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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Injektor zum Einspritzen eines Fluids, insbesondere von Kraftstoff, mit einer verbesserten Spraygeometrie und einer reduzierten Eindringtiefe. Ferner betrifft die Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem derartigen Injektor.
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Injektoren zum Einspritzen von Fluid sind beispielsweise als Kraftstoffinjektoren aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In jüngster Zeit gibt es bei Brennkraftmaschinen die Tendenz, einen Einspritzdruck des einzuspritzenden Kraftstoffs zu erhöhen. Untersuchungen haben gezeigt, dass dies insbesondere auch zu einem Einspritzstrahl führen kann, welcher tiefer in einen Brennraum der Brennkraftmaschine eindringt. Hierdurch kann eine Benetzung von Wandbereichen eines Zylinders oder eines Kolbens der Brennkraftmaschine auftreten. Dies kann jedoch zu verschlechterten Abgasemissionen der Brennkraftmaschine führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Injektor zum Einspritzen eines Fluids mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auch bei höheren Fluiddrücken, insbesondere größer als 20 MPa, z.B. eine Benetzung von Wandbereichen eines Zylinders und/oder eines Kolbens einer Brennkraftmaschine vermieden werden kann. Ferner ist es möglich, dass eine vereinfachte und verbesserte Auslegung von Spritzlöchern entsprechend den jeweiligen Kundenwünschen von Brennkraftmaschinen-Herstellern realisiert werden kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Injektor eine Spritzlochanordnung mit einem ersten und zweiten Spritzloch aufweist, durch welche das Fluid ausspritzbar ist. Dabei sind das erste und zweite Spritzloch derart angeordnet, dass sich das erste und zweite Spritzloch schneiden. Hierdurch ergibt sich eine Kollision des Fluids, welches durch das erste und zweite Spritzloch aus dem Innenbereich des Injektors ausgespritzt werden soll, noch im Bereich einer Wandung des Injektors. Die ersten und zweiten Spritzlöcher können hierbei in einem Wandbereich des Injektors oder einer Spritzlochscheibe oder dgl. vorgesehen sein. Durch diese Kollision der Fluide aus dem ersten und zweiten Spritzloch ergibt sich eine reduzierte Eindringtiefe des Fluids in den Einspritzraum, in welchen das Fluid eingespritzt wird. Somit wird erfindungsgemäß noch im Injektor gezielt eine Kollision der Fluide erzeugt, wodurch sich beim Austritt des Fluids aus dem Injektor eine verstärkte Turbulenz des Fluids ergibt, wodurch eine Eindringtiefe in den Einspritzraum reduziert wird. Weiterhin kann auch eine verbesserte Atomisierung des austretenden Fluids erreicht werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise sind das erste und zweite Spritzloch geometrisch gleich ausgebildet. D.h., die Spritzlöcher weisen eine gleiche Geometrie und gleiche Abmessungen auf. Dadurch wird eine Kollision von zwei gleichartigen Fluidstrahlen erzeugt.
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Besonders bevorzugt sind das erste und zweite Spritzloch jeweils zylindrisch ausgebildet. Hierbei weisen das erste und zweite Spritzloch vorzugsweise den gleichen Durchmesser auf. Alternativ sind das erste und zweite Spritzloch sich erweiternd, insbesondere sich in Durchströmungsrichtung durch die Spritzlöcher erweiternd, ausgebildet. Weiter bevorzugt sind die ersten und zweiten Spritzlöcher mit gleichem Eintrittsquerschnitt und/oder mit gleichem Austrittsquerschnitt ausgebildet.
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Eine besonders starke Kollision zwischen den Fluidstrahlen der ersten und zweiten Spritzlöcher kann erreicht werden, wenn sich eine erste Mittellinie des ersten Spritzlochs und eine zweite Mittellinie des zweiten Spritzlochs vorzugsweise schneiden.
