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Die Erfindung betrifft ein Gemischbildungssystem für eine Brennkraftmaschine, welches Wasser mit einem gasförmigen Kraftstoff mischt.
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Gemischbildung bezeichnet üblicherweise zumeist die Art und Weise, nach der für eine Brennkraftmaschine das Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisch erzeugt wird. Dabei soll der flüssige oder gasförmige Kraftstoff in der Verbrennungsluft fein verteilt werden, um eine nahezu vollständige Verbrennung und somit einen hohen Nutzungsgrad und einen emissionsarmen Betrieb der Brennkraftmaschine zu realisieren. Prinzipiell kann die Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemischbildung bekanntermaßen direkt im Brennraum oder in einem zuströmseitig zum Brennraum angeordneten Saugrohr erfolgen.
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Gasförmige Kraftstoffe werden zumeist durch ein elektromagnetisch oder piezoelektrisch gesteuertes Einblasventil in den mit Verbrennungsluft gefüllten Brennraum oder das Saugrohr eingeblasen/eingespritzt. Die Einblasventile werden auch als Gasinjektoren oder Einspritzdüsen bezeichnet. Dabei ist am Austritt aus dem Gasinjektor der Querschnitt reduziert. Infolgedessen wird der Gasstrom am Austritt auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt, was zu einer feinen Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs führt. Der Einspritzdruck des gasförmigen Kraftstoffs am Gasinjektor wird beispielsweise beim Einsatz von Erdgas in der Regel durch druckbeaufschlagte Gastanks und einen Gasdruckregler bereitgestellt.
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Flüssiggaskraftstoffe können bekanntermaßen durch einen Verdampfer in den gasförmigen Aggregatzustand überführt werden. Die Flüssiggaskraftstoffe können somit ebenfalls über Gasinjektoren in den mit Verbrennungsluft gefüllten Brennraum oder das Saugrohr eingeblasen/eingespritzt werden.
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Als flüssige Kraftstoffe kommen in Brennkraftmaschinen bekanntermaßen zumeist Benzin und Diesel zum Einsatz. In der Vergangenheit wurde zum Betrieb von Ottomotoren Benzin in einem von Verbrennungsluft durchströmten Vergaser durch eine Venturidüse versprüht und das Kraftstoff-Verbrennungsluft-Gemisch wird nachfolgend in den Brennraum geleitet. In modernen Ottomotoren wie auch in Dieselmotoren erfolgt die Gemischbildung durch Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum beziehungsweise in ein zuströmseitig zum Brennraum angeordnetes Saugrohr.
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Aus den Druckschriften
DE 36 18 700 A1 und
DE 197 21 573 A1 sind Verfahren und Anordnungen bekannt, die zur Erhöhung des Wirkungsgrades vorsehen, dass zum Verbrennen eines flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs in Anwesenheit von Verbrennungsluft Wasser verwendet wird, welches gemäß der Beschreibung der Druckschrift
DE 36 18 700 A1 auf verschieden Arten zugegeben wird. Die Zugabe erfolgt a) durch unmittelbare Einspritzung von Wasser in den Verbrennungsraum oder b) durch Einleitung von Wasserdampf oder Luft in den dem Verbrennungsraum vorgeordneten Ansaugkanal oder c) Ausbildung einer Brennstoff-Wasser-Emulsion und Einleitung derselben in den Verbrennungsraum.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Gemischbildung zur Verwendung des Gemischs in einer Brennkraftmaschine und ein Gemischbildungssystem für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, mittels dem Wasser und ein gasförmiger Kraftstoff zu einem Gas/Wasser-Gemisch gemischt werden kann. Durch das Verfahren und das Gemischbildungssystem soll der Verbrennungsprozess positiv beeinflusst werden und das Gemischbildungssystem soll energieeffizient arbeiten. Das durch das Verfahren hergestellte und in dem Gemischbildungssystem generierte Gas/Wasser-Gemisch soll eine gleichbleibende Qualität aufweisen und somit eine reproduzierbare hohe Leistung einer Brennkraftmaschine bei hohem Wirkungsgrad und geringen Abgasemissionen ermöglichen.
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Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Gemischbildungssystem für eine Brennkraftmaschine, welches eine wasserähnliche Flüssigkeit mit einem gasförmigen Kraftstoff mischt, umfassend einen ersten Anschluss, an dem die wasserähnliche Flüssigkeit anliegt, und einen zweiten Anschluss, an dem der gasförmige Kraftstoff anliegt, wobei das Gemischbildungssystem eine Mischkammer umfasst, an der zuströmseitig der Mischkammer ein über den ersten Anschluss mit der wasserähnlichen Flüssigkeit gespeister erster Injektor angeschlossen ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ebenfalls zuströmseitig der Mischkammer eine über den zweiten Anschluss mit dem gasförmigen Kraftstoff gespeiste Einspeiseleitung an einem zu der Mischkammer führenden Kanal angeschlossen ist, über den die Mischkammer über mindestens eine Öffnung mit dem gasförmigen Kraftstoff versorgt wird, wobei abströmseitig der Mischkammer ein zweiter Injektor angeschlossen ist, über den der Brennkraftmaschine ein Gas/Wasser-Gemisch oder nur gasförmiger Kraftstoff zuführbar ist.
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Als wasserähnliche Flüssigkeit wird beispielsweise Wasser verwendet. Zur Verdeutlichung der Erfindung wird nachfolgend stellvertretend für den allgemeinen Begriff - wasserähnliche Flüssigkeit - der spezifische Begriff - Wasser - verwendet.
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Das Gemischbildungssystem ist insbesondere für monovalente Brennkraftmaschinen vorgesehen, die primär mit einem gasförmigen Kraftstoff, insbesondere Erdgas betrieben werden. Die Brennkraftmaschine monovalenter Fahrzeuge ist in vorteilhafter Weise auf den Erdgasbetrieb optimiert, wobei innerhalb des Gemischbildungssystems eine Zugabe von Wasser mit den in der Beschreibung erzielbaren Effekten ermöglicht wird. Dabei können in vorteilhafter Weise folgende Effekte erzielt werden. Zum einen reduziert das verdampfende Wasser die Verbrennungstemperatur und auch somit die Stickoxidemissionen und zum anderen kann die Verdichtung durch die Absenkung der Verdichtungsendtemperatur angehoben werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt.
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Die erfinderische Grundidee der gefundenen Lösung besteht darin, mittels zwei nacheinander angeordneten Injektoren ein Gas/Wasser-Gemisch zu erzeugen und dabei als Mittel zum Aufbrechen des Wassers als Trägermedium einen gasförmigen Kraftstoff zu verwenden.
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Es wird erfindungsgemäß ein Gas/Wasser-Gemisch ausgebildet, welches aus einem quantitativ vorgebbaren Anteil gasförmigen Kraftstoffs und aus einem quantitativ vorgebbaren Anteil Wasser besteht.
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Steht das flüssige Medium nicht in ausreichender Menge zur Verfügung oder soll das flüssige Medium aus anderen Gründen nicht zugemischt werden, wird über das Gemischbildungssystem, welches über den zweiten Injektor mit einem Brennraum oder einem Saugrohr der Brennkraftmaschine in Verbindung steht, nur gasförmiger Kraftstoff (ohne Wasserzugabe) über den zweiten Injektor in den Brennraum oder das Saugrohr eingespritzt. In Abhängigkeit der der Mischkammer zugeführten Anteile von gasförmigem Kraftstoff und Wasser kann der Wasseranteil des Gas/Wasser-Gemischs variiert werden.
