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Stand der Technik
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Die strenger werdende Abgasgesetzgebung macht bei Brennkraftmaschinen, insbesondere bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, eine Nachbehandlung des Abgases erforderlich, um den Anteil an Stickoxiden im Abgas zu reduzieren. Ein etabliertes Verfahren für die Minderung von Stickoxiden in Abgasen stellt die selektive katalytische Reduktion (SCR) dar. Beim SCR-Verfahren werden die Stickoxide mittels eines Betriebsstoffes und/oder Hilfsstoffes, der dem Abgasstrom zugeführt wird, zu Stickstoff und Wasser reduziert. Als Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff kommt dabei häufig eine unter dem Markennamen AdBlue erhältliche eutektische Harnstoff-Wasser-Lösung zum Einsatz. Der Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff wird in einem Vorratsbehälter bevorratet und über ein Versorgungssystem zu einem Dosiermodul gefördert und in den Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine eingespritzt.
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Eine Vorrichtung zum Fördern, Dosieren und Einspritzen eines Betriebsstoffes und/oder Hilfsstoffes ist beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung
DE 10 2011 004 365.9 bekannt. Das in dieser Patentanmeldung offenbarte Dosiersystem weist eine zweiteilige Dosierleitung auf, wobei der erste Teil einen geringen Leitungsquerschnitt aufweist und mit einer flüssigkeitsabweisenden Beschichtung versehen ist und der zweite Teil der Dosierleitung einen großen Querschnitt aufweist und aus einem hitzebeständigen Material gefertigt ist, welches von der Flüssigkeit benetzt werden kann. Über Druckluft wird das Reduktionsmittel durch die Förderleitung getrieben. Aufgrund der flüssigkeitsabweisenden Beschichtung des ersten Leitungsabschnitts bilden sich Tropfen aus, die mit der Druckluft fortbewegt werden. Aufgrund der vergleichsweise geringen Oberfläche der Tropfen tritt dabei nur eine geringe Verdunstung von Wasser auf. Eine geringe Verdunstungsrate ist entscheidend, da bei einem größeren Wasserverlust ein Auskristallisieren des Harnstoffs erfolgt und dadurch die Dosierleitung verstopfen könnte. Der zweite Leitungsabschnitt steht in Kontakt mit der Abgasanlage und weist Temperaturen auf, die zu hoch für ein Auskristallisieren des Harnstoffs sind.
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An das Zerstäuben des Betriebsstoffes und/oder Hilfsstoffes werden hohe Anforderungen gestellt. Um Ablagerungen in der Abgasanlage zu vermeiden, muss beispielsweise die wässrige Harnstofflösung in kleine Tröpfchen mit einem gemittelten Durchmesser (SMD = Sauter Mean Diameter) von möglichst < 30 µm zerstäubt werden. Dabei darf kein bimodales Aerosol mit vielen sehr kleinen und einigen großen Tropfen entstehen. Die Erzeugung kleiner Tropfen kann durch eine hohe Austrittsgeschwindigkeit des Betriebsstoffes und/oder Hilfsstoffes aus einem Spritzloch erreicht werden, dabei muss die Entstehung großer Tropfen vermieden werden. Dazu sind jedoch große Mengen Druckluft erforderlich, da andernfalls die Gefahr bestünde, dass aufgrund des Zusammentreffens einer größeren Menge Betriebsstoff und/oder Hilfsstoffs mit einer zu kleinen Menge Druckluft große Tropfen entstehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Eindosieren eines Betriebsstoffes und/oder Hilfsstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels, in einen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ein Sprührohr, wobei das Sprührohr am abgasseitigen Ende einen Zylinder mit seitlich eingelassenen Nuten aufweist, die zusammen mit der Innenwand des Sprührohrs Mantelkanäle bilden. Die Mantelkanäle gehen in Drallkanäle über, welche in eine Drallkammer mit mindestens einem Spritzloch münden.
