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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung betrifft Brennkammern in Dieselmotoren mit
Direkteinspritzung.
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2. Allgemeiner Stand der Technik
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Durch
die Verbrennungseigenschaft eines Dieselmotors (Kompressionszündung)
sind Kaltstart- und Kaltbetriebsleistung die härtesten
Anforderungen für einen Dieselmotor. Aufgrund dieser Anforderungen
werden bei Dieselmotoren Kaltstarthilfen verwendet, wobei eine solche
Hilfe darin besteht, dass die Brennkammern von Dieselmotoren mit
Glühkerzen ausgestattet sind, um Kaltstartleistung zu unterstützen,
wodurch Fehlzündungen und weißer Rauch (unverbrannter
Kraftstoff) während des Betriebs direkt nach einem Kaltstart
auf ein Minimum reduziert werden. Optimale Kompressionsverhältnisse
für den besten Wirkungsgrad in wirklichen Motoren liegen bei
einem Kompressionsverhältnis von 15 zu 1. Um die Verbesserung
dieser Kaltstartleistung und dieses Kaltstartbetriebs weiter zu
unterstützen, wurden Kompressionsverhältnisse
von Dieselmotoren in der Vergangenheit auf viel größere
Höhen als das Optimum von 15 zu 1 angehoben, um Kompressionstemperaturen
im Zylinder während des Kaltbetriebs zu erhöhen.
Mit dem Aufkommen von Anforderungen an Motoren für geringere
Emissionen werden die Voraussetzungen für eine Unterstützung
von Motoren, diese Anforderungen geringerer Emissionen (insbesondere
NOx) zu erfüllen, durch eine Verringerung der Kompressionsverhältnisse
geschaffen. Dies erhöht die Wichtigkeit von Glühkerzen
in Dieselmotoren und macht erforderlich, dass sie für längere
Zeiten bei heißeren Temperaturen laufen, wodurch die Bedeutung
der Anordnung bezüglich des Kraftstoffsprühstrahls
in der Brennkammer hervorgehoben wird.
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Brennkammern
von Dieselmotoren sind mit Glühkerzen ausgestattet, um
Kaltstartleistung zu unterstützen. Eine Glühkerze
ist in der Regel im Zylinderkopf angebracht, wobei ein Glühkörper
tangential entlang der äußeren Umhüllenden
einer Kraftstoffeinspritzventilsprühfahne platziert ist.
Wenn ein Strom an die Glühkerze angelegt wird, erhöht
sich die Temperatur des Glühkörpers und dient
als eine Heißstelle oder Zündstelle für
Kraftstoffdampf, der damit in Kontakt kommt oder sich in der Nähe
des Glühkörpers befindet. Nach dem Zünden
eines Teils des Kraftstoffs, bewirkt die Energieabgabe von dem verbrennenden
Kraftstoff einen Druck- und Temperaturanstieg in der Zylinderladung
in der Brennkammer und unterstützt eine Selbstzündung
des verbleibenden Kraftstoffs in der ganzen Kammer.
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Bei
der Bestimmung, wo die Glühkerze in der Brennkammer zu
platzieren ist, werden verschiedene Faktoren berücksichtigt.
Die Stelle sollte möglichst so gewählt werden,
dass zu jedem Zeitpunkt des Motorbetriebs keine oder nur sehr wenige
Flüssigkraftstofftröpfchen auf den Glühkörper
auftreffen, um die volle Betriebslebensdauer der Glühkerze
zu gewährleisten. Des Weiteren berücksichtigt
die Anordnung der Glühkerze den Betrieb, während
dessen die Glühkerze nicht eingeschaltet ist, um Aufprall
von Luftstrom in der Nähe der Glühkerze auf ein
Minimum zu reduzieren. Weiterhin wird der Glühkörper
in einem Bereich der Brennkammer angeordnet, in dem sich das Luft-Kraftstoff-Verhältnis
in einem geeigneten Bereich befindet, so dass der Kraftstoffdampf
leicht zündet. Und die Glühkerze wird natürlich
in dem Zylinderkopf in einem Bereich angebracht, der ansonsten nicht
von einem Einlasskanal, einem Auslasskanal, einem Einspritzventil,
einem Sensor oder einer anderen Komponente eingenommen wird.
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In
der Regel wird eine Drallströmung in den Brennkammergasen
erzeugt, um Mischen und Luftausnutzung zu fördern. Der
Drall kann bewirken, dass die Kraftstoffstrahlen von einer geradlinigen Bahn
verschoben werden. Der Grad der Verschiebung hängt von
den Betriebsbedingungen, dem Luftstrom in die Kammer, dem Kraftstoffeinspritzdruck, das
heißt der Bewegungsenergie der Kraftstoffsprühstrahlen,
und dem Abstand, den der Sprühstrahl von dem Einspritzventil
zurückgelegt hat, ab. Wie oben erwähnt, ist es
wichtig, die Glühkerze an einer Stelle anzuordnen, an der
eine geeignete Luft- und Kraftstoffkonzentration vorliegt. Im Stand
der Technik wird die Glühkerze nahe der Einspritzdüse
auf der Seite des Kraftstoffstrahls in dem kleinen Radius angeordnet,
wo der Drall weniger Einfluss auf die Kraftstoffstrahlstelle hat,
wodurch besser gewährleistet werden kann, dass sich der Kraftstoffdampf
nach Beginn der Einspritzung mit der Glühkerze in Kontakt befindet.
