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Bei
Verbrennungskraftmaschinen wird während der Ventilüberschneidung
eine bestimmte Restgasmenge vom Brennraum ins Saugrohr geschoben. Beim
sich daran anschließenden
Ansaugvorgang wird dann zusätzlich
zum Frischgemisch ein gewisser Anteil Restgas mit angesaugt. Die
Größe des Restgasanteils
ist durch die Ventilüberschneidung betriebspunktabhängig fest
für einen
ausgelegten Verbrennungsmotor vorgegeben. Eine Variation des Restgasanteiles
ist entweder über
eine äußere Abgasrückführung mit
einem von der Motorsteuerung angesteuerten Abgasrückführventil
oder über
eine Nockenwellenverstellung möglich.
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Bis
zu einem gewissen Grad kann sich ein steigender Restgasanteil positiv
auf die Energieumsetzung und damit auf den Kraftstoffverbrauch einer Verbrennungskraftmaschine
auswirken. Weiterhin führt
eine Erhöhung
des Restgasanteiles zu einer Reduzierung der maximalen Verbrennungstemperatur
und als Folge davon zu einer Verringerung der sich einstellenden
Stickoxidbildung. Gleichzeitig führt eine
Erhöhung
des Restgasanteiles jedoch ab einem bestimmten Maß zu einer
unvollständigen
Verbrennung, da weniger Frischluft zur Verfügung steht, damit zu einer
Zunahme der Kohlenwasserstoffemissionen, des Kraftstoffverbrauches
und einer sich einstellenden Laufunruhe der Verbrennungskraftmaschine.
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Daher
ist die sogenannte Gleichverteilung, d. h. die Anteilsverteilung
zwischen Frischluft- und Restgasanteil im zugeführten Gasstrom auf der Saugseite
einer Verbrennungskraftmaschine ein wichtiges Gütekriterium bei der Abgasrückführung an Verbrennungskraftmaschinen.
Die Gleichverteilung charakterisiert die Gleichmäßigkeit der Abgasmenge, die
jedem einzelnen Zylinder einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine zugeführt wird.
Zur Zeit wird diese geforderte Gleichmäßigkeit der Abgasmenge durch
eine ausreichend lange Mischstrecke erreicht, d. h. dem Abgas wird
genug Zeit gegeben, sich mit dem Frischluftstrom zu vermischen.
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JP 10077914 A bezieht
sich auf ein Abgasrückführventil.
Gemäß dieser
Lösung
umfasst ein Abgasrückführventil
ein Abgasrohr, über
welches ein Teil des Abgases über
das Ansaugrohrabgasrückführventil
zugeführt
wird. Mittels des Abgasrückführventil
ist das Öffnen
und Schließen
der Abgasrückführleitung
möglich.
Hinter der Mündung
der Abgasrückführleitung
befindet sich ein Strömungsausgleichsbereich,
mit welchem das Rückströmen der eingeströmten Abgasströmung in
die Ansaugleitung verhindert werden soll. Mittels des Strömungsausgleichsbereichs
soll das Abgas in den abströmseitigen
Bereich in der Ansaugleitung gelenkt werden, zu dem Zeitpunkt, an
welchem ein Ventilteil öffnet.
Wird der Ventilkörper
des Abgasrückführventils
hingegen in eine die Öffnung
der Abgasrückführleitung
verschließende
Position gebracht, nimmt der Strom des in die Ansaugleitung eintretenden
Abgasstromes ab.
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Die
DE 198 57 577 A1 bezieht
sich auf ein Abgasrückführsystem
für eine
Brennkraftmaschine. Bei diesem Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine ist
zur teilweisen Rückführung von
Abgas von einem Auslasssystem über
zumindest eine Abgasrückführleitung
in ein Einlasssystem, die Abgasrückführleitung über eine
Venturieinrichtung in das Einlasssystem mündend ausgebildet. Die Venturieinrichtung
ist über
einen Hauptluftstrang umgehbar, dessen Durchfluss über einen
Steuervorgang steuerbar ist. Um den erforderlichen Platzbedarf für das Abgasrückführsystem
ohne Funktionseinbuße zu
verringern, ist vorgesehen, dass die Venturieinrichtung mehrflutig
ausgebildet ist und zumindest zwei parallel geschaltete Düse-Diffusoreinheiten
umfasst.
