirkungsvoll vor Partikeln der Gasströmung schützt.
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Der Gasinjektor ist vorzugsweise ein nach außen öffnender Injektor.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung sind:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines bekannten Gasinjektors im geschlossenen Zustand,
- 2 eine schematische Schnittansicht des brennraumseitigen Endes des Gasinjektors von 1 im geöffneten Zustand,
- 3 eine schematische Schnittansicht eines Führungselements der Ventilnadel mit einem strömungstechnisch vorgeschaltetem Partikelabweiser gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung mit geöffnetem und geschlossenem Ventil und
- 4 eine schematische Schnittansicht eines Führungselements der Ventilnadel mit einem strömungstechnisch vorgeschaltetem Partikelabweiser gemäß einem dritten und vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung mit geöffnetem und geschlossenem Ventil.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 die Erfindung gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben.
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1 zeigt beispielhaft und stark vereinfacht einen Gasinjektor 1 mit einem Magnetaktor 10. Der Magnetaktor 10 umfasst eine Magnetspule 3 zur Einwirkung auf einen axial beweglichen Anker 2, wobei der Magnetaktor 10 allgemein der Betätigung eines Schließelements 6 dient. Der Anker 2 ist mit einer Ventilnadel 4 wirkverbunden, also in jedem Fall in Kontakt bringbar. Die Ventilnadel 4 umfasst dabei an ihrem stromabwärtigen Ende das Schließelement 6, welches eine Durchgangsöffnung 20 an einem Dichtsitz 5 eines Ventilkörpers 21 freigibt und verschließt, wobei das Schließelement 6 beispielsweise als Ventilteller der Ventilnadel 4 ausgeführt ist. Am Dichtsitz 5 kann insofern ein Einblasquerschnitt freigegeben werden. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet ein als Schraubenfeder ausgebildetes Rückstellelement des Gasinjektors. Das Schließelement 6 ist z.B. mittels einer Ventilfeder 7 in der in 1 gezeigten, geschlossenen Position am Dichtsitz 5 gehalten.
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Wenn die Magnetspule 3 bestromt wird, bildet sich ein Magnetfeld aus, dessen Magnetkraft den Anker 2 in Richtung des Schließelements 6 bewegt, was mit dem Pfeil 11 gekennzeichnet ist. Dabei gelangt ein z.B. mit dem Anker 2 verbundener Ankerbolzen 9 zur Anlage mit der Ventilnadel 4, so dass das Schließelement 6 entgegen der Federkraft der Ventilfeder 7 am Dichtsitz 5 abheben kann und die Durchgangsöffnung 20 geöffnet wird. Der Anker 2 wird dabei z.B. bis zu einem Hubanschlag 16 für den Anker 2 bewegt, was den vollständigen Öffnungszustand des Gasinjektors darstellt.
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Zum Schließen des Gasinjektors 1 wird die Bestromung der Magnetspule 3 beendet, so dass das Rückstellelement 8 den Anker 2 wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsposition zurückstellt. Gleichzeitig stellt auch die Ventilfeder 7 das Schließelement 6 in die in 1 gezeigte, geschlossene Position zurück. Bei diesem Ventiltyp handelt es sich insofern aufgrund der Bewegungsrichtung des Schließelements 6 um ein nach außen öffnendes Ventil.
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Alternativ zu dem beschriebenen Magnetaktor 10 kann das Schließelement 6 auch mittels eines nicht gezeigten Piezoaktors betätigt werden. Die Ventilnadel 4 kann auch neben einer mechanischen Übersetzung hydraulisch übersetzt nach außen ihre Öffnungsbewegung vollziehen. Ebenso ist es denkbar, die Ventilnadel 4 rein hydraulisch über einen Druckanstieg des einzubringenden Mediums zu öffnen. Daneben sind auch Ausführungsformen mit indirekter Ansteuerung der Ventilnadel 4 über ein Servo-Prinzip realisierbar.
