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Die
Erfindung betrifft ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer Kraftstoffeinspritzöffnung,
welche an einer vorderen Endfläche
des Kraftstoffeinspritzventils ausgebildet ist, zum direkten Einspritzen
von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, wobei
ein Hochdruckraum für
Kraftstoff im Kraftstoffeinspritzventil vorgesehen ist, mit dem
die Kraftstoffeinspritzöffnung
in Verbindung steht, und wobei ein Ventilelement in dem Kraftstoffeinspritzventil
vorgesehen ist, welches die Verbindung zwischen Hochdruckraum und
Kraftstoffeinspritzöffnung für einen
Einspritzvorgang wahlweise öffnet
und schließt,
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum
direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine
in Form eines Kraftstoff-Einspritzstrahles, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
10.
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Aus
der
EP 0 361 359 A1 ist
eine Einspritzdüse
zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Lufteinlasskanal stromauf
von Einlassventilen mit zwei Einspritzöffnungen bekannt, die in unterschiedliche Richtungen
weisen. Auf diese Weise werden mit einer einzigen Einspritzdüse zwei
Kraftstoffstrahlen für zwei
Lufteinlasskanalzweige zur Verfügung
gestellt.
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Aus
der
US 4 657 189 ist
ein elektromagnetisch betätigbares
Kraftstoffeinspritzventil bekannt, bei dem stromab der Einspritzöffnung ein
Einspritzstrahlteiler vorgesehen ist. Aus dem Strahlteiler entweichen
zwei separate Kraftstoffteilstrahlen unabhängig voneinander in unterschiedliche
Richtungen.
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Aus
der
US 5 224 458 ist
eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff
in einen Lufteinlasskanal stromauf von Einlassventilen mit einem
Ventilloch bekannt, bei der am Ventilloch außen ein Verteiladapter und
an der Vorderseite des Verteiladapters ein Luftadapter vorgesehen
ist. Der Luftadapter weist mehrere Führungsbohrungen auf, die Kraftstoff
in entsprechende Lufteinlasskanäle
führen.
Außerdem
weist der Luftadapter Luftzuführkanäle auf,
die Luft zu den Führungsbohrungen
leiten.
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Aus
der
US 4 771 948 ist
ein elektromagnetisch betätigbares
Kraftstoffeinspritzventil zum Einspritzen von Kraftstoff in einen
Lufteinlasskanal stromauf von Einlassventilen bekannt, wobei außen vor
einer Kraftstoffeinspritzöffnung
ein Düsenkörper mit
drei Kraftstoffzerstäuberlöchern angeordnet
ist.
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Aus
der
US 5 556 034 ist
ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer Kraftstoffeinspritzöffnung bekannt.
Stromab der Kraftstoffeinspritzöffnung
sind zwei divergierende Einspritzkanäle vorgesehen, die den Einspritzstrahl
in zwei Teilstrahlen aufteilen und den Kraftstoffteilstrahlen unterstützende Luft
zuführen.
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Aus
der
DE 199 47 342
A1 ist eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit Kraftstoffeinspritzöffnung zum
direkten Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum bekannt.
An einem vorderen Ende der Kraftstoffeinspritzöffnung ist ein Teiler versetzt
zum Zentrum der Kraftstoffeinspritzöffnung angeordnet. Hierdurch
wird ein unterteilter Kraftstoffsprühstrahl erzeugt, welcher einen
Kraftstoffsprühstrahl
mit starker Eindringkraft und einen Kraftstoffsprühstrahl
mit schwacher Eindringkraft umfasst. Der Kraftstoffsprühstrahl
mit starker Eindringkraft wird in die Umgebung einer Zündkerze
eingespritzt, während
der Kraftstoffsprühstrahl
mit schwacher Eindringkraft in Richtung Kolben eingespritzt wird
und durch eine vorwärts
gerichtete Tumbleströmung
von Ansaugluft in Richtung Zündkerze
abgelenkt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine direkte in einen Brennraum
einer Brennkraftmaschine erfolgende Kraftstoffeinspritzung dahingehend
zu verbessern, dass sich für
verschiedenste Betriebszustände
bzw. Brennverfahren, beispielsweise Magerbetrieb, Schichtbetrieb
etc., stabile Brennprozesse für
lange Betriebszyklen ergeben.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Kraftstoffeinspritzventil der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmalen und durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch
10 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Dazu
ist es bei einem Kraftstoffeinspritzventil der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass an der vorderen Endfläche
des Kraftstoffeinspritzventils benachbart zur Kraftstoffeinspritzöffnung wenigstens eine
zusätzliche Öffnung ausgebildet
ist, die mit dem Hochdruckraum in Verbindung steht, wobei das Ventilelement
auch diese Verbindung zwischen der wenigstens einen zusätzlichen Öffnung und
dem Hochdruckraum wahlweise öffnet
oder schließt,
wobei die wenigstens eine zusätzliche Öffnung derart
angeordnet und ausgebildet ist, dass sie dem von dem Kraftstoffeinspritzventil
ausgestoßenen
Kraftstoffstrahl eine Drallbewegung aufprägt.
