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Die Erfindung betrifft einen Kraftstoffinjektor für eine direkteinspritzende
Otto-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1
artgegebenen Gattung.
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Bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen ist
im Brennraum wenigstens im Bereich der Zündkerze zum Zündzeitpunkt
entflammbares Kraftstoff/Luft-Gemisch bereitzustellen. Dabei ist
bekannt, im Bereich der Zündkerze
eine Kraftstoffwolke einzuspritzen, wobei in niedrigen Lastbereichen
eine Gemischwolke nur im Bereich der Zündkerze gebildet wird und der
Motor so mit geringerem Kraftstoffverbrauch betrieben werden kann.
Zur gezielten Kraftstoffeinspritzung im Hinblick auf die gezielte
Ausbildung der Kraftstoffwolke im Bereich der Zündkerze sind Injektoren mit
mehrere Spritzöffnungen
aufweisenden Einspritzdüsen
bekannt, wobei durch jede Spritzöffnung
ein einzelner Kraftstoffstrahl in den Brennraum eindringt. Aus der
DE 39 43 816 C2 ist eine
Mehrlochdüse
für das
Einspritzen des Kraftstoffs bekannt, bei der einige der Spritzöffnungen
so ausgebildet sind, daß die
durch sie erzeugten Kraftstoffstrahlen in einen Luftwirbel im Brennraum
gerichtet sind, welcher den Kraftstoff der Einspritzstrahlen verdampft
und innerhalb kürzester
Zeit zur Zündkerze
transportiert.
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Aus der
DE 198 04 463 A1 ist ein
Kraftstoffeinspritzsystem für
Otto-Motoren mit einem Mehrlochinjektor bekannt, wobei die Einspritzöffnungen
am Umfang der Einspritzdüse
aneinandergereiht angeordnet sind und so ein strahlgeführtes Brenn verfahren
durch Bildung einer Gemischwolke realisiert wird. Die Spritzöffnungen
am Umfang der Einspritzdüse bilden
dabei einen Kegelstrahl, wobei die einzelnen Kraftstoffstrahlen
der jeweiligen Spritzöffnungen
eine geschlossene bzw. zusammenhängende
Kraftstoffwolke in Kegelform bilden. Bei dem bekannten Kraftstoffinjektor
können
die Spritzöffnungen
des Kegelstrahlgürtels
auch in zwei Reihen angeordnet werden, wodurch die Dichte der Mantelfläche des
Kegelstrahls verbessert werden kann und damit auch größere Kegelwinkel
des Kegelstrahls ermöglicht
werden.
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Mit der bekannten Anordnung der Spritzöffnungen
zu einem Kegelstrahlgürtel
kann zwar eine zusammenhängende
Gemischwolke im Brennraum gebildet werden. Im Hinblick auf eine
möglichst
geringe Abgasemission und geringen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine
ist ein möglichst
optimales Brennverhalten der Gemischwolke anzustreben. Es hat sich
gezeigt, daß durch
schnelles Durchbrennen der Gemischwolke verbesserte Resultate erreicht werden
können.
Ein schnelles Durchbrennen der Gemischwolke ist jedoch bei einer
kegelförmigen
Kraftstoffeinspritzung mit dem bekannten Mehrlochinjektor nicht
möglich.
Auch kann bei Ablagerungen (Verkokungen) von einzelnen Spritzlöchern im
Kegelstrahlgürtel
der Flammenweg durch zu mageres Gemisch in der Kegelwolke behindert
sein. Auch die bekannte Anordnung der Spritzlöcher in zwei Reihen über dem
Umfang der Einspritzdüse
kann dieses Problem nicht beheben, da allenfalls die Stärke kraftstoffreicher
Schicht im Mantelbereich der Kegelwolke vergrößert werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Injektor derart weiterzubilden,
daß dauerhaft
ein Durchbrennen der Kraftstoffwolke gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
innerhalb des von den Spritzöffnungen
des Kegelstrahlgürtels
begrenzten Bereiches der Oberfläche
der Einspritzdüse
weitere Spritzöffnungen
vorzusehen, durch die gezielt Kraftstoff in das Innere der kegelförmigen Gemischwolke eingespritzt
wird. Dadurch ergibt sich insgesamt eine gleichmäßigere Kraftstoffverteilung
im Strahlkegel. Auf diese Weise wird der Bildung von Gebieten mageren
Gemisches innerhalb der Kraftstoffwolke entgegengewirkt und ein
schnelleres Durchbrennen der aus gleichmäßig verteiltem Kraftstoff gebildeten
Gemischwolke ermöglicht.
