EP0142513B1 - Einrichtung zur kraftstoffeinspritzung in brennräume - Google Patents
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- EP0142513B1 EP0142513B1 EP84901332A EP84901332A EP0142513B1 EP 0142513 B1 EP0142513 B1 EP 0142513B1 EP 84901332 A EP84901332 A EP 84901332A EP 84901332 A EP84901332 A EP 84901332A EP 0142513 B1 EP0142513 B1 EP 0142513B1
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M53/00—Fuel-injection apparatus characterised by having heating, cooling or thermally-insulating means
- F02M53/04—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means
- F02M53/06—Injectors with heating, cooling, or thermally-insulating means with fuel-heating means, e.g. for vaporising
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
- F02M57/00—Fuel-injectors combined or associated with other devices
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
- F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
- F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
Definitions
- the invention is based on a device for injecting fuel into combustion chambers according to the categories of independent claims 1 and 7.
- a device of the generic type is known in which a ceramic incandescent body is provided on the inner channel wall and optionally also on the outer jacket with heating elements which are expediently formed as thin metal coatings and are divided into individual areas which can be controlled independently of other areas in order to selectively different annealing states cause and thereby adapt the beam and ignition quality to the requirements of optimal operation.
- it is proposed in this document as u. a. to provide an incandescent filament which is embedded in a ceramic support body which can also serve as a heat store during prolonged annealing.
- a glow plug for heating the air or the air-fuel mixture in an internal combustion engine which is provided with two metallic heating wire elements of different heating intensities, both of which are embedded in a ceramic mass, which are used for insulation the metallic heating elements compared to other components of the glow plug. Direct contact of the heating elements with the air or the air / fuel mixture flowing around the glow plug is not provided and is not possible.
- the number of individual components of the device can be reduced if the heating elements are formed by a common coil.
- the different body contact between the heating elements and the ceramic body can preferably be achieved in that the heating elements are also corrugated in their longitudinal direction and differ by a different corrugation length and / or corrugation height and / or embedment depth in the ceramic body.
- the heating elements can be electrically connected in parallel and can each be controlled in a specific operating state in accordance with the requirements.
- the sequence of the heating elements is chosen according to the heating requirements.
- a quick heating element then a permanent heating element and then again a quick heating element can be arranged in the flow direction of the fuel.
- independent claim 7 there is a simple design because the support body itself forms the permanent heating element for constant operation and an additional heating element is not required for this.
- a heating element resistant to high temperatures and combustion gases is obtained without additional effort, which is insensitive to temperature shocks and is suitable for both short heating-up times and continuous glow operation.
- the ceramic support body can preferably consist of a ceramic material with a negative temperature coefficient (NTC resistance), preferably of SiC. With appropriate coordination with the metallic heating element, the ceramic support body could also be made of a material with a positive temperature coefficient (PTC resistance), for. B. MoSi 2 exist.
- NTC resistance negative temperature coefficient
- PTC resistance positive temperature coefficient
- the specified materials are particularly resistant to thermal shock and can be used in both reducing and oxidizing atmospheres up to high temperatures (SiC up to approx. 1150 ° C, MoSi 2 up to approx. 1300 ° C).
- the metallic heating element can consist of a material with a positive temperature coefficient (PCT resistance), preferably of a platinum alloy.
- PCT resistance positive temperature coefficient
- Such a heating element can be combined with the ceramic glow element as a second heating element to form a fast-responding permanent glow element.
- the metallic heating element glows within a short time when the engine is preheated and started, providing the high starting power and also heating the ceramic support body until it becomes conductive is and continues to heat itself up by self-consumption.
- the current load of the metallic heating element designed as a PCT resistor drops back to lower values, so that continuous operation of the metallic heating element is also possible without damage.
- the successive effect of the two heating elements is achieved without additional switching means, and the ceramic support body, which is designed as an incandescent body with its own heating, is also particularly well suited for forming channels through which the combustion air accompanying the squirting fuel is guided.
- the interaction of the metallic heating element with the ceramic supporting body can be influenced in a targeted manner if the metallic heating element has good heat-conducting contact with the supporting body at least over part of its length.
- the sections of the metallic heating element which are in thermally conductive contact with the support body heat up more slowly than its other line sections and therefore remain longer in a lower resistance range.
- the sections of the metallic heating element that heat up faster or more strongly can be arranged in that region of the glow attachment in which the accompanying combustion air has already mixed with the edge zones of the fuel jet.
- the support body has a central bore for the passage of the fuel and the metallic heating element is provided with at least one, but preferably a plurality of spiral sections arranged on the bore wall of the support body.
- the spiral sections of the mechanical heating element arranged on the bore wall of the support body additionally ensure good swirling or mixing of the accompanying combustion air with the edge zones of the fuel jet.
- the air guiding device conducts the flow of the combustion air accompanying the injecting fuel before it enters the central bore of the support body via its outer jacket and that the line sections of the metallic heating element connecting the inner coil sections pass through the outer jacket or through Outer jacket outgoing recesses of the support body are guided.
- the accompanying combustion air is preheated well before it is touched or mixed with the injecting fuel.
- the line sections of the metallic heating element connecting the inner coil sections are also designed as coils which are suitably inserted into slots extending radially from the circumference of the support body and extending close to its central bore wall.
- the length of the spiral sections of the metallic heating element arranged in the slots of the support body can be approximately 50% of its total length.
- the inner coil sections of the metallic heating element located in the central bore of the support body glow, for example, within 1 to 2 seconds in the temperature range from approximately 1200 to 1400 ° C.
- the other spiral sections inserted in the slots of the support body are much slower in the temperature rise with more intense thermal contact with the support body.
- the PTC effect of the metallic heating element now leads to the fact that the high temperature, which is important for the starting phase, of the inner spiral sections facing the injection jet decreases to the extent that the increase in resistance of the slowly heating spiral sections progresses in the slots of the supporting body.
- This self-regulating effect thus brings the high heating element temperature, which is important for the starting phase, back to a value which no longer affects the service life of the metallic heating element.
