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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine direkteinspritzende Brennkraftmaschine, insbesondere eine Otto-Brennkraftmaschine, mit einem verbesserten Wasserei nspritzsystem.
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Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen kann. Neben Verbrauchsreduzierung von Brennkraftmaschinen ist ein Ziel bei der Entwicklung, möglichst wenig Schadstoffemissionen, insbesondere Stickoxide, zu erzeugen. Hierzu wurden verschiedenste direkt einspritzende Kraftstoffeinspritzventile entwickelt, welche den Kraftstoff möglichst so in den Brennraum einspritzen können, dass eine vollständige Verbrennung möglich ist. Um die bei der Verbrennung entstehenden Stickoxide zu minimieren, ist hierbei eine Temperaturabsenkung von Vorteil. Dies kann beispielsweise durch das Einbringen von Wasser in den Brennraum erfolgen. Hier ist beispielsweise aus der
DE 102016200238 A1 bekannt, Wasser mittels eines Steuerkolbens an einer Einspritzdüse eines Kraftstoffeinspritzventils einzuspritzen. Dies führt jedoch zu einem erheblichen baulichen Aufwand an der Brennkraftmaschine.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße direkt einspritzende Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Einspritzung von Wasser in den Brennraum gemeinsam mit der Einspritzung eines Kraftstoffs in den Brennraum erfolgt. Insbesondere müssen hierbei keine erheblichen funktionsändernden Konstruktionen des Kraftstoffinjektors vorgenommen werden. Der Kraftstoffinjektor spritzt gemeinsam mit dem Kraftstoff das zugeführte Wasser mit in den Brennraum ein. Hierbei umfasst die Brennkraftmaschine einen Zylinderkopf und der Kraftstoffinjektor einen Ventilkörper, an dessen Innenseite Kraftstoff zur Einspritzung geführt ist. Dabei ist der Kraftstoffinjektor in einer Injektoröffnung im Zylinderkopf angeordnet. Weiterhin ist eine Wasserversorgungsvorrichtung mit einer Wasserzuleitung vorgesehen, wobei die Wasserzuleitung durch den Zylinderkopf zur Injektoröffnung im Zylinderkopf führt. Somit wird das einzuspritzende Wasser durch den Zylinderkopf geführt und zum Kraftstoffinjektor zugeführt. Hierbei weist der Ventilkörper des Kraftstoffinjektors eine Durchgangsöffnung auf, welche eine Außenwand des Ventilkörpers mit einer Innenwand des Ventilkörpers verbindet. Die Durchgangsöffnung ist mit der Wasserleitung der Wasserversorgungsvorrichtung in Fluidverbindung. Somit wird über die Durchgangsöffnung das Wasser in das Innere des Kraftstoffinjektors zugeführt und dann gemeinsam mit dem Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt. Somit kann eine Wasserversorgungsvorrichtung ohne eigenen Wasserinjektor bereitgestellt werden, wodurch sich die Bereitstellungskosten für eine derartige Brennkraftmaschine mit Wassereinspritzung signifikant reduzieren. Erfindungsgemäß kann ein sehr robustes und langlebiges Wasserzufuhrsystem realisiert werden, welches insbesondere auch kostengünstig in bestehende Brennkraftmaschinen integriert werden kann. Auch können bestehende Kraftstoffinjektoren verwendet werden, da bei den Kraftstoffinjektoren lediglich die Durchgangsöffnung zum Zuführen des Wassers in das Innere des Kraftstoffinjektors vorgesehen werden muss, z.B. in Form einer einfachen Bohrung.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Besonders bevorzugt ist die Durchgangsöffnung nahe einem Dichtsitz eines Schließelements des Kraftstoffinjektors angeordnet. Hierdurch wird das Kraftstoff-Wasser-Gemisch erst kurz vor dem Dichtsitz gebildet und dann unmittelbar in den Brennraum eingespritzt. Hierdurch ist ein Bereich, in welchem ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch im Kraftstoffinjektor vorhanden ist, möglichst klein. Es ist selbstverständlich, dass unter dem Begriff „nahe dem Dichtsitz“ ein Abstand der Durchgangsöffnung derart verstanden wird, dass, abhängig von konstruktiven Einschränkungen, die Durchgangsöffnung so nahe wie möglich an den Dichtsitz gelegt wird. Besonders bevorzugt ist die Durchgangsöffnung am Ventilkörper dabei unmittelbar benachbart zu einer Position eines Dichtrings, insbesondere eines Teflonrings, angeordnet, mit welchem der Kraftstoffinjektor gegenüber der Injektoröffnung im Zylinderkopf abgedichtet wird.