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Der Gasinjektor 1 wird mit einem einzublasenden gasförmigen Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, über eine schematisch angedeutete Gaszuleitung 12 versorgt. In der Gaszuleitung 12 ist z.B. ein Drucksensor 13 angeordnet, welcher mit einer Steuereinheit 14 verbunden ist. Mit den Pfeilen 15 ist die Gasströmungsrichtung angedeutet.
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Zur Führung der Ventilnadel 4 in einem Ventilgehäuse, insbesondere auch in dem zum Ventilgehäuse gehörenden Ventilkörper 21, während ihrer Axialbewegung entlang der Axialrichtung X-X des Gasinjektors 1 weist die Ventilnadel 4 wenigstens ein Führungselement 25 auf. In der dargestellten vereinfachten Ausführung besitzt die Ventilnadel 4 zwei Führungselemente 25.
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In der 2 ist der stromabwärtige Endbereich des Gasinjektors 1 zum besseren Verständnis der Erfindung als Teilansicht vergrößert dargestellt. Dabei ist ein unteres, stromabwärtiges Führungselement 25 zu sehen, das entweder einteilig mit der Ventilnadel 4 ausgebildet ist oder auf deren Schaft sicher und fest angebracht ist. Die präzise Führung der Ventilnadel 4 im Ventilkörper 21 während ihrer Axialbewegung erfolgt über eine umfängliche Führungsfläche 26, die zur verklemmfreien Führung exakt gearbeitet ist. Im Führungselement 25 ist wenigstens eine Durchströmöffnung 27 vorgesehen; im Normalfall sind zwischen drei und zehn Durchströmöffnungen 27 ausgeformt.
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Die Führungen der Ventilnadel 4 sind aufgrund ihrer essenziellen Zentrierfunktion des Dichtsitzes 5 als auch zur Vermeidung von Lagerverkippungen mit entsprechender Verschleißneigung grundsätzlich mit sehr kleinen Führungsspielen auszulegen. Für eine gute Zentrierung der Ventilnadel 4 und eine möglichst große Anlagefläche zur Reduzierung des Verschleißes ist die Führungsfläche 26 üblicherweise umlaufend zu gestalten.
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Nachteilig bei einer derartigen Gestaltung der Nadelführung kann sein, dass durch die umlaufend geschlossene Führungsfläche 26 Partikel im gasförmigen Brennstoff, die von stromaufwärts im Gasinjektor 1 hin zum Führungsbereich gelangen, in den engen Führungsspalt gedrückt werden und eingeklemmt werden. Die Folge können mechanische Klemmer durch Verkanten und/oder adhäsive und abrasive Verschleißerscheinungsformen bis zur Fressneigung sein. Insbesondere bei trocken laufenden Führungen ist dies besonders kritisch.
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Unterbrochene Führungen, bei denen Flächenanschliffe oder Aussparungen im Führungsbereich die Durchströmung realisieren, sind alternativ zu geschlossenen Führungen bekannt. Diese Art der Führungsgestaltung bietet zwar die Möglichkeit, dass Partikel im Gas durch aufgrund der Anschliffe gebildete Strömungstaschen hindurchströmen, weshalb hier ein Klemmen weitgehend ausgeschlossen ist. Nachteilig ist allerdings bei einer solchen Lösung, dass die Mantelfläche, die zur Darstellung der Führungseigenschaften bleibt, deutlich verkleinert wird und Verkippungen auftreten können.
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Zur Vermeidung, dass Partikel in den Führungsbereich bei einer Führung mit umlaufend geschlossener Führungsfläche 26, wie sie in 2 dargestellt ist, gelangen, wird nun als Kern der Erfindung ein strömungsmechanisches Designelement vorgeschlagen, welches die Strömung von dem Führungskontaktbereich und damit auch die Partikel infolge ihrer Massenträgheit fernhält.
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Erfindungsgemäß wird deshalb eine Designlösung beschrieben, die eine große umlaufende Führungsfläche 26 besitzt und bei der trotzdem zugleich ein Abtransport von Partikeln ermöglicht ist. In besonders vorteilhafter Weise ist im Inneren des Gasinjektors 1 dem wenigstens einem Führungselement 25 ein Partikelabweiser 28, 29, 30, 31 strömungstechnisch vorgeschaltet, der dafür sorgt, dass Partikel von der umfänglichen Führungsfläche 26 des Führungselements 25 ferngehalten werden.