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Besonders bevorzugt weisen das erste und zweite Spritzloch auch eine gleiche Länge in Durchströmungsrichtung auf.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Spritzlochanordnung ferner eine Vorstufe mit einem Boden auf, wobei das erste und zweite Spritzloch in den Boden der Vorstufe münden. Somit weisen das erste und zweite Spritzloch eine gemeinsame Vorstufe auf, aus welcher dann das Fluid in den nachfolgenden Einspritzraum austritt. Hierbei liegen die Austrittsquerschnitte des ersten und zweiten Spritzlochs am Boden der Vorstufe, wobei sich vorzugsweise die Austrittsquerschnitte zumindest teilweise überdecken. Vorzugsweise überdecken sich die Austrittsquerschnitte dabei in einem Bereich von ≥ 50% der einzelnen Austrittsquerschnitte. Besonders bevorzugt überdecken sich die Austrittsquerschnitte des ersten und zweiten Spritzlochs vollständig.
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Die Vorstufe der Spritzlochanordnung ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Alternativ ist die Vorstufe sich erweiternd ausgebildet, insbesondere als sich in Durchströmungsrichtung erweiternd, ausgebildet. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Austrittsquerschnitt der Vorstufe, der zum Einspritzraum gerichtet ist, in einem Bereich von 100% bis 150%, insbesondere 100% bis 120%, der Summe der Eintrittsquerschnitte des ersten und zweiten Spritzlochs. Besonders bevorzugt ist hierbei der Austrittsquerschnitt der Vorstufe gleich der Summe der Eintrittsquerschnitte der Spritzlöcher. Bei gleichem Querschnitt des Eintritts und des Austritts der Spritzlochanordnung kann hierbei eine besonders gute Auslegung der Spritzlochanordnung hinsichtlich der Eindringtiefe und Zerstäubung erreicht werden.
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Vorzugsweise ist der Boden der Vorstufe in Durchströmungsrichtung in einem Bereich von 25% bis 60%, insbesondere 40% bis 60%, einer Dicke eines Wandbereichs des Injektors angeordnet. Besonders bevorzugt liegt der Boden der Vorstufe dabei ungefähr in der Mitte des Wandbereichs, in welchem die Spritzlochanordnung vorgesehen ist.
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Eine besonders gute geometrische Ausgestaltung der Spritzlochanordnung wird ermöglicht, wenn sich die Mittellinien des ersten und zweiten Spritzlochs genau im Boden der Vorstufe schneiden. Alternativ können die Spritzlöcher der Spritzlochanordnung jedoch auch derart vorgesehen werden, dass diese in die Vorstufe münden, ohne dass sich die Mittellinien der Spritzlöcher schneiden.
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Besonders bevorzugt ist zwischen dem ersten Spritzloch und dem zweiten Spritzloch ein Winkel α in einem Bereich von 15° ≤ α ≤ 90°, insbesondere 15° ≤ α ≤ 45°, vorzugsweise 15° ≤ α ≤ 30°, vorgesehen.
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Der Injektor umfasst vorzugsweise eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Spritzlochanordnungen, beispielsweise vier Spritzlochanordnungen. Die Vielzahl von Spritzlochanordnungen ist vorzugsweise pro Injektor identisch ausgebildet und umfasst besonders bevorzugt genau ein erstes und ein zweites Spritzloch und genau eine gemeinsame Vorstufe je Spritzlochpaar.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Injektor, insbesondere einem Kraftstoffinjektor.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Teil-Schnittansicht eines Injektors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische, vergrößerte Teil-Schnittansicht einer Spritzlochanordnung des Injektors von 1,
- 3 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Spritzlochanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Spritzlochanordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Spritzlochanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 6 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Spritzlochanordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 7 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Spritzlochanordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 8 eine schematische Längs-Schnittansicht der Spritzlochanordnung von 7,
- 9 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Spritzlochanordnung gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 10 eine schematische Teil-Schnittansicht einer Spritzlochanordnung gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Injektor 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Der Injektor dieses Ausführungsbeispiels ist ein Kraftstoffinjektor.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der Injektor 1 ein Schließelement 2, welches in diesem Ausführungsbeispiel eine Kugel ist und in 1 nur teilweise dargestellt ist.
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Der Injektor 1 umfasst ferner ein Gehäuse 3, wobei zwischen dem Gehäuse 3 und dem Schließelement 2 ein Dichtsitz 4 vorhanden ist. 1 zeigt dabei den geschlossenen Zustand des Injektors.
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Im Gehäuse 3 des Injektors sind mehrere Spritzlochanordnungen 5 vorgesehen. Schematisch sind in 1 zwei Spritzlochanordnungen 5 dargestellt, es sei jedoch angemerkt, dass der Injektor auch mehr als zwei Spritzlochanordnungen umfassen kann.
