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Die
Erfindung betrifft eine dieselmotorisch betriebene Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Im
Zuge der Verknappung der Rohölreserven
und des damit verbundenen Anstiegs der Kraftstoffpreise wird zunehmend
versucht, alternative Kraftstoffe einzusetzen. Hierzu gehören Ethanol,
das so genannte Biodiesel, aber auch reines Pflanzenöl. Insbesondere
bei dem Betrieb mit reinem Pflanzenöl oder mit Biodiesel müssen an
einer dieselmotorisch betriebenen Brennkraftmaschine, die für den Betrieb mit
normalem Dieselkraftstoff konstruiert ist, Änderungen vorgenommen werden.
Diese Änderungen werden
nötig,
da sich aus Pflanzenöl
erzeugter Kraftstoff anders als Dieselkraftstoff verhält. Weist
Dieselkraftstoff beispielsweise über
einen relativ weiten Temperaturbereich eine fast gleich bleibende
Viskosität
auf, so ändert
sich bei Pflanzenöl
die Viskosität mit
der Temperatur verhältnismäßig stark.
Im Extremfall kann Pflanzenöl – abhängig von
der Sorte – sogar bei
Temperaturen um den Gefrierpunkt bereits in einen festen Zustand übergehen.
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Um
einen üblicherweise
mit Dieselkraftstoff zu betreibenden Motor so anzupassen, dass er
für den
Betrieb mit Pflanzenöl
geeignet ist, werden insbesondere Änderungen vorgenommen, die
gewährleisten
sollen, dass sich das Pflanzenöl
immer in einem dünnflüssigen Zustand
befindet und so über
das Kraftstoffzuführsystem
gut den Einspritzdüsen
zugeleitet werden kann. So werden beispielsweise Wärmetauscher
eingesetzt, die den Kraftstoff in den Leitungen erwärmen sollen.
Auch wurden neue Kraftstoffzuführsysteme
konstruiert, die während
der Startphase Leckagekraftstoff aus der Hochdruckpumpe und dem
Einspritzsystem in kleinem Kreislauf sofort wieder der Kraftstoffförderpumpe
zuführen.
Auf diese Weise wird kaum kalter Kraftstoff aus dem Kraftstofftank
benötigt,
sondern es kann jeweils bereits vorgewärmter Kraftstoff verwendet
werden. Diese Maßnahmen
verhindern jedoch nicht, dass sich während des Startvorgangs kaltes
Pflanzenöl
in den Einspritzdüsen
befindet. Sie greifen erst kurz nach der Startphase.
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Die
größten Probleme
ergeben sich durch den Betrieb mit Pflanzenöl bei den neuen, mit Hochdruck
einspritzenden Motoren. Insbesondere bei Motoren, die nach dem Common-Rail-Prinzip
arbeiten, können
bereits bei Außentemperaturen
um 10°C
derartige Schwierigkeiten entstehen, dass ein Starten des Motors
mit Pflanzenöl
praktisch unmöglich
wird. Um diese Probleme zu vermeiden, sind so genannte Zwei-Tank-Systeme
im Einsatz, bei denen der Motor mit normalem Dieselkraftstoff gestartet
wird und erst dann, wenn der Motor seine Betriebstemperatur erreicht
hat, auf Pflanzenöl
umgeschaltet wird. Nachteil dieser Zwei-Tank-Systeme ist jedoch,
dass die Kraftstoffleitungen vor dem Abstellen des Motors wiederum
mit Dieselkraftstoff gespült
werden müssen.
Wird dieser Spülvorgang
vergessen und es befindet sich noch Pflanzenöl in der Kraftstoffzuführung und
in den Einspritzdüsen,
so ist ein Neustart des Motors nach dessen Abkühlung nicht mehr gewährleistet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dieselmotorisch betriebene
Brennkraftmaschine, die mit Pflanzenöl betrieben wird, so auszugestalten,
dass die Kaltstartproblematik stark verringert oder sogar eliminiert
werden kann.
