EP0140148A2 - Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen Download PDF

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EP0140148A2
EP0140148A2 EP84111313A EP84111313A EP0140148A2 EP 0140148 A2 EP0140148 A2 EP 0140148A2 EP 84111313 A EP84111313 A EP 84111313A EP 84111313 A EP84111313 A EP 84111313A EP 0140148 A2 EP0140148 A2 EP 0140148A2
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heating element
injection nozzle
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resistance
disc
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Gerhard Auwärter
Werner Dr. Dipl.-Phys. Grünwald
Ernst Imhof
Iwan Komaroff
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M53/00—Fuel-injection apparatus characterised by having heating, cooling or thermally-insulating means
    • F02M53/04—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means
    • F02M53/06—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means with fuel-heating means, e.g. for vaporising
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices

Definitions

  • the invention relates to a device for injecting fuel according to the preamble of the main claim.
  • Devices of this type have the advantage that braking of the spray jet due to the formation of negative pressure and beam deformation in the channel of the incandescent body can be avoided in practically all operating points of the internal combustion engine, so that the spray jets emerge from the channel with the desired geometry and without brakes at the maximum outflow speed.
  • the air drawn into the duct heats up and penetrates into the peripheral zones of the spray jets, where, in contrast to the core zone, there are finer fuel droplets and, because of the smaller droplet density than in the jet core, there is a very favorable fuel-air ratio for ignition and combustion.
  • the arrangement of a glow element near the front end of the injection nozzle on the combustion chamber side could lead to the problem that the injection openings in this end end tend to coke faster than in the case of injection nozzles without an incandescent element due to the additional heat.
  • the main patent already proposes to provide a heat shield between the injection nozzle and the incandescent body, which can carry a metallic heat protection ring from case to case. is provided with an annular lip pressing against the end face of the injection nozzle for dissipating the heat. This arrangement is not sufficient in all cases to reliably prevent an undesirably strong heating of the end of the injection nozzle on the combustion chamber side if the glow body radiates too much heat to the nozzle base.
  • the arrangement according to the invention with the characterizing features has the advantage that effective protection of the injection nozzle against overheating by the incandescent body can be achieved even in extreme cases with simple means.
  • the electrical resistance with PTC characteristic increases with increasing temperature at the end face of the injection nozzle, with the heating current increasing throttled and a harmless limit temperature is adjusted as a result. At the same time, the heating element itself is protected against overload and its service life is increased.
  • the electrical resistance can advantageously have an exponential course of the resistance value in the still permissible limit temperature range.
  • the resistor acts to a certain extent as a switch, which switches the heating current on and off in accordance with the heat radiation directed against the injection nozzle.
  • the permissible limit temperature can be maintained more precisely than with resistors whose resistance value changes continuously with the temperature.
  • the electrical resistance is designed as a disk-shaped body, which is arranged between the heating element and the combustion chamber end of the injection nozzle is particularly advantageous.
  • the disk-shaped resistance body additionally acts as a mechanical shield for the injection nozzle against the heat radiation of the incandescent body.
  • the injection nozzle 10 has a nozzle body 12 in which a valve seat 14 is formed and a valve needle 16 is slidably mounted. This has a sealing cone 18 which cooperates with the valve seat 14, to which a throttle pin 20 connects, which plunges into a spray opening 22 in the nozzle body 12.
  • the spray opening 22 opens out at the end face 24 of the injection nozzle facing the combustion chamber, which ends via a conical wall section 26 into the cylindrical outer surface of the nozzle body 12.
  • the nozzle body 12 is clamped by a union nut 28 together with an intermediate washer 30, as usual, to a nozzle holder, which is no longer shown in the drawing, which has a connection for a fuel line and is provided on the inside with a chamber for receiving a closing spring which holds the valve needle 16 presses against valve seat 14.
  • the union nut 28 is adapted to the outer shape of the nozzle body 12 and is accordingly provided with a conical bore section 31.
  • a fuel channel leads from the nozzle holder through the intermediate disk 30 into an annular groove 32 in the nozzle body 12, which is connected via an inlet bore 34 to a pressure chamber 36 in the nozzle body 12.
  • the valve needle 16 In the area of the pressure chamber 36, the valve needle 16 has a pressure shoulder 38, on which the fuel pressure causes a force which counteracts the closing spring and displaces the valve needle in the opening direction.
  • the injection nozzle 10 is followed by an incandescent body, designated as a whole by the reference number 4c, which, as the central component, has an incandescent filament 42 which has a channel in its interior for the non-contact passage of the fuel spray jets.
