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Die vorliegende Erfindung betrifft Brennkraftmaschinen mit redundanten Injektoren für den Kraftstoff, die auf Grund ihrer erhöhten Zuverlässigkeit insbesondere für Non-Automotive-Anwendungen geeignet sind.
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Stand der Technik
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In Brennkraftmaschinen werden vielfach Injektoren verwendet, um den Kraftstoff in den Brennraum eines oder mehrerer Zylinder einzudosieren. Diese Injektoren können beispielsweise aus einem gemeinsamen Hochdruckreservoir (Rail) gespeist werden. Das Einspritzsystem wird dann Common-Rail-Einspritzsystem genannt.
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Zur Verbesserung des Verbrennungsverhaltens oder auch zur Einspritzung größerer Kraftstoffmengen ist es im Automotive-Bereich aus der
US 8,297,257 B2 , aus der
US 7,168,413 B2 , aus der
JP 08-312 501 A , aus der
WO 2007/066 565 A1 und aus der
JP 2010 196 606 A bekannt, den Kraftstoff aus mehreren Injektoren gleichzeitig in ein und denselben Zylinder einzuspritzen.
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Für den Betrieb derartiger Anordnungen im Teillastbereich offenbart die
JP 06-173 821 A , mehrere einem Zylinder zugeordnete Injektoren jeweils abwechselnd zu betreiben, damit jeweils der nicht arbeitende Injektor durch den Kraftstoff gekühlt und seine Lebensdauer verbessert wird. Die
EP 1197 650 A1 offenbart, dass allzu häufige Wechsel zwischen den beiden Injektoren die Injektoren wiederum thermischem Stress aussetzen und die Verbrennungseigenschaften verschlechtern. Daher wird vorgeschlagen, mindestens für zwei aufeinander folgende Arbeitszyklen den gleichen Injektor anzusteuern, bevor wiederum auf den anderen Injektor gewechselt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine entwickelt. Die Brennkraftmaschine weist mindestens einen Zylinder auf. Das Einspritzsystem umfasst mindestens zwei Injektoren zur Zuführung von Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders.
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Erfindungsgemäß sind beide Injektoren jeweils dazu ausgebildet, den Kraftstoffbedarf des Zylinders auch bei Volllast zu decken. Weiterhin überlappen sich die Raumgebiete, in die beide Injektoren Kraftstoff emittieren.
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Unter dieser Überlappung der Raumgebiete wird insbesondere verstanden, dass, wenn beide Injektoren gleichzeitig Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders einspritzen würden, sich die von beiden Injektoren emittierten Kraftstoffschirme in einer Weise durchdringen würden, dass dies einen Einfluss auf die Verbrennungseigenschaften hätte. Besonders vorteilhaft überlappen sich die Raumgebiete zu mindestens 50 %.
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Es wurde erkannt, dass auf diese Weise beide Injektoren in vollredundanter Weise betrieben werden können. Auf diese Weise kann die Ausfallsicherheit der Brennkraftmaschine wesentlich gesteigert werden. Es wurde erkannt, dass auf Grund der bei der Fertigung von Injektoren entstehenden Toleranzunterschiede zwei innerhalb einer Charge nominell identisch gefertigte Injektoren zumindest so weit voneinander abweichen, dass ihr gleichzeitiger Ausfall sehr unwahrscheinlich ist.
