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GEBIET DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein Kraftstoffinjektionsvorrichtungen und insbesondere eine Kraftstoffinjektionsvorrichtung mit Wirbelerzeugern zum Vormischen einer injizierten Kraftstoffmenge mit einem Oxidationsmittel zur anschließenden Injektion in einen Verbrennungsmotor.
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Ein Beispiel eines Kraftstoffinjektionsvorrichtung in Gestalt eines Spritzvergasers ist aus der
DE 441 960 A bekannt. Dieser Vergaser weist eine in der Längsrichtung verschiebbar angeordnete Luftdüse auf, die zwei Luft- oder Gemischströme zugleich regelt und drosselt, und zwar einen inneren Strom zusammen mit einem in der verschiebbaren Düse angeordneten Mittelkörper und einen äußeren Strom zusammen mit einer die verschiebbare Düse am Austrittsende umgebenden äußeren Luftdüse.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei Gasmotoren des Otto-Typs werden Kraftstoff und Verbrennungsluft stromaufwärts von den Zylindern des Motors unter Verwendung eines Venturimischers oder einer anderen Misch- und Injektionsvorrichtung miteinander vorvermischt. Um die Homogenität des Kraftstoff/Luftgemisches zu maximieren und eine Kraftstoffversorgung mit niedrigen Druck zu gewährleisten, wird der Kraftstoff häufig stromaufwärts von dem Verdichter injiziert. Derartige Misch- und Injektionskonzepte ergeben aber verhältnismäßig große Volumen einer zündbaren Mischung außerhalb der Verbrennungskammer und gestatten es nicht, das Timing der Kraftstoffinjektion so unter Kontrolle zu halten, dass Rückzündungen vermieden werden. Sowohl eine kontrollierte Injektion als auch kleine zündbare Mischvolumina stromaufwärts von den Zylindern sind aber für Brennstoffe mit hohem Rückzündungsrisiko, wie etwa Wasserstoff von besonderer Bedeutung. Es werden Düsenbohrungsinjektionstechniken angewandt, um ein ordnungsgemäßes Timing der Kraftstoffinjektion zur Vermeidung einer Rückzündung zu erreichen, doch geht dies auf Kosten verringerter Mischqualität. Die verringerte Mischqualität kann zu höheren Emissionen, geringerer Leistung und einem eingeschränkten Betriebsbereich des Motors führen. Demgemäß besteht ein Bedürfnis, die Vermischung und Injektion von Kraftstoffen bei Verbrennungsmotoren zu verbessern, um eine höhere Leistungsdichte, einen effizienten Betrieb und verringerte Emissionen zu erzielen.
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Aufgabe der Erfindung ist es diesem Bedürfnis abzuhelfen. Zur Lösung dieser Aufgabe weist die Kraftstoffinjektionsvorrichtung gemäß der Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer verbesserten Kraftstoffinjektionsvorrichtung.
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2 zeigt eine teilweise Querschnittsdarstellung der beispielhaften Ausführungsform der Kraftstoffinjektionsvorrichtung nach 1, geschnitten längs der Linie 2-2.
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3 zeigt eine ausschnittsweise Querschnittsdarstellung einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Kraftstoffinjektionsvorrichtung nach 1, geschnitten längs der Linie 2-2.
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4A zeigt eine Ausschnittsweise Querschnittsdarstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Kraftstoffinjektionsvorrichtung nach 1, geschnitten längs der Linie 2-2.
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4B zeigt eine Ausschnittsweise Querschnittsdarstellung einer noch anderen beispielhaften Ausführungsform der Kraftstoffinjektionsvorrichtung nach 1 geschnitten längs der Linie 2-2.
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5 zeigt eine teilweise perspektivische Darstellung der beispielhaften Ausführungsform der Kraftstoffinjektionsvorrichtung nach 1 betrachtet längs der Linie 5-5.
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6 zeigt ein Diagramm des Massenstroms in Abhängigkeit von der Zeit für Kraftstoff und Luft zur Erzielung eines angestrebten konstanten Äquivalenzverhältnisses.
