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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen von Kraftstoff
in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einen
Common-Rail-Injektor, gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Aus
der
EP 1 612 403 A1 ist
ein Common-Rail-Injektor mit einem in axialer Richtung druckausgeglichenem
Steuerventil (Servoventil) bekannt, mittels dem der Kraftstoffdruck
in einer von einem Ventilelement begrenzten Steuerkammer variierbar
ist. Durch Variation des Kraftstoffdrucks innerhalb der Steuerkammer
kann das Ventilelement in axialer Richtung zwischen einer Schließstellung
und einer den Kraftstofffluss durch eine Düsenlochanordnung
in den Brennraum einer Brennkraftmaschine freigebenden Öffnungsstellung
verstellt werden. Das Steuerventil umfasst eine in axialer Richtung
verstellbare, an einem Führungsbolzen geführte
Ventilhülse, die radial außen einen Ventilraum
begrenzt. In diesen münden zwei gegenüberliegende,
drosselfreie Querbohrungen aus, die von einem mit der Steuerkammer hydraulisch
verbundenen axialen Ablaufkanal ausgehen. Der Führungsbolzen
ist einstückig mit einem Ventilstück ausgebildet,
welches auf einer Drosselplatte aufliegt, die die Steuerkammer in
axialer Richtung begrenzt. Das Vorsehen der Drosselplatte ist notwendig,
um bei geöffnetem Steuerventil die Abflussgeschwindigkeit
von Kraftstoff (Steuermenge) aus der Steuerkammer zu begrenzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Injektor mit einem eine
Ventilhülse aufweisenden Steuerventil vorzuschlagen, bei
dem die Anzahl der notwendigen Bauteile reduziert ist.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen
aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen
und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zumindest die erste Querbohrung,
die in den Ventilraum ausmündet und über die der
Ablaufkanal mit dem Ventilraum verbunden ist, als Drosselbohrung auszuführen. Über
das Verhältnis des Durchflussquerschnittes der Ablaufdrossel
und einer die Steuerkammer mit unter Hochdruck stehendem Kraftstoff versorgenden
Zulaufdrossel kann die Abströmgeschwindigkeit von Kraftstoff
(Steuermenge) aus der Steuerkammer in einen hydraulisch betrachtet
hinter dem Ventilraum angeordneten Niederdruckbereich des Injektors,
der mit einem Injektorrücklauf verbunden ist, eingestellt
werden. Aufgrund der Erfindung kann auf die im Stand der Technik
notwendige separate Drosselplatte verzichtet werden.
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Theoretisch
wäre es denkbar, lediglich eine einzige Querbohrung im
Ventilstück vorzusehen. Insbesondere bei sehr hohen Betriebsdrücken
und kleinen Führungsdurchmessern des Führungsbolzens hätte
eine derartige, unsymmetrische Konstruktion jedoch ungewünschte
Bauteilverformungen zur Folge, die die Reibung zwischen Ventilhülse
und Führungsbolzen erhöhen würden, was
einerseits zu einem erhöhten Verschleiß führen
würde und andererseits leistungsstärkere und damit
bauraumintensivere Aktuatoren zum Verstellen der Ventilhülse
erfordern würde. Aus diesem Grund ist es erfindungswesentlich,
mindestens eine weitere in den Ventilraum ausmündende Querbohrung
in dem Ventilstück vorzusehen, wobei die in den Ventilraum
ausmündenden Querbohrungen in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt
sein müssen, um unsymmetrische Bauteilverformungen im Führungsbereich
der Ventilhülse zu vermeiden. Werden lediglich zwei Querbohrungen vorgesehen,
so werden diese im Bezug auf die Längsmittelachse des Führungsbolzens
aneinander gegenüberliegend angeordnet. Werden beispielsweise
drei in den Ventilraum ausmündende Querbohrungen vorgesehen,
so sollten diese um jeweils 120° zueinander versetzt angeordnet
werden. Unter Querbohrung im Sinne der Erfindung sind sämtliche
in den Ventilraum ausmündenden Bohrungen zu verstehen, die
unter einem Winkel zur Längsmittelachse des Führungsbolzens
verlaufen. Eine orthogonale Anordnung zu der Längsmittelachse
des Führungsbolzens ist nicht notwendig und in Weiterbildung
der Erfindung sogar nicht erwünscht. Durch das Vorsehen mindestens
einer weiteren Querbohrung sowie die symmetrische Anordnung der
Querbohrungen werden unsymmetrische Belastungen bzw. Verformungen
des Ventilstücks vermieden bzw. zumindest reduziert.