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Bei
Motoren mit 4 Ventilen pro Zylinder, wird die maximale Ventilgröße
teilweise dadurch bestimmt, dass ausreichend Material zwischen benachbarten
Ventilen vorhanden ist, um die nötige Festigkeit zum Widerstehen
von Verbrennungsdrücken zu gewährleisten. Im Stand
der Technik wird die Glühkerze bei Motoren mit Vierventilköpfen
in der Nähe des Einspritzventils im Ventilstegbereich (Halsbereich
zwischen benachbarten Ventilen) angeordnet, wodurch die Festigkeit
des Zylinderkopfs beeinträchtigt wird. Folglich sind die
Ventilgrößen reduziert, um eine größere
Stegdicke zur Aufnahme der Glühkerze zu gestatten, oder
der Spitzenverbrennungsdruck, den die Brennkammer widerstehen kann,
wird reduziert, wobei beide Möglichkeiten die maximale
Leistung reduzieren, die der Motor erzeugen kann.
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KURZDARSTELLUNG
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Bei
einer Ausführungsform weist ein Zylinderkopf zwei Einlasskanäle
und zwei Auslasskanäle pro Zylinder mit Ventilstegen zwischen
benachbarten Kanälen in jedem Zylinderdeckel auf. Der Zylinderdeckel
definiert einen Kraftstoffeinspritzventilkanal, der bezüglich
des Einlass-/Auslasskanals mittig positioniert ist, und einen Glühkerzenkanal,
der zwischen einem Einlasskanal und einem Auslasskanal positioniert
ist. Eine Ausführungsform enthält einen Glühkerzenkanal,
der von dem Ventilsteg außen liegend zwischen einem Einlasskanal
und einem benachbarten Auslasskanal positioniert ist. In dieser
Schrift bezieht sich außen liegend auf eine Positionierung,
die sich weiter weg von einer Mitte des Zylinders befindet.
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Es
wird eine Brennkammer offenbart, die von einer Zylinderwand, einem
Zylinderkopf und einem sich in der Zylinderwand hin und her bewegenden Kolben
begrenzt wird. Der Zylinderkopf weist ein mittig angebrachtes Einspritzventil
auf. Das Einspritzventil weist mehrere Einspritzdüsen auf,
die um den Umfang einer Spitze des Einspritzventils herum angeordnet
sind. Wenn das Einspritzventil dahingehend angesteuert wird, sich
zu öffnen, wenn sich der Kolben in der Nähe eines
oberen Totpunkts befindet, treten Kraftstoffstrahlen aus den Düsen
zu den Wänden der Kolbenmulde. Die Kolbenmulde weist ein Merkmal
auf, das bewirkt, dass ein erster Teil des Kraftstoffs nach oben
zu dem Zylinderkopf und dann entlang dem Zylinderkopf zurück
zum Einspritzventil geleitet wird. Ein zweiter Teil des Kraftstoffs
wird nach unten in die Kolbenmulde geleitet. Ein dritter Teil des Kraftstoffs
wird nach oben zu dem Zylinderkopf und dann nach außen
zu der Zylinderwand geleitet. Die Glühkerze ist so im Zylinderkopf
angebracht, dass sich ein Glühkörper in die Brennkammer
innerhalb eines Dampfbereichs erstreckt, der nach Umleitung durch
das Zylindermuldenmerkmal von dem ersten Teil des Kraftstoffs gebildet
wird. Gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Offenbarung weist ein Zylinderkopf mit vier Zylindern
pro Zylinder zwei benachbarte Einlasskanäle und zwei benachbarte
Auslasskanäle auf. Das Einspritzventil ist mittig angebracht.
Eine Glühkerze ist zwischen zwei benachbarten Kanälen
außen liegend von dem die minimale Dicke aufweisenden Teil
des Ventilstegs zwischen den beiden benachbarten Kanälen
angebracht. Die Oberfläche der Kolbenmulde weist einen
vertikalen Abschnitt auf, der im Wesentlichen parallel zu der Zylinderachse
verläuft. Der Glühkörper ist bezüglich
des vertikalen Abschnitts nur leicht zur Mitte des Zylinders hin
positioniert. Die Glühkerze ist geneigt, so dass sie sich
an einer Stelle außen liegend von der minimalen Trennstelle
zwischen benachbarten Kanälen aus dem Zylinderkopf und
in die Brennkammer erstreckt, während der Körper
einwärts des vertikalen Teils des Kolbens liegt. Bei einer
Ausführungsform ist die Glühkerze zwischen einem
Einlasskanal und einem benachbarten Auslasskanal angebracht, wobei
die Glühkerze etwas näher am Einlassventil angebracht
ist, da die Temperatur des Metalls näher am Einlassventil
geringer ist, wodurch es zu weniger Verformung und Schwächung
des Metalls in diesem Bereich kommt. Bei noch einer anderen Alternative ist
die Glühkerze außen liegend von dem Ventilsteg im
Zylinderkopf angebracht.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Offenbarung wird die Zylinderkopffestigkeit
und somit der maximale Nenndruck des Motors nicht beeinträchtigt, wenn
die Glühkerze außen liegend der schmalsten Stelle
des Ventilstegs installiert ist. Eine Brennkammer mit einer solchen
Ausrichtung der Glühkerze erzeugt einen um ca. 10% höheren
Spitzendruck als Motoren mit der im Ventilsteg in der Nähe
der schmalsten Stelle des Ventilstegs angebrachten Glühkerze.
Des Weiteren trägt die Positionierung der Glühkerze
gemäß der vorliegenden Offenbarung größeren
Ventildurchmessern im Vergleich zu Konfigurationen nach dem Stand
der Technik, bei denen der Ventildurchmesser durch die gewünschte
Festigkeit und die Glühkerzenanordnung eingeschränkt
ist, Rechnung. Gemäß der vorliegenden Offenbarung müssen
weder die Ventilgröße noch die Festigkeit am Ventilsteg
beeinträchtigt werden.