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Bei
einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Kraftstoff Einspritzstrahl mit einer Drallströmung eingespritzt
wird.
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Dies
hat den Vorteil, dass eine stabile und optimierte ungleichförmige Strahlstruktur
in Form eines Drall-Einspritzstrahls erzeugt wird, wobei gleichzeitig
der Durchfluss des Kraftstoffeinspritzventils durch den Übergang
von einer runden Bohrung zu einer Strukturbohrung nicht beeinflusst
ist. Zusätzlich ist
eine Gefahr von Verkokung der für
eine einheitliche Struktur notwendigen sehr kleinen Löcher für das Mehrloch-Einspritzventil
effektiv beseitigt. Es wird ein optimaler Gemischtransport bzw.
Aufbereitungsgrad im Schichtbetrieb/Homogenbetrieb im Hinblick auf Verbrennungsstabilität, Verbrauch
und Schadstoffemissionen erzielt.
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Zeckmäßigerweise
ist die Kraftstoffeinspritzöffnung
mittig angeordnet und stößt einen
Kraftstoffstrahl in Richtung und entlang einer Mittellängsachse
des Kraftstoffeinspritzventils aus.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind zwei oder vier zusätzliche Öffnungen
vorgesehen, die bezüglich
einer den Mittelpunkt der Kraftstoffeinspritzöffnung schneidenden und in
einer Ebene senkrecht zu einer Längsachse
des Kraftstoffeinspritzventils liegenden Symmetriegeraden spiegelsymmetrisch
neben der Kraftstoffeinspritzöffnung
angeordnet sind. Die zusätzlichen Öffnungen
sind dabei bevorzugt derart ausgebildet, dass ein Richtungsvektor des
von diesen jeweils ausgestoßenen
Kraftstoffstrahls bezüglich
einer Mittellängsachse
des Kraftstoffeinspritzventils im Raum verkippt ist. Eine Verbindungsgerade
der Mittelpunkte von Kraftstoffeinspritzöffnung und einer jeweiligen
zusätzlichen Öffnung in
der Ebene der Symmetriegeraden schließt mit dieser beispielsweise
einen ersten Winkel von 28° bis
90°, insbesondere
17,925°,
28,488° oder 76,585°, ein. Eine
Projektion des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse
des Kraftstoffeinspritzventils enthaltende erste Ebene schließt mit der
Mittellängsachse
beispielsweise einen zweiten Winkel von 5° bis 20°, insbesondere 5° oder 18° ein. Eine
Projektion des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse
des Kraftstoffeinspritzventils enthaltende und senkrecht zur ersten
Ebene stehende zweite Ebene schließt mit der Längsachse
beispielsweise einen dritten Winkel von 5° bis 30°, insbesondere 6°, 10° oder 20° ein.
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Beispielsweise
sind vier zusätzliche Öffnungen
vorgesehen sind, weiche kleeblattförmig um die Kraftstoffeinspritzöffnung herum
angeordnet sind.
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Zweckmäßigerweise
sind wenigstens zwei, insbesondere drei oder vier zusätzliche Öffnungen vorgesehen,
welche um die Kraftstoffeinspritzöffnung herum in Umfangsrichtung
gleichmäßig voneinander beabstandet
angeordnet sind.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in
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1 eine
erste bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
in einer Ansicht von unten auf das untere Ende bzw. die vordere
Endfläche
des Kraftstoffeinspritzventils mit Kraftstoffeinspritzöffnung,
wobei die Zeichnungsebene senkrecht zu einer Mittellängsachse
des Kraftstoffeinspritzventils steht,
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2 die
erste bevorzugte Ausführungsform gemäß 1 in
einer Schnittansicht in einer die Mittellängsachse des Kraftstoffeinspritzventil
enthaltenden ersten Ebene,
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3 die
erste bevorzugte Ausführungsform gemäß 1 in
einer Schnittansicht in einer die Mittellängsachse des Kraftstoffeinspritzventil
enthaltenden und senkrecht zur ersten Ebene stehenden zweiten Ebene,
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4 eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
in einer Ansicht von unten auf das untere Ende bzw. die vordere
Endfläche
des Kraftstoffeinspritzventils mit Kraftstoffeinspritzöffnung,
wobei die Zeichnungsebene senkrecht zu einer Mittellängsachse
des Kraftstoffeinspritzventils steht,
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5.