  • the filament 42 is surrounded by a metallic protective capsule 44, which is provided with a flange edge 46 and with lateral ventilation openings 48 in the casing, and with a central through opening 50 in the bottom.
  • the spray jets passing through the incandescent filament 42 suck in air from the combustion chamber of the machine via the ventilation openings as a result of the injection effect, which mixes in the incandescent filament 42 with the edge zones of the spray jets in the manner already described at the beginning.
  • a disk-shaped electrical resistance body 52 Arranged between the injection nozzle 10 and the incandescent body 40 is a disk-shaped electrical resistance body 52 which is electrically connected in series with the incandescent filament 42 in the manner described in more detail below.
  • the resistance body 52 consists of ceramic material, e.g. B. from BaTiO 3 , and is covered on both sides with a ceramic fleece 54 and 56 so that contact with the union nut 28 and the flange 46 of the protective capsule 44 is avoided.
  • the ceramic nonwovens 54 and 56 consist of an electrically non-conductive material, for. B. from A1 2 0 3 .
  • the protective capsule 44 and the resistance body 52 are held together by a ring part 60 provided with a support shoulder 58 on the union nut 28.
  • the ring part 60 is welded to the union nut 28 and a supply line 64 for the incandescent filament 42, which is contained in an insulating bush 62, is clamped pressure-tight between the two parts.
  • the upstream of the insulating bushing 62 which is covered by an insulating jacket 66, is passed through a laterally open slot 68 in the union nut 28 and on the upper side ten Chemistry of the metallized resistance body 52 welded on both sides.
  • One end of the incandescent filament 42 is welded to the lower side surface of the resistance body 52, while its other end is connected to the metallic protective capsule 44 and is contacted via this, the ring part 60, the union nut 28 and the cylinder head with ground.
  • the resistance body 52 practically interrupts the heating current of the incandescent filament 42 simply by the heat radiation from the combustion chamber, so that the incandescent filament 42 is only switched on in the start phase.
  • the resistance body 52 In addition to its control function, the resistance body 52 largely shields the end face 24 of the nozzle body 12 from the combustion chamber.
  • the resistance body 52 thus performs two functions simultaneously in the selected exemplary embodiment, both of which serve one and the same task.
  • This design also has the advantage that the resistance body 52 with the filament 42, the protective capsule 44 and the lead 64 can be assembled into a prefabricated assembly prior to installation in the injector 10, thereby facilitating the assembly of the injector.

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Abstract

Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen, mit einer Einspritzdüse (10), welcher ein Glühkörper (40) nachgeschaltet ist, durch den die Spritzstrahlen unter Vorwärmung und Vormischung mit Verbrennungsluft hindurchtreten. Das Heizelement (42) des Glühkörpers (40) ist mit einem elektrischen Widerstand (52) in Serie geschaltet, welcher einen positiven Temperaturkoeffizienten hat (PTC-Widerstand) und der Strahlung des Heizelementes (42) ausgesetzt ist. Der Widerstand (52) begrenzt nach der Startphase der Maschine die Wärmestrahlung des Heizelementes (42) auf die Stirnseite der Einspritzdüse (10) auf einen unschädlichen Wert. Der Widerstandskörper (52) kann vorteilhaft als eine zwischen Einspritzdüse (10) und Glühkörper (40) angeordnete Schiebe ausgebildet sein und dadurch zusätzlich die Funktion eines Hitzeschildes für die Einspritzdüse (10) ausüben.

Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus vcn einer Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff nach der Gattung des Hauptanspruchs. Einrichtungen dieser Gattung haben den Vorteil, daß eine Abbremsung des Spritzstrahls durch Unterdruckbildung und Strahlverformung im Kanal des Glühkörpers praktisch in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine vermieden werden kann, so daß die Spritzstrahlen mit der gewünschten Geometrie und ungebremst mit maximaler AusfluAßgeschwindigkeit aus dem Kanal austreten. Die in dem Kanal angesaugte Luft erwärmt sich und dringt in die Randzonen der Spritzstrahlen ein, wo sich im Unterschied zu der Kernzone feinere Kraftstofftröpfchen befinden und außerdem wegen kleinerer Tröpfchendichte als im Strahlkern ein für die Zündung und Verbrennung sehr günstiges Kraftstoff-Luft-Verhältnis herrscht. Beim Durchströmen des Kanals wird der Randzone des Spritzstrahls Wärme zugeführt, so daß beim Austreten ies Spritzstrahles in den Brennraum die der Strahlkern umgebende Wolke aus Tröpfchen, Dampf und Luft zündet. Da diese Wolke anteilmäßig nur einen geringen Teil der Gesamtmenge im Spritzstrahl darstellt, erfordert die gattungs- mä3ige Glüheinrichtung zur Einleitung der Zündung nur verhältnismäßig wenig Heizenergie. Zusätzlich wird dabei die Eindringenergie des Spritzstrahls nicht gemindert, so daß sich der Spritzstrahl mit brennender Ummantelung im Brennraum ungehindert ausbreiten kann.
