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Die Erfindung betrifft ein Kraftstoffversorgungssystem für einen Verbrennungsmotor, insbesondere einen zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehenen Verbrennungsmotor.
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Es ist bekannt, Verbrennungsmotoren, auch solche, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen vorgesehen sind, mit sogenannten alternativen Kraftstoffen zu betreiben. Zu diesen alternativen Kraftstoffen gehören solche, die vollständig (sogenanntes E100) oder zu einem Großteil aus Ethanol bestehen (nachfolgend „Ethanolkraftstoffe“). Regional verbreitet ist beispielsweise ein sogenannter E85-Kraftstoff, der aus einer Mischung aus 85% Ethanol und 15% reinem Ottokraftstoff besteht. Auch die in Europa verbreiteten „regulären Ottokraftstoffe“ weisen zumeist einen Anteil von bis zu 5% (E5) oder bis zu 10% (E10) Ethanol auf.
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Bei diesen in Europa erhältlichen regulären Ottokraftstoffen kommen die für das Ethanol spezifischen Eigenschaften wegen der vergleichsweise geringen Beimischung nicht oder nur in einem vergleichsweise geringen Ausmaß zum Tragen. Höhere Anteile an Ethanol im Ottokraftstoff bedingen dagegen zumeist eine recht aufwändige Anpassung der Verbrennungsmotoren. Dies gilt nicht nur für die Beständigkeit der Leitungen, die zum Führen des Gummi- und gewisse Kunststoffe lösenden Ethanolkraftstoffs genutzt werden, sondern auch für innermotorische Maßnahmen, die dem geringeren Brennwert und der höhere Oktanzahl von Ethanolkraftstoffen im Vergleich zu regulären Ottokraftstoffen geschuldet sind.
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Eine Eigenschaft, durch die sich Ethanol oder Kraftstoffe mit hohem Ethanolanteil deutlich von regulärem Ottokraftstoff unterscheiden, liegt in deren relativ schweren Flüchtigkeit. Dies kann ein Problem insbesondere in Kaltstartphasen der Verbrennungsmotoren darstellen, wenn die Umgebungstemperaturen relativ niedrig (ungefähr kleiner 13°C) sind. Ohne zusätzliche Maßnahmen kann dann ein vollständiges Verdampfen des Kraftstoffs nicht sichergestellt werden, was mit entsprechend Kaltstartproblemen einhergehen kann.
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Bekannt ist, das Kaltstartverhalten von Verbrennungsmotoren, die mit Ethanolkraftstoffen betrieben werden, mittels einer (Vor-)Heizvorrichtung zu verbessern, die vor und während der Kaltstartphase den Ethanolkraftstoff, der den Injektoren des Verbrennungsmotors zugeführt wird, erhitzt.
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Beispielsweise ist aus der
EP 2 194 261 B1 eine ein Common Rail umfassende Kraftstoffversorgungseinrichtung für einen mit einem Ethanolkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotor bekannt. Innerhalb des Common Rails ist im Bereich beider axialen Enden jeweils ein elektrisch betriebenes Heizelement angeordnet.
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Bekannte Heizvorrichtungen für Kraftstoffversorgungseinrichtungen von mit Ethanolkraftstoff betriebenen Verbrennungsmotoren funktionieren häufig nur unzureichend. Dies ist zum einen darin begründet, dass beim Vorheizen des Ethanolkraftstoffs bei noch nicht gestartetem Verbrennungsmotor die Heizwirkung auf den das oder die Heizelemente umgebenden Ethanolkraftstoff beschränkt ist, da dieser innerhalb des Kraftstoffversorgungssystems noch im Wesentlichen ruht. Der für den Start des Verbrennungsmotors genutzte Ethanolkraftstoff wird dagegen vielfach nur unzureichend erwärmt. In der Regel wird versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, dass das oder die Heizelemente der Heizvorrichtung möglichst nah an den Injektoren positioniert und zudem das diese umgebende, mit dem Ethanolkraftstoff gefüllte Volumen möglichst klein ausgelegt ist. Diesen Maßnahmen sind jedoch aus offensichtlichen Gründen Grenzen gesetzt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit zur Verbesserung der Wirkung einer solchen Heizvorrichtung eines Kraftstoffversorgungssystems für einen mit einem relativ schwer flüchtigen Kraftstoff, insbesondere Ethanolkraftstoff, zu betreibenden Verbrennungsmotor anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kraftstoffversorgungssystem gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystems sind Gegenstand der weiteren Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Ein gattungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem mit einer Kraftstoff führenden Rohrleitung und einem innerhalb der Rohrleitung angeordneten, vorzugsweise elektrisch betreibbaren Heizelement ist erfindungsgemäß durch eine das Heizelement zumindest teilweise, vorzugsweise zu einem Großteil oder vollständig umgebende Hülse gekennzeichnet, die innenseitig in zumindest einem Abschnitt, vorzugsweise vollumfänglich beabstandet von dem Heizelement und außenseitig in zumindest einem Abschnitt, vorzugsweise vollumfänglich beabstandet von der Wandung der Rohrleitung angeordnet ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Hülse kann auf sehr einfache Weise und insbesondere mit einem nur geringen konstruktiven Zusatzaufwand das Volumen des das Heizelement unmittelbar umgebenden, von diesem im Betrieb aufzuheizenden Kraftstoffs klein ausgebildet werden, ohne dazu die gesamte Rohrleitung oder zumindest den das Heizelement aufnehmenden Abschnitt insgesamt entsprechend klein ausbilden zu müssen. Vielmehr kann der freie Querschnitt der Rohrleitung vorteilhaft an den (maximal) zu führenden Volumenstrom des Kraftstoffs angepasst werden, ohne dabei wesentlich Rücksicht auf das (Vor-)Heizverhalten des Heizelements nehmen zu müssen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystem kann vorgesehen sein, dass die Hülse an zumindest zwei längsaxial beabstandeten Stellen Überströmöffnungen, d.h. Öffnungen, durch die der innenseitige Abschnitt und der außenseitige Abschnitt fluidleitend verbunden sind, ausbildet, wobei sich der Abschnitt, in dem die Hülse beabstandet zu dem Heizelement angeordnet ist, und/oder der Abschnitt, in dem die Hülse beabstandet zu der Wandung der Rohrleitung angeordnet ist, zwischen den Überströmöffnungen erstreckt. Durch die Überströmöffnungen wird ein Austausch des zwischen dem Heizelement und der Hülse befindlichen Kraftstoffs verbessert, wodurch die Heizwirkung des Heizelements auf eine größere Menge des Kraftstoffs erweitert werden kann. Dies gilt insbesondere, wenn sich sowohl der Abschnitt, in dem die Hülse beabstandet zu dem Heizelement angeordnet ist, als auch der Abschnitt, in dem die Hülse beabstandet zu der Wandung der Rohrleitung angeordnet ist, zwischen den Überströmöffnungen erstreckt, weil dann dem erwärmten beziehungsweise dem zu erwärmenden Kraftstoff die Möglichkeit gegeben wird, in einem Kreislauf zu strömen, was für ein besonders gutes Aufwärmen des Kraftstoffs sorgen kann.
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Ein Strömen des Kraftstoffs entlang des zwischen dem Heizelement und der Hülse ausgebildeten Abschnitts kann – auch bei einem Nichtbetrieb des Verbrennungsmotors und somit bei nicht erfolgter Kraftstoffförderung durch das Kraftstoffversorgungssystem – durch die sich verringernde Dichte des erwärmten Kraftstoffs bewirkt oder unterstützt werden. Dies gilt insbesondere, wenn, wie vorzugsweise vorgesehen, die Hülse in einer Ausgangsbetriebsstellung des Kraftstoffversorgungssystems nicht horizontal ausgerichtet ist. Dadurch wird ermöglicht, dass der erwärmte Kraftstoff aufgrund der verringerten Dichte in dem zwischen dem Heizelement und der Hülse ausgebildeten Abschnitt schwerkraftbedingt aufsteigt und dadurch neuer, noch nicht erwärmter Kraftstoff über eine der Überströmöffnungen in diesen Abschnitt angesaugt wird. Folglich kann trotz Nichtbetriebs (insbesondere einer Kraftstoffpumpe und von Injektoren) des Kraftstoffversorgungssystems eine Kraftstoffzirkulation durch Konvektion erzeugt werden, durch die eine gute Erwärmung des Kraftstoffs erreicht werden kann. Eine solche Kraftstoffzirkulation ermöglicht zudem, das Heizelement mit einer vergleichsweise hohen Heizleistung zu betreiben, da die Gefahr einer Entstehung von Dampfblasen im Kraftstoff aufgrund des stetigen Austauschs des im direkten Kontakt mit dem Heizelement befindlichen Kraftstoffs verringert wird. Die Möglichkeit der Nutzung einer erhöhten Heizleistung verbessert und/oder beschleunigt wiederum die Aufwärmung des Kraftstoffs und unterstützt somit ein gutes Kaltstartverhalten des Verbrennungsmotors.