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Gelöst wird
die Aufgabe gemäß der Erfindung
durch eine dieselmotorisch betriebene Brennkraftmaschine mit den
Merkmalen von Anspruch 1. Bei solchen Brennkraftmaschinen mit einer
Hochdruckeinspritzeinlage, beispielsweise nach Common-Rail-Technik,
können
nicht mehr die bisher üblichen
Einspritzdüsen
verwendet werden, da diese nicht dazu im Stande sind, den unter
einem Druck von mehr als 1.000 bar stehenden Kraftstoffstrom zu unterbrechen.
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Es
werden hier deshalb neue Injektoren eingesetzt, die eine Servo-Steuerung
aufweisen, bei der der hohe Druck des anstehenden Kraftstoffs auch
für das
Verschließen
des Ventils genutzt wird. Diese neuen Injektoren weisen eine Düsennadel
mit Steuerkolben, ein mit Kraftstoff gefülltes Kammervolumen, in das
die Düsennadel
eintaucht, einen Ventilsteuerraum, in den der Steuerkolben eintaucht,
eine Kraftstoffzuführung,
die mit dem Kammervolumen und über
eine Zulaufdrossel mit dem Ventilsteuerraum verbunden ist, und einen
Kraftstoffrücklauf
auf, der über
eine Ablaufdrossel und ein Ablaufventil mit dem Ventilsteuerraum
in Verbindung steht.
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Es
hat sich nun überraschenderweise
herausgestellt, dass für
die Kaltstartproblematik hauptsächlich
die Ablaufdrossel verantwortlich ist. Diese Engstelle gewährleistet
normalerweise, dass der an der offenen Einspritzdüse anliegende
Druck nicht über
die Ablaufdrossel in den Leckageraum und damit in die Kraftstoffrückführung abfließt. Befindet
sich in den Hohlräumen
des Injektors jedoch kaltes, zähes Pflanzenöl, wird
durch die Ablaufdrossel verhindert, dass zum Öffnen des Injektors der Druck
in dem Ventilsteuerraum abgebaut werden kann, der den Steuerkolben
und die Ventilnadel in der unteren Schließstellung hält.
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Durch
das Beheizen dieses Bereichs kann gezielt hier das Pflanzenöl auf eine
Temperatur gebracht werden, in der die Funktion der Ablaufdrossel gewährleistet
ist. Die Beheizung dieses relativ kleinen Bereichs kann sehr schnell
und mit geringem Energieaufwand erfolgen. Die Beheizung könnte beispielsweise über ein
Bauteil innerhalb der Einspritzdüse
erfolgen. Es wäre
sogar denkbar, ein Bauteil, welches eigentlich eine ganz andere
Funktion erfüllt, als
Heizelement zweckzuentfremden.
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Die
Heizung ist aber besonders vorteilhaft als Außenheizung ausgebildet. Es
müssen
hierdurch keine besonders kritischen Eingriffe an der Einspritzdüse selbst
vorgenommen werden. Auch lässt
sich die Einspritzdüse
so in sehr einfacher Weise derart nachrüsten, dass sie nicht nur mit
Dieselkraftstoff, sondern auch mit Pflanzenöl betrieben werden kann.
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Vorteilhaft
werden Einspritzdüsen
eingesetzt, deren Zulaufdrossel in dem gleichen Bereich angeordnet
ist, in dem sich auch die Ablaufdrossel befindet. Auch die Zulaufdrossel
kann zu Kaltstartproblemen führen,
diese ist bei weitem jedoch nicht so kritisch anzusehen wie die
Ablaufdrossel. Liegt die Zulaufdrossel jedoch in dem beheizten Bereich,
in dem sich auch die Ablaufdrossel befindet, können mit einer kleinen Heizeinrichtung
die eventuell durch beide Drosseln hervorgerufenen Probleme beseitigt werden.
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Es
ist angestrebt, die Außenheizung
aus preiswerten Standardbauteilen aufzubauen. In einem ersten Ausführungsbeispiel
weist die Außenheizung daher
einen Glühstift
auf.
