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Diese
Erfindung betrifft die Brennstoffdirekteinspritzung in Verbrennungskraftmaschinen.
Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Gerät und ein
Verfahren zur direkten Einspritzung von Kraftstoff in Otto-Brennkraftmotoren.
Diese Erfindung betrifft ebenso eine Kombination von Kraftstoffeinspritzung
und Zündmittel
zur Zündung
von Otto-Brennkraftmotoren.
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Für eine Otto-Motor-Zündung mit
Kraftstoffeinspritzung direkt in eine Verbrennungskammer ist es äußerst wünschenswert,
den Kraftstoff in die Verbrennungskammer auf eine Weise einzuführen, die eine
zuverlässige
und wiederholbare Zündung
erzeugt. Dies erfordert normalerweise, dass die Kraftstofftröpfchen,
die in der Funkenstrecke/Elektrodenabstand in der Verbrennungskammer
vorliegen, von geeigneter Größe sind,
um bevorzugt die Zündbedingungen
zu erfüllen
und sowohl ein Verlöschen
der einen oder beider Elektroden, welche die Funkenstrecke bilden,
zu verhindern, sowie eine Isolation entweder einer oder beider Elektroden
durch den Kraftstoff. Dieses Erfordernis kann in bestimmten Anwendungen
sehr schwierig zu erreichen sein, insbesondere wenn der Kraftstoffinjektor
in einer einzigen Anordnung zusammen mit dem Zündmittel dargestellt ist.
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Beispiele
möglicher
Anordnungen mit kombinierten Brennstoffinjektions- und Zündmitteln
werden offenbart in der
US 4,967,708 (Linder
et al),
EP 0 632 198 (Suzuki),
US 5,497,744 (Nagaosa et
al) und
GB 2233390 ,
JP 08074703-A offenbart einen Kraftstoffinjektor, in welchem ein
Durchgang in einem Düsenkörper vorhanden
ist mit einer axialen Zufuhröffnung
für den
Teil des zu zerstäubenden
Kraftstoffes, der abgetrennt und in Richtung auf eine Funkenstrecke
geleitet wird, welche zwischen dem Düsenkörper und einer Masseelektrode
bestimmt ist. In der
GB 2295204
A wird ein nach außen öffnendes
Tellerventil an einem Kraftstoffinjektor beschrieben mit einer ringförmigen Führungsfläche, die
mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und mit einer Kerbe versehen ist, welche
den Elektroden der Zündkerze
gegenüber liegt.
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In
der
US 5730,100 (Bergsen)
wird eine Injektoranordnung offenbart zur Einspritzung von Kraftstoff
und zur Zündung
des sich ergebenden Luft-Kraftstoff-Gemisches in der Verbrennungskammer
eines Motors mit sich hin- und herbewegendem Kolben. Die Injektoranordnung
beinhaltet ein Ventilgehäuse,
eine Ventilnadel und ein Ventilelement, von denen alle aus elektrisch
leitfähigem
Material hergestellt sind und welche zusammengenommen eine Elektrode
ausbilden, welche zentral in der Injektoranordnung positioniert
ist und die damit eine einpolige Zündkerze ausmachen. Die zweite
Elektrode ist funktionsmäßig an den
Kolben oder an den Zylinder gekoppelt, wobei sich der Kolben hin
und her bewegt. Bei dieser Anordnung liefert der Injektor Kraftstoff
in die Verbrennungskammer und wirkt zwischen den Elektroden an dem
Injektor und der zweiten Elektrode innerhalb der Verbrennungskammer
zusammen, um eine Funkenstrecke/Zündstrecke zu bilden, in der ein
Zündfunke
in zeitlichen Sequenzen entsprechend dem Betrieb des Motors ausgebildet
werden kann. Diese Anordnung sorgt für eine Kraftstoffzulieferung in
die Verbrennungskammer als einziges Fluid in der Form eines Sprühnebels
oder einer Wolke von Kraftstofftröpfchen, jedoch nicht notwendiger
Weise in der Art, mit der die Verteilung und der Fluss des Kraftstoffes,
der der Zündstrecke
zuzuführen
ist, um einen zuverlässigen
Zündprozess
einfach herzustellen und ein Verlöschen an den Elektroden zu
vermeiden.
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Weiterhin
ist es auf Grund physikalischer Grenzen oft schwierig bis unmöglich, die
Funkenstrecke eines geeigneten Zündmittels
an dem optimalsten Punkt innerhalb der Verbrennungskammer anzuordnen.
Beispielsweise kann in bestimmten Anwendungen der optimale Bereich
für die
Zündung
für herkömmliche
Zündmittel
nicht praktikabel sein. Dies erfordert dann den Einsatz von speziell
modifizierten Zündmitteln
wie weit ausladenden Zündkerzen
oder einheitliche Orientierungen dersel ben innerhalb des Zylinderkopfes
des Motors. Daraus können
erhöhte Kosten
resultieren und weitere Entwicklungsanforderungen und weitere Standzeitaspekte,
welche schwierig zu überwinden
sein können.