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Die
vorliegende Entwicklung kann des Weiteren auf einen Motor mit zwei
Ventilen pro Zylinder angewandt werden. Die Verbrennungsvorteile
sowie das Verhindern von weißem Rauch bei Kaltbetrieb werden
beide realisiert. Da ein Zylinderkopf mit zwei Ventilen Platz für
eine Glühkerze hat, gibt es nicht den gleichzeitigen Vorteil
der Kammerfestigkeit durch solch eine Glühkerzenanordnung
bei der vorliegenden Entwicklung.
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Wenn
die Glühkerze bei einem Motor mit einer bestimmten Kolbenmuldenausführung
weiter außen liegend angeordnet wird, wirkt die Glühkerze zweimal
mit dem Kraftstoff zusammen, anstatt einmal gemäß dem
Stand der Technik. Bei einer bestimmten Kolbenmulde wirken die Kraftstoffstrahlen
mit einer im Wesentlichen vertikalen Fläche zusammen, wodurch
bewirkt wird, dass sich ein Teil der Kraftstoffsprühstrahlen
nach oben zu dem Zylinderdeckel und ein Teil nach unten in die Mulde
bewegt. Von dem sich nach oben bewegenden Kraftstoff bewegt sich ein
Teil des Kraftstoffs nach innen zu dem Einspritzventil zurück
und ein Teil des Kraftstoffs bewegt sich nach außen zu
den Zylinderwänden. Der Teil des Kraftstoffs, der nach
oben und dann nach innen geleitet wird, umhüllt die Glühkerze.
Bei der offenbarten Glühkerzenstelle befindet sich der
Glühkörper in der Nähe des Kraftstoffs,
wenn er die Glühkerze bei einem ersten Durchlauf nach dem
Einspritzen durchquert, und dann wieder beim Rückprall,
wenn er von der Kolbenmuldengeometrie geleitet wird. Es hat sich herausgestellt,
dass der Kaltstart dadurch verbessert wird, dass der Kraftstoff
zweimal als einfach nur einmal mit der Glühkerze in Kontakt
kommt. Bei der Position nach dem Stand der Technik ist die Glühkerze so
weit weg von dem Kolbenmuldenrand, dass sich wenig Kraftstoff zu
der Glühkerzenposition zurückbewegt, nachdem er
mit dem Kolbenmuldenrand zusammengewirkt hat, und das zurückgeprallte
Gemisch ist zu mager zur Verbrennung. Dadurch, dass die Glühkerze
zwei Möglichkeiten hat, mit einem brennbaren Kraftstoffgemisch
zusammenzuwirken, wird die Kaltstartleistung verbessert. Bei den
meisten Dieselmotoren erfordert die Kaltstartleistung ein höheres
Kompressionsverhältnis als das, das den besten Wirkungsgrad
ergibt. Durch Verbesserung der Kaltstartleistung ist eine leichte
Verringerung des Kompressionsverhältnisses möglich,
wodurch die Kraftstoffeffizienz verbessert wird.
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Bei
einem Motor mit schräg gestellten Kanälen mit
Einlassdrall gibt es das Problem, dass durch Anordnen der Glühkerze
außen liegend von dem minimalen Abstand des Ventilstegs,
der für die Glühkerze bestimmte Kraftstoffstrahl
so weit verschoben werden würde, dass sich die Glühkerze
nicht länger nahe eines brennbaren Gemisches des Kraftstoffstrahls
befinden würde. Bei einer Anwendung hat sich dies jedoch
nicht als Problem herausgestellt, obgleich unter einigen Betriebsbedingungen
bis zu 10 Grad Winkeldrehung erfahren wurde (nur ca. 5 Grad Drehung
bei dem Abstand der Glühkerze von der mittleren Achse).
Wie oben erwähnt, ergeben sich des Weiteren bei geeigneter
Anordnung der Glühkerze in der Nähe der Bahn des
von dem Einspritzventil abgegebenen und von der Kolbenmulde umgeleiteten
Kraftstoffstrahls zwei Möglichkeiten für die Glühkerze,
den Kraftstoff zu erwärmen und zu zünden.
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Typische
Dieselkraftstoffeinspritzventile sprühen Flüssigkraftstoff
aus mehreren Düsen bei hohem Druck in heiße Luft
in der Brennkammer. Da der Druckabfall an den Einspritzdüsen
groß ist, wird der Flüssigkraftstoff mit einer
hohen Geschwindigkeit eingespritzt, die bewirkt, dass der Kraftstoff
zu sehr feinen Tröpfchen zerstäubt wird und Luft
mitreißt, wenn er sich von dem Einspritzventil zu den Zylinderwänden
bewegt. Aufgrund der hohen Temperatur der Druckgase in dem Zylinder,
der kleinen Tröpfchengröße und des Vermischens
mit der Luft, verdampfen die Tröpfchen schnell, so dass
der Kraftstoffstrahl, bevor er sich zu den Zylinderwänden
bewegt, ein Gemisch aus Kraftstoffdampf und Luft ohne verbleibende
Tröpfchen ist. Somit besteht noch ein anderer Vorteil des
Anordnens der Glühkerze weiter von dem Einspritzventil
weg, als es im Stand der Technik üblich ist, darin, dass
es sogar noch weniger wahrscheinlich ist, dass ein flüssiges
Tröpfchen auf die Glühkerze auftrifft.