  • Neben diesen Vorteilen könnte in wenigen Fällen durch die Anordnung eines Glühkörpers nahe dem brennraumseitigen Sirnende der Einspritzdüse das Problem auftreten, daß infcige der zusätzlichen Wärmeeinwirkung die in diesem Stirnende vorhandenen Spritzöffnungen schneller als bei Einspritzdüsen ohne Glühkörper zum Verkoken neigen. Zur Vermeidung dieses Mangels wird im Hauptpatent bereits vorgeschlagen, zwischen der Einspritzdüse und dem Glühkörper einen Hitzeschirm vorzusehen, welche von Fall zu Fall ncch einen metallischen Wärmeschutzring tragen kann, der. mis einer gegen die Stirnseite der Einspritzdüse drückenden Ringlippe zur Ableitung der Wärme versehen ist. Diese Anordnung reicht nicht in allen Fällen aus, um eine unerwünscht starke Erhitzung des brennraumseitigen Endes der Einspritzdüse mit Sicherheit zu vermeiden, wenn der Glühkcrper zu viel Wärme an den Düsenboden abstrahlt.
    • Verteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen hat demgegenüber den Vorteil, daß mit einfachen Mitteln ein wirksamer Schutz der Einspritzdüse vor Überhizzung durch den Glühkörper auch in extremen Fälle erreicht werden kann. Der elektrische Widerstand mit PTC-Charakteristik steigt mit zunehmender Temperatur an der Stirnseite der Einspritzdüse an, wobei der Heizstrom zunehmend gedrosselt und im Ergebnis eine unschädliche Grenztemperatur eingeregelt wird. Gleichzeitig wird auch das Heizelement selbst vor Überlastung geschützt und dessen Lebensdauer erhöht.
  • Durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Anordnung möglich.
  • Der elektrische Widerstand kann gemäß Anspruch 2 vorteilhaft im noch zulässigen Grenztemperaturbereich einen expcnentiellen Verlauf des Widerstandswertes aufweisen. Der Widerstand wirkt in diesem Fall gewissermaßen als Schalter, welcher den Heizstrom nach Maßgabe der gegen die Einspritzdüse gerichteten Wärmestrahlung aus- und einschalten. Dadurch kann die noch zulässige Grenztemperatur exakter eingehalten werden als mit Widerständen, deren Widerstandswert sich stetig mit der Temperatur ändert.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß Anspruch 3 der elektrische Widerstand als scheibenförmiger Körper ausgebildet ist, welcher zwischen dem Heizelement und dem brennraumseitigen Stirnende der Einspritzdüse angeordnet ist. Der scheibenförmige Widerstandskörper wirkt in diesem Fall zusätzlich als mechanische Abschirmung der Einspritzdüse gegen die Wärmestrahlung des Glühkörpers.
  • Die Merkmale der Ansprüche 4 bis 9 stellen vorteilhafte konstruktive Maßnahmen dar, welche eine kompakte und betriebssichere Ausführung ergeben.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt den brennraumseitigen Teil einer Einspritzdüse mit nachgeschaltetem Glühkörper im Schnitt.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die Einspritzdüse 10 hat einen Düsenkörper 12, in welchem ein Ventilsitz 14 gebildet und eine Ventilnadel 16 verschiebbar gelagert ist. Diese hat einen mit dem Ventilsitz 14 zusammenarbeitenden Dichtkegel 18, an den sich ein DrosseLzapfen 20 anschließt, welcher in eine Spritzöffnung 22 im Düsenkörper 12 taucht. Die Spritzöffnung 22 mündet an der dem Brennraum zugekehrten Stirnseite 24 der Einspritzdüse aus, welche über einen konischen Wandabschnitt 26 in die zylindrische Mantelfläche des Düsenkörpers 12 übergeht.