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Vor
diesem Hintergrund der Probleme und Schwierigkeiten, die damit verbunden
sind, ist die vorliegende Erfindung entstanden. Insbesondere besteht
ein Anliegen der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines
Kraftstoffzufuhrinjektors, welcher Kraftstoff zu einer Funkenstrecke
liefert auf eine Art und Weise, welche mit Leitcharakteristika darstellt sind,
um eine zuverlässige
Zündung
zu erreichen.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt eine Brennstoffeinspritzung für einen
Verbrennungskraftmotor, wobei der Brennstoffinjektor Mittel zur
Bestimmung eines Durchfluss- oder Zufuhrweges für einen Brennstoff aufweist,
der in einem Gas zu einer Verbrennungskammer des Motors mitgerissen
wird, wobei der Durchflussweg einen Zufuhranschluss aufweist, durch
welchen der Berennstoff in die Verbrennungskammer in Form von zerstäubten Brennstoff-Tröpfchen und
-Dampf vorliegt, wobei der Zufuhranschluss bestimmt wird zwischen
einem Ventilsitz und einem Ventilglied, welches relativ zu dem Ventilsitz
zum Öffnen
und Schließen
des Zufuhranschlusses bewegbar ist, ein Vorsprung an dem Ventilglied
vorhanden ist, der sich nach außen
hin über den
Zufuhranschluss in der Richtung der Ausgabe des zerstäubten Brennstoffes
erstreckt, wobei der Vorsprung eine erste Elektrode bestimmt für ein Zusammenwirken
mit einer zweiten Elektrode zur Bestimmung eines Elektrodenabstandes,
dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung einen Durchflusssteuervorsprung
aufweist, der derart gestaltet und positioniert ist, um ein Profil
zur Beeinflussung des Bewegungsablaufs des zerstäubten Brennstoffes entsprechend
dem Coanda Effekt darzustellen, wobei kleinere Brennstoff-Tröpfchen und
-Dampf in dem Brennstoffzerstäuber
in Richtung auf den Elektrodenabstand geführt werden und wobei größere Brennstoff tröpfchen nicht
in Richtung auf den Elektrodenabstand/Zündstrecke gedrückt werden.
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Bei
dieser Anordnung ist der Elektrodenabstand/Zündstrecke derart ausgelegt,
um in dem Bereich unterhalb des Zufuhranschlusses positioniert zu
werden, wo die kleinen Kraftstofftröpfchen und -Dampf verstärkt vorhanden
sind, wobei dieser Abschnitt und solche Bedingungen vorteilhaft
für eine zuverlässige und
wiederholbare Zündung
sind. Es ist tatsächlich
so, dass die größeren Kraftstofftröpfchen, welche
wahrscheinlich den Zündvorgang
an der Zündstrecke
behindern, abgetrennt werden von den kleineren Tröpfchen in
dem Gasstrom, so werden die größeren Tröpfchen weiterhin
einem Bewegungsablauf folgen, der auf Grund ihres Impulses vom Zufuhranschluss
zum Ausgang hin eingerichtet ist. Die kleineren Tröpfchen und
der Dampf werden durch das Profil des Ansatzes entsprechend dem
Coanda Effektes geführt.
Dies bedeutet, dass die kleineren Tröpfchen und der Dampf nach innen
in Richtung auf die Oberfläche
des Ansatzes gezogen werden, so dass ein bestimmtes Maß an Kragenbildung
des Kraftstoffzerstäubers
auftritt.
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Der
Ansatz kann beispielsweise ein Profil aufweisen, wie es offenbart
ist in dem US Patent 5,551,638 oder dem US Patent 5,833,142, von
denen beide vom gleichen Anmelder stammen und die jeweiligen Inhalte
durch diese Bezugnahme mit eingebunden sind.
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Ein
lang gestrecktes Element kann integral mit dem Ventilelement ausgebildet
sein oder es kann abnehmbar konstruiert sein, wie beispielsweise
mit einer Schraubverbindung.
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Der
Injektor bildet einen Teil eines kombinierten Injektions- und Zündmittels,
wobei der Steueransatz eine erste Elektrode bestimmt, welche mit
einer zweiten Elektrode zusammenwirkt, um die Funkenstrecke zu bestimmen.
Die erste durch den Steueransatz definierte Elektrode ist vorzugsweise
eine Primärelektrode,
wobei in diesem Fall die zweite Elektrode als eine Sekundärelektrode
definiert ist. Die zwei Elektroden können so derart relativ zueinander positioniert
werden, dass die Zündstrecke,
die dazwischen definiert wird, entweder eine radiale Lücke oder
eine axiale Lücke
ausmacht. Falls gewünscht, kann
mehr als eine der zweiten Elektrode vorhanden sein, wobei in diesem
Fall die zweiten Elektroden umfangsmäßig auf herkömmliche
Weise zu der primären
oder zentralen Elektrode, welche durch den Steueransatz definiert
ist, beabstandet sind.
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Indem
die Funkenstrecke durch den Ansatz definiert ist, kann die Positionierung
der Funkenstrecke innerhalb des Abschnittes von kleinen Kraftstofftröpfchen und
Dampf erfolgen, was durch die Kraftstoffzufuhr über den Injektor abgesichert
ist. Dies geschieht auf Grund der Wirkung des Zufuhranschlusses
und/oder des Durchflusssteueransatzes, welcher die Entstehung kleinerer
Kraftstofftröpfchen
und Dampf in dem versprühten
Kraftstoff fördert,
welche in den Bereich eingebracht werden, der in nächster Nähe zu dem
stromabwärts
gerichteten Ende des Zufuhranschlusses liegt, wo die Funkenstrecke
angeordnet ist.
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Für den Fall,
dass die Funkenstrecke als eine radiale Lücke zwischen dem Ansatz und
der/den sekundär/en
Elektrode/n ausgebildet ist, können
bestimmte Vorteile für
den Injektor realisiert werden. Zunächst wird das kombinierte Injektions-
und Zündmittel
allgemein geringfügig
kürzer über seine
gesamte Länge
sein, da es nicht notwendig ist, ein Element des Steueransatzes
stromabwärts
relativ zur Darstellung der Funkenstrecke bereitzustellen. Als zweites wird,
da ein Bereich von oder ein veränderbares
Profil der Luft/Kraftstoffrate wahrscheinlich im Wesentlichen senkrecht
zur Richtung des Kraftstoffflusses in dem Zylinder verläuft, ein
Zündfunke über eine
radiale Lücke,
wahrscheinlich für
eine größere Anzahl
von diesen Luft/Kraftstoffraten zustande kommen und somit wird die
Wahrscheinlichkeit mit der eine Zündung des Kraftstoff/Luftbereiches
eintritt erhöht.
Dies ist insbesondere anwendbar in geschichteten oder in Magermotoren,
wo der artige Luft/Kraftstoffraten in dem Kraftstoffnebel wahrscheinlich
sind, der in die Verbrennungskammer über den Injektor geliefert wird.