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Vorteilhaft ist die Oberfläche der
Einspritzdüse
sphärisch
ausgebildet, wodurch die einzelnen Spritzöffnungen ihre Kraftstoffstrahlen
in unterschiedliche Bereiche im Inneren des Kraftstoffkegels richten.
In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist mindestens eine zentrale
Spritzöffnung
im Bereich einer Längsachse
des Injektors vorgesehen, wobei die zentrale Spritzöffnung vorzugsweise
auf der Längsachse
selbst liegt. Dadurch wird Kraftstoff in den zentralen Bereich der
kegelförmigen
Gemischwolke eingespritzt, der von den Spritzöffnungen im Kegelstrahlgürtel nicht
zu erreichen ist, so daß insgesamt die
Gleichmäßigkeit
der Kraftstoffverteilung im Strahlkegel gefördert wird.
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Als Alternative ist eine Anordnung
der Spritzöffnungen
in mehreren parallelen Ebenen der sphärischen Einspritzdüse bezüglich der
Längsachse
des Injektors möglich.
Auf der sphärischen
Oberfläche der
Einspritzdüse
werden durch die einzelnen Spritzöffnungen in unterschiedlichen
Ebenen große
Raumbereiche des Einspritzkegels abgedeckt. Die gleichmäßige Gemischverteilung
kann dabei durch unterschiedliche Querschnittsgrößen der Spritzöffnungen unterschiedlicher
Ebenen, durch unterschiedliche Abspritzwinkel der Spritzöffnungen
in einzelnen Ebenen oder durch eine Kombination der Maßnahmen gefördert werden.
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Besonders vorteilhaft werden die
Spritzöffnungen
gleichmäßig über die
gesamte Oberfläche der
Einspritzdüse
verteilt, um so eine möglichst
optimale Verteilung auch der durch sie erzeug ten Kraftstoffstrahlen
im Raum um die Einspritzdüse
zu erreichen. Die Spritzöffnungen
können
dabei auf der zur Verfügung
stehenden Kugeloberfläche
der Einspritzdüse
verteilt werden nach Maßgabe
von Randwertbetrachtungen, beispielsweise unter Ansatz der Kollokationsmethode
nach Cannuto.
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Zur Verbesserung der Entflammbarkeit
und des Brennverhaltens der Gemischwolke ist nach der Erfindung
vorgesehen, einen Umfangsbereich der Einspritzdüse, welche an der vorgesehenen
Einbaulage des Injektors der Relativlage einer Zündkerze zum Injektor entspricht,
wenigstens eine in diesem Umfangsbereich liegende Spritzöffnung bezüglich der
Lage und/oder der Öffnungsgeometrie
derartig abweichend von anderen Spritzöffnungen auszubilden, daß ein Kraftstoffstrahl
mit kleinerem Winkel mit der Längsachse
des Injektors erzeugt wird. Dadurch entsteht gezielt eine Lücke in der
Kraftstoffdichte des Kegelmantels und damit ein kerbenförmiger Einschnitt
in der Kegelwolke. Auf diese Weise kann fettes Gemisch rotationssymmetrisch
um die Längsachse
des Injektors bzw. des von ihm erzeugten Kegelstrahls aufbereitet
werden und dabei eine Benetzung der Zündkerze mit Kraftstoff vermieden
werden, wenn die Zündkerze
in den Bereich der ausgebildeten Kerbe im Gemischmantel einragt.
Auf diese Weise kann ein strahlgeführtes Brennverfahren realisiert werden,
ohne daß sich
aufgrund der Benetzung der Zündkerze
mit flüssigem
Kraftstoff schädliche
Ablagerungen auf der Zündkerze
bilden können.
Auf diese Weise wird Zündaussetzungen
entgegengewirkt und zudem die Beanspruchung der Zündkerze
durch hohen Hitzeschock verringert, so daß die Lebensdauer der Zündkerze
erhöht
wird.