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Die erfinderische Grundidee der gefundenen Lösung besteht darin, mittels zwei nacheinander angeordneter Injektoren ein Gas/Wasser-Gemisch zu realisieren und dabei als Mittel zum Aufbrechen des Wassers und als Trägermedium einen gasförmigen Kraftstoff zu verwenden.
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Durch die Ausführung des Gemischbildungssystems wird in vorteilhafter Weise eine hochqualitative Gas/Wasser-Gemischbildung realisiert.
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Die Gas/Wasser-Gemisch erfolgt erfindungsgemäß in Stufen.
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Die erste Stufe der Gas/Wasser-Gemischbildung erfolgt in der Mischkammer. Die Mischkammer ist beim Betrieb des Gemischbildungssystems mit dem gasförmigen Kraftstoff gefüllt, der der Mischkammer durch die Einspeiseleitung zugeführt wird. In die Mischkammer wird durch den ersten Injektor Wasser eingespritzt, wodurch das Wasser in der Mischkammer fein verteilt wird.
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Die Einspritzung des Wassers über den ersten Injektor bewirkt beim Austritt aus dem ersten Injektor und Auftreffen auf den gasförmigen Kraftstoff ein aerodynamisches Aufbrechen des Wassers in kleine Tropfen und Ligamente. Somit wird in der ersten Stufe bereits ein Gas/Wasser-Gemisch aus dem Wasser und dem gasförmigen Kraftstoff gebildet, bei dem das Wasser ein erstes Mal aerodynamisch aufgebrochen ist und bereits in der Mischkammer aerodynamisch zerfällt. Das heißt, das flüssige Medium wird durch den gasförmigen Kraftstoff in kleine Tropfen und Ligamente zerkleinert. Die Tropfen und Ligamente weisen eine Größe im Bereich von 60 µm (0,060 mm) bis 100 µm (0,100 mm) auf.
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In der zweiten Stufe wird der zweite Injektor wirksam, der das jeweilige in der Mischkammer erzeugte Gas/Wasser-Gemisch ein zweites Mal zerstäubt. Diese zweite Zerstäubung ergibt sich durch die kritischen Strömungsverhältnisse am Ventilsitz des zweiten Injektors, der als Drosselstelle wirkt. Dabei wird das aus der Mischkammer zuströmende jeweilige Gas/Wasser-Gemisch auf etwa Schallgeschwindigkeit beschleunigt.
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Die resultierenden hohen aerodynamischen Kräfte führen dazu, dass der zweite Zerstäubungsprozess bereits kurz nach dem Ventilaustritt im Wesentlichen abgeschlossen ist.
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Das in zwei Phasen zerstäubte Wasser verdampft nach dem Düsenaustritt im Brennraum der Brennkraftmaschine zumindest teilweise oder vollständig. In dem Brennraum wird dem Gas/Wasser-Gemisch Verbrennungsluft hinzugefügt.
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Der Arbeitsdruck für den zweiten Injektor wird in vorteilhafter Weise durch den Druck aus den Gastanks für den gasförmigen Kraftstoff bereitgestellt. Der am zweiten Anschluss anliegende Druck wird durch einen Gasdruckregler stabilisiert und gegebenenfalls reduziert.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass mithilfe des gasförmigen Kraftstoffs ein sehr geeignetes Medium zum Aufbrechen des Wassers und zur Aufnahme des in der ersten Stufe aufgebrochenen Wassers zur Gas/Wasser-Gemischbildung zur Verfügung steht.
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In vorteilhafter Weise ist im Kraftfahrzeug keine Zusatzenergie notwendig, um den gasförmigen Kraftstoff auf den gewünschten Arbeitsdruck in der Mischkammer und somit auf den gewünschten Arbeitsdruck des zweiten Injektors zu bringen, da der gasförmige Kraftstoff bereits mit dem entsprechenden Druck in den Gastanks des Kraftfahrzeuges zur Verfügung steht. Damit kann in einem Kraftfahrzeug ein Gas/Wasser-Gemisch bereitgestellt werden, ohne dass das Kraftfahrzeug dazu einen Kompressor oder dergleichen zur Druckerzeugung benötigt.
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In vorteilhafter Weise hat sich herausgestellt, dass das zweistufig generierte und somit hochqualitative Gas/Wasser-Gemisch eine extrem schnelle Verdampfung des flüssigen Anteils des Gas/Wasser-Gemischs im Brennraum bewirkt.
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Mit dem bereitgestellten Gemischbildungssystem steht unmittelbar nach dem Einblasen/Einspritzen des Gemischs mittels des zweiten Injektors in den Brennraum unter Zugabe der Verbrennungsluft ein homogenes zündbereites Gas/Wasser/Luft-Gemisch zur Verbrennung zur Verfügung.
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Somit kann durch Selbstzündung oder Fremdzündung in vorteilhafter Weise sofort eine nahezu vollständige Verbrennung bei hohem Wirkungsgrad und geringen Abgaswerten realisiert werden.
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Insbesondere sind in vorteilhafter Weise durch die nahezu ideale Verbrennung sehr niedrige Kohlenwasserstoff-, Stickoxid-, Ruß-, Kohlenmonoxid- und Kohlendioxidemissionen erzielbar.
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Durch das unmittelbar nach dem Einblasen/Einspritzen in den Brennraum zündfähige Gas/Wasser/Luft-Gemisch können auch hohe Drehzahlen bei guten Verbrennungsparametern und geringen Abgasemissionen realisiert werden.
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Zugleich wird der Kraftstoffeintrag des gasförmigen Kraftstoffs in den Brennraum gegenüber einem reinen Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem gasförmigen Kraftstoff durch den erhöhten Einspritzimpuls der Flüssigkraftstofftröpfchen verbessert.
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Durch die Variation des Mischungsverhältnisses von Wasser und gasförmigem Kraftstoff können dabei der Kraftstoffeintrag und die Klopffestigkeit an die Betriebsbedingungen angepasst werden. In vorteilhafter Weise können dadurch vorgegebene Betriebspunkte durch Variation des Mischungsverhältnisses gezielt angefahren werden.
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Das Gemischbildungssystem ist dafür strukturell und verfahrensseitig derart ausgebildet, dass ausschließlich gasförmiger Kraftstoff ohne Gas/Wasser-Gemischbildung für die Verbrennung in der Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellt werden kann.
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Der erste Injektor ist als eine Einspritzdüse für die Einspritzung eines flüssigen Mediums, insbesondere ausgebildet.
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Der zweite Injektor ist für die Einspritzung eines Gas/Wasser-Gemischs aus Wasser und dem gasförmigen Kraftstoff oder nur des gasförmigen Kraftstoffs ausgebildet.
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Das bereitgestellte Gemischbildungssystem wird in vorteilhafter Weise in kompakter Bauweise ausgeführt, wodurch nur geringer Bauraum beansprucht wird, wie noch näher erläutert wird.
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Es besteht ferner die Möglichkeit, bekannte Standardkomponenten zu verwenden. Daraus resultiert eine hohe Zuverlässigkeit des Gemischbildungssystems und es ist somit zugleich kostengünstig herstellbar.
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Das Gemischbildungssystem kann mit allen gasförmigen Kraftstoffen, wie CNG (engl.:(Compressed Natural Gas), LNG (engl.: Liquified Natural Gas), ANG (engl.: Adsorbed Natural Gas), LPG (Liquified Petroleum Gas) und auch mit biogenen Kraftstoffen, wie beispielsweise Biodiesel, Ethanol, Biogas betrieben werden.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist das Gemischbildungssystem so zu der Brennkraftmaschine angeordnet, dass das Gas/Wasser-Gemisch direkt in einen Brennraum oder ein Saugrohr der Brennkraftmaschine einblasbar/einspritzbar ist. Mit anderen Worten, die Kompakteinheit wird direkt an dem Brennraum oder dem Saugrohr angeschlossen, sodass der zweite Injektor direkt in den Brennraum oder das Saugrohr einblasen/einspritzen kann.