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Die
US 2007/0246004 A1 beschreibt
ein Motorverbrennungssystem, das eine an einer Umfangsstelle angebrachte
Glühkerze aufweist. Dieses Verbrennungssystem unterscheidet
sich jedoch auf verschiedene Weise ziemlich von einem typischen
Dieselverbrennungssystem. Der Kolbenboden ist flach, das heißt,
er weist keine Kolbenmulde auf. Das Brennkammervolumen ist in dem
Zylinderkopf enthalten, wobei die
US 2007/0246004 A1 einen
halbkugelförmigen Kopf aufweist. Des Weiteren ragt die Glühkerze
nicht in die Brennkammer und ist in einem zur Zylinderachse (oder
dem Einspritzventil) stumpfen Winkel angebracht. Dies steht im Gegensatz
zu einem typischen Dieselverbrennungssystem, bei dem Folgendes der
Fall ist: der Großteil des Brennkammervolumens (am oberen
Totpunkt des Kolbenhubs) liegt innerhalb der Kolbenmulde, ein flacher
Zylinderdeckel, eine in die Brennkammer vorragende Glühkerze
und eine zur Zylinderachse in einem spitzen Winkel angebrachte Glühkerze.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Querschnitt einer Brennkammer und eines Zylinders eines Verbrennungsmotors
mit einer Glühkerzenanordnung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
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2A–C
sind Querschnittsansichten einer Hälfte der Brennkammer,
die die Bewegung von Kraftstoffsprühstrahlen an drei Stellen
des Kolbens während der Arbeitshübe in einem Zylinder
mit einer gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung positionierten Glühkerze zeigen;
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3 ist
eine Draufsicht eines Teils des Zylinderkopfs, der eine gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung positionierte
Glühkerze aufweist;
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4A und 4B sind
Draufsichten eines Teils des Zylinderkopfs, die den Aufprall von
Drallströmung auf Kraftstoffstrahlen in einem Zylinder
mit einer gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung positionierten Glühkerze zeigen; und
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5 und 6 sind
Querschnittsansichten, die das Zusammenwirken der Sprühstrahlen
mit Brennkammern gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung zeigen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wie
für den Fachmann offensichtlich, können verschiedene
Merkmale der Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf
eine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit anderen
Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen
Figuren dargestellt werden, um alternative Ausführungsformen
zu erzeugen, die nicht ausdrücklich dargestellt und beschrieben
werden. Die Kombinationen der dargestellten Merkmale stellen repräsentative
Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit.
Es können jedoch verschiedene Kombinationen und Modifikationen
der Merkmale, die in Einklang mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung sind,
für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen gewünscht
werden. Die in den Darstellungen verwendeten repräsentativen
Ausführungsformen beziehen sich auf die Anordnung einer
Glühkerze in einem Motor mit vier Ventilen pro Zylinder,
die sich außen liegend von dem schmalsten Abschnitt des Ventilstegs
zwischen benachbarten Ventilen befindet. Für den Durchschnittsfachmann
können ähnliche Anwendungen oder Implementierungen,
die in Einklang mit der vorliegenden Offenbarung sind, auf der Hand
liegen, zum Beispiel welche, bei denen Komponenten in einer etwas
anderen Reihenfolge als in den Ausführungsformen in den
Figuren gezeigt angeordnet sind. Für den Durchschnittsfachmann
ist offensichtlich, dass die Lehren der vorliegenden Offenbarung
auch auf andere Anwendungen oder Implementierungen angewendet werden
können.
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In 1 wird
ein Querschnitt eines Teils eines Motors gezeigt, bei dem eine Brennkammer 12 durch
Zylinderwände 14 mit einem Kühlmantel
darin begrenzt wird. Ein Kolben 16 geht innerhalb der Zylinderwände 14 hin
und her. Der Kolben 16 weist mehrere Nuten für
Ringe (nicht gezeigt) und einen durch ihn hindurch ausgebildeten
zylindrischen Durchlass zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht gezeigt)
auf. Der Boden des Kolbens 16 weist eine Kolbenmulde 18 auf.
Die Form der Kolbenmulde 18 ist für den Erhalt
der gewünschten Verbrennungs- und Emissionseigenschaften
des Motors, die sich daraus ergeben, wie Kraftstoffstrahlen mit
der Kolbenmulde 18 zusammenwirken, um die Luft in dem Zylinder
effektiv zu nutzen und Verbrennung zu steuern, entscheidend. Weiterhin
wird die Brennkammer 12 von einem Zylinderdeckel 20 begrenzt,
bei dem es sich um einen Teil des Zylinderkopfs 22 handelt.
Der Zylinderdeckel 20 ist hier der Teil des Zylinderkopfs 22,
der die Brennkammer 12 begrenzt, das heißt, der die
Zylinderwand 14 bedeckt. Die Fläche des Zylinderdeckels 20,
die zu dem Kolben 16 weist, wird hier als Verbrennungsfläche
bezeichnet. Wie in 1 gezeigt, verläuft
die Verbrennungsfläche im Wesentlichen flach und allgemein
senkrecht bezüglich einer Achse eines Kraftstoffeinspritzventils 24, das
mittig im Zylinderkopf 22 angebracht ist. Das Kraftstoffeinspritzventil 24 weist
mehrere Öffnungen um eine in die Brennkammer 12 ragende
Spitze auf, aus denen Kraftstoffstrahlen 26 austreten.
Sie können einen Vollkegel mit einem Winkel x bilden, bei
dem es sich in der Regel um einen stumpfen Winkel handelt. In der
Regel sind acht Kraftstoffstrahlen vorhanden. Einspritzventile können
jedoch mehr oder weniger Strahlen aufweisen. In der Regel sind sie
gleichmäßig um den Umfang der Spitze des Einspritzventils 24 beabstandet,
obgleich sie auch versetzt sein können, oder mehrere Löcher
können zusammengruppiert sein. Ein Körper der
Glühkerze 28 ist so angeordnet, dass er sich tangential
zu einem Rand eines der Kraftstoffstrahlen 26 erstreckt.