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Mit
der aus der
DE 198
57 578 A1 bekannten Lösung
soll der erforderliche Platzbedarf für ein Abgasrückführsystem
ohne Funktionseinbuße
verringert werden. Dies wird gemäß der vorgeschlagenen Lösung dadurch
erreicht, dass Venturieinrichtung und der Hauptluftstrang samt Steuerorganen
in einem gemeinsamen Gehäuse
angeordnet sind. Dies erlaubt eine entscheidende Verringerung des
Bauvolumens, ferner können
eine erhebliche Anzahl von Teilen eingespart werden, so dass sich
eine wesentlich rationellere Fertigung und Herstellbarkeit dieses Abgasrückführsystems
erzielen lässt.
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Beiden
vorgestellten Lösungen
ist gemeinsam, dass mittels der Abgasrückführung in den engsten Querschnitt
einer Venturidüse
lediglich Abgas in einen Teilstrom des gesamten Frischluftstromes
eingeleitet werden kann. Da die beiden Ströme im wesentlichen getrennt
voneinander in Längsrichtung strömen, findet
ein Impulsaustausch, der eine Mischung in Querrichtung begünstigen
könnte,
nicht statt. Um dennoch eine natürliche
Mischung des Frischluftmassenstroms sowie des zurückgeführten Abgasmassenstroms
zu erzielen, ist eine ausreichend lang bemessene Mischstrecke erforderlich, um
die Einmischung zu gewährleisten.
Dies bedeutet andererseits einen größeren Einbauraum für ein solches
Abgasrückführsystem,
der bei heutigen Verbrennungskraftmaschinen nicht zur Verfügung steht. Daher
werden häufig Abstriche
an der Gleichverteilung gemacht, was zu einer Verschlechterung der
Abgaswerte der Verbrennungskraftmaschine führen kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abgasrückführsystem
zu schaffen, wodurch eine gute Durchmischung des Luftmassenstroms
und des zurückgeführten Abgasmassenstroms
erreicht wird.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
sind vor allem darin zu erblicken, dass nunmehr Abgasrückführungssysteme
für Verbrennungskraftmaschinen
mit geringsten Bauraumabmessungen in Bezug auf den Einbauraum an den
Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden können. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Zwangsmischung
des Frischluftmassenstromes und des Abgasstromes durch Erzeugung
einer Radialströmungskomponente
stellen sich Turbulenzen im freien Strömungsquerschnitt ein, d. h.
es wird ein Impulsaustausch quer zur Strömungsrichtung der miteinander
zu mischenden Fluidströme
erzeugt, so dass die Wegstrecke, die eine natürliche Mischung der beiden
Gasströme
miteinander erfordern würde, drastisch
abgekürzt
werden kann. Damit kann die Mischstrecke, die das Bauvolumen von
Abgasrückführsystemen
bestimmt, erheblich herabgesetzt werden. Damit lassen sich solche
Abgasrückführsysteme,
die geringsten Platzbedarf haben, auch bei Verbrennungskraftmaschinen
mit extrem beschränktem Einbauraum
unterbringen. Die unmittelbar hinter dem Einleitungsbereich des
Abgasvolumenstromes liegenden Radialströmungskomponenten erzeugenden Einbauten,
bewirken eine Vermischung der Gasströme. Es wird ein Staudruck erzeugt,
der sich einstellende Radialströmungskomponenten
erzeugt. Einer Verschmutzung der die Turbulenzen erzeugenden Einbauten
im freien Strömungsquerschnitt
kann dadurch vorgebeugt werden, dass am Ende der Einbauten die gleichmäßig von
der Innenwandung des strömungsführenden
Rohres oder Kanals angeordnet sind, eine Öffnung vorgesehen ist. Diese Öffnung liegt
in Strömungsrichtung
und kann in einem ebenen Topfbereich des die Radialströmungskomponenten erzeugenden
Einsatzelementes liegen; der ebene Topfbereich kann ebenso gut auch
als kontinuierliche Querschnittsverengung konfiguriert sein, um
eine Verschmutzung zu vermeiden und das sich nach Passage des Einsatzelementes
zur Erzeugung der Radialströmungskomponenten
einstellende unterschiedliche Druckprofil ausgleichen.
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Mit
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung lässt sich
ein Abgasrückführungssystem
auf engstem Bauraum und damit für
Verbrennungskraftmaschinen mit beengtem Bauraum, interessantes System
realisieren. Die Zwangsmischung macht eine in ausreichender Länge zu konfigurierende,
eine natürliche
Mischung der Gasströme
ermöglichende Länge der
Mischzone überflüssig; der
erforderliche Platzbedarf wird erheblich reduziert. Es lässt sich nunmehr
eine Gleichverteilung der Gasstromanteile Restgas und Frischluft
erzielen, unter Verzicht auf eine lange Mischstrecke.
