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Stand der Technik
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Aus
DE 101 18 164 A1 ist
ein Brennstoffeinspritzventil für
Brennstoffeinspritzanlagen von Brennkraftmaschinen bekannt. Das
Brennstoffeinspritzventil umfasst einen Aktuator sowie einen mit
dem Aktuator in Wirkverbindung stehenden und einer Schließrichtung
von einer Rückstellfeder
beaufschlagte Ventilnadel zur Bestätigung eines Ventilschließkörpers. Dieser
bildet zusammen mit einer an einem Ventilsitzkörper ausgebildeten Ventilsitzfläche einen
Dichtsitz. Abströmseitig
des Ventilsitzkörpers
ist eine Spritzlochscheibe angeordnet, wobei die Spritzlochscheibe
in einer Strömungsrichtung
des Brennstoffes kalottiert gewölbt
ausgebildet ist.
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An
selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschinen werden aufgrund der höheren Anforderungen von Abgasnormen
Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter eingesetzt. Die
Partikelfilter halten die im Abgas einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
enthaltenen Rußpartikel
zurück,
welche sich mit der Betriebszeit der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
in den Filtertaschen des Dieselpartikelfilters anlagern. Zur Regeneration
von Partikelfiltern selbstzündender
Verbrennungskraftmaschinen wird die Abgastemperatur üblicherweise dadurch
angehoben, dass motorische Maßnahmen ergriffen
werden. Ist die zum Abbrand der Rußpartikel erforderliche Abgastemperaturerhöhung durch motorische
Maßnahmen
allein nicht möglich,
wird durch einen zusätzlich
im Abgastrakt der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine vorgesehenen Injektor, Kraftstoff in das
Abgas eindosiert, der an einem Oxidationskatalysator katalytisch
verbrannt wird. Dadurch wird die erforderliche Wärme zur Temperaturerhöhung freigesetzt.
Für das
zusätzliche
Einbringen von Kraftstoff in den Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine
wurde das HCI-System (Hydro Carbon Injection) entwickelt. Für eine gute
katalytische Verbrennung des in das Abgas eindosierten Kraftstoffs
im Bereich des Oxidationskatalysators ist eine feine Verteilung
des zusätzlich
eindosierten Kraftstoffs erforderlich. Der erzeugte Sprühnebel sollte
idealerweise aus gleichmäßig verteilten
kleinen Tröpfchen
bestehen. Die erforderliche Sprayqualität kann durch Mehrlochdüsen erreicht
werden, bei denen der zu sätzlich
in das Abgas eindosierte Kraftstoff durch mehrere Einzellöcher ins
Abgas eindosiert wird. Diese Mehrlochdüsen weisen eine Vielzahl kleiner
und kleinster Öffnungen
auf, die sich jedoch durch an diesen verbliebene Flüssigkeitsreste
und sich den aus dem Abgas an der Mehrlochdüse anlagernden Ruß über die
Betriebsdauer der Mehrlochdüse
an den Einzellöchern
ablagern und diese nach und nach verstopfen. Dadurch nimmt die zusätzlich in das
Abgas eindosierte Menge von Kraftstoff ab und insbesondere die feine
Tröpfchenverteilung
innerhalb des Sprühnebels
nimmt drastisch ab. Dies wiederum beeinträchtigt die Abgaskonditionierung
erheblich, so dass die Wirksamkeit der durch den Oxidationskatalysator
erzeugten Temperaturerhöhung
erheblich beeinträchtigt
wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
folgend, wird an einem zusätzlichen
Injektor, über
den ein Sprühnebel
von feinverteilten Kraftstoffflüssigkeitstropfen
in das Gas eingebracht wird, eine Heizeinrichtung vorgesehen. Über eine
periodische Aktivierung der Heizeinrichtung kann eine regelmäßige Reinigung
Abbrand oder Verdampfung von Ruß- und Kraftstoffablagerungen
an einer Mehrlochdüse herbeigeführt werden,
so dass langfristig ein konstanter Betrieb des zusätzlichen
Injektors möglich
ist.