- the temperature of the support body, heated by the metallic heating element continues to increase until its resistance has dropped so far that the support body itself becomes a heat conductor when the voltage is applied.
- a fuel injector with only one spray opening such as a plug or an outwardly opening injector, or a multi-hole nozzle.
- the exemplary embodiment according to FIG. 1 has an injection nozzle 2 screwed into a motor housing 1, which is followed by a heating device 3.
- the injection nozzle 2 has a nozzle body 4 and a valve needle 5, as well as a clamping nut 6, with which the nozzle body 4 is clamped to a nozzle holder, not shown, and which acts with its one end face on a spacer ring 7 between the motor housing 1 and the injection nozzle 2.
- the heating device 3 has a housing 8 fastened to the clamping nut 6, which has a sleeve-shaped extension 9 which bears a glow body provided with the reference number 10 as a whole and surrounds it with radial play.
- the sleeve-shaped extension 9 in turn protrudes with radial play into a bore 11 in the engine housing 1, which leads from the injection nozzle 2 into the combustion chamber. Due to the radial play, an annular space 12 is formed between the bore 11 and the attachment 9 and an annular space 13 is formed between the attachment 9 and the incandescent body 10, which is connected to the annular space 12 via holes 14 in the attachment 9.
- the incandescent body 10 has a bush-shaped ceramic body 15 which is provided with a passage 16 for the spray jets and with ventilation openings 17 opening laterally into the passage 16.
- the ceramic body 15 On the inner wall delimiting the passage 16, the ceramic body 15 is provided with a helical groove 24 in which three helical heating elements 25, 26 and 27 are also incorporated.
- the heating elements 25, 26, 27 are formed by an electrical resistance wire with a flat, rectangular cross section in order to thereby obtain the largest possible area that can be covered by the air.
- the ceramic body 15, which is formed from two half-shells for the purpose of easier assembly, is held in its centered position in the housing 8 by a spring washer 28. To the heating elements 25, 26, -27 lead electrical connecting lines 29, which are led through a milled in the clamping nut 6.
- the helical heating elements 25, 26, 27 are also corrugated in such a way that the wave crests engage in the spiral groove 24 and the wave troughs lie in the region of the passage 16 for the spray jets.
- the arrangement is such that the three heating elements 25, 26, 27 have different spiral pitches and are therefore in different intimate thermal contact with the ceramic body 15.
- the heating element 25 closest to the nozzle body 4 is most closely corrugated.
- the folding distance of the individual shafts is very tight, with a considerable part of the heating element 25 disappearing in the spiral groove 24 of the ceramic body 15.
- only a relatively small part protrudes into the combustion air flow, so that only a relatively slow, immediate heating takes place.
- FIG. 3 shows a section through the second heating element 26, which is less corrugated than the heating element 25 and rests less strongly in the ceramic area.
- the heating element 26 is supported in the helical groove 24 only by seven lugs 26a, so that the sections of the heating element 26 which extend between these lugs 26a and which are directly exposed to the air flow provide the air flow with a larger heating surface than the heating element 25 and produce a larger part of them Transfer heat directly to the air flow.
- the section through the third heating element 27 shown in FIG. 4 shows that the latter only engages with four lugs 27a in the helical groove 24, so that the intermediate sections offer almost a maximum of heating surface. This heating element 27 is provided for rapid heating when cold starting.
- the heating elements 25, 26, 27 can also have a different width.
- the heating elements 25, 26, 27 can be formed from a continuous resistance wire and can be switched into a circuit according to FIG. 5.
- the symbols R A , R B and R c denote the electrical resistances of the heating elements 25 to 27, which are connected in series in a one-piece design and which are preceded by an adjustable resistor D. Due to the fixed design of the heating elements 25, 26, 27, the proportions of the heating elements which have already been defined are fundamentally determined, the total output of which can be changed via the adjustable resistor D.
- the temperature-time diagram shown in FIG. 6 shows what effect the individual resistors have over time.
- the resistance R c of the heating element 27 has a very high temperature output at the beginning, which then falls back to an average value which the other two resistors R B and R A also reach after a while. Due to the design of the heating element 27, a strong differentiation in the direction of rapid heating is achieved at the beginning of the heating, until after some time the resistance output of all three heating elements is approximately the same.
- the heating element 27 thus forms a rapid heating element, while the heating element 25 has the function of one Ceramic body 15 forms an electrical resistance element heating up to a temperature sufficient for constant operation.
- the three heating elements 25 to 27 can also be designed as separate components and electrically connected in parallel.
- the three resistors R A , R B and R c can each be assigned an adjustable resistor D, or D 2 or D 3 , via which the heating currents can be controlled independently, depending on the operating state.
- the exemplary embodiment according to FIG. 8 has the same basic structure as the exemplary embodiment described above, so that reference is made here only to the different structural details.
- the heating device 3 has an inner metallic heating element 30 which is formed from a glow wire which is coiled both with the diameter d around its longitudinal axis and with the diameter d 2 around the axis of the injection nozzle and consists of a material with a positive temperature coefficient .
- the material diameter of the filament is matched to the helix diameters d and d 2 in such a way that an inherently rigid structure results which withstands the deformation forces that occur during operation.
- the heating element 30 is surrounded with little play by an annular support body 31, which consists of electrically conductive ceramic material with a negative temperature coefficient and forms a second heating element.
- the support body 31 is slotted lengthwise at one point on its circumference and contacted on an edge of the slot with an electrical conductor 32, to which one end of the heating element 30 is also connected.
- an annular space 33 is formed, which is connected via bores 34 in the housing 9 to the combustion chamber of the machine and via edge notches 35 in the support body 31 to its interior.
- the two heating elements 30 and 31 are held in place centrally on the spring plate ring 23 also provided here and via an aperture plate 36 made of electrically insulating material on the housing 9.
- the perforated screen 36 also protects the injection nozzle 2 against infrared radiation and also covers the edge notches 35 in the support body 31 towards the injection nozzle.
- an intermediate plate 37 is provided, which is also made of electrically insulating material.