Der Brennkammer 12 wird Frischluft durch mindestens ein
Einlassventil zugeführt, und verbrannte Gase werden durch
mindestens ein Auslassventil ausgestoßen. Diese werden jedoch
in dem in 1 dargestellten Querschnitt nicht
gezeigt, da der Querschnitt zwischen Ventilen verläuft.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil 24 sprüht Flüssigkraftstoff
mit einer sehr hohen Geschwindigkeit in die Brennkammer 30,
wodurch bewirkt wird, dass der Kraftstoff in eine Wolke feiner Tröpfchen
zerfällt. Da der Kraftstoff mit sehr hoher Geschwindigkeit
in heiße, komprimierte Gase gespritzt wird, reißt
der Kraftstoff Luft mit sich und verdampft schnell. Der Kraftstoffstrahl,
der sich näher am Einspritzventil befindet, ist ein Gemisch
aus kleinen, flüssigen Tröpfchen, verdampftem
Kraftstoff und etwas mitgerissener Luft. Wenn sich der Kraftstoffstrahl
durch die Kammer bewegt, werden die Tröpfchen größtenteils
verdampft und der Kraftstoffstrahl enthält Kraftstoffdampf
und mehr mitgerissene Luft. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Kraftstoffstrahl
die Zylinderwand oder die Kolbenmulde erreicht, ist der Kraftstoff
vollständig verdampft. Hier bezieht sich Kraftstoffstrahl
auf den Kraftstoffdampf, die Kraftstofftröpfchen und die
mitgerissene Luftwolke, die sich mit hoher Geschwindigkeit von dem
Einspritzventil 24 weg bewegen.
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Nunmehr
auf 2A Bezug nehmend, wird die Hälfte einer
Brennkammer 30 mit einem Kraftstoffeinspritzventil 34 entlang
einer mittleren Achse der Zylinderwände 32 und
einem Kolben 16 am oberen Totpunkt mit der Kolbenmulde 50 am
nächsten zu dem Zylinderdeckel 38 gezeigt. Das
Einspritzventil 34 sprüht Kraftstoff aus den Düsen
an einem Umfang seiner Spitze, wobei einer solcher Kraftstoffstrahlen 36 in 2A gezeigt
wird. Die Brennkammer 30 wird durch die Zylinderwände 32,
den Zylinderdeckel 38und die Kolbenmulde 40 begrenzt.
In 2A weist der Kraftstoffstrahl 36 Tröpfchen
auf, die sich in der Nähe des Einspritzventils 34 befinden
und deren Größe und Anzahl verkleinert wird, wenn
sich der Kraftstoffstrahl 36 weiter von dem Einspritzventil 36 weg
bewegt, wodurch mehr Zeit für Verdampfung gestattet wird.
Eine Glühkerze 37 ist im Zylinderdeckel 38 an
einer Stelle angebracht, die bezüglich der Zylinderachse
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Offenbarung mehr als auf halbem Wege außen liegend angebracht
ist. Die Glühkerze 37 ist tief genug in der Brennkammer 30 angeordnet,
so dass ihr Körper tangential zu dem Kraftstoffstrahl 36 verläuft,
wenn dieser aus dem Einspritzventil 34 austritt. Ein Teil
des Kraftstoffstrahls 36, der von dem Einspritzventil 34 am
weitesten weg ist, wirkt mit einer Fläche der Kolbenmulde 40 zusammen,
die einen ersten Teil 1 des Kraftstoffs nach oben zu dem
Zylinderdeckel 38 leitet und einen zweiten Teil 2 des
Kraftstoffs nach unten in die Kolbenmulde 40 leitet.
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Nunmehr
auf 2B Bezug nehmend, die sich bei 10 Grad hinter
dem oberen Totpunkt befindet, hat sich der Kolben 16 nach
unten bewegt, so dass die Brennkammer 30 ein größeres
Volumen aufweist als in 2A. Der
Kraftstoffstrahl 36 dispergiert weiter, wobei sich der
zweite Teil 2 nach unten in die Kolbenmulde 40 bewegt
und sich im Uhrzeigersinn zuerst zu dem Boden der Kolbenmulde 40 und
dann zum Einspritzventil 34 zurück schlängelt.
Der erste Teil des Kraftstoffstrahls 36 (der in 2A durch
einen mit 1 bezeichneten Pfeil gezeigt wird), der sich
in der Darstellung von 2A nach oben zu dem Zylinderdeckel 38 bewegte,
teilt sich in 2B, wobei sich ein dritter Teil 3 nach
außen zu der Zylinderwand 32 bewegt und ein vierter
Teil 4 nach innen entlang dem Zylinderdeckel zu dem Einspritzventil 34 bewegt.
Die letztere Phase des Kraftstoffstrahls 36, die noch von
dem Einspritzventil 34 eingespritzt wird, verläuft
tangential zur Glühkerze 37.
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Auf 2C bei
20 Grad hinter dem oberen Totpunkt Bezug nehmend, hat sich der Kolben
im Vergleich zu dem in den 2A und 2B gezeigten
zurückgezogen und der Kraftstoffstrom von dem Kraftstoffeinspritzventil 34 hat
aufgehört. Sich in der Kolbenmulde 40 bewegender
Kraftstoff windet sich weiter zur Mitte der Brennkammer 30 zurück.
Ein Teil des sich nach oben bewegenden Kraftstoffs bewegt sich weiter
zu der Zylinderwand 32, wodurch er mit Luft am Umfang der
Brennkammer zusammenwirkt. Der vierte Teil 4 des sich zuerst
nach oben und dann nach innen bewegenden Kraftstoffs umhüllt
in der Darstellung von 2C die Glühkerze 37.