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Vorzugsweise
kann die Zündung
des Kraftstoff/Lufteintrags in die Verbrennungskammer direkt aus
dem Brennstoffnebel heraus geschehen, welcher vom Injektor her zugeführt wird.
Damit ist es nicht notwendig für
den zerstäubten
Kraftstoff, reflektiert oder abgelenkt zu werden von anderen Bauelementen,
wie beispielsweise von einer Kolbenschale in der Verbrennungskammer,
bevor die Zündung
bewirkt werden kann. Herkömmlich
geschieht die Zündung
vom inneren Teil des Kraftstoffnebels aus. Dies bedeutet, dass die
Zündung
in dem Bereich bewirkt wird, der unmittelbar nächstliegend zu dem Steueransatz
oder dem zentralen Bereich der Verbrennungskammer liegt und damit
gegenüber
den äußeren Teilen
oder der Peripherie des Kraftstoffnebels.
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Vorzugsweise
wird die Kraftstoffzufuhr derart ausgelegt, dass der Kraftstoff
in einem Gas direkt in die Verbrennungskammer des Motors mitgerissen wird.
Derartige gas- oder luftunterstützte
Einspritzung führt
teilweise zu dem Aufbau einer geschichteten Kraftstoff-Luftverteilung
in der Verbrennungskammer. Normalerweise ist der Zufuhrinjektor
vom Typ eines nach außen öffnenden
oder vom Typ eines Tellerventils. Vorzugsweise umfasst der Zufuhranschluss
einen ringförmigen
Durchgang, der in der Richtung des Flusses von im Gas verteiltem
Kraftstoff divergent ist. Es ist insbesondere vorteilhaft für den ringförmigen Durchgang,
welcher den Zufuhranschluss einer Konstruktion darstellt, die derart
aufgebaut ist, dass sie einen Bereich mit sich verjüngendem
Querschnitt beinhaltet, welcher eine minimale Drosselzone darstellt
und einen divergenten Bereich stromabwärts des verjüngten Bereiches,
wodurch eine divergente Düse
definiert wird. Eine derartige Konstruktion trägt dazu bei, die Ausbildung
von kleinen Tröpfchen
des Kraftstoffes in dem Kraftstoffnebel zu fördern, welcher von dem Injektor
ausgegeben wird. Dieser Aufbau kann durch die Darstellung des Ventilsitzes
als eine ringförmige
Oberfläche
mit kegelstumpfförmiger
Form dargestellt werden, um die divergenten Charakteristika zu liefern.
Das Ventilelement kann mit einer Dichtfläche mit gekrümmter Form
ausgestattet werden, welche dem Ventilsitz gegenüberliegt.
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Der
Kraftstoffinjektor kann ebenso ein Ventilgehäuse umfassen, welches ein Ventil
mit einem Ventilstößel beinhaltet,
wobei das Ventilelement an einem Ende des Ventilstößels befestigt
ist. Der Ventilstößel kann
in einer Bohrung angeordnet sein, die sich im Ventilgehäuse befindet.
Normalerweise ist der Ventilsitz um die Bohrung herum an dem Ende der
Verbrennungskammer des Ventilgehäuses
dargestellt.
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Ebenso
ist gängig,
dass der Kraftstoffzufuhrinjektor einen Teil eines kombinierten
Kraftstoffinjektions- und Zündmittels
ist.
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Die
zweite Elektrode kann einen Teil des kombinierten Kraftstoffinjektions-
und Zündmittels darstellen
oder sie kann getrennt davon vorhanden sein. In dem Fall, wo die
zweite Elektrode als Teil des kombinierten Kraftstoffinjektions- und Zündmittels bereitgestellt
wird, ist die zweite Elektrode vorzugsweise derart zusammengestellt
und positioniert, dass sie eine radiale Funkenstrecke aufweist.
Somit kann eine zweipolige Zündkerze
eine Zündung
direkt aus dem inneren Bereich des abgegebenen Kraftstoffnebels
ermöglichen.
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Die
Erfindung beschreibt ebenso ein Verfahren zur Einspritzung von Kraftstoff
in einen Verbrennungskraftmotor mit einer Verbrennungskammer und einer
Zündstrecke
für eine
Otto-Zündung des
Brennstoffes, der in die Verbrennungskammer geliefert wird, wobei
das Verfahren die folgenden Zufuhrvorgänge aufweist: Eine abgemessene
Menge von in einem Gas mitgerissenem Kraftstoff, welcher zur Verbrennungskammer über einen
selektiv zu öffnenden Zufuhranschluss
fließt,
wird um einen Kraftstoffzerstäuber
bereitzustellen, von dem Anschluss ausgegeben, wenn dieser geöffnet ist;
und die Anwendung eines Kraftstoffzerstäubers bei einem Durchflusssteuervorsprung,
der in Flussrichtung abwärts
relativ zum Zufuhranschluss positioniert ist und derart aufgebaut
und gestaltet ist, dass er ein Profil für die Beeinflussung des Bewegungsablaufes
des versprühten
Kraftstoffes entsprechend dem Coanda Effekt darstellt, wobei ein
Kraftstoffnebel und kleinere Brennstofftröpfchen in Richtung auf den
Elektrodenabstand fließen,
während
größere Tropfen
fortfahren mit dem Bewegungsablauf, welcher nicht zu der Elektrodenlücke/Zündstrecke
führt und
worin der Durchflusssteueransatz eine erste Elektrode bestimmt zum
Zusammenwirken mit einer zweiten Elektrode, um eine Elektrodenlücke zu bestimmen,
und der Durchflusssteueransatz ist an einem Ventilglied zum Öffnen und
Schließen
des Zufuhranschlusses vorgesehen, und erstreckt sich nach außen hin über den
Zufuhranschluss.