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Zur Ausbildung der Auskerbung im
Kegelmantel durch den Kraftstoffstrahl wird in der entsprechenden
Umfangslage eine oder mehrere der Spritzöffnungen abweichend von ihrer
virtuellen Position in einer Reihe von Spritzöffnungen gleicher Axialhöhe am Umfang
der Einspritzdüse
näher an
der Injektorachse angeordnet. Die Ausbildung der Kerbe kann auch
vorteilhaft durch Ausbildung der bezüglich ihres Strahlbildes von
benach barten Spritzöffnungen
gleicher Axialhöhe
auf der Einspritzdüse
abweichenden Spritzöffnung
mit einem in Richtung zur Längsachse des
Injektors zugestellten Spritzwinkels erreicht werden. Darüber hinaus
kann zur Ausbildung der Kerbe im Gemischmantel, in die die Zündkerze
einragen soll, im entsprechenden Umfangsbereich der Einspritzdüse der Abstand
mindestens zweier benachbart liegender Spritzöffnungen vergrößert werden. Vorzugsweise
werden die Spritzöffnungen
der erfindungsgemäßen Einspritzdüse durch
hydroerosive Behandlung verrundet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Kraftstoffinjektors mit kegelförmiger Kraftstoffeinspritzung,
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2 Ausführungsformen
zur Verteilung der Spritzöffnungen
auf der Oberfläche
der Einspritzdüse,
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3 eine
Tabelle der Spritzrichtungen entsprechend der Anordnungen von Spritzöffnungen von 2,
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4 eine
schematische Ansicht eines Injektors,
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5 eine
schematische Ansicht eines Injektors mit die Zündkerze schonender Kraftstoffeinspritzung,
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6 eine
Anordnung der Spritzlöcher
zur Schonung der Zündkerze.
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1 zeigt
einen Kraftstoffinjektor 1 für eine direkteinspritzende
Otto-Brennkraftmaschine, welcher eine mit mehreren Spritzöffnungen 5 versehene Einspritzdüse 2 aufweist.
Zur Einspritzung wird im Inneren des Injektors 1 eine hier
nicht dargestellte Düsennadel
piezoelektrisch bewegt und baut im Inneren der Einspritzdüse 2 einen Überdruck
im Kraftstoff auf, welcher den Kraftstoff durch die Spritzöffnungen 5 in den
Brennraum zwingt. Der Einspritzdruck kann dabei abhängig vom
Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bis etwa 250 bar betragen.
Die Oberfläche 3 der
Einspritzdüse 2 ist
sphärisch
geformt und nimmt im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa die Kontur
einer Halbkugel ein. Am Umfang der sphärischen Einspritzdüse 2 sind
die Spritzöffnungen 5 im
wesentlichen gleichmäßig verteilt,
wobei die Kraftstoffstrahlen 9 der einzelnen Spritzöffnungen 5 gemeinsam
einen Kegelstrahl 8 ausbilden. Der Kegelstrahl 8 wird dabei
im wesentlichen rotationssymmetrisch zu der Längsachse 4 des Injektors 1 erzeugt,
wodurch im Brennraum eine kegelförmige
Kraftstoffwolke gebildet wird. Nach Art des strahlgeführten Brennverfahrens
wird mit dem gezielt eingespritzten Kraftstoff eine räumlich orientierte
Gemischwolke mit der dem Brennraum separat zugeführten Verbrennungsluft gebildet.
Die Gemischwolke wird dabei gezielt im Bereich einer in den Brennraum
ragenden Zündkerze gebildet,
welche die Gemischwolke durch Bildung eines Zündfunkens entflammt.
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Die Spritzöffnungen 5 sind gleichmäßig auf der
Oberfläche 3 der
Einspritzdüse 2 verteilt,
wobei ein Teil der Spritzöffnungen 5 am
Umfang der Einspritzdüse 2 aneinandergereiht
einen Kegelstrahlgürtel 6 bilden
und mit ihren Kraftstoffstrahlen 18 den Mantelbereich des
kegelförmigen
Kraftstoffstrahls 8 definieren. Im Inneren des ringförmigen Kegelstrahlgürtels 6 sind
weitere Spritzöffnungen 5 vorgesehen, deren
Kraftstoffstrahlen 9 in den Innenbereich des Kraftstoffkegels 8 gerichtet
sind. Auf diese Weise wird zum einen mit den Spritzöffnungen 5 des
Kegelstrahlgürtels 6 ein
zusammenhängender
Kegelmantel erzeugt und durch die weiteren Spritzöffnungen 5 der
Innenbereich des Kegelmantels 18 gleichmäßig mit
Kraftstoff aufgefüllt,
wodurch im Ergebnis ein Kegelstrahl 8 mit gleichmäßiger Kraftstoffverteilung
erzeugt wird. Mit der gleichmäßigen Kraftstoffverteilung im
Kegelstrahl 8 kann eine Gemischwolke gebildet werden, welche
nach der Entflammung durch die Zündkerze
rasch durchbrennt, da schwer entflammbare Raumbereiche in der Gemischwolke
aufgrund geringer Kraftstoffkonzentrationen ausgeschlossen sind.