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Zur
Vermeidung von Kavitationsschäden, insbesondere am Steuerventilsitz,
ist die mindestens eine als Drosselbohrung ausgebildete Querbohrung mit
einem radial äußeren Diffusorabschnitt versehen. Hierzu
weist die mindestens eine als Drosselbohrung ausgebildete Querbohrung
bevorzugt einen in den Ventilraum ausmündenden Abschnitt
mit einem größeren Durchmesser auf als der Durchmesser
des eigentlichen Drosselabschnitts der Querbohrungen.
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Gemäß einer
ersten Alternative der Erfindung sind sämtliche in den,
insbesondere als Ringraum ausgebildeten Ventilraum ausmündende Querbohrungen
als Drosselbohrungen ausgebildet, von denen bevorzugt jede mit einem
Diffusorabschnitt versehen ist. Hierdurch kann die Strömungsgeschwindigkeit
in den einzelnen Querbohrungen mit positiven Auswirkungen auf den
Verschleiß reduziert werden. Durch die Ausbildung von mindestens
zwei Querbohrungen als Drosselbohrungen kann die Strömungsführung
im Steuerventilsitzbereich vorteilhaft beeinflusst werden, wodurch
auch die Absteuerung des Kraftstoffs beim Öffnen der Ventilshülse
sowie die Befüllung der Ringnut beim Schließvorgang
der Ventilhülse des Steuerventils mit Vorteil symmetrisch erfolgt.
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Gemäß einer
zweiten Alternative ist zumindest eine der Querbohrungen, vorzugsweise
sämtliche Querbohrungen bis auf eine als Drosselbohrung ausgebildete
Querbohrung, als von außen in das Ventilstück
eingebrachte Sacklochbohrung(en) ausgebildet. Anders ausgedrückt
reichen die als Sacklochbohrungen ausgebildeten Querbohrungen nicht bis
an den Ablaufkanal heran, wodurch diesen Querbohrungen keine Kraftstoffleitungsfunktion
zukommt, sondern lediglich die Funktion eine unsymmetrische Verformung
des Ventilstücks mit Führungsbolzen zu minimieren,
bevorzugt zu verhindern.
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Die
zuletzt beschriebene Ausgestaltungsform ist fertigungstechnisch
von besonderem Interesse, insbesondere deshalb, weil die einzuhaltenden Toleranzen
größer sein können, als wenn die Querbohrungen
als (exakte) Drosselbohrungen ausgeführt werden müssten.
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In
Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass sämtliche
in dem Ventilraum ausmündenden Querbohrungen nicht nur
in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt sind,
sondern dass sämtliche Querbohrungen, d. h. sämtliche
Längsachsen der Querbohrungen mit der Längsmittelachse des
Führungsbolzens den gleichen Winkel einschließen.
Es ist jedoch auch denkbar, durch eine gezielte unterschiedliche
Winkelwahl Einfluss auf die Bauteilverformung des Ventilstücks
im Betrieb zu nehmen. Bevorzugt schließen die Querbohrungen
mit der Längsmittelachse des Führungsbolzens einen
von 90° abweichenden Winkel ein.
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Es
hat sich als Vorteilhaft herausgestellt, wenn der Winkel zwischen
der Längsachse zumindest einer Querbohrung, vorzugsweise
sämtlicher Querbohrungen und der Längsmittelachse
des Führungsbolzens aus einem Bereich zwischen etwa 10° und
etwa 80° gewählt ist. Insbesondere von Vorteil
ist ein Winkel aus einem Bereich zwischen etwa 20° und etwa
70°, vorzugsweise aus einem engeren Winkelbereich zwischen
etwa 30° und etwa 60°. Von besonderem Vorteil
ist es, wenn der Winkel aus einem Winkelbereich zwischen etwa 40° und
etwa 50° gewählt wird. Sehr gute Ergebnisse wurden
mit einem Winkel von etwa 45° erzielt.
