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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Brennstoffeinspritzvorrichtungsdüsenanordnungen
und insbesondere auf das Vorsehen einer Dual-Flussraten-Zumessöffnung in
einer Brennstoffeinspritzvorrichtung zur Ratenformung eines Einspritzereignisses
durch Verlangsamung der Öffnungsrate
des Nadelrückschlagventils.
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Technischer
Hintergrund
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Mit
den Jahren haben die Ingenieure erkannt, dass unerwünschte Emissionen über den größten Teil
eines Betriebsbereiches eines Motors reduziert werden können und
die Leistung verbessert werden kann, in dem man jedes Brennstoffeinspritzereignis
relativ langsam beginnen lässt
und so abrupt wie möglich
enden lässt.
Diese Art des Einspritzmassenflussratenprofils wird üblicherweise
in der Technik als Ratenformung bezeichnet. Es ist wohlbekannt,
dass es eine große
Vielzahl von Vorrichtungen und Schemata gegeben hat, die zur Erzeugung
der erwünschten
Brennstoffeinspritzratenformen für
viele unterschiedliche Brennstoffeinspritzvorrichtungen vorgeschlagen
wurden. Unglücklicherweise
sind viele dieser Vorschläge
zu komplex für
eine realistische Massenherstellung oder zu schwierig in einer Weise herzustellen,
die konsistente zuverlässige
Ergebnisse erzeugt. Andere verbessern eine Frontendratenformung,
in dem sie Abstriche bei einem abrupten Ende der Einspritzung machen
oder umgekehrt.
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Die
vorliegende Erfindung ist auf diese und andere Probleme gerichtet,
die mit der Herstellung von erwünschten
Ratenformen in Brennstoffeinspritzvorrichtungen assoziiert sind.
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GB-A-2
086 473 offenbart ein Brennstoffeinspritzventil für verdichtungsgezündete Motoren.
Eine Druckkammer, die am hinteren Teil der Ventilnadel gelegen ist,
ist mit der Federkammer durch eine Drosselbohrung in der Scheibe
zwischen den Kammern oder zwischen der Scheibe und dem Schaft verbunden,
um die Geschwindigkeit des Nadelhubes zu begrenzen. Die Kammer ist
mit dem Auslass einer Brennstoffeinspeisungspumpe unter der Steuerung eines
Ventils verbunden, welches auf die Motordrehzahl und/oder die Last
und/oder die Temperatur anspricht, um den Kammerdruck zu variieren.
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EP-A-0
135 872 offenbart eine Brennstoffeinspritzdüse für Verbrennungsmotoren mit einer
Flusseinschränkung,
bei einer Ventilnadel, die durch eine Verschlussfeder belastet wird,
verschiebbar montiert ist, und wobei ein Druckraum, der mit einer
Brennstoffeinspeisungsleitung verbunden ist, geformt wird und die
Ventilnadel in der Region eines Schubabsatzes umgibt, wo der Brennstoffdruck
eine Kraft einleitet, die das Nadelventil gegen den Brennstofffluss
in der Öffnungsrichtung
verschiebt, und weiterhin mit Mitteln, die die Bewegung des Öffnungshubes
der Ventilnadel dämpfen,
wobei eine Flusseinschränkung
zwischen der Mündung
der Brennstoffeinspeisungsleitung in den Druckraum und dem Schubabsatz
der Ventilnadel angeordnet ist, wobei die Flusseinschränkung den
Strömungsmittelfluss
einschränkt,
der während
des Öffnungshubes
der Ventilnadel an den Schubabsatz ankommt und gestattet, dass das
Brennstoffvolumen, welches in der entgegengesetzten Richtung verschoben
wird, ohne Verzögerung
während
des Verschlusshubes der Ventilnadel zurück fließt.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine Düsenanordnung nach Anspruch
1 oder eine Brennstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 11 vor.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung können
von den abhängigen
Ansprüchen
abgeleitet werden.