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Da sich die Raumgebiete, in die beide Injektoren Kraftstoff emittieren, überlappen, macht es für den Betrieb der Brennkraftmaschine keinen Unterschied, welcher der beiden Injektoren aktiv ist. Daher kann bei Ausfall eines Injektors die Brennkraftmaschine unverändert und mit voller Leistung weiter betrieben werden, indem stattdessen der andere Injektor verwendet wird. Mit den genannten Anordnungen gemäß Stand der Technik ist hingegen bei Ausfall eines Injektors nur noch ein eingeschränkter Notbetrieb möglich: Die Injektoren sind so dimensioniert, dass zur Bereitstellung der bei Volllast erforderlichen Kraftstoffmenge alle Injektoren zusammenwirken müssen. Dies wiederum bedingt, dass die Injektoren ihren Kraftstoff im Wesentlichen in unterschiedliche Raumgebiete im Zylinder emittieren müssen, weil sich die aus den unterschiedlichen Injektoren gleichzeitig austretenden Kraftstoffschirme sonst gegenseitig beeinflussen würden. Selbst wenn also beispielsweise im Teillastbereich der Mengendurchsatz durch einen Injektor ausreichen würde, um den Kraftstoffbedarf des Zylinders zu decken, so sind beim Einsatz nur eines Injektors die Verbrennungseigenschaften gegenüber dem abwechselnden Betrieb beider Injektoren verändert, und die Brennkraftmaschine läuft unrund.
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Dass gemäß der Erfindung bei Ausfall eines Injektors ein uneingeschränkter Weiterbetrieb der Brennkraftmaschine möglich ist, ist insbesondere für Non-Automotive-Anwendungen von Brennkraftmaschinen ein großer Vorteil. Beispielsweise werden bei der Verwendung von Brennkraftmaschinen zur Stromerzeugung Ausfallzeiten minimiert. Derartige Ausfallzeiten sind beim Betrieb von Brennkraftmaschinen in Kraftwerken kostspielig, da nicht nur Einnahmen entfallen, sondern ggfs. auch der fehlende Strom am Markt zugekauft werden muss. Brennkraftmaschinen werden weiterhin auf Grund der großen mit Flüssigtreibstoff vor Ort speicherbaren Energiemenge häufig in Netzersatzanlagen für kritische Einrichtungen, deren Ausfall zu vermeiden ist, eingesetzt.
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Noch kritischer in Bezug auf die Ausfallsicherheit sind Brennkraftmaschinen, die als Antriebsmaschine für ein Schiff oder ein Flugzeug eingesetzt werden. Der Ausfall der Antriebsmaschine kann mindestens dazu führen, dass das Schiff oder Flugzeug manövrierunfähig festsitzt und eine Rettung der Insassen mit fremder Hilfe erforderlich ist. Bei bestimmten Umgebungsbedingungen, etwa starkem Seegang oder Sturm, kann das Schiff oder Flugzeug auch zwingend auf eine funktionierende Antriebsmaschine angewiesen sein, um nicht in unmittelbare Gefahr zu geraten. Beispielsweise können derartige Umgebungsbedingungen den Anlass für den Ausfall eines Injektors geben, woraufhin sich durch die eingeschränkte Verfügbarkeit der Antriebsmaschine die Situation weiter verschlimmert. Gemäß der Erfindung steht gerade in diesen Situationen noch die volle Leistung zur Verfügung, also genau dann, wenn diese am nötigsten gebraucht wird.
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Das Einspritzsystem gemäß der Erfindung lässt sich an einer bestehenden Brennkraftmaschine nachrüsten. Beispielsweise kann ein herkömmlicher Zylinderkopf, der nur einen Schacht für einen Injektor aufweist oder aber zwei Schächte für nicht überlappend emittierende Injektoren aufweist, durch einen neuen Zylinderkopf mit zwei überlappend emittierenden Injektoren ersetzt werden. Es sind dann nur noch ggfs. die Injektoren anzupassen einschließlich elektrischer Schnittstellen und Softwareschnittstellen zum Steuergerät. Am Rest der Brennkraftmaschine, also beispielsweise am Zylinder oder Kolben, müssen nicht zwingend Änderungen vorgenommen werden. Somit ist das Einspritzsystem eine in sich geschlossene Einheit, die auch am Nachrüstmarkt für bestehende Brennkraftmaschinen verkaufbar ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind beide Injektoren gegenüber der Achse des Zylinders um betragsmäßig gleiche Winkel verkippt und um gleiche Beträge lateral versetzt. Die beiden Injektoren können dann beispielsweise einen einzelnen, auf der Achse des Zylinders montierten Injektor ersetzen.
