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Die
Erfindung geht aus von einem Brennstoffeinspritzventil nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
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Bekannt
ist bereits aus der
DE
197 03 200 A1 ein Brennstoffeinspritzventil, das stromabwärts eines
festen Ventilsitzes eine Lochscheibe mit mehreren Auslassöffnungen
aufweist, wobei die Lochscheibe in einem Lochscheibenträger an einem
Ventilsitzkörper
gehalten wird. Die Lochscheibe ist dabei an der stromabwärtiger Stirnseite
des Ventilsitzkörpers angeordnet,
deren Öffnungsgeometrie
durch den Ventilsitzkörper
begrenzt wird, so dass die Strömungsverhältnisse
in der Lochscheibe durch den Ventilsitzkörper mit beeinflusst werden.
Der Ventilsitzkörper
deckt einen oberen Einlassbereich der Lochscheibe derart ab, dass
die stromabwärtigen Auslassöffnungen
der Lochscheibe vollständig überdeckt
sind. Auf diese Weise wird ein S-förmiger Strömungsverlauf innerhalb der
Lochscheibe zu jeder Auslassöffnung
hin erzeugt.
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Aus
der
DE 41 21 310 A1 ist
bereits ein Brennstoffeinspritzventil bekannt, das einen Ventilsitzkörper besitzt,
an dem ein fester Ventilsitz ausgebildet ist. Mit diesem im Ventilsitzkörper ausgebildeten
Ventilsitz wirkt ein im Einspritzventil axial beweglicher Ventilschließkörper zusammen.
An den Ventilsitzkörper
schließt
sich in stromabwärtiger
Richtung eine flache Düsenrichtplatte
an, in der dem Ventilsitz zugewandt eine H-förmige
Vertiefung als Einlassbereich vorgesehen ist. An den H-förmigen Einlassbereich
schließen
sich in stromabwärtiger
Richtung vier Abspritzlöcher
an, so dass sich ein abzuspritzender Brennstoff über den Einlassbereich bis
hin zu den Abspritzlöchern
verteilen kann. Eine Beeinflussung der Strömungsgeometrie in der Düsenrichtplatte durch den
Ventilsitzkörper
erfolgt dabei nicht. Vielmehr ist ein Strömungsdurchlass stromabwärts des Ventilsitzes
im Ventilsitzkörper
so weit ausgeführt, dass
der Ventilsitzkörper
keinen Einfluss auf die Öffnungsgeometrie
der Düsenrichtplatte
hat.
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Aus
der
DE 196 07 277
A1 ist bereits ein Brennstoffeinspritzventil mit einer
Lochscheibe bekannt, die mehrere, unterschiedliche Öffnungsgeometrien
aufweisende Funktionsebenen besitzt. Die einzelnen Funktionsebenen
der Lochscheibe werden mittels galvanischer Metallabscheidung (Multilayergalvanik)
aufeinander aufgebaut.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffeinspritzventil
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil,
dass auf einfache Art und Weise eine gleichmäßige Feinstzerstäubung des
Brennstoffs erreicht wird, wobei eine besonders hohe Aufbereitungsqualität und Zerstäubungsgüte mit sehr
kleinen Brennstofftröpfchen
erzielt wird. Dies wird in vorteilhafter Weise dadurch erreicht,
dass stromabwärts
eines Ventilsitzes in einer Lochscheibe vorgesehene Auslassöffnungen
derart angeströmt werden,
dass jede Auslassöffnung
individuell mit einer mit einer gewissen Rotation versetzten Strömung des
Brennstoffs versorgt wird. Durch einfache und modulare Montage ist
es möglich,
stromaufwärts
der Auslassöffnungen
eine Rosettenöffnung
vorzusehen, die durch eine umfangsmäßig ausgebildete Bogenstruktur
gekennzeichnet ist und der individuellen Zuströmung zu den Auslassöffnungen
dient.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Brennstoffeinspritzventils möglich.