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Die
Erfindung wird mit Bezug auf die folgende Beschreibung von speziellen
Ausgestaltungen näher
erläutert,
wobei diese in Verbindung mit den begleitenden Figuren zu betrachten
ist, wobei Folgendes dargestellt ist:
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1 zeigt
eine aufgebrochene schematische Ansicht des Abgabeendes eines kombinierten Injektions-
und Zündmittels
entsprechend einer ersten Ausgestaltung, wobei schematisch die Fließmuster
des Kraftstoffnebels dargestellt sind, der davon ausgegeben wird;
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2 zeigt
eine ähnliche
Ansicht wie in 1 mit der Ausnahme, dass hier
Bezug auf eine zweite Ausgestaltung des kombinierten Injektions- und
Zündmittels
genommen wird;
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3 zeigt
ebenfalls eine Ansicht ähnlich wie
in 1 mit Ausnahme, dass in diesem Fall eine dritte
Ausgestaltung des kombinierten Injektions- und Zündmittels dargestellt wird;
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4 zeigt
eine Seitenansicht eines kombinierten Injektions- und Zündmittels
entsprechend einer vierten Ausgestaltung;
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5 zeigt
eine Teilansicht entsprechend der Linie 5-5 nach 4; und
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6 zeigt
eine aufgebrochene schematische Ansicht des Abgabeendes eines kombinierten Injektions-
und Zündmittels
entsprechend einer fünften
Ausgestaltung.
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Unter
Bezug auf 1 der Zeichnungen liefert die
Vorrichtung 10 entsprechend der ersten Ausgestaltung ein
kombiniertes Kraftstoffinjektions- und Zündmittel für einen hin und her bewegenden
Kolben eines Otto-Verbrennungskraftmotors (nicht dargestellt) mit
einer oder mehreren Verbrennungskammern, in welchen Kraftstoff über einen
dualen Fluiddirekteinspritzprozess zugeführt wird.
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Die
Vorrichtung 10 umfasst einen Körper 13 mit einem
Zufuhrendbereich 14 und einer externen Schraubverbindung
(nicht dargestellt), um die Vorrichtung 10 in eine herkömmliche
Zündkerzenöffnung im
Kopf des Motors einzubauen, wobei der Zufuhrendbereich 14 in
die Verbrennungskammer geöffnet werden
kann. Im Körper 13 ist
ein keramischer Isolator 15 untergebracht, der ein Ventilgehäuse 17 mit
einer zentralen Bohrung 19 umgibt. Ein Ventil 21 ist
untergebracht in der zentralen Bohrung 19 des Ventilgehäuses 17.
Das Ventil 21 weist ein Ventilglied 23 an einem
Ende des Ventilstößels 25 auf.
Der Ventilstößel 25 wird
zur Hin- und Herbewegung innerhalb der Bohrung 19 durch
ein geeignetes Mittel (nicht dargestellt) geführt. Der Ventilstößel 25 ist
in der Größe kleiner
als die Bohrung 19, so dass ein ringförmiger Durchgang 27 bestimmt
wird zwischen dem Ventilstößel 25 und
der Seitenwand der Bohrung 19. Der ringförmige Durchgang 27 bestimmt
einen Durchflusspfad 28 zur Lieferung eines Kraftstoffes,
der in einem Gas mitgerissen ist, zur Verbrennungskammer des Motors.
Das Gas, in welchem der Kraftstoff verteilt ist, ist vorzugsweise
ein oxidierendes Gas wie Luft. Die Arbeitsweise eines dualen Fluidkraftstoffinjektionssystems,
in welchem Kraftstoff in Luft mitgeführt wird, ist beispielsweise
offenbart in der US Patentschrift 4,693,224 und dem US Patent RE
36,768, deren Inhalt durch die Bezugsnahme an dieser Stelle, ohne
dass im Folgenden weiter darauf eingegangen wird, mit umfasst ist.
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Das
Ventilglied 23 wirkt mit einem Ventilsitz 31 zusammen,
welcher in dem Ventilgehäuse 17 am Zufuhrende
des Durchflusspfades 28 zur Verfügung steht. Das Ventilglied 23 und
der Ventilsitz 31 wirken derart zusammen, um einen Zufuhranschluss 30 darzustellen.
Der Ventilsitz 31 beinhaltet eine ringförmige Oberfläche oder
Fläche 33 mit
kegelstumpfförmiger
Form. Das Ventilglied 23 der Vorrichtung 10 besteht
aus der nach außen
gerichteten Öffnung
oder einem Tellerventiltyp, obwohl andere geeignete Anordnungen
genauso verwendbar sind. Derartige nach außen öffnende Ventile sind insbesondere
für die
vorliegende Erfindung geeignet und Dualfluidkraftstoffinjektionssysteme
genauso, indem sie ermöglichen,
eine verbesserte Kraftstoffzerstäubung und
einen verbesserten Verteilungseffekt zu erzielen hinsichtlich der
Kraftstoffnebelausgabe aus dem Zufuhranschluss 30.
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Das
Ventilglied 23 weist eine Dichtfläche 35 auf, welche
in einen Dichtungszustand mit dem Ventilsitz 31 hinein
und hinaus bewegt werden kann, um den Zufuhranschluss 30 zu öffnen und
zu schließen. Mit
dieser Anordnung wird eine gemessene Menge von Kraftstoff, die in
dem Gas mitgerissen wird, zu der Verbrennungskammer über den
selektiv zu öffnenden
Zufuhranschluss 30 zugeführt, um einen Kraftstoffnebel
aus dem Zufuhranschluss 30, wenn dieser geöffnet ist,
auszugeben.
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Die
Richtung und die Form des zerstäubten Brennstoffes,
welcher an dem Zufuhranschluss 30 ausgegeben wird, wird
teilweise über
die Anordnung der ringförmigen
Oberfläche 33 und
der Fläche 35 des
Ventilgliedes 23 bestimmt. Die Fläche 35 und die Oberfläche 33 dienen
typischerweise zur Erzeugung von Kraftstoffschwaden mit einer konischen
oder glockenförmigen
Ausbildung in der Verbrennungskammer. Dieser Gesichtspunkt wird
im Folgenden näher erläutert.
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Der
Zufuhranschluss 30 wird geöffnet und geschlossen durch
Bewegung des Ventilelementes 23 relativ zum Dichtsitz 31.