- the two connections of the heating element 30 and the support body 31 which are not connected to the conductor 32 are connected to the housing 9 serving as a ground connection.
- both heating elements 30 and 31 are connected to voltage in parallel with one another.
- the metallic heating element 30 then glows very quickly, while the ceramic heating element 31 only begins to heat up slowly. After a certain operating time, the ceramic heating element 31 has reached its permanent annealing temperature, while the heating element 30 is subjected to less electrical stress than initially due to its increased resistance. As a result, the metallic heating element 30 is not damaged in continuous operation.
- the glow plug initially provides a high heating output and then drops to an average heating output, which sucks a fuel jet 38 from the combustion chamber along the flow lines 39 to combustion air, which is already preheated on the ceramic support body 31 on the outside and inside the Support body 31 penetrates into the edge zone of the fuel jet, where it mixes intensively with the fuel droplets of the edge zone.
- FIGS. 10 to 12 is the same as the embodiment according to FIG. 9 except for a differently designed glow plug.
- This has an annular ceramic support body 40, which has a radial separation slot 41 at one point.
- the support body 40 is also provided with a multiplicity of uniformly distributed longitudinal slots 42, which extend from its circumference 44 and extend up to the distance a to its central bore 45.
- the longitudinal slots 42 are recessed at the upper end of the support body 40 over an axial length b into the central bore 45 so that they each form a passage 46 to the bore 45 there.
- the support body 40 is provided with a central recess 47 of depth c and diameter e.
- a core ring 48 remains between the passages 46 and the recess 47 and is only interrupted by the continuous separating slot 41.
- the support body 40 is made of an electrically conductive ceramic material which has a negative temperature coefficient and has a noticeable electrical conductivity only at higher temperatures.
- the surfaces of the support body 40 delimiting the slit 41 are provided with local depressions 50, in the area of which a groove 51 leading to the adjacent slot 42 opens out in the circumference 44 of the support body 40.
- contact elements 52 are arranged which connect the support body 40 in an electrically conductive manner to connecting wires 53 which are guided through the grooves 51.
- the support body 40 is coated on its entire surface with an electrically insulating layer, which is not particularly shown in the drawing.
- a metallic heating element 55 which consists of a filament with a positive temperature coefficient, is wound onto the support body 40.
- the heating element 55 has a number of inner spiral sections 56 corresponding to the number of slots 42, each of which runs opposite one slot 42 along the wall of the bore 45 at a small distance.
- Each inner coil section 56 is an outer one Associated with the helical section 57, which is fitted into the corresponding slot 42 and is in good heat-conducting contact with the support body 40.
- the two radially opposite coil sections 56, 57 are connected via an elongated filament section 58 arranged in the passage 46.
- an outer coil section 57 is connected to an inner coil section 56 lying in an adjacent division plane via an elongated filament section 59.
- the support body 40 Due to the described design of the support body 40, its core ring 48 forms a heating resistor bent into an open ring, which is connected in parallel with the electrical heating element 55 via the connecting wires 53.
- the longitudinal slots 42 also largely avoid thermal tensioning of the support body 40 during operation.
- the support body 40 is preferably made of SiC, while the heating element 55 consists of a material with a PTC characteristic, for example a platinum alloy or MoSi 2 .
- the number of longitudinal slots 42 and the slot depth is determined by the helix diameter and the wire length of the heating element 55 to be accommodated, and by the desired support body resistance at a specific support body temperature.
- the helical sections 56 of the heating element 55 located in the bore 45 glow in the temperature range from 1200 to 1400 ° C. within, for example, 1 to 2 seconds.
- the spiral sections 56 thus act as a starting winding, which has the very rapid rise in temperature due to high current consumption.
- the other spiral sections 57 of the heating element 55 inserted in the longitudinal slots 42 are with heat-intensive contact to the support body 40 much more slowly in the temperature rise and remain longer in the lower temperature range. As a result, the starting winding effect of the inner coil sections 56 is further enhanced. In this phase of the highest temperature of part of the heating element 55, the engine starts.
- the PTC effect of the heating element 55 now leads to the fact that the high temperature of the inner coil sections 56, which is important for the starting phase, decreases as the resistance increase of the slowly heating coil sections 57 in the longitudinal slots 42 progresses. This self-controlling effect thus reduces the high heating power of the spiral sections 56, which is important for the starting phase, to a value which no longer impairs the service life of the heating element 55.
- the temperature of the support body 40 increases, which is also heated by the heating element 55.
- the electrical resistance of the NTC ceramic of the support body 40 decreases to such an extent that the support body itself, when the voltage is applied, draws current and becomes the heating conductor.
- the outer spiral sections 57 which are closely connected to the supporting body 40, are PTC-like, which leads to a further increase in resistance of the heating element 55, so that the power component of the PTC circuit drops further.
- the support body 40 which has become a heating element, now takes over the ignition aid as an NTC heating circuit for the now warm-up phase of the machine.
- This heating circuit can be switched off after the operating temperature of the machine has been reached or can remain switched on as a robust heating element for other tasks in improving the combustion process in the machine.
- the combustion air sucked out of the combustion chamber by the fuel jet ejected from the injection nozzle is guided over the outer circumference and through the longitudinal slots of the support body 40 and is preheated there very effectively in the desired manner.
- the heating element 55 continues to operate after the increase in its resistance in the "gentle cycle".
- the ceramic support body 40 can be formed at least on the jacket without an electrically insulating coating.
- the turns of the outer spiral sections 57 may be undone. short-circuited, which counteracts the PTC effect of the heating element 55.
- this PTC effect can be matched to the other parameters in such a way that it outweighs the short-circuit effect and that the desired overall effect does occur.