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In
vorteilhafter Weise wird die Rosettenöffnung auf der den Auslassöffnungen
abgewandten Seite durch einen den festen Ventilsitz umfassenden Ventilsitzkörper begrenzt.
Damit übernimmt
der Ventilsitzkörper
bereits die Funktion einer Strömungsbeeinflussung
in der Lochscheibe. In besonders vorteilhafter Weise wird durch
die teilweise Überdeckung der
Rosettenöffnung
ein S-Schlag in der Strömung zur
Zerstäubungsverbesserung
des Brennstoffs erreicht, da der Ventilsitzkörper mit seiner unteren Stirnseite
die Auslassöffnungen
der Lochscheibe überdeckt.
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Vorteilhaft
ist es, die Lochscheibe in einer Zwischenscheibe einzusetzen und
die Lochscheibe und die Zwischenscheibe mit miteinander korrespondierenden
Fixiermitteln auszubilden, so dass eine eindeutige Einbaulage der
Lochscheibe definiert ist.
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Mittels
galvanischer Metallabscheidung lassen sich in vorteilhafter Weise
Lochscheiben in reproduzierbarer Weise äußerst präzise und kostengünstig in
sehr großen
Stückzahlen
gleichzeitig herstellen. Außerdem
erlaubt diese Herstellungsweise eine extrem große Gestaltungsfreiheit, da
die Konturen der Öffnungen
in der Lochscheibe frei wählbar
sind.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 ein
teilweise dargestelltes Einspritzventil, 2 eine Unteransicht
auf die Lochscheibe gemäß 1 mit
einer ersten Ausführung
der Zuordnung der Auslassöffnungen, 3 einen
Schnitt entlang der Linie III-III in 1 zwischen
der Lochscheibe und einer die Rosettenöffnung aufweisenden Zwischenscheibe
hindurch, 4 einen Schnitt durch eine Zwischenscheibe
in einer zweiten Ausführung
der Zuordnung der Auslassöffnungen, 5 den
Ausschnitt V in 4 mit einer ersten Anströmvariante einer
Auslassöffnung, 6 eine
zur in 5 dargestellten Anströmvariante alternative zweite
Anströmvariante,
die weitgehend der in 2 gezeigten Zuordnung der Auslassöffnungen
entspricht, 7 einen Schnitt durch eine Zwischenscheibe
in einer dritten Ausführung
der Zuordnung der Auslassöffnungen, 8 den
Ausschnitt VIII in 7 mit einer dritten Anströmvariante
einer Auslassöffnung, 9 eine
erste Möglichkeit
der Positionierung der Lochscheibe an der Zwischenscheibe und 10 eine zweite
Möglichkeit
der Positionierung der Lochscheibe an der Zwischenscheibe.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In
der 1 ist als ein Ausführungsbeispiel ein Ventil in
der Form eines Einspritzventils für Brennstoffeinspritzanlagen
von gemischverdichtenden fremdgezündeten Brennkraftmaschinen
teilweise dargestellt. Das Einspritzventil hat einen nur schematisch
angedeuteten, einen Teil eines Ventilgehäuses bildenden, rohrförmigen Ventilsitzträger 1,
in dem konzentrisch zu einer Ventillängsachse 2 eine Längsöffnung 3 ausgebildet
ist. In der Längsöffnung 3 ist eine
z. B. rohrförmige
Ventilnadel 5 angeordnet, die an ihrem stromabwärtigen Ende 6 mit
einem z. B.
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kugelförmigen Ventilschließkörper 7,
an dessen Umfang beispielsweise fünf Abflachungen 8 zum Vorbeiströmen des
Brennstoffs vorgesehen sind, fest verbunden ist.