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Eine
Brennstoffeinspritzvorrichtungsdüsenanordnung
weist einen Düsenkörper auf,
der einen Düsenauslass
definiert. Ein Nadelventilglied ist in dem Düsenkörper positioniert und ist bewegbar
zwischen einer ersten Position, in der der Düsenauslass blockiert ist, und
einer zweiten Position, in der der Dü senauslass offen ist. Der Düsenkörper und/oder das
Nadelventilglied definieren eine erste Kammer, die strömungsmittelmässig mit
einer zweiten Kammer durch mindestens eine Dual-Flussraten-Zumessöffnung verbunden
ist. Das Nadelventilglied verschiebt Strömungsmittel von der ersten
Kammer in die zweite Kammer durch die mindestens eine Dual-Flussraten-Zumessöffnung,
wenn es sich aus seiner ersten Position in seine zweite Position
bewegt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine teilweise geschnittene
diagrammartige Frontansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtung
gemäß eines
Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine vergrösserte geschnittene
diagrammartige Ansicht eines Dual-Flussraten-Zumessöffnungsteils
der Brennstoffeinspritzvorrichtung der 1 gemäß eines
Aspektes der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine teilweise geschnittene
diagrammartige Frontansicht einer Brennstoffeinspritzvorrichtung
gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine Kurvendarstellung
der Position des Nadelventilgliedes gegenüber der Zeit für ein Einspritzereignis
gemäß des Standes
der Technik und gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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5 ist eine Kurvendarstellung
der Einspritzmassenflussrate gegenüber der Zeit für ein Einspritzereignis
gemäß des Standes
der Technik und gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Bester Weg zur Ausführung der
Erfindung
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Mit
Bezug auf 1 weist eine
Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 einen Einspritzvorrichtungskörper 11 auf,
der aus einer Vielzahl von (maschinell) bearbeiteten Komponenten
besteht, die aneinander in einer Weise befestigt sind, wie in der
Technik wohlbekannt. Der Einspritzvorrichtungskörper 11 definiert eine
Stösselbohrung 12,
innerhalb welcher ein Stössel 20 über irgend
welche geeigneten Mittel angetrieben wird, um sich hin und her zu
bewegen, wie beispielsweise durch Hydraulikströmungsmitteldruck oder eine
nockengetriebene Mitnehmeranordnung. Ein Teil des Stössels 20 und
der Stösselbohrung 12 definieren
eine Brennstoffdruckkammer 13, die in Strömungsmittelverbindung
mit einem Düsenauslass 18 über einen
Düsenversorgungsdurchlass 16 und eine
Düsenkammer 17 ist.
Wenn der Stössel 20 seinen
aufwärts
gerichteten Rückhub
zwischen den Einspritzereignissen ausführt, wird frischer Brennstoff
in die Brennstoffdruckkammer 13 durch den Brennstoffeinlass 14,
entlang des ringförmigen
Düsenversorgungsdurchlassses 19,
durch den Brennstoffversorgungsdurchlass 15 über das
Rückschlagventil 21 und
in die Stösselbohrung 12 gezogen.
Wenn der Stössel 20 seinen
abwärts
gerichteten Pumphub ausführt,
wird das Rückschlagventil 21 geschlossen und
Brennstoff wird in den Brennraum innerhalb eines Motors durch den
Düsenauslass 18 in
herkömmlicher
Weise gedrückt.
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Wie
bei einer typischen Brennstoffeinspritzvorrichtung wird ein Nadelventilglied 30 in
einem Düsenkörperteil
des Einspritzvorrichtungskörpers 11 positioniert
und ist bewegbar zwischen einer offenen Position, in der der Düsenauslass 14 offen
ist, und einer geschlossenen Position, wie gezeigt, in der der Düsenauslass 14 blockiert
ist. Das Nadelventilglied 30 weist einen Nadelteil 36,
einen Führungsteil 32,
einen scheibenförmigen
Abstandshalterteil 33 und einen Stiftanschlagteil 38 auf.