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Description
- Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche 1 und 7. Aus der gemäß Artikel 54 (3) als Stand der Technik zu berücksichtigenden EP-A-0 102 507 ist eine Einrichtung der gattungsmäßigen Art bekannt, bei welcher ein aus Keramik bestehender Glühkörper an der inneren Kanalwand und gegebenenfalls auch auf dem Außenmantel mit Heizelementen versehen ist, die zweckmäßig als dünne Metallbelege ausgebildet und in einzelne Bereiche aufgeteilt sind, die unabhängig von anderen Bereichen gesteuert werden können, um gezielt verschiedene Glühzustände hervorzurufen und dadurch die Strahl- und Zündqualität an die Erfordernisse eines optimalen Betriebes anzupassen. Außerdem wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, als Heizelement u. a. eine Glühwendel vorzusehen, die in einen keramischen Stützkörper eingebettet ist, der auch als Wärmespeicher bei längerem Glühen dienen kann.
- Aus der vorveröffentlichten DE-C-834 467 ist eine Einrichtung zum Einspritzen von Kraftstoff in Brennräume von selbstzündenden Brennkraftmaschinen bekannt, bei welcher ein der Einspritzdüse nachgeschalteter Glühkörper aus einer eigensteifen Glühwendel besteht, für die ein keramischer Stützkörper nicht vorgesehen ist. Neben diesem gattungsmäßigen Unterschied sind bei dieser bekannten Anordnung auch keine Maßnahmen vorgesehen, um verschiedene Glühzustände hervorzurufen und insbesondere eine Schnellaufheizung von durch Injektorwirkung der Spritzstrahlen angesaugter Luft zu bewirken.
- Ferner ist aus der FR-A-2 405 375 eine Glühkerze zur Erwärmung der Luft bzw. des Luft-Brennstoffgemisches in einer Brennkraftmaschine bekannt, welche mit zwei metallischen Heizdrahtelementen unterschiedlicher Heizintensität versehen ist, die beide in eine keramische Masse eingebettet sind, welche zur Isolierung der metallischen Heizelemente gegenüber anderen Bauelementen der Glühkerze dient. Eine direkte Berührung der Heizelemente mit der die Glühkerze umstromenden Luft bzw. dem Luft-Brennstoffgemisch ist nicht vorgesehen und nicht möglich.
- Die erfindungsgemäßen Anordnungen mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Anspruche 1 und 7 haben den Vorteil, daß sie auch bei den gattungsmäßigen Einrichtungen eine wirksame Schnellaufheizung beim Start und danach eine Dauerheizung ermöglichen, wobei insbesondere bei der Schnellaufheizung eine besonders intensive Wärmeübertragung auf die den einspritzenden Kraftstoff als Strömung begleitende Luft erreicht werden kann.
- Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnungen nach den unabhängigen Anspruchen 1 und 7 möglich.
- Die Anzahl der einzelnen Bauteile der Einrichtung kann verringert werden, wenn die Heizelemente durch eine gemeinsame Wendel gebildet sind. Der unterschiedliche Körperkontakt zwischen den Heizelementen und dem Keramikkörper kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, daß die Heizelemente auch in ihrer Längsrichtung gewellt sind und sich durch eine unterschiedliche Wellungslänge und/oder Wellungshöhe und/oder Einbettungstiefe im Keramikkörper unterscheiden.
- Bei Einzelausführung können die Heizelemente elektrisch parallel geschaltet und je für sich entsprechend den Anforderungen in einem bestimmten Betriebszustand steuerbar sein. Die Reihenfolge der Heizelemente wird nach heiztechnischen Erfordernissen gewählt. So kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung in Strömungsrichtung des Kraftstoffs zuerst ein Schnellheizelement, dann ein Dauerheizelement und danach wieder ein Schnellheizelement angeordnet werden.
- Nach dem unabhängigen Anspruch 7 ergibt sich eine einfache Ausführung, weil der Stützkörper selbst das Dauerheizelement für den konstanten Betriebseinsatz bildet und ein zusätzliches Heizelement hierfür entfällt. Außerdem erhält man ohne zusätzlichen Aufwand ein hochtemperatur- und verbrennungsgasbeständiges Heizelement, das unempfindlich gegen Temperaturschocks ist und sich sowohl für kurze Aufheizzeiten als auch für Dauerglühbetrieb eignet.
- Der keramische Stützkörper kann vorzugsweise aus einem Keramikmaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstand), vorzugsweise aus SiC, bestehen. Bei entsprechender Abstimmung mit dem metallischen Heizelement könnte der keramische Stützkörper jedoch auch aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC-Widerstand), z. B. MoSi2, bestehen.
- Die angegebenen Materialien sind besonders thermoschockbeständig und sowohl in reduzierender wie in oxidierender Atmosphäre bis zu hohen Temperaturen (SiC bis ca. 1150°C, MoSi2 bis ca. 1300°C) einsetzbar.
- Das metallische Heizelement kann gemäß einem weiteren vorschlag der Erfindung aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten (PCT-Widerstand), vorzugsweise aus einer Platinlegierung, bestehen. Ein derartiges Heizelement kann mit dem keramischen Glühkorper als zweites Heizelement zu einem schnellansprechenden Dauerglühelement kombiniert werden. Das metallische Heizelement glüht beim Vorglühen und Starten der Brennkraftmaschine innerhalb kurzer Zeit auf, erbringt dabei die hohe Startleistung und heizt außerdem den keramischen Stützkörper, bis dieser leitend wird und sich durch Eigenstromaufnahme selbst weiter erwärmt. Dabei geht die Strombelastung des als PCT-Widerstand ausgebildeten metallischen Heizelementes wieder auf geringere Werte zurück, so daß auch ein Dauerbetrieb des metallischen Heizelementes ohne Schaden möglich ist. Das aufeinanderfolgende Wirksamwerden der beiden Heizelemente wird ohne zusätzliche Schaltmittel erreicht und der als Glühkörper mit Eigenheizung ausgebildete keramische Stützkörper eignet sich darüber hinaus besonders gut zur Bildung von Kanälen, durch welche die den auspritzenden Kraftstoff begleitende Verbrennungsluft geführt wird.
- Das Zusammenwirken des metallischen Heizelementes mit dem keramischen Stützkörper kann gezielt beeinflußt werden, wenn das metallische Heizelement mindestens über Teile seiner Länge einen gut wärmeleitenden Kontakt mit dem Stützkörper hat.
- Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, daß in der Startphase der Brennkraftmaschine die mit dem Stützkörper in wärmeleitendem Kontakt stehenden Abschnitte des metallischen Heizelementes sich langsamer als dessen andere Leitungsabschnitte erwärmen und daher länger in einem niedrigeren Widerstandsbereich verbleiben. Die sich schneller bzw. stärker erwärmenden Abschnitte des metallischen Heizelementes können in diesem Fall in jenem Bereich des Glühvorsatzes angeordnet sein, in welchem sich die begleitende Verbrennungsluft bereits mit den Randzonen des Kraftstoffstrahls vermischt hat.
- Eine besonders wirkungsvolle Anordnung ergibt sich, wenn der Stützkörper eine zentrale Bohrung für den Durchgang des Kraftstoffs hat und das metallische Heizelement mit mindestens einem, vorzugsweise jedoch mehreren an der Bohrungswand des Stützkörpers angeordneten Wendelabschnitten versehen ist.
- Bei dieser Anordnung ist neben einem sehr guten Wärmeübergang erreicht, daß der bzw. die an der Bohrungswand des Stützkörpers angeordneten Wendelabschnitte des mechanischen Heizelementes zusätzlich für eine gute Verwirbelung bzw. Vermischung der begleitenden Verbrennungsluft mit den Randzonen des Kraftstoffstrahles sorgt.
- Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausbildung ist vorgesehen, daß die Luftleitvorrichtung die den einspritzenden Kraftstoff begleitende Strömung der Verbrennungsluft vor dem Eintritt in die zentrale Bohrung des Stützkörpers über dessen Außenmantel leitet und daß die die inneren Wendelabschnitte verbindenden Leitungsabschnitte des metallischen Heizelementes über den Außenmantel bzw. durch vom Außenmantel ausgehende Vertiefungen des Stützkörpers geführt sind. Dadurch wird die begleitende Verbrennungsluft schon vor ihrer Berührung bzw. Vermischung mit dem einspritzenden Kraftstoff gut vorgewärmt.
- Bei einer solchen bevorzugten Ausführung ist es besonders vorteilhaft, wenn die die inneren Wendelabschnitte verbindenden Leitungsabschnitte des metallischen Heizelementes ebenfalls als Wendeln ausgebildet sind, welche in radial vom Mantelumfang des Stützkörpers ausgehende, bis nahe an dessen zentrale Bohrungswand reichende Schlitze passend eingefügt sind.
- Die Länge der in den Schlitzen des Stützkörpers angeordneten Wendelabschnitte des metallischen Heizelementes können etwa 50 % von dessen Gesamtlänge betragen. Während der Vorglüh- und Startphase der Brennkraftmaschine glühen die in der zentralen Bohrung des Stützkörpers sich befindenden inneren Wendelabschnitte des metallischen Heizelementes beispielsweise innerhalb von 1 bis 2 Sekunden im Temperaturbereich von ca. 1200 bis 1400°C auf. Die anderen, in den Schlitzen des Stützkörpers eingefügten Wendelabschnitte sind mit intensiverem Wärmeleitkontakt zum Stützkörper wesentlich langsamer im Temperaturanstieg. Der PTC-Effekt des metallischen Heizelementes führt nun dazu, daß die für die Startphase wichtige hohe Temperatur der dem Einspritzstrahl zugewandten inneren Wendelabschnitte in dem Maß abnimmt, wie die Widerstandszunahme der langsamer sich aufheizenden Wendelabschnitte in den Schlitzen des Stützkörpers vorankommt. Dieser selbststeuernde Effekt bringt also die für die Startphase wichtige, hohe Heizelementtemperatur zurück auf einen Wert, der die Lebensdauer des metallischen Heizelementes nicht mehr beeinträchtigt. Gleichzeitig nimmt die Temperatur des Stützkörpers, beheizt durch das metallische Heizelement, weiter zu, bis sein Widerstand soweit abgesunken ist, daß der Stützkörper selbst, bei der angelegten Spannung, zum Heizleiter wird.
- Für die Erfindung ist es unbeachtlich, ob es sich um eine Kraftstoff-Einspritzdüse mit nur einer Spritzöffnung, wie beispielsweise einer zapfen- oder einer nach außen öffnenden Einspritzdüse, oder um eine Mehrlochdüse handelt.
- Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- Figur 1 den brennraumseitigen Endabschnitt des ersten Ausführungsbeispiels im Schnitt, die
- Figuren 2 bis 4 je einen Schnitt nach der Linie 11 - 11 bzw. 111 - 111 bzw. IV - IV in Figur 1, Figur 5 eine mögliche Schaltung der Heizelemente des Ausführungsbeispiels nach Figur 1,
- Figur 6 ein Temperatur-Zeitdiagramm der Schaltung nach Figur 5 und
- Figur 7 eine andere Schaltung der Heizelemente nach Figur 1. In
- Figur 8 ist das zweite und in
- Figur 9 das dritte Ausführungsbeispiel, jeweils im Teilschnitt, dargestellt.
- Figur 10 zeigt eine Draufsicht auf den Glühkörper nach Figur 9 und
- Figur 11 ist ein Schnitt durch den Stützkorper des Glühkörpers nach Figur 10 gemäß Linie XI - XI in Figur 10.