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In
vorteilhafter Weise ist der Glühstift über eine
Muffe an der Einspritzdüse
befestigt. Diese Muffe kann aus einem massiven Teil gefertigt, aber
auch als Schraubmuffe in Form eines offenen Rings ausgebildet sein.
In jedem Fall ist zu gewährleisten,
dass die Muffe in innigem und großflächigem Kontakt mit der Außenwand
der Einspritzdüse
steht.
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Durch
die starken Belastungen, die beispielsweise durch Vibrationen auf
die Muffe wirken, sollte die Muffe aus einem Material mit hoher
Festigkeit gefertigt sein. Gleichzeitig ist jedoch zu beachten,
dass das Material eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist,
um die Wärmeenergie
aus dem Glühstift möglichst
effizient in die Einspritzdüse
einbringen zu können.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
ist ein elektrischer Heizring vorgesehen. Auch diese Heizringe sind
als Standardbauteile erhältlich.
Sie werden direkt elektrisch beheizt. Über den Heizring kann die Wärmeenergie
noch effektiver exakt in den Bereich der Einspritzdüse eingebracht
werden, in dem sich die Ablaufdrossel befindet.
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Vorteilhaft
ist die Heizung vor dem Start der Brennkraftmaschine betreibbar.
Das bedeutet, dass beispielsweise über eine Steuervorrichtung,
die den Startvorgang kontrolliert, die Heizung aktiviert wird, noch
bevor der eigentliche Startvorgang mit dem Aktivieren des Anlassers
eingeleitet wird. Auf diese Weise steht während des Startvorgangs bereits dünnflüssiges Pflanzenöl an der
Ablaufdrossel bereit, so dass eine problemlose Einspritzung des
Kraftstoffs in den Brennraum erfolgen kann.
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Die
Erfindung ist anwendbar auf die so genannten elektro-magnetischen
Einspritzdüsen,
bei denen der Kraftstoffrücklauf über ein
elektro-magnetisches Ventil gesteuert ist. In ihrer Funktion sehr ähnlich sind
die neuen piezo-elektrisch betriebenen Einspritzdüsen aufgebaut.
Diese wesentlich schneller schaltbaren Einspritzdüsen besitzen
ebenso einen Steuerkolben, einen Ventilsteuerraum und eine Ablaufdrossel.
Auch hier ergibt sich das gleiche Kaltstartproblem wie bei den elektro-magnetischen
Einspritzdüsen.
Die Erfindung ist daher auch sehr vorteilhaft auf die neuen piezo-elektrischen
Einspritzdüsen
anwendbar, bei denen der Kraftstoffrücklauf über ein piezo-elektrisches
Ventil gesteuert ist.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen im
Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die anhand
der Zeichnungen eingehend erläutert
werden.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Hochdruck-Einspritzdüse der erfindungsgemäßen dieselmotorischen
Brennkraftmaschine und
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2 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer beheizten Hochdruck-Einspritzdüse.
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Die
dargestellte Einspritzdüse
ist als elektro-magnetischer Injektor 1 ausgebildet. In
dem Injektor 1 ist eine Anzahl von Hohlräumen vorgesehen,
die alle miteinander in Verbindung stehen. Der Leckageraum 4 ist
direkt an den Rücklauf 7 in
den Kraftstofftank angeschlossen. Unterhalb des Leckageraums 4 befindet
sich der Ventilsteuerraum 5 (siehe 2). Dieser
ist über
die Ablaufdrossel 2 mit dem Leckageraum 4 verbunden. Über die
Zulaufdrossel 3 ist der Ventilsteuerraum 5 an
den Hochdruckzulauf 8 angeschlossen. Ebenfalls steht mit
dem Hochdruckzulauf 8 das Kammervolumen 6 in Verbindung.