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Der zweite Injektor ragt dabei in den Brennraum oder das Saugrohr hinein oder ist bevorzugt bündig mit der jeweiligen Brennraumwand oder Saugrohrwand angeordnet.
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Wie erläutert ist die Gas/Wasser-Gemischzufuhr vom zweiten Injektor in das zuströmseitig zum Brennraum angeordnete Saugrohr möglich. Bei der Ausführung, bei der das Gas/Wasser-Gemisch in das Saugrohr eingeblasen wird, erfolgt die Vermischung des Gas/Wasser-Gemischs mit der Verbrennungsluft bereits im Saugrohr. Nachfolgend wird das Gas/Wasser/Luft-Gemisch in den Brennraum gesaugt, verdichtet und gezündet.
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In vorteilhafter Weise ist das Gemischbildungssystem außerdem zu unterschiedlichen Motorkonstruktionen kompatibel und kann somit auch zur Nachrüstung eingesetzt werden.
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Wie erwähnt ist vorgesehen, dass der erste Injektor als eine Einspritzdüse für die Einspritzung von Wasser ausgebildet ist. Entsprechend können für den jeweiligen Einsatzfall serienmäßige Flüssigkeitseinspritzdüsen, die mit hoher Effizienz die jeweiligen Flüssigkeiten zerstäuben, in dem Gemischbildungssystem zum Einsatz kommen.
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Die ausgereiften Einspritzdüsen sind in vielfältigen Ausführungen motoren-, leistungs- und kraftstoffspezifisch und zugleich kostengünstig verfügbar. Somit kann das Gemischbildungssystem entsprechend spezifischer Einsatzbedingungen ausgeführt werden. Durch die zum Einsatz kommenden ausgereiften Einspritzdüsen können Entwicklungskosten eingespart werden. Zugleich ist damit eine wesentliche Voraussetzung für eine hohe Zuverlässigkeit und eine breite Anwendung des Gemischbildungssystems gegeben.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gemischbildungssystems ist der zweite Injektor als ein Einblasventil zur Einblasung von einem mit Flüssigkraftstofftröpfchen versetzten Gasstrom ausgebildet. Vorzugsweise kommen als Einblasventile nach außen öffnende A-Düsen mit einem ringförmigen Austrittsspalt zum Einsatz. Mit diesen Einblasventilen werden auch bei relativ geringen Arbeitsdrücken hohe Strömungsgeschwindigkeiten am Ventilsitz erreicht. Die Sprayverteilung der A-Düsen erfolgt insbesondere hohlkegelförmig. Die Spraytröpfchen weisen dabei kleine Durchmesser auf, die eine schnelle Verdampfung ermöglichen. Infolgedessen kann eine gute Verteilung des Wassers im Brennraum der Brennkraftmaschine beziehungsweise im Saugrohr der Brennkraftmaschine und somit in der Verbrennungsluft realisiert werden.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Einspeiseleitung oder an der Einspeiseleitung ein Mengenregelventil und/oder ein ansteuerbarer Druckregler angeordnet sind.
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Das Mengenregelventil ermöglicht eine die zuzuführende Menge des gasförmigen Kraftstoffs regelnde getaktete Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs in die Mischkammer.
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Damit kann die Gas/Wasser-Gemischbildung in der Mischkammer gasseitig in vorteilhafter Weise mengenmäßig geregelt werden.
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Insbesondere kann so das Verhältnis von gasförmigem Kraftstoff und Wasser bei dem Gas/Wasser-Gemisch variiert werden. Damit ist in vorteilhafter Weise eine Anpassung an unterschiedliche Verbrennungsbedingungen und Motortypen möglich.
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Die Anpassung ist darüber hinaus durch einen durch die Motorsteuerung ansteuerbaren Gasdruckregler realisierbar. Ein Gasdruckregler stabilisiert den Druck des gasförmigen Kraftstoffs in der Mischkammer. Durch die Änderung des Ausgangsdrucks des Gasreglers kann in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen das Mischungsverhältnis von Wasser und gasförmigem Kraftstoff im Gas/Wasser-Gemisch variiert werden. Die Variation des Gasdrucks mittels des Gasdruckreglers wird durch das Zusammenwirken von Gasdruckregler und Mengenregelventil weniger träge gestaltet, sodass in vorteilhafter Weise eine Flexibilisierung der Gaszuführung in den Mischraum realisiert werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gemischbildungssystem kompakt in einem einzigen Gehäuse angeordnet ist, wobei das Gehäuse einen ersten Gehäuseteil und einen zweiten Gehäuseteil umfasst.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen den Gehäuseteilen Einsatzteile angeordnet sind, und dem ersten Injektor ein erstes Einsatzteil und dem zweiten Injektor ein zweites Einsatzteil jeweils mit einem Sitz zugeordnet ist, der der Positionierung der Injektoren innerhalb des Gehäuses dient.
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Die gefundene Lösung realisiert einen einfachen, kompakten und funktionellen Aufbau des Gemischbildungssystems. Neben den Injektoren sind nur ein zweiteiliges Gehäuse und zwei Einsatzteile erforderlich, die im Zusammenbauzustand gasdicht miteinander verbunden werden. Die Gehäuseteile sind dabei vorzugsweise miteinander verschraubt. Zwischen den Gehäuseteilen, den Einsatzteilen und den Injektoren sind dabei, soweit erforderlich, Dichtungen angeordnet.
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Zur Aufnahme der Injektoren weisen die Einsatzteile ferner einen entsprechenden Sitz auf, der beispielsweise als Gewindeverbindung oder dergleichen ausgeführt ist.
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Die Injektoren können entsprechend in die Einsatzteile eingeschraubt sein. Das zweite Gehäuseteil kann ferner in vorteilhafter Weise beispielsweise mittels Außengewinde direkt in den Zylinderkopf zur direkten Brennraumeinspritzung oder in ein entsprechendes am Saugrohr angeordnetes korrespondierendes Gewinde geschraubt werden.
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Die vorgeschlagene Ausführung des Gemischbildungssystems ist kompakt, leicht montierbar, nimmt wenig Bauraum in Anspruch und ist kostengünstig herstellbar. Entsprechend lässt sich eine Vielzahl von spezifischen Ausführungen des Gemischbildungssystems mit wenigen kompatiblen Komponenten realisieren.
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In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Gemischbildungssystems ist vorgesehen, dass die Mischkammer zwischen der Austrittsseite des ersten Injektors und der Eintrittsseite des zweiten Injektors ausgebildet ist. Die Mischkammer wird über einen durch ein Einsatzteil geführten Versorgungskanal als Teil der Einspeiseleitung mit gasförmigem Kraftstoff versorgt.
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Die Mischkammer ist mit dem Versorgungskanal verbunden. Die möglichen Ausgestaltungen des Gemischbildungssystems werden in mehreren Ausgestaltungsvarianten in dem nachfolgenden Beschreibungsteil noch näher erläutert.