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7 zeigt eine schematische Ansicht eines Injektionssystems eines Verbrennungsmotors mit einer beispielhaften Ausführungsform einer verbesserten Kraftstoffinjektionsvorrichtung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weisen eine Kraftstoffinjektionsvorrichtung mit axialer und radialer Luftinjektion in eine rings um einen Mittelkörper angeordnete Mischstufe ein. Der Mittelkörper kann ein Kraftstoffinjektionsventil zum Injizieren von Kraftstoffen in die Mischstufe aufweisen, das vorzugsweise eine zeitlich abgestimmte Kraftstoffinjektion und -bemessung gestattet, um beispielsweise das Rückzündungsrisiko zu verringern. Die Mischstufe kann einen Wirbelerzeuger, beispielsweise mehrere ringförmige voneinander beabstandete Schaufeln aufweisen, die axial längs des Mittelkörpers ausgebildet sind, um Wirbel mit der radial injizierten Luft zu erzeugen, so dass sich eine verbesserte Mischung von Luft und Kraftstoffen in der Mischstufe ergibt. Die Ausführungsformen von Kraftstoffinjektionsvorrichtungen liefern im Vergleich zu gebräuchlichen Kraftstoffinjektionsvorrichtungen eine verbesserte Mischungshomogenität, wobei sie gleichzeitig eine bessere Rückzündungsfestigkeit, geringere Abweichungen der einzelnen Kraftstoffinjektionszyklen voneinander, eine höhere Leistungsdichte und geringere Emissionen ergeben.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer verbesserten Kraftstoff-injektionsvorrichtung 10, während 5 eine ausschnittsweise perspektivische Darstellung der beispielhaften Ausführungsform der Kraftstoffinjektionsvorrichtung nach 1, betrachtet längs der Linie 5-5 veranschaulicht. Die Kraftstoffinjektionsvorrichtung 10 kann einen Mittelkörper 12 und ein radial außerhalb des Mittelkörpers 12 angeordnetes Gehäuse 14 aufweisen. Der Mittelkörper 12 und das Gehäuse 14 begrenzen zwischen sich eine ringförmige Mischstufe oder -sektion 16. Die Injektionsvorrichtung 12 kann außerdem einen axialen Lufteinlass 18 an einem strömungsaufwärtigen Ende 20 der Mischstufe 16 aufweisen, um einen ersten Anteil 22 eines Oxidationsmittels, etwa Verbrennungsluft 24, in die Mischstufe 16 einzublasen. Die Brennstoffinjektionsvorrichtung 10 kann außerdem einen radialen Lufteinlass 26 aufweisen, der in dem Gehäuse 14 dazu vorgesehen ist, einen zweiten Anteil 28 und Verbrennungsluft 24 in die Mischstufe 16 radial einzublasen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann der radiale Lufteinlass 26 eine Anzahl ringförmig voneinander beabstandeter Schlitze 30 aufweisen. Radial außerhalb des Gehäuses 14 kann ein zweites Gehäuse 36 angeordnet sein, um ein Plenum 38 zur Aufnahme des zweiten Anteils 28 der Verbrennungsluft 24 an einem Einlass 40 des Plenums 38 auszubilden und den zweiten Anteil 28 der Verbrennungsluft 24 zu dem radialen Lufteinlass 26 hinzuleiten. Bei einem Aspekt der Erfindung ist ein Flächenverhältnis des axialen Lufteinlasses 16 und des radialen Lufteinlasses 26 so ausgelegt, dass sich eine jeweils gewünschte Strömungskonfiguration ergibt. Beispielsweise kann eine Mischstufengeometrie, wie eine Höhe H in der Mischstufe 16, auf eine Geometrie, wie etwa eine Schlitzlänge L und/oder eine Schlitzbreite W der Schlitze 30 des radialen Einlasses 26 so abgestimmt sein, dass sich eine jeweils gewünschte Strömungskonfiguration und eine angestrebte Mischwirkung ergeben. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die der Injektionsvorrichtung 10 zugeführte Verbrennungsluft 24 oder Teile von dieser stromaufwärts von der Kraftstoffinjektionsvorrichtung 10 mit Kraftstoff vorgemischt werden, um das vorgemischte Kraftstoff/Luftgemisch an dem axialen und/oder dem radialen Lufteinlass 18 bzw. 26 zur Verfügung zu stellen.