Eine Antriebseinheit (nicht dargestellt) ist zur Betätigung des
Ventiles 21 vorhanden, um das Ventilglied 23 in
und aus das/dem dichtende/n Zusammenwirken mit dem Ventilsitz 31 zu
bewegen. Die Antriebseinheit kann beispielsweise elektromagnetische
Mittel enthalten, welche in dem Körper 13 angeordnet
sind und funktionsmäßig mit dem
Ventilstößel 25 gekoppelt
sind, wobei das Ventilglied 23 zum Öffnen und Schließen des
Anschlusses 30 bewegt wird, soweit das elektromagnetische Mittel
selektiv angeregt und abgeregt wird. Irgendwelche anderen geeigneten
Typen von Antriebseinheiten oder Antriebssystemen können eingesetzt werden
und beinhalten beispielsweise piezoelektrische, hydraulische und
mechanische Anordnungen.
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Der
Zufuhranschluss 30 umfasst einen ringförmigen Durchgang zwischen der
ringförmigen
Fläche 33 des
Ventilsitzes 31 und der gebogenen Dichtfläche 35 des
Ventilgliedes 23. Mit dieser Anordnung definiert der ringförmige Durchgang
den Zufuhranschluss 30 und ist so aufgebaut, dass er einen
sich verjüngenden
Bereich 37 aufweist, der einen Minimumdrosselbereich darstellt
und einen divergenten Abschnitt 39 stromabwärts von
dem sich verjüngenden
Bereich 37, der eine divergente Düse bestimmt.
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Ein
Steueransatz 41 ist stromabwärts relativ zum Ventilglied 23 vorgesehen.
Der Durchflusssteueransatz 41 erstreckt sich axial von
dem Ventilglied 23 in der Richtung auf die Ausgabe des
Kraftstoffnebels von dem Zufuhranschluss 30. Der Durchflusssteueransatz 41 kann
an dem Ventilglied 23 über
ein geeignetes Mittel angebracht sein. In der Ausgestaltung nach 1 ist
der Ansatz 41 durch ein starres Teil 40 verbunden.
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Der
Durchflusssteueransatz 41 weist ein Profil auf, mit einer äußeren Oberfläche, wie
sie in der vorerwähnten
US Patent schrift 5,551,638 offenbart ist. Mit einem derartigen Profil
beeinflusst der Durchflusssteueransatz 41 die Flugbahn
des Kraftstoffnebels, der von dem Zufuhranschluss 30 ausgegeben
wird, wie es im Folgenden genauer beschrieben wird. Weitere geeignete
Profile können
natürlich eingesetzt
werden und einige Alternativen werden ebenfalls beschrieben, beispielsweise
in der vorerwähnten
US Patentschrift 5,833,142.
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Das äußerste Ende
des Durchflusssteueransatzes 41 bestimmt eine Primärelektrode 45,
welche zusammen mit einer Sekundärelektrode 47 eine
Funkenstrecke 49 dazwischen bestimmt. Die Funkenstrecke/Elektrodenabstand 49 ist
axial relativ zu dem Durchflusssteueransatz 41 in dieser
Ausgestaltung positioniert. Eine elektrische Hochspannungsschaltung
(nicht dargestellt) wird zur selektiven Einrichtung eines Spannungsdifferenzpotentiales
zwischen der Primärelektrode 45 und
der Sekundärelektrode 47 eingesetzt,
womit ein Zündfunken über die
Funkenstrecke 49 erzeugt wird. Der Hochspannungsstrom zum
Aufbau des Spannungspotentiales an der Primärelektrode 45 wird
zu der Elektrode mittels des Ventiles 21 geführt. Folglich
werden das Ventil 21 und das Ventilgehäuse 17 durch den keramischen
Isolator 15 isoliert. Die Sekundärelektrode 47 kann
als Teil der Vorrichtung 10 ausgebildet sein, kann jedoch
alternativ auch in anderen geeigneten Bestandteilen oder Elementen
des Motors, wie beispielsweise dem Zylinderkopf, angebracht sein.
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Wie
bereits erwähnt,
beeinflussen die Anordnung der ringförmigen Oberfläche 33 und
die Dichtfläche 35 und
insbesondere der Durchflusssteueransatz 41 die Flugbahn
des Kraftstoffnebels, welcher vom Zufuhranschluss 30 ausgegeben
wird. Kraftstoffdampf und kleinere Kraftstofftröpfchen in dem versprühten Kraftstoff
werden in Richtung auf den Durchflusssteueranschluss 41 gezogen,
wie es schematisch durch die Fluglinien 41 in 1 der
begleitenden Zeichnungen herausgestellt wird und werden deshalb
zu dem Bereich in der Nähe
der Funkenstrecke 49 geführt. Der Kraftstoffnebel wird
in Richtung auf den Durchflusssteueransatz 41 gezogen und folgt
einem Pfad, welcher durch das Profil des Ansatzes 41 bestimmt
wird, dargestellt durch die Flusslinien 51. Ein derartiger
Einfluss auf die Flugbahn des Kraftstoffnebels, welcher sich von
dem Fluiddurchflussphänomen,
bekannt als Coanda Effekt, bildet, wie in der vorerwähnten US
Patentschrift 5,551,638 beschrieben. Die Flugbahn der kleinen Kraftstofftröpfchen wird
durch den Durchflusssteueransatz 41 auf Grund ihres hohen
Oberflächen
zu Volumen-Verhältnisses
beeinflusst. Derartige Tröpfchen
existieren typischerweise in Raten Gas/Flüssigkeit mit entsprechenden
Einheiten, numerisch bei 1,0.
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Bei
niedrigen Raten von Gas/Fluid, wie in der Größenordnung von 0,1 können die
Kraftstofftröpfchen
groß genug
sein, um dem Widerstand des Einflusses des Durchflusssteueransatzes 41 auf
Grund ihres Impulses zu widerstehen und folgen einer Flugbahn entsprechend
der Linie 53. Entsprechend wird in dem Kraftstoffnebel,
welcher von dem Zufuhranschluss 30 ausgegeben wird, eine
größere Rate
von Gas/Fluid vorhanden sein, wobei der Durchflusssteueransatz 41 eine
größere signifikante
Wirkung auf die Form des Kraftstoffschwadens hat. Umgekehrt haben
für den
Fall, dass der Kraftstoffnebel eine geringere Rate Gas/Fluid aufweist,
die Ausgangsoberflächen
des Zufuhranschlusses 30 eine signifikant größere Wirkung
auf die Formgebung des Kraftstoffschwadens.