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Weiter bevorzugt umfasst die Brennkraftmaschine ferner eine erste Ringnut, welche an einer Innenwand der Injektoröffnung angeordnet ist, wobei die Wasserzuleitung an der ersten Ringnut mündet. Dadurch wird erreicht, dass das über die Wasserzuleitung zugeführte Wasser entlang der ersten Ringnut am Außenumfang des Kraftstoffinjektors geführt wird und so eine Verteilung beispielsweise zu einer zweiten oder weiteren Durchgangsöffnungen im Ventilkörper, welcher die Außenwand mit der Innenwand des Ventilkörpers verbindet, geführt werden kann. Dadurch wird es möglich, dass das Wasser über mehrere Durchgangsöffnungen in das Innere des Ventilkörpers geführt werden kann. Auch wird dadurch ein gewisser Speicherraum für das Wasser außerhalb des Kraftstoffinjektors geschaffen, welcher direkt am Kraftstoffinjektor liegt. Die Ringnut ist vorzugsweise vollständig umlaufend ausgebildet. Weiter bevorzugt liegt die Ringnut in einer Ebene, senkrecht zu einer Axialrichtung des Kraftstoffinjektors.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist eine zweite Ringnut vorgesehen, welche an der Innenwand des Ventilkörpers angeordnet ist, wobei die Durchgangsöffnung im Ventilkörper an der zweiten Ringnut mündet. Die zweite Ringnut dient zur Verteilung des über die Durchgangsöffnung in das Innere des Kraftstoffinjektors zugeführten Wassers innerhalb des Ventilkörpers. Dadurch kann eine verbesserte Vermischung von Kraftstoff und Wasser im Inneren des Ventilkörpers erreicht werden. Insbesondere wird dadurch vermieden, dass hohe Wasserkonzentrationen im Kraftstoff-Wasser-Gemisch vorhanden sind, welche beispielsweise die Entflammbarkeit des eingespritzten Kraftstoff-Wasser-Gemisches beeinträchtigen könnten.
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Um besonders kostengünstig bereitstellbar zu sein, umfasst die Wasserzuleitung im Zylinderkopf bevorzugt eine erste Bohrung und eine zweite Bohrung im Zylinderkopf. Die beiden Bohrungen schneiden sich, wobei die zweite Bohrung zur Injektoröffnung im Zylinderkopf führt und die erste Bohrung die zweite Bohrung mit einem Anschluss für die Wasserleitung an der Außenseite des Zylinderkopfs verbindet. Die beiden Bohrungen sind vorzugsweise lineare Bohrungen. Weiter bevorzugt schneiden sich die beiden Bohrungen in einem Winkel von 90°. Hierdurch kann die Wasserzuleitung im Zylinderkopf besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden. Hierbei sei angemerkt, dass insbesondere die zweite Bohrung mit einem Verschlusselement wie z.B. einer Kugel oder dgl. verschlossen werden kann, um die Dichtheit der Wasserzuleitung im Zylinderkopf zu garantieren.
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Vorzugsweise umfasst die Brennkraftmaschine ein erstes und ein zweites Dichtelement, welche zwischen der Injektoröffnung im Zylinderkopf und dem Kraftstoffinjektor angeordnet sind und dort abdichten. Hierbei mündet die Wasserzuleitung in einem Bereich zwischen der ersten und zweiten Dichtung. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Wasser unkontrolliert an der Außenseite des Kraftstoffinjektors in Richtung zum Brennraum gelangen kann. Vorzugsweise ist die erste Dichtung ein Teflonring, welcher zwischen dem Kraftstoffinjektor und dem Zylinderkopf abdichtet und die zweite Dichtung ist weiter entfernt vom Brennraum angeordnet und ist bevorzugt ein Elastomerring. Vorzugsweise kann noch eine dritte Dichtung, ebenfalls in Form eines Elastomerrings, benachbart zur ersten Dichtung vorgesehen sein, um eine vollständig sichere Abdichtung zwischen Kraftstoffinjektor und Zylinderkopf zu erreichen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die direkt einspritzende Brennkraftmaschine mehrere Kraftstoffinjektoren und mehrere einzelne Wasserzuleitungen im Zylinderkopf, wobei zu jedem Kraftstoffinjektor jeweils eine Wasserzuleitung führt. Ferner ist im Zylinderkopf bevorzugt eine Verbindungsleitung angeordnet, welche die einzelnen Wasserzuleitungen miteinander verbindet. Hierdurch wird die Anzahl von Bohrungen im Zylinderkopf reduziert und ein kostengünstigerer und einfacherer Aufbau der Wasserversorgungsvorrichtung erreicht.