Zur Ausfüllung
des Innenbereiches des Kraftstoffkegels ist zweckmäßig mindestens
eine Spritzöffnung
im Zentralbereich vorgesehen.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist besonders
vorteilhaft eine zentrale Spritzöffnung 7 vorgesehen,
welche auf der Längsachse 4 des
Injektors 1 liegt. Im Hinblick auf eine möglichst
gleichmäßige Kraftstoffverteilung
sind im gezeigten Ausführungsbeispiel
die Spritzöffnungen 5 in
mehreren parallelen Ebenen 6, 10, 11, 7 bezüglich der
Längsachse 4 des Injektors
angeordnet, wobei die vorderste Ebene im Bereich der Spitze der
Einspritzdüse 2 die
zentrale Spritzöffnung 7 auf
der Längsachse 4 aufweist
und die auf der gegenüberliegenden
Seite der halbkugelförmigen
Einspritzdüse 2 aufgereihten
Spritzöffnungen 5 den
Kegelstrahlgürtel 6 bilden.
Der Kegelstrahlgürtel 6 mit
Spritzöffnungen 5,
die den Mantelbereich 18 des Kegelstrahls 8 ausbilden,
können auch
aus mehreren Ebenen von Spritzöffnungen 5 bestehen.
Die Spritzöffnungen 5 der
unterschiedlichen Ebenen können
dabei verschiedene Abspritzwinkel aufweisen, wobei im Fall der Spritzöffnungen 5 im
Kegelstrahlgürtel 6 auch
bei größeren Kegelwinkeln
eine stabile Manteldecke des Kegelstrahls 8 erzeugt werden
kann und daneben durch entsprechende Wahl der Abspritzwinkel anderer
Spritzöffnungen 5 der
Innenbereich gleichmäßig mit
Kraftstoff versorgt werden kann.
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Alternativ oder zusätzlich zu
der Orientierung der Kraftstoffstrahlen 9 der Spritzöffnungen 5 durch den
Abspritzwinkel der jeweiligen Öffnung 5 kann eine
gleichmäßige Kraftstoffverteilung
durch geeignete Auswahl der Querschnittsgrößen der Spritzöffnungen 5 in
den einzelnen Ebenen erreicht werden. Geeignete Strahlcharakteristiken
sind erreichbar, wenn die Spritzlöcher 5 durch hydroerosive
Behandlung verrundet sind. Dabei können optimale Resultate der
Gemischbildung und damit des Brennverhaltens der Kraftstoffwolke
bei Durchmessern der Spritzöffnungen 5 von
weniger als 0,125 mm erreicht werden.
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Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der
Spritzöffnungen 5 auf
der sphärischen
Oberfläche 3 der
Einspritzdüse 2 zu
erreichen, können
die Spritzöffnungen 5 in
Abhängigkeit
von der vorgesehenen Anzahl der Spritzlöcher 5 auf der Grundlage von
Randwertbetrachtungen nach dem Kollokationsansatz von Cannuto bestimmt
werden. Dabei ergeben sich für
jede der Spritzöffnung 5 auf
der sphärischen
Einspritzdüse 2 mehrere
Abspritzrichtungen, wobei im Ergebnis der Kraftstoffkegel 8 gleichmäßig mit
Kraftstoff von den einzelnen Öffnungen 5 versorgt wird.
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2 zeigt
die Möglichkeiten
der Kombination verschiedener Spritzrichtungen in Abhängigkeit von
der Anzahl der Spritzöffnungen 5 auf.
In jedem der vier gezeigten Ausführungsbeispiele
ist jeweils ein Kugelausschnitt der Einspritzdüse 2 in Form eines
Eulerdreiecks gezeigt, welches durch ein Koordinatensystem mit senkrecht
aufeinander stehenden Koordinatenachsen x, y und z festgelegt wird.
Eine Spritzöffnung 5 definiert
dabei jeweils drei Kleinkreise 15 der Kugeloberfläche, welche
jeweils parallel zu den durch das Koordinatensystem aufgespannten Ebenen
liegen. Durch Projektion der Kleinkreise 15 auf die Koordinatenebenen
ergeben sich die Projektionsgeraden 16, welche jeweils
einer Spritzrichtung ξ, η und μ entsprechen.