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend detaillierter erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
rohrförmig
ausgestaltete Strömungsstrecke,
in welche senkrecht zur Strömungsrichtung
eines ersten Fluidmassenstroms eine Abgaszuführungsleitung einmündet mit
koaxial zum Rohr eingebautem Radialströmungen induzierenden Einsatz,
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2 eine
erste Ausführungsvariante
des Einsatzes mit ebenem Bodenbereich und die Verschmutzung herabsetzender
Durchtrittsöffnung
und
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3 eine
weitere Ausführungsvariante
des Einsatzelements mit sich kontinuierlich verengendem Querschnitt
im Austrittsbereich.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 geht
eine rohrförmig
ausgestaltete Strömungsstrecke
hervor, in welche senkrecht zur Strömungsrichtung eines ersten
Fluidmassenstromes eine Abgaszuführleitung einmündet mit
einem koaxial zum Strömungsquerschnitt
im Rohr eingebauten, Radialströmungen
induzierenden Einsatz.
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Parallel
zur horizontalen Erstreckung eines Rohres 2, welches einen
Strömungskanal
bildet, tritt ein eintretender Frischluftmassenstrom 4 in
den freien Strömungsquerschnitt 1 des
Strömungskanales 2 ein.
Senkrecht zur Strömungsrichtung
des eintretenden Frischluftmassenstromes 4, tritt an der
Austrittsöffnung 10 einer
Abgasrückführleitung,
ein in den Strömungsquerschnitt 1 des
Strömungskanales 2 eintretender
Abgasmassenstrom ein. Die Austrittsöffnung der Abgasrückführleitung 10 kann
mittels eines hier in schematischer Darstellung wiedergegebenen Ventilelementes
geschlossen oder geöffnet
werden. Dazu ist eine die Wandung des Strömungskanales 2 durchsetzende
Ventilwelle 7 vorgesehen, an deren Vorderteil ein einen
Ventilkörper 9 darstellender
Ventilteller 19 aufgenommen ist. Der Ventilkörper 9 ist beispielsweise
in scheibenförmiger
Konfiguration ausgebildet und verschließt die Austrittsöffnung 10 der
Abgasrückführleitung
je nach Anstellung in Pfeilrichtung des Doppelpfeiles 20 an
den Öffnungsquerschnitt
der Austrittsöffnung 10.
Der Ventilteller 19 des Ventilkörpers 9 ist in einem
den Durchmesser der Austrittsöffnung 10 der
Abgasrückführleitung übersteigenden
Durchmesser ausgebildet, so dass bei vertikal abwärtsbewegtem
Ventilteller 19 der vollständige Verschluss der Austrittsöffnung 10 der
Abgasrückführleitung
gewährleistet
ist.
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Anstelle
des hier in schematischer Konfiguration gezeigten Ventiltellers 19 kann
das die Wandung des Strömungskanals 2 von
einer Öffnung 8 durchsetzende
Ventilwellenelement 7 mit daran aufgenommenem Ventilkörper 9 auch
in einer anderen Konfiguration ausgebildet sein.
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Bezogen
auf die Symmetrieachse der Abgasrückführleitung des Strömungskanals 2 ist
im freien Strömungsquerschnitt 1,
durch drei um jeweils 120° zueinander
versetzt angeordnete Halterungen 14 aufgenommen, ein topfförmiges Einsatzelement 11 sich
in koaxialer Richtung parallel zum eintretenden Frischluftmassenstrom 4 erstreckend
aufgenommen. Das Einsatzelement 11 wird nachfolgend als Einbauelement 11 bezeichnet.
Es ist auch jede andere geeignete Haltevorrichtung möglich. Die
Eintrittsöffnung
des topfförmigen
Einbauelementes 11 ist der Strömungsrichtung des eintretenden
Fluidmassenstromes 4 entgegengesetzt gerichtet.
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Am
Einbauelement 11 ist in der Konfiguration gemäß 1 ein
geschlossener Boden 13 ausgebildet. Die Eintrittsöffnung des
topfförmigen
Einbauelementes 11, welche entgegen der Strömungsrichtung des
eintretenden Fluidmassenstromes orientiert ist, befindet sich in
einem Abstand 18, bezogen auf die Symmetrielinie der Abgasrückführleitung.