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An
der Mehrlochdüse
des zusätzlichen
Kraftstoffinjektors, die auch als Spritzlochscheibe bezeichnet wird,
wird mindestens ein Heizdraht integriert. Der die zusätzliche
Heizeinrichtung darstellende Heizdraht kann einerseits außen liegend,
d. h. an der dem Strömungskanal
zugewandten Seite der Mehrlochdüse
oder Spritzlochscheibe verlaufen. In einer anderen Ausführungsvariante
kann der die Heizeinrichtung darstellende mindestens eine Heizdraht auch
an der innen liegenden Seite, d. h. der der Abgasströmung abgewandten
Seite der Spritzlochscheibe bzw. der Mehrlochdüse angeordnet werden und somit
innerhalb des Injektorkörpers
des Injektors zum Einbringen zusätzlichen
Kraftstoffs in die Abgasströmung
angeordnet werden. In regelmäßigen Zeitabständen wird
mittels der Heizeinrichtung die Temperatur an der Spritzlochscheibe
bzw. der Mehrlochdüse
in direkter Nähe
der Spritzlöcher
auf eine Temperatur von über
600°C angehoben,
so dass anhaftende Kraftstoffrückstände sowie
Rußpartikel
verdampfen bzw. verbrennen.
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Um
die thermische Belastung des Kraftstoffinjektors im Abgastrakt der
Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in dessen Innenraum zu reduzieren,
kann die Heizeinrichtung nach innen mittels einer thermischen Isolation
isoliert sein.
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Des
Weiteren kann die Temperatur der Spritzlochscheibe bzw. der Mehrlochdüse kurzfristig nach
der Eindosierung von Kraftstoffnebels eines zur Partikelfiltergeneration
auf eine Temperatur von zum Beispiel 400°C angehoben werden, um anhaftende Kraftstoffreste
schnell zu verdampfen. Des Weiteren ist es durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung auch
möglich,
eine längerfristige
Temperaturerhöhung
zu erzeugen, um der diffusen Anlagerung von Rußpartikeln durch Thermophorese
entgegenzuwirken oder diese gänzlich
auszuschließen.
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Eine
weitere zusätzliche
Maßnahme
in Gestalt einer thermischen Isolation zwischen der Spritzlochscheibe
bzw. der Mehrlochdüse
und dem Injektorkörper
des Injektors besteht darin, dass eine thermische Entkopplung der
Mehrlochdüse
bzw. der Spritzlochscheibe vom Injektorkörper des Kraftstoffinjektors
vorgenommen wird. Während
die Ventilspitze im Bereich der Mehrlochdüse bzw. der Spritzlochscheibe
der heißen
Abgasströmung
unmittelbar ausgesetzt ist, wird durch die thermische Isolation der
Spritzlochscheibe vermieden, dass die dieser zugeführte Wärme in das
Innere des Injektorkörpers
abgeführt
wird. Idealerweise nimmt die Spritzlochscheibe bzw. die Mehrlochdüse auf der
der Abgasströmung
zugewandten Seite die Abgastemperatur an.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung des Abgastraktes einer selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine mit einer einem Oxidationskatalysator vorgeschalteten
Eindosierungsstelle für
zusätzlichen Kraftstoff
in die Abgasströmung,
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2 eine
erste Ausführungsvariante
eines abgasströmungsseitigen
Endes eines zusätzlichen Kraftstoffinjektors,
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3 eine
weitere Ausführungsvariante
des der Abgasströmung
zugewandten Endes des zusätzlichen
Kraftstoffinjektors und
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4 eine
Ausführungsvariante
des zusätzlich
Kraftstoff in die Abgasströmung
einbringenden Kraftstoffinjektors mit thermischer Isolation.
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Ausführungsvarianten
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Der
Darstellung gemäß 1 ist
eine schematische Darstellung des Abgastraktes einer selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine zu entnehmen, wobei in dem Abgastrakt
ein Oxidaktionskatalysator aufgenommen ist, dem eine Eindosierungsstelle
für zusätzliches
Abgas vorgeschaltet ist.