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Die geometrische Form des Mischraums ergibt sich aus einer ersten Kontur der Austrittsseite des ersten Injektors und einer zweiten Kontur der Eintrittsseite des zweiten Injektors, wobei die Längsachsen der Injektoren in einer bevorzugten Ausführungsform axial zueinander in einer Flucht zueinander angeordnet sind, wie in den beigefügten Figuren beispielhaft dargestellt ist.
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Die Erfindung ist nicht auf eine axial fluchtende Anordnung der Injektoren zueinander begrenzt. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, dass sich die Gemischbildung durch eine Anordnung der Längsachsen der Injektoren zueinander in einem vorgebbaren Winkel, in der ersten Phase der Gas/Wasser-Gemischbildung in vorteilhafter Weise hinsichtlich der Wirkungsweise aerodynamischen Aufschlusses beeinflussen lässt.
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Die sich bei der dargestellten Ausführungsform seitlich an die Konturen der Injektoren anschließenden Flächen des in der dargestellten Ausführungsvariante ausgebildeten ersten und des zweiten Einsatzteils bilden unabhängig von den verschiedenen Anordnungsmöglichkeiten der Injektoren zueinander die seitliche Abgrenzung der Mischkammer, wobei die konturierten Flächen der Injektoren die jeweilige Abgrenzung der Mischkammer, bei der axialen Anordnung der Injektoren zueinander, insbesondere die obere und untere Abgrenzung bilden.
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Es hat sich herausgestellt, dass durch die geometrische Form des Mischraums und die vorgebbare Richtung des Gasstromes des gasförmigen Kraftstoffs die Verteilung des Wassers in dem gasförmigen Kraftstoff im Sinne eines effektiven aerodynamischen Aufschlusses beziehungsweise Zerfalls des Wassers positiv beeinflusst werden kann, wie in der Beschreibung noch näher erläutert wird.
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Verfahrensmäßig ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Einspeiseleitung des gasförmigen Kraftstoffs an einem zu der Mischkammer M führenden Kanal angeschlossen ist, über den die Mischkammer über mindestens eine Öffnung mit dem gasförmigen Kraftstoff versorgt wird, wodurch das Wasser bei einer Zugabe von gasförmigem Kraftstoff am Austritt des ersten Injektors und/oder in der Mischkammer in der ersten Stufe aerodynamisch aufgebrochen wird und zerfällt, wonach das aufgebrochene und zerfallene Gas/Wasser-Gemisch in einem abströmseitig der Mischkammer angeordneten zweiten Injektor beim Eintritt in den zweiten Injektor in einem Ventilsitz des zweiten Injektors gedrosselt wird, wodurch das Gas/Wasser-Gemisch beim Austritt aus dem Ventilsitz des zweiten Injektors in der zweiten Stufe aerodynamisch zerstäubt aus dem zweiten Injektor austritt und einem Brennraum einer Brennkraftmaschine zuführbar ist.
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Bevorzugt ist die Einspeiseleitung des gasförmigen Kraftstoffs an den die Mischkammer umgebenden Ringkanal angeschlossen, aus dem die Mischkammer über mindestens eine Öffnung mit dem gasförmigen Kraftstoff versorgt wird, wodurch das Wasser bei einer Zugabe von gasförmigem Kraftstoff am Austritt des ersten Injektors und/oder in der Mischkammer in der ersten Stufe besonders effektiv aerodynamisch aufgebrochen wird und zerfällt.
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Das Gas/Wasser-Gemisch wird entsprechend der zwei nacheinander angeordneten aktiven Gemischbildungsstufen, die durch die beiden Injektoren repräsentiert werden, gebildet.
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Die Gemischbildung vollzieht sich dabei insgesamt in drei Phasen.
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Die erste Phase beginnt ab dem Austritt des Wassers aus dem ersten Injektor und endet innerhalb der Mischkammer. Im Rahmen dieser ersten Phase laufen entsprechend der vorliegenden Randbedingungen die Strahlaufbruchsmechanismen ab.
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Haupteinflussgröße ist hier die Relativgeschwindigkeit zwischen dem in der Mischkammer befindlichen Gas und dem eingespritzten Wasser. Variieren lässt sich die Relativgeschwindigkeit zwischen dem in der Mischkammer befindlichen Gas und dem eingespritzten Wasser. Variieren lässt sich die Relativgeschwindigkeit durch Einspritzdruckvariationen. Dazu kann der Druck des Wassers und/oder des gasförmigen Kraftstoffs variiert werden, wobei der Druck des Wassers stets oberhalb des Drucks des gasförmigen Kraftstoffs liegt.
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In der zweiten Phase erfolgt der Tropfenzerfall durch aerodynamische Kräfte im zweiten Injektor. Der Tropfenzerfall wird hauptsächlich durch das Verhalten des gasförmigen Anteils des Gas/Wasser-Gemischs nahe dem Ventilsitz des zweiten Injektors und den Randbedingungen innerhalb der Mischkammer beeinflusst. Als Randbedingungen werden die in der ersten Phase erreichten Qualitätsmerkmale des Aufbruchs des flüssigen Anteils im Gas/Wasser-Gemisch angesehen.
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Das Strömungsverhalten am Ventilsitz entspricht einer Drosselstelle. Durch die kritischen Strömungsverhältnisse, die an der Drosselstelle vorherrschen, werden in vorteilhafter Weise sehr hohe Zerstäubungsgüten des Wassers erreicht. Mit anderen Worten, es werden Tropfen mit sehr geringer Tropfengröße erzeugt, die im Bereich von 5 µm (0,005 mm) bis 30 (0,03 mm) µm liegen. Es wird deutlich, dass die in der ersten Phase erzeugten Tröpfchengrößen im Bereich zwischen 60 µm und 100 µm in der zweiten Phase in vorteilhafter Weise noch weiter verringert werden. Die Tröpfchengrößen liegen schließlich nach erfolgtem Tropfenzerfall in der zweiten Phase in einem Bereich von 5 µm bis 30 µm.
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Dafür werden die Druckverhältnisse im zweiten Injektor so gewählt, dass sich infolgedessen das Gas/Wasser-Gemisch mit Schallgeschwindigkeit bewegt. Die daraus entstehenden hohen aerodynamischen Kräfte führen dazu, dass bereits kurz nach dem Ventilaustritt der Großteil des Zerstäubungsprozesses abgeschlossen ist. Aus der geringen Tropfengröße resultiert eine große Oberfläche des Wassers, wodurch die Verdampfung des flüssigen Mediums in vorteilhafter Weise stark begünstigt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens zur Gas/Wasser-Gemischbildung verdampft das Gas/Wasser-Gemisch in einer dritten Phase beim Eintritt in den Brennraum oder das Saugrohr der Brennkraftmaschine. Zugleich erfolgt die Mischung des Gemischs mit der Verbrennungsluft.
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In dieser dritten Phase der Gemischbildung, jetzt der Gas/Wasser/Luft-Gemischbildung, erfolgt unter Zugabe der Verbrennungsluft die zumindest teilweise Verdampfung der mit dem gasförmigen Kraftstoff eingetragenen Spraytröpfchen des flüssigen Mediums nach dem Austritt aus dem zweiten Injektor innerhalb des Brennraumes beziehungsweise des Saugrohres. Die noch verbliebenen flüssigen Tropfen werden spätestens jetzt fein zerstäubt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens zur Gemischbildung können der erste Injektor und der zweite Injektor durch die Motorsteuerung mittels eines Motorsteuergerätes zeitversetzt aktiviert werden. Somit kann die erste Phase der Gemischbildung von der zweiten Phase zeitlich entkoppelt werden.