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Beispielsweise kann ein bestehender Injektor, der auf der Achse des Zylinders angeordnet ist, mit einem entsprechend angepassten Zylinderkopf durch zwei Injektoren ersetzt werden, wobei die Austrittsdüsen der beiden Injektoren jeweils dahingehend modifiziert sind, dass der aus ihnen austretende Kraftstoff sich jeweils in ähnlicher Weise im Brennraum verteilt wie der zuvor aus dem einzelnen Injektor auf der Achse des Zylinders austretende Kraftstoff. Beispielsweise können die Austrittsdüsen dahingehend modifiziert werden, dass der aus ihnen austretende Kraftstoff im Wesentlichen an den gleichen Stellen auf die Innenwand des Brennraums des Zylinders trifft wie der zuvor aus dem einzelnen Injektor austretende Kraftstoff.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Austrittsdüsen der beiden Injektoren so aufeinander abgestimmt, dass der aus ihnen austretende Kraftstoff im Wesentlichen an den gleichen Stellen auf die Innenwand des Brennraums des Zylinders trifft. Auf diese Weise macht es für die Verbrennung im Brennraum am wenigsten Unterschied, welcher von beiden Injektoren im Einzelfall aktiv ist, so dass die Injektoren sich besonders gut gegenseitig ersetzen können.
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Weiterhin sind vorteilhaft beide Injektoren so ausgebildet, dass der aus ihnen austretende Kraftstoff jeweils in einem zur Achse des Zylinders rotationssymmetrischen Muster auf die Innenwand des Brennraums des Zylinders trifft. Auf diese Weise ist insbesondere in einem rotationssymmetrisch aufgebauten Brennraum eine optimale Durchmischung des Kraftstoffs mit Verbrennungsluft gewährleistet.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder, wobei dieser Zylinder einen Brennraum aufweist. Die Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass ein Einspritzsystem gemäß der Erfindung vorgesehen ist.
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Beispielsweise kann der Brennraum eine Omega-Brennraummulde haben, wie sie im Automotive-Bereich für die Verbrennung von Dieselkraftstoff zur Einstellung eines optimalen Verbrauchs bei maximal möglicher Leistung eingesetzt wird.
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Für jede Düsenkonfiguration lässt sich durch Strömungssimulation ermitteln, in welchen Winkelbereich der Kraftstoff im Betrieb austritt und wo er auf die Innenwand des Brennraums trifft. Daher ist umgekehrt durch derartige Simulationen auch ermittelbar, auf welche Weise die Austrittsdüsen anzupassen sind, um den Kraftstoff an vorgegebenen Stellen auf die Innenwand des Brennraums auftreffen zu lassen. Wo der Kraftstoff genau auf die Innenwand auftreffen sollte, ist anwendungsspezifisch und hängt beispielsweise davon ab, wie ein Einzelinjektor, den es durch zwei Injektoren zu ersetzen gilt, den Kraftstoff im Brennraum verteilt hat.
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Vorteilhaft werden die Injektoren aus einem Hochdruckreservoir, in dem ein maximaler Druck von mindestens 1500 bar und bevorzugt bis zu 2500 bar einstellbar ist, mit Kraftstoff gespeist. In Einspritzsystemen mit solch hohen Drücken werden die Injektoren besonders stark beansprucht, so dass die Wahrscheinlichkeit erhöht ist, dass ein einzelner Injektor ausfällt.
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Die Brennkraftmaschine kann beispielsweise als V-Motor, als flacher V-Motor mit einem Bankwinkel zwischen 90° und 180°, als Boxer-Motor, als Gegenkolbenmotor oder als Reihenmotor ausgebildet sein.
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Nach dem zuvor Gesagten unterscheidet sich das Einspritzsystem gemäß der Erfindung nicht nur durch geometrisch-gegenständliche Merkmale vom bisherigen Stand der Technik, sondern auch durch die Betriebsweise. Der bisherige Stand der Technik lehrte, bei kleiner Last einzelne Injektoren im Wechsel anzusteuern und bei höherer Last alle vorhandenen Injektoren gleichzeitig anzusteuern. Gemäß der Erfindung spritzt nun in allen Lastbereichen der Brennkraftmaschine zu jedem Zeitpunkt nur ein Injektor Kraftstoff in den Brennraum des Zylinders ein.