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Die
Betätigung
des Einspritzventils erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise
elektromagnetisch. Zur axialen Bewegung der Ventilnadel 5 und
damit zum Öffnen
entgegen der Federkraft einer nicht dargestellten Rückstellfeder
bzw. Schließen
des Einspritzventils dient ein schematisch angedeuteter elektromagnetischer
Kreis mit einer Magnetspule 10, einem Anker 11 und
einem Kern 12. Der Anker 11 ist mit dem dem Ventilschließkörper 7 abgewandten Ende
der Ventilnadel 5 durch z.B. eine mittels eines Lasers
ausgebildete Schweißnaht
verbunden und auf den Kern 12 ausgerichtet.
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In
dem stromabwärts
liegenden Ende des Ventilsitzträgers 1 ist
ein Ventilsitzkörper 16 z.B. durch
Schweißen
dicht montiert. An seiner dem Ventilschließkörper 7 abgewandten,
unteren Stirnseite 17 ist der Ventilsitzkörper 16 mit
einer z.B. topfförmig ausgebildeten
Zwischenscheibe 18 konzentrisch und fest verbunden, wobei
die Zwischenscheibe 18 eine erfindungsgemäße Rosettenöffnung 19 aufweist.
Die Zwischenscheibe 18 ist derart ausgeführt, dass
in eine der Rosettenöffnung 19 stromabwärts folgende Vertiefung 20 eine
Lochscheibe 23 mit wenigstens zwei, idealerweise jedoch
mit acht bis vierzig Auslassöffnungen 24 einsetzbar
ist.
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Die
Verbindung von Ventilsitzkörper 16 und Zwischenscheibe 18 erfolgt
beispielsweise durch eine umlaufende und dichte, mittels eines Lasers ausgebildete
Schweißnaht 25,
die derart positioniert ist, dass zugleich die Lochscheibe 23 an
der Zwischenscheibe 18 mit befestigt ist. Die Zwischenscheibe 18 ist
im Bereich ihres äußeren Halterandes z.B.
mit der Wandung der Längsöffnung 3 im
Ventilsitzträger 1 ebenfalls
durch eine umlaufende und dichte Schweißnaht verbunden.
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Durch
die Vertiefung 20 in der Zwischenscheibe 18 zur
Aufnahme der Lochscheibe 23 ist die Zwischenscheibe 18 in
ihrem mittleren Bereich mit einer geringeren Materialstärke ausgeführt als
der ringförmig
umlaufende Randbereich der Zwischenscheibe 18 rund um die
Vertiefung 20, wobei die Zwischenscheibe 18 in
ihrem mittleren Bereich mit der Vertiefung 20 eine gegenüber dem äußeren Randbereich ungefähr halbierte
Materialstärke
besitzt. In diesem mittleren Bereich besitzt die Zwischenscheibe 18 also
zwei Funktionsebenen, von denen die obere an der unteren Stirnseite 17 des
Ventilsitzkörpers 16 anliegt
und die Rosettenöffnung 19 aufweist,
während die
untere in ihrer Vertiefung 20 die Lochscheibe 23 aufnimmt.
Die Rosettenöffnung 19 besitzt
dabei einen Durchmesser, der größer ist
als die Öffnungsweite
einer Austrittsöffnung 27 im Ventilsitzkörper 16, aus
der der Brennstoff kommend in die Rosettenöffnung 19 und letztlich
in die Auslassöffnungen 24 einströmt.
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Die
Einschubtiefe des Ventilsitzkörpers 16 mit
der Lochscheibe 23 in der Längsöffnung 3 bestimmt
die Größe des Hubs
der Ventilnadel 5, da die eine Endstellung der Ventilnadel 5 bei
nicht erregter Magnetspule 10 durch die Anlage des Ventilschließkörpers 7 an
einer sich stromabwärts
konisch verjüngenden
Ventilsitzfläche 29 des
Ventilsitzkörpers 16 festgelegt
ist. Die andere Endstellung der Ventilnadel 5 wird bei
erregter Magnetspule 10 beispielsweise durch die Anlage
des Ankers 11 an dem Kern 12 festgelegt. Der Weg
zwischen diesen beiden Endstellungen der Ventilnadel 5 stellt
somit den Hub dar.