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Entsprechend kann für beide Phasen der Gemischbildung der drehzahl- und leistungsabhängig optimale zeitliche Verlauf der Gas/Wasser-Gemischbildung realisiert werden. Diese Weiterbildung ist insbesondere für eine Multipointeinspritzung vorteilhaft nutzbar.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gemischbildungssystem eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Gemischbildung auszuführen. Zu diesem Zweck umfasst das Gemischbildungssystem insbesondere eine Steuereinrichtung, in der ein computerlesbarer Programmalgorithmus zur Ausführung des Verfahrens und gegebenenfalls erforderliche Kennfelder gespeichert sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Gemischbildungssystem in einer Schnittdarstellung;
- 2 das Gemischbildungssystem in einer Explosionsdarstellung;
- 3 das Gemischbildungssystem in einer Perspektivdarstellung;
- 4A das Gemischbildungssystem in einer weiteren Schnittdarstellung mit Details zu der Anordnung der Mischkammer innerhalb des Gemischbildungssystems;
- 4B das Gemischbildungssystem in einer weiteren Schnittdarstellung gemäß dem Schnitt A-A der 4A mit Details zu der Anordnung der Mischkammer;
- 5A die Mischkammer in einer ersten Ausführungsform;
- 5B die Mischkammer in einer zweiten Ausführungsform;
- 5C die Mischkammer in einer dritten Ausführungsform.
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Es werden nachfolgend zunächst die 1 bis 3 in einer Zusammenschau erläutert.
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Das erfindungsgemäße Gemischbildungssystem 100 mischt Wasser mit einem gasförmigen Kraftstoff, wie beispielsweise Erdgas.
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Das Wasser wird dem Gemischbildungssystem 100 über einen ersten Anschluss A1 unter Druck stehend zugeführt. Die Druckerzeugung erfolgt beispielsweise durch eine Einspritzpumpe eines Einspritzsystems (nicht dargestellt), die dem ersten Injektor I1 das Wasser mit einem vorgebbaren Druck bereitstellt.
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Der Anschluss A1 versorgt den ersten Injektor I1 mit Wasser und wird durch diesen in die Mischkammer M eingestrahlt/eingespritzt. Die Öffnung des ersten Injektors I1, der austrittsseitig beispielsweise als Zweilochdüse ausgeführt ist, erfolgt beispielsweise durch eine elektromagnetische Spule oder einen piezoelektrischen Aktor (nicht dargestellt). Die elektrische Ansteuerung wird beispielsweise über die Motorsteuerung (nicht dargestellt) realisiert.
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Die Mischkammer M wird über einen internen in dem Gemischbildungssystem 100 ausgebildeten Versorgungskanal L2, L3, L4 als Teil der Einspeiseleitung L mit dem gasförmigen Kraftstoff über einen externen Teil L1 der Einspeiseleitung L befüllt, wobei die Einspeiseleitung L über den zweiten Anschluss A2 mit einem Druckgastank (nicht dargestellt) in Verbindung steht.
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Die Verbindung vom zweiten Anschluss A2 zur Mischkammer M ist über den externen Teil des Gemischbildungssystems 100 der Einspeiseleitung L; L1 und über den internen Teil des Gemischbildungssystems der Einspeiseleitung L; L2, L3, L4 realisiert.
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In der in den Figuren dargestellten Ausgestaltungsvariante des Gemischbildungssystems ist in einem ersten Gehäuseteil G1 eines Gehäuses G eine Muffe L2 angeordnet, die im Zusammenbauzustand des Gemischbildungssystems 100 eine Verbindung zwischen dem externen Teil des Gemischbildungssystems 100 der Einspeiseleitung L; L1 und dem internen Teil der Einspeiseleitung L; L3, L4 ermöglicht.
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Der interne Teil der Einspeiseleitung L; L3, L4 ist über einen in einem ersten Einsatzteil E1 angeordneten Versorgungskanal realisiert. Der Versorgungskanal L3; L4 ist im Ausführungsbeispiel als orthogonal geführte Bohrung im ersten Einsatzteil E1 ausgeführt.
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Der Druck des gasförmigen Kraftstoffs, mit dem der gasförmige Kraftstoff der Mischkammer M zugeführt wird, liegt deutlich unter dem Druck des eingespritzten Wassers. Der Druck des gasförmigen Kraftstoffs beträgt beispielsweise 1 bis 50 bar.
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Im Betrieb des Gemischbildungssystems 100 trifft in der Mischkammer M der durch den ersten Injektor I1 mit hohem Druck eingespritzte Wasserstrahl auf den gasförmigen Kraftstoff mit einem geringeren Druck. Dabei ist die Mischkammer M stets mit dem Druck des anstehenden gasförmigen Kraftstoffs beaufschlagt.
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Das führt in einer ersten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die zwischen den Partikeln des Wassers und den Partikeln des gasförmigen Kraftstoffs auftretende Reibung zu einem aerodynamischen Aufbrechen des Wassers, das dabei in kleine Tröpfchen und Ligamente zerlegt wird. Dabei mischen sich die kleinen Tröpfchen und Ligamente des Wassers in vorteilhafter Weise intensiv mit dem gasförmigen Kraftstoff.
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Entsprechend wird in der Mischkammer M ein Gas/Wasser-Gemisch aus aufgebrochenem Wasser und gasförmigem Kraftstoff gebildet.
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Unter aufgebrochenem Wasser ist eine Zerstäubung im Sinne einer Bildung von kleinen Tröpfchen und Ligamente zu verstehen.
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Dabei verdampft in der Mischkammer M ein Teil des Wassers. Entsprechend ist der erste Injektor I1 als eine Einspritzdüse für die Einspritzung von Wasser ausgebildet.
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Abströmseitig der Mischkammer M ist ein zweiter Injektor I2 angeschlossen, der beispielsweise als nach außen öffnende A-Düse ausgeführt ist. Der zweite Injektor I2 wird beispielsweise durch die Motorsteuerung angesteuert. Der zweite Injektor I2 ist derart ausgebildet, dass er als Einblasventil zur Einblasung von einem mit Flüssigkeitströpfchen versetzten Gasstrom verwendet werden kann.
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Durch den in der Mischkammer M herrschenden vorgebbaren Druck des anstehenden gasförmigen Kraftstoffs wird in einer zweiten Phase des erfindungsgemäßen Verfahrens am Ventilsitz des zweiten Injektors I2 das aus der Mischkammer M zuströmende Gas/WasserGemisch auf etwa Schallgeschwindigkeit beschleunigt.
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Der Ventilsitz wirkt dabei als Drosselstelle. Das Gemisch wird auf Schallgeschwindigkeit beschleunigt, wodurch eine Spraywirkung erzielt wird. Durch die Ausführung des zweiten Injektors I2 als A-Düse wird dabei in einem hier genannten Ausführungsbeispiel ein hohlkegelförmiger feiner Spraynebel generiert.
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Der Spraynebel wird in bevorzugter Ausgestaltung direkt in den Brennraum B eines Zylinders der Brennkraftmaschine oder das zuströmseitig zum Brennraum B angeordnete Saugrohr S eingeblasen/eingespritzt und vermischt sich dort mit der Verbrennungsluft.
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Dabei verdampft das Wasser des Gas/Wasser-Gemischs in einer dritten Phase des Verfahrens vollständig, wobei das Wasser durch die vorhergehende zweite Phase in vorteilhafter Weise durch die geringe Spraytröpfchengröße eine große volumenbezogene Oberfläche aufweist. Die geringe Spraytröpfchengröße verbessert dabei zugleich die Wärmeaufnahme und damit die gewünschte vollständige Verdampfung des Wassers.