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Die durch Konvektion bewirkte Kraftstoffzirkulation ist besonders ausgeprägt, wenn, wie vorzugsweise vorgesehen, die Hülse in der Ausgangsbetriebsstellung des Kraftstoffversorgungssystems möglichst vertikal ausgerichtet ist.
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Unter „Ausgangsbetriebsstellung des Kraftstoffversorgungssystems“ wird erfindungsgemäß die räumliche Anordnung des Kraftstoffversorgungssystems in der vorgesehenen Betriebsstellung des Verbrennungsmotors verstanden, wobei die Betriebsstellung des Verbrennungsmotors bei einem Einbau in einem Kraftfahrzeug bei einer horizontalen Ausrichtung des Kraftfahrzeugs definiert ist.
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In einer konstruktiv vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kraftstoffversorgungssystem kann vorgesehen sein, dass die Hülse an einem ersten Ende stirnseitig offen und an dem zweiten Ende mit mindestens einer Mantelflächenöffnung sowie mindestens einer von der Mantelfläche ausgebildeten Befestigungsfläche ausgebildet ist. Vorzugsweise kann dann vorgesehen sein, dass die Hülse lediglich an einem Ende fixiert ist und mit dem anderen Ende frei in den von der Rohrleitung ausgebildeten, Kraftstoff führenden Innenraum ragt. Dadurch kann wiederum eine Kraftstoffzirkulation unterstützt und zudem ein möglichst großflächiger Kontakt von Kraftstoff mit dem Heizelement erreicht werden.
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Als „Befestigungsfläche“ wird dabei eine Fläche verstanden, mit der die Hülse an einem anderen Element zu Befestigungszwecken anliegt.
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Besonders bevorzugt kann dabei noch vorgesehen sein, dass die mindestens eine, vorzugsweise mehreren Mantelflächenöffnungen als Schlitzöffnung(en), d.h. als an einem Ende der Mantelfläche auslaufende Öffnung(en), ausgebildet ist/sind. Solche Schlitzöffnungen sind nicht nur vergleichsweise einfach herstellbar, sondern diese führen auch zur Ausbildung von einem oder vorzugsweise mehreren Laschenabschnitt(en), an dem/denen vorzugsweise auch die Befestigungsfläche(n) ausgebildet sind. Wird dann noch zumindest der die Laschenabschnitte umfassende Teil der Hülse aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet, kann die Hülse vorteilhaft (auch) mittels einer kraftschlüssigen Fixierung an dem entsprechenden anderen Element befestigt sein, indem der/die Laschenabschnitt(e) bei dem Kontakt des/der Befestigungsfläche(n) mit den Gegenbefestigungsflächen zumindest geringfügig elastisch ausgelenkt sind.
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Die unbestimmten Artikel („ein“, „eine“, „einer und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und in der die Patentansprüche allgemein erläuternden Beschreibung, sind als solche und nicht als Zahlwörter zu verstehen. Entsprechend damit konkretisierte Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und mehrfach vorhanden sein können.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: ein erfindungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem in einer perspektivischen Darstellung;
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2: in einer vereinfachten Darstellung einen Längsschnitt durch ein das Heizelement und die Hülse aufnehmendes Anschlussstück des Kraftstoffversorgungssystems; und
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3: die Hülse des Kraftstoffversorgungssystem in einer perspektivischen Darstellung.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Kraftstoffversorgungssystem für einen direkt einspritzenden Hubkolben-Verbrennungsmotor eines radbasierten Kraftfahrzeugs. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich insbesondere um einen Ottomotor handeln, der (auch) für einen Betrieb mit Ethanolkraftstoffen ausgelegt ist und daher zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens bei relativ niedrigen Umgebungstemperaturen mit einer Heizvorrichtung für den Kraftstoff versehen ist.
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Dargestellt ist ein Kraftstoffverteilerrohr 10 (auch als „Rail“ bezeichnet) des Kraftstoffversorgungssystems. Dies dient dazu, Kraftstoff, der im Betrieb des Verbrennungsmotors mittels einer Kraftstoffpumpe unter Druck gesetzt und gefördert wird, zwischenzuspeichern und auf einzelne Injektoren 12, von denen jeweils einer jedem der Zylinder des Verbrennungsmotors zugeordnet ist, zu verteilen.