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Bei
geöffnetem
Injektor 1 wird der Inhalt des Kammervolumens 6 über die
Spritzlöcher 9 in
den hier nicht dargestellten Brennraum eingespritzt. Der Hohlraum
um die Düsenfeder 10,
der sich mit Leckagekraftstoff aus dem Kammervolumen 6 und
dem Ventilsteuerraum 5 füllt, ist über eine Bohrung ebenfalls
an den Leckageraum 4 angeschlossen.
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In
dem Leckageraum 4 befindet sich ein elektro-magnetisches
Ventil zum Verschließen
der Ablaufdrossel 2. Dieses elektro-magnetische Ventil weist
eine Magnetspule 13, eine Ventilfeder 12, eine Ankerfeder 11 und
den Anker 15 auf. An der unteren Platte des Ankers 15 ist
die Ventilkugel 16 zum Verschließen der Ablaufdrossel 2 angebracht.
Die Ablaufdrossel 2 bildet zusammen mit dem magnetischen
Ventil ein Ablaufventil. Die Magnetspule 13 ist mit der
Anschlussbuchse 14 verbunden. Über die Anschlussbuchse 14 wird
ein elektrisches Steuergerät angeschlossen,
mit dem die zum ordnungsgemäßen Betrieb
des Injektors 1 notwendigen elektrischen Impulse erzeugt
werden.
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Im
unteren Bereich des Injektors 1 befindet sich die Düsennadel 19,
mit der das Kammervolumen 6 gegen die Spritzlöcher 9 verschlossen
wird. Nach oben setzt sich die Düsennadel 19 über die
Druckschulter 18 in den Steuerkolben 17 fort.
Die obere Stirnfläche
des Steuerkolbens 17 bildet die untere Begrenzungswand
des Ventilsteuerraumes 5.
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In
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 ist ein Heizring 20 vorgesehen, der
den Bereich beheizt, in dem sich die Ablaufdrossel 2 und
die Zulaufdrossel 3 befinden. In dem Heizring 20 verläuft ein
in aufrechte Schlaufen gebogener Heizdraht 21. Der elektrische
Anschluss für
diesen Heizdraht 21 ist in der Darstellung nicht sichtbar.
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Nach
einer längeren
Betriebspause bei geringer Umgebungstemperatur kühlt auch das Pflanzenöl in den
miteinander in Verbindung stehenden Hohlräumen des Injektors 1 ab.
Abhängig
von der verwendeten Sorte wird das Pflanzenöl dabei relativ zähflüssig. Diese
zähe Flüssigkeit
würde die
beiden Drosseln 2 und 3 blockieren, die den Ventilsteuerraum 5 mit
dem Rücklauf 7 bzw.
mit dem Hochdruckzulauf 8 verbinden. Probleme würden sich
hier insbesondere beim Durchtritt des kalten Pflanzenöls durch die
Ablaufdrossel 2 ergeben. Diese Drossel hat einen geringeren
Durchmesser als die Zulaufdrossel 3. Auch liegt an der
Zulaufdrossel 3 immer der volle Druck des Hochdruckzulaufs 8 an,
während
die Ablaufdrossel 2 auch bei geringerem anliegenden Druck
durchgängig
sein muss. Es wird daher noch vor dem Startvorgang der Heizdraht 21 in
dem Heizring 20 mit einer Spannung beaufschlagt. Hierdurch stellt
sich in sehr kurzer Zeit in dem von dem Heizring 20 umschlossenen
Bereich des Injektors 1 eine Temperatur ein, bei der das
Pflanzenöl
dünnflüssig wird und
die beiden Drosseln 2 und 3 nicht mehr blockiert sind.
Ist dieser Zustand erreicht, kann der Startvorgang in Gang gesetzt
werden.
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In
der gezeigten Darstellung befindet sich der Injektor 1 in
geschlossenem Zustand. Dabei ist die Magnetspule 13 nicht
bestromt und die Ventilfeder 12 drückt den Anker 15 in
seine unterste Stellung. Die Ventilkugel 16 verschließt dabei
die Ablaufdrossel 2. Über
den Hochdruckzulauf 8 und die Zulaufdrossel 3 herrscht
in dem Ventilsteuerraum 5 der auch am Hochdruckzulauf 8 anliegende
Druck. Dieser Druck wirkt folglich auch auf die obere Stirnfläche des
Steuerkolbens 17. Der gleiche Druck herrscht in dem Kammervolumen 6.