die zweite bevorzugte Ausführungsform
gemäß 4 in
einer Schnittansicht in einer die Mittellängsachse des Kraftstoffeinspritzventil
enthaltenden ersten Ebene,
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6 die
zweite bevorzugte Ausführungsform
gemäß 4 in
einer Schnittansicht in einer die Mittellängsachse des Kraftstoffeinspritzventil
enthaltenden und senkrecht zur ersten Ebene stehenden zweiten Ebene,
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7 eine
dritte bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
in einer Ansicht von unten auf das untere Ende bzw. die vordere
Endfläche
des Kraftstoffeinspritzventils mit Kraftstoffeinspritzöffnung,
wobei die Zeichnungsebene senkrecht zu einer Mittellängsachse
des Kraftstoffeinspritzventils steht,
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8.
die dritte bevorzugte Ausführungsform
gemäß 7 in
einer Schnittansicht in einer die Mittellängsachse des Kraftstoffeinspritzventil
enthaltenden ersten Ebene,
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9 die
dritte bevorzugte Ausführungsform gemäß 7 in
einer Schnittansicht in einer die Mittellängsachse des Kraftstoffeinspritzventil
enthaltenden und senkrecht zur ersten Ebene stehenden zweiten Ebene,
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10 eine
vierte bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
in einer Ansicht von unten auf das untere Ende bzw. die vordere
Endfläche
des Kraftstoffeinspritzventils mit Kraftstoffeinspritzöffnung,
wobei die Zeichnungsebene senkrecht zu einer Mittellängsachse
des Kraftstoffeinspritzventils steht,
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11.
die vierte bevorzugte Ausführungsform
gemäß 10 in
einer Schnittansicht in einer die Mittellängsachse des Kraftstoffeinspritzventil
enthaltenden ersten Ebene,
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12 die
vierte bevorzugte Ausführungsform
gemäß 10 in
einer Schnittansicht in einer die Mittellängsachse des Kraftstoffeinspritzventil
enthaltenden und senkrecht zur ersten Ebene stehenden zweiten Ebene,
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13 eine
Detailansicht der Einspritzloch-Austrittsgeometrie der ersten bevorzugten
Ausführungsform
gemäß 1 in
schematischer Aufsicht,
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14.
eine Detailansicht der Einspritzloch-Austrittsgeometrie der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
gemäß 4 in
schematischer Aufsicht,
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15 eine
Detailansicht der Einspritzloch-Austrittsgeometrie der dritten bevorzugten
Ausführungsform
gemäß 7 in
schematischer Aufsicht und
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16 eine
Detailansicht der Einspritzloch-Austrittsgeometrie der vierten bevorzugten
Ausführungsform
gemäß 10 in
schematischer Aufsicht
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Die
aus 1 bis 16 ersichtlichen, bevorzugten
Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzventils
umfassen an einer Unterseite bzw. vorderen Endfläche 32 eine Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
zwei oder vier zu dieser benachbarte zusätzliche Öffnungen 12. Die Kraftstoffeinspritzöffnung 10 sowie
die zusätzlichen Öffnungen 12 sind
mit einem Hochdruckraum 14 für Kraftstoff verbunden. Ein
nicht dargestelltes Ventilelement öffnet und schließt wahlweise
die Verbindung zwischen Hochdruckraum einerseits und Kraftstoffeinspritzöffnung 10 bzw.
den zusätzlichen Öffnungen 12 andererseits,
um in geeigneter Weise eine direkte Kraftstoffeinspritzung in einen
Brennraum einer Brennkraftmaschine durchzuführen. Hierzu wird das Ventilelement
in geeigneter Weise angesteuert, so dass ein Kraftstoffeinspritzstrahl
von der Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
den zusätzlichen Öffnungen 12 ausgestoßen wird.