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In der 3 ist eine schematische Schnittansicht eines Führungselements 25 der Ventilnadel 4 mit einem strömungstechnisch vorgeschaltetem Partikelabweiser 28, 29 gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung mit geöffnetem und geschlossenem Ventil gezeigt. Dabei zeigt die linke Seite der 3 den Zustand der Ventilnadel 4 mit dem Führungselement 25 bei geschlossenem Ventil, während auf der rechten Seite der 3 der Zustand der Ventilnadel 4 mit dem Führungselement 25 bei vollständig geöffnetem Ventil dargestellt ist. Mit dem Doppelpfeil 35 ist insofern das Maß für den gesamten Ventilnadelhub angezeigt.
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Neben der Darstellung der beiden maximalen Bewegungszustände der Ventilnadel 4 zusammen in der 3 sind des Weiteren auch noch zwei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikelabweisers dargestellt. Dabei zeigt die 3 auf der linken Seite eine Ausführungsform des Partikelabweisers 28, der einteilig zusammen mit dem Ventilkörper 21 oder einem anderen Abschnitt des Ventilgehäuses mit ausgeformt ist. Der Partikelabweiser 28 ist dabei ein Bauteilabschnitt, der z.B. mit einer Schräge nach innen zur Ventilachse X-X verlaufend eine innere Öffnung für die Strömung des gasförmigen Brennstoffs besitzt, der konisch verjüngend verläuft. Auf diese Weise wird die mit Pfeilen 32 gekennzeichnete Fluidströmung zur Ventilachse X-X und damit zu den Durchströmöffnungen 27 hin geleitet.
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Des Weiteren werden durch den Aufbau eines radialen Druckgefälles infolge Beschleunigung durch die düsenartige Verengung des Partikelabweisers 28 die Partikel tendenziell in Richtung der nadelseitigen Durchströmöffnungen 27 ausgelenkt, da im Führungsbereich der Führungsfläche 26 ein höherer statischer Druck vorherrscht als im Hauptströmungsfeld (Bernoulli-Effekt). Zur weiteren Verstärkung dieses Effektes kann zusätzlich ein sehr kleiner Druckausgleichspfad 33, der kleiner als die abzuhaltenden Partikel mit ihren entsprechenden Partikelgrößen ist, integriert werden. Dieser Druckausgleichspfad 33 kann z.B. eine mittels Laser ausgeformte Nut sein. Der Druckausgleichspfad 33 kann am Strömungsbeginn des Partikelabweisers 28 den höheren statischen Druck oberhalb stromaufwärts des Partikelabweisers 28 „anzapfen“. Im Bereich zwischen dem Partikelabweiser 28 und dem Führungselement 25 herrscht damit ein höherer Druck als im radial inneren Bereich des Übergangs der durchmesserverkleinerten Öffnung des Partikelabweisers 28 zu den Durchströmöffnungen 27 hin, so dass ein Abströmen von Partikeln nach radial außen zum Führungsbereich hin ausgeschlossen werden kann. Alternativ zu einem einzigen Druckausgleichspfad 33 können auch mehrere Druckausgleichspfade 33 über den Umfang verteilt vorgesehen sein.
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Wie in der 3 auf der rechten Seite gezeigt, kann der Partikelabweiser 29 auch ein eigenständiges Bauteil sein, das also optional in einem speziell dafür z.B. mit Aufnahmeschultern ausgestalteten Abschnitt des Ventilkörpers 21 einsetzbar und dort befestigbar ist und dabei die gleiche Funktionalität wie zuvor beschrieben besitzt.
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Der maximale Austrittsdurchmesser der inneren Öffnung des Partikelabweisers 28, 29 sollte nicht größer sein als die maximale radiale Ausdehnung der Durchströmöffnungen 27, so dass ein optimaler Strömungsübergang gewährleistet ist.