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Die Kraftstoffinjektionsvorrichtung 10 kann außerdem einen Kraftstoffeinlass 32 aufweisen, der in dem Mittelkörper 12 strömungsabwärts von dem axialen Lufteinlass 18 zum Injizieren eines Kraftstoffs wie Erdgas, Wasserstoff, Biogas oder Synthesegas in die Mischstufe 16 angeordnet ist. Wie aus 2 zu entnehmen kann der Kraftstoffeinlass 32 bezüglich des radialen Lufteinlasses 26 winkelmäßig versetzt sein. Bei einer Ausführungsform kann der Kraftstoffeinlass 32 eine Anzahl ringförmig voneinander beabstandeter Öffnungen 42 aufweisen, die in einer Außenfläche 44 des Mittelkörpers 12 angeordnet sind. Die Öffnungen 42 können bezüglich der Schlitze 30 des radialen Lufteinlasses 26 winkelmäßig versetzt sein.
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Wie in 1 veranschaulicht, kann Kraftstoff 46 über eine in dem Mittelkörper 12 zur Zufuhr von Kraftstoff 46 zu dem Kraftstoffeinlass 32 vorgesehene Kraftstoffleitung 48 wahlweise dem Kraftstoffeinlass 32 zugeleitet werden. In der Kraftstoffleitung 48 und dem Mittelkörper 12 kann ein Ventil 50 angeordnet sein, um die Kraftstoffinjektion in die Mischstufe 16 wahlweise zu steuern. Das Ventil 50 kann beispielsweise die über die ringförmig voneinander beabstandeten Öffnungen 42 abgegebene Kraftstoffmenge steuern. Das Ventil 50 kann ein Magnetventil, ein piezoelektrisches Ventil oder irgendeine Art von Ventil enthalten, das regelbar ist, um einen variablen Kraftstoffzustrom zu jeweils gewünschten Zeitpunkten zu erzielen. Unter einem Aspekt der Erfindung ist das Ventil 50 in der Kraftstoffleitung 48 so nahe an dem Kraftstoffeinlass 32 angeordnet, dass ein Kraftstoffvolumen zwischen dem Kraftstoffeinlass 42 und dem Ventil 50, etwa einem Ventilsitz des Ventils 50 verringert wird, um so die jeweils gewünschte Kraftstoffzumessung zu erzielen. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Ventil 50 außerhalb des Mittelkörpers 12 angeordnet sein.
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Etwa dadurch, dass der Kraftstoffeinlass 32 strömungsaufwärts zeigend winkelig angeordnet ist, kann der Kraftstoffeinlass 32 so konfiguriert sein, dass der Kraftstoff 46 mit einer strömungsaufwärts gerichteten axialen Geschwindigkeitskomponente eingeblasen wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Kraftstoffeinlass 32 so ausgelegt sein, dass der Kraftstoff 46 unter etwa 90° bezüglich einer axialen Strömungsrichtung des ersten Anteils 22 eingeblasen wird. Die Kraftstoffinjektionsvorrichtung 10 kann außerdem einen Rückzündungsdetektor 54 aufweisen, der nahe dem Auslass 19 der Kraftstoffinjektionsvorrichtung 10 angeordnet ist, um das Auftreten einer Rückzündung in den Einlasskanal zu erfassen. Der Rückzündungsdetektor 54 kann direkt oder indirekt, beispielsweise wenn ein Rückzündungszustand festgestellt wird, das Ventil 50 ansteuern um die Kraftstoffzufuhr augenblicklich abzusperren oder aber er kann das Ventil 50 so betätigen, dass die angestrebte Rückzündungskontrolle erreicht wird, indem das Ventil für einen oder mehrere Betriebszyklen geschlossen wird.