  • Der Düsenkörper 12 ist durch eine Überwurfmutter 28 zusammen mit einer Zwischenscheibe 30 wie üblich an einem in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Düsenhalter festgespannt, welcher einen Anschluß für eine Kraftstoffleitung hat und im Inneren mit einer Kammer zur Aufnahme einer Schließfeder versehen ist, welche die Ventilnadel 16 gegen ien Ventilsitz 14 drückt. Die Überwurfmutter 28 ist der Außenform des Düsenkörpers 12 angepaßt und dementsprechend mit einem konischen Bohrungsabschnitt 31 versehen. Vom Düsenhalter führt durch die Zwischenscheibe 30 ein Kraftstoffkanal in eine Ringnut 32 im Düsenkörper 12, welche über eine Zulaufbohrung 34 mit einem Druckraum 36 im Düsenkörper 12 verbunden ist. Im Bereich des Druckraumes 36 hat die Ventilnadel 16 eine Druckschulter 38, an welcher der Kraftstoffdruck eine der Schließfeder entgegenwirkende, die Ventilnadel in Öffnungsrichtung verschiebende Kraft hervorruft.
  • Der Einspritzdüse 10 ist ein als Ganzes mit der Bezugszahl 4c bezeichneter Glühkörper nachgeschaltet, welcher als zentrales Bauteil eine Glühwendel 42 hat, die in ihrem Irneren einen Kanal zum berührungsfreien Durchgang der Kraftstoff-Spritzstrahlen hat. Die Glühwendel 42 ist von einer metallischen Schuizkapsel 44 umgeben, die mit einem Flanschrand 46 und mit seitlichen Belüftungsöffnungen 48 im Mantel, sowie mit einer zentralen Durchgangsöffnung 50 im Boden versehen ist. Die durch die Glühwendel 42 hindurchtretenden Spritzstrahlen saugen über die Belüftungsöffnungen infolge Injekterwirkung Luft aus dem Brennraum der Maschine an, die sich in der Glühwendel 42 in der bereits eingangs beschriebenen Weise mit den Randzonen der Spritzstrahlen vermischt.
  • Zwischen der Einspritzdüse 10 und dem Glühkörper 40 ist ein scheibenförmiger elektrischer Widerstandskörper 52 angeordnet, welcher in der nachstehend noch näher beschriebenen Weise elektrisch in Serie mit der Glühwendel 42 geschaltet ist. Der Widerstandskörper 52 besteht aus Keramikmaterial, z. B. aus BaTiO3, und ist an seinen beiden Seitenflächen je mit einem Keramikvließ 54 bzw. 56 so bedeckt, daß eine Berührung mit der Überwurfmutter 28 und dem Flanschrand 46 der Schutzkapsel 44 vermieden ist. Die Keramikvliese 54 und 56 bestehen aus einem elektrisch nicht leitendem Material, z. B. aus A1203.
  • Die Schutzkapsel 44 und der Widerstandskörper 52 sind gemeinsam durch ein mit einer Auflageschulter 58 versehenes Ringteil 60 an der Überwurfmutter 28 festgehalten. Der Ringteil 60 ist an der Überwurfmutter 28 angeschweißt und zwischen beiden Teilen ist eine in einer Isolierbuchse 62 gefaßte Zuleitung 64 für die Glühwendel 42 druckdicht eingespannt. Die stromauf der Isolierbuchse 62 von einem Isoliermantel 66 umhüllte Zuleitung 64 ist durch einen seitlich offenen Schlitz 68 in der Überwurfmutter 28 hindurchgeführt und an der oberen Seitenfläche des beidseitig metallisierten Widerstandskörpers 52 angeschweißt. Das eine Ende der Glühwendel 42 ist an die untere Seitenfläche des Widerstandskörpers 52 angescaweißt, während ihr anderes Ende mit der metallischen Schutzkapsel 44 verbunden und über diese, das Ringteil 60, die Überwurfmutter 28 und den Zylinderkopf mit Masse kontaktiert ist.