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Die
schräge Anordnung, insbesondere der als Drosselbohrung
ausgebildeten Querbohrung(en) ermöglicht es, eine ausreichende
Diffusorlänge im radial äußeren Endbereich
der Querbohrungen zu realisieren, um somit die Gefahr von Kavitationsschäden,
insbesondere am Steuerventilsitz weiter zu reduzieren. Darüber
hinaus sind durch die schräge (≠ 90°)
Anordnung der Querbohrungen bewährte Fertigungsverfahren
zur Herstellung der Ablaufdrosseln, wie beispielsweise Erodieren
und HE-Verrunden weiterhin einsetzbar.
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Durch
Variation der Winkellage, insbesondere der als Drosselbohrungen
ausgebildeten Querbohrungen ist zudem eine vorteilhafte Beeinflussung der
Bauteilfestigkeit möglich.
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In
Weiterbildung der Erfindung erstreckt sich die Symmetrie der Querbohrungen
nicht lediglich auf ihre symmetrische Anordnung in Umfangsrichtung, sondern
auch auf die Ausbildung der Querbohrungen als solches. Bevorzugt
ist eine Ausführungsform, bei der die Querbohrungen, zumindest
im Ausmündungsbereich den gleichen Bohrungsdurchmesser aufweisen.
Insbesondere handelt es sich dabei um den Durchmesser der Diffusorabschnitte
der mindestens einen als Drosselbohrung ausgebildeten Querbohrung.
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Von
Vorteil ist eine Ausführungsform, bei der zumindest die
als Drosselbohrung ausgebildete(n) Querbohrung(en) im unteren Bereich
des Ventilraums aus dem Ventilstück ausmündet/ausmünden. Hierdurch
wird ein geringer Abstand des Ausmündungsbereichs der Querbohrungen
zu dem Ventilsitz realisiert, woraus eine deutliche Reduzierung
des Schadvolumens zu Gunsten der hydraulischen Reaktionszeit des
Injektors resultiert.
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Aus
Bauteilfestigkeitsgründen ist es von Vorteil, wenn der
Ablaufkanal in dem Ventilstück in axialer Richtung nicht
bis an den Ventilraum herangeführt ist, sondern unterhalb
des Ventilraums in die mindestens eine als Drosselbohrung ausgebildete
Querbohrung übergeht.
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Aufgrund
des möglichen Verzichtes auf eine Drosselplatte, wird die
Steuerkammer in Ausgestaltung der Erfindung in axialer und bevorzugt
auch in radialer Richtung von dem Ventilstück begrenzt.
Das Ventilstück übernimmt mit Vorteil auch eine
Führungsfunktion für das Ventilelement, so dass
im Vergleich zum Stand der Technik zusätzlich auf eine Führungshülse
verzichtet werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine
unvollständige Darstellung eines Injektors mit einem in
axialer Richtung druckausgeglichenen Steuerventil,
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2 ein
vergrößertes Detail aus 1,
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3 ein
alternativ ausgebildeter Injektor mit einem in axialer Richtung
druckausgeglichenen Steuerventil und
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4 ein
vergrößertes Detail aus 3.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
ein Ausschnitt eines als Common-Rail-Injektor ausgebildeten Injektors 1 für
Kraftstoff gezeigt. Der Injektor 1 umfasst ein lediglich
ausschnittsweise dargestelltes, ein- oder mehrteiliges Ventilelement 2,
das zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung
verstellbar ist. In seiner Öffnungsstellung gibt das Ventilelement 2 den Kraftstofffluss
aus einer nicht gezeigten Düsenlochanordnung in einen ebenfalls
nicht gezeigten Brennraum einer Brennkraftmaschine frei.
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Mit
einer oberen Stirnfläche 3 begrenzt das Ventilelement 2 eine
Steuerkammer 4. Die Steuerkammer 4 ist radial
innerhalb eines Ventilstücks 5 angeordnet, welches
innerhalb eines nicht gezeigten Injektorkörpers in axialer
Richtung verspannt ist. Das Ventilstück 5 dient
gleichzeitig als Führungselement für das Ventilelement 2.