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Das
topfförmig
konfigurierte Einbauelement 11, gehalten durch drei um
120° zueinander
versetzte die Innenwandung 3 des Strömungskanales 2 kontaktierende
Halterungen 14, ist mit einer Außenwandung 12 versehen,
die im dargestellten Ausführungsbeispiel
von Durchbrüchen 16 durchsetzt
ist. Die Durchbrüche 16 sind
jeweils um 90° zueinander
versetzt linienförmig
am Umfang der Außenwandung des
in Zylinderform ausgebildeten Einbauelementes 11 angeordnet
und weisen eine Öffnungsweite
auf, die durch Bezugszeichen 17 identifiziert ist.
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Der
durch das Turbulenzen- und Radialkomponenten 15 induzierende
Einbauelement 11 vorgemischte austrittsseitige Massenstrom,
bestehend aus eintretendem Frischluftmassenstrom 4 und
zugemischtem Abgasstrom 5, gekennzeichnet durch Bezugszeichen 6,
tritt durchmischt hinter dem topfförmig ausgebildeten Einbauelement 11 aus
dem freien Strömungsquerschnitt 1 des
rohrförmigen
Strömungskanales 2 aus.
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Die
am topfförmigen
Einbauelement 11 vorgesehenen Durchbrüche 16 können beispielsweise in
fertigungstechnisch leicht herstellbarer Weise als Bohrungen konfiguriert
sein, die jeweils einen unterschiedlichen Bohrungsdurchmesser 17 annehmen können. Neben
einer um 90° zueinander
versetzten linienförmigen
Anordnung kann auch ein anderes Bohrungsmuster an der Außenwandung 12 des
topfförmigen
Einbauelementes 11 ausgeführt werden. Durch die gegen
die Strömungsrichtung
gerichtete Öffnung
des topfförmigen
Einbauelementes 11, welche im Abstand 18 von der
Symmetrielinie der Abgasrückführleitung 10 angeordnet
ist, entsteht ein Staudruck und dadurch eine sich einstellende Radialströmung 15 durch
die Durchbrüche 16 in der
Wandung 12 des topfförmigen
Einbauelementes 11. Durch diese Radialströmungen 15 entsteht
ein Impulsaustausch zwischen der den Ringspalt zwischen Innenwandung 3 des
Strömungskanals 2 und
Außenwandung 12 des
topfförmigen
Einbauelementes 11 passierendem Strom und der Radialströmungskomponente 15,
welche die in der Außenwandung 12 des Einbauelementes 11 vorgesehenen
Durchbrüche 16 in
radiale Richtung durchsetzt. Dies führt zu einer guten zwangsläufig erfolgenden
Durchmischung der beiden Gasströme,
d. h. des eintretenden Frischluftstromes 4 sowie des zuzumischenden
Abgasstromes 5.
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Anwendungsfallabhängig ist
der Abstand 18 zwischen der der Strömungsrichtung entgegengesetzten Öffnung des
topfförmigen
Einbauelementes 11 von der Zuleitungsstelle des Abgasstromes 5 zu wählen, ferner
die Anzahl sowie Lage und Form der Durchbrüche 16 in der Außenwandung 12 des
topfförmigen
Elementes 11. Ferner ist als Auslegungsparameter das Durchmesserverhältnis zwischen
dem Durchmesser der Innenwandung 3 des Strömungskanales 2 und
der Außenwandung 12 des
topfförmigen
Elementes 11 zu wählen.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
zur Herstellung einer Zwangsdurchmischung durch Erzeugung einer
Radialströmung
und dadurch induzierte Turbulenzen, ist der Bodenbereich des topfförmigen Einbauelements 11 als
geschlossener Boden 13 ausgebildet.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsvariante
des topfförmigen
Einbauelements 11 kann dieses mit einem ebenen Bodenbereich
und einer darin ausgebildeten Öffnung 21 ausgeführt werden.
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Diese
Ausführungsvariante
geht aus der Darstellung gemäß 2 näher hervor.
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An
der Außenwandung 12 des
topfförmigen Einbauelementes 11,
dessen Eintrittsöffnung
der Strömungsrichtung
der Fluidströme
entgegengesetzt orientiert ist, sind die einzelnen hier reihenförmig um 90° zueinander
versetzt angeordneten Durchbrüche 16 dargestellt.
Die Durchbrüche 16,
die in vorteilhafter Weise als Bohrungen mit Bohrungsdurchmesser 17 ausgeführ sein
können,
erlauben einen Durchtritt der in radiale Richtung das topfförmige Einbauelement 11 durchströmenden Fluidströme. Zur
Herabsetzung der Verschmutzungsempfindlichkeit des topfförmigen Einbauelementes 11 ist
im ebenen Bodenbereich 22 des topfförmigen Einbauelementes 11 ein Öffnungsquerschnitt 25 vorgesehen.