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Dazu gehen von dem Kraftstoffverteilerrohr 10, der Anzahl an Injektoren 12 entsprechend, mehrere radiale Auslassöffnungen ab, die in fluidleitender Verbindung mit hohl ausgebildeten Anschlussstücken 14 stehen. Die Anschlussstücke 14 stellen dabei Kraftstoff führende Rohrleitungen im Sinne der Erfindung dar. Jedes der Anschlussstücke 14 bildet einen ersten Rohrabschnitt 16 aus, der die dazugehörige Auslassöffnung des Kraftstoffverteilerrohrs 10 mit einem zweiten Rohrabschnitt 18 (in etwa mittig von diesem bezüglich seiner Längserstreckung) des Anschlussstücks 14 verbindet. Innerhalb des zweiten Rohrabschnitts 18 jedes Anschlussstücks 14 ist ein Heizelement 20 angeordnet, das einen Heizteil 22 und einen Anschlussteil 24 aufweist. Der Heizteil 22 ist dabei in demjenigen Abschnitt des von dem zweiten Rohrabschnitt 18 ausgebildeten Innenraums, der sich von der Mündung des ersten Rohrabschnitts 16 bis in den Übergang des zweiten Rohrabschnitts 18 in einen dritten Rohrabschnitt 26 erstreckt, angeordnet und erstreckt sich zudem noch ein Stück weit in den von dem dritten Rohrabschnitt 26 ausgebildeten Innenraum. Der Anschlussteil 24 des Heizelements 20 erstreckt sich bis aus dem bezüglich des dritten Rohrabschnitts 26 distalen Ende des zweiten Rohrabschnitts 18 heraus und ist dort an eine elektrische Versorgungsleitung 28 angeschlossen. Mittels der elektrischen Versorgungsleitung 28 kann das Heizelement 20, gesteuert von einer Motorsteuerung des Verbrennungsmotors, mit elektrischer Energie versorgt werden, um ein Aufheizen des Heizteils 22 zu bewirken. In der 1 ist das zu einem der Injektoren 12 gehörende Anschlussstück 14 nicht dargestellt, um die Lage des Heizelements 22 und einer das Heizelement 20 erfindungsgemäß umgebenden Hülse 30 zu verdeutlichen.
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Die Längsachse des dritten Rohrabschnitts 26 verläuft in etwa senkrecht zu der Längsachse des zweiten Rohrabschnitts 18. An ein Ende des dritten Rohrabschnitts 26 ist der jeweilige Injektor 12 angeschlossen. Das andere Ende des dritten Rohrabschnitts 26 ist dagegen verschlossen, was durch einen Kontakt dieses Endes mit einem geschlossenen Abschnitt der Außenseite des Kraftstoffverteilerrohrs 10 erfolgt.
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Kraftstoff, das aus dem Kraftstoffverteilerrohr 10 in die Anschlussstücke 14 eintritt, strömt jeweils durch den ersten Rohrabschnitt 16, dann durch den zweiten Rohrabschnitt 18, wobei dieser teilweise an dem Heizteil 22 des Heizelements 20 vorbeiströmt. Von dem zweiten Rohrabschnitt 18 gelangt der Kraftstoff dann über den dritten Rohrabschnitt 26 in den dazugehörigen Injektor 12.
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Der Heizteil 22 jedes Heizelements 20 ist erfindungsgemäß über seine gesamte Länge und – mit Ausnahme von Mantelöffnungen 32, die an dem der Mündung des ersten Rohrabschnitts 16 in den zweiten Rohrabschnitts 18 benachbart gelegenen Abschnitt des zweiten Rohrabschnitts 18 angeordnet sind – vollumfänglich von der Hülse 30 umgeben, die in der 3 isoliert von den anderen Komponenten des Kraftstoffversorgungssystem dargestellt ist. Dabei ist die Hülse 30 zudem über ihre gesamte Länge und vollumfänglich beabstandet von der Innenseite des zweiten Rohrabschnitts 18 angeordnet. Die Stirnseite des in den dritten Rohrabschnitt 26 ragenden Endes der Hülse 30 ist offen ausgebildet. Diese Öffnung bildet, ebenso wie jede der Mantelöffnungen 32, eine Überströmöffnung 40 aus.
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Die Mantelöffnungen 32 sind als Schlitzöffnungen ausgebildet, diese laufen somit an dem entsprechenden Ende der Hülse 30 aus und bilden dazu Laschenabschnitte 34 der Hülse 30 aus. Diese Laschenabschnitte 34 der beispielsweise aus einem Metall (z.B. Edelstahl) ausgebildeten Hülse 30 sind elastisch verformbar und können dadurch vorteilhaft zur Befestigung der Hülse 30 an dem Anschlussteil 24 des dazugehörigen Heizelements 20 genutzt werden. Dazu bilden Endabschnitte der Laschenabschnitte 34 innenseitig Befestigungsflächen 36 aus, die an entsprechenden Gegenbefestigungsflächen des Anschlussteils 24 des Heizelements 20 unter Druck anliegen.