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In
die Steuerkammer 4 mündet eine in das Ventilstück 5 eingebrachte
Zulaufdrossel 6, die die Steuerkammer 4 mit Kraftstoff
aus einem einen unteren Abschnitt des Ventilstücks 5 umgebenden
Druckraum 7 versorgt. Der Druckraum 7 wird wiederum
von einer nicht gezeigten Kraftstoffversorgungsleitung mit unter
Hochdruck stehendem Kraftstoff aus einem ebenfalls nicht gezeigten Kraftstoffhochdruckspeicher
(Rail) versorgt. Bei geöffnetem Ventilelement 2 (in
der Zeichnungsebene nach axial oben verstellt) strömt der
Kraftstoff aus dem Druckraum 7 durch die Düsenlochanordnung
in den Brennraum der Brennkraftmaschine.
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Aus
der Steuerkammer 4 mündet ein in axialer Richtung
in das Ventilstück 5 eingebrachter Ablaufkanal 8 aus.
Der Ablaufkanal 8 ist drosselfrei und als Sackloch ausgeführt
und endet mit Axialabstand zu einem als Ringraum ausgebildeten Ventilraum 9 eines
Steuerventils 10 (Servoventil).
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Das
Steuerventil 10 umfasst eine in axialer Richtung verstellbare
Ventilhülse 12, die in diesem Ausführungsbeispiel
einstückig mit einer Ankerplatte 12 verbunden
ist. Die Ankerplatte 12 wirkt mit einer nicht gezeigten
Elektromagnetanordnung zusammen und bildet mit dieser einen elektromagnetischen
Aktuator zur Betätigung der Ventilhülse 11.
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Die
Ventilhülse 11 umschließt radial außen einen
Führungsbolzen 13, der als (einzige) Führung für
die Ventilhülse 11 dient.
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Der
Ablaufkanal 8 ist über eine winklig (schräg)
zu einer Längsmittelachse L des Führungsbolzens 13 verlaufende
erste Querbohrung 14 mit dem Ventilraum 9 hydraulisch
verbunden. Dabei ist die erste Querbohrung 14 als Drosselbohrung
ausgeführt.
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Zum Öffnen
des Ventilelementes 2 wird die nicht gezeigte Elektromagnetanordnung
bestromt, wodurch die Ankerplatte 12 mit der Ventilhülse 11 des Steuerventils 10 in
axialer Richtung in der Zeichnungsebene nach oben bewegt wird. Hierdurch
hebt die Ventilhülse 11 von ihrem Steuerventilsitz 15 am Fuße
des einstückig mit dem Ventilstück 5 ausgebildeten
Führungsbolzens 13 ab und gibt den Kraftstofffluss
in einen Niederdruckbereich 16 des Injektors 1 frei,
wobei der Niederdruckbereich 16 mit einem nicht gezeigten
Injektorrücklauf verbunden ist. Die Durchflussquerschnitte
der Zulaufdrossel 6 und der als Drosselbohrung ausgebildeten
ersten Querbohrung 14 sind derart aufeinander abgestimmt,
dass bei geöffnetem Steuerventil 10 ein Nettoabfluss
von Kraftstoff aus der Steuerkammer durch den Ablaufkanal 8 sowie
durch die erste Querbohrung 14 und durch den Ventilraum 9 hindurch
in den Niederdruckbereich des Injektors resultiert. Hierdurch sinkt
die in Schließrichtung auf das Ventilelement 2 wirkende
Druckkraft, so dass dieses von seinen nicht gezeigten Ventilsitz
abhebt und den Kraftstofffluss in den Brennraum freigibt. Zum Schließen
des Ventilelements 2, also zum Beenden des Einspritzvorgangs,
wird die Bestromung der Elektromagnetanordnung unterbrochen, wodurch
die Ventilhülse 11, insbesondere federkraftunterstützt
auf ihren Steuerventilsitz 15 bewegt wird und somit den
Ventilraum 9, der von einem durchmesserreduzierten Abschnitt
des Führungsbolzens 13 gebildet ist, von dem Niederdruckbereich 16 trennt,
so dass der Druck in der Steuerkammer 4 durch den über
die Zulaufdrossel 6 aus dem Druckraum 7 zuströmenden
Kraftstoff wieder zunimmt, mit der Folge, dass die auf das Ventilelement 2 in Schließrichtung
wirkende Druckkraft zunimmt und sich das Ventilelement 2 auf
seinen nicht gezeigten Ventilsitz bewegt.