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Wie im Detail aus 2 ersichtlich ist, umfasst jede Spritzlochanordnung 5 ein erstes Spritzloch 6, ein zweites Spritzloch 7 und eine gemeinsame Vorstufe 8.
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Das erste Spritzloch 6 und das zweite Spritzloch 7 sind geometrisch gleich ausgestaltet und beide als zylindrische Durchgangsöffnungen vorgesehen. Ein Winkel α zwischen einer Mittellinie 60 des ersten Spritzlochs 6 und einer Mittellinie 70 des zweiten Spritzlochs 7 ist als spitzer Winkel vorgesehen und liegt bevorzugt in einem Bereich von 15° ≤ α ≤ 45°.
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Das erste Spritzloch 6 weist einen ovalen Eintrittsquerschnitt 61 und einen ovalen Austrittsquerschnitt 62 auf. Das zweite Spritzloch 7 weist einen ovalen Eintrittsquerschnitt 71 und einen ovalen Austrittsquerschnitt 72 auf. Die beiden Austrittsquerschnitte sind dabei an einem Boden 81 der Vorstufe 8 vorgesehen und überdecken sich teilweise.
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Eine Mittelachse 60 des ersten Spritzlochs und eine Mittelachse 70 des zweiten Spritzlochs schneiden sich in einem Schnittpunkt 9. Der Schnittpunkt 9 liegt ebenfalls am Boden 81 der Vorstufe 8. Eine Mittelachse 80 der ebenfalls zylindrisch ausgestalteten Vorstufe 8 geht ebenfalls durch den Schnittpunkt 9. Das Gehäuse 3 weist im Bereich der Spritzlochanordnung 5 eine Dicke D auf. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist dabei der Boden 81 der Vorstufe 8 bei der Hälfte der Dicke D/2 angeordnet.
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Weiterhin sind die Querschnitte des ersten und zweiten Spritzlochs derart gewählt, dass eine Summe des Eintrittsquerschnitts 61 des ersten Spritzlochs und des Eintrittsquerschnitts 71 des zweiten Spritzlochs 7 gleich groß ist wie ein Austrittsquerschnitt 82 der Vorstufe 8.
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Da sich die Mittelachsen 60 und 70 der Spritzlöcher 6, 7 am Boden 81 schneiden, ergibt sich beim Austrittsquerschnitt des ersten und zweiten Spritzlochs ein Überlappungsbereich. Dieser beträgt mehr als 50% der jeweiligen einzelnen Austrittsquerschnitte. Dadurch wird im Bereich des Bodens 81 der Vorstufe 8 eine Düse gebildet, wodurch sich die Geschwindigkeit des durch die ersten und zweiten Spritzlöcher 6, 7 in die Vorstufe einströmenden Fluids erhöht.
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Dadurch kann in Verbindung mit der Kollision im Bereich des Schnittpunkts 9 eine verbesserte Zerstäubung erreicht werden. Ferner stellt die Kollision der einzelnen Strahlen aus dem ersten und zweiten Spritzloch 6, 7 sicher, dass eine Eindringtiefe in einen nachgeordneten Einspritzraum 10, welcher in diesem Ausführungsbeispiel ein Brennraum ist, reduziert wird und eine Atomisierung des Fluids verbessert wird.
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Somit strömt bei geöffnetem Injektor 1, wobei der Öffnungsvorgang in 1 durch den Pfeil A angedeutet ist, Fluid aus einem Raum 11 zwischen dem Schließelement 2 und dem Gehäuse 3 durch die Spritzlochanordnungen 5 in den Einspritzraum 10. Hierbei erfolgt dann eine Kollision der Fluidstrahlen aus dem ersten Spritzloch 6 und dem zweiten Spritzloch 7 einer Spritzlochanordnung noch im Bereich des Gehäuses und das Fluid tritt dann über die gemeinsame Vorstufe 8 in den Einspritzraum 10 aus. Durch die frühe Kollision noch innerhalb des Gehäuses 3 des Injektors kann auch eine Fehlausrichtung des ersten und/oder zweiten Spritzlochs, beispielsweise herstellungsbedingte bzw. toleranzbedingte Fehlausrichtungen nicht die gleichen Auswirkungen haben, wie im Stand der Technik eine Fehlausrichtung eines einzelnen Spritzlochs haben würde. Dadurch können insbesondere die Herstellungskosten für den erfindungsgemäßen Injektor signifikant reduziert werden.