Die Glühkerze 37erstreckt sich tangential zu
dem aus dem Einspritzventil 34 austretenden Kraftstoff
und ist von einer Kraftstoffwolke umgeben, die nach Zusammenwirken
mit der Kolbenmulde 40 zu dem Einspritzventil 34 zurückprallt.
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Die
Darstellungen eines Kraftstoffstrahls in den 2A–C
sind beispielhaft gegeben. Wenn das Kraftstoffeinspritzereignis
kurz ist, kann die Kraftstoffeinspritzung anhalten, bevor die Spitze
des Kraftstoffstrahls die Glühkerze erreicht. Des Weiteren kann
die Kraftstoffeinspritzung früher eingeleitet werden, als
in den 2A–C gezeigt, so dass
ein großer Teil des Kraftstoffs eingespritzt wird, bevor
der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Oder, wenn die Einspritzphase
auf später eingestellt ist, zieht sich der Kolben weiter
zurück, bevor der Kraftstoffstrahl die Kolbenmulde erreicht,
und das Zusammenwirken des Kraftstoffstrahls mit der Kolbenmulde
ist etwas anders als gezeigt wird.
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In
der Darstellung der 2A–C weist die Kolbenmulde 40 einen
Teil 42 auf, der im Wesentlichen vertikal ist. Dieses Merkmal
unterstützt das Ablenken des Kraftstoffs nach oben und
dann nach innen zu der Glühkerze 37. Der Körper
der Glühkerze 37 befindet sich einwärts
des vertikalen Teils 42 der Kolbenmulde 40. Dadurch
wird gewährleistet, dass der Kolben am oberen Totpunkt
nicht auf die Glühkerze 37 auftrifft. Bei einer
Ausführungsform ist die Glühkerze 37 geneigt,
so dass sie weiter außen liegend in den Zylinderdeckel 48 angebracht
ist als der Körper der Glühkerze 37,
die etwas zur Mitte der Achse der Brennkammer 30 zeigt.
Wie in den 2A–C gezeigt, ist ein
wesentlicher Teil der Kolbenmulde 40 im vertikalen Teil 42 enthalten.
Andere Kolbenmulden können abgerundet sein, mit einem sehr
kurzen vertikalen Abschnitt oder einfach einer Spitze (in Querschnittsansicht),
an der die Neigung der Kurve von positiv zu negativ wechselt.
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In 3 wird
eine Draufsicht eines Teils des Zylinderkopfs 44 von einer
Unterseite (in dem Zylinder) gezeigt. Der Teil des Zylinderkopfs 44,
der einen Zylinderdeckel 46 bildet, wird durch eine gestrichelte Linie
gezeigt. Der Kreis der gestrichelten Linie sitzt nach der Montage
auf den Zylinderwänden. Zwei benachbarte Einlasskanäle 48 und
zwei benachbarte Auslasskanäle 50 sind im Zylinderkopf 44 definiert. Mit
Kanälen werden gemeinhin die Durchgänge bezeichnet,
die durch den Zylinderkopf führen. In der vorliegenden
Besprechung beziehen sich Kanäle jedoch auf die im Zylinderdeckel 46ausgebildeten Öffnungen.
Des Weiteren sind ein mittig positionierter Kraftstoffeinspritzventilkanal 52 und
ein außen liegender Glühkerzenkanal 54 im
Zylinderkopf 44 definiert. Zwischen jedem Paar benachbarter
Kanäle befindet sich ein Ventilsteg 56. Zylinderköpfe
weisen innen einen hohlen Teil auf, durch den ein Kühlmittel strömt,
um die Metalltemperaturen unter ihrem Schmelzpunkt zu halten. Zwischen
benachbarten Ventilen kann kein Kühlmantel vorgesehen werden, da
es wichtig ist, einen massiven Teil zu gießen, um die Ventilsitze
an dieser Stelle abzustützen. Der in 3 gezeigte
Abstand m wird an der Stelle des minimalen Abstands zwischen einem
Paar benachbarter Kanäle gemessen. Im Stand der Technik
ist die Glühkerze in einem Ventilsteg an der Stelle des
minimalen Abstands oder bezüglich dieser Stelle einwärts
angebracht. Gemäß der vorliegenden Offenbarung
ist der Glühkerzenkanal 54 außen liegend
von der minimalen Breite des Ventilstegs 56 zwischen benachbarten
Ventilen angeordnet. Die Ventilstege 56 zwischen benachbarten
Ventilen sind nur entlang einer bestimmten Länge der benachbarten
Ventile vorgesehen. Es ist jedoch ein Kühlmantel an beiden
Enden der Ventilstege 56 vorgesehen. Bei einer alternativen
Konfiguration erstreckt sich der Glühkerzenkanal 54 durch
den Kühlmantel außen liegend von einem der Ventilstege 56.
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Wie
in 3 gezeigt, sind die Kanäle 48 und 50 dazu
ausgerichtet, den Betrieb der vier Ventile zu erleichtern, die bei
der Montage durch eine einzige Nockenwelle in den Kanälen 48 und 50 angebracht werden.
Als Alternative dazu kann ein Zylinderkopf mit zwei Nockenwellen
verwendet werden. Der Glühkerzenkanal 54 befindet
sich in der Darstellung zwischen einem der Einlasskanäle 48 und
einem der Auslasskanäle 50. Es könnte
jedoch auch irgendein benachbartes Kanalpaar verwendet werden. Bei
der dargestellten Ausführungsform ist der Glühkerzenkanal 54 näher
an einem Einlasskanal positioniert, da die Metalltemperatur an solch
einer Stelle während des Motorbetriebs im Allgemeinen niedriger
ist als die Metalltemperatur näher an den Auslasskanälen.