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Somit steht durch das Gemischbildungssystem 100 im Brennraum B einer Brennkraftmaschine nach Zuführung der Verbrennungsluft ein zündfähiges Gas/Wasser/Luft-Gemisch zur Verfügung, das durch Fremdzündung gezündet werden kann, wobei das Gas/Wasser/Luft-Gemisch aus zumindest teilweise verdampften Wasser und dem gasförmigen Kraftstoff sowie der in den Brennraum eingebrachten Verbrennungsluft besteht.
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Durch eine homogene Gasverteilung und Wasserverteilung und Verbrennungsluftverteilung im Gas/Wasser/Luft-Gemisch kann eine nahezu ideale Verbrennung realisiert werden. Die Verbrennung verläuft demzufolge mit einem geringen Ausstoß an Abgasen, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden, Kohlenmonoxid und Ruß. Die Brennkraftmaschine kann somit bei hoher Leistung zugleich sehr effizient betrieben werden.
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Durch die entsprechende Ansteuerung der Injektoren I1, I2 können die Einspritzparameter der Medien (gasförmiger Kraftstoff und Wasser) mittels der Steuereinrichtung bezüglich Zeitpunkt und Menge variiert und so an unterschiedliche Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors angepasst werden.
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Somit können für unterschiedliche Betriebsbedingungen jeweils geringe Abgasemissionen und hohe Nutzungsgrade erreicht werden. Damit ist auch ein effizienter und emissionsarmer Teillastbetrieb eines mit dem Gemischbildungssystem 100 ausgerüsteten Verbrennungsmotors realisierbar.
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Um das Gas/Wasser-Gemisch in dem Brennraum B oder das Saugrohr S einblasen/einspritzen zu können, ist das Gemischbildungssystem 100 in bevorzugter Ausgestaltung direkt in einer Wandung 12 eines den Brennraum B aufweisenden Zylinderkopfes oder des Saugrohres S angeordnet. In 1 ist die Wandung 12 eines Brennraums B eines Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine angedeutet.
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Somit kann das generierte Gas/Wasser-Gemisch in geringer Spraytröpfchengröße, auch Spraynebel genannt, direkt in den mit der Verbrennungsluft gefüllten Raum zur Bereitung des Gas/Wasser/Luft-Gemischs eingebracht werden.
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Zur Befestigung in der Wandung 12 des Zylinderkopfes 12 kann in einer ersten Ausgestaltungsvariante beispielsweise ein zweites Gehäuseteil G2 durch eine Gewindeverbindung in den Zylinderkopf 12 oder in das Saugrohr S oder dergleichen eingeschraubt werden.
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Der zweite Injektor I2 ist in der ersten dargestellten Ausgestaltungsvariante mittels eines zweiten Einsatzteils E2 in das zweite Gehäuseteil G2 eingesetzt, beispielsweise eingesteckt oder eingeschraubt. In der ersten Ausgestaltungsvariante sind das erste Einsatzteil E1 und das zweite Einsatzteil E2 mit dem ersten Gehäuseteil G1 über eine durchgehende, sich in axialer Richtung erstreckende Schraubverbindung miteinander verbunden. Diese Einheit ist mit dem zweiten Gehäuseteil G2 verbunden, indem die beiden Gehäuseteile G1 und G2 über ein Befestigungselement, insbesondere eine Pratze oder dergleichen (nicht dargestellt), indirekt verbunden sind.
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Das erste Einsatzteil E1 umfasst dabei einen Sitz zur Aufnahme des ersten Injektors I1. Weiterhin ist das erste Einsatzteil E1 mit dem Versorgungskanal L3, L4 zur Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs in die Mischkammer M versehen.
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In der dargestellten ersten Ausgestaltungsvariante bilden die an die Mischkammer M angrenzenden Innenkonturen des ersten Einsatzteiles E1 und die konturierte Fläche der Austrittsseite des ersten Injektors I1 sowie die konturierte Fläche der Eintrittsseite des zweiten Injektors I2 gemeinsam die geometrische Form der Mischkammer M.
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In der dargestellten Ausgestaltungsvariante sind die Injektoren I1 und I2 in axialer Richtung gesehen jeweils bezüglich ihrer Mittelachse als Längsachse auf einer Achse liegend fluchtend angeordnet.
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In den Flansch des ersten Gehäuseteils G1 ist in der ersten Ausgestaltungsvariante die Muffe L; L2 integriert, über die der externe Teil der Einspeiseleitung L; L1 mit dem internen Teil der Einspeiseleitung L; L3, L4 im Zusammenbauzustand gasdicht in Verbindung steht.
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Entsprechend den Erfordernissen erfolgt die Abdichtung der Injektoren I1, I2 beziehungsweise der Einsatzteile E1, E2 und Gehäuseteile G1, G2 zueinander.
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Die beschriebene erste Ausgestaltungsvariante stellt eine mehrteilige Kompakteinheit dar.
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In einer anderen bevorzugten zweiten Ausgestaltungsvariante (nicht dargestellt) wird auf das zweite Gehäuseteil G2 verzichtet. Dabei wird das zweite Einsatzteil E2 derart ausgebildet, dass es den zweiten Injektor I2 aufnehmen und gleichzeitig wie erläutert in die Wandung 12 eines Brennraumes B oder eines Saugrohres S eingebracht werden kann.
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In einer weiteren dritten bevorzugten Ausgestaltungsvariante (nicht dargestellt) wird ausgehend von der zweiten Ausgestaltungsvariante auf die Bildung von zwei Einsatzteilen E1 und E2 und das obere Gehäuseteil G1 verzichtet. Es wird nur noch ein Einsatzteil E ausgebildet, dass die beiden Injektoren I1 und Injektoren I2 aufnimmt und eine Mischkammer M aufweist, wobei das Einsatzteil E gleichzeitig wie erläutert in die Wandung 12 eines Brennraumes B oder eines Saugrohres S eingebracht werden kann.
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Durch die vorhergehende Beschreibung der Ausgestaltungsvarianten wird deutlich, dass je nach Wahl der Ausgestaltungsvariante eine mehrteilige Kompakteinheit oder wie bei der dritten Ausgestaltungsvariante nur noch eine einteilige Kompakteinheit als Gemischbildungssystem 100 ausgebildet ist.
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2 zeigt das Gemischbildungssystem 100 in einer Explosionsdarstellung. Die Darstellung veranschaulicht noch zusätzlich den bereits erläuterten Aufbau und die Montage des Gemischbildungssystems 100 in der ersten Ausgestaltungsvariante auf andere Weise.
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Verdeutlicht wird insbesondere, dass die elektrischen Anschlüsse 10, 20 zur Ansteuerung der Injektoren I1, I2 gemäß der ersten Ausgestaltungsvariante in das erste Einsatzteil E1 beziehungsweise das erste Gehäuseteil G1 integriert angeordnet sind.
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Die 3 stellt das Gemischbildungssystem 100 im Zusammenbauzustand in einer Perspektivansicht dar. Erkennbar sind die Bohrungen 16 im Flansch des ersten Gehäuseteils G1 zur Verschraubung des ersten Gehäuseteils G1 mit dem ersten Einsatzteil E1 und dem zweiten Einsatzteil gemäß der ersten Ausgestaltungsvariante. Wie erwähnt ist die Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseteil G1, G2 nicht dargestellt. Das erste Gehäuseteil G1 ist nach dem Zusammenbau gegenüber dem zweiten Gehäuseteil G2 in geeigneter Weise gesichert. Die Einsatzteile E1 und E2 können in einfacher Weise somit in das zweite Gehäuseteil G2 gesteckt werden.