Während
diese Teile des Nadelventilgliedes aus einem einzigen vollen Stück einer
geeigneten Metalllegierung (maschinell) herausgearbeitet werden
könnten,
sind sie vorzugsweise aus mehreren getrennten Komponenten gefertigt, die
aufeinander gestapelt sind, wie in 1 gezeigt. Das
Nadelventilglied 30 weist eine hydraulische Hubfläche 31 auf,
die dem Strömungsmitteldruck
in der Düsenkammer 17 ausgesetzt
ist, und eine hydraulische Verschlussfläche 34, die dem Strömungsmitteldruck
in einer Kammer 22 mit eingeschlossenem Volumen ausgesetzt
ist, die von dem Einspritzvorrichtungskörper 11 definiert
wird.
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Die
Brennstoffeinspritzvorrichtung 10 setzt die Technologie
einer Düse
mit eingeschlossenem Volumen ein, um die Verschlussrate des Nadelventilgliedes
zu beschleunigen, wie in dem ebenfalls zu eigenen US-Patent 5429309
von Stockner beschrieben. Das relativ enge Spiel zwischen dem Führungsteil 32 und
der Führungsbohrung 25 bewirkt,
dass das eingeschlossene Volumen 22 relativ isoliert und geschlossen
ist. Die Kammer 22 mit eingeschlossenem Volumen ist durch
den Abstandshalterteil 33 aufgeteilt in eine untere Kammer 24 und
eine obere Kammer 23. Die Kammer 22 mit eingeschlossenem Volumen
wird durch eine Abstandshalterführungsbohrung 26 definiert,
die einen relativ enges ringförmiges
Spiel 37 zu dem Abstandshalterteil 33 hat, so dass
die einzige wesentliche Strömungsmittelverbindung
zwischen der oberen Kammer 23 und der unteren Kammer 24 durch
die Dual-Flussraten-Zumessöffnungen 35 besteht.
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Nun
zusätzlich
mit Bezug auf 2 ist
das Nadelventilglied 30 normalerweise zu seiner geschlossenen
Position durch die Nadelvorspannfeder 39 vorgespannt, die
in der Kammer 22 mit eingeschlossenem Volumen positioniert
ist. Wenn der Brennstoffdruck, der in der Düsenkammer 17 auf die hydraulischen
Hubflächen 31 wirkt, über einem Schwellenventilöffnungsdruck
ist, wird das Nadelventilglied 30 sich in seine offene
Position gegen die Wirkung der Nadelvorspannfeder 39 anheben,
um ein Einspritzereignis zu beginnen.
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Wenn
das Nadelventilglied 30 sich anhebt, nimmt das Volumen
der abgeschlossenen Kammer 22 ab, was eine Steigerung des
Druckes zur Folge hat. Gleichzeitig muss ein gewisser Teil des Strömungsmittels
von der oberen Kammer 23 in die untere Kammer 24 durch
die Dual-Flussraten-Zumessöffnungen 35 verschoben
werden, damit das Nadelventilglied sich nach oben bewegt. Die vorliegende
Erfindung versucht, hydraulisch die Öffnungsrate des Nadelventilgliedes 30 zu
verlangsamen, in dem sie diesen Fluss durch die Dual-Flussraten-Zumessöffnungen 35 einschränkt. Anders
gesagt, wenn die Dual-Flussraten-Zumessöffnungen 35 in geeigneter Weise
bemessen sind, kann eine Flusseinschränkung stattfinden, wenn Strömungsmittel
von der oberen Kammer 23 in die untere Kammer 24 verscho ben wird,
wenn das Nadelventilglied 30 sich zu seiner offenen Position
nach oben bewegt. Dies erzeugt einen temporären Druckgradienten zwischen
der oberen Kammer 23 und der unteren Kammer 24,
was hydraulisch die Öffnungsrate
des Nadelventilgliedes 30 verlangsamt. Diese Abbremsung
der Nadelventilöffnungsrate
erzeugt eine entsprechende langsamere Steigerung der Brennstoffeinspritzrate
aus dem Düsenauslass 18.