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In 4A wird
eine Draufsicht eines Teils des Zylinderkopfs 44 (von einer
Unterseite, das heißt im Zylinder) gezeigt, wobei Einlassventile 58 und Auslassventile 60 in
den Einlass- bzw. Auslasskanälen installiert sind. Das
Einspritzventil 62 ist in der Mitte angebracht, wobei vier
Kraftstoffstrahlen 64 aus den Öffnungen in der
Einspritzventilspitze austreten. Die Kraftstoffstrahlen 64 weisen
Tröpfchen in der Nähe des Einspritzventils 62 auf,
aber nur gasförmigen Kraftstoff weiter von dem Einspritzventil 62 weg. In 4A wird
eine Kammer ohne Luftdrall gezeigt, in der die Kraftstoffstrahlen 64 nicht
verschoben werden. Einer der Kraftstoffstrahlen 64 verläuft
tangential zum Körper der Glühkerze 66.
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In 4B wird
eine entgegen dem Uhrzeigersinn verwirbelte Strömung gezeigt,
die dadurch Kraftstoffstrahlen 64 verschiebt. Die Kraftstoffstrahlen 64 sind
bezüglich der Glühkerze 66 verschoben, wobei
der Kraftstoffstrahl, der insbesondere vorherbestimmt ist, tangential
zur Glühkerze 66 zu verlaufen, von besonderem
Interesse ist. Es hat sich durch Experimente herausgestellt, dass
solch eine Verschiebung des Kraftstoffstrahls bezüglich
der Glühkerze 66 Kaltstartleistung nicht negativ
beeinflusst. Obgleich der Kraftstoffstrahl in Abhängigkeit
von Betriebsbedingungen bis zu 10 Grad am Umfang des Zylinders verschoben
werden kann, beträgt die maximale Verschiebung an der Stelle
der Glühkerze 66 nur ca. 5 Grad, da die Glühkerze 66 ungefähr
auf halben Wege von der Mitte des Zylinders, das heißt
der Stelle des Einspritzventils 62, angebracht ist. In 4B werden
die Kraftstoffsprühstrahlen um 10 Grad gedreht gezeigt;
die Form des Kraftstoffstrahls kann jedoch in Abhängigkeit
von dem Abstand von der Mitte verschieden beeinflusst werden.
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Die
vorliegende Entwicklung kann auf Motoren mit 2 Ventilen pro Zylinder
angewandt werden. Bei solchen Motoren ist das Einspritzventil im
Allgemeinen in der Mitte angebracht, kann aber auch etwas von der
Mitte versetzt sein. Des Weiteren ist das Einspritzventil bei Zweiventilmotoren
in der Regel in einem Winkel in einem Bereich von 10 bis 30 Grad
installiert. Nichtsdestotrotz kann die Glühkerze gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung an einer Stelle
angeordnet sein, die sich näher am Umfang des Zylinders
befindet als die Mitte des Zylinders, so dass eine Kolbenmulde der
oben beschriebenen Art bewirken kann, dass der Kraftstoff die Glühkerze
berührt, wenn er aus dem Einspritzventil eingespritzt wird
und beim Rückprall von der Kolbenmulde.
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In
den 5 und 6 werden andere Kolbenmuldenformen,
die in Verbindung mit der Glühkerzenanordnung verwendet
werden können, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Offenbarung gezeigt. In einem Beispiel werden schmale Kraftstoffstrahlkegel
mit diesen Kolbenmuldenformen verwendet, zum Beispiel ein eingeschlossener
Winkel von 120 Grad im Vergleich mit einem eingeschlossenen Winkel
von 150 Grad, der in dem in 1 gezeigten
Beispiel gezeigt wird. In solch einem Fall bietet eine Glühkerzenanordnung,
die mehr als um die Hälfte von der Mitte des Zylinders
nach außen liegt, die strukturellen Vorteile für
einen Vierventil pro Zylinderkopf, das heißt Platzieren
der Glühkerze außen liegend von dem minimalen
Abstand zwischen Ventilen, wo die Glühkerze ohne ernsthafte
Verringerung der Festigkeit untergebracht werden kann. Jedoch kann
das Finden einer Tiefe der Glühkerze nahe dem von der Kolbenmulde
zurückprallenden Kraftstoff sowie nahe dem Kraftstoffstrahl,
wenn er das Einspritzventil verlässt, bei einem Einspritzventil mit
schmalem Strahlwinkel schwieriger sein.
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Somit
verbessern Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung
Kaltstartleistung durch Anordnen der Glühkerzen bezüglich
der Zylinderachse weiter außen liegend (von der Mitte des
Zylinders zu den Zylinderwänden versetzt), während
ein Kraftstoffeinspritzventilsprühmuster in Kombination
mit einer Kolbenmulde verwendet wird, um das zweimalige Zusammenwirken
zwischen der Glühkerze und dem Kraftstoff für
jede Einspritzung zu erleichtern. Insbesondere positionieren verschiedene
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung den Glühkörper in
der Nähe des Kraftstoffs, wenn er die Glühkerze
an einem ersten Durchlauf nach dem Einspritzen durchquert, und dann
wieder am Rückprall, wenn er von der Kolbenmuldengeometrie
zurückgeleitet wird. Des Weiteren erleichtert das Positionieren
der Glühkerze von dem Ventilsteg außen liegend
größere Einlass-/Auslasskanäle ohne Beeinträchtigung
der Festigkeit des Zylinderdeckels, wodurch höheren Zylinderdrücken,
die auch mit verbesserter Kaltstartleistung und verbesserter Kraftstoffeffizienz
verbunden sind, Rechnung getragen wird.