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Durch die dann nötige Dimensionierung der Injektoren dahingehend, dass jeder Injektor jeweils den Kraftstoffbedarf des Zylinders auch bei Volllast decken kann, wird das Opfer gebracht, dass insgesamt der Aufwand für die Injektoren verdoppelt wird. Dem stehen jedoch verschiedene Vorteile gegenüber.
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Zum einen ist bei Ausfall eines einzelnen Injektors volle Redundanz gegeben, d.h., die Brennkraftmaschine kann mit unverminderter Leistung weiter betrieben werden.
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Zum anderen hat sich überraschenderweise gezeigt, dass sich gerade bei höherer Last die Lebensdauer der Injektoren deutlich steigern lässt, wenn sie nicht ununterbrochen in Betrieb sind, sondern immer abwechselnd. Dies gilt insbesondere beim Betrieb der Verbrennungsmaschine mit minderschmierendem Kraftstoff, der sich beispielsweise bei Reisen eines Schiffes oder Flugzeugs in bestimmte kraftstoffkritische Länder nicht vermeiden lässt. Minderschmierender Kraftstoff erhöht die Reibung im Injektor, was den Injektor aufheizt und wiederum die Reibung erhöht. Es wird also ein selbstverstärkender Effekt ausgelöst zum Nachteil der Dauerhaltbarkeit des Injektors. Daher wirkt die Lebensdauer der Injektoren überproportional gesteigert, wenn sie beispielsweise nur jeden zweiten Arbeitszyklus arbeiten müssen und sich in den anderen Arbeitszyklen abkühlen können. Kraftstoff kann beispielsweise durch eine von der Norm abweichende Viskosität oder durch Verschmutzungen minderschmierend werden.
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Diese Steigerung der Lebensdauer wirkt synergistisch zusammen mit weiteren Maßnahmen zur Steigerung der Robustheit gegen Schlechtkraftstoffe, wie sie in sogenannten Robustheitspaketen spezifiziert sind. Diese Robustheitspakete umfassen beispielsweise C2-Beschichtungen oder auch besonders stabile Einzelteilauslegungen innerhalb des Injektors. Wenn die durch ein Robustheitspaket eingebrachten Reserven durch Betrieb der Brennkraftmaschine mit besonders schlechtem Kraftstoff aufgebraucht sind, stellt der abwechselnde Betrieb gemäß der Erfindung große weitere Reserven bereit.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden beide Injektoren auf korrekte Funktion überwacht, und ein defekter Injektor wird deaktiviert. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass beispielsweise eine Dauereinspritzung durch einen der beiden Injektoren zur Unzeit zu einer Zündung führt, was beispielsweise die Brennraummulde oder den Kolben und letztendlich die Brennkraftmaschine als Ganzes schädigen kann. An Stelle des defekten Injektors wird dann in jedem Arbeitszyklus der noch intakte Injektor angesteuert. Da die Brennkraftmaschine ansonsten normal weiterarbeitet, muss kein Notfahrprogramm gestartet werden. Der defekte Injektor wird vorteilhaft dem Betreiber der Brennkraftmaschine angezeigt, so dass der Betreiber dazu veranlasst werden kann, den defekten Injektor vor erneuter Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine zu ersetzen.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 Brennkraftmaschine 2 mit einem einzelnen Zylinder 21 und einem Einspritzsystem 1 gemäß der Erfindung;
- 2 Skizze einer Anordnung aus vier Zylindern 21a-21d mit einem Einspritzsystem 1 gemäß der Erfindung;
- 3 Skizze eines Gegenkolbenmotors mit einem Einspritzsystem 1 gemäß der Erfindung.