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Unter einem weiteren Aspekt kann das Ventil 50 so geregelt werden, dass es eine ungleichmäßige Zumessung des Kraftstoffs 46 in die Mischstufe 16 ergibt, beispielsweise um ein gewünschtes konstantes Äquivalenzverhältnis (EQR = equivalence ratio) des Kraftstoff-/Luftgemisches während der Injektion zu erzielen. 6 veranschaulicht ein beispielhaftes Diagramm des Massenstroms in Abhängigkeit von der Zeit, das einen jeweils gewünschten, zeitabhängigen Kraftstoffmassenstrom 82, verglichen mit einem zeitlich veränderlichen Luftmassenstrom 84, darstellt, um ein gewünschtes konstantes Äquivalenzverhältnis 86 zu erzielen. Während einer Kraftstoffeinblasperiode kann das Ventil 50, in Abhängigkeit von einem erfassten oder vorbestimmten erwarteten Wert eines zeitlich veränderlichen Luftmassenstroms der Verbrennungsluft oder von Teilen desselben nahe der Injektionsvorrichtung 10 so betrieben werden, dass eine Offenstellung des Ventils 50 zur Erzielung einer zeitlich veränderlichen, in die Mischstufe 16 eingeführten Kraftstoffmenge entsprechend variiert wird. Demgemäß kann ein EQR des Kraftstoff/Luftgemisches 60 zur Erzielung einer besseren Verbrennung mit veränderlichen Luftmassenströmen aufrechterhalten werden.
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Bei den in 1, 2, 3 und 5 dargestellten Ausführungsformen kann in der Mischstufe 16 ein Wirbelerzeuger oder -generator 56 angeordnet sein, um Wirbel, etwa longitudinal Wirbel 58, in dem zweiten Anteil 28 der Verbrennungsluft 24 zu erzeugen. Der Wirbelerzeuger 56 fördert die Vermischung des eingeblasenen Kraftstoffs 46 mit dem ersten und dem zweiten Anteil 22 bzw. 28 der eingeblasenen Verbrennungsluft 24, um am Auslass 19 der Kraftstoffinjektionsvorrichtung 10 ein homogenes Kraftstoff/Luftgemisch 60 zu erzeugen. Die Wirbel 58 ergeben eine bessere Vermischungsqualität innerhalb einer verhältnismäßig kurzen Mischungslänge, so dass ein verhältnismäßig kleines zündbares Mischungsvolumen erzeugt wird, das dazu beiträgt, das Rückzündungsrisiko zu begrenzen. Bei einer Ausführungsform kann der Wirbelerzeuger 56 eine Anzahl ringförmig voneinander beabstandeter, axial verlaufender Schaufeln 62 aufweisen, die an der Außenfläche 44 des Mittelkörpers 12 ausgebildet sind. Die Schaufeln 62 können sich zumindest über einen strömungsaufwärtigen Abschnitt des Mittelkörpers 12 erstrecken und können von dem Mittelkörper 12 aus radial nach außen zumindest teilweise in die Mischstufe 16 hineingerichtet sein. Unter einem Aspekt der Erfindung können die Schaufeln 62 gekrümmte Seitenflächen oder -flanken 66 aufweisen. Die Schaufeln 62 können auch eine erste Anzahl spitz zulaufender Abschnitte 64 aufweisen, die auf die jeweiligen Schlitze 30 des radialen Einlasses 26 so ausgerichtet sind, dass der radial nach innen eingeblasene zweite Anteil 28 der Verbrennungsluft 24 durch die spitz zulaufenden Abschnitte 64 so aufgeteilt wird, dass sich im Gegensinne umlaufende Wirbel in dem zweiten Anteil 28 längs der jeweiligen gekrümmten Seitenflächen 66 der Schaufeln 62 ergeben.