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Obgleich
die beste Durchführungsweise ausführlich beschrieben
wurde, sind für den Fachmann verschiedene alternative Ausführungen
und Ausführungsformen innerhalb des Schutzbereichs der
folgenden Ansprüche offensichtlich. Zum Beispiel handelt
es sich bei der in den 2A–C gezeigten Kolbenmulde
einfach um ein Beispiel und sie soll nicht einschränkend
sein. Ein für die beispielhafte Kolbenmulde beschriebener
Vorteil besteht darin, dass sie einen Rückprall von Kraftstoff
zu der Glühkerze bewirkt. Die vorliegende Offenbarung ist
selbst mit Kolbenmulden-Einspritzventil-Kombinationen vorteilhaft,
bei denen es nicht zu solch einem Rückprall von die Glühkerze
umhüllendem Kraftstoff kommt. Die vorliegende Offenbarung
kann in Verbrennungssystemen mit und ohne Drall verwendet werden.
Obgleich eine oder mehrere Ausführungsformen gemäß ihrer
Beschreibung Vorteile bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen
und/oder gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich einer
oder mehrerer gewünschter Eigenschaften bevorzugt werden,
ist für einen Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass zwischen
verschiedenen Merkmalen Kompromisse getroffen werden können,
um gewünschte Systemmerkmale zu erzielen, die von der besonderen
Anwendung oder Implementierung abhängig sind. Zu diesen
Merkmalen zählen unter anderem Kosten, Festigkeit, Lebensdauer,
Lebenslaufkosten, Marktfähigkeit, Erscheinungsbild, Packaging,
Größe, Wartungsfreundlichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit,
Leichtigkeit der Montage usw. Die als weniger wünschenswert
in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften im Vergleich zu anderen
Ausführungsformen beschriebenen Ausführungsformen
liegen nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung,
wie er beansprucht wird.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Motor, ist bevorzugt ein
Flächenteil der Kolbenmulde im Wesentlichen parallel zu
einer Achse des Zylinders verläuft und sich der Glühkörper
an einer diametralen Stelle näher am Flächenteil
als an der Achse des Zylinders befindet.
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Weiterhin
umfasst der erfindungsgemäße Motor Folgendes:
zwei
im Zylinderdeckel definierte Einlasskanäle, wobei die beiden
Einlasskanäle zueinander benachbart sind;
zwei im
Zylinderdeckel definierte Auslasskanäle, wobei die beiden
Auslasskanäle zueinander benachbart sind; und
vier
Ventilstege, wobei einer zwischen jedem Paar benachbarter Kanäle
positioniert ist, wobei das Einspritzventil so ausgerichtet ist,
dass sich einer der Kraftstoffstrahlen nahe einem der Ventilstege
bewegt und die Glühkerze außen liegend von dem
einen Ventilsteg positioniert ist.
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Insbesondere
weist ein erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor
mit einer Brennkammer auf, die von einer Zylinderwand, einem an
einem ersten Ende des Zylinders befestigten Zylinderdeckel und einem sich
innerhalb der Zylinderwand hin und her bewegenden Kolben begrenzt
wird, wobei der Zylinderdeckel zwei benachbarte Einlasskanäle
und zwei benachbarte Auslasskanäle mit Ventilstegen zwischen jedem
benachbarten Kanalpaar aufweist, wobei jeder Ventilsteg eine Stelle
mit minimaler Dicke aufweist, an der sich ein minimaler Abstand
zwischen benachbarten Kanälen befindet, wobei der Kolben
eine Kolbenmulde auf einer Kolbenfläche aufweist, die zu dem
Zylinderdeckel weist, wobei ein vertikaler Teil der Kolbenmulde
im Wesentlichen parallel zu einer Achse der Zylinderwand verläuft,
wobei der Motor Folgendes umfasst:
ein im Zylinderdeckel angebrachtes
Kraftstoffeinspritzventil, wobei eine Spitze des Kraftstoffeinspritzventils
mit der Zylinderachse im Wesentlichen zusammenfallend positioniert
ist; und
eine Glühkerze, die im Zylinderdeckel außen
liegend von der Stelle mit der minimalen Dicke eines der Ventilstege
angebracht ist.
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Dabei
ist bevorzugt Glühkörper einwärts des vertikalen
Teils der Kolbenmulde positioniert.
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Weiter
bevorzugt ist das Einspritzventil so ausgerichtet, dass sich einer
der mehreren Kraftstoffstrahlen in der Nähe des einen Ventilstegs
nahe der Glühkerze bewegt.
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Dabei
weist bevorzugt das Kraftstoffeinspritzventil mehrere Öffnungen
auf, die dazu ausgeführt sind, Kraftstoffstrahlen intermittierend
in die Brennkammer zu spritzen, wobei die Kraftstoffstrahlen einen
Kegel mit einem gebildeten stumpfen Winkel bilden.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführung ist die Glühkerze
im Zylinderdeckel außen liegend von dem Ventilsteg zwischen
einem Einlasskanal und einem Auslasskanal angebracht.
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Weiter
bevorzugt ist die Glühkerze in einer solchen Tiefe angeordnet,
dass ein Glühkörper tangential zu einem der mehreren
aus dem Einspritzventil austretenden Kraftstoffstrahlen verläuft.
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Ein
erfindungsgemäßer Motorraum wirkt der vertikale
Teil der Kolbenmulde mit einem Kraftstoffstrahl zusammen, um zu
bewirken, dass ein Teil des Kraftstoffstrahls nach oben zu dem Zylinderdeckel
und dann radial nach innen entlang dem Zylinderdeckel zu der Zylinderachse
geleitet wird, und die Glühkerze in einer solchen Tiefe
angeordnet ist, dass der Körper von dem nach oben zu dem
Zylinderdeckel und dann radial nach innen entlang dem Zylinderdeckel
gerichteten Kraftstoffstrahl umhüllt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0246004
A1 [0014, 0014]