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Entsprechend
werden Kraftstofftröpfchen und
Dampf in Richtung auf den Bereich gezogen, der in der Nähe der Funkenstrecke 49 liegt,
während
die größeren Kraftstofftröpfchen vom
Eintritt in diese Region ausgeschlossen werden, wo sie wahrscheinlich auf
den Elektroden auftreffen würden,
insbesondere auf die sekundäre
Elektrode 47 in der unmittelbaren Nähe der Zündstrecke 49. Somit
trägt der
Ansatz zum Aufbau einer gewünschten
wiederholbaren Luft/Kraftstoffrate in dem Bereich unmittelbar unterhalb
des Zufuhranschlusses 30 bei. Damit wird ein wiederholbarer
und zuverlässiger
Zündprozess
eingerichtet, womit die Isolierung und Auslöscheffekte auf Grund großer Kraftstofftröpfchen in
der Zündstrecke 49 vermieden
wird.
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Ein
besonderer Vorteil der Anordnung entsprechend der Ausgestaltung
nach 1, wo die Zündstrecke 49 axial
ausgerichtet ist, besteht darin, dass die Größe der Lücke 49 sich beim Öffnen des Zufuhranschlusses 30 verringert
und sich beim Schließen
des Zufuhranschlusses 30 erhöht. Dies ist vorteilhaft, da
die Funkenstrecke 49 schließt, wenn der Injektor betätigt wird.
Folglich wird das Spannungspotential, welches erforderlich ist,
um den Zündbogen
zu erzeugen, reduziert. Es ist wahrscheinlich, dass der Bogen erhalten
bleibt, wenn der Zufuhranschluss 30 schließt und die
Funkenstrecke 49 bis zur maximalen Ausdehnung öffnet.
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Wie
oben erwähnt
ist das Profil des Durchflusssteueransatzes 41 entsprechend 1 in
den Figuren besonders vorteilhaft, obwohl weitere Profile für den Durchflusssteueransatz
sicherlich möglich sind.
Ein solch weiteres Profil wird in der Vorrichtung 10 entsprechend 2 in
den Zeichnungen dargestellt. Ein weiterer Unterschied zu den Anordnungen nach 2 der
Figuren besteht darin, dass die Funkenstrecke 49 zwischen
der Primärelektrode 45,
bestimmt durch den Durchflusssteueransatz 41 und die Sekundärelektrode 47,
radial geneigt ist entsprechend der axialen Neigung in der Ausgestaltung
nach 1. Bei bestimmten Anwendungen ist der Einsatz einer
radialen Funkenstrecke 49 tatsächlich vorteilhafter als ein
axialer Abstand. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn dies
von der Form und der Zusammenstellung des Durchflusssteueransatzes 41, der
verwendet wird, abhängig
ist. Da die kleineren Kraftstofftröpfchen und der Kraftstoffdampf
in Richtung auf die Oberfläche
des Ansatzes 41 angezogen werden (wie bereits angedeutet),
können
unter bestimmten Funktionsbedingungen einige der Tröpfchen und
der Kraftstoffdampf die Oberfläche
kontaktieren und entlang der Oberfläche nach unten laufen in Richtung
auf das unterste Ende des Ansatzes 41. Dies ergibt einige
schwerere Kraftstofftröpfchen,
welche an dem untersten Ende des Ansatzes 41 ausgebildet
werden, und welche auf die Elektroden 45, 47 in
dem Fall auftreffen können,
in dem die Funkenstrecke 49 axial relativ zu dem Ansatz 41 ausgerichtet
ist. Entsprechend kann der Ansatz einer radialen Funkenstrecke 49 in
derartigen Anwendungen bevorzugt werden, da er jegliche nachteiligen
Effekte vermeidet, welche durch eine dünne Schicht von Fluid, die sich
entlang der Oberfläche
des Ansatzes 41 bewegt, ergeben.
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Weiterhin,
wie bereits angedeutet, kann die Einrichtung einer radialen Zündstrecke
sicherstellen, dass der Zündfunke
einen Bereich von Luft/Kraftstoffraten quert, die im Zylinder vorkommen.
So kann eine Anordnung die Wahrscheinlichkeit, dass ein Zündvorgang
auftritt erhöhen.
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In
der ersten und der zweiten Ausgestaltung ist die Funkenstrecke 49 in
der Nähe
des untersten Endes des Durchflusssteueransatzes 41 positioniert. Eine
alternative Anordnung ist in 3 bildlich
dargestellt, wobei die Sekundärelektrode 47 näher an dem
Zufuhranschluss 30 positioniert ist, um ebenfalls eine
Modifizierung der Verbrennungsablagerungen zu vereinfachen, welche
sich in der Nähe
der divergenten Düse 39 ausbilden
können,
welche am Zufuhranschluss 30 ausgebildet ist. In dieser
Ausgestaltung werden Ablagerungen entfernt über elektrische Erosion, die
bei der Betätigung
der Zündung
in der Funkenstrecke 49 auftritt. Zu diesem Zweck können mehr
als eine Sekundärelektrode 47 vorhanden
sein, um eine derartige Erosionswirkung zur Verfügung zu stellen. Bei mehrfach
vorhandener Sekundärelektrode 47 können diese
wie üblich
in Umfangsrichtung um die Primärelektrode 45 positioniert
sein. Eine Modifizierung oder eine Entfernung von Ablagerungsformationen
dient auf diese Art und Weise zur Beibehaltung der Unversehrtheit
der Ventilausgangsoberflächen
des Zufuhranschlusses 30.