- Das Ausführungsbeispiel nach Figur 1 hat eine in ein Motorgehäuse 1 eingeschraubte Einspritzdüse 2, der eine Heizvorrichtung 3 nachgeschaltet ist. Die Einspritzdüse 2 weist einen Düsenkörper 4 und eine Ventilnadel 5, sowie eine Spannmutter 6 auf, mit welcher der Düsenkörper 4 an einen nicht dargestellten Düsenhalter gespannt ist und welche mit ihrer einen Stirnseite auf einen Distanzring 7 zwischen Motorgehäuse 1 und Einspritzdüse 2 einwirkt. Die Heizvorrichtung 3 hat ein an der Spannmutter 6 befestigtes Gehäuse 8, welches einen hülsenförmigen Ansatz 9 hat, der einen insgesamt mit der Bezugzahl 10 versehenen Glühkörper trägt und diesen mit radialem Spiel umgibt. Der hülsenförmige Ansatz 9 ragt seinerseits mit radialem Spiel in eine Bohrung 11 im Motorgehäuse 1 hinein, die von der Einspritzdüse 2 in den Brennraum führt. Durch die radialen Spiele ist zwischen der Bohrung 11 und dem Ansatz 9 ein Ringraum 12 und zwischen dem Ansatz 9 und dem Glühkörper 10 ein Ringraum 13 gebildet, der mit dem Ringraum 12 über Bohrungen 14 im Ansatz 9 verbunden ist.
- Der Glühkörper 10 hat einen buchsenförmigen Keramikkörper 15, der mit einem Durchgang 16 für die Spritzstrahlen und mit in den Durchgang 16 seitlich einmündenden Belüftungsöffnungen 17 versehen ist. An der den Durchgang 16 begrenzenden Innenwand ist der Keramikkörper 15 mit einer Wendelnut 24 versehen, in der drei ebenfalls wendelförmige Heizelemente 25, 26 und 27 eingelagert sind. Die Heizelemente 25, 26, 27 sind durch einen elektrischen Widerstandsdraht mit einem flachen, rechteckigen Querschnitt gebildet, um dadurch eine möglichst große, von der Luft überstreichbare Fläche zu erhalten. Der zum Zweck des erleichterten Zusammenbaues aus zwei Halbschalen gebildete Keramikkörper 15 ist durch einen Federtellerring 28 in seiner Lage im Gehäuse 8 zentriert gehalten. Zu den Heizelementen 25, 26, -27 führen elektrische Anschlußleitungen 29,_welche durch eine Einfräsung in der Spannmutter 6 hindurchgeführt sind.
- Die wendelförmigen Heizelemente 25, 26, 27 sind auch in sich gewellt, und zwar so, daß die Wellenberge in die Wendelnut 24 eingreifen und die Wellentäler im Bereich des Durchgangs 16 für die Spritzstrahlen liegen. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die drei Heizelemente 25, 26, 27 unterschiedliche Wendelteilungen haben und daher in einem unterschiedlich innigen Wärmekontakt mit dem Keramikkörper 15 stehen. Wie in Figur 2 dargestellt, ist gemäß dem Querschnitt II - II aus Figur 1 das dem Düsenkörper 4 am nächsten gelegene Heizelement 25 am dichtesten gewellt. Der Faltabstand der einzelnen Wellen ist sehr dicht, wobei ein erheblicher Teil des Heizelementes 25 in der Wendelnut 24 des Keramikkörpers 15 verschwindet. Es ragt somit nur ein verhältnismäßig kleiner Teil in die Verbrennungsluftströmung, so daß auch nur eine verhältnismäßig langsame unmittelbare Aufheizung erfolgt. Da andererseits ein wesentlicher Teil des Heizelementes 25 im Keramikkörper 15 ruht, wird dieser verhältnismäßig stark aufgeheizt, wodurch er wegen seiner Wärmespeicherfähigkeit die Funktion eines Dauerheizelementes erhält.
- Figur 3 zeigt einen Schnitt durch das zweite Heizelement 26, das weniger stark gewellt ist, als das Heizelement 25 und weniger stark im Keramikbereich ruht. Das Heizelement 26 stützt sich in der Wendelnut 24 nur über sieben Nasen 26a ab, so daß die zwischen diesen Nasen 26a sich erstreckenden, unmittelbar dem Luftstrom ausgesetzten Abschnitte des Heizelementes 26 dem Luftstrom eine größere Heizfläche als das Heizelement 25 bieten und einen größeren Teil der erzeugten Heizwärme unmittelbar auf den Luftstrom übertragen. Der in Figur 4 dargestellte Schnitt durch das dritte Heizelement 27 zeigt, daß dieses nur noch mit vier Nasen 27a in die Wendelnut 24 eingreift, so daß die dazwischengelegenen Abschnitte nahezu ein Maximum an Heizfläche bieten. Dieses Heizelement 27 ist für die Schnellaufheizung bei Kaltstart vorgesehen.
- Abgesehen von der grundsätzlichen Gestaltung, wie sie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt ist, können die Heizelemente 25, 26, 27 auch eine unterschiedliche Breite aufweisen.
- Die Heizelemente 25, 26, 27 können aus einem durchgehenden Widerstandsdraht gebildet und gemäß Figur 5 in einen Stromkreis eingeschaltet sein. In Figur 5 bezeichnen die Symbole RA, RB und Rc die elektrischen Widerstände der Heizelemente 25 bis 27, die bei einteiliger Ausführung in Reihe geschaltet sind und denen ein verstellbarer Widerstand D vorgeschaltet ist. Aufgrund der Fixgestaltung der Heizelemente 25, 26, 27 handelt es sich hier um grundsätzlich bereits festgelegte Proportionen der Heizelemente, deren Gesamtleistung über den verstellbaren Widerstand D änderbar ist.
- Dem in Figur 6 dargestellten Temperatur-Zeitdiagramm kann entnommen werden, welche Wirkung die einzelnen Widerstände über der Zeit haben. Besonders der Widerstand Rc des Heizelementes 27 weist am Anfang eine sehr hohe Temperaturleistung auf, die dann zurückfällt auf einen mittleren Wert, wie ihn nach einiger Zeit auch die anderen beiden Widerstände RB und RA erreichen. Durch die konstruktive Gestaltung des Heizelementes 27 wird somit zu Beginn der Aufheizung eine starke Differenzierung in Richtung Schnellaufheizung erreicht, bis nach einiger Zeit die Widerstandsleistungsabgabe aller drei Heizelemente etwa gleich ist. Das Heizelement 27 bildet somit ein Schnellheizelement, während das Heizelement 25 die Funktion einer den Keramikkörper 15 bis auf eine für den konstanten Betriebseinsatz ausreichende Temperatur aufheizendes elektrisches Widerstandselement bildet.