Hier wirkt der Druck des Pflanzenöls auf die Druckschulter 18.
Da hier jedoch der Druck in einem Winkel von etwa 45 Grad zu der Bewegungsrichtung
der Düsennadel 19 wirkt,
ist die auf die Düsennadel 19 wirkende
Kraft geringer als die Kraft, die durch den Druck in dem Ventilsteuerraum 5 auf
die Düsennadel 19 ausgeübt wird.
Hierzu addiert sich noch die Kraft der Düsenfeder 10. Diese
beiden Kräfte
halten die Düsennadel 19 – entgegen
der aus dem Druck in dem Kammervolumen 6 resultierenden Kraft – in ihrer
geschlossenen Stellung.
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Soll
nun Pflanzenöl
in den hier nicht dargestellten Brennraum über die Spritzlöcher 9 eingespritzt
werden, wird die Magnetspule 13 entsprechend bestromt.
Dabei wird die obere Platte des Ankers 15 angezogen, wobei
sich dieser gegen die Kraft der Ventilfeder 12 hebt. Die
Ventilkugel 16 hebt von der Ablaufdrossel 2 ab
und gibt die Verbindung zwischen dem Ventilsteuerraum 5 und
dem Leckageraum 4 frei. Es kann nun Pflanzenöl aus dem
Ventilsteuerraum 5 austreten, wodurch der hohe Druck in diesem
Raum nachlässt.
Dadurch verändert
sich das Verhältnis
der auf den Steuerkolben 17 wirkenden Kräfte. Da
der Druck auf die Druckschulter 18 unverändert bleibt,
sich aber der Druck auf die obere Stirnfläche des Steuerkolbens 17 verringert,
bewegt sich die Düsennadel 19 nach
oben und gibt die Spritzlöcher 9 frei.
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Zum
Schließen
des Injektors 1 wird die Magnetspule 13 wieder
stromlos geschaltet. Die Ventilfeder 12 drückt nun
den Anker 15 wieder in seine untere Stellung, in der die
Ventilkugel 16 die Ablaufdrossel 2 verschließt. Über die
Zulaufdrossel 3 baut sich im Ventilsteuerraum 5 sehr
schnell wieder der an dem Hochdruckzulauf 8 anliegende
Druck auf. Der Steuerkolben 17 und die damit verbundene
Düsennadel 19 werden
wieder nach unten gedrückt
und verschließen
die Spritzlöcher 9.
Damit kann kein Pflanzenöl
aus dem Kammervolumen 6 mehr in den Brennraum austreten.
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Sobald
der Injektor 1 insbesondere durch die Abwärme des
Motors seine normale Betriebstemperatur erreicht hat, kann die Stromversorgung
des Heizrings 20 abgeschaltet werden. In diesem Zustand
befindet sich der Injektor 1 auf einem Temperaturniveau,
bei dem auch nachströmendes
Pflanzenöl sofort
beim Eintritt in den Hochdruckzulauf 8 die Temperatur annimmt,
die für
einen problemlosen Betrieb notwendig ist.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird für die Beheizung
des Injektors 1 vor dem Start ein Glühstift 25 verwendet.
Diese Glühstifte
werden üblicherweise
zum Starten von Dieselmotoren verwendet, sind hoch wärmefest
und erreichen eine hohe Lebensdauer. Um die Hitze des Glühstifts 25 auf
den Injektor 1 zu übertragen,
ist eine Gewindebuchse 23 vorgesehen, in die der Glühstift 25 eingeschraubt
ist. Die Innenfläche
der Gewindebuchse 23 entspricht möglichst genau der Außenfläche des Glühstifts 25,
so dass zwischen beiden Bauteilen ein möglichst großflächiger intensiver Kontakt zustande kommt.