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Für das Sprührohr wird bevorzugt ein Rohr mit rundem Querschnitt verwendet und der Zylinder ist bevorzugt als Kreiszylinder ausgeführt, dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Sprührohrs entspricht. In einer Ausführungsform sind die Drallkanäle und/oder die Drallkammer in die abgasseitige Stirnseite des Zylinders eingearbeitet.
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Die Nuten im Zylinder sind vorzugsweise spiralförmig ausgebildet, wobei jeweils zwei der spiralförmigen Nuten einen gegensinnigen Drehsinn aufweisen. Die Steigung der spiralförmigen Nuten ist dabei so gewählt, dass sich die von den Nuten und der Innenwand des Sprührohrs gebildeten Mantelkanäle mindestens ein Mal überkreuzen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Nuten auf der Mantelfläche des Zylinders so angeordnet, dass diese von der oberen Stirnfläche zur unteren Stirnfläche wellenförmig verlaufen, wobei sich zwei benachbarte Nuten mindestens ein Mal überkreuzen. Die Wellenform kann dabei beispielsweise rund sein, so dass die Nuten schlangenförmig über die Mantelfläche verlaufen. Bei einer eckigen Wellenform ergibt sich ein gezackter Verlauf der Nuten über die Mantelfläche.
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Der Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff wird, bevor er in das Sprührohr geleitet wird, mit einem Fördermittel, insbesondere Druckluft oder Abgas der Verbrennungskraftmaschine, gemischt. Der gemischte Fluidstrom gelangt in die Mantelkanäle. Kleine Druckunterschiede in dem Fluidstrom in den Mantelkanälen werden an den Kreuzungsstellen zwischen den Mantelkanälen ausgeglichen. Nach dem Durchlaufen der Mantelkanäle ist das Fluid homogenisiert. Anschließend tritt das Fluid in die Drallkanäle ein.
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Die Mantelkanäle gehen bevorzugt exzentrisch in die Drallkanäle über. In einer weiteren Ausführungsform ist der Übergang zentrisch und/oder trichterförmig ausgestaltet.
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Von den Drallkanälen fließt das Fluid weiter in die Drallkammer. Die Drallkammer ist bevorzugt zylindrisch mit runder Grundfläche ausgeführt. In einer weiteren Ausführungsform wird die Drallkammer als Kegelstumpf ausgeführt, wobei ebenfalls Ausführungsformen mit runden Deckflächen bevorzugt sind.
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Die Übergänge von den Mantelkanälen in die Drallkanäle sowie die Übergänge von den Drallkanälen in die Drallkammer sind dabei jeweils bevorzugt exzentrisch ausgeführt, so dass das Fluid unter einem hohen Drall versetzt wird. In einer weiteren Ausführungsform sind die Übergänge zwischen den Drallkanälen und der Drallkammer trichterförmig ausgeführt.
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Damit der Drall erhalten bleibt, befindet sich das Spritzloch unmittelbar unter der Drallkammer. Das Spritzloch ist bevorzugt zentrisch unter der Drallkammer angeordnet. Das Fluid tritt gleichmäßig mit einem hohen Drall aus dem Spritzloch aus und wird gleichmäßig fein zerstäubt. Die vorgenommene Homogenisierung des Fluids stellt sicher, dass immer ausreichende Mengen Druckluft zur Zerstäubung des Betriebsstoffes und/oder Hilfsstoffs zur Verfügung stehen und keine großen Tropfen auftreten können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Aufrechterhaltung des Dralls im Spritzloch der Durchmesser der Drallkammer auf das Doppelte des Durchmessers des Spritzlochs limitiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Längen- zu Durchmesserverhältnis des Spritzlochs kleiner als 1 gewählt um den Drall aufrechtzuerhalten.