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Der Wirbelerzeuger 56 kann auch eine zweite Anzahl spitz zulaufender Abschnitte 70 aufweisen, die winkelmäßig zwischen der ersten Anzahl spitz zulaufender Abschnitte 64 angeordnet sind, beispielsweise so, dass die zweite Anzahl spitz zulaufender Abschnitte 70 gegenüber den jeweiligen Schlitzen 30 des radialen Einlasses 26 winkelmäßig versetzt ist. Die spitz zulaufenden Abschnitte 70 können sich axial längs wenigstens eines strömungsaufwärtigen Abschnitts des Mittelkörpers 12 erstrecken und können sich von dem Mittelkörper 12 aus zumindest teilweise in die Mischstufe 16 hinein radial erstrecken. Unter einem Aspekt der Erfindung weisen die spitz zulaufenden Abschnitte 70 eine abgeflachte Spitze 72 auf. Unter einem anderen Aspekt kann der Kraftstoffeinlass 32 in der Spitze 72 des spitz zulaufenden Abschnitts 70 liegen. In der Außenfläche 44 des Mittelkörpers 12 kann zwischen spitz zulaufenden Abschnitten 64, 70 und den Schaufeln 62 als Teil des Wirbelerzeugers 56 jeweils ein gekrümmter Trog 74 ausgebildet sein.
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Bei einer anderen, in 3 dargestellten Ausführungsform kann der Wirbelerzeuger 56 axial sich erstreckende Schaufeln 62 mit spitz zulaufenden Abschnitten 70 aufweisen, die gegenüber den jeweiligen Schlitzen 30 des radialen Einlasses 26 winkelmäßig versetzt sind. Die Schaufeln 62 können jeweils einen axial verlaufenden Trog 76 begrenzen, der in der Oberfläche 44 des Mittelkörpers 12 zwischen den spitz zulaufenden Abschnitten 70 ausgebildet ist. Ein Zentrum 78 des Trogs 76 kann winkelmäßig auf den radialen Lufteinlass 26 ausgerichtet sein, um mit dem zweiten Anteil 28 der an dem radialen Einlass 26 injizierten Luft 24 gegensinnig rotierende Wirbel 58 zu erzeugen und den zweiten Anteil 28 zu voneinander beabstandeten Kraftstoffeinlässen 32 hin umzuleiten, die in spitz zulaufenden Abschnitten 70 zwischen jeweiligen Trögen 76 angeordnet sind.
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Bei einer noch anderen Ausführungsform, die in 4A veranschaulicht ist, kann der Mittelkörper 12 einen verhältnismäßig glatten Oberflächenabschnitt 80 aufweisen und so ausgelegt sein, dass er axial injizierte Verbrennungsluft 24 (die durch das mit einem Kreuz versehene Kreissymbol als in die Seite hineinströmend dargestellt ist) ohne radiale Luftinjektion aufnimmt. Gegensinnig rotierende Wirbel 68 können durch das Zusammenwirken der axial injizierten Verbrennungsluft 24 und dem von einem ringförmig voneinander beabstandeten Kraftstoffeinlass 32 radial in die Mischstufe 16 injizierten Kraftstoff erzeugt werden. Der Kraftstoffeinlass 32 kann winkelmäßig so ausgerichtet sein, dass er stromaufwärts weist. Diese Konfiguration liefert vorteilhafterweise einen minimalen Druckverlust, während sie die Vermischung fördert.
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Bei einer anderen, in 4B dargestellten Ausführungsform, kann der Mittelkörper 12 einen verhältnismäßig glatten Oberflächenabschnitt 80 aufweisen und dazu eingerichtet sein, den axial injizierten ersten Anteil 22 und den radial injizierten zweiten Anteil 28 der Verbrennungsluft 24 aufzunehmen. Die ringförmig voneinander beabstandeten Kraftstoffeinlässe 32 können gegenüber dem radialen Lufteinlass 26 winkelmäßig versetzt sein. Der in die Mischstufe 16 radial injizierte zweite Anteil 28 erzeugt gegensinnig rotierende Längswirbel 58, die sich axial längs des Mittelkörpers 12 erstrecken, um die Vermischung von Luft 24 mit dem radial injizierten Kraftstoff zu fördern. Die vorstehenden Ausführungsformen von Wirbelerzeugern 56 sind lediglich Beispiele, und es kann jede zweckmäßige Geometrie und/oder Anordnung von wirbelerzeugenden Strukturen, die beispielsweise auf der Innenfläche 15 des Gehäuses 14 und/oder der Außenfläche 80 des Mittelkörpers 12 angeordnet sind, dazu verwendet werden, ein jeweils angestrebtes Niveau der Mischqualität zu erzielen. Die Wirbelerzeuger 56 fördern vorteilhafterweise eine intensive Vermischung und Homogenisierung des Gemischs über eine verhältnismäßig kurze Mischungslänge. Zufolge der durch Wirbel unterstützten Vermischung kann der Impuls des injizierten Kraftstoffs verhältnismäßig gering sein und verändert werden, ohne dass dies einen wesentlichen Einfluss auf die Homogenität hätte. Außerdem trägt wegen des in dem Mittelkörper 12 in die Kraftstoffleitung 48 eingefügten Ventils 50 ein verhältnismäßig kleines Volumen zwischen dem Ventil 50 und dem Kraftstoffeinlass 32 dazu bei, eine genaue Zumessung zu gewährleisten und es erlaubt außerdem eine schnelle Kraftstoffabschaltung, wenn eine Rückzündung festgestellt wird.