Die Kraftstoffeinspritzöffnung 10 stößt Kraftstoff
in Richtung einer Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils aus.
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Erfindungsgemäß ist es
vorgesehen, dass die zusätzlichen Öffnungen 12 derart
ausgebildet und an der vorderen Endfläche 32 des Kraftstoffeinspritzventils
angeordnet sind, dass einem von der Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
den zusätzlichen Öffnungen 12 ausgestoßenen Kraftstoffeinspritzstrahl
eine Drallströmung
aufgeprägt
wird. Hierzu sind in der ersten Ausführungsform gemäß 1 bis 3 und 13 zwei
zusätzliche Öffnungen 12 vorgesehen, die
spiegelsymmetrisch zu einer Symmetriegeraden 16 in einer
Ebene senkrecht zu der Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils angeordnet sind. Jede der zusätzlichen Öffnungen 12 ist
derart ausgebildet, dass sie Kraftstoff mit einem vorbestimmten Richtungsvektor
ausstößt. Eine
Verbindungsgerade 20 der Mittelpunkte von Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
einer jeweiligen zusätzlichen Öffnung 12 in
der Ebene der Symmetriegeraden 16 (1) schließt mit der
Symmetriegeraden 16 einen ersten Winkel 22 von
28,488° ein.
Eine Projektion 24 des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils enthaltende erste Ebene (2) schließt mit der
Mittellängsachse 18 einen
zweiten Winkel 26 von 18° ein.
Eine Projektion 28 des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des Kraftstoffeinspritzventils
enthaltende und senkrecht zur ersten Ebene stehende zweite Ebene
(3) schließt
mit der Mittellängsachse 18 einen
dritten Winkel 30 von 10° ein.
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Um
dem von der Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
den zusätzlichen Öffnungen 12 ausgestoßenen Kraftstoffeinspritzstrahl
eine Drallströmung
aufzuprägen
sind bei der zweiten Ausführungsform
gemäß 4 bis 6 und 14 an
der vorderen Endfläche 32 des
Kraftstoffeinspritzventils zwei zusätzliche Öffnungen 12 vorgesehen,
die benachbart zur Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und spiegelsymmetrisch
zur Symmetriegeraden 16 in einer Ebene senkrecht zu der
Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils angeordnet sind. Jede der zusätzlichen Öffnungen 12 ist
derart ausgebildet, dass sie Kraftstoff mit einem vorbestimmten
Richtungsvektor ausstößt. Eine
Verbindungsgerade 20 der Mittelpunkte von Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
einer jeweiligen zusätzlichen Öffnung 12 in
der Ebene der Symmetriegeraden 16 (4) schließt mit der
Symmetriegeraden 16 einen ersten Winkel 22 von
17,925° ein.
Eine Projektion 24 des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils enthaltende erste Ebene (5)
schließt
mit der Mittellängsachse 18 einen
zweiten Winkel 26 von 18° ein. Eine
Projektion 28 des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils enthaltende und senkrecht zur ersten
Ebene stehende zweite Ebene (6) schließt mit der
Mittellängsachse 18 einen
dritten Winkel 30 von 6° ein.
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Um
dem von der Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
den zusätzlichen Öffnungen 12 ausgestoßenen Kraftstoffeinspritzstrahl
eine Drallströmung
aufzuprägen
sind bei der dritten Ausführungsform
gemäß 7 bis 9 und 15 an
der vorderen Endfläche 32 des
Kraftstoffeinspritzventils zwei zusätzliche Öffnungen 12 vorgesehen,
die benachbart zur Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und spiegelsymmetrisch
zur Symmetriegeraden 16 in einer Ebene senkrecht zu der
Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils angeordnet sind. Jede der zusätzlichen Öffnungen 12 ist
derart ausgebildet, dass sie Kraftstoff mit einem vorbestimmten
Richtungsvektor ausstößt. Eine
Verbindungsgerade 20 der Mittelpunkte von Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
einer jeweiligen zusätzlichen Öffnung 12 in
der Ebene der Symmetriegeraden 16 (7) schließt mit der
Symmetriegeraden 16 einen ersten Winkel 22 von
67,484° ein.
Eine Projektion 24 des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils enthaltende erste Ebene (8)
schließt
mit der Mittellängsachse 18 einen
zweiten Winkel 26 von 5° ein. Eine
Projektion 28 des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils enthaltende und senkrecht zur ersten
Ebene stehende zweite Ebene (9) schließt mit der
Mittellängsachse 18 einen
dritten Winkel 30 von 20° ein.