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Eine
Einspannung mit der Zwischenscheibe 18 als indirekte Befestigung
der Lochscheibe 23 am Ventilsitzkörper 16 hat den Vorteil,
dass die Rosettenöffnung 19 separat
unabhängig
von der Ausformung der Lochscheibe 23 mit ihrer Vielzahl
von Auslassöffnungen
herstellbar ist und temperaturbedingte Verformungen durch das Einpassen
der Lochscheibe 23 in die Vertiefung 20 der Zwischenscheibe 18 weitgehend
vermieden werden, die eventuell bei Verfahren wie Schweißen oder
Löten bei
einer direkten Befestigung der Lochscheibe 23 auftreten
könnten.
Die Zwischenscheibe 18 stellt jedoch keineswegs in ihrer
gezeigten Ausgestaltung eine ausschließliche Bedingung zur Befestigung
der Lochscheibe 23 dar. Anstelle der Zwischenscheibe 18 können auch
andersartig aufgebaute Zwischenteile verwendet werden oder kann
die Rosettenöffnung 19 auch
unmittelbar selbst in der Lochscheibe 23 vorgesehen sein.
Im letztgenannten Fall besteht die Lochscheibe 23 dann aus
wenigstens zwei aufeinanderfolgenden Funktionsebenen.
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Die
Auslassöffnungen 24 der
Lochscheibe 23 stehen mit der Rosettenöffnung 19 der Zwischenscheibe 18 in
unmittelbarer Strömungsverbindung, werden
jedoch von der unteren Stirnseite 17 des Ventilsitzkörpers 16 überdeckt.
Mit anderen Worten ausgedrückt
liegt ein vollständiger
Versatz von der den Einlass der Rosettenöffnung 19 festlegenden Austrittsöffnung 27 und
den Auslassöffnungen 24 vor.
Bei einer Projektion des Ventilsitzkörpers 16 auf die Lochscheibe 23 überdeckt
der Ventilsitzkörper 16 sämtliche
Auslassöffnungen 24.
Aufgrund des radialen Versatzes der Auslassöffnungen 24 gegenüber der
Austrittsöffnung 27 ergibt
sich ein S-förmiger Strömungsverlauf
des Mediums, hier des Brennstoffs. Ein S-förmiger Strömungsverlauf wird auch bereits
dann erzielt, wenn der Ventilsitzkörper 16 alle Auslassöffnungen 24 in
der Lochscheibe 23 nur teilweise überdeckt.
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Die
Lochscheibe 23 ist beispielsweise mittels galvanischer
Metallabscheidung hergestellt und besitzt Auslassöffnungen 24,
die z.B. zylindrisch, konisch sich in Strömungsrichtung erweiternd oder,
wie in 1 dargestellt, sich in Strömungsrichtung tulpen- bzw.
trompetenförmig
erweiternd verlaufen. Ebenso kann die Lochscheibe 23 als
dünnes
Blech mit einer Dicke von 50 bis 100 μm ausgeführt sein, in die die Auslassöffnungen 24 z.B.
mittels Stanzen eingebracht werden.
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Durch
den sogenannten S-Schlag innerhalb der Zwischenscheibe 18 und
Lochscheibe 23 mit mehreren starken Strömungsumlenkungen wird der Strömung eine
starke, zerstäubungsfördernde
Turbulenz aufgeprägt.
Der Geschwindigkeitsgradient quer zur Strömung ist dadurch besonders
stark ausgeprägt.
Er ist ein Ausdruck für
die Änderung
der Geschwindigkeit quer zur Strömung,
wobei die Geschwindigkeit in der Mitte der Strömung deutlich größer ist
als in der Nähe
der Wandungen. Die aus den Geschwindigkeitsunterschieden resultierenden
erhöhten
Scherspannungen im Fluid begünstigen
den Zerfall in feine Tröpfchen
nahe der Auslassöffnungen 24.