Um somit die Frontendratenformung gemäß der vorliegenden Erfindung
zu erzeugen, müssen
die Dual-Flussraten-Zumessöffnungen 35 ein
Flusseinschränkung
für einen
Strömungsmittelfluss
darstellen, der sich von der oberen Kammer 23 zur unteren
Kammer 24 bewegt.
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Um
die Verschlussrate des Nadelventilgliedes 30 am Ende eines
Einspritzereignisses nicht zu unterminieren ist es wichtig, dass
die Dual-Flussraten-Zumessöffnungen
unterschiedliche Flussratencharakteristiken für einen Strömungsmittelfluss haben, der
sich von der unteren Kammer 24 zur oberen Kammer 23 bewegt.
Dies wird erreicht durch Formen der Zumessöffnungen 35, die einen
relativ niedrigen Flussratenkoeffizienten für einen Strömungsmittelfluss von der unteren
Kammer 24 zu oberen Kammer 23 haben, jedoch einen
relativ großen
Flussratenkoeffizienten für
einen Strömungsmittelfluss
in die umgekehrte Richtung. Eine wesentliche Differenz der Flussratenkoeffizienten
ist erwünscht,
was einer Differenz von mehr als 30% entspricht. Diese Flussratencharakteristiken
können
mit einer großen
Vielzahl von nicht symmetrischen Formen erzeugt werden, wie beispielsweise
die in den 1 und 2 gezeigte kegelstumpfförmige Form.
Durch entsprechende Bemessung und Einstellung der Dual-Flussraten-Zumessöffnungen 35 kann
eine gewisse Frontendratenformung erzeugt werden, ohne die Fähigkeit
der Einspritzvorrichtung zu unterminieren, ein relativ abruptes
Ende des Einspritzereignisses zu erzeugen.
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Jedes
Einspritzereignis beginnt kurz nachdem der Stössel 20 seinen abwärts gerichteten Pumphub
beginnt. Dies bewirkt, dass der Brennstoffdruck in der Brennstoffdruckkammer 13 und
der Düsenkammer 17 schnell
ansteigt. Bevor das Nadelventilglied 30 sich in seine offene
Position anhebt, ist der Strömungsmitteldruck
in der Kammer 22 mit eingeschlossenem Volumen relativ gering
oder in der Größenordnung
des Strömungsmitteldruckes
in den Brennstoffeinlass 14. Wenn der Druck in der Düsenkammer 17 den
Ventilöffnungsdruck überschreitet, beginnt
das Nadelventilglied 30, sich anzuheben, um das Einspritzereignis
zu beginnen. Wenn dies auftritt, wird Strömungsmittel von der oberen
Kammer 23 in die untere Kammer 24 durch die Dual-Flussraten-Zumessöffnungen 35 verschoben.
Wegen der Flusseinschränkung
wird das Nadelventilglied 30 in seiner Bewegung hydraulisch
verlangsamt, und die Einspritzflussrate an diesen Frontend-Teil
des Einspritzereignisses steigt viel langsamer als bei einem Einspritzereignis
des Standes der Technik, bei dem das Nadelventilglied nicht in seiner
Bewegung eingeschränkt
ist.
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Während das
Nadelventilglied sich weiter nach oben in seine offene Position
bewegt, steigt der Druck in der Kammer 22 mit eingeschlossenem
Volumen. Dies kommt von der Verringerung des Gesamtvolumens, wenn
das Ende des Führungsteils 32 in den
Raum mit eingeschlossenem Volumen bewegt wird. Weil der Brennstoffdruck
in der Düsenkammer 17 relativ
hoch ist, wandert auch einen Teil von diesem Strömungsmitteldruck über das
Gebiet mit dem engen Spiel in der Führungsbohrung 25 nach
oben, was weiter den Strömungsmitteldruck
in der Kammer 22 mit eingeschlossenem Volumen während des
Einspritzereignisses anhebt. Die temporäre Differenz bezüglich des
Druckes zwischen der oberen Kammer 23 und der unteren Kammer 24 während der
anfänglichen Öffnung des
Nadelventilgliedes 30 baut sich schnell ab, nachdem der
Stiftanschlagteil 38 seinen oberen Anschlag erreicht hat.