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Im
Abgastrakt 10 der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
verläuft
ein Abgasrohr 12, über
welches das Abgas der selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschine einem Oxidationskatalysator 18 zuströmt. Das
Abgasrohr 12 ist von einer Rohrwand 20 begrenzt.
Eine Einströmseite
des Abgasrohrs 12 ist mit Bezugszeichen 14 bezeichnet,
eine Ausströmseite
der Abgasströmung
durch Bezugszeichen 16 identifiziert. Die Ausströmseite 16 des
Abgasrohrs 12 stellt die Einströmseite eines Oxidationskatalysators 18 dar.
Das Abgasrohr 12 ist symmetrisch zu seiner Symmetrieachse 22 aufgebaut.
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In
die Rohrwand 20 des Abgasrohrs 12 ist ein Einspritzventil 24 integriert.
Das Einspritzventil 24 steht über eine Versorgungsleitung 25 zum
Beispiel mit dem Kraftstofftank des Fahrzeugs mit selbstzündender
Verbrennungskraftmaschine in Verbindung und wird über diesen
mit Kraftstoff versorgt.
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Das
Einspritzventil 24 umfasst einen Ventilkörper 26,
der die Rohrwand 20 des Abgasrohres 12 durchdringend
zum Teil in die Abgasströmung,
die das Abgasrohr 12 durchströmt, hineinragt. Innerhalb des
Ventilkörpers 26 befindet
sich ein Ventilkolben 28, hier nur schematisch angedeutet,
der in Richtung des in 1 eingetragenen Doppelpfeils
in vertikaler Richtung bewegbar ist. Der Ventilkolben 28 wirkt
mit einem im Ventilkörper 26 ausgebildeten
Ventilsitz 30 zusammen. Unterhalb des Ventilsitzes 30 befindet sich
im Ventilkörper 26 des
Einspritzventils 24 ein durch Bezugszeichen 36 identifizierter
Hohlraum, der neben dem Ventilsitz 30 durch eine Spritzlochscheibe 32 begrenzt
ist.
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Über die
Spritzlochscheibe 32, in der eine Vielzahl kleinster Öffnungen
zur Erzeugung eines feinverteilten Sprühnebels ausgeführt sind,
wird zusätzlicher
Kraftstoff, angedeutet durch Bezugszeichen 34, in die das
Abgasrohr 12 possierende Abgasströmung eingeleitet. Je kleiner
die Tröpfchenverteilung
innerhalb des durch die Spritzlochscheibe 32 erzeugten
Sprühnebels
ist, eine desto bessere Vermischung des zusätzlichen Kraftstoffes mit der
Abgasströmung
und eine desto gleichmäßigere Verbrennung
lässt sich
im Oxidationskatalysator 18 erreichen.
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Der
Darstellung gemäß 2 ist
ein Schnitt durch das der Abgasströmung zugewandte Ende des Einspritzventils
gemäß der Darstellung
in 1 zu entnehmen.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
hervor, dass sich im Inneren des Ventilkörpers 26 des Einspritzventils 24 der
in vertikale Berichtung bewegbare Ventilkolben 28 befindet,
der mit dem ebenfalls innerhalb des Ventilkörpers 26 ausgebildeten
Ventilsitz 30 zusammenarbeitet. Am Ventilsitz 30 ist
eine Öffnung
ausgebildet, die zum Beispiel kreisförmig ausgeführt sein kann, und durch die
dem Ventilsitz 30 zuweisende Stirnseite des Ventilkolbens 28 verschließbar ist.
Je nach Hubweg des Ventilkolbens 28 wird die Öffnung im
Ventilsitz 30 vollständig
oder teilweise freigegeben, so dass zusätzlicher Kraftstoff aus dem
Inneren des Ventilkörpers 26 über den
geöffneten
Ventilsitz 30 dem Hohlraum 36 zuströmt.