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Besonders bevorzugt ist zwischen dem Schließelement, insbesondere einer Ventilnadel, und der Durchgangsöffnung im Ventilkörper eine Düse ausgebildet. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs im Kraftstoffinjektor im Bereich der Durchgangsöffnung, über welche das Wasser zugeführt wird, erhöht, so dass der schneller strömende Kraftstoff hier Wasser aus der Durchgangsöffnung mitreißt und eine sehr gute Vermischung zwischen Kraftstoff und Wasser erreicht wird.
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Besonders bevorzugt wird die Düse mittels eines Verdickungsbereichs bereitgestellt, welcher am Schließelement angeordnet ist. Der Verdickungsbereich kann beispielsweise bevorzugt ein an das Schließelement, insbesondere die Ventilnadel, angeschweißter Ring sein. Der Ring ist vorzugsweise strömungsgünstig und kantenfrei ausgebildet.
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Weiter bevorzugt weisen der Kraftstoff und das Wasser den gleichen Druck auf oder ungefähr, insbesondere ± 10%, den gleichen Druck auf.
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Weiter bevorzugt ist der Kraftstoffinjektor vorzugsweise ein nach außen öffnender Injektor. Alternativ ist der Kraftstoffinjektor ein nach innen öffnender Injektor. Weiter bevorzugt ist die Brennkraftmaschine eine Otto-Brennkraftmaschine.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Detail-Schnittansicht des Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine von 1,
- 3 eine vergrößerte Teil-Darstellung des Kraftstoffinjektors von 2,
- 4 eine schematische Darstellung einer direkt einspritzenden Brennkraftmaschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Schnittansicht eines Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine von 4,
- 6 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Kraftstoffinjektors einer Brennkraftmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Brennkraftmaschine 1 vier Zylinder mit vier Brennräumen 2 und vier Kraftstoffinjektoren 4. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, sind die Kraftstoffinjektoren derart angeordnet, dass Kraftstoff direkt in den Brennraum 2 eingespritzt wird.
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Die Kraftstoffinjektoren 4 sind in einem Zylinderkopf 3 angeordnet.
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Die Brennkraftmaschine 1 umfasst ferner eine Wasserversorgungsvorrichtung 5, welche einen Wassertank 50, eine Wasserzuleitung 51 und eine Wasserpumpe 52 umfasst. Wie aus 1 ersichtlich ist, führt die Wasserzuleitung 51 vom Wassertank 50 über die Wasserpumpe 52 in den Zylinderkopf 3. Hierbei verzweigt sich die Wasserzuleitung 53 derart, dass jedem Kraftstoffinjektor 4 eine Abzweigungsleitung 56 zugeordnet ist. Somit zweigen von der Wasserzuleitung 51 insgesamt vier Abzweigungsleitungen 56 ab (vgl. 1).
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Die Abzweigungsleitungen 56 sind im Detail aus 2 ersichtlich. Wie in 2 gezeigt, umfasst jede Abzweigungsleitung 56 eine erste Bohrung 54 und eine zweite Bohrung 55. Die beiden Bohrungen weisen unterschiedliche Durchmesser auf und schneiden sich. Hierbei schneiden sich die beiden Bohrungen 54, 55 in einem Winkel von 90°. Die erste Bohrung 54 und die zweite Bohrung 55 sind vollständig im Zylinderkopf 3 angeordnet. Die zweite Bohrung 55 ist mittels einer Kugel 57 verschlossen.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Brennkraftmaschine 1 ferner noch einen Kraftstofftank 13, eine Kraftstoffniederdruckpumpe 14, eine Kraftstoffhochdruckpumpe 15 und eine Kraftstoffleitung 16. Die Kraftstoffleitung 16 verbindet den Kraftstofftank 13 mit einem Rail 17. Das Rail 17 ist über Railtassen 18 mit jeweils einem Kraftstoffinjektor 4 verbunden.