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Wie sich insbesondere aus der 2 ergibt, kann sich Kraftstoff, der über den ersten Rohrabschnitt 16 in den zweiten Rohrabschnitt 18 strömt, sowohl in dem zwischen dem Heizteil 22 des Heizelements 20 und der Hülse 30 als auch in dem zwischen der Hülse 30 und der Wandung des zweiten Rohrabschnitts 18 ausgebildeten Zwischenraum verteilen beziehungsweise über diese Zwischenräume in den dritten Rohrabschnitt 26 und von dort in den dazugehörigen Injektor 12 strömen. Dies sorgt für einen vergleichsweise großen Strömungsquerschnitt für den Kraftstoff im Betrieb des Verbrennungsmotors.
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Vorgesehen ist, dass die Heizelemente 20 vor und auch in einer kurzen Phase (Kaltstartphase) nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors betrieben und somit zum Aufwärmen des Kraftstoffs genutzt werden. Dabei wird durch die Hülsen 30 jeweils ein vergleichsweise kleines Volumen um die Heizteile 22 der einzelnen Heizelemente 20 räumlich abgetrennt, so dass eine vergleichsweise geringe Menge des Kraftstoffs der direkten Heizwirkung durch das Heizelement 20 ausgesetzt ist. Diese relativ geringe Menge des Kraftstoffs kann vergleichsweise schnell erwärmt werden, wodurch ein gutes Kaltstartverhalten des Verbrennungsmotors unterstützt wird.
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Hinzu kommt, dass selbst im Betrieb der Heizelemente 22 vor einem Kaltstart, wenn folglich sowohl die Kraftstoffpumpe als auch die Injektoren noch nicht in Betrieb sind und somit der Kraftstoff im Kraftstoffversorgungssystem grundsätzlich ruht, eine Kraftstoffzirkulation im zweiten Rohrabschnitt 18 und dritten Rohrabschnitt 26 realisiert werden kann. Dieser ergibt sich aus einer Verringerung der Dichte des durch das jeweilige Heizelement 20 erwärmten Kraftstoffs, der in dem zwischen dem Heizelement 20 und der Hülse 30 ausgebildeten Zwischenraum aufsteigt und dadurch neuen Kraftstoff aus dem ersten Rohrabschnitt 16 sowie dem zwischen der Hülse 30 und der Wandung des zweiten Rohrabschnitts 18 ausgebildeten Zwischenraum in den zwischen dem Heizelement 20 und der Hülse 30 ausgebildeten Zwischenraum ansaugt. Bereits erwärmter Kraftstoff wird dagegen wegen des noch nicht erfolgenden Austrags von Kraftstoff durch den dazugehörigen Injektor 12, teilweise wieder in den zwischen der Hülse 30 und der Wandung des zweiten Rohrabschnitts 18 ausgebildeten Zwischenraum gedrückt. Diese Kraftstoffzirkulation führt zu einer besonders guten Erwärmung des Kraftstoffs, insbesondere auch, weil durch diese die Gefahr einer Dampfblasenbildung im Kraftstoff gering gehalten und somit die Heizelemente 20 mit relativ großen Heizleistungen betrieben werden können.
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Um das Aufsteigen des erwärmten Kraftstoffs in dem zwischen dem jeweiligen Heizelement 20 und der Hülse 30 ausgebildeten Zwischenraum zu unterstützen ist vorgesehen, dass die Längsachsen von sowohl dem Heizelement 20 als auch der Hülse 30 und damit auch des zwischen diesen ausgebildeten Zwischenraums möglichst vertikal ausgerichtet sind, wie dies in der 2 anhand der eingezeichneten Gravitationsrichtung 38 dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftstoffverteilerrohr
- 12
- Injektor
- 14
- Anschlussstück
- 16
- erster Rohrabschnitt des Anschlussstücks
- 18
- zweiter Rohrabschnitt des Anschlussstücks
- 20
- Heizelement
- 22
- Heizteil des Heizelements
- 24
- Anschlussteil des Heizelements
- 26
- dritter Rohrabschnitt des Anschlussstücks
- 28
- elektrische Versorgungsleitung
- 30
- Hülse
- 32
- Mantelöffnung
- 34
- Laschenabschnitt
- 36
- Befestigungsfläche
- 38
- Gravitationsrichtung
- 40
- Überströmöffnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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