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Die ersten und zweiten Spritzlocher sowie die Vorstufe 8 werden vorzugsweise mittels eines Lasers erzeugt. Somit kann die erfindungsgemäße Spritzlochanordnung sehr kostengünstig und mit deutlich größeren Toleranzen als im Stand der Technik realisiert werden.
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3 zeigt eine Spritzlochanordnung eines Injektors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten Ausführungsbeispiel die Vorstufe 8 sich in Durchströmungsrichtung der Vorstufe erweitert. Hierbei ist die Vorstufe 8 konisch ausgebildet. Durch diese konische Ausbildung der Vorstufe 8 kann eine Eindringtiefe des durch die Spritzlochanordnung 5 erzeugten Sprays in den Einspritzraum weiter reduziert werden.
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4 zeigt eine Spritzlochanordnung eines Injektors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Das dritte Ausführungsbeispiel entspricht ebenfalls im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim dritten Ausführungsbeispiel das erste Spritzloch 6 und das zweite Spritzloch 7 sich in Durchströmungsrichtung erweitern. Hierbei sind das erste und zweite Spritzloch konisch ausgebildet. Dadurch wird entsprechend der Konizität eine Aufprallgeschwindigkeit am Kollisionspunkt des Schnittpunkts 9 der Mittelachsen 60, 70 etwas reduziert, wodurch ebenfalls eine Eindringtiefe des durch die Spritzlochanordnung 5 erzeugten Sprays reduziert wird.
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In 5 ist ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung einer Spritzlochanordnung 5 eines Injektors gezeigt, welches im Wesentlichen dem dritten Ausführungsbeispiel entspricht. Das vierte Ausführungsbeispiel ist jedoch insofern unterschiedlich, als die Vorstufe 8 sich in Durchströmungsrichtung wie das erste und zweite Spritzloch 6, 7 konisch erweitert. Im Vergleich mit dem dritten Ausführungsbeispiel kann dadurch eine Eindringtiefe des Sprays in den Einspritzraum 10 weiter reduziert werden.
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6 zeigt eine Spritzlochanordnung 5 eines Injektors gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das fünfte Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel und weist zylindrische erste und zweite Spritzlöcher 6 und 7 sowie eine zylindrische Vorstufe 8 auf. Wie aus 6 ersichtlich ist, ist allerdings ein Schnittpunkt 9 einer Mittelachse 60 des ersten Spritzlochs und einer Mittelachse 70 des zweiten Spritzlochs 7 im Vorstufe 8 und nicht mehr wie beim ersten Ausführungsbeispiel am Boden der Vorstufe 8. Hier liegt der Schnittpunkt 9 innerhalb der Vorstufe 8. Hierdurch wird insbesondere eine verbesserte Atomisierung neben einer reduzierten Eindringtiefe erreicht.
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Die 7 und 8 zeigen eine Spritzlochanordnung 5 eines Injektors gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen sind die Spritzlöcher 6, 7 derart angeordnet, dass die Mittelachsen 60, 70 des ersten und zweiten Spritzlochs 6, 7 sich nicht mehr schneiden. Dadurch ergibt sich kein Kollisionspunkt zwischen den Mittelachsen. Allerdings ergibt sich trotzdem eine Kollision zwischen den Fluidströmungen aus dem ersten Spritzloch 6 und dem zweiten Spritzloch 7, allerdings in asymmetrischer Weise. Hierdurch wird eine Atomisierung des Fluids weiter verstärkt. Ferner kann hierdurch für das aus der Vorstufe 8 austretende Spray auch ein Drall im Einspritzraum 10 erzeugt werden. Somit ist eine weitere Individualisierbarkeit des in den Einspritzraum 10 eintretenden Sprays möglich. Das erste und zweite Spritzloch 6, 7 sowie die Vorstufe 8 sind im sechsten Ausführungsbeispiel zylindrisch. Es sei jedoch angemerkt, dass entweder die beiden Spritzlöcher 6, 7 und/oder die Vorstufe 8 auch sich in Durchströmungsrichtung erweitern, insbesondere konisch erweiternd, ausgebildet sein können. 8 zeigt nochmals in Draufsicht in einer Schnittebene am Boden 81 von 7 den Austritt der Fluidströmungen aus dem ersten und zweiten Spritzloch 6, 7 in die Vorstufe 8.