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Wie weiter aus 2 ersichtlich ist, ist in der Wasserzuleitung 51 in Durchströmungsrichtung nach der Wasserpumpe 52 ein Rückschlagventil 58 angeordnet. Das Rückschlagventil 58 ist somit zwischen der ersten Bohrung 54 und der Wasserpumpe 52 angeordnet.
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Wie im Detail aus 3 ersichtlich ist, mündet die zweite Bohrung 55 der Wasserzuleitung an einer Mündung 53 an einer ersten Ringnut 11. Die erste Ringnut 11 ist in einer Injektoröffnung 30 ausgebildet, in welcher der Kraftstoffinjektor 4 angeordnet ist.
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, sind in einem Ventilkörper 6 des Kraftstoffinjektors 4 mehrere Durchgangsöffnungen 7 vorgesehen. Die Durchgangsöffnungen 7 sind an einer Position im Ventilkörper 6 in Axialrichtung X-X des Kraftstoffinjektors angeordnet, an welcher sie in direkter Fluidverbindung mit der ersten Ringnut 11 stehen. Die Durchgangsöffnungen 7 verbinden dabei eine Außenwand 60 des Ventilkörpers mit einer Innenwand 61 des Ventilkörpers.
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Der Kraftstoffinjektor 4 ist ein nach außen öffnender Injektor, wobei ein Schließelement 9 beim Öffnungsvorgang in Richtung zum Brennraum 2 bewegt wird.
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Im Inneren des Ventilkörpers 6 ist das Schließelement 9 in Form einer Ventilnadel angeordnet. Die Ventilnadel dichtet an einem Dichtsitz 8 ab, wie in 3 gezeigt, welche den geschlossenen Zustand des Kraftstoffinjektors zeigt. Der Dichtsitz 8 ist in diesem Ausführungsbeispiel direkt am Ventilkörper 6 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, dass der Ventilsitz an einem separaten Bauteil vorgesehen ist.
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, ist zwischen dem Zylinderkopf 3 und dem Kraftstoffinjektor 4 ein erstes Dichtelement 21 in Form eines Teflonrings und ein zweites Dichtelement 22 in Form eines Elastomerrings vorgesehen. Hierbei ist die Mündung 53 der Wasserzuleitung 51 in einem Bereich in Axialrichtung X-X zwischen dem ersten und zweiten Dichtelement 21, 22 angeordnet. Hierdurch wird sichergestellt, dass das zugeführte Wasser nicht in den Spalt zwischen dem Kraftstoffinjektor 4 und dem Zylinderkopf 3 gelangen kann. Es sei angemerkt, dass zusätzlich noch ein weiteres Elastomerdichtelement unmittelbar benachbart zum ersten Dichtelement 21 vorgesehen sein kann, um das Wasser sicher abzudichten.
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Somit wird Wasser über die Wasserzuleitung 51 und die erste Bohrung 54 und die zweite Bohrung 55 zur ersten Ringnut 11 zugeführt. Die erste Ringnut 11 ist vollständig umlaufend vorgesehen, so dass das Wasser entlang des äußeren Umfangs des Ventilkörpers 6 des Kraftstoffinjektors geführt werden kann.
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Dadurch können alle Durchgangsöffnungen 7 im Ventilkörper 6 sicher mit Wasser versorgt werden. Das über die erste Ringnut 11 verteilte Wasser strömt dann durch die Durchgangsöffnungen 7 in das Innere des Kraftstoffinjektors 4. Hierbei ist an der Mündung der Durchgangsöffnungen 7 die zweite vollständig umlaufende Ringnut 12 ausgebildet. In der zweiten Ringnut 12 kommt somit das Wasser mit dem im Inneren des Kraftstoffinjektors befindlichen Kraftstoff in Kontakt.
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Da, wie in 3 gezeigt, die zweite Ringnut 12 einen sich in Richtung zum Dichtsitz verjüngenden Bereich 12a aufweist, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit beim Öffnen des Kraftstoffinjektors in Richtung zum Dichtsitz, so dass eine sehr gute Vermischung zwischen dem Wasser und dem Kraftstoff erfolgt. Die Zuführung des Kraftstoffs ist in 3 durch die Pfeile 40 angedeutet.