Die Möglichkeiten
der Strahlrichtungen bei entsprechender Anordnung. der Spritzöffnungen 5 auf
den Kugeldreiecken sind in der Tabelle nach 3 zusammengestellt. Bei der Anordnung
einer Spritzöffnung 5 auf
dem Kugeldreieck ge mäß Darstellung
S2 ergeben sich somit vier mögliche Strahlrichtungen.
Bei der Anordnung dreier Spritzöffnungen
gemäß Darstellung
S4 stehen zwölf
mögliche
Strahlorientierungen zur Verfügung.
Entsprechend sind bei einer Anordnung von sechs Spritzöffnungen 5 wie
in S6 gezeigt, wobei jeweils drei Spritzöffnungen 5 auf einem
gemeinsamen Kleinkreis der Kugel liegen, bereits 24 Strahlrichtungen
gegeben. Die Anordnung 544 stellt eine Alternative Möglichkeit der
Anordnung von sechs Spritzöffnungen
auf dem Kugelsegment dar, wobei sich ebenfalls bei der Anzahl der
Spritzöffnungen 24 Strahlrichtungen
ergeben, jedoch – wie
in 3 aufgelistet – andere Strahlrichtungen
zur Verfügung
stehen. Weitere Möglichkeiten
zur Anordnung der Spritzlöcher
auf dem Kugelsegment und die Kombination der Anordnungen sind in 3 vorgeschlagen.
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Wie 4 zeigt,
erzeugt die Einspritzdüse 2 des
Injektors 1 einen im wesentlichen rotationssymmetrischen
Kegelstrahl 8, der aus Mantelstrahlen 18 und Kraftstoffstrahlen
im Inneren des Kegelstrahls 8 besteht und daher durch eine
gleichmäßige Kraftstoffkonzentration über den
gesamten Kegelbereich gekennzeichnet ist. Wie 5 zeigt, wird zur Schonung einer Zündkerze 13 in
einem Umfangsbereich der Einspritzdüse 2, welche an der
vorgesehenen Einbaulage des Injektors 1 der Relativlage
der Zündkerze 13 entspricht,
wenigstens eine in diesem Umfangsbereich liegende Spritzöffnung derart
abweichend von den anderen Spritzöffnungen gleicher Axialhöhe auf der
Einspritzdüse 2 ausgebildet,
daß in diesem
Umfangsbereich eine Kerbe 12 in dem ansonsten rotationssymmetrisch
zu der Längsachse 4 ausgebildeten
Kegelstrahl erzeugt wird. Die Kerbe im Mantelbereich des Kegelstrahls
wird dadurch erreicht, daß in
diesem Umfangsbereich des Kegelstrahls Kraftstoffstrahlen einzelner
Spritzöffnungen mit
kleinerem Winkel zur Längsachse 4 des
Injektors 1 erzeugt werden als vergleichbare Spritzöffnungen gleicher
Höhe auf
der Einspritzdüse 2.
Die E lektroden der Zündkerze 13,
welche in die so gebildete Kerbe 12 im Kegelstrahl 8 einragen,
werden aufgrund der Ablenkung des Kraftstoffstrahls nicht mit Kraftstoff
benetzt, so daß der
Bildung von Ablagerungen und Verkokungen bei thermischer Beanspruchung entgegengewirkt
ist.
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Zur Ausbildung der Kerbe 12 wird
in dem Ring der Einspritzöffnungen 5 im
Kegelstrahlgürtel 6 im
betreffenden Umfangsbereich eine vom restlichen Umfangsbereich abweichende
Gestaltung vorgenommen. Wie 6a und 6b zeigen, wird in dem Kegelstrahlring 6 in
dem für
die Ausbildung der Kerbe vorgesehenen Umfangsbereich eine Spritzöffnung 17 abweichend
von der in 6a dargestellten
virtuellen Position A in Richtung auf die Injektorachse 4 verschoben
angeordnet, siehe 6b.
Die Strahlorientierung der abweichenden Spritzöffnung 17 des Kraftstoffstrahls
mit kleinerem Winkel zur Längsachse 4 des
Injektors zum Zweck der Ausbildung der Kerbe 12 im Kegelmantel
kann alternativ oder zusätzlich
durch einen zugestellten Spritzwinkel der im betreffenden Umfangsbereich
der Spritzöffnungsreihe
liegenden Spritzöffnung 17 gewählt werden.
Als weitere Alternative steht eine Vergrößerung des Abstandes der benachbart
liegenden Spritzöffnungen
in dem fraglichen Umfangsbereich der Öffnungen des Kegelstrahlgürtels 6 zur
Ausbildung der Kerbe zur Verfügung.