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Die in 1 beispielhaft in Schnittzeichnung dargestellte Brennkraftmaschine 2 umfasst einen einzelnen Zylinder 21 sowie einen Kolben 27, der in dem Zylinder 21 geführt ist. Der Kolben 27 treibt über eine Kolbenstange 41 und eine daran angelenkte Pleuelstange 42 eine in 1 nicht eingezeichnete Kurbelwelle an. Der Kolben 27 weist eine Omega-Brennraummulde 22b auf.
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Zwischen dem Kolben 27 und dem Zylinderkopf 15 befindet sich der Brennraum 22 des Zylinders 21. Durch zwei Injektoren 12a und 12b mit Austrittsdüsen 13a und 13b wird Kraftstoff 3 in den Brennraum 22 des Zylinders 21 eingespritzt. Der erste Injektor 12a sprüht Kraftstoff 3 in das als Winkel angedeutete Raumgebiet 14a im Brennraum 22. Der zweite Injektor 12b sprüht Kraftstoff 3 in das ebenfalls als Winkel angedeutete Raumgebiet 14b im Brennraum 22. Der aus den Austrittsdüsen 13a, 13b beider Injektoren 12a, 12b austretende Kraftstoff 3 trifft an den gleichen Stellen 26a, 26b auf die Innenwand 22a des Brennraums 22. Die Injektoren 12a und 12b sind in Schächten 15a, 15b im Zylinderkopf 15 aufgenommen. Der Zylinderkopf 15 trägt zusätzlich das Einlassventil 23 und das Auslassventil 24 des Zylinders 21.
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Die gestrichelt eingezeichnete Verlängerung der Verbindungslinien von der Stelle 26a zur Austrittsdüse 13a des ersten Injektors 12a, bzw. von der Stelle 26b zur Austrittsdüse 13b des zweiten Injektors 12b, jeweils in Richtung auf die Achse 25 des Zylinders 21 hin verdeutlicht, was mit der in 1 gezeigten Anordnung der Injektoren 12a, 12b einschließlich der Sprührichtungen der jeweiligen Austrittsdüsen 13a, 13b beabsichtigt ist: Diese Anordnung ersetzt einen einzelnen Injektor 17, der auf der Achse 25 des Zylinders 21 angeordnet und dort gestrichelt angedeutet ist. Jeder der Injektoren 12a, 12b ist unabhängig vom anderen in der Lage, den Kraftstoff 3 in den gleichen Mengen zu den gleichen Stellen 26a, 26b an der Innenwand 22a des Brennraums 22 zu spritzen wie der einzelne Injektor 17. Indem die beiden Injektoren 12a, 12b also in aufeinander folgenden Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine 2 abwechselnd angesteuert werden, kann die Brennkraftmaschine 2 in gleicher Weise und mit gleicher Leistung betrieben werden wie wenn nur der einzelne Injektor 17 vorhanden wäre. Der redundante Betrieb beider Injektoren 12a und 12b ist nun zum einen ausfallsicher, da bei einem Defekt eines der Injektoren 12a, 12b der andere der Injektoren 12a, 12b den Betrieb alleine fortführen kann. Zum anderen kann sich jeder der Injektoren 12a, 12b nach einem Arbeitszyklus, in dem er angesteuert worden ist, im darauffolgenden Arbeitszyklus abkühlen. Insbesondere beim Betrieb mit minderschmierendem Kraftstoff 3 wird dadurch die Lebensdauer der Injektoren 12a, 12b so weit gesteigert, dass sich die Mehrkosten für den zweiten Injektor 12b zumindest teilweise amortisieren.
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Während gemäß Stand der Technik mehrere Injektoren meistens gleichzeitig und nur bei geringer Last abwechselnd betrieben werden, ist gemäß der Erfindung der abwechselnde Betrieb beider Injektoren 12a, 12b die bevorzugte Betriebsart für alle Lastbereiche. Da sich die Raumgebiete 14a, 14b, in die die Injektoren 12a, 12b jeweils Kraftstoff 3 emittieren, überlappen, würden sich bei gleichzeitigem Betrieb die beiden emittierten Kraftstoffschirme gegenseitig beeinflussen. In der Folge wäre möglicherweise nicht mehr gewährleistet, dass der aus beiden Injektoren 12a, 12b emittierte Kraftstoff in gleicher Menge zu den Stellen 26a, 26b an der Innenwand 22a des Brennraums 22 gelangt wie beim Betrieb eines einzelnen Injektors 17 auf der Achse 25 des Zylinders 22.