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Der
Ventilkörper 26 wird
durch eine an Fügestellen 54 mit
dem Ventilkörper 26 bevorzugt
stoffschlüssig
verbundene Spritzlochscheibe 32 begrenzt. Die Spritzlochscheibe 32 umfasst
vorzugsweise eine Vielzahl von Einzelöffnungen 48. Die Fügestellen 54 zwischen
dem Ventilkörper 26 und
der Spritzlochscheibe 32 können zum Beispiel als Schweißnähte ausgebildet
sein; alternativ ist auch möglich,
die Spritzlochscheibe 32 in den Ventilkörper 26 einzuschrauben
oder den Ventilkörper 26 mit
integrierter Spritzlochscheibe 32 als einstöckiges Bauteil auszuführen.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht
hervor, dass an der Außenseite
der Spritzlochscheibe 32, im Bezug auf die Darstellung
gemäß 1 an
der der Abgasströmung
zugewandten Seite der Spritzlochscheibe 32, an dieser eine
hier als Heizdraht 44 ausgebildete Heizeinrichtung zugeordnet
ist. In der Darstellung gemäß 2 ist
eine Teilung, welche dem Abstand einzelner Heizdrähte 44 der
Heizeinrichtung entspricht, durch Bezugszeichen 56 kenntlich
gemacht. Der mindestens eine Heizdraht 44 der Heizeinrichtung
verläuft
bevorzugt so, dass der mindestens eine Heizdraht 44 sich über das
Vollmaterial der Spritzlochscheibe 32 erstreckt und die
in der Spritzlochscheibe 32 ausgebildeten Öffnungen 48 nicht überdeckt.
Bei einer Aktivierung der Heizeinrichtung, gebildet durch die in 2 dargestellten Heizdrähte 44,
erfolgt eine Erwärmung
der Spritzlochscheibe 32, so dass in den Einzelöffnungen 48 verbliebener
Kraftstoff verdampft und sich an der Spritzlochscheibe 32 im
Bereich der Einzelöffnungen 48 anlagernde
Rußpartikel
abgebrannt werden. Durch die in 2 dargestellte
erste Ausführungsvariante
der Heizeinrichtung wird die Qualität des durch das Einspritzventil 24 erzeugten
Sprühnebels
aus zusätzlichem
Kraftstoff dauerhaft gesichert, da die Geometrie der Einzelöffnungen 48 in
der Spritzlochscheibe 32 nicht durch Kraftstoffanlagerungen
bzw. durch die die Einzelöffnungen 48 verstopfende
Rußpartikel
beeinträchtigt
wird. Die Dicke der Spritzlochscheibe 32 ist durch Be zugszeichen 46 gekennzeichnet.
Der Hohlraum 36 im Einspritzventil 24 wird durch eine
erste Stirnfläche 38 der
Spritzlochscheibe 32, eine Innenwand 42 des Ventilkörpers 26 sowie
den Ventilsitz 30 mit darin ausgebildeter Öffnung definiert. In
der in 2 dargestellten Ausführungsvariante befindet sich
die Heizeinrichtung an einer zweiten Stirnfläche 40 der Spritzlochscheibe 32,
d. h. an deren der Abgasströmung
zugewandten Fläche.
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Der
Darstellung gemäß 3 ist
eine weitere Ausführungsvariante
des abströmseitigen
Endes eines zusätzlichen
Kraftstoff in die Abgasströmung eindosierenden
Einspritzventils zu entnehmen.