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Diese Darstellung zeigt darüber hinaus die Anordnung eines Mengenregelventils 2 und eines Druckreglers 4 in dem externen Teil der Einspeiseleitung L, L1, über die eine Zuführung des gasförmigen Kraftstoffs vom Druckbehältertank zum Gemischbildungssystem 100 erfolgt.
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Der gasförmige Kraftstoff, beispielsweise Erdgas, ist in einem nicht dargestellten Kraftfahrzeug in einem Druckgastank (nicht dargestellt) unter einem vorgebbaren, durch den Betankungsvorgang bereits erzeugten Druck bevorratet. Dadurch wird bei dem erfindungsgemäßen Gemischbildungssystem 100 in vorteilhafter Weise kein Aggregat zur Druckerzeugung des gasförmigen Kraftstoffs benötigt.
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Der Druck im Druckgastank reduziert sich mit der Entnahme des gasförmigen Kraftstoffs. Um einen konstanten Druck in der Mischkammer M zu gewährleisten, wird der Gasdruck durch den Druckregler 4 auf einen im Vergleich zum im Druckgastank (nicht dargestellt) herrschenden Druck vergleichsweise niedrigeren Druck eingestellt und kann so trotz der Entnahme des gasförmigen Kraftstoffs stabil gehalten werden.
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Der Druck in der Mischkammer M kann je nach dem in der Brennkammer stattfindenden Brennverfahren variiert werden, wobei der Druck in einem Druckbereich zwischen 1 bar und 50 bar konstant gehalten werden kann oder variabel in einem vorgebbaren Bereich des genannten Druckbereiches eingestellt werden kann.
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Um die Gas/Wasser-Gemischbildung variabel an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen zu können, kann in einer Ausgestaltung, neben der bereits erläuterten Variation der Einspritzmenge des Wassers über den ersten Injektor I1 in die Mischkammer M, ein Druckregler 4 mit variablem Ausgangsdruck zum Einsatz kommen. Ein Druckregler 4 mit variablem Ausgangsdruck ermöglicht es, den Druck in der Mischkammer M zu variieren. Die Ansteuerung des Druckreglers 4 zur Variation des Ausgangsdrucks erfolgt dabei in einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung durch die Motorsteuerung in Abhängigkeit von den vorliegenden und gewünschten Betriebsbedingungen.
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Es wird deutlich, dass das Gemischbildungssystem 100 unter in der Mischkammer M gleichbleibenden Bedingungen oder sich in der Mischkammer M verändernden Bedingungen eine Gas/Wasser-Gemischbildung bei gleichbleibend hoher Qualität gewährleisten kann.
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Eine weitere Möglichkeit, die Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs zu beeinflussen, besteht darin, ein in 3 dargestelltes Mengenregelventil 2 in der externen Einspeiseleitung L; L1 anzuordnen. Das Mengenregelventil 2 ermöglicht beispielsweise den Beginn oder das Ende oder eine Unterbrechung der Gaszufuhr, wodurch die Bedingungen zum Aufbrechen des Wassers beeinflusst werden können. Ebenso kann damit das Verhältnis der Zusammensetzung von gasförmigem Kraftstoff und Wasser variiert und die Variation der Betriebsdrücke für den zweiten Injektor I2 realisiert werden.
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Um das Ergebnis der Beeinflussung der mengenmäßigen Zufuhr des gasförmigen Kraftstoffs beziehungsweise der Druckregelung optimal zu gestalten, wird das Mengenregelventil 2 und/oder der Druckregler 4, anders als in den Figuren dargestellt, je nach Ausgestaltungsvariante kompakt an dem Gemischbildungssystem 100 angeordnet.
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Die 4A zeigt das Gemischbildungssystem 100 in einer weiteren Schnittdarstellung mit Details zu der Anordnung der Mischkammer M innerhalb des Gemischbildungssystems 100.
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Im Unterschied zu den 1 bis 3 werden die bisher als interne Einspeiseleitungen L1, L2, L3 vorgesehenen Einspeisungen des gasförmigen Kraftstoffs jetzt als externe Einspeiseleitungen L1, L2; L3 ausgebildet. Ausschließlich der mit dem Bezugszeichen bezeichnete Teil L4 der Einspeiseleitung L wird im dargestellten Ausführungsbeispiel orthogonal von den externen Einspeiseleitungen L1, L2, L3 in das erste Einsatzteil E1 geführt. Die mit dem Bezugszeichen L4 dargestellte Einspeiseleitung bildet wie erläutert den Versorgungskanal für den gasförmigen Kraftstoff in die Mischkammer M.
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Es wird zum Verständnis der nachfolgenden Erläuterungen empfohlen, die 4A in Zusammenschau mit der 4B zu betrachten. Die 4B zeigt das Gemischbildungssystem 100 in einer weiteren Schnittdarstellung gemäß dem Schnitt A-A der 4A ebenfalls mit den erfindungsgemäßen Details zu der Anordnung der Mischkammer M.
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Der gasförmige Kraftstoff wird bei dieser konstruktiven Ausführung des Gemischbildungssystems100 über einen separaten Versorgungskanal L4 in das erste adapterartige Einsatzteil E1 geleitet. Der von der Seite, das heißt orthogonal zu dem Wasser in das erste Einsatzteil E1 eingeleitete und somit in die Mischkammer M einströmende gasförmige Kraftstoff gelangt zunächst in einen im Ausführungsbeispiel umlaufenden Ringkanal E11 eines als Hülse ausgebildeten Einschubteiles H, welches nachfolgend als Einschubhülse bezeichnet wird. Die Einschubhülse H umgreift in ihrem gemäß 4A oberen Hülsenteil, in axialer Längserstreckung gesehen, den ersten Injektor I1 und nimmt den ersten Injektor I1 in sich auf, wobei die Einschubhülse H für den ersten Injektor I1 gleichzeitig ein Injektorlager bildet.
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Im gemäß 4A unteren Hülsenteil bildet die Hülse einen hülsenartigen Hohlraum als Mischkammer M, an den sich in axialer Richtung des Gemischbildungssystems 100 der zweite Injektor I2 anschließt.
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Von dem Ringkanal E11 strömt der gasförmige Kraftstoff über die, in den 4A und 4B angedeuteten, vorzugsweise mehreren Öffnungen H1 in die als Einschubhülse H ausgeführte Mischkammer M, in der gasförmiger Kraftstoff mit dem Wasser wie beschrieben gemischt wird.
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Der Ringkanal E11 dient in vorteilhafter Weise der Verteilung des gasförmigen Kraftstoffs auf die verschiedenen Öffnungen H1 sowie in vorteilhafter Weise der Schaffung eines Vorspeichervolumens, aus dem die vorzugsweise mehreren Öffnungen E11 über den Zeitraum der Einspritzung des Gas/Wasser-Gemischs über den zweiten Injektor I2 versorgt werden.
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Durch diese konstruktive Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise der Effekt erzielt, dass der gasförmige Kraftstoff nicht ausschließlich von einer Seite, sondern über den Umfang der Mischkammer M verteilt in die Mischungskammer M einströmt. Hierdurch verbessert sich in vorteilhafter Weise der Gemischbildungsprozess innerhalb der Mischkammer M.
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Die 5A bis 5C zeigen verschiedene vorteilhafte Ausführungsformen der Ausgestaltung der Mischkammer M. Die Konstruktion und Ausführung der Mischungskammer M haben wesentlichen Einfluss auf den gewünschten Zerstäubungsprozess des Wassers durch den gasförmigen Kraftstoff.