  • Beim Schließen des über den Widerstandskörper 52 und die Glühwendel 42 führenden Heizstromkreises fließt zunächst ein hoher Strom, wenn der Widerstandskörper 52 noch kalt und sein Widerstandswert daher noch gering ist. Bei Inbetriebnahme der Maschine ist daher die Heizleistung der Glühwendel 42 groß, wodurch die Zündfreudigkeit des im Glühkörper 40 gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Startphase weiter erhöht wird. Sobald die Temperatur des Widerstandskörpers 52 durch die Wärmestrahlung der Glühwendel 42 und des Brennraumes ansteigt, nimmt sein Widerstandswert zu und dementsprechend der die Glühwendel 42 durchfließende Heizstrom ab. Dadurch schwächt sich auch die Wärmestrahlung auf den Widerstandskörper 52 ab, so daß sich im Betrieb der Maschine für jeden Belastungszustand eine bestimmte Grenztemperatur der Strahlung einstellen wird, bei welcher sich noch keine schädlichen Wirkungen in Bezug auf ein Verkoken der Spritzöffnung 22 ergeben.
  • In manchen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Widerstandscharakteristik so zu wählen, daß nach der Startphase der Widerstandskörper 52 allein schon durch die Wärmestrahlung des Brennraumes den Heizstrom der Glühwendel 42 praktisch unterbricht, so daß die Glühwendel 42 nur in der Startphase eingeschaltet ist.
  • Neben seiner Regelfunktion schirmt der Widerstandskörper 52 die Stirnseite 24 des Düsenkörpers 12 gegen den Brennraum hin weitgehend ab. Der Widerstandskörper 52 übt also beim gewählten Ausführungsbeispiel zwei Funktionen gleichzeitig aus, die beide ein und derselben Aufgabe dienen. Diese Ausbildung hat ferner den Vorteil, daß der Widerstandskörper 52 mit der Glühwendel 42, der Schutzkapsel 44 und der Zuleitung 64 vor dem Einbau in die Einspritzdüse 10 zu einer vorgefertigten Baugruppe zusammengesetzt werden kann, wodurch der Zusammenbau der Einspritzdüse erleichtert wird.

Claims (9)

1. Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von Brennkraftmaschinen, mit mindestens einer Einspritzdüse, welcher ein Glühkörper nachgeschaltet ist, der einen von heizbaren Strukturen umgebenen Kanal zum Durchtritt der Spritzstrahlen hat, und ferner mit mindestens einer in den Weg der Spritzstrahlen von der Seite her einmündenden Belüftungsöffnung, über welche durch Injektorwirkung Luft aus dem Brennraum in die Randzone der Spritzstrahlen gelangt, nach Patent (P 33 07 109.8), dadurch gekennzeichnet, daß die heizbaren Strukturen mit einer Serienschaltung von mindestens einem elektrischen Heizelement (42) und einem der Strahlung des Heizelementes (42) ausgesetzten elektrischen Widerstand (52) mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand) versehen sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (52) in einem bestimmten Temperaturbereich einen exponentiellen bzw. sprunghaften Verlauf des Widerstandswertes aufweist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand (52) als scheibenförmiger Körper ausgebildet ist, welcher zwischen dem Heizelement (42) und der brennraumseitigen Stirnseite der Einspritzdüse (10) angeordnet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Widerstandskörper (52) aus einem Keramikmaterial, vorzugsweise aus BaTiO3, besteht.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Widerstandskörper (52) an beiden Seitenflächen metallisiert ist und an der einen Seitenfläche mit dem Heizelement (42), an der anderen Seitenfläche dagegen mit einem das Gehäuse (28) der Einspritzdüse (10) durchsetzenden Stromleiter (64) verbunden ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Widerstandskörper (52) an beiden Stirnflächen durch eine Isolierscheibe (54, 56), vorzugsweise ein Keramikvlies aus Al2O3, abgedeckt ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmige Widerstandskörper (52) zusammen mit einem Flansch (46) einer Schutzkapsel (44), die das Heizelement (42) umgibt, an der Stirnseite einer Überwurfmutter (28) festgehalten ist, welche einen Düsenkörper (12) der Einspritzdüse (10) gegen einen Düsenhalter spannt.
5. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Widersiandskorper (52) und die Schutzkapsel (44) durch ein an die Überwurfmutter (28) angeschweißtes, mit einer Auflageschulter (58) versehenes Ringteil (60) an der Überwurfmutter (28) festgehalten ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringteil (60) einen konischen Bohrungsabschnitt hat, welcher auf einem mit gleicher Kcnizität ausgeführten Mantelflächenabschnitt der Überwurfmutter (28) aufliegt, und daß der zum Widerszandskörper (52) führende Stromleiter (64) zwischen den konischen Flächenabschnitten an Überwurfmutter (28) und Ringteil (60) druckfest und dicht eingespannt ist.
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EP0140148A3 EP0140148A3 (en) 1986-12-03
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