Erfindungsgemäß wird durch
die Konturierung der Rosettenöffnung 19 das
Fluid in seiner Anströmung
der Auslassöffnungen 24 noch
zusätzlich
mit Wirbeln und einer Drallkomponente versetzt, so dass ein noch
weiter verbesserter Zerfall in feinste Tröpfchen erzielbar ist.
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2 zeigt
eine Unteransicht auf die Lochscheibe 23 gemäß 1 mit
einer ersten Ausführung der
Zuordnung der Auslassöffnungen 24 zu
der Rosettenöffnung 19 der
Zwischenscheibe 18. Aus dieser Ansicht wird deutlich, dass
die Begrenzung der Rosettenöffnung 19 mit
einer umfangsmäßig ausgebildeten
Bogenstruktur, die sich aus mehreren umfangsmäßig aufeinanderfolgenden Bögen 30,
z.B. Halbkreise, zusammensetzt. Im in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
schließen
sich zwölf
Bögen 30 umfangsmäßig aneinander
an, die zusammen die Rosettenöffnung 19 um
360° begrenzen.
Diesen Bögen 30 der
Rosettenöffnung 19 definiert
zugeordnet liegen die Auslassöffnungen 24 der
Lochscheibe 23. In diesem ersten Ausführungsbeispiel sind zehn Auslassöffnungen 24 in
der Lochscheibe 23 vorgesehen, die jeweils genau einem
Bogen 30 der Rosettenöffnung 19 zugeordnet
sind, wobei die beiden Fehlstellen 31, also die Bögen 30,
denen keine Auslassöffnung 24 zugeordnet
ist, genau um 180° gegenüberliegen.
Die Auslassöffnungen 24 sind
somit in zwei Gruppen zu je fünf
Auslassöffnungen 24 angeordnet, so
dass auf diese Weise ein Zweistrahlspray erzeugt werden kann. Eine
solche Ausführung
kann auch geeignet sein, um eine Zündkerzenlücke im Spray zu erzeugen, durch
die eine Zündkerze
nicht unmittelbar angespritzt wird. Die Auslassöffnungen 24 sind derart den
Bögen 30 der
Rosettenöffnung 19 zugeordnet, dass
sie in der Projektion in eine gemeinsame Ebene zentral und mittig
zu den einzelnen Bögen 30 liegen, wobei
jeweils ein halbkreisförmiger
Bogen 30 eine Auslassöffnung 24 ungefähr zur Hälfte umgibt. 6 zeigt
eine zur in 2 dargestellten Anströmvariante alternative
Anströmvariante,
die nur geringfügig
von der Zuordnung der Auslassöffnungen 24 gemäß 2 abweicht.
Auch hier sind die Auslassöffnungen 24 zentral
zu jeweils einem Bogen 30 angeordnet, ragen jedoch nicht
mittig bis in den Bogen 30 hinein, sondern werden von den
Bögen 30 über weniger
als die Hälfte
ihres Umfangs umgeben.
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In
die Zwischenscheibe 18, die beispielsweise eine Dicke zwischen
50 und 200 μm
hat, wird die Rosettenöffnung 19 z.B.
mittels Stanzen oder Laserbearbeitung eingebracht. Für die Aufbereitung
des abzuspritzenden Brennstoffs können der Durchmesser der Rosettenöffnung 19,
der Radius jedes einzelnen Bogens 30 sowie die Anzahl der
Bögen 30 variiert
werden. Über
den mit x bezeichneten Abstand zwischen der Wand des Bogens 30 und
der Auslassöffnung 24 wird
der gewünschte
Strahlwinkel eingestellt. Auf diese Weise können mit einfachen Variationen
unterschiedliche Strahlbilder erzeugt werden, ohne dass schräg verlaufende
Auslassöffnungen
einzubringen sind oder andere aufwändige Maßnahmen bezüglich der Gestaltung der Auslassöffnungen
vorzunehmen sind. Um eine eindeutige Einbaulage der Lochscheibe 23 in
der Vertiefung 20 der Zwischenscheibe 18 zu gewährleisten,
können
am Umfang der Vertiefung 20 und der Lochscheibe 23 Fixiermittel 33 vorgesehen
sein, die miteinander korrespondieren und z.B. an der Lochscheibe 23 als
Fixiernase 34 und an der Vertiefung 20 der Zwischenscheibe 18 als
Fixiernut 35 ausgebildet sind.