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Eindosieren eines Betriebsstoffes und/oder Hilfsstoffes, insbesondere eines Reduktionsmittels, in einen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine wird der Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff zuverlässig und gleichmäßig zerstäubt, ohne dass dabei größere Tropfen auftreten. Dies wird durch die sich überkreuzenden Mantelkanäle des Sprührohrs erreicht. Druckschwankungen, die am Spritzloch zu einem ungünstigen Verhältnis von Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff zum Fördermedium und damit zur Entstehung großer Tropfen führen, werden an den Kreuzungsstellen der Mantelkanäle ausgeglichen. Ferner wird durch die Anordnung der Drallkanäle und Drallkammer das Fluid unter einen hohen Drall versetzt, wodurch sich die Größe der am Spritzloch entstehenden Tropfen reduziert. Beide Maßnahmen zusammen erlauben es der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die Menge des eingesetzten Fördermediums zu reduzieren, ohne dass ein bimodales Aerosol mit kleinen und großen Tropfen entsteht. Mögliche Ablagerungen aus dem Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff in der Abgasanlage aufgrund zu großer Tropfen werden so wirkungsvoll verhindert und gleichzeitig Fördermedium eingespart.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt eine Ausführungsform der als druckluftunterstütztes Dosiersystem ausgeführten Vorrichtung in einer schematischen Darstellung,
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2 zeigt eine Ausführungsform des Dosiermoduls der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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3 zeigt das Sprührohr des Dosiermoduls von vorne.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sprührohrs von vorne.
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5 zeigt eine Ansicht des Sprührohrs mit Zylinder von oben,
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6 stellt einen ersten Schnitt durch das Sprührohr mit Zylinder dar und
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7 stellt einen zweiten Schnitt durch das Sprührohr mit Zylinder dar.
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8 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Sprührohrs mit zentrischen Übergängen zwischen den Mantelkanälen und den Drallkanälen.
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9 stellt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Sprührohrs mit Zylinder mit trichterförmig zulaufenden Drallkanälen dar.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Eindosieren eines Betriebsstoffes und/oder Hilfsstoffes in einen Abgasstrom einer Verbrennungskraftmaschine.
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Der Betriebsstoff und/oder der Hilfsstoff 12 wird aus einem Tank 10 mit einem Fördermodul 14 durch eine Betriebsstoff- und/oder Hilfsstoffleitung 16 in das Dosiermodul 40 gefördert. Bei dem Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff 12 handelt es sich zur Durchführung der selektiven katalytischen Reduktion insbesondere um eine unter dem Markennamen AdBlue erhältliche eutektische Harnstoff-Wasser-Lösung. In dem Dosiermodul 40 wird der Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff 12 mit einem Fördermedium 22 vermischt, wobei es sich bei dem Fördermedium 22 insbesondere um Druckluft oder um Abgas der Verbrennungskraftmaschine handelt. Die Druckluft 22 wird von der Druckluftversorgung 20 des Fahrzeugs über eine Druckluftleitung 24 dem Dosiermodul 40 zugeführt. Die Druckluft 22 treibt die Harnstoff-Wasser-Lösung durch das Sprührohr 50. Von dort wird die Harnstoff-Wasser-Lösung in die Abgasanlage 70 eingespritzt, wo ein Aerosol 62 entsteht. Das Aerosol 62 kommt in Kontakt mit dem Abgasstrom 72. Dabei entsteht aus der Harnstoff-Wasser-Lösung das eigentliche Reduktionsmittel, gasförmiges Ammoniak NH3. Durch das Ammoniak werden im Abgasstrom 72 enthaltende Stickoxide zu Wasser und Stickstoff reduziert. Ein Steuergerät 30 kontrolliert das Fördermodul 14 und das Dosiermodul 40, um genau die für die Stickoxidreduktion erforderliche Menge Reduktionsmittel einzuspritzen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des Dosiermoduls der Vorrichtung zum Eindosieren eines Betriebsstoffes und/oder Hilfsstoffes.