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Um
dem von der Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
den zusätzlichen Öffnungen 12 ausgestoßenen Kraftstoffeinspritzstrahl
eine Drallströmung
aufzuprägen
sind bei der vierten Ausführungsform
gemäß 10 bis 12 und 16 an
der vorderen Endfläche 32 des
Kraftstoffeinspritzventils vier zusätzliche Öffnungen 12 vorgesehen,
welche in Umfangsrichtung der Kraftstoffeinspritzöffnung 10 gleichmäßig beabstandet
um die Kraftstoffeinspritzöffnung 10 herum,
d.h. insbesondere kleeblattförmig, angeordnet
sind. Jede der zusätzlichen Öffnungen 12 ist
derart ausgebildet, dass sie Kraftstoff mit einem vorbestimmten
Richtungsvektor ausstößt. Je zwei zusätzliche Öffnungen 12 sind
spiegelsymmetrisch zu einer jeweiligen Symmetriegeraden 16 in
einer Ebene senkrecht zu der Mittellängsachse 18 des Kraftstoffeinspritzventils
angeordnet. Es sind in diesem Fall zwei senkrecht aufeinander stehende
Symmetriegeraden vorhanden, von denen in 10 nur eine
dargestellt ist. Wegen der kleeblattartigen Symmetrie fällt eine
Symmetriegerade 16 von einem Paar zusätzlicher Öffnungen 12 mit der
Verbindungsgeraden 20 der Mittelpunkte von Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und
den Mittelpunkten der zusätzlichen Öffnungen 12 des
anderen Paares von Öffnungen 12 zusammen.
Die Verbindungsgerade 20 in der Ebene der Symmetriegeraden 16 (10)
schließt
mit der Symmetriegeraden 16 einen ersten Winkel 22 von 90° ein. Eine
Projektion 24 des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des
Kraftstoffeinspritzventils enthaltende erste Ebene (11)
schließt
mit der Mittellängsachse 18 einen
zweiten Winkel 26 von 5° ein.
Eine Projektion 28 des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des Kraftstoffeinspritzventils
enthaltende und senkrecht zur ersten Ebene stehende zweite Ebene
(12) schließt
mit der Mittellängsachse 18 einen
dritten Winkel 30 von 5° ein.
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Bei
den direkteinspritzenden Ottomotoren ist somit erfindungsgemäß durch
den Einsatz optimierter Einspritzlochaustritts-Geometrien mit einem
Drallinjektor eine Erhöhung
der Variationsmöglichkeiten für eine optimale
Brennverfahrensanpassung möglich.
Der Gemischtransport im Schichtbetrieb und die Aufbereitung des
Kraftstoffluftgemisch im Homogenbetrieb im Hinblick auf Verbrennungsstabilität, Verbrauch
und Emissionen können
dadurch deutlich beeinflusst und auch verbessert werden. Mit der
Anordnung einer bzw. mehrer Bohrungen im Bereich des Spritzloches 10 kann
der Kraftstoff Einspritzstrahl in seiner Geometrie modelliert werden.
Es wird ein Drall-Einspritzstrahl mit der stabilen u. zusätzlich optimierten
ungleichförmigen
Strahlstruktur erzielt. Der Durchfluss des Injektors ist durch den Übergang
von der runden Bohrung in die Strukturbohrung unbeeinflusst.
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- 10
- Kraftstoffeinspritzöffnung
- 12
- zusätzliche Öffnungen
- 14
- Hochdruckraum
- 16
- Symmetriegerade
- 18
- Mittellängsachse
- 20
- Verbindungsgerade
der Mittelpunkte von Kraftstoffeinspritzöffnung 10 und einer
-
- jeweiligen
zusätzlichen Öffnung 12
- 22
- erster
Winkel
- 24
- Projektion
des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des
-
- Kraftstoffeinspritzventils
enthaltende erste Ebene
- 26
- zweiter
Winkel
- 28
- Projektion
des Richtungsvektors in eine die Mittellängsachse 18 des
-
- Kraftstoffeinspritzventils
enthaltende und senkrecht zur ersten Ebene stehende zweite
-
- Ebene
- 30
- dritter
Winkel
- 32
- vordere
Endfläche
des Kraftstoffeinspritzventils