Die Wärme
aus dem Glühstift 25 wird
auf diese Weise sehr effizient auf die Gewindebuchse 23 übertragen.
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Direkt
mit der Gewindebuchse 23 ist die Heizmuffe 22 verbunden.
Die Verbindung der beiden Bauteile erfolgt vorteilhaft über eine
Schweißung oder
eine Hartlötung.
So ist auch ein guter Wärmeübergang
zwischen der Gewindebuchse 23 und der Heizmuffe 22 gewährleistet.
Die Heizmuffe 22 kann entweder ebenfalls über einen
Lötvorgang
mit dem Injektor 1 verbunden werden oder sie ist als offene Muffe
ausgebildet und wird mit Hilfe von Schrauben auf den Injektor aufgeklemmt.
Auch hier ist es wiederum wichtig, einen innigen Kontakt zwischen
Heizmuffe 22 und der Mantelfläche des Injektors 1 zu
erreichen, damit ein guter Wärmeübergang
stattfinden kann.
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Da
sich das Oberteil des Injektors 1 üblicherweise zwischen den Ventilhebeln
befindet und der Abstand zwischen den Ventilhebeln relativ gering
ist, muss insbesondere bei einer geschraubten Heizmuffe sichergestellt
werden, dass sich die Heizmuffe 22 durch die auf sie wirkenden
Vibrationen nicht dreht. Dadurch könnte die Gewindebuchse 23 mit
dem Glühstift 25 in
den Bereich der sich bewegenden Ventilhebel kommen. Durch dieses
Verdrehen würde folglich
ein hoher Schaden entstehen. An der Unterseite der Gewindebuchse 23 ist
deshalb der Sicherungsstift 24 angebracht, der in eine
ortsfeste Öffnung,
z. B in einer Schraube im Kopf der Brennkraftmaschine, eintaucht.
Ein Verdrehen der Heizmuffe 22 ist dadurch nicht mehr möglich.
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In
den Figuren wurde die Erfindung anhand eines elektro-magnetischen
Injektors beschrieben. Um kürzere
Schaltzeiten und eine längere
Lebensdauer der Injektoren erreichen zu können, sind seit kurzem auch
piezo-elektrische Injektoren auf dem Markt. Anstatt der Magnetspule 13 und
des Ankers 15 wird hier ein Piezo-Stellmodul verwendet,
welches aus einer Vielzahl von übereinander
gestapelten Piezo-Plättchen
aufgebaut ist.
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Auch
wenn die Hohlräume
in diesem Injektor etwas anders aufgebaut sind, ist auch hier eine
Ventilsteuerkammer vorhanden. Der Druck in dieser Ventilsteuerkammer,
der wiederum für
die Bewegung der Düsennadel
verantwortlich ist, wird auch hier über eine Ablaufdrossel und
eine Zulaufdrossel gesteuert. Da auch bei diesen piezo-elektrischen
Injektoren die selbe Kaltstartproblematik auftaucht, kann auch hier mit
der Beheizung des kritischen Bereichs Abhilfe geschaffen werden.
Die erfinderische dieselmotorische Brennkraftmaschine kann daher
auch mit piezo-elektrischen Injektoren betrieben werden.
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- 1
- Injektor
- 2
- Ablaufdrossel
- 3
- Zulaufdrossel
- 4
- Leckageraum
- 5
- Ventilsteuerraum
- 6
- Kammervolumen
- 7
- Rücklauf
- 8
- Hochdruckzulauf
- 9
- Spritzloch
- 10
- Düsenfeder
- 11
- Ankerfeder
- 12
- Ventilfeder
- 13
- Magnetspule
- 14
- Anschlussbuchse
- 15
- Anker
- 16
- Ventilkugel
- 17
- Steuerkolben
- 18
- Druckschulter
- 19
- Düsennadel
- 20
- Heizring
- 21
- Heizdraht
- 22
- Heizmuffe
- 23
- Gewindebuchse
- 24
- Sicherungsstift
- 25
- Glühstift