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Im
Unterschied zur in 2 dargestellten ersten Ausführungsvariante
des Einspritzventils 24 befindet sich die Heizeinrichtung,
mindestens einen Heizdraht 44 umfassend, an der Innenseite
der Spritzlochscheibe 32, hier an der ersten Stirnfläche 38 innerhalb
des Hohlraumes 36 im Ventilkörper 26. Ggemäß der in 3 dargestellten
Ausführungsvariante
der Heizeinrichtung des Einspritzventils 24 verläuft der
mindestens eine Heizdraht 44 an der ersten Stirnfläche 38 der
Spritzlochscheibe 32 in einer Teilung 56. In der
in 3 dargestellten Ausführungsvariante einer innen
liegend, d. h. im Hohlraum 36 des Ventilkörpers 26 angeordneten
Heizeinrichtung, mindestens einen Heizdraht 44 umfassend,
wird erreicht, dass die Heizeinrichtung an sich nicht durch Rußpartikel,
die in der Abgasströmung
der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine
enthalten sind, kontaminiert wird. Durch die Teilung 56,
in welcher der mindestens eine Heizdraht zum Beispiel mäanderförmig die
erste Stirnfläche 38 der
Spritzlochscheibe 32 überdeckt,
besteht ein freier Zuströmquerschnitt
zu den in der Spritzlochscheibe 32 ausgebildeten Einzelöffnungen 48.
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Bei
einer Bestromung des mindestens einen Heizdrahtes 44 der
Heizeinrichtung an der Spritzlochscheibe 32 auf eine Temperatur
Tmax von etwa 600°C erfolgt ein Verdampfen in
den Einzelöffnungen 48 verbliebenen
Kraftstoffes sowie eine Verbrennung von in den Einzelöffnungen 48 der
Spritzlochscheibe 32 befindlichen Partikeln, so zum Beispiel
Rußpartikeln.
Dadurch bleibt der Querschnitt, durch welchen der zusätzliche
Kraftstoff in die Abgasströmung
eingespritzt wird, erhalten. Ferner bleibt die Spritzlochgeometrie über die
Betriebszeit des Einspritzventils 24 unverändert, so
dass keine Beeinträchtigung
des Bereiches erfolgt, in welchem der Sprühnebel in die Abgasströmung eingetragen
wird.
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Auch
in der in 3 dargestellten zweiten Ausführungsvariante
des Einspritzventils 24 gemäß der Darstellung in 1 ist
im Inneren des Ventilkörpers 26 der
Ventilsitz 30 ausgebildet, dessen Öffnung durch den Ventilkolben 28 entsprechend
dessen Vertikalhubs entweder vollständig freigegeben, voll verschlossen
oder auch teilweise geöffnet
werden kann. Die Spritzlochscheibe 32 gemäß der in 3 dargestellten
zweiten Ausführungsva riante
des Einspritzventils 24 kann mit dem Ventilkörper 26 an
den Fügestellen 54 sowohl
stoffschlüssig
gefügt
als auch kraftschlüssig
in diesen eingelassen, so zum Beispiel eingeschrumpft sein.
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Der
Darstellung gemäß 4 ist
eine weitere Ausführungsvariante
des in 1 nur in schematischer Darstellung gezeigten Einspritzventils 24 zu entnehmen.
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Aus
der Darstellung gemäß 4 geht
hervor, dass in den Hohlraum 36 zwischen dem Ventilsitz 30 und
der Spritzlochscheibe 32 eine thermische Isolation 50 eingelassen
ist. Die thermische Isolation 50 trennt die am abgasströmungsseitigen
Ende angeordnete Spritzlochscheibe 32 vom Inneren des Ventilkörpers 26.
Die thermische Isolation 50 umfasst einzelne Öffnungen 52,
die in einer Teilung 58 ausgebildet sind, so dass die Öffnungen 52 der
thermischen Isolation 50 mit den Einzelöffnungen 48 der Spritzlochscheibe 32 fluchten.
Damit ist eine unbehinderte Zuströmung des im Ventilkörper 26 bevorrateten
zusätzlichen
Kraftstoffes bei geöffnetem
Ventilsitz 30 zur Spritzlochscheibe 32 möglich. In
der Ausführungsvariante
gemäß 4 ist
die Heizeinrichtung, die durch den mindestens einen Heizdraht 44 gebildet
ist, entfallen.