- Die drei Heizelemente 25 bis 27 können auch als getrennte Bauteile ausgeführt und elektrisch parallel geschaltet sein. In diesem Fall kann gemäß Figur 7 den drei Widerständen RA, RB und Rc je ein verstellbarer Widerstand D, bzw. D2 bzw. D3 zugeordnet sein, über welche die Heizstromstärken je nach Betriebszustand unabhängig gesteuert werden können.
- Das Ausführungsbeispiel nach Figur 8 hat den gleichen grundsätzlichen Aufbau wie das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel, so daß hier nur auf die abweichenden konstruktiven Einzelheiten Bezug genommen wird. Die Heizvorrichtung 3 hat ein inneres metallisches Heizelement 30, welches aus einem Glühdraht gebildet ist, der sowohl mit dem Durchmesser d, um seine Längsachse als auch mit dem Durchmesser d2 um die Achse der Einspritzdüse gewendelt ist und aus einem Stoff mit einem positiven Temperaturkoeffizienten besteht. Der Materialdurchmesser des Glühdrahts ist so auf die Wendeldurchmesser d, und d2 abgestimmt, daß sich ein eigensteifes Gebilde ergibt, welches den im Betrieb auftretenden Verformungskräften standhält.
- Das Heizelement 30 ist mit geringem Spiel von einem ringförmigen Stützkörper 31 umgeben, welcher aus elektrisch leitfähigem Keramikmaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten besteht und ein zweites Heizelement bildet. Der Stützkörper 31 ist dazu an einer Stelle seines Umfangs der Länge nach geschlitzt und an einer Schlitzflanke mit einem elektrischen Leiter 32 kontaktiert, an den auch das eine Ende des Heizelementes 30 angeschlossen ist. Zwischen dem Stützkörper 31 und dem Gehäuse 9 ist ein Ringraum 33 gebildet, der über Bohrungen 34 im Gehäuse 9 mit der Brennkammer der Maschine und über Randausklinkungen 35 im Stützkörper 31 mit dessen Inneren verbunden ist.
- Die beiden Heizelemente 30 und 31 sind über den auch hier vorgesehenen Federtellerring 23 und über eine aus elektrisch isolierendem Stoff bestehende Lochblende 36 am Gehäuse 9 zentral festgehalten. Die Lochblende 36 schützt außerdem die Einspritzdüse 2 gegen Infrarotstrahlung und deckt auch die Randausklinkungen 35 im Stützkörper 31 zur Einspritzdüse hin ab. Zwischen Stützkörper 31 und dem nach innen gerichteten Rand des Gehäuses 9 ist eine Zwischenscheibe 37 vorgesehen, die ebenfalls aus elektrisch isolierendem Stoff besteht. Die beiden nicht mit dem Leiter 32 verbundenen Anschlüsse des Heizelementes 30 und des Stützkörpers 31 sind mit dem als Masseanschluß dienenden Gehäuse 9 verbunden.
- Bei Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine werden beide Heizelemente 30 und 31 parallel zueinander an Spannung gelegt. Das metallische Heizelement 30 glüht danach sehr schnell auf, während sich das keramische Heizelement 31 nur langsam zu erwärmen beginnt. Nach einer gewissen Betriebszeit hat das keramische Heizelement 31 seine Dauerglühtemperatur erreicht, während das Heizelement 30 infolge seines angewachsenen Widerstandes elektrisch geringer belastet wird als anfänglich. Dadurch wird im Dauerbetrieb dem metallischen Heizelement 30 nicht geschadet. Auf diese Weise ist erreicht, daß der Glühvorsatz anfänglich eine hohe Heizleistung erbringt und danach auf eine mittlere Heizleistung absinkt, welche einer Kraftstoffstrahl 38 saugt aus der Brennkammer entlang der Strömungslinien 39 Verbrennungsluft an, die sich am keramischen Stützkörper 31 außen bereits vorerwärmt und im Inneren des Stützkörpers 31 in die Randzone des Kraftstoffstrahls eindringt, wo sie sich intensiv mit den Kraftstofftröpfchen der Randzone vermischt.
- Die Ausführung nach den Figuren 10 bis 12 stimmt mit der Ausführung nach Figur 9 bis auf einen anders ausgebildeten Glühvorsatz überein. Dieser hat einen ringförmigen keramischen Stützkörper 40, der an einer Stelle einen radialen Trennschlitz 41 hat. Der Stützkörper 40 ist ferner mit einer Vielzahl von gleichmäßig verteilten Längsschlitzen 42 versehen, welche von seinem Mantelumfang 44 ausgehen und bis auf den Abstand a an seine zentrale Bohrung 45 heranreichen. Die Längsschlitze 42 sind am oberen Stirnende des Stützkörpers 40 über eine achsiale Länge b bis in die zentrale Bohrung 45 hinein vertieft, so daß sie dort je einen Durchgang 46 zur Bohrung 45 bilden. Am unteren Stirnende ist der Stützkörper 40 mit einer zentrischen Ausnehmung 47 von der Tiefe c und dem Durchmesser e versehen. Zwischen den Durchgängen 46 und der Ausnehmung 47 verbleibt ein Kernring 48, der nur durch den durchgehenden Trennschlitz 41 unterbrochen ist.
- Der Stützkörper 40 ist aus einem elektrisch leitendem Keramikmaterial hergestellt, welches einen negativen Temperaturkoeffizienten hat und erst bei höheren Temperaturen eine merkliche elektrische Leitfähigkeit aufweist. Die den Trannschlitz 41 begrenzenden Flächen des Stützkörpers 40 sind mit örtlichen Vertiefungen 50 versehen, in deren Bereich je eine zum benachbarten Schlitz 42 führende Nut 51 im Mantelumfang 44 des Stützkörpers 40 ausmündet. Im Bereich der Vertiefungen 50 sind Kontaktelemente 52 angeordnet, welche den Stützkörper 40 elektrisch leitend mit durch die Nuten 51 hindurchgeführten Anschlußdrähten 53 verbinden.