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Beide Injektoren 12a, 12b werden aus einem gemeinsamen Hochdruckreservoir 16 mit Kraftstoff 3 versorgt. Gegenüber der Achse 25 des Zylinders 21 sind sie jeweils um den gleichen Betrag d lateral versetzt und um den gleichen Winkel φ verkippt.
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Der Zylinderkopf 15 mit dem Einlassventil 23 und dem Auslassventil 24, die Injektoren 12a und 12b und das Hochdruckreservoir 16 bilden gemeinsam das Einspritzsystem 1 für die Brennkraftmaschine 2.
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2 zeigt eine beispielhaft eine Anordnung aus vier Zylindern 21a-21d, die das Kernstück einer als halber V-Motor, halber Boxer-Motor oder halber Reihenmotor als Brennkraftmaschine 2 bilden kann. Dem ersten Zylinder 21a sind die beiden Injektoren 12a und 12b, dem zweiten Zylinder 21b die beiden Injektoren 12c und 12d, dem dritten Zylinder 21c die beiden Injektoren 12e und 12f, und dem vierten Zylinder 21d sind die beiden Injektoren 12g und 12h zugeordnet. Weiterhin weisen die vier Zylinder 21a-21d korrespondierende Glühstifte 28a-28d auf, die über ein gemeinsames Glühzeitsteuergerät 29 angesteuert werden.
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Die Injektoren 12a-12h werden über ein gemeinsames Hochdruckreservoir (Rail) 16 mit Kraftstoff 3 versorgt und bilden gemeinsam mit diesem Hockdruckreservoir 16 das Einspritzsystem 1 für die Brennkraftmaschine 2.
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3 zeigt einen Gegenkolbenmotor als eine weitere Bauart einer Brennkraftmaschine 2, die von dem Einspritzsystem 1 gemäß der Erfindung profitieren kann. In dem beispielhaft einzigen Zylinder 21 sind zwei Kolben 27a und 27b geführt. Der Zylinder 21 sowie die Kolben 27a und 27b begrenzen den Brennraum 22 des Zylinders 21. Bei einer Zündung eines Kraftstoff-LuftGemisches im Brennraum 22 wird der erste Kolben 27a nach links bewegt und treibt über eine erste Pleuelstange 42a eine erste Kurbelwelle 43a an. Gleichzeitig wird der zweite Kolben 27b nach rechts bewegt und treibt über eine zweite Pleuelstange 42b eine zweite Kurbelwelle 43b an.
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Die Austrittsöffnungen 13a, 13b der beiden Injektoren 12a, 12b weisen direkt aufeinander zu. Bei gleichzeitiger Ansteuerung beider Injektoren 12a, 12b würden die jeweils emittierten Kraftstoffschirme direkt kollidieren, und die sich im Brennraum 22 einstellende Verteilung des Kraftstoffs 3 wäre schwer vorhersehbar. Bei abwechselndem Betrieb in Kombination mit einer solchen Dimensionierung beider Injektoren 12a, 12b, dass jeder Injektor 12a, 12b den Kraftstoffbedarf des Zylinders 21 decken kann, ist hingegen gewährleistet, dass der exakt vorausberechenbare, von jedem einzelnen Injektor 12a, 12b emittierte Kraftstoffschirm für die Verteilung des Kraftstoffs 3 im Brennraum 22 maßgeblich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8297257 B2 [0003]
- US 7168413 B2 [0003]
- JP 8312501 A [0003]
- WO 2007/066565 A1 [0003]
- JP 2010196606 A [0003]
- JP 06173821 A [0004]
- EP 1197650 A1 [0004]