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In der 4 ist eine schematische Schnittansicht eines Führungselements 25 der Ventilnadel 4 mit einem strömungstechnisch vorgeschaltetem Partikelabweiser 30, 31 gemäß einem dritten und vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Darstellung mit geöffnetem und geschlossenem Ventil gezeigt. Dabei zeigt die linke Seite der 4 den Zustand der Ventilnadel 4 mit dem Führungselement 25 bei geschlossenem Ventil, während auf der rechten Seite der 4 der Zustand der Ventilnadel 4 mit dem Führungselement 25 bei vollständig geöffnetem Ventil dargestellt ist. Mit dem Doppelpfeil 35 ist insofern das Maß für den gesamten Ventilnadelhub angezeigt.
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Neben der Darstellung der beiden maximalen Bewegungszustände der Ventilnadel 4 zusammen in der 4 sind des Weiteren auch noch zwei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikelabweisers dargestellt. Dabei zeigt die 4 auf der linken Seite eine Ausführungsform des Partikelabweisers 30, der einteilig zusammen mit dem Ventilkörper 21 oder einem anderen Abschnitt des Ventilgehäuses mit ausgeformt ist. Der Partikelabweiser 30 ist dabei ein Bauteilabschnitt, der z.B. mit einer Schräge nach innen zur Ventilachse X-X verlaufend eine innere Öffnung für die Strömung des gasförmigen Brennstoffs besitzt, der konisch verjüngend verläuft. Auf diese Weise wird die mit Pfeilen 32 gekennzeichnete Fluidströmung zur Ventilachse X-X und damit zu den Durchströmöffnungen 27 hin geleitet. Der strömungsmechanische Effekt ergibt sich auch an den beiden in 4 dargestellten Ausführungsbeispielen wie zuvor zu den ersten beiden Ausführungsbeispielen gemäß 3 beschrieben.
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Zur weiteren Verstärkung des aufgrund der geometrischen Auslegung erzielten Bernoulli-Effektes kann auch zusätzlich wieder ein sehr kleiner Druckausgleichspfad 33, der kleiner als die abzuhaltenden Partikel mit ihren entsprechenden Partikelgrößen ist, oder können mehrere derartige Druckausgleichspfade 33 integriert werden. Auf der linken Seite der 4 ist dies angedeutet.
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Die beiden Ausführungsvarianten der 4 zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der Partikelabweiser 30, 31 einen stromabwärtigen dünnwandigen Ringkragen 36 aufweist. Dieser zum Führungselement 25 hin gerichtete Ringkragen 36 stellt kreisringzylindrischen Hubüberdeckungsvorsatz dar, der in einen ebenfalls dünnwandigen, stromaufwärts gerichteten, ringkragenförmigen Fortsatz 37 des Führungselements 25 und damit der axial beweglichen Ventilnadel 4 eintaucht. Der Ringkragen 36 des Partikelabweisers 30, 31 und der Fortsatz 37 des Führungselements 25 weisen dabei eine große axiale Überdeckungslänge auf. Insbesondere bei großen Nadelhüben wird ein Eindringen der Partikel in den Führungsbereich damit sehr wirkungsvoll vermieden. Diese vorteilhafte Bauart besitzt insofern die Struktur einer Labyrinthdichtung.
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Wie in der 4 auf der rechten Seite gezeigt, kann der Partikelabweiser 31 auch ein eigenständiges Bauteil sein, das also optional in einem speziell dafür z.B. mit Aufnahmeschultern ausgestalteten Abschnitt des Ventilkörpers 21 einsetzbar und dort befestigbar ist und dabei die gleiche Funktionalität wie zuvor beschrieben besitzt.
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Der maximale Austrittsdurchmesser der inneren Öffnung des Partikelabweisers 30, 31 im Bereich des Ringkragens 36 sollte nicht größer sein als die maximale radiale Ausdehnung der Durchströmöffnungen 27, so dass ein optimaler Strömungsübergang gewährleistet ist.
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Zu allen beschriebenen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass beliebige Kombinationen der in den Ausführungsbeispielen dargestellten Merkmale möglich sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020201973 A1 [0003]