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Weiterhin
ist in bestimmten Anwendungen, in denen der Durchflusssteueransatz 41 nicht
an der Vorrichtung 10 vorhanden sein kann und die Funkenstrecke
zwischen der Sekundärelektrode 47 und
dem Ventilglied 23 dargestellt ist, die Positionierung
der Sekundärelektrode 47 nach 3 eine
mögliche
Anordnung sein, welche dazu führen
würde,
eine zuverlässige
und wiederholbare Zündung
zu erhalten. In einer solchen Anordnung ergibt sich, sogar wenn kein
Ansatz vorhanden ist, die Ausführung
des zerstäubten,
von dem Zufuhranschluss 30 ausgegebenen Kraftstoffes mit
zwei Fluiden und die Beschaffenheit der Austrittsoberflächen an
dem Zufuhranschluss 30 führt zu einer Kragenbildung
des zerstäubten
Kraftstoffes stromabwärts
der Düse
auf Grund des vorhandenen niedrigeren Druckbereiches direkt unterhalb
und in der Nähe
des Ventilgliedes 23. Dies wird erleichtert durch die feine
Zerstäubung
der Kraftstofftröpfchen,
welche durch den dualen Fluidzufuhrinjektor vorhanden ist. Weiterhin
wird der Bereich unterhalb des Ventilgliedes 23 im Wesentlichen geschützt vor
größeren schwereren
Kraftstofftröpfchen
und somit ist die Einrichtung einer wiederholbaren Luft/Kraftstoffrate,
welche zu einer Zündung
führt, allgemein
in der Lage in diesem Bereich unmittelbar stromabwärts des
Zufuhranschlusses 30 vorhanden zu sein.
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In
diesen Ausgestaltungen, die in den 1, 2 und 3 der
Zeichnungen bildlich dargestellt sind, wird der in dem Gas mitgerissene
Kraftstoff zur Verbrennungskammer entlang eines Strömungspfades
zugeführt,
der von dem Durchgang 27 bestimmt wird, der um den Ventilstößel 25 angeordnet
ist. Weitere geeignete Anordnungen sind jedoch ebenfalls möglich. Eine
der weiteren Anordnungen wird in der Ausgestaltung entsprechend
der 4 und 5 dargestellt. In dieser Ausgestaltung
ist der Ventilstößel hohl,
um einen Strömungsdurchgang 61 zu
erhalten, entlang dessen der Kraftstoff und/oder das Gas zugeführt werden
können. Öffnungen 63 können in der
Wand des Ventilstößels 25 vorhanden
sein, um die Gasströmung
aus dem Durchgang 61 in eine äußere Zone 65 passieren
zu lassen, von wo eine Zufuhr zu Öffnungen des Zufuhranschlusses 30 möglich ist.
Ein derartiger Kraftstoffzufuhrinjektor mit einem hohlen Ventilstößel wird
beispielsweise beschrieben in der US Pa tentschrift des Anmelders
RE 36,768, deren Inhalt durch diesen Bezug mit eingeschlossen ist.
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Die
Ausgestaltung nach 6 ist ähnlich der Ausgestaltung nach
den 4 und 5 mit Ausnahme der Sekundärelektrode 47,
die in verschiedenen möglichen
Positionen dargestellt ist. In jeder der 4, 5,
und 6 sind ähnliche
Bezugsziffern eingesetzt für
Bestandteile, die entsprechend korrespondieren, wie in den Ausgestaltungen
nach 1, 2, und 3 beschrieben.
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In
den unterschiedlichen Ausgestaltungen kann wie oben beschrieben
die Primärelektrode 45, bestimmt
durch den Strömungssteueransatz 41,
eine Widerstandsspule aufnehmen oder sie kann vollständig aus
einem widerstandsaufweisendem Material dargestellt und mit dem Ventilglied 23 verbunden sein,
so dass die Rate der Strom- und Spannungsveränderung reduziert wird, wenn
ein Bogen zwischen den Elektroden während eines Zündvorganges
erscheint. Dies mag vorteilhaft sein, da es die elektromagnetischen
Emissionen oder Interferenzen reduzieren kann, welche Wechselwirken
können
mit in der Nähe
liegenden elektronischen Schaltungen oder elektrischen Systemen.
In einer besonderen Anordnung kann die Elektrode eine teilweise
leitfähige Keramik
enthalten mit einem Widerstand in der Größenordnung von 5 bis 50 kΩ. Eine Metallbeschichtung
kann üblicherweise
an dem Ende der Keramikelektrode vorhanden sein. Eine Kugel oder
weitere geeignete Formen eines Edelmetalls (wie beispielsweise Platin
oder Iridium) kann auf der Metallbeschichtung angeschweißt werden,
um die geforderte Gesamtbetriebszeit unter Berücksichtigung der elektrischen
Erosion durch den Lichtbogen zu ermöglichen.
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Weiterhin
kann die Sekundärelektrode 47 verbunden
werden mit einem sekundären
Spannungspotential über
einen Widerstandspfad oder ein Element 54 entsprechend 1.
Ein derartiger Widerstandspfad kann in ähnlicher Weise die Wechselrate
von Spannung und Strom an der Funkenstrecke 49 begrenzen,
wenn ein Bogen während
eines Zündvorganges
eingerichtet ist.
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Aus
dem bisher Beschriebenen ist sichtbar, dass das kombinierte Injektions-
und Zündmittel
entsprechend der verschiedenen Ausgestaltungen eine sehr wirksame
Anordnung zur Zufuhr von Kraftstoff zu einer Funkenstrecke in einer
Weise bereitstellt, dass Leitfähigkeitsbedingungen
für einen
zuverlässigen
und wiederholbaren Zündvorgang
vorliegen. Insbesondere ermöglicht
ein Vorteil des kombinierten Injektions- und Zündmittels, wie bereits beschrieben, dass
die Funkenstrecke 49 der Vorrichtung 10 in dem Bereich
angeordnet werden kann, wo Dampf und kleine Kraftstofftröpfchen verstärkt vorhanden
sind oder strömen.