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3 zeigt
einen Schnitt entlang der Linie III-III in 1 zwischen
der Lochscheibe 23 und der die Rosettenöffnung 19 aufweisenden
Zwischenscheibe 18 hindurch, wobei ohne die zugeordneten Auslassöffnungen 24 der
Lochscheibe 23 besonders die Ausbildung der Rosettenöffnung 19 mit
den sie am Umfang begrenzenden Bögen 30 deutlich
wird.
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In
der 4 ist ein Schnitt durch eine Zwischenscheibe 18 in
einer zweiten Ausführung
der Zuordnung der Auslassöffnungen 24 zu
den Bögen 30 der
Rosettenöffnung 19 dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
liegen die Auslassöffnungen 24 der Lochscheibe 23 in
einer Projektion nicht von den Bögen 30 umgeben
vor, sondern sind genau dort angeordnet, wo zwei aufeinanderfolgende
Bögen 30 zusammenlaufen.
Den zwölf
Bögen 30 sind
wiederum zehn Auslassöffnungen 24 zugeordnet. 5 zeigt einen
vergrößerten Ausschnitt
V in 4, wobei sich diese Anströmvariante der Auslassöffnungen 24 dadurch
auszeichnet, dass ein Doppelwirbel in jeder Auslassöffnung 24 erzeugt
wird, der sich durch die zwei auf die Auslassöffnung 24 zulaufenden
Bögen 30 ergibt
und durch Pfeile kenntlich gemacht ist.
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7 zeigt
einen Schnitt durch eine Zwischenscheibe 18 in einer dritten
grundsätzlichen Ausführung der
Zuordnung der Auslassöffnungen 24 zu
den Bögen 30 der
Rosettenöffnung 19.
Hierbei sind die Auslassöffnungen 24 zwar
von den Bögen 30 zumindest
teilweise umgeben angeordnet, jedoch handelt es sich um eine außermittige
Zuordnung. Wie insbesondere 8 als Ausschnitt
VIII in 7 zu entnehmen ist, liegt die
Auslassöffnung 24 deutlich einseitig
außerhalb
der Mitte des Bogens 30, wodurch die Anströmung der
Auslassöffnung 24 aus dem
Bogen 30 heraus weitgehend einseitig erfolgt und somit
ein Drall bzw. ein weitgehend in einer Richtung rotierender Wirbel
in der Strömung
generiert wird.
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Die 9 und 10 zeigen
zwei grundsätzliche
Möglichkeiten
der Positionierung der Lochscheibe 23 an der Zwischenscheibe 18,
wobei das in 9 dargestellte Fixierprinzip
dem bereits in 2 angedeuteten Fixierprinzip
entspricht, indem die Fixiermittel 33 an der Lochscheibe 23 als
Fixiernase 34 und an der Vertiefung 20 der Zwischenscheibe 18 als Fixiernut 35 ausgebildet
sind. Bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Fixierprinzip genau umgekehrt, d.h. die Lochscheibe 23 weist
als Fixiernut 35' und
die Zwischenscheibe 18 als Fixiernase 34' ausgebildete
Fixiermittel 33 auf. Die Fixiermittel 33 können rechteckförmig, mehrkantig,
gewölbt,
halbkreisförmig,
elliptisch oder ähnlich
ausgeführt
sein.