Somit gleicht sich während
des Einspritzereignisses der Druck in den oberen und unteren Kammern
auf einen relativ hohen Druck gemäß der Düsentechnologie mit eingeschlossenem
Volumen aus. Das Einspritzungsereignis endet, wenn der Abwärtshub des
Stössels 20 sich
ausreichend verlangsamt, so dass ein Brennstoffdruckabfall in der
Düsenkammer 17 auftritt.
Wenn dieser Druck durch einen gewissen Schwellenwert abfällt, bewirkt
die hydraulische Kraft auf Grund des Druckes, der in der abgeschlossenen
Kammer auf die hydraulische Verschlussfläche 34 wirkt, plus
der Federkraft von der Vorspannfeder 39, dass das Nadelventilglied 30 beginnt,
sich nach unten zu seiner geschlossenen Position zu bewegen. Wenn
dies auftritt muss das Strömungsmittel
in der unteren Kammer 24 in die obere Kammer 23 durch
die Dual-Flussraten-Zumessöffnungen 35 verschoben
werden. Jedoch wegen des hohen Flussratenkoeffizienten aufgrund
der Form von diesen Zumessöffnungen
tritt keine signifikante Flusseinschränkung auf, und das Nadelventilglied 30 schließt mit nahezu
der gleichen abrupten Rate wie bei dem Nadelventilglied des Standes
der Technik der Bauart, die in dem früher erwähnten Patent von Stockner beschrieben
wird.
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Mit
Bezug auf 3 verwendet
nun eine Brennstoffeinspritzvorrichtung 110 gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung eine Dual-Flussraten-Zumessöffnung 135,
um eine Frontendratenformung in einer Düsenanordnung zu erzeugen, die
keine Kammer mit eingeschlossenem Volumen über einem Nadelventilglied 130 aufweist.
In diesem Beispiel ist die Federkammer 122, die eine Nadelvorspannfeder 139 enthält, immer mit
dem relativ niedrigen Druck des Brennstoffeinlasses 114 über eine
ringförmige
Brennstoffrückleitung/Versorgungskammer 119 und
eine Dual-Flussraten-Zumessöffnung 135 verbunden.
Dieses Ausführungsbeispiel
weicht auch von dem vorherigen Ausführungsbeispiel dahingehend
ab, dass ein Bereich 137 mit einem relativ großen ringförmigen Spiel zwischen
der Wand der Federkammer 122 und der Außenfläche des Abstandshalterteils 133 vorhanden ist,
wie bei den Brennstoffeinspritzvorrichtungen des Standes der Technik
dieser Bauart. Anders gesagt ist dieser Spielbereich ausreichend
groß,
so dass keine tatsächliche
Flusseinschränkung
auftritt, wenn Brennstoff zwischen dem Bereich unter dem Abstandshalter 133 und
dem Bereich darüber
verschoben wird. Wenn das Nadelventilglied 130 sich in
seine offene Position anhebt, wird das Strömungsmittel in der Federkammer 122 durch
die Dual-Flussraten-Zumessöffnung 135 in
die ringförmige
Brennstoffrückleitung/Versorgungskammer 119 verschoben.
Durch entsprechende Bemessung und Formung der Zumessöffnung 135 wird
eine Flusseinschränkung
erzeugt, die die Öffnungsrate
des Nadelventilgliedes 130 in einer Weise verlangsamt,
die jener des in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbei spiels ähnlich ist.