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Wie
aus 1 zu erkennen ist, liegt der ersten Querbohrung 14 in
Bezug auf die Längsmittelachse L eine zweite Querbohrung 17 exakt
gegenüber. Hierdurch werden unsymmetrische Belastungen
des Ventilstücks 5 mit Vorteil vermieden.
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Bezüglich
der folgenden Detailbeschreibung der Anordnung der beiden Querbohrungen 14, 17 wird
auf die Detailvergrößerung gemäß 2 verwiesen.
Aus 2 ist ersichtlich, dass beide Querbohrungen 14, 17 in
den ringförmigen Ventilraum 9 des in axialer Richtung
druckausgeglichenen Steuerventils 10 ausmünden.
Die erste Querbohrung 14 weist einen radial innen liegenden
Drosselabschnitt 18 mit einem sehr geringen Durchmesser
auf. Daran schließt ein in den Ventilraum 9 ausmündender
Diffusorabschnitt 19 an, der einen größeren
Durchmesser aufweist als der Drosselabschnitt 18.
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Die
zweite Drosselbohrung 17 ist unter dem gleichen Winkel α (etwa
45°) zur Längsmittelachse L angeordnet, wie die
in Bezug auf die Längsmittelachse L gegenüberliegende
erste Querbohrung 14. Zu erkennen ist, dass die zweite
Querbohrung 17 nicht als Durchgangsbohrung, sondern als
Sacklochbohrung ausgeführt ist, wobei der Bohrungsdurchmesser und
die Bohrungslänge der zweiten Querbohrung 17 dem
Durchmesser und der Länge des Diffusorabschnitts 19 der
ersten Querbohrung 14 entsprechen.
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Der
in den 3 und 4 gezeigte Injektor 1 entspricht
in seinem grundsätzlichen Aufbau dem in 1 gezeigten
Injektor, sodass bezüglich der Gemeinsamkeiten zur Vermeidung
von Wiederholungen auf die vorherige Beschreibung mit Bezug auf 1 verwiesen
wird. Im Folgenden werden lediglich die Unterschiede zu dem Injektor
gemäß 1 erläutert.
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Im
Gegensatz zu dem Injektor 1 gemäß 1 sind
bei dem Injektor 1 gemäß 3 beide Querbohrungen 14, 17 als
Drosselbohrungen ausgebildet und verbinden somit den in axialer
Richtung verlaufenden Ablaufkanal 8 mit dem ringförmigen Ventilraum 9 und
bei geöffnetem Steuerventil 10 mit dem Niederdruckbereich 16 des
Injektors 1. Hierdurch wird eine besonders gleichförmige,
symmetrische Abströmung von Kraftstoff aus dem Ventilraum 9 in
den Niederdruckbereich 16 bei geöffnetem Steuerventil 10 erreicht.
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In 4 ist
die Anordnung der beiden gegenüberliegenden Querbohrungen 14, 17 gemäß 3 im
Detail gezeigt. Die beiden Querbohrungen 14, 17 sind
nicht nur identisch ausgeformt, sondern auch symmetrisch in Bezug
auf die Längsmittelachse L des einstückig mit
dem Ventilstück 15 ausgebildeten Führungsbolzens 13 angeordnet.
Beide Querbohrungen 14, 17 schließen
mit der Längsmittelachse L des Führungsbolzens 13 einen
Winkel α von etwa 45° ein. Die erste Querbohrung 14 weist,
wie die erste Querbohrung 14 gemäß den 1 und 2, einen
radial inneren Drosselabschnitt 18 und einen daran anschließenden äußeren
Diffusorabschnitt 19 auf. Das gleiche gilt für
die zweite Querbohrung 17, die einen radial inneren Drosselabschnitt 20 und
einen daran anschließenden äußeren Diffusorabschnitt 21 umfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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