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Die 5A zeigt die Einschubhülse H und einen Schnitt 5A-5A durch die Einschubhülse H im Bereich des die Mischkammer M in der Einschubhülse H bildenden Hohlraumes in einer ersten Ausführungsform. Gemäß der ersten Ausführungsform strömt der gasförmige Kraftstoff bezogen auf die Längserstreckung der Einschubhülse H, beispielsweise über sechs, über den Umfang der Mischkammer M gleichmäßig verteilte radial angeordnete Öffnungen H1 mit einem Durchmesser von jeweils 0,5 mm in die Mischkammer M ein.
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Die 5B zeigt die Einschubhülse H und einen Schnitt 5B-5B durch die Einschubhülse H im Bereich des die Mischkammer M in der Einschubhülse H bildenden Hohlraumes in einer zweiten Ausführungsform. Gemäß der zweiten Ausführungsform strömt der gasförmige Kraftstoff bezogen auf die Längserstreckung der Einschubhülse H, beispielsweise über sechs, über den Umfang der Mischkammer M gleichmäßig verteilte, unter einem vorgebbaren Winkel gegenüber den radial, gemäß 5A und zugehörige Beschreibung, angeordneten Öffnungen H1 mit einem Durchmesser von jeweils 0,5 mm in die Mischkammer M ein. Der gasförmige Kraftstoff strömt somit im Wesentlichen tangential in die Mischkammer M ein.
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Die 5C zeigt die Einschubhülse H und einen Schnitt 5C-5C durch die Einschubhülse H im Bereich des die Mischkammer M in der Einschubhülse H bildenden Hohlraumes in einer dritten Ausführungsform. Gemäß der dritten Ausführungsform strömt der gasförmige Kraftstoff bezogen auf die Längserstreckung der Einschubhülse H, beispielsweise über sechs, über den Umfang der Mischkammer M gleichmäßig verteilte radial angeordnete Öffnungen H1 mit einem Durchmesser von jeweils 0,5 mm in die Mischkammer M ein. Zusätzlich ist gemäß 5C (obere Abbildung) im unteren Bereich der Einschubhülse H1 ein die Gemischbildung beeinflussendes Bauteil H2 am Mischkammeraustritt angeordnet. Im Ausführungsbeispiel ist das Bauteil H2 ein Lochsieb, welches in vorteilhafter Weise eine Gemischbildung des gasförmigen Kraftstoffs mit dem Wasser erzwingt. Es versteht sich, dass das die Gemischbildung beeinflussende Bauteil H2 auch in Kombination mit den tangentialen Öffnungen gemäß der zweiten Ausführungsform eingesetzt werden kann, wodurch sich eine nicht näher dargestellte vierte Ausführungsform ergibt.
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Weitere nicht näher dargestellte Ausgestaltungen werden vorgeschlagen, die in Kombination mit allen bisher genannten Ausführungsformen eingesetzt werden können:
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Die Mischkammer M kann hinsichtlich ihres Durchmessers, ihrer Höhe in Längserstreckung gesehen und ihrer Form variiert werden.
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Die Anzahl der Öffnungen H1 kann variiert werden. Insbesondere kann beispielsweise das Indikatorelement Anzahl der Öffnungen H1 von sechs auf beispielsweise zwölf Öffnungen erhöht werden. Hinzu kommt, dass der Durchmesser der Öffnungen H1 und die Länge der Öffnungen H1 innerhalb der Wandung der Einschubhülse H1 variiert werden kann. Außerdem sind geometrische Ausgestaltungen der Öffnungen H1 vorgesehen, bei den die Bohrungen, von außen nach innen in Strömungsrichtung gesehen, konisch ausgebildet sind, wobei entweder eine konische Verjüngung oder konische Erweiterung vorgesehen ist.
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Zudem ist vorgesehen, dass die Positionierung und Anzahl der Öffnungen H1 derart gewählt sind, sodass beispielsweise eine Positionierung von zwei Reihen mit sechs oder beispielsweise zwölf Öffnungen je Reihe, von Öffnungen in Längserstreckung gesehen, übereinander ausgebildet ist.
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Letztlich ist vorgesehen, dass die Strahlwinkel der Öffnungen bezüglich einer gedachten orthogonal zur Längserstreckung der Einschubhülse H liegenden gedachten horizontalen Achse schräg ausgebildet werden können, wobei mindestens eine Öffnung H1 vorgesehen ist, die unter einem vorgebbaren Winkel von beispielsweise 45°zwischen 0°und 90°gemäß den 4A, beziehungsweise 5A bis 5C schräg nach unten ausgerichtet ist, wobei eine Ausrichtung schräg nach oben entgegen der Strömungsrichtung des Wassers nicht ausgeschlossen ist.
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Durch die Kombination der beschriebenen Variationsmöglichkeiten ergibt sich eine Vielzahl von möglichen Mischkammerkonstruktionen. Die Konstruktion und Ausführung der Mischkammer M hat wie erläutert wesentlichen Einfluss auf den Zerstäubungsprozess des Wassers durch den gasförmigen Kraftstoff.
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Durch die Verwendung des Gemischbildungssystems 100 wird eine deutliche Optimierung des Gemischbildungsprozesses erreicht. Die Mischkammer M stellt das zentrale Bauteil des Gemischbildungssystems 100 dar, da in der Mischkammer M das Wasser mit dem gasförmigen Medium derart miteinander interagiert, dass das Wasser mit geringem Energieaufwand, das heißt bereits bei geringen Drücken des gasförmigen Mediums, zu extrem kleinen Tropfen zerstäubt wird. Dies führt zu einer besseren Gas/Wasser-Gemischbildung.
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Durch die konstruktive Gestaltung der Mischungskammer M und der Positionierung der als Einspritzdüsen ausgebildeten Öffnungen E1 zueinander, kann dieser Prozess deutlich optimiert und verbessert werden, sodass die Strömung des gasförmigen Mediums in optimierter Weise gezielt für die Zerlegung des Wassers in kleine Tropfen und Ligamente verwendet werden kann.
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Mit anderen Worten eine Generierung von sehr kleinen Tropfen ist energieeffizient bei sehr geringem Energieaufwand möglich. Es kommt zu einer Kostenersparnis, da insbesondere teure Einspritzsysteme mit hohen Kraftstoffdrücken des gasförmigen Mediums entfallen können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Gemischbildungssystem
- A1
- erster Anschluss
- A2
- zweiter Anschluss
- M
- Mischkammer
- L
- Einspeiseleitung
- L1
- externer Teil der Einspeiseleitung
- L2
- interner oder externer Teil der Einspeiseleitung; Muffe
- L3
- interner oder externer Teil der Einspeiseleitung; Versorgungskanal
- L4
- interner Teil der Einspeiseleitung; Versorgungskanal
- I1
- erster Injektor
- 10
- elektrischer Anschluss
- I2
- zweiter Injektor
- 20
- elektrischer Anschluss
- B
- Brennraum
- S
- Saugrohr
- G
- Gehäuse
- G1
- erstes Gehäuseteil
- G2
- zweites Gehäuseteil
- E1
- erstes Einsatzteil
- E11
- Ringkanal
- E2
- zweites Einsatzteil
- H
- Einschubelement
- H1
- Öffnungen
- H2
- Bauteil
- 2
- Mengenregelventil
- 4
- Druckregler
- 12
- Wandung/ Zylinderkopf
- 16
- Bohrung für Schraubverbindung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3618700 A1 [0006]
- DE 19721573 A1 [0006]