Weiterhin wird dafür
gesorgt, dass größere Kraftstofftröpfchen,
die nicht wesentlich zur Einrichtung eines zuverlässigen Zündvorganges
beitragen, nicht in die Funkenstrecke 49 gelangen. Entsprechend
sorgen die Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung dafür, dass
eine Funkenstrecke 49 in einem Bereich unterhalb des Zufuhranschlusses 30 eingerichtet
werden kann, wo eine hohe Toleranzbreite für die Zündung vorliegt. Als Ergebnis
werden bestimmte Vorteile gegenüber
dem Stand der Technik realisiert, wobei wesentliche Herausforderungen in
Bezug auf die Bereitstellung eines geeigneten Zündmittels in einem großen Toleranzbereich
für die Zündung realisierbar
sind. Dies bedeutet, dass die vorliegende Erfindung eine wesentliche
Flexibilität hinsichtlich
der Positionierung der Funkenstrecke 49 bereitstellt. Insbesondere
ist ein kombiniertes Injektions- und Zündmittel wie oben beschrieben,
welches entsprechend einem dualen Fluidkraftstoffinjektionsprozess
betrieben wird, in weiten Bereichen tolerant hinsichtlich der Positionierung
der Funkenstrecke 49 stromabwärts der Vorrichtung und auf
Grund der wiederholbaren Luft/Kraftstoffrate, welche in dem Bereich
unmittelbar stromabwärts
davon erzeugt wird.
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Es
ist ebenfalls erwähnenswert,
dass bei der vorliegenden Erfindung die Zündung aus dem inneren Teil
des Kraftstoffnebel schwadens auftritt, wie gegenüberliegend zu dem äußeren Teil
desselben (beispielsweise ist die Zündstrecke näher an der axialen Achse des
Kraftstoffzufuhrinjektors). Dies kann am Besten bei der Betrachtung
der 1 und 2 deutlich werden. Dies ist
allgemein unterschiedlich zu im Stand der Technik existierenden
Anordnungen, wobei die Zündung
normalerweise aus dem äußeren Teil
oder aus der Peripherie des Kraftstoffnebelschwadens auftritt (beispielsweise
nach außen
beabstandet oder radial weiter entfernt von der zentralen Achse
des Zufuhrinjektors). Weiterhin ermöglichen Anordnungen entsprechend
der vorliegenden Erfindung, dass die Zündung direkt aus dem ursprünglichen
Kraftstoffnebelschwaden bewirkt wird, welcher von dem Zufuhranschluss 30 ausgegeben
wird. Dies bedeutet, dass in verschiedenen Anordnungen nach dem
Stand der Technik der Zündvorgang
nicht erfolgt, bevor die Kraftstoffbeladung abgelenkt oder reflektiert
worden ist von einem weiteren Bestandteil innerhalb der Verbrennungskammer
(beispielsweise einer Kavität
oder einer Aushöhlung
in der Kolbenkrone). Wie bereits vorher angedeutet, ermöglichen Anordnungen
nach der vorliegenden Erfindung im Gegensatz dazu, dass die Zündung kurz
nach der Abmessung der Menge an Kraftstoff auftritt, welcher aus
dem Zufuhranschluss 30 ausgegeben worden ist.
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Die
Eigenart des kombinierten Injektions- und Zündmittels ist an sich nicht
beschränkt
auf die Anordnungen, wie sie in den unterschiedlichen Ausgestaltungen
hierin behandelt werden, sondern weitere geeignete Anordnungen unterschiedlicher
Konstruktionen können
natürlich
eingesetzt werden. Beispielsweise kann das kombinierte Injektions-
und Zündmittel
zweiteilig aufgebaut sein.
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Weiterhin
kann, obwohl dies bereits unter Bezug auf die nach außen gerichtete Öffnung oder das
Tellerventil bei Zufuhrinjektoranordnungen beschrieben ist, vorgesehen
sein, dass bestimmte Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung bei
geeigneten Ausgestaltungen für
nach innen öffnende
Systeme oder Zapfendüsentypen
von Zufuhrinjektoren oder Ventilanordnungen vorgesehen sind.
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Es
ist weiterhin davon auszugehen, dass die Erfindung genauso anwendbar
ist unabhängig
davon, ob flüssige
Kraftstoffe oder gasförmige
Kraftstoffe wie beispielsweise LPG, LNG und CNG ausgegeben werden.
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Da
Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen unter
Bezug auf eine einzige Strömung
bei einer kombinierten Zünd-
und Zufuhrvorrichtung beschrieben wurden, worin Kraftstoff (und
Luft) und Hochspannungszündstrom
dem im Wesentlichen gleichen Pfad folgen, kann davon ausgegangen
werden, dass die vorliegende Erfindung genauso anwendbar ist, wo
Kraftstoff und Hochspannungszündstrom
nicht einem gemeinsamen Pfad folgen durch die Zünd- und Injektionsvorrichtung
hindurch.
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Die
Erfindung ist anwendbar auf sämtliche Typen
von Verbrennungskraftmotoren, egal ob nach dem Zwei- oder Viertakttyp,
weist jedoch besondere Vorteile bei direkt injizierenden Viertaktmotoren
auf, da dort Probleme hinsichtlich der begrenzten verfügbaren Abstände in dem
Zylinderkopf zu überwinden sind,
um verschiedene Bestandteile, Elemente und Merkmale unterzubringen.
Es wird deutlich, dass die Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung
die Notwendigkeit eines getrennten Kraftstoffzufuhrinjektors und
eines separaten Zündmittels
in dem Zylinderkopf, korrespondierend zu einer Verbrennungskammer
eines Motors, beseitigt.
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Durch
die speziellen Angaben wird, auch wenn aus dem Zusammenhang anderes
hervorgeht, der Begriff „beinhaltet" oder Variationen
wie „beinhalten" oder „beinhaltend", so zu verstehen
sein, dass die Einschließung
eines dargestellten Ganzen oder die Gruppe von Ganzen eingeschlossen
ist, jedoch nicht der Ausschluss irgendeiner weiteren ganzen Einheit
oder einer Gruppe von Ganzen.