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Dem Dosiermodul 40 wird Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff über die Leitung 16 und das Fördermedium 22 über die Leitung 24 zugeführt. Der Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff 12 gelangt über das Dosierventil 42 und das Fördermedium 22 direkt über die Leitung 24 in die Mischkammer 44. Das Gemisch wird über das Sprührohr 50 in den Abgasstrom 72 der Abgasanlage 70 eingeführt, wo ein Aerosol 62 entsteht. Die benötigte Menge des Betriebsstoffes und/oder des Hilfsstoffes 12 wird vom Steuergerät 30 über das Dosierventil 42 eingestellt.
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3 zeigt einen Schnitt durch das Sprührohr mit dem Zylinder von vorne.
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In das Sprührohr 50 ist am abgasseitigen Ende ein Zylinder 52 eingelassen. In die Mantelfläche des Zylinders 52 sind seitlich Nuten 53 eingelassen, die zusammen mit der Innenwand 51 des Sprührohrs 50 die Mantelkanäle 54 bilden. Die Nuten 53 im Zylinder 52 sind bevorzugt spiralförmig ausgebildet, wobei jeweils zwei der spiralförmigen Nuten 53 einen entgegengesetzten Drehsinn aufweisen. Sind beispielsweise auf der Mantelfläche des Zylinders 52 acht Nuten 53 verteilt, verlaufen vier Nuten 53 im Uhrzeigersinn und vier Nuten 53 entgegen des Uhrzeigersinns. Die Steigung der spiralförmigen Nuten 53 ist dabei so gewählt, dass die Mantelkanäle 54 mindestens eine Kreuzungsstelle 55 aufweisen, bei der sich zwei oder mehr der Mantelkanäle 54 treffen. An der abgasseitig zugewandten Stirnfläche des Zylinders 52 sind Drallkanäle 56 eingearbeitet, die die Mantelkanäle 54 mit einer Drallkammer 57 im Zentrum der Stirnfläche verbinden. Die Drallkammer 57 kann zylindrisch ausgeführt sein und befindet sich beispielsweise zentrisch über einem Spritzloch 58, welches sich in der Stirnfläche des Sprührohrs 50 befindet und mit der Abgasanlage 70 in Kontakt steht.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sprührohrs von vorne.
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In das Sprührohr 50 ist am abgasseitigen Ende der Zylinder 52 eingelassen. Die Nuten 53 auf der Mantelfläche des Zylinders 52 verlaufen in der dargestellten Ausführungsform in Form von Wellenlinien von der oberen Stirnfläche des Zylinders 52 zur unteren Stirnfläche des Zylinders 52 und bilden mit der Innenwand 51 des Sprührohrs 50 die Mantelkanäle 54. Die Wellenform ist dabei so gewählt, dass sich jeweils zwei benachbarte Nuten mindestens ein Mal kreuzen. Anstelle der in 4 dargestellten runden Wellenform sind auch eckige Formen möglich. An der abgasseitigen, unteren Stirnfläche des Zylinders 52 sind Drallkanäle 56 eingearbeitet, die die Mantelkanäle 54 mit der im Zentrum der Stirnfläche angeordneten Drallkammer 57 verbinden. In dieser Ausführungsform ist die Drallkammer 57 als zur Abgasseite zulaufender Kegelstumpf 59 ausgeführt und mündet in das Spritzloch 58, welches sich in der Stirnfläche des Sprührohrs 50 befindet und mit der Abgasanlage 70 in Kontakt steht.
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5 stellt das Sprührohr mit dem Zylinder von oben dar.
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5 zeigt den Zylinder 52 mit vier Nuten 53 die zusammen mit der Innenwand 51 des Sprührohrs 50 die Wandkanäle 54 bilden. Das in der Mischkammer 44 erzeugte Gemisch aus Betriebsstoff und/oder Hilfsstoff 12 mit Fördermedium 22 strömt an dieser Stelle in die Wandkanäle 54 ein.
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6 zeigt einen Schnitt durch das Sprührohr mit dem Zylinder.
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In der Schnittdarstellung in 6 ist das Sprührohr 50 mit dem Zylinder 52 dargestellt. Der Schnitt verläuft in der Nähe einer Kreuzungsstelle 55, so dass der Abstand zweier Mantelkanäle 54 hier kleiner ist als in der Darstellung gemäß 4.