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Somit kann beim Einspritzvorgang ein Kraftstoff-Wasser-Gemisch in den Brennraum 2 eingespritzt werden.
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Hierbei kann bei der direkt einspritzenden Brennkraftmaschine auf separate Wasserinjektoren verzichtet werden. Zur Einspritzung des Wassers werden die sowieso bereits vorhandenen Kraftstoffinjektoren 4 mit verwendet, welche das Kraftstoff-Wasser-Gemisch einspritzen. Hierbei erfolgt der Mischvorgang zwischen Wasser und Kraftstoff möglichst nah am Dichtsitz 8 des Schließelements 9 am Kraftstoffinjektor 4, um sicherzustellen, dass im gesamten Kraftstoffzufuhrbereich nur ein minimaler Teil mit einem Kraftstoff-Wasser-Gemisch in Kontakt kommt. Hierdurch können insbesondere Korrosionsprobleme reduziert werden. Insbesondere ist der Ventilkörper 6 hier aus einem korrosionsfesten Material hergestellt.
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Ein weiterer Vorteil der Wasserzufuhrvorrichtung liegt darin, dass die Wasserzuleitung 51 teilweise im Zylinderkopf 3 ausgebildet ist. Hierbei kann die Wasserzuleitung im Zylinderkopf 3 durch zwei Bohrungen, nämlich die erste Bohrung 54 und die zweite Bohrung 55 bereitgestellt werden.
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4 und 5 zeigen eine Brennkraftmaschine 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel im Zylinderkopf 3 eine Verbindungsleitung 59 angeordnet ist. Die Verbindungsleitung 59 ist Teil der Wasserzuleitung 51. Wie in 4 und 5 dargestellt, gehen von der Verbindungsleitung 59 jeweils Abzweigungsleitungen 56 zu den Kraftstoffinjektoren 4. Hierbei ist, wie in 5 im Detail dargestellt, ein Rückschlagventil 58 in der ersten Bohrung 54 angeordnet. Ferner ist die erste Bohrung 54 ebenfalls mit einem Verschlusselement 57, insbesondere einer Kugel, verschlossen. Durch diese Ausgestaltung muss zwar im Zylinderkopf 3 eine zusätzliche Verbindungsleitung 59 vorgesehen werden, allerdings reduziert sich hierdurch der Leitungsaufwand für die Zuführung des Wassers zu den ersten und zweiten Bohrungen 54, 55, da am Zylinderkopf 3 nur noch ein einziger Wasseranschluss für die Verbindungsleitung 59 vorgesehen werden muss. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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6 zeigt im Detail einen Kraftstoffinjektor 4 mit einer Wasserversorgungsvorrichtung einer Brennkraftmaschine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied dazu am Schließelement 9 zusätzlich ein Ring 40 angeordnet ist. Der Ring 40 ist mittels einer Schweißverbindung 42 an die Ventilnadel angeschweißt. Hierdurch ergibt sich eine gezielte Verengung in Form einer Venturidüse 41 am Bereich zwischen dem Ring 40 und der zweiten Ringnut 12, in welche die Durchgangsöffnungen 7 münden. Hierdurch wird gezielt beim Öffnen des Kraftstoffinjektors eine Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der zweiten Ringnut 12 erhöht, so dass der zwischen dem Ring 40 und der Innenwand 61 des Ventilkörpers 6 strömende Kraftstoff Wasser aus der zweiten Ringnut 12 und den Durchgangsöffnungen 7 mitreißt. Ein weiterer Unterschied zu den beiden vorhergehenden Ausführungsbeispielen liegt darin, dass das dritte Ausführungsbeispiel ein nach innen öffnender Kraftstoffinjektor ist, bei welchem das Schließelement 9 nicht nach außen in Richtung zum Brennraum 2 geöffnet wird, sondern nach Innen in Richtung des Innenbereichs des Kraftstoffinjektors.
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Durch das Vorsehen der Venturidüse 41 kann die zweite Ringnut 12 als einfacher Einstich ohne sich verjüngenden Bereich hergestellt werden, so dass die Herstellung der zweiten Ringnut 12 sehr einfach ist. Der Ring 40 weist eine strömungsgünstige Form ohne Kanten auf, wie in 6 dargestellt. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016200238 A1 [0002]