Somit wird die anfängliche
Einspritzungsrate verlangsamt, um eine Frontendratenformung zu erzeugen,
und das Einspritzereignis endet im wesentlichen identisch wie bei
den ähnlichen
Brennstoffeinspritzvorrichtungen des Standes der Technik dieser
Bauart, und zwar dahingehend, dass die Verschlussrate des Nadelventilgliedes
nur von der Festigkeit bzw. Federrate der Vorspannfedern 139 und der
Rate des Brennstoffdruckabfalls in der Düsenkammer abhängt.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung findet mögliche Anwendung
bei jeglicher Brennstoffeinspritzvorrichtung, wo es erwünscht ist,
ein Nadelventilglied zu haben, welches sich mit einer langsameren
Rate öffnet und
sich mit einer anderen schnelleren Rate schließt. Die vorliegende Erfindung
erreicht dies durch Anordnung der Komponenten derart, dass eine
erste Kammer von einer zweiten Kammer durch eine Dual-Flussraten-Zumessöffnung getrennt
ist. Diese Komponenten sind so angeordnet, dass wenn das Nadelventilglied
sich in seine offene Position bewegt, das Strömungsmittel von einer Kammer
zur anderen Kammer durch die Dual-Flussraten-Zumessöffnung verschoben
wird. Die Form und Größe der Dual-Flussraten-Zumessöffnung sind
vorzugsweise derart angeordnet bzw. ausgewählt, dass eine Flusseinschränkung erzeugt
wird, wenn das Nadelventilglied sich zu seiner offenen Position
hin bewegt, so dass seine Öffnungsrate
verlangsamt wird und die anfängliche
Einspritzrate geformt wird. Die hydraulische Abbremsung der vorliegenden
Erfindung kann weiter durch Bemessung der zwei Kammern eingestellt
werden, durch Verschließen
oder Entlüften
der Kammern und durch Steuerung des Gesamtvolumens des Strömungsmittels,
welches zwischen den Kammern verschoben werden muss, wenn sich das Nadelventilglied öffnet. Weil
Strömungsmittel
durch die Dual-Flussraten-Zumessöffnung
in der umgekehrten Richtung fließen muss, wenn sich das Nadelventilglied
schließt,
wird die Zumessöffnung
so geformt und bemessen, dass sie einen relativ uneingeschränkten Fluss
in dieser umgekehrten Richtung gestattet, wenn das Nadelventilglied
sich zu seiner geschlossenen Position bewegt. Dies stellt sicher, dass
die Verschlussrate des Nadelventilgliedes nicht unterwandert bzw.
gestört
wird. Der Fachmann wird erkennen, dass eine große Vielzahl von unterschiedlich
geformten Durchlasswegen die Dual-Flussraten-Charakteristiken der vorliegenden Erfindung
erzeugen kann. Der Flusskoeffizient in einer Richtung kann von 30%
bis zu 100% oder mehr größer sein
als der Flusskoeffizient in der umgekehrten Richtung. Diese Differenz
der Flusskoeffizienten gestattet, dass die Dual-Flussraten-Zumessöffnung funktionell
eine Einschränkung
in einer Richtung erzeugt, jedoch einen nahezu zu vernachlässigenden
Effekt in der entgegengesetzten Richtung hat.
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Die
obige Beschreibung ist nur zu Veranschaulichungszwecken gedacht
und soll nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung in irgendeiner Weise
einschränken.
Beispielsweise könnte
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung die Formgebung des Abstandshalterelementes derart
aufweisen, dass es eine Kegelstumpfform hat, so dass der Fluss um
seine Außenfläche herum, wenn
sich das Nadelventilglied bewegt, eine ringförmige Dual-Flussraten-Zumessöffnung gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt. Somit könnten
verschiedene Modifikationen an den offenbarten Ausführungsbeispielen
vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen,
der bezüglich
der oben dargelegten Ansprüche definiert
ist.