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Unter einem Aspekt der Erfindung kann an die Kraftstoffinjektionsvorrichtung
10 im Nachhinein an vorhandene Einlasskanäle von Verbrennungsmotoren anbaubar ausgebildet sein und für eine Vielzahl unterschiedlicher Kraftstoffe, wie Erdgas, Synthesegas, Biogas oder Wasserstoff und insbesondere für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine sichere Verbrennung und Mischungshomogenität wichtig sind. Beispielsweise kann, wie in
7 dargestellt, die Kraftstoffinjektionsvorrichtung
10 an einem Verbrennungsmotor
88 so angebaut werden, dass der axiale Einlass
18 und der radiale Einlass
26 mit einem Ansaugrohr
90 eines Verbrennungsmotors
88 in Verbindung stehen, um Verbrennungsluft
24 oder eine vorgemischte Kraft-/Luftmischung aufzunehmen. Der Auslass
19 der Kraftstoffinjektionsvorrichtung
10 kann mit einem oder mehreren Zylindern
92 des Motors in Verbindung stehen, um eine homogene Kraftstoff-/Luftmischung zu liefern, die etwa zu einem besseren Motorbetrieb führt. Wenngleich bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung hier dargestellt und beschrieben sind, so sind diese Ausführungsformen doch lediglich beispielhaft angegeben. Zahlreiche Abwandlungen, Veränderungen und Austauschvorgänge ergeben sich für den Fachmann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Demgemäß ist die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche begrenzt. Teileliste
| 10 | Kraftstoffinjektionsvorrichtung |
| 12 | Mittelkörper |
| 14 | Gehäuse |
| 16 | Mischstufe |
| 19 | Auslass |
| 18 | axialer Lufteinlass |
| 20 | strömungsaufwärtiges Ende |
| 22 | erster Anteil |
| 24 | Verbrennungsluft |
| 26 | radialer Lufteinlass |
| 28 | zweier Anteil |
| 30 | Schlitze |
| 32 | Kraftstoffeinlass |
| 36 | zweites Gehäuse |
| 38 | Plenum |
| 40 | Einlass |
| 42 | Öffnungen |
| 44 | Außenfläche |
| 46 | Kraftstoff |
| 48 | Kraftstoffleitung |
| 50 | Ventil |
| 54 | Rückzündetektor |
| 56 | Wirbelerzeuger |
| 58 | Wirbel |
| 60 | homogene Kraftstoff-/Luftmischung |
| 62 | Schaufeln |
| 64 | spitz zulaufender Abschnitt |
| 66 | geneigte Flanken |
| 68 | Wirbel |
| 70 | spitz zulaufender Abschnitt |
| 72 | Spitze |
| 74 | gekrümmter Trog |
| 76 | axial sich erstreckender Trog |
| 78 | Zentrum des Trogs |
| 80 | Bereich |
| 82 | zeitabhängiger Kraftstoffmassenstrom |
| 84 | zeitabhängiger Luftmassenstrom |
| 86 | angestrebtes konstantes Äquivalenzverhältnis |