- Der Stützkörper 40 ist auf seiner gesamten Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen, die in der Zeichnung nicht besonders dargestellt ist. Auf den Stützkörper 40 ist ein metallisches Heizelement 55 aufgewickelt, das aus einem Glühdraht mit positivem Temperaturkoeffizienten besteht. Das Heizelement 55 hat eine der Anzahl der Schlitze 42 entsprechende Anzahl von inneren Wendelabschnitten 56, welche jeweils einem Schlitz 42 gegenüberliegend mit geringem Abstand an der Wand der Bohrung 45 entlang laufen. Jedem inneren Wendelabschnitt 56 ist ein äußerer Wendelabschnitt 57 zugeordnet, welcher passend in den entsprechenden Schlitz 42 eingefügt ist und sich in gut wärmeleitendem Kontakt mit dem Stützkörper40 befindet.
- Auf der der Einspritzdüse zugekehrten Seite sind die beiden sich radial gegenüberliegenden Wendelabschnitte 56, 57 über einen im Durchgang 46 angeordneten gestreckten Glühdrahtabschnitt 58 verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist jeweils ein äußerer Wendelabschnitt 57 mit einem in einer benachbarten Teilungsebene liegenden inneren Wendelabschnitt 56 über einen gestreckten Glühdrahtabschnitt 59 verbunden.
- Durch die beschriebene Ausbildung des Stützkörpers 40 bildet dessen Kernring 48 einen zu einem offenen Ring gebogenen Heizwiderstand, der über die Anschlußdrähte 53 parallel zum elektrischen Heizelement 55 geschaltet ist. Durch die Längsschlitze 42 werden ferner thermische Verspannungen des Stüzkörpers 40 während des Betriebes weitgehend vermieden. Der Stützkörper 40 ist vorzugsweise aus SiC hergestellt, während das Heizelement 55 aus einem Material mit PTC-Charakteristik, beispielsweise einer Platinlegierung oder MoSi2 besteht. Die Anzahl der Längsschlitze 42 sowie die Schlitztiefe wird bestimmt vom Wendeldurchmesser und der unterzubringenden Drahtlänge des Heizelementes 55, sowie von dem gewünschten Stützkörperwiderstand bei bestimmter Stützkörpertemperatur.
- Während der Vorglüh- und Anlaßphase beim Starten der Brennkraftmaschine glühen die in der Bohrung 45 befindlichen Wendelabschnitte 56 des Heizelementes 55 innerhalb von beispielsweise 1 bis 2 Sekunden im Temperaturbereich von 1200 bis 1400°C auf. Die Wendelabschnitte 56 wirken so als Startwicklung, welche durch hohe Stromaufnahme den sehr raschen Temperaturanstieg aufweist. Die anderen, in den Längsschlitzen 42 eingefügten Wendelabschnitte 57 des Heizelementes 55 sind mit intensiverem Wärmeleitkontakt zum Stützkörper 40 wesentlich langsamer im Temperaturanstieg und verbleiben länger im niederen Temperaturbereich. Dadurch wird der Startwicklungseffekt der inneren Wendelabschnitte 56 noch verstärkt. In dieser Phase der höchsten Temperatur eines Teils des Heizelementes 55 findet der Motorstart statt.
- Der PTC-Effekt des Heizelementes 55 führt nun dazu, daß die für die Startphase wichtige hohe Temperatur der inneren Wendelabschnitte 56 in dem Maß abnimmt, wie die Widerstandszunahme der sich langsamer aufheizenden Wendelabschnitte 57 in den Längsschlitzen 42 vorankommt. Dieser selbststeuernde Effekt reduziert also die für die Startphase wichtige, hohe Heizleistung der Wendelabschnitte 56 auf einen Wert, der die Lebensdauer des Heizelementes 55 nicht mehr beeinträchtigt. Gleichzeitig nimmt die Temperatur des Stützkörpers 40 zu, der vom Heizelement 55 mit aufgeheizt wird. Dabei nimmt der elektrische Widerstand der NTC-Keramik des Stützkörpers 40 soweit ab, daß der Stützkörper selbst, bei der angelegten Spannung, Strom aufnimmt und zum Heizleiter wird. Dabei werden die eng mit dem Stützkörper 40 verbundenen äußeren Wendelabschnitte 57 mit PTC-Charakter intensiv erwärmt, was zu einem weiteren Widerstandsanstieg des Heizelementes 55 führt, so daß der Leistungsanteil des PTC-Kreises weiter zurückfällt.
- Der zum Heizelement gewordene Stützkörper 40 übernimmt nun als NTC-Heizkreis für die jetzt folgende Warmlaufphase der Maschine die Zündhilfe. Dieser Heizkreis kann nach dem Erreichen der Betriebstemperatur der Maschine abgeschaltet oder als robustes Heizelement für andere Aufgaben der Verbesserung des Verbrennungsablaufes in der Maschine eingeschaltet bleiben.
- Auch bei dieser Ausführung wird die aus der Brennkammer durch den aus der Einspritzdüse ausgespritzten Kraftstoffstrahl angesaugte Verbrennungsluft über den Außenumfang und durch die Längsschlitze des Stützkörpers 40 geführt und dort in der gewünschten Weise sehr effektiv vorgewärmt. Das Heizelement 55 wird nach dem Anstieg seines Widerstandes im "Schongang" weiter betrieben.
- Bei einer abgewandelten Ausführung kann der keramische Stützkörper 40 zumindest am Mantel ohne einen elektrisch isolierenden Überzug ausgebildet sein. Dadurch werden zwar beim Leitendwerden des Stützkörpers 40 die Windungen der äußeren Wendelabschnitte 57 u.U. kurzgeschlossen, wodurch dem PTC-Effekt des Heizelements 55 entgegengewirkt wird. Dieser PTC-Effekt kann jedoch auf die übrigen Parameter so abgestimmt sein, daß er die Kurschlußwirkung überwiegt und daß der gewünschte Gesamteffekt doch eintritt.
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