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Die
in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsvarianten
der Heizeinrichtung, die durch den mindestens einen Heizdraht 44 dargestellt
wird, können
in regelmäßigen Zeitabständen bestromt werden,
so dass die Temperatur an der Spritzlochscheibe 32 in direkter
Nähe der
Einzelöffnungen 48 auf
ein Temperaturniveau von oberhalb 600°C ansteigt. Bei dieser Temperatur
verdampfen in den Einzelöffnungen 48 die
austretende Kraftstoffströmung behindernde
Kraftstoffreste. Ferner verbrennen Rußpartikel, die sich in den
Strömungsquerschnitten
der Einzelöffnungen 48 angelagert
haben, bei diesem Temperaturniveau. Ist die Heizeinrichtung aus
dem mindestens einen Heizdraht 44 an der ersten Stirnfläche 38 gemäß der Darstellung
in 3 oder an der zweiten Stirnfläche 40 gemäß der Darstellung
in 2 angeordnet, so kann, obwohl in den 2 und 3 nicht
dargestellt, im Hohlraum 36 des Ventilkörpers 26 eine thermische
Isolation 50 aufgenommen sein, wie im Ausführungsbeispiel
gemäß 4 dargestellt.
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Neben
einer gleichmäßigen Temperierung der
Spritzlochscheibe 32 durch eine konstante Bestromung der
Heizeinrichtung, mindestens einen Heizdraht 44 umfassend,
besteht die Möglichkeit,
die Temperatur der Spritzlochscheibe 32 kurzfristig nach der
Eindosierung von Kraftstoff zur Partikelfilter regeneration anzuheben,
so zum Beispiel auf ein Temperaturniveau von etwa 400°C, um in
den Einzelöffnungen 48 anhaftende
Kraftstoffreste schnell zu verdampfen. Daneben ist auch eine längerfristig
andauernde Temperaturerhö hung
denkbar, um der diffusen Anlagerung von Rußpartikeln durch Thermophorese entgegenzuwirken
und diese im Idealfall vollständig auszuschließen.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel kann zur Erhöhung der
Temperatur der Spritzlochscheibe 32 auf eine Heizeinrichtung,
mindestens einen Heizdraht 44 umfassend, vollständig verzichtet
werden, wenn die Temperaturerhöhung der
Spritzlochscheibe 32 durch die Abgasströmung, die das Abgasrohr 12 passiert,
herbeigeführt
wird. In diesem Falle ist das Innere des Ventilkörpers 26 des Einspritzventils 24 von
der Spritzlochscheibe 32 durch die thermische Isolation 50 entkoppelt.
Bevorzugt wird die thermische Isolation 50 im Hohlraum 36 im
Ventilkörper 26 eingebracht,
der durch den Ventilsitz 30 einerseits und die Spritzlochscheibe 32 andererseits
begrenzt ist. Da die Spritzlochscheibe 32 der heißen Abgasströmung ausgesetzt
ist und sich demzufolge sehr stark erwärmt, wird über die im Hohlraum 36 angeordnete
thermische Isolation 50 erreicht, dass das Temperaturniveau
der Spritzlochscheibe 32 nicht auf den Ventilkörper 26 des
Einspritzventils 24 wirkt. Ferner wird durch die thermische
Isolation 50 erreicht, dass die Heizwirkung der Abgasströmung auf
die Spritzlochscheibe 32 begrenzt bleibt und diese nach
einer entsprechenden Aufheizzeit auch wirklich die Temperatur der
Abgasströmung
annimmt. In einer zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsvariante
lässt sich
die thermische Isolation 50 auch auf der der Abgasströmung zugewandten
Seite der Spritzlochscheibe 32 aufbringen. In diesem Falle
kann die thermische Isolation 50 durch eine Beschichtung
mit einer keramischen Wärmedünnschicht
dargestellt werden, wobei sicherzustellen ist, dass diese die Abgasströmung innerhalb des
Abgasrohres 12 möglichst
wenig beeinflusst. Die thermische Isolation 50 in Gestalt
einer Beschichtung mit keramischer Wärmedünnschicht wird so auf die Spritzlochscheibe 32 aufgebracht,
dass die in dieser ausgebildeten Einspritzöffnungen 48 nicht
von der keramischen Wärmedünnschicht überdeckt
sind.