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9 zeigt eine Spritzlochanordnung 5 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen weist das siebte Ausführungsbeispiel keine Vorstufe auf. Die Spritzlochanordnung 5 des siebten Ausführungsbeispiels umfasst ein erstes zylindrisches Spritzloch 6 und ein zweites zylindrisches Spritzloch 7. Wie aus 9 ersichtlich ist, schneiden sich das erste Spritzloch 6 und das zweite Spritzloch 7. Hierbei ergibt sich ein Schnittpunkt 9 zwischen einer Mittelachse 60 des ersten Spritzlochs 6 und einer Mittelachse 70 des zweiten Spritzlochs 7. Der Schnittpunkt 9 liegt dabei genau auf der Hälfte D/2 der Dicke D des Gehäuses 3. Somit erfolgt eine Kollision der Fluidströmungen aus dem ersten Spritzloch 6 und dem zweiten Spritzloch 7 noch innerhalb der Wand des Gehäuses 3 des Injektors. Wie aus 9 ersichtlich ist, sind das erste Spritzloch 6 und das zweite Spritzloch 7 im Querschnitt zylindrisch und mit gleichen Durchmessern ausgebildet. Nach dem Schnittpunkt in Durchströmungsrichtung verlaufen das erste Spritzloch 6 und das zweite Spritzloch 7 in linearer Weise weiter bis zum Einspritzraum 10. Somit sind in diesem Ausführungsbeispiel ohne Vorstufe ein Eintrittsquerschnitt 61, 71 und ein Austrittsquerschnitt 62, 72 des ersten und zweiten Spritzlochs 6, 7 jeweils gleich.
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10 zeigt eine Spritzlochanordnung 5 eines Injektors gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie aus 10 ersichtlich ist, entspricht das achte Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem siebten Ausführungsbeispiel und weist ebenfalls keine Vorstufe auf. Allerdings ist im Unterschied zum siebten Ausführungsbeispiel beim achten Ausführungsbeispiel eine Spritzlochanordnung 5 vorgesehen, welche neben dem ersten und zweiten Spritzloch 6, 7 ein drittes Spritzloch 30 umfasst. Wie aus 10 ersichtlich ist, ist das dritte Spritzloch 30 zwischen dem ersten und zweiten Spritzloch 6, 7 angeordnet. Dabei verläuft das dritte Spritzloch 30 im Wesentlichen senkrecht zu einer Wandfläche des Gehäuses 3. Das dritte Spritzloch 30 weist einen Eintrittsquerschnitt 21, einen Austrittsquerschnitt 22 und eine Mittelachse 20 auf, welche sich mit den Mittelachsen 60, 70 des ersten und zweiten Spritzlochs 6, 7 im Schnittpunkt 9 schneidet. Der Schnittpunkt 9 liegt wiederum bei der Hälfte D/2 der Dicke D des Gehäuses 3. Somit treffen drei Fluidstrahlen im Schnittpunkt 9 zusammen, was eine deutliche Reduzierung einer Austrittsgeschwindigkeit der Fluidstrahlen aus den drei Spritzlöchern 6, 7 und 30 ermöglicht. Auch kann wiederum eine deutlich verbesserte Atomisierung erreicht werden.
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Zu den Ausführungsbeispielen in den 9 und 10 sei angemerkt, dass diese mit zylindrischen Spritzlöchern beschrieben sind. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Spritzlöcher aus den 9 und 10 mit sich in Durchströmungsrichtung erweiternden Querschnitten, insbesondere als konische Spritzlöcher, ausgebildet sein können.
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Weiterhin ist es möglich, dass auch der Schnittpunkt 9, an welchem sich die Mittelachsen der Spritzlöcher schneiden, in Richtung zum Einspritzraum 10 oder auch in Richtung zum Ausgangsraum 11 verschoben werden. Dadurch kann eine individuelle Anpassung der Spritzlochanordnung ermöglicht werden.
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Zu allen Ausführungsbeispielen sei angemerkt, dass ein Injektor mit einer Vielzahl von gleich ausgestalteten Spritzlochanordnungen 5 ausgestaltet sein kann oder alternativ auch einzelne unterschiedliche Spritzlochanordnungen 5 vorgesehen werden können.