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7 stellt einen weiteren Schnitt durch das Sprührohr mit dem Zylinder dar.
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In dem in 7 dargestellten Schnitt durch das Sprührohr 50 mit dem Zylinder 52 sind die Übergänge der durch die Nuten 53 und der Innenfläche 51 des Sprührohrs 50 gebildeten Mantelkanäle 54 in die Drallkanäle 56 dargestellt. Des Weiteren ist in der 6 die Drallkammer 57 dargestellt, in die die Drallkanäle 56 münden. Um das Fluid, dessen Strömungslinien mit dem Bezugszeichen 60 dargestellt sind, unter einen Drall zu versetzen, sind die Drallkanäle 56 so angeordnet, dass die Mantelkanäle 54 in diese exzentrisch übergehen und die Drallkanäle 56 exzentrisch in die Drallkammer 57 münden. Der Übergang von den Mantelkanälen 54 in die Drallkanäle 56 kann jedoch beispielsweise auch zentrisch oder trichterförmig zulaufend ausgeführt sein. Das Fluid tritt aus der Drallkammer 57 über das Spritzloch 58 aus und erzeugt ein Aerosol 62, welches sich mit dem Abgasstrom 72 vermischt. Das Spritzloch 58 ist bevorzugt unmittelbar unterhalb der Drallkammer 57 angeordnet. Weiter ist es bevorzugt, dass das Spritzloch 58 zentrisch unter der Drallkammer 57 angeordnet ist. Um den Drall des Fluids aufrechtzuerhalten, ist es ferner bevorzugt, den Durchmesser der Drallkammer 57 auf das Doppelte des Durchmessers des Spritzlochs 58 limitiert. Ebenfalls für den Erhalt des Dralls vorteilhaft ist ein Längen- zu Durchmesserverhältnis des Spritzlochs 58, welches nicht größer als 1 ist.
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8 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Sprührohrs mit zentrischen Übergängen zwischen den Mantelkanälen, den Drallkanälen und der Drallkammer.
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In 8 ist ein Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Sprührohrs 50 dargestellt. Der 8 ist zu entnehmen, dass die Mantelkanäle 54 zentrisch in die Drallkanäle 56 übergehen und dass die Drallkanäle 56 leicht exzentrisch in die Drallkammer 57 münden. Der in der Drallkammer 57 benötigte Drall kann durch die genaue Anordnung der Drallkanäle 56 und deren Übergänge in die Drallkammer 57 eingestellt werden. Das Fluid strömt, wie mit den mit Bezugszeichen 60 versehenen Linien angedeutet, durch die Mantelkanäle 54 in die Drallkanäle 56 ein, und fließt in die Drallkammer 57 weiter. Von dort tritt es über das Spritzloch 58 in die Abgasanlage 70 ein.
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9 stellt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Sprührohrs mit trichterförmig zulaufenden Drallkanälen.
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Der in 9 gezeigte Schnitt durch das Sprührohr 50 zeigt eine weitere Ausführungsform der Drallkanäle 56. Die Drallkanäle 56 laufen trichterförmig auf die Drallkammer 57 zu. Die Breite der Drallkanäle 56 ist am Übergang zu den Mantelkanälen 54 am größten und am Übergang zu der Drallkammer 57 am kleinsten. Die Anfangsgröße der Drallkanäle 56 ist am Übergang zwischen den Mantelkanälen 54 und den Drallkanälen 56 in der dargestellten Ausführungsform so gewählt, dass zwischen den Mantelkanälen 54 und den Drallkanälen 56 keine Engstelle entsteht. Andere Ausführungsformen sind jedoch möglich. Das Fluid strömt, wie mit den mit Bezugszeichen 60 versehenen Linien angedeutet, durch die Mantelkanäle 54 in die Drallkanäle 56 ein, und fließt in die Drallkammer 57 weiter. Von dort tritt es über das Spritzloch 58 in die Abgasanlage 70 ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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