Durch diesen wird zwar der mit dem topfförmigen Einbauelement 11 im
Strömungsquerschnitt 1 des
Strömungskanales 2 erzielbare
Staudruck herabgesetzt, durch die Durchtrittsöffnung 25 entsteht
jedoch ein Fluidmassenstrom, der eine selbstreinigende Wirkung entfaltet.
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Aus
der Darstellung gemäß 3 geht
eine weitere Ausführungsvariante
des topfförmigen
Einbauelements 11 näher
hervor, bei dem ein sich kontinuierlich verjüngender Querschnitt im Endbereich des
topfförmigen
Einbauelements 11 ausgeführt ist.
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Bei
dieser extrem strömungsgünstig ausgeführten Variante
sind analog zur in 2 dargestellten Ausführungsform
des topfförmigen
Einbauelementes 11 in dessen Außenwandung 12 einzelne Reihen
von Durchbrüchen 16 aufgenommen.
Die Durchbrüche
können
als Bohrungen 16 beschaffen sein. In 3 ist
der Boden als ein ausgeformter Bodenbereich 23 ausgebildet.
Der sich kontinuierlich verjüngende
Strömungsquerschnitt
mündet
in einer Durchtrittsöffnung 21 mit
einem Öffnungsquerschnitt 25,
wodurch sich eine Reinigung des topfförmigen Einbauelementes 11,
welches an der Innenwandung 3 des Strömungskanals 2 durch
mehrere Halterungen 14 fixiert ist, einstellt.
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Durch
den Einbau eines topfförmigen
Einbauelementes 11, sei es mit geschlossenem Boden 13 mit
ebenem Bodenbereich 22 mit Durchtrittsöffnung 21 oder auch
als strömungsgünstige Variante mit
ausgeformtem Bodenbereich 23, gemäß der Darstellung in 3,
wird eine Zwangsmischung durch Erzeugung einer radialen Strömungskomponente herbeigeführt. Durch
den Einbau des topfförmigen Einbauelementes 11 erzeugten
Staudruck treten die an der der Strömungsrichtung der Fluidmassenströme entgegengesetzt
orientierten Öffnung
des topfförmigen
Einbauelementes 11 eintretenden Fluidmassenströme in radiale
Richtung durch die Durchbrüche 16 der
Außenwandung 12 wieder
in den freien Strömungsquerschnitt 1 des
Strömungskanales 2 ein
und bewirken dort einen Impulsaustausch quer zur Strömungsrichtung.
Zwischen der Außenwandung 12 des
topfförmigen
Einbauelementes 11 und der Innenwandung 3 des
Strömungskanales 2 bildet
sich ein einen Querimpulsaustausch ermöglichender Ringspalt aus, in
welchem die eintretenden Fluidmassenströme 4 bzw. 5 zwangsgemischt
werden.
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Durch
die Ausführungsvariante
lässt sich eine
lange Mischstrecke, innerhalb der sich die Gasströme auf natürlichem
Wege durch Querdiffusion vermischen, vermeiden, wodurch sich ein
Abgasrückführsystem
gemäß der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Konfiguration wesentlich platzsparender, d. h. einbaufreundlicher
konfigurieren lässt.
Damit lassen sich Abgasrückführsysteme
auch bei engsten an Verbrennungskraftmaschinen zur Verfügung stehenden
Bauräumen
unterbringen, da nunmehr aufgrund der induzierten Turbulenzen und
erzeugten Radialströmungen
eine Zwangsmischung der Fluidströme
eintritt und die Abgasrückführsysteme
nunmehr wesentlich kompakter bauen können.
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Abhängig von
anwendungsfallspezifischen Applikationsparametern kann die Gleichverteilung von
Frischluftanteil und Restgasanteil des austretenden gemischten Fluidmassenstromes 6 durch
die Anzahl, die Lage, den Durchmesser sowie die Form der Durchbrüche 16 an
spezifische Zwecke angepasst werden. Ein weiterer Parameter zur
Einstellung einer Gleichverteilung im austretenden gemischten Massenstrom
besteht in der Variation des Verhältnisses vom Außendurchmesser
des topfförmigem
Einbauelementes 11 zum Innendurchmesser der Innenwandung 3 des
Strömungskanales 2.